基于STM32的高精度瞬時(shí)供電電子稱

長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 張惠婷 武洪濤

湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 盧 楊

基于STM32的高精度瞬時(shí)供電電子稱

長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 張惠婷 武洪濤

湖北理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 盧 楊

本文設(shè)計(jì)了一種以STM32為核心的高精度電子稱，介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖，重點(diǎn)闡述了稱重傳感器的工作原理，并完成了電子秤的軟件設(shè)計(jì)；采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn)定性；通過(guò)智能化、溫度補(bǔ)償和非線性擬合等技術(shù)提高了測(cè)量精度。該電子秤的測(cè)量范圍為0～500 g，絕對(duì)誤差最大值為0．4g，滿量程最大相對(duì)誤差為0．08%。

電子秤；STM32；稱重傳感器；開(kāi)關(guān)控制；瞬時(shí)測(cè)量

1.引言

當(dāng)今,電子秤的發(fā)展趨向于集成化、數(shù)字化、智能化，然而，電子秤存在精度低、穩(wěn)定性差、自動(dòng)化程度較低等問(wèn)題。針對(duì)這一系列問(wèn)題，本文采用STM32微處理器，AD620低漂移儀表放大器，MCP3208高精度AD轉(zhuǎn)換器，低功耗液晶顯示器構(gòu)成電子秤的硬件系統(tǒng)，在測(cè)量方法上采用瞬時(shí)大電流供電測(cè)量，提高了傳感器靈敏度，降低了功耗，提高了測(cè)量電路的穩(wěn)定性。

2.總體方案

本系統(tǒng)有三個(gè)模塊組成，如圖1所示，傳感器及供電控制模塊、放大測(cè)量模塊、鍵盤(pán)顯示模塊。傳感器及供電控制模塊：應(yīng)變片將承受的重量轉(zhuǎn)化成為電阻的變化，在電流的激勵(lì)下將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化（電流源在STM32的控制下，對(duì)應(yīng)于ADC的測(cè)量時(shí)間產(chǎn)生激勵(lì)電流）。放大測(cè)量模塊：將傳感器輸出的信號(hào)放大到適合于ADC的輸入信號(hào)范圍，在由ADC實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，重量的計(jì)算由STM32通過(guò)軟件完成；鍵盤(pán)顯示模塊：完成運(yùn)行模式控制、信息輸入和數(shù)據(jù)顯示。通信接口完成電子秤與其它設(shè)備（上位機(jī)操作平臺(tái)或測(cè)量控制網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)交換。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 稱重傳感器的設(shè)計(jì)

稱重傳感器由全橋電路構(gòu)成，如圖2所示，R1、R2、R3和R4為測(cè)量應(yīng)變片電阻，R5、R6和R7為零點(diǎn)補(bǔ)償電阻，R8為限流電阻，bd為測(cè)量信號(hào)輸出節(jié)點(diǎn)。電阻應(yīng)變片R1、R2、R3和R4因溫度改變引起的阻值變化是相等的，故可相互進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即利用全橋特性可解決溫漂問(wèn)題。

圖2 全橋原理圖

脈沖信號(hào)的功率P = UIt / T，其中t / T為占空比。在一個(gè)周期T內(nèi)，電源提供的電壓和電流相等的條件下，占空比越小，平均功率就越小，即降低了功耗，電阻應(yīng)變片相應(yīng)產(chǎn)生的熱量更少，故提高了電橋電路的熱穩(wěn)定性；如果平均功率一定，占空比越小，則供電電流就越大，傳感器輸出的信號(hào)就越大，靈敏度越高，后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)相應(yīng)減小，從而使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。而直流供電情況下，占空比等于1，開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電情況下，占空比取決于AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)間，假設(shè)AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為5ms，周期為1s，則占空比為2%，故本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量。

不考慮R5、R6和R7影響的情況下，差模輸出電壓：

然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于相同型號(hào)的電阻應(yīng)變片阻值略有偏差，會(huì)影響電橋平衡，因此需設(shè)置預(yù)調(diào)平衡電路，在電路中增加電位器R6、電阻R5和R7(R5= R7)；R5和R7的大小決定了輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍；在電阻應(yīng)變片未產(chǎn)生形變的狀態(tài)下，微調(diào)電位器R6，使全橋電路的差模輸出電壓為零，解決平衡失調(diào)問(wèn)題。

