一种基于STM32的多功能精密电子秤

1、引言

本文采用四片箔式应变片组成一个惠斯登电桥。运用集成芯片HX711对称重传感器的模拟信号进行A/D转换，完成测量数据的采集，后经单片机对数据处理完成高精度的测量，随后加上各种算法，完成多种功能的计算；最后在配合液晶显示，触摸输入，语音播报等完成友好的人机交互。

2、系统组成

根据设计的需求，硬件上需要有称重传感器，AD转换电路，单片机最小系统，按键输入，显示输出，语音播报，以及电源模块，其组成的系统框图如图1。

图1  电子秤系统框图

3、称重传感器的设计

3.1、悬臂梁的设计

采用优质的铝合金材质（长，宽，高分别为：190mm，20mm，3mm），铝合金具有塑造性强，硬度适中，弹性好等特点，常作为电阻应变式称重传感器的悬臂梁。本次设计中对悬臂梁做了如下处理，使其机械形变更加合理。

（1）在悬臂梁靠近支点（约l／3处），下表面开约1.5mm深的小槽。使其产生的形变集中在一条线上，获得更好的线性应变。

（2）在支点的另外一端，中间处固定一根5cm，下端具有通孔的螺丝钉。好处在于可使测量物体的重心集中在一个点上，便于提高精度。

3.2、测量电路的设计

设计中采用惠斯登电桥中的四臂测量接线法，此接线法能对系统进行包括温度，湿度等外界干扰因素的补偿。使系统不易受外界因素的干扰，提高测量精度。

将Rl和R4应变片粘贴于凹槽对应的上表面，R2和R3应变片粘贴于下表面，这样就完成了称重传感器的设计。

4、AD转换器的设计

HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。

将HX711的模块与惠斯登电桥、单片机连接；通过HX711，就可以将惠斯登电路所测微弱形变信号转换成数字信号，传送给STM32单片机进行数据处理。

5、单片机、液晶屏以及语音模块的设计

单片机采用的是STM32F407ZGT6为处理器，该芯片具有运行速度快，高达168M。大容量，1M的Flash，196KB的RAM，以及自带FSMC接口。

电源模块的设计采用DC-DC转换芯片MP2359，该芯片具有宽电压输入（6V-16V），稳压5V输出，电流可高达1A，这样就不会因为LCD功耗较大而驱动不了。3.3V电压的得到采用AMS117-3.3三端稳压芯片完成，这样电源就设计完成。

LCD液晶屏模块采用的是ALIENTEK的4.3寸屏，控制器IC为ILI9341，分辨率为480*800，16色真彩显示，自带触摸屏。

语音模块采用的是WT588D语音模块，设计中采用一线串口控制模式。该模式下，只需使用一个I/O口向模块发送需要播报的语音地址即可。为了便于编写程序代码，可把语音‘0’加载到模块的地址0上，语音‘l’加载到地址l上，以此类推，最后语音‘点’加载到地址10上，语音‘元’加载到地址11上，这样需要播报时，发送相应的地址就可以了。

通过液晶触摸屏和语音模块就可以很好的完成人机交互界面的设计。

6、软件设计

6.1、物体质量处理

通过HX711转换可以得到数字信号量，此时，就可以用单片机获取数据。HX711模块的输出接口类似于IIc接口，只有时钟线和数据线，按照该芯片的使用手册，就可以读出数据。

从HX711模块获取的数据并不能直接使用，它只是经24位AD转换后的值。所以，需要处理，24位AD转换除去最高位的标志位，其有效数据位只有23位。满量程为2^23次方，等于8388608。在测试中发现低两位可作为无效位去除，其原因在于AD转换的精度过于高，在不加砝码的时候低两位数值变化的厉害，因而将其合去。最后可利用的数据最大为83886。处理后的AD转换值也不是我们需要的物体质量。因此，还需要对数据进行处理，利用每一克质量对应一个AD转换值，可以把这种对应关系通过数学方法拟合成一个函数，这样当测量物体质量时，就可以利用该函数求解出物体对应的质量。试验中，通过对0500克砝码的多次测试，拟合出的函数如式l。

WEIGHT=1945.5-0.0238*AD_Value（1）

可以看出该函数为一条单调递减函数，通过该表达式就可以快速求解出物体的质量。

为了满足多功能的需求以及减小系统自身的误差，需要设置扣重，校准功能。其程序实现代码如式2。

REAL_WEIGHT=WEIGHT-XIAOZHENG-KOUZHONG（2）

当需要校准时，把REAL_WEIGHT赋值给XIAOZHENG即可实现校准，当需要扣重时，把REAL_WEIGHT赋值给KOUZHONG即可实现扣重。

总价计算及总价累计计算，利用触摸屏输入的单价值即可计算出当前物体的总计价格，当需要累加时，按下触摸屏上对应的按键区域即可实现累计。

6.2、人机交互界面的实现

LCD显示的最基本原理在于可以在指定的位置画一个点，利用这种原理，可以先对需要显示的字符取模，再利用画点实现显示字符。配合需要显示的颜色，最终就可以设计出所需要的界面。

触摸按键的设计在于利用当用手指触碰到屏幕时，单片机会接收到两个数据，分别为X轴的坐标值，Y轴的坐标值。根据触碰的点在哪一个区域内就可以判断出是哪个按键被触发，进而实现按键输入功能。

当需要语音模块播报时，把需要播报数字的每个位的数值解析出来作为地址发送给语音模块，当解析出‘点’时，发送地址10，最后再发送地址11，播报‘元’，就完成了语音播报的功能。

7、测量结果及误差分析

根据拟合出的的函数可以将处理后的AD转换值代人方程中，求解出物体的质量。测试中发现，在没有加砝码前，电子称重仪还是有读数，这为系统误差，为此，需要在每次开机时按下‘校正’按键清零。另一方面由于应变片产生的形变是非直线的，但是因为是采用曲线拟合的方法得到函数关系，测量结果的误差是非常小的。因此，产生的误差来源最主要的就是物体重心的偏移，测量时物体晃动。

8、结语

通过硬件与软件的结合，可以很好的完成本次设计。而所选用的STM32单片机自带浮点数运算单元，可以大大提高小数运算能力；LCD液晶屏的使用为人机交互界面提供了很好的显示效果，极大方便了用户的使用。通过对不同质量砝码的多次测量，获取多组数据，然后用MATLAB或EXCEL软件拟合出一个函数，这样能明显提高测量的精度，减小测量误差。在测试中发现050克，测量误差稳定在0.1%内，50500克稳定在0.2%内，所以本设计实现了一种基于STM32的多功能精密电子秤。