一種高精度電子秤的設計

李小龍 郭佑民 陳鵬 馬超

【摘要】通過對目前電子秤特點及發展趨勢進行分析，從高精度的三個關鍵技術出發，設計了一種以STM32作為主處理器的電子稱，對電子秤的工作原理以及系統結構框圖進行了重點闡述。一些重要電路進行了設計，該設計采用內部集成24位A/D轉換器和放大器的稱重傳感器專用芯片HX711對稱重傳感器輸出的小信號進行處理，提高了電路的穩定性。為了降低了電路的復雜程度，得到準確穩定的測量結果，采用了中位值平均濾波法。

【關鍵詞】高精度;電子稱;STM32;HX711

Design of a high precision electronic balance

Lan Zhou Jiao Tong University Mechanical and electrical technology research institute ?LI Xiao-Long GUO You-Min CHEN Peng MA Chao

Abstract：Based on the analysis of electronic scale characteristics and its development trend and three key technologies of the high-precision，an electronics balance is designed with a STM32 host processor，while the work principle and block diagram of the system of electronic scales are highlighted.As well，some important circuits are designed.In this design，the stability of circuits is improved by using HX711 which integrates a 24 bit A/D converter and an amplifier.In order to reduce the complexity of the circuit and to have an accurate and stable measurement results，a median average filtering method is used.

Key words：high precision;Electronic Balance;STM32;HX711

1.引言

電子秤總的發展趨勢是小型化、模塊化、集成化、智能化;其技術性能趨向是速率高、準確度高、穩定性高、可靠性高;其功能趨向是稱重計量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能;其應用性能趨向于綜合性和組合性[1]。

目前，國內生產的電子秤，電路集成度低，大部分都采用分離的A/D轉換器加放大器的電路，并采用模擬電路實現非線性修正和溫度補償，存在電路復雜、準確度低、可靠性差等一系列問題。國外生產的一些電子秤能夠達到較高的準確度和可靠性，但他們使用的稱重傳感器的成本都非常高，這樣就使得整機的成本過高。

由于這些不足之處的存在，本研究設計一種高精度、低成本的電子秤。該設計采用HX711芯片對傳感器輸出的信號進行放大和模數轉換，采用中位值平均濾波法進行濾波。

2.電子秤工作原理

當物體放在秤盤上時，壓力施加于稱重傳感器，稱重傳感器就會發生形變，從而使阻抗發生變化，同時激勵電壓也發生變化，輸出一個變化的模擬信號。由于該模擬信號比較弱，因此要經放大電路放大后輸出到模數轉換器，轉換成便于處理的數字信號輸出到主控制器，主控制器根據鍵盤命令以及相應的程序將這種結果進行處理并輸出到顯示器[2]。

圖1 系統結構圖

系統設計結構圖如圖1所示。

HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片，降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D轉換器提供電源，因此，系統上無需另外的模擬電源。

MAX7219是一種集成化的串行輸入＼輸出共陰極顯示驅動器，它連接微處理器與8位數字的7段數碼管的LED顯示，整個設備包含一個150μA的低功耗關閉模式，模擬和數字亮度控制，一個掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數據，還有一個讓所有LED發光的檢測模式[3]。

3.高精度電子秤的實現技術

實現高精度電子秤的主要技術有三個方面：準確采集信號、準確量化和低噪準確的供電系統。

3.1 信號采集

稱重傳感器作為電子秤主要的部件之一，其性能直接決定了電子秤的準確性和穩定性。電子秤采用電阻應變式稱重傳感器作為物體質量的電信號轉換器。電阻應變式傳感器將四個電阻應變片貼在彈性敏感元件，然后以適當的方式組成惠思登橋式電路，當稱重傳感器不受載荷時，彈性敏感元件不發生應變，貼在其上的應變片不發生形變，應變片的電阻不變，電橋平衡，輸出電壓為零;反之，傳感器輸出與被測載荷重量成比例的電壓信號[4]。

稱重傳感器屬于力敏感傳感器的范疇，電量的大小在變形體結構類型和材料確定的前提下，僅與材料受力的大小有關，從而實現力和電量之間的轉換。由電橋電路原理，得出應變片電壓輸出e0的大小是與外界所加電壓E、應變片系數k0及應變量大小ε成正比的，即e0=Ek0ε/2。直接測量當重物放到衡器上時，傳感器輸出響應的模擬電壓信號。