2.2 儀表放大電路的設(shè)計(jì)

該電路的主要功能是將全橋輸出的電壓信號(hào)以差模方式進(jìn)行放大。此電路關(guān)系到后級(jí)AD采集結(jié)果的優(yōu)劣，則必須要具有低溫漂，高精度，高穩(wěn)定性；本設(shè)計(jì)采用高精度的儀表放大芯片AD620，因其具有低輸入失調(diào)電壓50μV，低輸入失調(diào)漂移0.6μV /°C的特點(diǎn)，可滿足本設(shè)計(jì)要求。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，在直流供電情況下，稱重500g砝碼時(shí)，稱重傳感器輸出6mV電壓，AD轉(zhuǎn)換器采用3.3V供電，輸入的最大信號(hào)設(shè)為3.2V，則放大倍數(shù)Au=3.2/0.006=533，如果采取瞬時(shí)供電，電流增加10倍，放大倍數(shù)只需要53倍，而AD620芯片最大放大倍數(shù)可達(dá)10000，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

圖4 主程序流程框圖

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

將放大后的模擬量經(jīng)過(guò)AD芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給STM32處理。由于目前常用的ADC芯片的分辨率有8位、12位、16位、24位；根據(jù)公式：最小分度值，其中，n為ADC芯片分辨率的位數(shù)。本系統(tǒng)中的絕對(duì)誤差應(yīng)小于0.5g，n=8時(shí)，，不滿足設(shè)計(jì)要求；而n=12時(shí)，，滿足設(shè)計(jì)要求且成本較低；本設(shè)計(jì)采用的是一款具有片上采樣和保持電路的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器MCP3208；電路如圖4所示，通過(guò)MCP1541輸出精確的參考電壓提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MCP3208；用運(yùn)放OP07構(gòu)成的二階低通濾波器對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行濾波處理然后遞交給MCP3208進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.軟件分析

控制系統(tǒng)基于STM32的開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言編程方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。圖4為電子秤主程序流程框圖，首先進(jìn)入初始化子程序，然后將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出重量，掃描到功能鍵按下后，進(jìn)入功能鍵子程序執(zhí)行相應(yīng)功能，當(dāng)被稱重物需要去皮時(shí)，按下按鍵可以自動(dòng)保存皮重?cái)?shù)值，當(dāng)不需要去皮時(shí)，將皮重設(shè)為“0”，計(jì)算出金額，最后將處理結(jié)果在液晶屏上顯示出來(lái)。電子秤的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：重量計(jì)算、信息輸入、模式控制、去皮處理、計(jì)算金額、數(shù)字顯示、數(shù)據(jù)輸出等。

表1 部分測(cè)試結(jié)果

4.數(shù)據(jù)分析

在秤盤(pán)上分別放入0～500g之間不同重量的砝碼，記錄下測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示；利用Exeal表格繪制曲線，0～500g整體曲線繪制存在非線性誤差，故采用分段直線逼近可以進(jìn)一步減小誤差。

從表1的圖表數(shù)據(jù)可知，該系統(tǒng)的非線性誤差很小，測(cè)量精度較高，實(shí)現(xiàn)在0～500 g范圍內(nèi),絕對(duì)誤差最大值為0.4g，根據(jù)公式：滿量程最大相對(duì)誤差為可知，滿量程最大相對(duì)誤差為0.08%。本設(shè)計(jì)中采用12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最小分度值，B的值小于0.4g，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合理論值。

5.結(jié)語(yǔ)

傳感器模塊采用開(kāi)關(guān)控制瞬時(shí)供電測(cè)量，解決了電阻應(yīng)變片的發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題，降低了功耗，提高了靈敏度，也隨之提高了穩(wěn)定性；通過(guò)智能化、溫度補(bǔ)償和非線性擬合等技術(shù)，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的非線性誤差，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度，測(cè)量范圍為0～500 g，絕對(duì)誤差最大值為0.4g，滿量程最大相對(duì)誤差為0.08%。有精度高、耗能低、穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，具有很大的實(shí)用性，給用戶帶來(lái)了很大的便捷，具有很好的商業(yè)前景。

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（中石油創(chuàng)新基金）快速鉆進(jìn)條件下巖屑放射性錄井方法研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

武洪濤（1958－），男，副教授，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用。