基于STM32的高精度電子天平

樊 毅，秦會(huì)斌

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

電子天平是高精度質(zhì)量計(jì)量儀器，廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)、高等院校和實(shí)驗(yàn)室，具有稱量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)[1]。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的電子天平，電路集成度低，研究者多采用分離的A/D轉(zhuǎn)換器加放大器的電路，且采用模擬電路實(shí)現(xiàn)非線性修正和溫度補(bǔ)償，存在電路復(fù)雜、準(zhǔn)確度低、可靠性差等問題[2]。國外生產(chǎn)的一些電子天平能夠達(dá)到很高的準(zhǔn)確度和可靠性，但是它們使用的稱重傳感器的成本都非常高，這樣就使得整機(jī)的成本過高。

針對(duì)這些問題，本研究設(shè)計(jì)一種高精度、低成本的電子天平。該設(shè)計(jì)采用HX 711芯片對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用滑動(dòng)均值濾波法進(jìn)行濾波[3]。

1 電子天平工作原理

該設(shè)計(jì)選用了成本較低而且使用廣泛的電阻應(yīng)變式稱重傳感器來進(jìn)行物理量的變換，把重量變換成電信號(hào)[4]。

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)；HX711在接收到這個(gè)電壓信號(hào)后，對(duì)其進(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)送給STM32進(jìn)行處理；STM32對(duì)HX711送過來的數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行數(shù)字濾波，然后進(jìn)行曲線擬合、標(biāo)定等等一系列的處理，并轉(zhuǎn)換為代表重物質(zhì)量的數(shù)字量，送給12864液晶進(jìn)行顯示。

另外，在重物超過稱重傳感器的量程時(shí)，超載報(bào)警電路會(huì)發(fā)出報(bào)警的聲音和光信號(hào)，以便讓用戶快速進(jìn)行處理，避免損壞稱重傳感器；矩陣鍵盤輸送相應(yīng)的按鍵信號(hào)給STM32，以便實(shí)現(xiàn)去皮和單位轉(zhuǎn)換等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要由主控制器STM32、稱重傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊HX711、超載報(bào)警電路、矩陣鍵盤、液晶顯示模塊12864這幾部分組成[5]。

天平主要部分的電路圖如圖1所示。

圖1 電子天平主要部分電路圖

該設(shè)計(jì)使用的電阻應(yīng)變式稱重傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

表1 電阻應(yīng)變式傳感器的各項(xiàng)參數(shù)

3 程序設(shè)計(jì)及技術(shù)特點(diǎn)

電子天平程序流程圖如圖2所示。

圖2 電子天平程序流程圖

為了達(dá)到較快的稱量速度和較高的精度，該電子天平采用了幾個(gè)具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，這些設(shè)計(jì)使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求。

3.1 24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711

目前市面上的電子天平多采用分離的A/D轉(zhuǎn)換器和放大器組成的電路，對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行處理。這樣，不但增加了電路的復(fù)雜度，使電路穩(wěn)定性降低，并且容易受到外界的干擾[6]。對(duì)于高精度電子天平來說，這種電路的復(fù)雜度造成的不穩(wěn)定性會(huì)更加明顯[7]。

為了避免以上問題，本研究采用了海芯科技集團(tuán)生產(chǎn)的HX711芯片。該芯片是一款專為高精度電子天平而設(shè)計(jì)的24位Delta-Sigma型A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其他芯片相比，該芯片集成了放大器、穩(wěn)壓電源和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了電子天平的整機(jī)成本和電路的復(fù)雜度，提高了整機(jī)的可靠性。

該芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源。如果使用該芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源給外部傳感器供電，就不需為A/D轉(zhuǎn)換器提供參考電壓，這樣就采用了電壓比例測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量，整機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，使整個(gè)電子天平能夠達(dá)到較高的精度。并且，為了防止電源電壓的波動(dòng)造成過高的輸入電壓，而燒壞HX711芯片，本研究在電路中安裝了一個(gè)5.1 V的穩(wěn)壓管。

3.2 高時(shí)鐘頻率低功耗的單片機(jī)STM32

目前的電子天平多采用51單片機(jī)這類功能較簡單、時(shí)鐘頻率較低的單片機(jī)[8]，這樣，就存在稱量速度慢、不易擴(kuò)展復(fù)雜功能的弊端，為此，該設(shè)計(jì)采用目前市面上使用廣泛的以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32單片機(jī)作主控制器。