3.2 信號量化

由于傳感器輸出的模擬信號比較微弱，因此必須通過一個模擬放大電路對其進行放大，才能滿足A/D轉換器對輸入信號電平的要求。目前的電子秤多采用分離的A/D轉換器以及放大器組成相關電路，分別對傳感器輸出的模擬信號進行處理。這樣，不但增加了電路的復雜程度，從而使得電路的穩定性降低，并且容易受到外界環境的干擾。對于精度要求高的電子秤來說，這種由于電路復雜度造成的不穩定性會更加明顯。

圖2

為了避免以上問題，本文采用了一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器HX711芯片。與其他芯片相比，該芯片集成了放大器、穩壓電源和片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有響應速度快、抗干擾性強等優點，降低了電子秤的制作成本和電路的復雜度，提高了測量結果的可靠性。其原理圖如圖2所示。

該方案使用內部時鐘振蕩器（XI=0），10Hz的輸出數據速率（RATE=0）。電源（2.7～5.5V）直接取用與MCU芯片相同的供電電源。片內穩壓電源電路通過片外PNP管S8550和分壓電阻R1、R2向傳感器和A/D轉換器提供穩定的低噪聲模擬電源。穩壓電源的輸出電壓值（VAVDD）由外部分壓電阻R1、R2和芯片的輸出參考電壓VBG決定，VAVDD=VBG（R1+R2）/R2[5]。

3.3 低噪穩定的供電系統

低噪聲穩定的電源系統是高精度電子秤必不可少的，低噪聲電源系統是實現以上兩個關鍵技術的基礎。可以采用AMS1117系列芯片及外圍電路來實現，如些圖3所示：

圖3

AMS1117是一個低漏失電壓調整器，它的穩壓調整管是由一個PNP驅動的NPN管組成的，漏失電壓定義為：VDROP=VBE+VSAT。片內過熱切斷電路提供了過載和過熱保護，以防環境溫度造成過高的溫結[6]。

3.4 其他一些關鍵技術

3.4.1 高時鐘頻率低功耗的單片機STM32

需要稱重的物體經過傳感器得出的模擬電壓信號經過A/D轉換后得到數字量并不是重物的實際重量值，實際重量值需要由數字量在顯示器內部經過一系列的運算才能得到。這一系列的運算是由裝在電子秤中的主控制器來完成的;電子秤的整個工作過程也都是在主控制器的控制下進行。

目前的電子秤多采用51單片機這類功能較簡單、時鐘頻率較低的單片機，這樣，就存在稱量速度慢、不易擴展復雜功能的弊端，為此，該設計采用目前面上使用廣泛的以ARM Cortex-M3為內核的STM32單片機作主控制器。

該設計采用的STM32F103系列單片機，該芯片有高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求[7]。

實驗結果表明，采用STM32為主控制器的電子秤，稱量速度快，充分預熱后，10s左右即可達到穩定讀數。

3.4.2 中位值平均濾波法

傳感器輸出的信號不但微弱，而且往往具有各種無益的雜波。因此，在傳感器輸出與放大電路之間往往采用濾波電路或者一些電抗元件來改善脈動成分。為了改善電路復雜度，降低功耗，提高電路穩定性，沒有采用硬件濾波的方法，而是將A/D轉換器輸出的模擬信號直接轉換成數字信號，再進行數字濾波的方法，從而降低了電路復雜度，提高了設計的穩定性。此外，該設計采用的是中位值平均濾波法。

中位值平均濾波法又叫防脈沖干擾平均濾波法，相當于“中位值濾波法”+“算術平均濾波法”，連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值，N值的選取：3～14。濾波公式為：

式中：—濾波后的結果，—第i次的A/D轉換結果，MAX—N個數據中的最大值，MIN—N個數據中的最小值。

中位值平均濾波算法融合了兩種濾波法的優點，即能有效克服因偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差;適用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波，這種濾波的特點是有一個平均值，信號在這一數值范圍附近上下波動[8]。

具體濾波程序代碼如下：

#define N 12

char filter（）

{

char count，i，j;

char value_buf[N];

intsum=0;

for （count=0;count

{

value_buf[count]= get_ad（）;

delay（）;

}

for （j=0;j

{

for （i=0;i

{

if （value_buf[i]>value_buf[i+1]）

{

temp=value_buf[i];

value_buf[i]=value_b

uf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;

}

}

}

for（count=1;count

sum += value[count];

return （char）（sum/（N-2））;

