基于STM32和HX710A的高精度电子秤

2024-07-28 作者:

Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　基于ＳＴＭ３２和ＨＸ７１　０Ａ的高精度电子秤　蒋正金，王艺环，黄旭德，张朋强　（浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华３２１００４）　摘　要：为了实现高精度电子称重，采用电阻应变片组成应变电桥作为称重传感器，利用２４位Ａ／Ｄ转换芯片ＨＸ７１０Ａ采集数　据，采用精密稳压源ＴＬ４３１为Ａ／Ｄ提供参考电压，利用ＳＴＭ３２Ｆ１０３单片机处理数据，通过键盘和液晶实现人机交互，设计了一　款高精度电子秤。文章给出了详细硬件电路设计以及软件程序流程，并进行了实际制作和测试。结果表明该电子杆称重范围　为５～５００　ｇ，称重误差≤Ｏ．５　ｇ，具有设置单价和累加金额功能，以及去皮和计数功能。　关键词：称重传感器；应变电桥；Ａ／Ｄ转换；单片机；电子秤　中图分类号：ＴＭ９３２　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—７７２０．２０１７．０５．０２７　引用格式：蒋正金，王艺环，黄旭德，等．基于ＳＴＭ３２和ＨＸ７１０Ａ的高精度电子秤［Ｊ］．微型机与应用，２０１７，３６（５）：９１－９４．　Ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２　ａｎｄ　ＨＸ７　１０Ａ　Ｊｉａｎｇ　Ｚｈｅｎｇｊｉｎ，Ｗａｎｇ　Ｙｉｈｕａｎ，Ｈｕａｎｇ　Ｘｕｄｅ，Ｚｈａｎｇ　Ｐｅｎｇｑｉａｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎｈｕａ　３２１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｗｅｉｇｈｉｎｇ，ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｓｔｒａｉｎ　ｇａｕｇｅ　ｏｆ　ｓｔｒａｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｓ　ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ，ｕｓｉｎｇ　２４　ｂｉｔｓ　Ａ／Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｃｈｉｐ　ＨＸ７１０Ａ　ｔｏ　ｃｏｌｌｅｃｔ　ｄａｔａ，ｕｓｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｖｏｈａｇｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ＴＬ４３１　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ａ／Ｄ，ｕｓｉｎｇ　ＳＴＭ３２Ｆ１０３　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄａｔａ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｋｅｙｂｏａｒｄ　ａｎｄ　ＬＣＤ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｈｕｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ａ　ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｃａｌｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｇｉｖｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ，ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｐｒｏｄｕｃ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｒａｎｇｅ　ｉｓ　５～５００　ｇ，ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｅｒｒｏｒ　ｉｓ　０．５　ｇ　ｏｒ　ｌｅｓｓ，ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｕｎｉｔ　ｐｒｉｃｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｐｅｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｕｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅｉｇｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ；ｓｔｒａｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ；Ａ／Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒ０ｃ０ｍｐｕｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｃａｌｅ　０　引言　１　系统总体方案　电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力　的大小，通过称重传感器转换为与之成正比的电压信号，　信号经过采集处理后以模拟或数字量的形式在仪表上显　示出来。　电子秤是集现代传感器技术、电子技术和计算机技术　于一体的电子称量装置，具有快速、直观、精度高、操作简　单、多功能等优点，与传统的机械秤相比更符合计量管理　和工业生产过程控制要求…。国内从２０世纪６０年代中　期开始模拟指针式电子秤的研制和生产，经历了模拟式电　子秤、数字式电子秤和微机式电子秤三个阶段　。总体而　言，电子秤的发展呈现出小型化、智能化和模块化的特点。　电子秤的基本工作原理是利用称重传感器将物体重　量转换为方便采集的模拟电压量。传感器输出电压量一　般很小，通常需要进行放大，然后通过高精度Ａ／Ｄ采集实　高精度电子秤由称重传感器、高精度Ａ／Ｄ采样、ＳＴＭ３２　单片机、键盘模块、数据存储、报警模块、液晶显示、ＵＳＢ接　口、精密稳压源ＴＬ４３１等电路模块组成。供电可以采用ＵＳＢ　供电或者电池供电。其系统总体方案框图如图１所示。　称重传感器采用３５０　Ｑ的电阻应变片组成应变电桥　实现物体重量到电压量的转换；Ａ／Ｄ采用２４位高精度　ＨＸ７１０Ａ芯片，为了提高采样精度，采用精密稳压源ＴＬ４３１　现模拟量到数字量的转换，最后经过单片机对数据进行处　理，通过键盘输入和液晶显示实现人机交互　。　为Ａ／Ｄ提供参考电压；键盘模块和液晶显示模块用于人　本文采用电阻应变片组成应变电桥　作为称重传感　器，利用２４位Ａ／Ｄ转换芯片ＨＸ７１０Ａ采集数据，采用精　密稳压源ＴＬ４３１为Ａ／Ｄ提供参考电压，利用ＳＴＭ３２Ｆ１０３　单片机处理数据，通过键盘和液晶实现人机交互，设计了　一＝＝＝重堡壁　ｌ　　ＴＬ看４３　单１　ｌ　片机　图１　系统总体方案框图　卜　ＳＴＭ３２　款高精度电子秤。其称重范围为５—５００　ｇ，称重误差≤　０．