該設(shè)計(jì)采用的STM32F103“增強(qiáng)型”系列單片機(jī)，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。其功耗為36 mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5 mA/MHz。其工作溫度范圍為－40℃～＋85℃，在溫度變化較大時(shí)，仍能保持穩(wěn)定的性能，使得該設(shè)計(jì)對(duì)溫度變化的適應(yīng)性增強(qiáng)。

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)稱量速度快，充分預(yù)熱后，10 s左右即可達(dá)到穩(wěn)定讀數(shù)。

3.3 滑動(dòng)均值濾波法

為了降低電路復(fù)雜度，降低功耗，提高電路穩(wěn)定性，本研究沒有采用硬件濾波的方法，而是采用將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的模擬信號(hào)直接數(shù)字化，再進(jìn)行數(shù)字濾波的方法，降低了電路復(fù)雜度，提高了設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。另外，該設(shè)計(jì)采用了滑動(dòng)均值濾波法來進(jìn)行濾波[9]。

滑動(dòng)均值濾波法，屬于數(shù)字濾波器中的有限脈沖響應(yīng)濾波器。其原理是：把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把采樣結(jié)果放入隊(duì)尾，而去掉原來隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”的數(shù)據(jù)，對(duì)比普通的均值濾波法（每次都必須讀入N個(gè)數(shù)據(jù)的方法），速度提高了很多。滑動(dòng)均值濾波法的優(yōu)點(diǎn)是，對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)；缺點(diǎn)是，靈敏度較低。但是，對(duì)電子天平來說，它的靈敏度已經(jīng)足夠了。另外，該濾波法對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差[10]，本研究改進(jìn)了滑動(dòng)均值濾波法，增加了去除N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值的算法，提高了對(duì)脈沖性干擾的擬制作用，克服了滑動(dòng)均值濾波法本身的弱點(diǎn)。改進(jìn)后的濾波公式為：

式中:—濾波后的結(jié)果，XΚ—第K次的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，M A X—N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值，M IN—最小值。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，N取12比較合適。如果N取值過小，那么濾波的平滑效果不好；如果N取值過大，那么雖然濾波的平滑效果較好，但是數(shù)據(jù)處理速度變慢，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

本研究編寫STM32的串口通信程序，并用串口連接到電腦，通過串口調(diào)試助手顯示單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)據(jù)。對(duì)傳感器突然施加一個(gè)壓力，模擬脈沖干擾后，可得到A/D轉(zhuǎn)換器的讀數(shù)，沒有濾波算法的讀數(shù)如圖3所示，有濾波算法的讀數(shù)如圖4所示。

圖3 突然施加壓力時(shí)無濾波算法的讀數(shù)

圖4 突然施加壓力時(shí)有濾波算法的讀數(shù)

在圖3、圖4中，總共讀數(shù)50個(gè)，每過500 ms讀一次，在第2行第1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，突然加一個(gè)壓力在稱重傳感器上，然后，馬上撤去壓力，以此來模擬脈沖干擾。

從圖中可以看到，在沒有濾波算法時(shí)，第2行第1個(gè)讀數(shù)，突然變大為13 770 022，在撤去壓力后，經(jīng)過大約讀入5個(gè)數(shù)據(jù)后就恢復(fù)到以前的穩(wěn)定讀數(shù)。可見，在沒有濾波算法時(shí)，讀數(shù)的變化是陡變的。而在有濾波算法時(shí)，第2行第1個(gè)讀數(shù)為8 898 114，比加壓力前的讀數(shù)8 898 081只增加了33，幾乎沒有變化。在撤去壓力后，由于稱重傳感器的抖動(dòng)等原因，使讀數(shù)一度波動(dòng)到最大值，第3行最后一個(gè)讀數(shù)為8 898 237，但是，在經(jīng)過大約讀入12個(gè)數(shù)據(jù)后，又恢復(fù)到了以前的穩(wěn)定水平，例如第5行最后一個(gè)讀數(shù)為8 898 088。在整個(gè)過程中數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍不超過156（最大讀數(shù)8 898 237減去加壓力前的一個(gè)讀數(shù)8 898 081），比沒有濾波算法的波動(dòng)范圍4 871 453（加壓力后的讀數(shù)13 770 022減去加壓力前的讀數(shù)8 898 569）小了很多，而且，有濾波算法時(shí)，數(shù)據(jù)變化緩慢，對(duì)讀數(shù)幾乎沒有影響。可見，改進(jìn)后的滑動(dòng)均值濾波算法有很好的擬制脈沖干擾的作用。

為了驗(yàn)證滑動(dòng)均值濾波算法對(duì)短時(shí)間內(nèi)多次脈沖干擾的濾波效果，以較快的速度對(duì)稱重傳感器連續(xù)施加4次較大的壓力，可得到A/D轉(zhuǎn)換器的讀數(shù)，沒有濾波算法的讀數(shù)如圖5所示，有濾波算法的讀數(shù)如圖6所示。