}

為了觀察濾波效果，編寫了STM32的串口通信程序，并用串口連接到電腦，通過串口調試助手顯示單片機從芯片HX711轉換得到的數據。對傳感器突然施加一個壓力，模擬脈沖干擾后，可得到轉換器轉換后的讀數，沒有濾波算法的讀數如圖4所示，有濾波算法的讀數如圖5所示。

在圖4、圖5中，總共讀數50個，每過1000ms讀一次，在第2行第1個數據時，突然加一個壓力在稱重傳感器上，然后，馬上撤去壓力，以此來模擬脈沖干擾。

從上圖中的數據可以看出，當不加濾波算法時，在有外界脈沖壓力干擾時，第2行第1個讀數，突然變大為10253361，當外界脈沖壓力后，經過連續讀入幾個數據后慢慢恢復到以前的穩定讀數。可見，在沒有濾波算法進行濾波時，讀數的變化是陡變的。而在有濾波算法時，幾乎沒有變化。有濾波算法時，在外界脈沖壓力干擾的整個過程中數據的波動范圍不超過384，比沒有濾波算法的波動范圍4068143小了很多。而且，在有濾波算法時，數據變化緩慢，對讀數幾乎沒有影響。可見，中位值平均濾波算法有很好的抑制脈沖干擾的作用。

4.實驗結果

為了驗證電子秤的準確性，對載荷為150g的砝碼進行10次重復檢定，電子秤重復性檢定結果如表1所示。由表1可見，最大誤差為0.04g，滿足設計要求。

表1 重復性檢定實驗結果

序號 載荷/g 示值/g 序號 載荷/g 示值/g

1 150.00 149.98 6 150.00 149.96

2 150.00 150.02 7 150.00 149.98

3 150.00 150.04 8 150.00 150.01

4 150.00 150.02 9 150.00 149.98

5 150.00 149.97 10 150.00 150.02

電子秤示值誤差檢定結果如表3所示。本研究選取了0g、5g、10g、20g、50g、100g、150g、200g等8個不同的測量點。實驗方法是：載荷從零開始，逐漸地往上加載，直至加到最大砝碼，然后逐漸地卸下載荷，直到零載荷為止。由表2可見，電子秤的最大示值誤差為0.04g，滿足設計要求。

表2 示值誤差檢定實驗結果

序號 載荷/g 加載時示值/g 卸載時示值/g 誤差/g

1 0.00 0.00 0.00 0.00

2 5.00 5.02 5.00 0.02

3 10.00 9.98 10.01 -0.02

4 20.00 20.03 20.04 0.04

5 50.00 50.01 50.01 0.01

6 100.00 99.96 99.99 -0.04

7 150.00 150.01 150.03 0.03

8 200.00 199.98. 200.00 -0.02

5.結束語

本研究對電子秤的基本工作原理進行了深入學習研究，并且通過查找資料發現目前市的電子秤精度較低、成本較高等問題。為此，本文設計了一種基于STM32的高精度、低成本的電子秤，并且應用了專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器HX711芯片和中位值平均數字濾波算法，簡化了電路連接，提高了電路的穩定性。通過實驗結果表明，該電子秤反應靈敏，10s左右即可達到穩定讀數，而且性能穩定、重復性好、準確度高。

參考文獻

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[3]郭懷天，李寶華.基于電阻應變式稱重傳感器的電子天平的研制[D].長春：吉林大學電子科學與工程學院，2006.

[4]潘佑華，林盛鑫.基于51單片機的多功能電子秤設計研究[J].廣東：東莞理工學院，2012.

[5]羅及紅.一種高精度電子秤的設計[J].計算機測量與控制，2012.

[6]潘學軍.應變式非平衡電橋與電子稱[J].四川師范大學學報，2000.

[7]嚴芳芳.基于單片機控制的電子秤設計[J].山西：太原大學計算機系，2013.

[8]許曉彤.基于單片機的電子秤設計[J]河北：承德承申自動化計量儀器有限責任公司，2012.

作者簡介：

李小龍（1988—），男，甘肅平涼人，碩士研究生，研究方向：機電設備控制人與檢測技術。

郭佑民（1968—），男，蘭州交通大學教授，碩士生導師，主要研究方向：嵌入式系統與設備控制。

陳鵬（1991—），男，甘肅隴西人，碩士研究生，主要研究方向：企業信息化。

馬超（1988—）男，河北石家莊人，碩士研究生，主要研究方向：物流信息調度優化。