一種基于STM32的多功能精密電子秤

徐倫++鄧濤

摘要：電子秤作為生活中最常見(jiàn)的測(cè)量?jī)x器，被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)所。隨著日用設(shè)備自動(dòng)化水平的快速發(fā)展，人們所用的電子秤也不斷更新。但是，市場(chǎng)上的電子秤大多存在功能單一，人機(jī)界面不友好，測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。為此，本文以STM32單片機(jī)為控制基礎(chǔ)，使用四片箔式應(yīng)變片組成惠斯登電橋與高精度集成轉(zhuǎn)換芯片HX711相連接，設(shè)計(jì)一種可語(yǔ)音播報(bào)、連續(xù)測(cè)量、單價(jià)輸入、總價(jià)計(jì)算、總價(jià)累計(jì)、校準(zhǔn)清零、液晶顯示、觸摸輸入以及高精度的電子秤。

關(guān)鍵詞：STM32 人機(jī)界面 高精度 多功能

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0148-02

1 引言

物體質(zhì)量的測(cè)量，價(jià)格的計(jì)算，價(jià)格的累計(jì)存在于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。一種具有多種功能，人機(jī)界面友好，測(cè)量精度高的電子秤可在很大程度上提高使用效率。

本文采用四片箔式應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯登電橋。運(yùn)用集成芯片HX711對(duì)稱重傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，后經(jīng)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理完成高精度的測(cè)量，隨后加上各種算法，完成多種功能的計(jì)算；最后在配合液晶顯示，觸摸輸入，語(yǔ)音播報(bào)等完成友好的人機(jī)交互。

2 系統(tǒng)組成

根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，硬件上需要有稱重傳感器，AD轉(zhuǎn)換電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)，按鍵輸入，顯示輸出，語(yǔ)音播報(bào)，以及電源模塊，其組成的系統(tǒng)框圖如圖1。

3 稱重傳感器的設(shè)計(jì)

3.1 懸臂梁的設(shè)計(jì)

采用優(yōu)質(zhì)的鋁合金材質(zhì)（長(zhǎng)，寬，高分別為：190mm，20mm，3mm），鋁合金具有塑造性強(qiáng)，硬度適中，彈性好等特點(diǎn)，常作為電阻應(yīng)變式稱重傳感器的懸臂梁。本次設(shè)計(jì)中對(duì)懸臂梁做了如下處理，使其機(jī)械形變更加合理。

（1）在懸臂梁靠近支點(diǎn)（約1/3處），下表面開(kāi)約1.5mm深的小槽。使其產(chǎn)生的形變集中在一條線上，獲得更好的線性應(yīng)變。

（2）在支點(diǎn)的另外一端，中間處固定一根5cm，下端具有通孔的螺絲釘。好處在于可使測(cè)量物體的重心集中在一個(gè)點(diǎn)上，便于提高精度。

3.2 測(cè)量電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用惠斯登電橋中的四臂測(cè)量接線法，此接線法能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行包括溫度，濕度等外界干擾因素的補(bǔ)償。使系統(tǒng)不易受外界因素的干擾，提高測(cè)量精度。

將R1和R4應(yīng)變片粘貼于凹槽對(duì)應(yīng)的上表面，R2和R3應(yīng)變片粘貼于下表面，這樣就完成了稱重傳感器的設(shè)計(jì)。

4 AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

通過(guò)惠斯登電路可以得到極其微小的電壓差信號(hào)，一般情況下我們需要再設(shè)計(jì)一個(gè)差分放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，然后再用精度很高的AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣得到的數(shù)據(jù)才能被單片機(jī)所能使用。而市場(chǎng)上有了一款針對(duì)電子秤開(kāi)發(fā)的集成芯片HX711，由于具有較高的精度，低廉的價(jià)格，故本次設(shè)計(jì)采用這款芯片。

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

將HX711的模塊與惠斯登電橋、單片機(jī)連接；通過(guò)HX711，就可以將惠斯登電路所測(cè)微弱形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送給STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