在圖5、圖6中，總共讀數(shù)50個(gè)，每過500 ms讀一次，在讀第2行第1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，較快地連續(xù)施加4次壓力在稱重傳感器上，來模擬短時(shí)間內(nèi)連續(xù)的多次脈沖干擾。

圖5 連續(xù)施加4次壓力時(shí)無濾波算法的讀數(shù)

圖6 連續(xù)施加4次壓力時(shí)有濾波算法的讀數(shù)

從圖中可以看出，在沒有濾波算法時(shí)，從第2行第1個(gè)讀數(shù)開始，讀數(shù)突然增大，連續(xù)出現(xiàn)了4個(gè)很大的讀數(shù)，依次為10 965 292，9 337 284，9 743 113，13 381 052。在結(jié)束施加壓力后，經(jīng)過大約讀入4個(gè)數(shù)據(jù)后就恢復(fù)到以前的穩(wěn)定讀數(shù)?？梢?，在沒有濾波算法時(shí)，讀數(shù)的變化是陡變的，而在有濾波算法時(shí)，第2行第1個(gè)讀數(shù)為8 900 869，比施加壓力前的讀數(shù)8 900 839只增加了30，幾乎沒有變化。在結(jié)束施加壓力后，由于這次施加壓力的次數(shù)是4次，次數(shù)較多，在經(jīng)過讀入了29個(gè)數(shù)據(jù)后，才恢復(fù)到?jīng)]有施加壓力時(shí)的讀數(shù)水平，例如，第6行最后一個(gè)讀數(shù)為8 900 928。沒有濾波算法時(shí)，由于施加壓力而造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍是4 478 720（施加4次壓力造成的4個(gè)很大的讀數(shù)中最大的一個(gè)讀數(shù)13 381 052減去施加壓力前的讀數(shù)8 902 332）。而有濾波算法時(shí)，數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍是1 359 584（施加4次壓力過程中造成的最大讀數(shù)10 260 423減去施加壓力前的讀數(shù)8 900 839），比沒有濾波算法的波動(dòng)范圍小了很多。但是，由于是連續(xù)施加4次壓力，比施加1次壓力有濾波算法時(shí)的數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍還是大了很多。總的說來，在連續(xù)施加4次壓力有濾波算法時(shí)，數(shù)據(jù)變化緩慢，對(duì)讀數(shù)有較小的影響?？梢?，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生多次脈沖干擾時(shí)，改進(jìn)后的滑動(dòng)均值濾波算法依然有較好的擬制脈沖干擾的作用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該設(shè)計(jì)的電子天平實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 電子天平實(shí)物圖

該設(shè)計(jì)的電子天平要求最大允許誤差小于等于0.02 g，根據(jù)《JJG 1036-2008電子天平檢定規(guī)程》的檢定要求，在20℃室溫環(huán)境下，電子天平充分預(yù)熱后，本研究采用精度為0.001 g的標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)電子天平的重復(fù)性和示值誤差進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

對(duì)載荷為200 g的砝碼進(jìn)行10次重復(fù)檢定，電子天平重復(fù)性檢定結(jié)果如表2所示。由表2可見，最大誤差為0.02 g，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 重復(fù)性檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電子天平示值誤差檢定結(jié)果如表3所示。本研究選取了0 g、5 g、10 g、20 g、50 g、100 g、150 g、200 g、250 g、300 g等10個(gè)不同的測(cè)量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)方法是：載荷從零開始，逐漸地往上加載，直至加到電子天平的最大稱量，然后逐漸地卸下載荷，直到零載荷為止。由表3可見，電子天平的最大示值誤差為0.02 g，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 示值誤差檢定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本研究對(duì)電子天平的基本工作原理進(jìn)行了深入研究，并且通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前市面上的電子天平精度較低、成本較高的問題。為此，本研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的高精度、低成本的電子天平，簡化了電路連接，提高了電路的穩(wěn)定性。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天平設(shè)計(jì)量程為300 g，能夠達(dá)到0.01 g的精度，誤差小于等于0.02 g，稱量速度快，10 s左右即可達(dá)到穩(wěn)定讀數(shù)，而且性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、準(zhǔn)確度高。

但是，由于稱重傳感器和算法的原因，該設(shè)計(jì)的精度受到了限制。今后的改進(jìn)中，研究者將使用精度更高的稱重傳感器和更優(yōu)秀的算法，以進(jìn)一步提高稱量精度。

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