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工程研究进展，第118卷
第二届自动化，机械控制和计算工程国际会议（AMCCE 2017）
基于STM32的高精度电子秤
陈家辉
华北电力大学电子与通信工程系，
保定071000，中国 www.cjh161514@qq.com
关键词：电子秤，电阻应变计，STM32。
摘要：设计了一种以STM32F103为控制核心的高精度电子秤。 主要由电阻应变片，运算放大器，ADC等功能模块组成。 桥式电路的应变计将根据不同输出电压的压力，通过放大器获得显着的电压变化。 采用24位等数模转换芯片，通过STM32采集电压。 并将矩阵键盘设计输入单元价格去皮，计算出总重和超重报警以及液晶屏显示和自动电压校准等功能。
介绍
一，电子秤制造技术及应用电子衡器技术从静态称重到动态称重的发展：从模拟量测量到数字量测的发展方向; 尤其适用于快速称重和动态称重的研究和应用。 但总体而言，中国电子秤产品的质量和质量与工业化国家相比还存在差距。
通过分析今年电子秤产品的发展和国内外市场的需求，电子秤的发展趋势必须是小型化，模块化，集成化，智能化; 其技术性能趋势是高速度，高稳定性，高稳定性，可靠性高; 其功能趋势是称重控制信息和“智能”功能的非控制信息; 其应用性能趋于全面和组合。 基于此，本文提出了一种小型，低功耗的智能电子称重系统。
高精度电子秤的原理
-
- 系统原理
高精度电子秤的MCU是ST的STM32F103。 主要由称重信号采集电路，键盘，LCD，通讯接口电路，电源管理电路等部分电路组成。 其原理图如图1所示。图1中，称重传感器; 差分放大电路和A / D转换电路有助于称重信号采集电路。
当秤载入物体时，安装在悬臂梁上的称重传感器将产生与被测试物体成比例的电压信号。 放大后，差分放大器滤波，A / D转换，然后将信号发送到MCU。 完成称重信号采集。 最终的测量值通过MCU中的软件滤波算法获得，并显示在LCD上。 系统采用键盘实现数据输入电子秤，累计，剥皮等功能。
电子秤具有RS232接口可以与上位机通信的功能，系统具有正常的工作模式和省电模式，电源管理电路可以实现低功耗设计。
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图2惠更斯桥
称重传感器的工作原理
称重传感器的性能对电子秤的精度影响很大。 电子秤采用电阻应变仪将质量转换成电信号。 电阻应变式传感器选用四个电阻应变片粘贴在弹性敏感材料上。 形成四个电阻应变片Huygens Bridge [4]。当弹性敏感材料没有受到压力时。 电阻应变仪不变形。 因此，惠更斯桥的输出电压为0.相反，当弹性敏感材料受压时，电桥失去平衡并输出与物体质量成正比的电压信号。 电阻应变式传感器的原理如图2所示。 在图2中，设置四个电阻为R1，R2，R3和R4。惠更斯桥的电源电压为，所以输出电压U1为
U1 R4 R2 U . (1)
R3→R4 R1times;R2
图2惠更斯桥
阻力值相等。 在这种情况下：
R1 R2 R3 R4
R1R3R
R2R4R
（2）
在（2）中，是弹性材料的泊松比。 是阻力的变化。 当传感器受到物体的影响时，R1和R3会延长。 R1和R3的阀门已经增加.R2和R4被压缩。 R1和R3的阀门已经减少。 将第二个公式引入第一个公式。 获得一个新的公式。
U1 1(R1R2R3R4)
（3）
8 R1 R2 R3 R4
公式（3）显示输出电压与电阻应变仪的值的变化成比例。
硬件设计
-
- 电路指数计算
采用仪表放大器LT1782，其低失调电压，低噪声和高带宽，非常适合小信号处理。 由于放大器的最大负载电流为4mA，所以设置输入电压为2.5v，电阻为1K，使输出为2.5mA恒流源，应变片电阻为120欧姆，采用惠更斯桥并通过增益放大差分放大器。 A / D转换器的参考电压为3.3v，要留有一定的余量，我们使用10倍的放大倍数。 并设定其工作频率为20HZ，确保其采样精度为21位。
