基于STM32F1單片機的電子秤設計

盧奇麟 吳皓清 屈睿

摘 要 文章介紹了一種基于電阻應變片的電子秤設計方案。主電路由電阻應變片構成的H橋及電子秤專用模擬/數字（A/D）轉換器芯片HX711構成，經HX711采集的AD值通過SCK和DOUT管腳與STM32單片機兩個I/O口相接并通信，讀出AD值，通過在秤上多次放置標準砝碼采集AD值并且擬合可以得到所放砝碼的質量，最后在LCD顯示屏上顯示稱量結果。

關鍵詞 電子秤；電阻應變片；HX711

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）216-0141-04

電子秤屬于衡器的一種，是利用胡克定律或力的杠桿平衡原理測定物體質量的工具[1]。在衡器的發展演變過程中，曾經先后出現6種類型的衡器設計，分別是：架盤天平、不等臂平臺秤、吊車秤、傾斜象限桿秤、彈簧秤和自動秤[2]。隨著電子技術的飛速發展以及各種傳感器的廣泛應用，衡器也從原來的模擬式、單一式、粗精度向數字式、多樣式、高精度轉變。本文以STM32F103C8T6單片機為核心，介紹了一種基于電阻應變片的簡易電子秤設計方案。

1 系統方案

本系統主要由稱重模塊、數據采集模塊、結果顯示模塊、設置輸入模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 稱重模塊的論證與選擇

方案一：采用應變片分立元件構建應變片H橋。其中應變片分立元件的阻值選用1K，需要4個電阻應變片構成H橋，采用全橋方式，靈敏度最高。

方案二：采用集成的壓力傳感器。集成的壓力傳感器電路一致性較好，抗干擾性能強，但是由于其封裝性較好，比較適合壓力秤的制作，而本題要求制作的簡易電子秤屬于拉力秤，且題目要求稱重傳感裝置需自制，不得采用商用電子稱的稱重裝置，所以改方案舍棄不用。

綜合以上兩種方案，采用分立的電阻應變片構成H橋電路并固定于鋼片上，為保證每一個半橋的電阻應變片對于同一壓力或者拉力的產生的反映相反，所以在鋼尺正面和背面上分別固定應變片。其中用分立元件搭成的H全橋如圖1所示，4個1K電阻均為1K電阻應變片，H橋留出4個引線接口，分別按圖接入VCC、信號+、信號-、GND，信號+和信號-分別接入集成運放的兩個輸入端。

1.2 采集模塊的論證與選擇

方案一：采用PCF8591模數轉換模塊。功能簡介： 基于I2C接口的AD/DA轉換模塊，8位精度，四通道AD，單通道DA，電壓輸出型。

方案二：采用HX711模數放大轉換模塊。功能簡介：模塊工作電壓：4.8V～5.5V，典型電流1.6mA。兩路可選擇差分輸入；芯片內部集成低噪聲可編程放大器，可選增益包括32dB、64dB以及128dB；直流穩壓電路可為外部傳感器及芯片內部的A/D轉換器提供電源，具有簡單的數字控制功能及串口通訊功能。

綜合以上兩種方案，PCF8591模數轉換精度較低且不含增益可變放大器，而HX711模數轉換精度達到24位精度高，內含放大器，不需要外接放大器電路，集成度高，電路一致性好，所以選擇方案二。

1.3 顯示模塊的論證與選擇

方案一：采用8位數碼管模塊顯示。數碼管是一種半導體發光器件，由發光二極管組成。8位數碼管模塊用2片74HC595驅動，具有直觀明朗，顯示亮度大的特點，但是顯示內容有限，簡易電子秤中需要顯示的東西比較多而且程序上會由于不斷的掃描各個數碼管而占用CPU資源，故不采用。

方案二：可采用LCD12864液晶顯示屏顯示。LCD12864液晶顯示屏是一種點陣液晶屏，它具有顯示亮度高，顯示字體大，內部集成中文字庫的特點。采用該種液晶顯示屏來顯示稱量結果，不論是從硬件電路結構上或是從顯示程序上來看都要簡潔得多。

方案三：采用1.44英寸彩色LCD，彩色LCD是一個發光的色彩輸出設備，其輸出的色彩是由色光三原色，紅、綠、藍通過三者各自擁有不同的色彩飽和度，以及不同對比度來進行調和而成的彩色畫面。與同類型液晶屏相比具有體積小巧、使用方便和顯示內容豐富清晰的優點。

綜合上述各顯示器件的特點考慮，最終選擇1.44英寸彩色LCD作為顯示模塊。

1.4 按鍵輸入模塊的論證與選擇

本次設計使用的LCD上帶有的五軸按鍵作為按鍵輸入模塊，通過操作在液晶屏上顯示的圖形用戶界面（GUI）來完成去皮、計價等功能，節省不必要的外圍按鍵，使其集成度更高。