５　ｇ，具有设置单价和累加金额以及去皮和计数功能。　《微型机与应用｝２０１７年第３６卷第５期　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ　９１　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　机交互，可以实现输入单价、操作去皮、显示总重和总价、　１，２，３，４），则电桥横跨电源的相邻两臂Ｒ。、Ｒ：的电流，　和Ｒ　、Ｒ　的电流　分别为：　计数、重新标定等功能；数据存储模块用于存储历史称重　数据、语音播报数据等；报警模块可以播报重量、价格，指　示超量程等；ＵＳＢ接口可以用于供电或者程序下载。　２硬件电路设计　２．１　称重传感器电路　，＇，２＝　，　（６）　则电桥开路输出电压为：　Ｕｏ当悬臂梁一端受到托盘重物垂直方向的压力作用时，　其电阻应变片将因受力产生变形，从而导致电阻应变片的　电阻值随之发生相应的变化，引起电桥输出电压的变化。　电桥输出电压经过Ａ／Ｄ采样芯片ＨＸ７１０Ａ，利用ＨＸ７１０Ａ　内部放大功能，将电桥输出电压先进行１２８倍放大，然后　＝　１１ＲＩ一１一２　只　＝，　㈩　（７　２．２高精度Ａ／Ｄ采样电路　电子秤测量精度为０．５　ｇ，最大称重为５００　ｇ，其内分　度为０．５　ｇ，最大分度数为１　０００，采用２４位Ａ／Ｄ转换芯片　再进行Ａ／Ｄ采样实现模拟量到数字量的转换，从而建立　输出数字量与电阻应变电桥输出量（托盘重物压力引起）　之间的关系，可利用微处理器进行后续的数据分析与处　理，最终通过分析与计算反推得到物体质量。　图２所示为经典的惠斯顿电桥，如果电阻为电阻应变　片，则称为电阻应变电桥，目的是将应变片电阻值的变化　量转换为电压变化量以方便测量。实际工作中，采用同型　号的应变片接入惠斯顿电桥四臂，称为全桥结构，在应变　为零的初始状态下，电桥平衡，没有输出电压；在应变片承　受应变时，电桥失去平衡，有输出电压。　如图２所示全桥应变电路中，令：　Ｚ　＝Ｒ　＋ＡＲ　，Ｒ　＝Ｒ，△Ｒ　／Ｒ　＝ｋ６　（ｉ：１，２，３，４）　（１）　电桥的开路输出电压为：　，，　（Ｒ。＋△Ｒ。）（Ｒ，＋ＡＲ　）一（Ｒ。一ＡＲ：）（Ｒ　一△Ｒ　）　。　（Ｒ１＋ＡＲ１＋　２一ＡＲ２）（Ｒ３＋ＡＲ３＋Ｒ４一ＡＲ４）。　（２）　若△　《Ｒ　，则电桥的开路输出电压为：　Ｕｏ≈Ｕ＇ｏ＝　－Ｕ，１＋等＋　＋等）　㈩　非线性误差近似为：　ｅ：一ｅ＝　Ｕ　２。　一≈１（　Ｒ．ＡＲ，　２．一等一—　Ｒ＋，‘＋　等—Ｒ一　一等—Ｒ）ｃ　ｌ／　ｌ　一　４　Ｊ　将式（１）代入式（３）可得：　：　。（ｓ　）　（５）　图２所示电桥电源如果从恒压源　供电改为恒流源，　供电，且将电桥的四个桥臂都接入电阻，则有Ｚ　＝Ｒ　（ｉ＝　ＨＸ７１０Ａ，由于（２　＝１６　７７７　２１６）》１　０００　（１　０２４＝２　），　因而完全可以保障高精度。ＨＸ７１０Ａ的输入低噪声放大　器的增益为１２８，当参考电压为５　Ｖ时，对应的满额度差分　输入信号幅值为±２０　ｍＶ。　ＨＸ７１０Ａ芯片内的时钟振荡器不需要外接任何器件，　芯片内集成数字温度传感器可直接读出系统温度用于温　度补偿，同时具备上电自动复位功能，简化了初始化过程。　高精度Ａ／Ｄ采样电路原理图如图３所示。其中精密　稳压源ＴＬ４３１为ＨＸ７１０Ａ提供参考电压和模拟部分供电　电压，由于参考电压不受电源电压波动影响，极大地提高　了采样精度。数字部分供电采用普通电压供电，同时加上　滤波电容来提高抗干扰能力。　＋５　Ｖ　０Ａ　图３高精度Ａ／Ｄ采样电路原理图　２．３矩阵式键盘电路　矩阵式键盘电路原理图如图４所示，其工作方式采用　一：　：　：４Ｊ　舢厂ｖｗ—　一　一　—　・Ｐ１；　—　Ｓ５　Ｓ６　Ｓ７　Ｓ８　．．■ｌ＿＿　－－■■一　－＿■‘一　．．■ｌ＿＿　厂　一　．　厂　．　—　－－Ｓ９　■■一　Ｉ．．　