一種基于STM32的多功能精密電子秤

徐倫++鄧濤

摘要：電子秤作為生活中最常見的測量儀器，被廣泛應用于各種場所。隨著日用設備自動化水平的快速發展，人們所用的電子秤也不斷更新。但是，市場上的電子秤大多存在功能單一，人機界面不友好，測量誤差大等缺點。為此，本文以STM32單片機為控制基礎，使用四片箔式應變片組成惠斯登電橋與高精度集成轉換芯片HX711相連接，設計一種可語音播報、連續測量、單價輸入、總價計算、總價累計、校準清零、液晶顯示、觸摸輸入以及高精度的電子秤。

關鍵詞：STM32 人機界面 高精度 多功能

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0148-02

1 引言

物體質量的測量，價格的計算，價格的累計存在于生產生活的各個方面。一種具有多種功能，人機界面友好，測量精度高的電子秤可在很大程度上提高使用效率。

本文采用四片箔式應變片組成一個惠斯登電橋。運用集成芯片HX711對稱重傳感器的模擬信號進行A/D轉換，完成測量數據的采集，后經單片機對數據處理完成高精度的測量，隨后加上各種算法，完成多種功能的計算；最后在配合液晶顯示，觸摸輸入，語音播報等完成友好的人機交互。

2 系統組成

根據設計的需求，硬件上需要有稱重傳感器，AD轉換電路，單片機最小系統，按鍵輸入，顯示輸出，語音播報，以及電源模塊，其組成的系統框圖如圖1。

3 稱重傳感器的設計

3.1 懸臂梁的設計

采用優質的鋁合金材質（長，寬，高分別為：190mm，20mm，3mm），鋁合金具有塑造性強，硬度適中，彈性好等特點，常作為電阻應變式稱重傳感器的懸臂梁。本次設計中對懸臂梁做了如下處理，使其機械形變更加合理。

（1）在懸臂梁靠近支點（約1/3處），下表面開約1.5mm深的小槽。使其產生的形變集中在一條線上，獲得更好的線性應變。

（2）在支點的另外一端，中間處固定一根5cm，下端具有通孔的螺絲釘。好處在于可使測量物體的重心集中在一個點上，便于提高精度。

3.2 測量電路的設計

設計中采用惠斯登電橋中的四臂測量接線法，此接線法能對系統進行包括溫度，濕度等外界干擾因素的補償。使系統不易受外界因素的干擾，提高測量精度。

將R1和R4應變片粘貼于凹槽對應的上表面，R2和R3應變片粘貼于下表面，這樣就完成了稱重傳感器的設計。

4 AD轉換器的設計

通過惠斯登電路可以得到極其微小的電壓差信號，一般情況下我們需要再設計一個差分放大電路對信號進行放大，然后再用精度很高的AD轉換芯片進行轉換，這樣得到的數據才能被單片機所能使用。而市場上有了一款針對電子秤開發的集成芯片HX711，由于具有較高的精度，低廉的價格，故本次設計采用這款芯片。

HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。

將HX711的模塊與惠斯登電橋、單片機連接；通過HX711，就可以將惠斯登電路所測微弱形變信號轉換成數字信號，傳送給STM32單片機進行數據處理。

5 單片機、液晶屏以及語音模塊的設計

單片機采用的是STM32F407ZGT6為處理器，該芯片具有運行速度快，高達168M。大容量，1M的Flash，196KB的RAM，以及自帶FSMC接口。

電源模塊的設計采用DC-DC轉換芯片MP2359，該芯片具有寬電壓輸入（6V-16V），穩壓5V輸出，電流可高達1A，這樣就不會因為LCD功耗較大而驅動不了。3.3V電壓的得到采用AMS117-3.3三端穩壓芯片完成，這樣電源就設計完成。

LCD液晶屏模塊采用的是ALIENTEK的4.3寸屏，控制器IC為ILI9341，分辨率為480*800，16色真彩顯示，自帶觸摸屏。

語音模塊采用的是WT588D語音模塊，設計中采用一線串口控制模式。該模式下，只需使用一個I/O口向模塊發送需要播報的語音地址即可。為了便于編寫程序代碼，可把語音‘0加載到模塊的地址0上，語音‘1加載到地址1上，以此類推，最后語音‘點加載到地址10上，語音‘元加載到地址11上，這樣需要播報時，發送相應的地址就可以了。

