基于STM32和HX710A的高精度电子秤

蒋正金，王艺环，黄旭德，张朋强

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

基于STM32和HX710A的高精度电子秤

蒋正金，王艺环，黄旭德，张朋强

(浙江师范大学 数理与信息工程学院，浙江 金华 321004)

为了实现高精度电子称重，采用电阻应变片组成应变电桥作为称重传感器，利用24位A/D转换芯片HX710A采集数据，采用精密稳压源TL431为A/D提供参考电压，利用STM32F103单片机处理数据，通过键盘和液晶实现人机交互，设计了一款高精度电子秤。文章给出了详细硬件电路设计以及软件程序流程，并进行了实际制作和测试。结果表明该电子杆称重范围为5～500 g，称重误差≤0.5 g，具有设置单价和累加金额功能，以及去皮和计数功能。

称重传感器；应变电桥；A/D转换；单片机；电子秤

0 引言

电子秤是集现代传感器技术、电子技术和计算机技术于一体的电子称量装置，具有快速、直观、精度高、操作简单、多功能等优点，与传统的机械秤相比更符合计量管理和工业生产过程控制要求[1]。国内从20世纪60年代中期开始模拟指针式电子秤的研制和生产,经历了模拟式电子秤、数字式电子秤和微机式电子秤三个阶段[2]。总体而言，电子秤的发展呈现出小型化、智能化和模块化的特点。

电子秤的基本工作原理是利用称重传感器将物体重量转换为方便采集的模拟电压量。传感器输出电压量一般很小，通常需要进行放大，然后通过高精度A/D采集实现模拟量到数字量的转换，最后经过单片机对数据进行处理，通过键盘输入和液晶显示实现人机交互[3]。

本文采用电阻应变片组成应变电桥[4]作为称重传感器，利用24位A/D转换芯片HX710A采集数据，采用精密稳压源TL431为A/D提供参考电压，利用STM32F103单片机处理数据，通过键盘和液晶实现人机交互，设计了一款高精度电子秤。其称重范围为5～500 g，称重误差≤0.5 g，具有设置单价和累加金额以及去皮和计数功能。

1 系统总体方案

电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力的大小，通过称重传感器转换为与之成正比的电压信号，信号经过采集处理后以模拟或数字量的形式在仪表上显示出来。

高精度电子秤由称重传感器、高精度A/D采样、STM32单片机、键盘模块、数据存储、报警模块、液晶显示、USB接口、精密稳压源TL431等电路模块组成。供电可以采用USB供电或者电池供电。其系统总体方案框图如图1所示。

称重传感器采用350 Ω的电阻应变片组成应变电桥实现物体重量到电压量的转换；A/D采用24位高精度HX710A芯片，为了提高采样精度，采用精密稳压源TL431为A/D提供参考电压；键盘模块和液晶显示模块用于人机交互，可以实现输入单价、操作去皮、显示总重和总价、计数、重新标定等功能；数据存储模块用于存储历史称重数据、语音播报数据等；报警模块可以播报重量、价格，指示超量程等；USB接口可以用于供电或者程序下载。

2 硬件电路设计

2.1 称重传感器电路

当悬臂梁一端受到托盘重物垂直方向的压力作用时，其电阻应变片将因受力产生变形，从而导致电阻应变片的电阻值随之发生相应的变化，引起电桥输出电压的变化。电桥输出电压经过A/D采样芯片HX710A，利用HX710A内部放大功能，将电桥输出电压先进行128倍放大，然后再进行A/D采样实现模拟量到数字量的转换，从而建立输出数字量与电阻应变电桥输出量(托盘重物压力引起)之间的关系，可利用微处理器进行后续的数据分析与处理，最终通过分析与计算反推得到物体质量。

图2所示为经典的惠斯顿电桥，如果电阻为电阻应变片，则称为电阻应变电桥，目的是将应变片电阻值的变化量转换为电压变化量以方便测量。实际工作中，采用同型号的应变片接入惠斯顿电桥四臂，称为全桥结构，在应变为零的初始状态下，电桥平衡，没有输出电压；在应变片承受应变时，电桥失去平衡，有输出电压。

如图2所示全桥应变电路中，令：

Zi=Ri+ΔRi,Ri=R,ΔRi/Ri=kεi(i=1,2,3,4)

(1)

电桥的开路输出电压为：

(2)

若ΔRi≪Ri，则电桥的开路输出电压为：

(3)

非线性误差近似为：

(4)

将式(1)代入式(3)可得：

(5)

图2所示电桥电源如果从恒压源V供电改为恒流源I供电，且将电桥的四个桥臂都接入电阻，则有Zi=Ri(i=1,2,3,4)，则电桥横跨电源的相邻两臂R1、R2的电流I1和R3、R4的电流I2分别为：

(6)

则电桥开路输出电压为：

(7)

2.2 高精度A/D采样电路

电子秤测量精度为0.5 g，最大称重为500 g，其内分度为0.5 g，最大分度数为1 000，采用24位A/D转换芯片HX710A，由于(224=16 777 216)≫1 000≈(1 024=210)，因而完全可以保障高精度。HX710A的输入低噪声放大器的增益为128，当参考电压为5V时，对应的满额度差分输入信号幅值为±20mV。

