本文設(shè)計(jì)了一種以STM32為核心的高精度電子稱(chēng)，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，重點(diǎn)闡述了稱(chēng)重傳感器的工作原理，并完成了電子秤的軟件設(shè)計(jì)；采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn)定性；通過(guò)智能化、溫度補(bǔ)償和非線性擬合等 技術(shù)提高了測(cè)量精度。該電子秤的測(cè)量范圍為0?500 g，絕對(duì)誤差最大值為0.4g，滿(mǎn)量程最大相對(duì)誤差為0.08%。

1.引言

當(dāng)今，電子秤的發(fā)展趨向于集成化、數(shù)字化、智能化，然而， 電子秤存在精度低、穩(wěn)定性差、自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題。針對(duì)這一 系列問(wèn)題，本文采用STM32微處理器，AD620低漂移儀表放大器， MCP3208高精度AD轉(zhuǎn)換器，低功耗液晶顯示器構(gòu)成電子秤的硬件 系統(tǒng)，在測(cè)量方法上采用瞬時(shí)大電流供電測(cè)量，提高了傳感器靈敏 度，降低了功耗，提高了測(cè)量電路的穩(wěn)定性。

2.總體方案

本系統(tǒng)有三個(gè)模塊組成，如圖1所示，傳感器及供電控制模 塊、放大測(cè)量模塊、鍵盤(pán)顯示模塊。傳感器及供電控制模塊：應(yīng)變 片將承受的重量轉(zhuǎn)化成為電阻的變化，在電流的激勵(lì)下將電阻的變 化轉(zhuǎn)化為電壓的變化（電流源在STM32的控制下，對(duì)應(yīng)于ADC的測(cè) 量時(shí)間產(chǎn)生激勵(lì)電流）。放大測(cè)量模塊：將傳感器輸出的信號(hào)放大 到適合于ADC的輸入信號(hào)范圍，在由ADC實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的 轉(zhuǎn)換，重量的計(jì)算由STM32通過(guò)軟件完成；鍵盤(pán)顯示模塊：完成運(yùn) 行模式控制、信息輸入和數(shù)據(jù)顯示。通信接口完成電子秤與其它設(shè) 備（上位機(jī)操作平臺(tái)或測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)交換。

2.1稱(chēng)重傳感器的設(shè)計(jì)

稱(chēng)重傳感器由全橋電路構(gòu)成，如圖2所示，R:、R2、艮和R4為測(cè)量 應(yīng)變片電阻，R5、化和R7為零點(diǎn)補(bǔ)償電阻，私為限流電阻，bd為測(cè)量信 號(hào)輸出節(jié)點(diǎn)。電阻應(yīng)變片民、R2、艮和R4因溫度改變引起的阻值變化是 相等的，故可相互進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即利用全橋特性可解決溫漂問(wèn)題。

電源提供的電壓和電流相等的條件下，占空比越小，平均功率 就越小，即降低了功耗，電阻應(yīng)變片相應(yīng)產(chǎn)生的熱量更少，故提高 了電橋電路的熱穩(wěn)定性；如果平均功率一定，占空比越小，則供電 電流就越大，傳感器輸出的信號(hào)就越大，靈敏度越高，后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)相應(yīng)減小，從而使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。而直流供 電情況下，占空比等于1，開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電情況下，占空比取決 于AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)間，假設(shè)AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為5ms，周期為1s，則占空 比為2%，故本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量。

不考慮R5、R6和R7影響的情況下，差模輸出電壓：

然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于相同型號(hào)的電阻應(yīng)變片阻值略有偏 差，會(huì)影響電橋平衡，因此需設(shè)置預(yù)調(diào)平衡電路，在電路中增加電 位器R6、電阻R5和R7(R5 = R7)； R5和R7的大小決定了輸出電壓的調(diào) 節(jié)范圍；在電阻應(yīng)變片未產(chǎn)生形變的狀態(tài)下，微調(diào)電位器^，使全 橋電路的差模輸出電壓為零，解決平衡失調(diào)問(wèn)題。

2.2儀表放大電路的設(shè)計(jì)

