为了实现高精度电子称重,采用电阻应变片组成应变电桥作为称重传感器，利用24位A/D转换芯片HX710A采集数 据，采用精密稳压源TL431为A/D提供参考电压，利用STM32H03单片机处理数据，通过键盘和液晶实现人机交互，设计了一 款高精度电子秤。文章给出了详细硬件电路设计以及软件程序流程,并进行了实际制作和测试。结果表明该电子杆称重范围 为5?500 g,称重误差容0.5 g,具有设置单价和累加金额功能，以及去皮和计数功能。

0.引言

电子秤是集现代传感器技术、电子技术和计算机技术 于一体的电子称量装置，具有快速、直观、精度高、操作简 单、多功能等优点，与传统的机械秤相比更符合计量管理 和工业生产过程控制要求1。国内从20世纪60年代中 期开始模拟指针式电子秤的研制和生产,经历了模拟式电 子秤、数字式电子秤和微机式电子秤三个阶段0。总体而 言，电子秤的发展呈现出小型化、智能化和模块化的特点。

电子秤的基本工作原理是利用称重传感器将物体重 量转换为方便采集的模拟电压量。传感器输出电压量一 般很小,通常需要进行放大，然后通过高精度A/D采集实 现模拟量到数字量的转换，最后经过单片机对数据进行处 理，通过键盘输入和液晶显示实现人机交互。

本文采用电阻应变片组成应变电桥W作为称重传感 器，利用24位A/D转换芯片HX710A采集数据，采用精 密稳压源TL431为A/D提供参考电压，利用STM32F103 单片机处理数据,通过键盘和液晶实现人机交互，设计了 —款高精度电子秤。其称重范围为5 ~500 g,称重误差与 0. 5 g,具有设置单价和累加金额以及去皮和计数功能。

1.系统总体方案

电子秤的工作原理是将作用在承载器上的质量或力 的大小,通过称重传感器转换为与之成正比的电压信号， 信号经过采集处理后以模拟或数字量的形式在仪表上显 示出来。

高精度电子秤由称重传感器、高精度A/D采样、STM32 单片机、键盘模块、数据存储、报警模块、液晶显示、USB接 口、精密稳压源T1431等电路模块组成。供电可以采用USB 供电或者电池供电。其系统总体方案框图如图1所示。

称重传感器采用350 a的电阻应变片组成应变电桥 实现物体重量到电压量的转换；A/D采用24位高精度 HX710A芯片，为了提高采样精度,采用精密稳压源TL431 为A/D提供参考电压;键盘模块和液晶显示模块用于人机交互，可以实现输入单价、操作去皮、显示总重和总价、 计数、重新标定等功能；数据存储模块用于存储历史称重 数据、语音播报数据等；报警模块可以播报重量、价格，指 示超量程等;USB接口可以用于供电或者程序下载。

2.硬件电路设计

2.1称重传感器电路

当悬臂梁一端受到托盘重物垂直方向的压力作用时, 其电阻应变片将因受力产生变形,从而导致电阻应变片的 电阻值随之发生相应的变化，引起电桥输出电压的变化。 电桥输出电压经过A/D采样芯片HX710A,利用HX710A 内部放大功能，将电桥输出电压先进行128倍放大，然后 再进行A/D采样实现模拟量到数字量的转换，从而建立 输出数字量与电阻应变电桥输出量（托盘重物压力引起） 之间的关系，可利用微处理器进行后续的数据分析与处 理,最终通过分析与计算反推得到物体质量。

图2所示为经典的惠斯顿电桥,如果电阻为电阻应变 片，则称为电阻应变电桥，目的是将应变片电阻值的变化 量转换为电压变化量以方便测量。实际工作中，采用同型 号的应变片接入惠斯顿电桥四臂，称为全桥结构，在应变 为零的初始状态下，电桥平衡,没有输出电压；在应变片承 受应变时，电桥失去平衡,有输出电压。

2.2高精度A/D采样电路

电子秤测量精度为0. 5 g,最大称重为500 g,其内分 度为0. 5 g,最大分度数为1 000,采用24位A/D转换芯片 HX710A,由于(224 = 16 777 216)》1 000 = (1 024 = 210), 因而完全可以保障高精度。HX710A的输入低噪声放大 器的增益为128,当参考电压为5 V时,对应的满额度差分 输入信号巾虽值为±20 mV。

HX710A芯片内的时钟振荡器不需要外接任何器件, 芯片内集成数字温度传感器可直接读出系统温度用于温 度补偿，同时具备上电自动复位功能，简化了初始化过程。

高精度A/D采样电路原理图如图3所示。其中精密 稳压源TL431为HX710A提供参考电压和模拟部分供电 电压，由于参考电压不受电源电压波动影响，极大地提高 了采样精度。数字部分供电采用普通电压供电，同时加上 滤波电容来提高抗干扰能力。

扫描方式,也可以直接选购薄膜式触摸键盘,体积小巧,接 口方便。

2.4报警模块电路

报警模块电路原理图如图5所示。其中3个不同颜 色的发光二极管分别用于指示各种不同的测量范围或状 态，红灯亮则表示超过500 g,蓝灯亮则表示低于5 g,绿灯 亮则表示在正常测重范围5 ~500 g内。扬声器则在超出 测量范围时发出鸣叫，在正常测量范围时播报测重结果或计数结果。

2.5存储与液晶显示电路

最小控制系统采用STM32H03系列单片机作为微处 理器，包括液晶显示模块和存储模块。STM32单片机最小 系统原理图如图6所示。

3.软件程序设计

系统工作时,首先进行系统初始化，对重量数据进行 采集并进行按键扫描，判断是否超重以及按键是否按下。 通过判断，选择执行按键的功能，将功能通过液晶显示，最 终根据实际情况显示出测试结果。电子秤的软件程序流 程图如图7所示。

4.测试结果

4.1称重测量

采用标准砝码进行实际测量，测量数据如表1所示， 其中单位为g。根据测量数据可知，当称重质量小于50 g 时,称重误差小于0.3 g;当称重质量大于50 g时,称重误差小于0.5g.

4.2电子秤单价设置及金额累加测试

对不同重量的砝码进行单价设置,通过实际测量,对 被测物进行金额小计，并对各项小计作求和处理，可获如 表2所示的金额累计测试结果。

4.3电子秤去皮功能测试

通过增减砝码来进行去皮功能的测试,测试结果如表 3所示。实测时,皮重和物重都采用标准砝码.

4.4声光报警功能测试

声光报警的测试结果如表4所示。通过系统的实际 测试，当称重质量低于5 g或高于500 g时,系统蓝或红指 示灯亮且喇叭响起,在正常测试范围内绿灯亮，且喇叭播 报测试结果。

4.5计数功能测试

计数功能的测试结果如表5所示。实际使用时，可以 先数10个同种小物件称重，然后设置计数值为10,当再 添加同种物件时,即可实现自动计数。

5.结论

本电子秤的设计在硬件电路方面，采用电阻应变片组成应变电桥并贴装在白钢刀悬臂梁上下两侧作为称重传感器，采用24位A/D转换芯片HX710A,结合精密稳压源 TL431保证采样电路参考电压稳定,采用STM32最小系统 (包含数据存储和液晶显示模块）作为核心处理器，采用 矩阵式键盘方便人机交互。在软件方面，算法合理、功能 全面。经过实际制作测试,称重范围为5 ~ 500 g,称重误 差与0.5 g,具有设置单价、累加金额以及去皮和计数功 能。