HX710A芯片内的时钟振荡器不需要外接任何器件，芯片内集成数字温度传感器可直接读出系统温度用于温度补偿，同时具备上电自动复位功能，简化了初始化过程。

高精度A/D采样电路原理图如图3所示。其中精密稳压源TL431为HX710A提供参考电压和模拟部分供电电压，由于参考电压不受电源电压波动影响，极大地提高了采样精度。数字部分供电采用普通电压供电，同时加上滤波电容来提高抗干扰能力。

2.3 矩阵式键盘电路

矩阵式键盘电路原理图如图4所示，其工作方式采用扫描方式，也可以直接选购薄膜式触摸键盘，体积小巧，接口方便。

2.4 报警模块电路

报警模块电路原理图如图5所示。其中3个不同颜色的发光二极管分别用于指示各种不同的测量范围或状态，红灯亮则表示超过500 g，蓝灯亮则表示低于5 g，绿灯亮则表示在正常测重范围5～500 g内。扬声器则在超出测量范围时发出鸣叫，在正常测量范围时播报测重结果或计数结果。

2.5 存储与液晶显示电路

最小控制系统采用STM32F103系列单片机作为微处理器，包括液晶显示模块和存储模块。STM32单片机最小系统原理图如图6所示。

3 软件程序设计

系统工作时，首先进行系统初始化，对重量数据进行采集并进行按键扫描，判断是否超重以及按键是否按下。通过判断，选择执行按键的功能，将功能通过液晶显示，最终根据实际情况显示出测试结果。电子秤的软件程序流程图如图7所示。

4 测试结果

4.1 称重测量

采用标准砝码进行实际测量，测量数据如表1所示，其中单位为g。根据测量数据可知，当称重质量小于50 g时，称重误差小于0.3 g；当称重质量大于50 g时，称重误差小于0.5 g。

4.2 电子秤单价设置及金额累加测试

对不同重量的砝码进行单价设置，通过实际测量，对被测物进行金额小计，并对各项小计作求和处理，可获如表2所示的金额累计测试结果。

4.3 电子秤去皮功能测试

通过增减砝码来进行去皮功能的测试，测试结果如表3所示。实测时，皮重和物重都采用标准砝码。

4.4 声光报警功能测试

声光报警的测试结果如表4所示。通过系统的实际测试，当称重质量低于5 g或高于500 g时，系统蓝或红指示灯亮且喇叭响起，在正常测试范围内绿灯亮，且喇叭播报测试结果。

4.5 计数功能测试

计数功能的测试结果如表5所示。实际使用时，可以先数10个同种小物件称重，然后设置计数值为10，当再添加同种物件时，即可实现自动计数。

5 结论

本电子秤的设计在硬件电路方面，采用电阻应变片组成应变电桥并贴装在白钢刀悬臂梁上下两侧作为称重传感器，采用24位A/D转换芯片HX710A，结合精密稳压源TL431保证采样电路参考电压稳定，采用STM32最小系统(包含数据存储和液晶显示模块)作为核心处理器，采用矩阵式键盘方便人机交互。在软件方面，算法合理、功能全面。经过实际制作测试，称重范围为5～500 g，称重误差≤0.5 g，具有设置单价、累加金额以及去皮和计数功能。

[1] 甘慧娟.基于HX710A的高精度电子秤的设计与实现[C].中国职协2015年度优秀科研成果获奖论文集(中册), 2015.

[2] 王德清,胡晓毅,贾宏,等.基于SPCE061A的高精密电子秤设计与实现[J].电子技术应用,2008,31(5):83-85，89.

[3] 罗及红.一种高精度的电子秤设计[J].计算机测量与控制,2010,18(8):1955-1958.

[4] 李银伟.电阻应变式数字智能称重变送器设计[D].南昌：华东交通大学,2011.

High-precision electronic scale based on STM32 and HX710A

Jiang Zhengjin, Wang Yihuan, Huang Xude, Zhang Pengqiang

(College of Mathematics Physics and Information Engineering, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)

In order to achieve the high precision electronic weighing, using the resistance strain gauge of strain bridge as weighing sensor, using 24 bits A/D conversion chip HX710A to collect data, using precision voltage source TL431 provides the reference voltage for the A/D, using STM32F103 microcontroller to process data, through the keyboard and LCD to realize human-machine interaction, and finally a high-precision electronic scale is designed. This paper gives the detailed hardware circuit design and software program flow, and completes the actual production and testing. The test results show that the electronic weighing range is 5～500 g, weighing error is 0.5 g or less, has the functions of unit price setting and the amount of accumulation as well as peeling and count.

weighing sensor; strain bridge; A/D conversion; single chip microcomputer; electronic scale

TM932

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.027

蒋正金，王艺环，黄旭德，等.基于STM32和HX710A的高精度电子秤[J].微型机与应用，2017,36(5)：91-94.

2016-10-09)

蒋正金(1980-)，男，博士研究生，工程师，主要研究方向：传感器与电子技术应用、数字图像处理与算法。

王艺环(1996-)，女，本科生，主要研究方向：电子信息工程。

黄旭德(1995-)，男，本科生，主要研究方向：电子信息工程。