基于均值滑動濾波算法和STM32電子秤的設(shè)計

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摘 要： 為了提高電子秤的抗干擾性和數(shù)據(jù)的準確性，介紹基于均值滑動濾波算法和STM32電子秤的設(shè)計。選用電阻應變片構(gòu)成的惠斯通電橋傳感器采集重物信號，24位HX711 A/D模塊完成電信號的放大和轉(zhuǎn)換，在STM32內(nèi)實現(xiàn)軟件濾波，采用滑動均值濾波算法，減小誤差，提高數(shù)據(jù)的準確度。通過軟硬件結(jié)合的方法進行校正。矩陣鍵盤輸入控制指令實現(xiàn)設(shè)置單價、計算物品金額并實現(xiàn)金額累加和去皮等功能。實驗測試表明，該電子秤測量范圍是0～500 g，誤差不超過±1 g，稱重反應靈敏，5 s左右讀數(shù)穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞： 滑動均值濾波； 電阻應變片； HX711； STM32

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0010?03

Abstract： In order to improve the anti?jamming and data accuracy of electronic scale， the design of the electronic scale based on the mean sliding filter algorithm and STM32 is introduced in this paper. The Wheatstone bridge sensor with the structure of resistance strain gage is selected to collect weight signal. 24 bit HX711 A/D module is adopted to complete the signal amplification and conversion to realize software filtering in STM32.Tthe sliding men filtering algorithm is used to reduce the error and improve the data accuracy. The correction is executed with the method combining the software and hardware. Matrix keyboard input control instructions are employed to set the unit price， calculate the amount of item and achieve the money accumulation and peeling， and other functions. The experimental results show that the measurement range of the electronic scale is 0～500 g， its error is not more than ±1 g， and has sensitive weighing response and about 5 s stable reading.

Keywords： sliding mean filter； resistance strain gage； HX711； STM32

電子秤是一種通過作用在物體上的重力來測定該物體質(zhì)量的一種計量儀器。因其操作簡單、稱量準確、體積小、稱量速度快、讀數(shù)方便，被廣泛應用于商業(yè)貿(mào)易、醫(yī)院、學校、企業(yè)等部門[1?2]。而懸臂式電子秤是一種鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，懸臂梁上粘貼電阻應變片作為稱重傳感器進行感應相應重量變化的電子秤。提出一種在懸臂梁上粘貼電阻應變片構(gòu)成惠斯通電橋[3]作為稱重傳感器采集數(shù)據(jù)，HX711作為A/D轉(zhuǎn)換器，STM32為主控器的電子秤，采用滑動均值濾波算法[4]，減小各種干擾和提高數(shù)據(jù)的準確性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以STM32為控制核心，采用電阻應變片和精密電阻構(gòu)成惠斯通電橋電路作為稱重傳感器，通過電子秤專用的HX711 A/D芯片轉(zhuǎn)換成電信號并進行放大處理，處理后的數(shù)據(jù)送到STM32中進行處理，從數(shù)據(jù)中總結(jié)出，重量與電壓或者電阻的關(guān)系。通過它們之間的關(guān)系可以根據(jù)電壓變化得出相應的重量。TFT液晶屏用于顯示各種參數(shù)，用矩陣鍵盤通過STM32主控系統(tǒng)設(shè)置的指令執(zhí)行相應的命令。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 電子秤的工作原理

設(shè)計選用電阻應變片粘貼在懸臂梁上作為稱重傳感器來進行重量信號的變換，把重量變換成電信號。當有重物放置到秤盤上時，懸臂梁發(fā)生彎曲，彎曲程度與放置物重量有對應關(guān)系。粘貼在上面的電阻應變片感應到相應的信號，輸出微弱的電壓信號。HX711對這個電壓信號進行放大和A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給 STM32控制核心進行處理，先對數(shù)字信號進行數(shù)字濾波等處理，在TFT液晶屏上顯示出來。電子秤的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.2 稱重傳感器

將電阻應變片貼在鐵質(zhì)懸臂梁適當?shù)奈恢蒙?，使它里面的金屬箔材隨著尺子的彎曲一起伸縮，這樣電阻應變片的電阻就會隨著應變片的伸縮按一定的規(guī)律變化。應變片就是應用這個原理[5?6]，通過測量電阻的變化而對應變進行測定。其電阻變化率為常數(shù)，與應變成正比例關(guān)系，即：

電阻的變化率可以通過惠斯通電橋間接測量。先對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，然后用公式進行計算。最終得出[R]與[ΔR]的比例系數(shù)。使用惠斯通電橋[3]電路，將電阻應變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、測量范圍大、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)忍攸c。

對電橋電路的選擇進行了簡單的實驗后發(fā)現(xiàn)單臂的性能比雙臂和全橋的差，而雙臂和全橋的性能在各方面相差不大，從節(jié)省元件方面出發(fā)，故采用雙臂電橋電路?；菟雇姌螂娐啡鐖D3所示，圖中[R2]和[R3]為電阻應變片，[R1]和[R4]為精密電阻阻值均為1 kΩ，其電阻應變片初始阻值均為1 kΩ。P1為Uo，BT1為E，則該電橋輸出電壓為：