电路的电源部分
功耗部分芯片功耗小，具有良好的负载能力和温度特性，稳定输出plusmn;3.3V。 图3的右侧是电荷泵电压逆变器，其将正电压转换为相应的负电压。
(a)
(b)
图3电源电路原理图
恒流源电路
恒流源电路如图4所示，根据运放的短路特性，使负载电流稳定在3.3mA，测得电流稳定性好。
图4恒流源供电电路图
增益放大和A / D采集部分的电路图
增益放大和A / D采集电路原理图如图5所示。
图5 AD采集部分示意图
MAX4194的放大器采用轨到轨电压输出，零温度漂移和最小失调电压。 根据以下公式可以计算放大率。
V出=（Vin - Vin）times;[（2times;R1）/ RG]times;1
(4)
AD部分参考电压采集电路和电流源提供相同的电压，所以当REF变化时，电流源提供的电流会发生变化，这使得AD电路具有很好的稳定性。
软件设计
-
-
信号采集和转换
- AD采集滤波算法：AD采集到的数据并不能排除由于外部干扰引起的短跳数据采集，所以采用平均5次的方法只对部分跳频数据（前后差值过大）进行删除，不会影响AD准确度的实际收集。
- AD采集值与实际转换之间的算法：作为铁材料使用的一种测量方法，并且每次变形后都不能恢复，不能恢复到初始尺寸，但我们发现每次增量后的质量变化是肯定的，经过几次测量，我们用增量乘以平均斜率作为换算公式。
-
信号采集和转换
功能拟合
AD的采样值和实际质量在MATLAB中被拟合成曲线（图6）。 大致符合线性曲线，拟合超过96％。 为了提高单片机的处理速度和更好的拟合效果，我们使用分割函数，在0-400g和400-500g之间选择不同的斜率进行计算和评估。
图6 AD样本值与项目权重之间的关系
系统测试
称量不同尺寸（5mg，1g，5g，10g，20g，50g，100g，500g）的称量重量小于100g的不同尺度（电子秤和精密电子秤）当误差小于0.5g时，大于100g时误差在1g以内。
测试结果显示在表1中：
|
实际质量 |
5g |
10g |
50g |
100g |
|
测试质量 |
4.9g |
10.1g |
49.8g |
100.3g |
|
实际质量 |
200g |
300g |
400g |
500g |
|
测试质量 |
200.3g |
299.7g |
400.4g |
499.5g |
6结论
称量系统在100g误差范围内达到0.5g的误差，超过100g的误差小于1克。 使用低功耗芯片，可以使用24位超高精度AD7791直接从电池供电，以便在电压实时变化时识别微笑以及AD参考电压和运放输入电压的相同电压变化校准时，增强了电路的稳定性和实用性，因为系统中使用的应变片变形过大，限制范围在500g，使用适当的变形应变片，可以扩大范围。
7.参考文献
- A. Ajovalasit，L。 DAcquisto，S。 Fragapane，B。 Zuccarello。 电阻应变片的刚度与增强效应[J]。 应变，2007,434：。
- 电积，吕建生，彭国娟，周永勇，许.. 基于PSoC3的高精度多功能电子秤[J]。 传感器＆amp; 传感器，2013,192：..
- Steven P. Reiss。 自动化和算法调试[B]。 计算机科学讲义，2005
- Burch C.B.Hygens的脉冲模型作为现象与惠更斯机械基础之间的桥梁[J]。 剑锋; Revue internationale de lhistoire des sciences，de lameacute;decine，de la pharmacie，et de la technique，1981,68：..
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