基于 ARM 單片機(jī)的高精度地磅設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)是以TI公司的32位ARM單片機(jī)TM4C123GH6PZ為核心控制器,實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM單片機(jī)的高精度地磅設(shè)計(jì)。電阻應(yīng)變片采用差動(dòng)全橋連接方式,該地磅稱重范圍在0.2g至1000g;被稱物體質(zhì)量低于200g時(shí),誤差低于0.2g;稱重物體高于200g時(shí),誤差低于0.4g。該系統(tǒng)具有設(shè)置單價(jià)、金額及金額累加累減、去皮、支持多項(xiàng)付款方式、溫度時(shí)間實(shí)時(shí)顯示等功能,系統(tǒng)具有精確度高、稱重范圍廣、靈敏度高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。 

1 .系統(tǒng)框圖簡介

當(dāng)秤盤上放入被秤物體后，電阻應(yīng)變片受重力的影響產(chǎn)生形變，電阻值發(fā)生變化。應(yīng)變片搭建的橋式電路會(huì)輸出微弱的電壓信號(hào)，微弱電壓信號(hào)由 HX711 內(nèi)部集成放大器放大后經(jīng)過內(nèi)部 ADC 進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換后送到到 MCU，接收到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過線性擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。系統(tǒng)能完成稱重計(jì)算金額及金額累加、去皮及去皮范圍限制等基本功能，還能實(shí)現(xiàn)時(shí)間、溫度、報(bào)警、二維碼支付等擴(kuò)展功能。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

2 .理論分析與計(jì)算

2.1 電橋驅(qū)動(dòng)電路分析

如圖 2 所示當(dāng)被測負(fù)載作用在彈性臂梁上使其發(fā)生彈性形變；通過粘性物質(zhì)使粘貼在感壓裝置上的電阻應(yīng)變片發(fā)生形變，從而轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的阻值大小變化；差動(dòng)電路將電阻應(yīng)變片的阻值變化，轉(zhuǎn)化為與負(fù)載成正比的電信號(hào)輸出。其輸出的電壓為：

 （1）由公式 1 可知，理論上測量電路采用差動(dòng)

全橋測量，輸出電壓信號(hào)與電阻形變阻值大小成線性關(guān)系。國家標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變片阻值為 60、120、200、350、500、1000Ω。鑒于大電阻小

電流，持續(xù)運(yùn)行周期長，信噪比高的情況，因此本系統(tǒng)采用阻值為 1KΩ 的電阻應(yīng)變片。

2.2 模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器分析

HX711 為稱重傳感器提供一個(gè)激勵(lì)電壓，有重物加載到稱重傳感器上時(shí)，它輸出一個(gè)比較小的電壓信號(hào)；其在接收到這個(gè)電壓信號(hào)后，對信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，直接變換成數(shù)字信號(hào)輸出給外部設(shè)備。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

由于溫差、沖擊力、浮塵等因素的影響，傳感器承受載荷與其輸出電壓之間并非都成線性關(guān)系。加上 ADC 的線性度不夠理想，使小稱量和大稱量區(qū)間的線性斜率不一樣。這兩種情況都會(huì)使稱量線性度發(fā)生變化，造成某些點(diǎn)的稱量誤差較大。采用分段校準(zhǔn)測量值和分段計(jì)算測量值，可有效的減小測量值的相對誤差。

為了提高精度與穩(wěn)定性本系統(tǒng)采用了數(shù)字濾波。其可以對頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波 , 這是模擬濾波器做不到的 ; 數(shù)字濾波是用軟件算法實(shí)現(xiàn)的有效降低了成本。數(shù)字濾波可通過改變自身濾波參數(shù)對其進(jìn)行濾波。這對于低頻、脈沖干擾、隨機(jī)噪聲等別有效。

3.硬件設(shè)計(jì)

如圖 3 所示為電子秤專用 24 位模擬 / 數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換模塊電路圖。其內(nèi)部集成低噪聲可編程放大器可對電阻應(yīng)變片產(chǎn)生的微弱信號(hào)進(jìn)行放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，片內(nèi)自帶穩(wěn)壓電路、時(shí)鐘振蕩器和部分外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，減少了外圍放大電路的成本和干擾。

TM4C123GH6PZ：采用 ARM Cortex-M4架構(gòu)， 集成了 32 位可進(jìn)行 FPU 運(yùn)算的浮點(diǎn)單元處理器，內(nèi)部 Flash 為 256KB 的內(nèi)存，其時(shí)鐘最高可達(dá)到 80MHZ，含有豐富的外圍借口如圖 4 所示。

4.軟件設(shè)計(jì)

上電后初始化核心控制器及其外圍模塊，通過按鍵選擇 LCD 菜單選擇；通過確定鍵進(jìn)入不同功能的二級(jí)菜單，可以實(shí)現(xiàn)稱重、設(shè)置單價(jià)計(jì)算金額、設(shè)置單價(jià)及金額累加、去皮、時(shí)間及溫度等功能。普通稱重流程就是讀取 ADC 數(shù)據(jù)進(jìn)過數(shù)據(jù)擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。設(shè)置單價(jià)計(jì)算金額功能流程就是在普通稱重的基礎(chǔ)上再通過按鍵輸入單價(jià)，金額 = 單價(jià) × 重量，計(jì)算后送 LCD 液晶顯示，如需掃碼付款，按支付鍵后掃描碼可。設(shè)置單價(jià)及金額累加就是在設(shè)置單價(jià)計(jì)算金額功能的基礎(chǔ)上累加金額即可。去皮功能流程就是先放入需要去掉皮重的物品，判斷皮重物品的重量是否超過 100g，超過則報(bào)警，沒超過就保存重量，再放入物品，由最后的重量減去皮重即可系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 5 所示。

5.實(shí)物制作與系統(tǒng)測試

實(shí)物制作如圖 6 所示。

表 1 為稱重誤差測試表，通過表中誤差數(shù)據(jù)可以看出重量 <75g，誤差在 0.2g 以內(nèi)。注：由于電子分析天平是精密儀器，表格中空白處砝碼重量過大，無法測量。

6.結(jié)論

系統(tǒng)支架選用鐵選用鐵質(zhì)懸梁臂，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由大阻值應(yīng)變片搭成差動(dòng)橋式測量電路，抗干擾能力及穩(wěn)定性比較強(qiáng)。選用 24 位高精度 ADC，對測量的精度有很大的提高，由于應(yīng)變片的安裝及整體機(jī)械架構(gòu)的組建比較合理，該電子秤稱重范圍在 0.2g 至 1000g；被稱物質(zhì)量體低于 200g 時(shí)，誤差低于 0.2g；稱重物體高于 200g 時(shí)，誤差低于 0.4g。其它設(shè)置單價(jià)、金額及金額累加、去皮等功能增添了該系統(tǒng)的實(shí)用性，切合實(shí)際需求。該系統(tǒng)具有體積小、精確度高、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)。