1.3 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇

HX711是一款電子秤專用的高精度24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。芯片內(nèi)部集成了電源、時鐘振蕩器等其他電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點[8?9]。與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單。工作時是通過簡單的數(shù)字控制和串口通信：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無需編程，輸出數(shù)據(jù)編碼二進制補碼。電路簡單，易于控制和使用。芯片的分辨率高，系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)比較精確。電路如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

2.1 模塊化子程序的設(shè)計

本程序設(shè)計使用的是Keil Software公司開發(fā)的MDK5軟件，使用模塊化思想進行編程，液晶屏顯示、矩陣鍵盤、A/D模塊、極大極小值滑窗均值濾波子程序、定時器中斷以及字符字模處理顯示等子程序都以模塊的結(jié)構(gòu)方式編寫在不同的C文件中，函數(shù)與參數(shù)變量使用頭文件進行傳遞，使得程序結(jié)構(gòu)清晰明朗，出現(xiàn)問題易于查找糾正。程序流程圖如圖5所示。

2.2 滑動均值濾波算法

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號存在著很多干擾的信號，需要把無用的信號濾除掉，采用了極大極小值滑窗均值濾波算法。該算法是由均值滑動算法演變而來[4]。令[u（n）]為稱重傳感器[n]時刻的采樣值，[L]為滑窗均值濾波器的窗口長度，則[n]時刻濾波器的輸出值[x（n）]為[10]：

由式（4）可知，滑動均值濾波算法采集[L]個數(shù)據(jù)并分別存入[L]個內(nèi)存單元，完成[L]個稱重數(shù)據(jù)的初次采樣后，每采樣一次[L]個內(nèi)存單元按順序移出一個最初的數(shù)據(jù)，并移入本次采樣的數(shù)據(jù)，去除本次[L]個數(shù)據(jù)的最大最小值后，求取剩余[L-2]個數(shù)據(jù)的均值[10]。 通過實驗和根據(jù)選用的A/D轉(zhuǎn)換速率，選取[L=10]，這樣，在編程處理A/D模塊輸出的數(shù)據(jù)時，使用了去最值取均值的數(shù)字濾波法，從A/D模塊讀回的每一個數(shù)據(jù)都要與前9個數(shù)據(jù)中的最大最小值比較，并將比較后的10個數(shù)中的最大最小值剔除，對剩余的8個數(shù)據(jù)求平均，實現(xiàn)對誤差較大的數(shù)據(jù)進行剔除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

3 實驗測試

通過軟硬件結(jié)合設(shè)計，對該系統(tǒng)進行測試。測試使用標準砝碼，測試結(jié)果保留兩位小數(shù)。

加入標準砝碼，將砝碼的質(zhì)量和相應的A/D輸出值記錄在表1，通過表1的數(shù)據(jù)找出砝碼質(zhì)量與A/D輸出值的關(guān)系。

由上述對表1的數(shù)據(jù)計算和它的相應曲線圖（圖6）可以得出，A/D輸出值與砝碼質(zhì)量的比值逐漸減小，但是變化不大。因此可以根據(jù)K值和A/D輸出值來計算出物品的質(zhì)量。又因為尺子發(fā)生彈性形變后，由于各種原因不能恢復，所以測量值會存在一定的誤差。

加入標準砝碼，記錄砝碼質(zhì)量和實測質(zhì)量，并且計算出它的相對誤差，見表2。

4 結(jié) 論

本文研究基于均值滑動濾波算法和STM32電子秤的設(shè)計與實現(xiàn)，將電阻應變片構(gòu)成的惠斯通電橋作為稱重傳感器采集重量信號，應用HX711完成信號的放大和轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在 STM32運用均值滑動濾波算法對數(shù)據(jù)進行濾波處理，減小干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性。通過實驗測試，該電子秤可以測量0～500 g質(zhì)量，測量誤差小，具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] 王德清，胡曉毅，賈宏，等.基于SPCE061A的高精密電子秤設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用，2008（5）：83?85.

[2] 佟瑩欣.基于C8051F350的高精度低成本電子秤[J].遼寧科技學院學報，2008（3）：9?10.

[3] 樊毅，秦會斌.基于STM32的高精度電子天平[J].機電工程，2013（1）：51?54.

[4] 譚興文，韓力.惠斯通電橋靈敏度的探究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2008（4）：149?152.

[5] 李巧真，李剛，韓欽澤.電阻應變片的實驗與應用[J].實驗室研究與探索，2011（4）：134?137.

[6] 閆好奎，任建國.電阻應變片的工作原理[J].計量與測試技術(shù)，2013（4）：12.

[7] 郁有文，常健，程繼紅.傳感器原理及工程應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008：40?54.

[8] 李從宏，嚴影.基于NRF24L01的多點無線稱重系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計[J].信息技術(shù)，2015（6）：69?71.

[9] 崔陸軍，郭虹虹，郭江濤.一種用于沖床的壓力測試系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制，2015，23（3）：693?695.

[10] 羅及紅.一種高精度的電子秤設(shè)計[J].計算機測量與控制，2010，18（8）：1955?1958.