基于 ARM 單片機的高精度地磅設計與實現

該系統是以TI公司的32位ARM單片機TM4C123GH6PZ為核心控制器,實現了一種基于ARM單片機的高精度地磅設計。電阻應變片采用差動全橋連接方式,該地磅稱重范圍在0.2g至1000g;被稱物體質量低于200g時,誤差低于0.2g;稱重物體高于200g時,誤差低于0.4g。該系統具有設置單價、金額及金額累加累減、去皮、支持多項付款方式、溫度時間實時顯示等功能,系統具有精確度高、稱重范圍廣、靈敏度高、性能穩定等特點。 

1 .系統框圖簡介

當秤盤上放入被秤物體后，電阻應變片受重力的影響產生形變，電阻值發生變化。應變片搭建的橋式電路會輸出微弱的電壓信號，微弱電壓信號由 HX711 內部集成放大器放大后經過內部 ADC 進行采樣轉換后送到到 MCU，接收到的數據信息經過線性擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。系統能完成稱重計算金額及金額累加、去皮及去皮范圍限制等基本功能，還能實現時間、溫度、報警、二維碼支付等擴展功能。系統總體框圖如圖 1 所示。

2 .理論分析與計算

2.1 電橋驅動電路分析

如圖 2 所示當被測負載作用在彈性臂梁上使其發生彈性形變；通過粘性物質使粘貼在感壓裝置上的電阻應變片發生形變，從而轉化成應變片的阻值大小變化；差動電路將電阻應變片的阻值變化，轉化為與負載成正比的電信號輸出。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

全橋測量，輸出電壓信號與電阻形變阻值大小成線性關系。國家標準的應變片阻值為 60、120、200、350、500、1000Ω。鑒于大電阻小

電流，持續運行周期長，信噪比高的情況，因此本系統采用阻值為 1KΩ 的電阻應變片。

2.2 模數（A/D）轉換器分析

HX711 為稱重傳感器提供一個激勵電壓，有重物加載到稱重傳感器上時，它輸出一個比較小的電壓信號；其在接收到這個電壓信號后，對信號進行放大，然后進行 A/D 轉換，直接變換成數字信號輸出給外部設備。

2.3 數據處理分析

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系。加上 ADC 的線性度不夠理想，使小稱量和大稱量區間的線性斜率不一樣。這兩種情況都會使稱量線性度發生變化，造成某些點的稱量誤差較大。采用分段校準測量值和分段計算測量值，可有效的減小測量值的相對誤差。

為了提高精度與穩定性本系統采用了數字濾波。其可以對頻率很低的信號進行濾波 , 這是模擬濾波器做不到的 ; 數字濾波是用軟件算法實現的有效降低了成本。數字濾波可通過改變自身濾波參數對其進行濾波。這對于低頻、脈沖干擾、隨機噪聲等別有效。

3.硬件設計

如圖 3 所示為電子秤專用 24 位模擬 / 數字（A/D）轉換模塊電路圖。其內部集成低噪聲可編程放大器可對電阻應變片產生的微弱信號進行放大后進行模數轉換，片內自帶穩壓電路、時鐘振蕩器和部分外圍電路，具有集成度高、響應快、抗干擾強等優點，減少了外圍放大電路的成本和干擾。

TM4C123GH6PZ：采用 ARM Cortex-M4架構， 集成了 32 位可進行 FPU 運算的浮點單元處理器，內部 Flash 為 256KB 的內存，其時鐘最高可達到 80MHZ，含有豐富的外圍借口如圖 4 所示。

4.軟件設計

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；通過確定鍵進入不同功能的二級菜單，可以實現稱重、設置單價計算金額、設置單價及金額累加、去皮、時間及溫度等功能。普通稱重流程就是讀取 ADC 數據進過數據擬合處理后送到 LCD 液晶顯示。設置單價計算金額功能流程就是在普通稱重的基礎上再通過按鍵輸入單價，金額 = 單價 × 重量，計算后送 LCD 液晶顯示，如需掃碼付款，按支付鍵后掃描碼可。設置單價及金額累加就是在設置單價計算金額功能的基礎上累加金額即可。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主程序設計流程圖如圖 5 所示。

5.實物制作與系統測試

實物制作如圖 6 所示。

表 1 為稱重誤差測試表，通過表中誤差數據可以看出重量 <75g，誤差在 0.2g 以內。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.結論

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