通過液晶觸摸屏和語音模塊就可以很好的完成人機交互界面的設計。

6 軟件設計

6.1 物體質量處理

通過HX711轉換可以得到數字信號量，此時，就可以用單片機獲取數據。HX711模塊的輸出接口類似于IIC接口，只有時鐘線和數據線，按照該芯片的使用手冊，就可以讀出數據。

從HX711模塊獲取的數據并不能直接使用，它只是經24位AD轉換后的值。所以，需要處理，24位AD轉換除去最高位的標志位，其有效數據位只有23位。滿量程為2^23次方，等于8388608。在測試中發現低兩位可作為無效位去除，其原因在于AD轉換的精度過于高，在不加砝碼的時候低兩位數值變化的厲害，因而將其舍去。最后可利用的數據最大為83886。處理后的AD轉換值也不是我們需要的物體質量。因此，還需要對數據進行處理，利用每一克質量對應一個AD轉換值，可以把這種對應關系通過數學方法擬合成一個函數，這樣當測量物體質量時，就可以利用該函數求解出物體對應的質量。試驗中，通過對0-500克砝碼的多次測試，擬合出的函數如式1。

WEIGHT=1945.5-0.0238*AD_Value （1）

可以看出該函數為一條單調遞減函數，通過該表達式就可以快速求解出物體的質量。

為了滿足多功能的需求以及減小系統自身的誤差，需要設置扣重，校準功能。其程序實現代碼如式2。

REAL_WEIGHT=WEIGHT-XIAOZHENG-KOUZHONG （2）

當需要校準時，把REAL_WEIGHT賦值給XIAOZHENG即可實現校準，當需要扣重時，把REAL_WEIGHT賦值給KOUZHONG即可實現扣重。

總價計算及總價累計計算，利用觸摸屏輸入的單價值即可計算出當前物體的總計價格，當需要累加時，按下觸摸屏上對應的按鍵區域即可實現累計。

6.2 人機交互界面的實現

LCD顯示的最基本原理在于可以在指定的位置畫一個點，利用這種原理，可以先對需要顯示的字符取模，再利用畫點實現顯示字符。配合需要顯示的顏色，最終就可以設計出所需要的界面。

觸摸按鍵的設計在于利用當用手指觸碰到屏幕時，單片機會接收到兩個數據，分別為X軸的坐標值，Y軸的坐標值。根據觸碰的點在哪一個區域內就可以判斷出是哪個按鍵被觸發，進而實現按鍵輸入功能。

當需要語音模塊播報時，把需要播報數字的每個位的數值解析出來作為地址發送給語音模塊，當解析出‘點時，發送地址10，最后再發送地址11，播報‘元，就完成了語音播報的功能。

7 測量結果及誤差分析

根據擬合出的的函數可以將處理后的AD轉換值代入方程中，求解出物體的質量。測試中發現，在沒有加砝碼前，電子稱重儀還是有讀數，這為系統誤差，為此，需要在每次開機時按下‘校正按鍵清零。另一方面由于應變片產生的形變是非直線的，但是因為是采用曲線擬合的方法得到函數關系，測量結果的誤差是非常小的。因此，產生的誤差來源最主要的就是物體重心的偏移，測量時物體晃動。

8 結語

通過硬件與軟件的結合，可以很好的完成本次設計。而所選用的STM32單片機自帶浮點數運算單元，可以大大提高小數運算能力；LCD液晶屏的使用為人機交互界面提供了很好的顯示效果，極大方便了用戶的使用。通過對不同質量砝碼的多次測量，獲取多組數據，然后用MATLAB或EXCEL軟件擬合出一個函數，這樣能明顯提高測量的精度，減小測量誤差。在測試中發現0-50克，測量誤差穩定在0.1%內，50-500克穩定在0.2%內，所以本設計實現了一種基于STM32的多功能精密電子秤。

參考文獻

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收稿日期：2016-08-28

作者簡介：徐倫（1982—），男，江蘇贛榆人，本科，實驗師，研究方向：智能控制與嵌入式系統應用；鄧濤（1993—），男，四川成都人，三江學院本科在

讀，研究方向：電氣工程及其自動化。