2 系統理論分析與計算

2.1 電阻應變片H橋的分析

2.1.1 電阻應變片的測量轉換電路

電阻應變片的機械應變都很小，要測量這些微小應變引起的微小電阻變化量，以及要把這些微小電阻相對變化量ΔR/R轉換成電壓或電流的變化，通常采用橋式測量電路。而橋式測量電路通常采用直流電橋和交流電橋，本題中供電部分采用直流，所以測量電橋也采用直流電橋。

2.1.2 電橋的工作原理

2.2.3 簡易電子秤中應變片H橋類型的選擇

綜上所述，考慮到簡易電子秤測量精度以及靈敏度，以及能夠測試出的最小重量5.0g，應選擇全橋測試電橋，因為其靈敏度最高。

3 電路與程序設計

3.1 電路的設計

3.1.1 系統總體框圖

系統總體框圖如圖3所示，其核心為一STM32F103C8T6單片機，功能豐富，價格低廉，重量采集采用電阻應變片構成的H橋和電子秤專用運放模數轉換芯HX711構成，通過單片機I/O口模擬串口通信與HX711芯片通信，設置其內部寄存器數據和AD值，通過五軸按鍵輸入來改變電子秤的各種模式，去皮功能以及設定價格輸入，通過LCD液晶顯示屏來實時顯示電子秤的狀態以及各種數據。

3.1.2 電阻應變片與HX711運放AD子系統框圖

1）電阻應變片與HX711運放AD子系統框圖如圖4所示，可以看出除了電阻應變片測試電橋僅由四個電阻應變片構成以外，HX711內部集成了一個多路選擇開關MUX，一個可編程增益差分運放，其增益可調節為32，64，128倍增益，還具有一個高精度24位模數轉換模塊和一個對外通信的數字控制接口，可以接單片機等控制芯片傳送數據。

3.1.3 電源

電源由變壓、整流、濾波、穩壓4部分電路組成組成。變壓電路采用5V適配器，為整個電子秤系統提供供電電壓，從而保證整個電路的正常運行。這部分采用三端穩壓器件實現，電路較簡單，故不作詳述。

3.2 程序的設計

3.2.1 程序功能描述與設計思路

1）程序功能描述。

根據題目要求軟件部分主要實現鍵盤的設置和顯示。

（1）鍵盤實現功能：采用矩陣鍵盤可以實現簡易電子秤設置物品單價、去皮、清零、等功能。

（2）顯示部分：顯示重量、物品單價等。

2）程序設計思路。

（1）五軸按鍵部分通過單片機AD口采集電壓得到按鍵的鍵值。

（2）讀取AD部分通過單片機兩個普通IO口模擬通信讀取HX711返回的AD值。

3.2.2 程序流程圖

主程序流程圖如圖5所示。

4 測試方案與測試結果

4.1 測試方案

當程序完成并且對比標準砝碼標定完成以后，給簡易電子秤加裝標準砝碼測試顯示結果是否準確。

4.2 測試條件與儀器

測試條件：軟件仿真電路以及硬件電路均與系統原理圖相同，并且檢查多次均無誤，硬件電路無虛焊。

測試儀器：標準砝碼、示波器、數字式萬用表、數字式毫伏表。

4.3 測試結果

加標準砝碼測試液晶屏顯示結果如表1所示。

由表1可知，稱重質量在10g～500g，稱重誤差不超過0.5g，稱量最大誤差為：1.23%。經分析，造成誤差的原因與稱量時的環境溫度、應變片的粘貼工藝、程序結構等因素有關，因此，可以從這幾個方面著手改進，從而提高測量精度。

5 結論

文章以STM32F103C8T6單片機為核心控制器，以電阻應變片構成的H橋及電子秤專用模擬/數字（A/D）轉換器芯片HX711為主電路，設計了一種簡易電子秤。從測試結果上看，采用該電子稱稱量時，結果較為精確，基本能夠滿足人們的日常需求，且制作成本較低，性能較穩定。

參考文獻

[1]劉美娟，張琦，穆遠威.基于HX711的高精度電子秤的設計[J].信息通信，2017（1）：142-144.

[2]孫娜.基于單片機的便攜式電子秤的設計[J].中國科技信息，2012（1）：98，100.

[3]王來志，王小平.基于電阻應變片式傳感器的電子秤設計[J].物聯網技術，2014，4（2）：58-60.

[4]李堯，孫鵬，王永超.提高惠斯通電橋靈敏度的方法[J].大學物理實驗，2011，24（2）：28-31，42.

[5]譚興文，韓力.惠斯通電橋靈敏度的探究[J].西南師范大學學報（自然科學版），2008（4）：149-152.