基于CH32高精度称重数据采集系统的设计与实现

甘辉 吕美妮 王奎奎 倪茂森

关键词：CH32；称重数据；温度采集；数字滤波；Qt上位机

0 引言

随着科技的快速发展，传感器技术[1]、单片机技术给人们的生活带来了越来越多的便利，称重系统在日常生活中已经成为人们不可缺少的一部分[2]。因此人们对称重采集系统的需求也越来越高，要求更高的精度和稳定性。影响称重系统精度的因素有很多，比如温度变化、湿度变化、蠕变、侧载荷和偏心荷、传感器的安装[3]等。因此设计一个高精度称重数据采集系统具有非常重要的意义。本设计通过下位机同步采集环境温度和称重重量数据，采用自定义传输协议发送数据到电脑Qt编写的软件系统，完成高精度称重数据采集。

1 方案设计

本系统由下位机和上位机组成：系统组成框架如图1所示。1） 下位机称重数据采集：称重传感器采用单点压力C3精度的传感器，称重范围最大为3kg。2）放大转换电路：其核心是具有差分通道输入内部自带128倍增益的24位模数转换器TM7711芯片。3） 主控采用32位单片机CH32，为了保证数据有效传输，CH32通过串行通信协议获取TM7711转换完成后的24位数字电压数据。4） 下位机温度数据采集：温度传感器采用DS18B02。5） 下位机和上位机数据传输：采用串行通信的方式，以自定义数据传输协议打包传输称重、温度数据。6） 上位機软件系统：实现数据显示、功能控制、数据存储等功能。

2 硬件设计

系统整体电路如图2所示：1） 电源电路采用直流5V电源输入，通过500mA保险丝，经C1电源滤波给系统供电。5V电压经三端线性稳压管U1 CE6219输出3.3V 电压给主控电路供电。2） 主控芯片采用CH32V103C8T6，该芯片是基于RISC-V[4]内核的32位通用控制器。系统时钟倍频到72MHz，可满足系统需求。3） 通信及程序下载电路采用CH340E芯片设计，可以实现USB供电、数据通信、一键下载功能。4） 称重传感器内部是由4个250欧姆电阻组成的电桥[5，6]，电桥采用模拟电源5V供电。其两路差分信号一路输入TM7711的AIN+引脚，一路输入AIN-引脚。5V数字电源电压经过1mH的电感滤波后作为5V的模拟电源，给TM7711供电和基准电压，其DOUT、PD_SCK引脚分别连接CH32单片机的PA3、PA4引脚实现数据通信。数字电源地与模拟电源地用0欧姆电阻R8隔离[7]。5） 温度采集电路核心是DS18B20温度传感器，其工作温度从-55℃至+125℃，精度为正负0.5℃[8]，通过单总线协议与CH32单片机进行数据交互。

3 软件设计

系统运行主要是称重数据采集、数据传输格式、上位机系统功能及逻辑实现。

1） 称重数据采集：其核心是CH32如何与TM7711数据交互。首先TM7711的数据读取需要根据以下图3时序进行完成。将CH32连接的DOUT引脚首先作为输入引脚，检测引脚是否为高电平，若为高电平则说明数据没有转换完成，反之数据转换完成，然后通过PD_SCK上升沿触发TM7711从MSB至LSB依次输出24位AD转换数据，给够25个脉冲确保下次转换为差分通道输入、增益为128倍，数据输出频率为10Hz。

2） 数据传输格式

数据传输格式是上下位机数据交互的核心，数据传输采用串口通信，波特率设置为115200、8位数据、无奇偶校验、一个停止位[9]。因传输浮点型时会随着数据变动使得每次传输的字符串长度改变，给发送、接收数据增加难度，降低传输效率。为了提高数据传输效率经分析传输数据：称重数据实际占用内存为24位，温度数据为16位，可用共用体的方式拆解成8位，且符合串口一次发送8位数据的方式，以此可每次固定发送6个字节的数据，上位机再用共用体的方式还原出有效的24位称重数据，16位温度数据。数据通信格式如表1所示。

3） 上位机软件系统：上位机操作界面由Qt软件开发，主要完成与下位机的数据通信及相关功能操作如图4所示。①显示功能：显示实时的重量AD数据、转换后的实际重量、标零时刻的重量数据、实时系统环境温度。②标零：点击“零点标定”设置重量为0g时刻系统重量AD数据。③标定：手动放置标准砝码称重后输入砝码重量并点击“砝码标定”；④存储：实时将系统数据存储至Excel表格中。⑤去皮：将当前秤盘上所放的重量认定为0g，取消去皮则将皮重物品重量重新统计。⑥其他功能：手动读取、定时读取、显示数据等功能。

4 测试与分析

系统在21.6℃环境下，以2 000g砝码进行标定。由于系统在温度快速变化的过程中，采集到的数据正负波动较大，为了能够获有效数据，将其放置于稳定温度环境下，并对标准砝码重量进行采样。采样数据如表2、表3所示。

根据表2的数据可知，系统最大误差达在空盘8℃时为1.311g，在21.6℃、21.9℃时为0.05g，35.5℃时为1.261g。由上可知：系统在标定温度附近时，称重误差较小；系统与标定温度相差较大时，称重误差较大。根据表3的数据可知，系统最大称重误差在6℃时为0.5g，21.9℃时为0.05g，35.1℃时为0.02g。由此可知与表2所得结论一致。

分析表2、表3系统称重重量不同时，温度对系统的影响可知：当称重物品重量较重时，称重误差受到温度影响较小。原因分析：称重传感器在此状态下形变量较大，温度变化对其影响比重变小，所以误差小。当被称量物品重量较轻时，受到温度影响较大。误差较大原因分析：称重传感器此状态下形变量较小，温度变化对其影响比重变大，导致误差变大。所以称量较轻物品时，为了确保称重的精度，如温度与标定时温度相差较大，应该对系统重新标定。

根据表4的数据可知，系统在运行30分钟时，最大误差为0.05g，在系统运行120分钟后，最大误差为0.10g，运行160分钟后最大误差为0.2g。由此可知系统在运行时间较短的情况下空盘和2 000g误差精度能达到0.05g，在运行较长时间后误差为0.2g。误差分析：为传感器蠕变引起。此时应系统最好重新标定或重启。

实验表明系统采用一阶RC阶滤波算法与滑动均值滤波算法相结合的称重效果良好，结合软件系统，数据采集的精度较高、稳定性较好。

5 结束语

本设计是基于CH32的高精度称重数据采集系统，通过对硬件采集电路、系统采集软件的设计，实现了自定义数据传输格式高效温度、重量数据采集，经过数据分析各种条件下的称重误差，结合软件系统采取不同的有效措施，最终实验数据表明，称重系统的精度和稳定性得到了有效提高。