5 單片機(jī)、液晶屏以及語(yǔ)音模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)采用的是STM32F407ZGT6為處理器，該芯片具有運(yùn)行速度快，高達(dá)168M。大容量，1M的Flash，196KB的RAM，以及自帶FSMC接口。

電源模塊的設(shè)計(jì)采用DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MP2359，該芯片具有寬電壓輸入（6V-16V），穩(wěn)壓5V輸出，電流可高達(dá)1A，這樣就不會(huì)因?yàn)長(zhǎng)CD功耗較大而驅(qū)動(dòng)不了。3.3V電壓的得到采用AMS117-3.3三端穩(wěn)壓芯片完成，這樣電源就設(shè)計(jì)完成。

LCD液晶屏模塊采用的是ALIENTEK的4.3寸屏，控制器IC為ILI9341，分辨率為480*800，16色真彩顯示，自帶觸摸屏。

語(yǔ)音模塊采用的是WT588D語(yǔ)音模塊，設(shè)計(jì)中采用一線串口控制模式。該模式下，只需使用一個(gè)I/O口向模塊發(fā)送需要播報(bào)的語(yǔ)音地址即可。為了便于編寫(xiě)程序代碼，可把語(yǔ)音‘0加載到模塊的地址0上，語(yǔ)音‘1加載到地址1上，以此類(lèi)推，最后語(yǔ)音‘點(diǎn)加載到地址10上，語(yǔ)音‘元加載到地址11上，這樣需要播報(bào)時(shí)，發(fā)送相應(yīng)的地址就可以了。

通過(guò)液晶觸摸屏和語(yǔ)音模塊就可以很好的完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。

6 軟件設(shè)計(jì)

6.1 物體質(zhì)量處理

通過(guò)HX711轉(zhuǎn)換可以得到數(shù)字信號(hào)量，此時(shí)，就可以用單片機(jī)獲取數(shù)據(jù)。HX711模塊的輸出接口類(lèi)似于IIC接口，只有時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，按照該芯片的使用手冊(cè)，就可以讀出數(shù)據(jù)。

從HX711模塊獲取的數(shù)據(jù)并不能直接使用，它只是經(jīng)24位AD轉(zhuǎn)換后的值。所以，需要處理，24位AD轉(zhuǎn)換除去最高位的標(biāo)志位，其有效數(shù)據(jù)位只有23位。滿量程為2^23次方，等于8388608。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)低兩位可作為無(wú)效位去除，其原因在于AD轉(zhuǎn)換的精度過(guò)于高，在不加砝碼的時(shí)候低兩位數(shù)值變化的厲害，因而將其舍去。最后可利用的數(shù)據(jù)最大為83886。處理后的AD轉(zhuǎn)換值也不是我們需要的物體質(zhì)量。因此，還需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用每一克質(zhì)量對(duì)應(yīng)一個(gè)AD轉(zhuǎn)換值，可以把這種對(duì)應(yīng)關(guān)系通過(guò)數(shù)學(xué)方法擬合成一個(gè)函數(shù)，這樣當(dāng)測(cè)量物體質(zhì)量時(shí)，就可以利用該函數(shù)求解出物體對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)0-500克砝碼的多次測(cè)試，擬合出的函數(shù)如式1。

WEIGHT=1945.5-0.0238*AD_Value （1）

可以看出該函數(shù)為一條單調(diào)遞減函數(shù)，通過(guò)該表達(dá)式就可以快速求解出物體的質(zhì)量。

為了滿足多功能的需求以及減小系統(tǒng)自身的誤差，需要設(shè)置扣重，校準(zhǔn)功能。其程序?qū)崿F(xiàn)代碼如式2。

REAL_WEIGHT=WEIGHT-XIAOZHENG-KOUZHONG （2）

當(dāng)需要校準(zhǔn)時(shí)，把REAL_WEIGHT賦值給XIAOZHENG即可實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，當(dāng)需要扣重時(shí)，把REAL_WEIGHT賦值給KOUZHONG即可實(shí)現(xiàn)扣重。