三　Ｌ＿．　Ｓｌ．．２■Ｉ＿　＿　：广　ｗ－　一　厂ｏｗ－Ｐ　一　厂　ｗ－　一　Ｓｌ５　Ｓｌ６　～　一　・＿■■一　＿＿■■一　，厂　・　’　－　．　一　４　５　＾６　图４矩阵式键盘电路原理图　《微型机与应用／２ｏ１７年第３６卷第５期　扫描方式，也可以直接选购薄膜式触摸键盘，体积小巧，接　口方便。　２．４报警模块电路　报警模块电路原理图如图５所示。其中３个不同颜　色的发光二极管分别用于指示各种不同的测量范围或状　态，红灯亮则表示超过５００　ｇ，蓝灯亮则表示低于５　ｇ，绿灯　亮则表示在正常测重范围５～５００　ｇ内。扬声器则在超出　测量范围时发出呜叫，在正常测量范围时播报测重结果或　计数结果。　＋５　Ｖ　＋　Ｖ　＋５　Ｖ　＋Ｓ　Ｖ　ＵＮＤ　图５报警模块电路原理图　２．５存储与液晶显示电路　最小控制系统采用ＳＴＭ３２Ｆ１０３系列单片机作为微处　理器，包括液晶显示模块和存储模块。ＳＴＭ３２单片机最小　系统原理图如图６所示。　ＡＡ５　０２３４１　３４４Ｉ４５６７０　　ＰＰＡ４　Ａ０ｌ２３　ｐＰＥＩｌＰＥＥ１７８９Ｏ　　堆　Ａ６　４２　ＰＡ５　ｐＥ１２　Ａ７　４３　ＰＡ６　ＰＥｌ３　ＴＸ　１０ｌ　ＰＡ７　ｐＥｌ４　Ｕ５　ＲＸ　１０２　ＰＡ９　ｐＥＩ５　ＢＬ　４６　ＰＡ１０　ＰＦＯ　Ｄ２　１１４　ＰＢ０　ＰＦｌ　Ｄ３　ｌ１５　ＰＤＯ　ＰＦ２　Ｄｊ３　７７　ＰＤ１　ＰＦ７　Ｄｌ４　７８　ＰＤ８　ＰＦ８　Ｄ１５　７９　ＰＤ９　ＰＦ９　Ｄ１　８５　ＰＤ１０　ＰＦｔ０　Ｄ０　８６　ＰＤ１４　ＰＧ０　ＳＣＫ１３２　ＰＤ１５　ＰＧ　Ｊ２　３０　ＰＧ　Ｊ５　ＰＧｊ３　＋３　３　Ｖ　Ｖ．３ｌ　ＶＳＳＡ　ＰＧＩ４　Ｖ＋３２　ＶＲＥＦ－　＋３　３　Ｖ　３３　ＶＲＥＦ＋０ＳＯＳＣＣ　０ＵｌＮ　２５ｌ＋　…　’ｌＶＤｎＡ　ＮＲＳＴ　Ｔ　毒２７　ＧＮＤ　ＶＢＡ１　６　Ｂ置ＯＯ４７Ｔ　Ｖｏ　ＮＶｄｓ　Ｃ２　ｆ噩Ｍ／ＳＯ　２９　图６　ＳＴＭ３２单片机最小系统　３软件程序设计　系统工作时，首先进行系统初始化，对重量数据进行　采集并进行按键扫描，判断是否超重以及按键是否按下。　通过判断，选择执行按键的功能，将功能通过液晶显示，最　终根据实际情况显示出测试结果。电子秤的软件程序流　程图如图７所示。　４测试结果　４．１　称重测量　采用标准砝码进行实际测量，测量数据如表１所示，　其中单位为ｇ。根据测量数据可知，当称重质量小于５０　ｇ　时，称重误差小于０．３　ｇ；当称重质量大于５０　ｇ时，称重误　《微型机与应用））２０１７年第３６卷第５期　图７　电子秤的软件程序流程图　差小于０．５　ｇ。　表１　称重测量数据表　（单位：ｇ）　４．２　电子秤单价设置及金额累加测试　对不同重量的砝码进行单价设置，通过实际测量，对　被测物进行金额小计，并对各项小计作求和处理，可获如　表２所示的金额累计测试结果。　表２　电子秤单价设置及金额累加测试表　４．３　电子秤去皮功能测试　通过增减砝码来进行去皮功能的测试，测试结果如表　３所示。实测时，皮重和物重都采用标准砝码。　欢迎网上投稿ｗｗｗ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ　９３　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　表３　去皮功能测试（非空盘去皮）（单位：ｇ）　皮重　物重　去皮前去皮后成应变电桥并贴装在白钢刀悬臂梁上下两侧作为称重传　感器，采用２４位Ａ／Ｄ转换芯片ＨＸ７１０Ａ，结合精密稳压源　ＴＩＡ３１保证采样电路参考电压稳定，采用ＳＴＭ３２最小系统　５　５　６　１０　７　２０　１０　５０　２０　８０　３０　１００　５０　１２０　１００　１３０　１０．１５　ｌ５．９７　２７．１７　６０．１６　１００．７６　１３０．３２　１７０．５６　２３０．６７　５．１３　９．９４　２０．