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标题 基于STM32F1单片机的电子秤设计
范文 卢奇麟 吴皓清 屈睿
摘 要 文章介绍了一种基于电阻应变片的电子秤设计方案。主电路由电阻应变片构成的H桥及电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX711构成，经HX711采集的AD值通过SCK和DOUT管脚与STM32单片机两个I/O口相接并通信，读出AD值，通过在秤上多次放置标准砝码采集AD值并且拟合可以得到所放砝码的质量，最后在LCD显示屏上显示称量结果。
关键词 电子秤；电阻应变片；HX711
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）216-0141-04
电子秤属于衡器的一种，是利用胡克定律或力的杠杆平衡原理测定物体质量的工具[1]。在衡器的发展演变过程中，曾经先后出现6种类型的衡器设计，分别是：架盘天平、不等臂平台秤、吊车秤、倾斜象限杆秤、弹簧秤和自动秤[2]。随着电子技术的飞速发展以及各种传感器的广泛应用，衡器也从原来的模拟式、单一式、粗精度向数字式、多样式、高精度转变。本文以STM32F103C8T6单片机为核心，介绍了一种基于电阻应变片的简易电子秤设计方案。
1 系统方案
本系统主要由称重模块、数据采集模块、结果显示模块、设置输入模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1 称重模块的论证与选择
方案一：采用应变片分立元件构建应变片H桥。其中应变片分立元件的阻值选用1K，需要4个电阻应变片构成H桥，采用全桥方式，灵敏度最高。
方案二：采用集成的压力传感器。集成的压力传感器电路一致性较好，抗干扰性能强，但是由于其封装性较好，比较适合压力秤的制作，而本题要求制作的简易电子秤属于拉力秤，且题目要求称重传感装置需自制，不得采用商用电子称的称重装置，所以改方案舍弃不用。
综合以上两种方案，采用分立的电阻应变片构成H桥电路并固定于钢片上，为保证每一个半桥的电阻应变片对于同一压力或者拉力的产生的反映相反，所以在钢尺正面和背面上分别固定应变片。其中用分立元件搭成的H全桥如图1所示，4个1K电阻均为1K电阻应变片，H桥留出4个引线接口，分别按图接入VCC、信号+、信号-、GND，信号+和信号-分别接入集成运放的两个输入端。
1.2 采集模块的论证与选择
方案一：采用PCF8591模数转换模块。功能简介： 基于I2C接口的AD/DA转换模块，8位精度，四通道AD，单通道DA，电压输出型。
方案二：采用HX711模数放大转换模块。功能简介：模块工作电压：4.8V～5.5V，典型电流1.6mA。两路可选择差分输入；芯片内部集成低噪声可编程放大器，可选增益包括32dB、64dB以及128dB；直流稳压电路可为外部传感器及芯片内部的A/D转换器提供电源，具有简单的数字控制功能及串口通讯功能。
综合以上两种方案，PCF8591模数转换精度较低且不含增益可变放大器，而HX711模数转换精度达到24位精度高，内含放大器，不需要外接放大器电路，集成度高，电路一致性好，所以选择方案二。
1.3 显示模块的论证与选择
方案一：采用8位数码管模块显示。数码管是一种半导体发光器件，由发光二极管组成。8位数码管模块用2片74HC595驱动，具有直观明朗，显示亮度大的特点，但是显示內容有限，简易电子秤中需要显示的东西比较多而且程序上会由于不断的扫描各个数码管而占用CPU资源，故不采用。
方案二：可采用LCD12864液晶显示屏显示。LCD12864液晶显示屏是一种点阵液晶屏，它具有显示亮度高，显示字体大，内部集成中文字库的特点。采用该种液晶显示屏来显示称量结果，不论是从硬件电路结构上或是从显示程序上来看都要简洁得多。
方案三：采用1.44英寸彩色LCD，彩色LCD是一个发光的色彩输出设备，其输出的色彩是由色光三原色，红、绿、蓝通过三者各自拥有不同的色彩饱和度，以及不同对比度来进行调和而成的彩色画面。与同类型液晶屏相比具有体积小巧、使用方便和显示内容丰富清晰的优点。
综合上述各显示器件的特点考虑，最终选择1.44英寸彩色LCD作为显示模块。
1.4 按键输入模块的论证与选择
本次设计使用的LCD上带有的五轴按键作为按键输入模块，通过操作在液晶屏上显示的图形用户界面（GUI）来完成去皮、计价等功能，节省不必要的外围按键，使其集成度更高。