該電路的主要功能是將全橋輸出的電壓信號(hào)以差模方式進(jìn)行放大。 此電路關(guān)系到后級(jí)AD采集結(jié)果的優(yōu)劣，則必須要具有低溫漂，高精度， 高穩(wěn)定性；本設(shè)計(jì)采用高精度的儀表放大芯片AD620，因其具有低輸入失 調(diào)電壓50uV，低輸入失調(diào)漂移0.6uV /°C的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，在直流供電情況下，稱(chēng)重500g砝碼時(shí)，稱(chēng)重傳感器輸 出6mV電壓，AD轉(zhuǎn)換器采用3.3V供電，輸入的最大信號(hào)設(shè)為3.2V，貝倣大 倍數(shù)Au=320.006=533，如果采取瞬時(shí)供電，電流增加10倍，放大倍數(shù)只需 要53倍，而AD620芯片最大放大倍數(shù)可達(dá)10000，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)傳遞函數(shù)A? = 1 + 49_4]c__K , (Au為儀表放大電路的放大倍數(shù)） 可知，放大倍數(shù)為53，故設(shè)定Rg=950Q即可。

理。由于目前常用的ADC芯片的分辨率有8位、12位、16位、24位； 根據(jù)公式：最小分度值B = 500/(2A n-l),其中，n為ADC芯片分辨率 的位數(shù)。本系統(tǒng)中的絕對(duì)誤差應(yīng)小于0.5g，n=8時(shí)，B?l.96，不滿(mǎn)足 設(shè)計(jì)要求；而n=12時(shí)，B?l.22，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且成本較低；本設(shè)計(jì) 采用的是一款具有片上采樣和保持電路的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器 MCP3208;電路如圖4所示，通過(guò)MCP1541輸出精確的參考電壓提供 給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MCP3208;用運(yùn)放OP07構(gòu)成的二階低通濾波器對(duì)前級(jí) 信號(hào)進(jìn)行濾波處理然后遞交給MCP3208進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.軟件分析

控制系統(tǒng)基于STM32的開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編程方式進(jìn)行軟 件設(shè)計(jì)。圖4為電子秤主程序流程框圖，首先進(jìn)入初始化子程序， 然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出重量，掃描到功能鍵按下后， 進(jìn)入功能鍵子程序執(zhí)行相應(yīng)功能，當(dāng)被稱(chēng)重物需要去皮時(shí)，按下按 鍵可以自動(dòng)保存皮重?cái)?shù)值，當(dāng)不需要去皮時(shí)，將皮重設(shè)為“0”， 計(jì)算出金額，最后將處理結(jié)果在液晶屏上顯示出來(lái)。電子秤的軟件 設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：重量計(jì)算、信息輸入、模式控制、去皮處 理、計(jì)算金額、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)輸出等。

4.數(shù)據(jù)分析

在秤盤(pán)上分別放入0?500g之間不同重量的砝碼，記錄下測(cè)量數(shù)

據(jù)，如表1所示；利用Exeal表格繪制曲線，0?500g整體曲線繪制存 在非線性誤差，故采用分段直線逼近可以進(jìn)一步減小誤差。

從表1的圖表數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的非線性誤差很小，測(cè)量精度較 高，實(shí)現(xiàn)在0?500 g范圍內(nèi)，絕對(duì)誤差最大值為0.4g，根據(jù)公式：滿(mǎn)量程 最大相對(duì)誤差為S = A/5Q0可知，滿(mǎn)量程最大相對(duì)誤差為0.08%。本設(shè)計(jì) 中采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最小分度值B = 500/(2A12-1) = 0.122，B的值小 于0.4g，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論值。

5.結(jié)語(yǔ)

傳感器模塊采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量，解決了電阻應(yīng)變片 的發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn) 定性；通過(guò)智能化、溫度補(bǔ)償和非線性擬合等技術(shù)，進(jìn)一步減小 了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，測(cè)量范圍為0?500 g，絕對(duì)誤差最大值為0.4g，滿(mǎn)量程最大相對(duì)誤差為0.08%。有精度 高、耗能低、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，具有很大的實(shí)用 性，給用戶(hù)帶來(lái)了很大的便捷，具有很好的商業(yè)前景。