基于STM32的高精度瞬时供电电子称

长江大学电子信息学院 张惠婷 武洪涛

湖北理工学院机电工程学院 卢 杨

基于STM32的高精度瞬时供电电子称

长江大学电子信息学院 张惠婷 武洪涛

湖北理工学院机电工程学院 卢 杨

本文设计了一种以STM32为核心的高精度电子称，介绍了系统的总体结构框图，重点阐述了称重传感器的工作原理，并完成了电子秤的软件设计；采用开关控制瞬时供电测量，降低了功耗，提高了灵敏度，也随之提高了稳定性；通过智能化、温度补偿和非线性拟合等技术提高了测量精度。该电子秤的测量范围为0～500 g，绝对误差最大值为0．4g，满量程最大相对误差为0．08%。

电子秤；STM32；称重传感器；开关控制；瞬时测量

1.引言

当今,电子秤的发展趋向于集成化、数字化、智能化，然而，电子秤存在精度低、稳定性差、自动化程度较低等问题。针对这一系列问题，本文采用STM32微处理器，AD620低漂移仪表放大器，MCP3208高精度AD转换器，低功耗液晶显示器构成电子秤的硬件系统，在测量方法上采用瞬时大电流供电测量，提高了传感器灵敏度，降低了功耗，提高了测量电路的稳定性。

2.总体方案

本系统有三个模块组成，如图1所示，传感器及供电控制模块、放大测量模块、键盘显示模块。传感器及供电控制模块：应变片将承受的重量转化成为电阻的变化，在电流的激励下将电阻的变化转化为电压的变化（电流源在STM32的控制下，对应于ADC的测量时间产生激励电流）。放大测量模块：将传感器输出的信号放大到适合于ADC的输入信号范围，在由ADC实现模拟量到数字量的转换，重量的计算由STM32通过软件完成；键盘显示模块：完成运行模式控制、信息输入和数据显示。通信接口完成电子秤与其它设备（上位机操作平台或测量控制网络）的数据交换。

图1 总体结构框图

2.1 称重传感器的设计

称重传感器由全桥电路构成，如图2所示，R1、R2、R3和R4为测量应变片电阻，R5、R6和R7为零点补偿电阻，R8为限流电阻，bd为测量信号输出节点。电阻应变片R1、R2、R3和R4因温度改变引起的阻值变化是相等的，故可相互进行温度补偿，即利用全桥特性可解决温漂问题。

图2 全桥原理图

脉冲信号的功率P = UIt / T，其中t / T为占空比。在一个周期T内，电源提供的电压和电流相等的条件下，占空比越小，平均功率就越小，即降低了功耗，电阻应变片相应产生的热量更少，故提高了电桥电路的热稳定性；如果平均功率一定，占空比越小，则供电电流就越大，传感器输出的信号就越大，灵敏度越高，后级放大电路的放大倍数相应减小，从而使整个系统的稳定性提高。而直流供电情况下，占空比等于1，开关控制瞬时供电情况下，占空比取决于AD转换器的时间，假设AD转换时间为5ms，周期为1s，则占空比为2%，故本设计采用开关控制瞬时供电测量。

不考虑R5、R6和R7影响的情况下，差模输出电压：

然而在实际应用中，由于相同型号的电阻应变片阻值略有偏差，会影响电桥平衡，因此需设置预调平衡电路，在电路中增加电位器R6、电阻R5和R7(R5= R7)；R5和R7的大小决定了输出电压的调节范围；在电阻应变片未产生形变的状态下，微调电位器R6，使全桥电路的差模输出电压为零，解决平衡失调问题。

2.2 仪表放大电路的设计

该电路的主要功能是将全桥输出的电压信号以差模方式进行放大。此电路关系到后级AD采集结果的优劣，则必须要具有低温漂，高精度，高稳定性；本设计采用高精度的仪表放大芯片AD620，因其具有低输入失调电压50μV，低输入失调漂移0.6μV /°C的特点，可满足本设计要求。根据测量数据可知，在直流供电情况下，称重500g砝码时，称重传感器输出6mV电压，AD转换器采用3.3V供电，输入的最大信号设为3.2V，则放大倍数Au=3.2/0.006=533，如果采取瞬时供电，电流增加10倍，放大倍数只需要53倍，而AD620芯片最大放大倍数可达10000，满足设计要求。

图3 模数转换电路图

图4 主程序流程框图

2.3 模数转换电路的设计

将放大后的模拟量经过AD芯片转换成数字量送给STM32处理。由于目前常用的ADC芯片的分辨率有8位、12位、16位、24位；根据公式：最小分度值，其中，n为ADC芯片分辨率的位数。本系统中的绝对误差应小于0.5g，n=8时，，不满足设计要求；而n=12时，，满足设计要求且成本较低；本设计采用的是一款具有片上采样和保持电路的12位逐次逼近型模数转换器MCP3208；电路如图4所示，通过MCP1541输出精确的参考电压提供给模数转换芯片MCP3208；用运放OP07构成的二阶低通滤波器对前级信号进行滤波处理然后递交给MCP3208进行模数转换。

3.软件分析

控制系统基于STM32的开发环境，采用C语言编程方式进行软件设计。图4为电子秤主程序流程框图，首先进入初始化子程序，然后将采集的数据进行处理，计算出重量，扫描到功能键按下后，进入功能键子程序执行相应功能，当被称重物需要去皮时，按下按键可以自动保存皮重数值，当不需要去皮时，将皮重设为“0”，计算出金额，最后将处理结果在液晶屏上显示出来。电子秤的软件设计主要实现以下功能：重量计算、信息输入、模式控制、去皮处理、计算金额、数字显示、数据输出等。

表1 部分测试结果

4.数据分析

在秤盘上分别放入0～500g之间不同重量的砝码，记录下测量数据，如表1所示；利用Exeal表格绘制曲线，0～500g整体曲线绘制存在非线性误差，故采用分段直线逼近可以进一步减小误差。

从表1的图表数据可知，该系统的非线性误差很小，测量精度较高，实现在0～500 g范围内,绝对误差最大值为0.4g，根据公式：满量程最大相对误差为可知，满量程最大相对误差为0.08%。本设计中采用12位模数转换器，最小分度值，B的值小于0.4g，实验数据符合理论值。

5.结语

传感器模块采用开关控制瞬时供电测量，解决了电阻应变片的发热严重问题，降低了功耗，提高了灵敏度，也随之提高了稳定性；通过智能化、温度补偿和非线性拟合等技术，进一步减小了系统的非线性误差，提高了系统的测量精度，测量范围为0～500 g，绝对误差最大值为0.4g，满量程最大相对误差为0.08%。有精度高、耗能低、稳定性好、自动化程度高等特点，具有很大的实用性，给用户带来了很大的便捷，具有很好的商业前景。

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武洪涛（1958－），男，副教授，研究方向：检测技术与计算机应用。