2 系统理论分析与计算
2.1 电阻应变片H桥的分析
2.1.1 电阻应变片的测量转换电路
电阻应变片的机械应变都很小，要测量这些微小应变引起的微小电阻变化量，以及要把这些微小电阻相对变化量ΔR/R转换成电压或电流的变化，通常采用桥式测量电路。而桥式测量电路通常采用直流电桥和交流电桥，本题中供电部分采用直流，所以测量电桥也采用直流电桥。
2.1.2 电桥的工作原理
2.2.3 简易电子秤中应变片H桥类型的选择
综上所述，考虑到简易电子秤测量精度以及灵敏度，以及能够测试出的最小重量5.0g，应选择全桥测试电桥，因为其灵敏度最高。
3 电路与程序设计
3.1 电路的设计
3.1.1 系统总体框图
系统总体框图如图3所示，其核心为一STM32F103C8T6单片机，功能丰富，价格低廉，重量采集采用电阻应变片构成的H桥和电子秤专用运放模数转换芯HX711构成，通过单片机I/O口模拟串口通信与HX711芯片通信，设置其内部寄存器数据和AD值，通过五轴按键输入来改变电子秤的各种模式，去皮功能以及设定价格输入，通过LCD液晶显示屏来实时显示电子秤的状态以及各种数据。
3.1.2 电阻应变片与HX711运放AD子系统框图
1）电阻应变片与HX711运放AD子系统框图如图4所示，可以看出除了电阻应变片测试电桥仅由四个电阻应变片构成以外，HX711内部集成了一个多路选择开关MUX，一个可编程增益差分运放，其增益可调节为32，64，128倍增益，还具有一个高精度24位模数转换模块和一个对外通信的数字控制接口，可以接单片机等控制芯片传送数据。
3.1.3 电源
电源由变压、整流、滤波、稳压4部分电路组成组成。变压电路采用5V适配器，为整个电子秤系统提供供电电压，从而保证整个电路的正常运行。这部分采用三端稳压器件实现，电路较简单，故不作详述。
3.2 程序的设计
3.2.1 程序功能描述与设计思路
1）程序功能描述。
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
（1）键盘实现功能：采用矩阵键盘可以实现简易电子秤设置物品单价、去皮、清零、等功能。
（2）显示部分：显示重量、物品单价等。
2）程序设计思路。
（1）五轴按键部分通过单片机AD口采集电压得到按键的键值。
（2）读取AD部分通过单片机两个普通IO口模拟通信读取HX711返回的AD值。
3.2.2 程序流程图
主程序流程图如图5所示。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
当程序完成并且对比标准砝码标定完成以后，给简易电子秤加装标准砝码测试显示结果是否准确。
4.2 测试条件与仪器
测试条件：软件仿真電路以及硬件电路均与系统原理图相同，并且检查多次均无误，硬件电路无虚焊。
测试仪器：标准砝码、示波器、数字式万用表、数字式毫伏表。
4.3 测试结果
加标准砝码测试液晶屏显示结果如表1所示。
由表1可知，称重质量在10g～500g，称重误差不超过0.5g，称量最大误差为：1.23%。经分析，造成误差的原因与称量时的环境温度、应变片的粘贴工艺、程序结构等因素有关，因此，可以从这几个方面着手改进，从而提高测量精度。
5 结论
文章以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，以电阻应变片构成的H桥及电子秤专用模拟/数字（A/D）转换器芯片HX711为主电路，设计了一种简易电子秤。从测试结果上看，采用该电子称称量时，结果较为精确，基本能够满足人们的日常需求，且制作成本较低，性能较稳定。
参考文献
[1]刘美娟，张琦，穆远威.基于HX711的高精度电子秤的设计[J].信息通信，2017（1）：142-144.
[2]孙娜.基于单片机的便携式电子秤的设计[J].中国科技信息，2012（1）：98，100.
[3]王来志，王小平.基于电阻应变片式传感器的电子秤设计[J].物联网技术，2014，4（2）：58-60.
[4]李尧，孙鹏，王永超.提高惠斯通电桥灵敏度的方法[J].大学物理实验，2011，24（2）：28-31，42.
[5]谭兴文，韩力.惠斯通电桥灵敏度的探究[J].西南师范大学学报（自然科学版），2008（4）：149-152.
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更新时间：2025/3/22 9:21:11