１２　５０．１３　７９．８６　１００．２２　１２０．３６　１３０．３４　（包含数据存储和液晶显示模块）作为核心处理器，采用　矩阵式键盘方便人机交互。在软件方面，算法合理、功能　全面。经过实际制作测试，称重范围为５～５００　ｇ，称重误　差≤０．５　ｇ，具有设置单价、累加金额以及去皮和计数功　能。　参考文献　［１］甘慧娟．基于ＨＸ７ＩＯＡ的高精度电子秤的设计与实现［Ｃ］．　中国职协２０１５年度优秀科研成果获奖论文集（中册），　２０１５．　４．４声光报警功能测试　声光报警的测试结果如表４所示。通过系统的实际　测试，当称重质量低于５　ｇ或高于５００　ｇ时，系统蓝或红指　示灯亮且喇ｎｉｔ　Ｄｉ￣起，在正常测试范围内绿灯亮，且喇叭播　报测试结果。　表４声光报警测试结果　［２］王德清，胡晓毅，贾宏，等．基于ＳＰＣＥ０６１Ａ的高精密电子秤　设计与实现［Ｊ］．电子技术应用，２００８，３１（５）：８３—８５，８９．　［３］罗及红．一种高精度的电子秤设计［Ｊ］．计算机测量与控制，　２０１０，１８（８）：１９５５－１９５８．　４．５计数功能测试　［４］李银伟．电阻应变式数字智能称重变送器设计［Ｄ］．南昌：　华东交通大学，２０１１．　（收稿日期：２０１６－１０－０９）　计数功能的测试结果如表５所示。实际使用时，可以　先数１０个同种小物件称重，然后设置计数值为１Ｏ，当再　添加同种物件时，即可实现自动计数。　表５计数功能测试结果　作者简介：　蒋正金（１９８０一），男，博士研究生，工程师，主要研究方向：　传感器与电子技术应用、数字图像处理与算法。　王艺环（１９９６一），女，本科生，主要研究方向：电子信息工　程。　５　结论　本电子秤的设计在硬件电路方面，采用电阻应变片组　黄旭德（１９９５一），男，本科生，主要研究方向：电子信息工　程。　（上接第９Ｏ页）　参考文献　［１］王晓晶，赵银花，宋柏林，等．基于ＳＴＭ３２生产环境监控系　统［Ｊ］．长春工业大学学报（自然科学版），２０１５，３６（１）：６１—　６２．　［７］张敏．ＴＣＴ—ＬＣＤ显示器显示质量测评［Ｊ］．光电子技术，　２０００，２Ｏ（４）：２６０—２６８．　［８］李会坤．基于￥３Ｃ２４４０与ＧＰＲＳ的嵌入式环境数据采集系　统设计［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１６．　［９］程小艳．嵌入式ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６微处理器接口模块开发　及应用研究［Ｄ］．合肥：合肥工业大学，２０１２．　［１０］李宁．基于ＭＤＫ的ＳＴＭ３２处理器应用开发［Ｍ］．北京：北　京航空航天大学出版社，２００８．　（收稿日期：２０１６－１０—１１）　［２］柯菡．我国自然灾害管理与救助体系研究［Ｄ］．武汉：武汉　科技大学，２００７．　【３］樊锐，李茹，任春雷．基于突发灾难援救环境的蓝牙／ＺｉｇＢｅｅ　异构无线网络传输系统的设计与实现［Ｃ］．中国计算机学　会服务计算学术会议，２０１２．　［４］李楠，李建义，张红亮，等．基于ＳＴＭ３２的环境监控终端的设　计与实现［Ｊ］．北华航天工业学院学报，２０１３，２３（１）：１５－１９．　［５］李朝青．单片机原理与接口技术［Ｍ］．北京：北京航空航天　大学出版社，２００５．　作者简介：　严学阳（１９９４一），女，硕士研究生，主要研究方向：气象探　测、信号与信息处理。　杨笔锋（１９８０一），男，硕士，副教授，主要研究方向：气象探　测、电子综合设计。　张杰（１９９１一），男，硕士研究生，主要研究方向：气象探测、　电子通信。　［６］关丽敏，李思慧，李伟刚．ＳＴＭ３２ＦｌＯ７ＶＣ的嵌入式远程监控　终端设计［Ｊ］．单片机与嵌入式系统应用，２０１４，１４（６）：７３—　７４　９４　《微型机与应用））２０１７年第３６卷第５期