基于ARM單片機的高精度電子秤設(shè)計與實現(xiàn)

張超洋

該系統(tǒng)是以TI公司的32位ARM單片機TM4C123GH6PZ為核心控制器，實現(xiàn)了一種基于ARM單片機的高精度電子秤設(shè)計。電阻應(yīng)變片采用差動全橋連接方式，該電子秤稱重范圍在0.2g至1000g；被稱物體質(zhì)量低于200g時，誤差低于0.2g；稱重物體高于200g時，誤差低于0.4g。該系統(tǒng)具有設(shè)置單價、金額及金額累加累減、去皮、支持多項付款方式、溫度時間實時顯示等功能，系統(tǒng)具有精確度高、稱重范圍廣、靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點。

【關(guān)鍵詞】電阻應(yīng)變片 TM4C123GH6PZ 高精度 HX711

1 系統(tǒng)框圖簡介

當(dāng)秤盤上放入被秤物體后，電阻應(yīng)變片受重力的影響產(chǎn)生形變，電阻值發(fā)生變化。應(yīng)變片搭建的橋式電路會輸出微弱的電壓信號，微弱電壓信號由HX711內(nèi)部集成放大器放大后經(jīng)過內(nèi)部ADC進行采樣轉(zhuǎn)換后送到到MCU，接收到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過線性擬合處理后送到LCD液晶顯示。系統(tǒng)能完成稱重、設(shè)置單價計算金額及金額累加、去皮及去皮范圍限制等基本功能，還能實現(xiàn)時間、溫度、報警、二維碼支付等擴展功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 理論分析與計算

2.1 電橋驅(qū)動電路分析

如圖2所示當(dāng)被測負載作用在彈性臂梁上使其發(fā)生彈性形變；通過粘性物質(zhì)使粘貼在感壓裝置上的電阻應(yīng)變片發(fā)生形變，從而轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的阻值大小變化；差動電路將電阻應(yīng)變片的阻值變化，轉(zhuǎn)化為與負載成正比的電信號輸出。其輸出的電壓為：

由公式1可知，理論上測量電路采用差動全橋測量，輸出電壓信號與電阻形變阻值大小成線性關(guān)系。國家標準的應(yīng)變片阻值為 60、120、200、350、500、1000Ω。鑒于大電阻小電流，持續(xù)運行周期長，信噪比高的情況，因此本系統(tǒng)采用阻值為1KΩ的電阻應(yīng)變片。

2.2 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器分析

HX711為稱重傳感器提供一個激勵電壓，有重物加載到稱重傳感器上時，它輸出一個比較小的電壓信號；其在接收到這個電壓信號后，對信號進行放大，然后進行A/D轉(zhuǎn)換，直接變換成數(shù)字信號輸出給外部設(shè)備。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響，傳感器承受載荷與其輸出電壓之間并非都成線性關(guān)系。加上ADC的線性度不夠理想，使小稱量和大稱量區(qū)間的線性斜率不一樣。這兩種情況都會使稱量線性度發(fā)生變化，造成某些點的稱量誤差較大。采用分段校準測量值和分段計算測量值，可有效的減小測量值的相對誤差。

為了提高精度與穩(wěn)定性本系統(tǒng)采用了數(shù)字濾波。其可以對頻率很低的信號進行濾波，這是模擬濾波器做不到的；數(shù)字濾波是用軟件算法實現(xiàn)的有效降低了成本。數(shù)字濾波可通過改變自身濾波參數(shù)對其進行濾波。這對于低頻、脈沖干擾、隨機噪聲等別有效。

3 硬件設(shè)計

如圖3所示為電子秤專用24位模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換模塊電路圖。其內(nèi)部集成低噪聲可編程放大器可對電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的微弱信號進行放大后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，片內(nèi)自帶穩(wěn)壓電路、時鐘振蕩器和部分外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)快、抗干擾強等優(yōu)點，減少了外圍放大電路的成本和干擾。

TM4C123GH6PZ：采用ARM Cortex-M4架構(gòu)， 集成了32位可進行FPU運算的浮點單元處理器，內(nèi)部Flash為256KB的內(nèi)存，其時鐘最高可達到80MHZ，含有豐富的外圍借口，如圖4所示。

4 軟件設(shè)計

上電后初始化核心控制器及其外圍模塊，通過按鍵選擇LCD菜單選擇；通過確定鍵進入不同功能的二級菜單，可以實現(xiàn)稱重、設(shè)置單價計算金額、設(shè)置單價及金額累加、去皮、時間及溫度等功能。普通稱重流程就是讀取ADC數(shù)據(jù)進過數(shù)據(jù)擬合處理后送到LCD液晶顯示。設(shè)置單價計算金額功能流程就是在普通稱重的基礎(chǔ)上再通過按鍵輸入單價，金額=單價×重量，計算后送LCD液晶顯示，如需掃碼付款，按支付鍵后掃描碼可。設(shè)置單價及金額累加就是在設(shè)置單價計算金額功能的基礎(chǔ)上累加金額即可。去皮功能流程就是先放入需要去掉皮重的物品，判斷皮重物品的重量是否超過100g，超過則報警，沒超過就保存重量，再放入物品，由最后的重量減去皮重即可系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖如圖5所示。

5 實物制作與系統(tǒng)測試

實物制作如圖6所示。

表1為稱重誤差測試表，通過表中誤差數(shù)據(jù)可以看出重量<75g，誤差在0.2g以內(nèi)。注：由于電子分析天平是精密儀器，表格中空白處砝碼重量過大，無法測量。

6 結(jié)論

系統(tǒng)支架選用鐵選用鐵質(zhì)懸梁臂，系統(tǒng)硬件設(shè)計由大阻值應(yīng)變片搭成差動橋式測量電路，抗干擾能力及穩(wěn)定性比較強。選用24位高精度ADC，對測量的精度有很大的提高，由于應(yīng)變片的安裝及整體機械架構(gòu)的組建比較合理，該電子秤稱重范圍在0.2g至1000g；被稱物質(zhì)量體低于200g時，誤差低于0.2g；稱重物體高于200g時，誤差低于0.4g。其它設(shè)置單價、金額及金額累加、去皮等功能增添了該系統(tǒng)的實用性，切合實際需求。該系統(tǒng)具有體積小、精確度高、性能穩(wěn)定、成本低等特點。

參考文獻

[1]郭懷天，李寶華，趙玉俠，等.基于電阻應(yīng)變式傳感器的電子天平的研制[J].微計算機信息，2007，23（16）：15-26.

[2]樊毅，秦會斌.基于STM32的高精度電子天平[J].機電工程，2013（01）：012.

[3]王德清，胡曉毅，賈宏，解永軍.基于SPCE061A的高精密電子秤設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007（11）：16.

[4]王亞平.電子秤的抗干擾技術(shù)[J].儀器儀表與應(yīng)用，2006（03）：83-85.

[5]葉朝輝.TM4C123微處理器原理與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014（01）.

作者單位

宜賓學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 四川省宜賓市 644007