總價(jià)計(jì)算及總價(jià)累計(jì)計(jì)算，利用觸摸屏輸入的單價(jià)值即可計(jì)算出當(dāng)前物體的總計(jì)價(jià)格，當(dāng)需要累加時(shí)，按下觸摸屏上對(duì)應(yīng)的按鍵區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)累計(jì)。

6.2 人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)

LCD顯示的最基本原理在于可以在指定的位置畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，利用這種原理，可以先對(duì)需要顯示的字符取模，再利用畫(huà)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)顯示字符。配合需要顯示的顏色，最終就可以設(shè)計(jì)出所需要的界面。

觸摸按鍵的設(shè)計(jì)在于利用當(dāng)用手指觸碰到屏幕時(shí)，單片機(jī)會(huì)接收到兩個(gè)數(shù)據(jù)，分別為X軸的坐標(biāo)值，Y軸的坐標(biāo)值。根據(jù)觸碰的點(diǎn)在哪一個(gè)區(qū)域內(nèi)就可以判斷出是哪個(gè)按鍵被觸發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)按鍵輸入功能。

當(dāng)需要語(yǔ)音模塊播報(bào)時(shí)，把需要播報(bào)數(shù)字的每個(gè)位的數(shù)值解析出來(lái)作為地址發(fā)送給語(yǔ)音模塊，當(dāng)解析出‘點(diǎn)時(shí)，發(fā)送地址10，最后再發(fā)送地址11，播報(bào)‘元，就完成了語(yǔ)音播報(bào)的功能。

7 測(cè)量結(jié)果及誤差分析

根據(jù)擬合出的的函數(shù)可以將處理后的AD轉(zhuǎn)換值代入方程中，求解出物體的質(zhì)量。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有加砝碼前，電子稱重儀還是有讀數(shù)，這為系統(tǒng)誤差，為此，需要在每次開(kāi)機(jī)時(shí)按下‘校正按鍵清零。另一方面由于應(yīng)變片產(chǎn)生的形變是非直線的，但是因?yàn)槭遣捎们€擬合的方法得到函數(shù)關(guān)系，測(cè)量結(jié)果的誤差是非常小的。因此，產(chǎn)生的誤差來(lái)源最主要的就是物體重心的偏移，測(cè)量時(shí)物體晃動(dòng)。

8 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)硬件與軟件的結(jié)合，可以很好的完成本次設(shè)計(jì)。而所選用的STM32單片機(jī)自帶浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元，可以大大提高小數(shù)運(yùn)算能力；LCD液晶屏的使用為人機(jī)交互界面提供了很好的顯示效果，極大方便了用戶的使用。通過(guò)對(duì)不同質(zhì)量砝碼的多次測(cè)量，獲取多組數(shù)據(jù)，然后用MATLAB或EXCEL軟件擬合出一個(gè)函數(shù)，這樣能明顯提高測(cè)量的精度，減小測(cè)量誤差。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)0-50克，測(cè)量誤差穩(wěn)定在0.1%內(nèi)，50-500克穩(wěn)定在0.2%內(nèi)，所以本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的多功能精密電子秤。

參考文獻(xiàn)

[1]邸興，陳貝，韓俊.基于STM32的便攜式人機(jī)界面系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（5）：94-97.

[2]胡美嬌，高美春.基于24位A/D轉(zhuǎn)換的高精度電子秤的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：普及版， 2013（11）：61-63.

[3]羅及紅.一種高精度的電子秤設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（8）：1955-1958.

收稿日期：2016-08-28

作者簡(jiǎn)介：徐倫（1982—），男，江蘇贛榆人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：智能控制與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；鄧濤（1993—），男，四川成都人，三江學(xué)院本科在

讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。