针对市场高精度电子秤具有高价位、大体积等问题，研制了智能化、便携式、高精度电子秤；本设计采用电阻式应变片传感器 为前端信号采集单元，采集的信号通过信号调理电路处理即将信号进行放大与A/D转换，结合STM32单片机控制器加以数据处理，并由外 键盘电路实现单价、金额输入，由FTF显示屏显示称重与金额。测试由标准砝码校验，在0?50g,误差在0.5g以下；50?500g,误差为1g 以下，实现了设计目标。本设计成本低、便携、智能满足于日常需求，对小型精秤市场具有普遍推广价值。

引言

称重装置已成为生活中不可或缺的一部分，大到重工业 生产，小至街头小贩。目前电子秤市场普遍存在基于89C51 系列芯片研制的电子秤，电子秤信号调理系统电路多以使 用集成电路芯片HX710A型单芯片处理为主，以内部模拟 电路集成芯片改变以往的多元器件堆积焊接实现单一便捷结 构化。

本文基于贴片式电阻应变片传感器研发的电子秤装置， 结合STM32单片机控制与信号调理电路，实现在误差范围 0?50g内小于0.5g，在50?500g内小于1g的高精度测量， 设计一款便携式、高灵敏度、低成本的智能电子秤装置。

1.方案设计

设计结构框图如图1所示，本方案设计有以下几部分 组成：信号采集单元、信号放大电路、A/D转换电路、单片 机、液晶显示、键盘输入、电源设计。

本设计采用BHF350-3AA型贴片式应变片，具有价格 低、精度高和较好的线性特性。BHF高精密级系列电阻 式应变片具有107循环使用寿命、灵敏系数的平均值分散 为0.5%、应变计电阻对平均值公差为±0.1%等优点其 性能均优于BX系列精密级应变片。适用于高精度传感器 和高精度应力分析。

电阻应变片粘贴于悬梁臂一端，当悬梁臂受力应变时， 电阻应变片上的阻值也随之变化，使得电阻应变上的电压发 生变化。变化电压的幅值信号经后续处理实现称量。当悬梁 臂不受力时，应变片不变形，无输出电压。

应变片构成的桥式等效电路如图2所示，当忽略电源 的内阻时，由分压原理可知：

AD7791转换放大后的信号，由STM32将所得到的A/D值 进行数值计算，将秤取的重量由TFT显示屏显示出来，单 片机外加键盘输入，可手动调节物品单价，进行累加计算。 电源设计部分按照各部分所需电压分路调节输出。

1.1硬件设计

（1）应变片安放

传感器设计采用等截面矩形结构的悬梁臂结构，如图2所示，R1、R2为贴片式电阻应变片粘贴于A端的悬梁臂X位置，且A端固定于支架上，B端为体秤受力端，当受到向下拉力时，悬梁臂形变，同时应变片也产生相同的形变，导致应变片输出电阻值发生变化。由物体受力分析可得在悬梁臂A端附近形变最为明显，应变片形变更明显。

等截面悬梁臂为x处的应变值为：

（2）信号调理电路设计

由于系统设计测量精度要求0?50g范围内误差小于 0.5g,50?500g范围内误差小于1g，电阻应变片的温漂效 应明显，而且容易受到激励电压的低频变化的影响，我们选 用低漂移的低噪声运算放大器，同时还要考虑在高放大倍数 的情况下失调电压和增益误差不使ADC电路前端过载，我 们还要求选用的放大器是轨到轨的输出性能，通过比较和测 试，我们最终选用ADA4S8-2这款精密运算放大器作为前 端放大电路。ADA4528-2为双通道运放，具有2.2V至5.5V 的宽工作电源电压范围、高增益、出色的CMRR和PSRR 特性。失调电压为2.5uV，失调电压漂移为0.015uV/°C ,适 用于不容许误差源的应用，是精密放大应用理想之选。

由两个零漂移放大器组成了对称式放大器结构，这样形 成了三运放式仪表放大器的第一级，很好的自行校正了低频 直流误差，同时也抵消了 1/f噪声的影响，但对两个放大器 反馈电阻选择要求较高，尽量做到完全匹配，因此我们选用 1%高精度电阻。增益可得：

如图3所示，电容R5与R6置于运算放大器的反馈环 路中，与R5和R6—起形成4.3Hz截止频率的低通滤波器， 用于限制进入Z-A型ADC的噪声量。C5与R7、R8 —起形 成一个截止频率为8Hz的差分滤波器，用以进一步限制噪声。 C3、C4与R7、R8—起形成截止频率为159Hz的共模滤波器。

由于ADA4528-2具有超低失调电压和噪声的高精度器 件，因此必须精心布置PCB安排，以使得芯片性得达到最 佳状态，为减少输出电流变化引起的电源干扰最小，保持较 短的电源走线，旁路电容应尽可能靠近器件电源引脚等细节。

（3）二级放大及ADC电路设计

经过第一级前端放大后，需要再进行一级放大以满足 ADC电路的需要。由于我们选用AD7791这款ADC芯片， 内置一个24位Z-A型ADC，其中含有一个可缓冲或无缓 冲差分输入，使得内部集成了一个差分输入放大器电路， AD7791接受差分模拟输入和差分基准电压。为适合低频 测量应用的低功耗、完整模拟前端，采用3V电源时，二者 的典型功耗为65 pA;采用5 V电源、禁用缓冲时，典型功耗为75 UA。

电路采用5V基准电压，峰峰值输入范围为10V，因此 LSB等于：

来自传感器的10mVp-p满量程信号在3.75Vp-p信号， 约为ADC量程的38%。较宽的模拟输入有利于称重传感器 的失调电压和增益误差不会使ADC前端过载。虽然采用四 线式的贴片传感器没有检测引脚，使得ADC的差分基准电 压引脚与励磁电压和地直接相连，导致了线路电阻上存在一 定的压差，但仍能检测精确出该电桥上产生的电压。

(4)系统电源设计 电源是一个系统的基础，一个良好的电源设计是系统稳 定运行的前提。电压的波动，将导致系统读数称量的精确度。 传感器是通过压力的改变使得电压对电阻应变片的输出量变 化，电压的不稳定，直接导致信号采集的可靠性，同时不稳 定的电压将对后面放大电路、AD电路产生压差失调、增益 误差和噪声干扰，使得系统无法工作。提升电源性能，会使 系统更优良。电源设计如图4所示。

TPS7350具有完善的保护电路，包括过流、过压、电 压反接保护。由电压源7.2V输出，经两个TPS7350电路转 换为3.3V电压，为单片机及显示屏供电。

ADP3301-5.0是一款低噪声调节器，输入工作电压范 围3 V?12 V，并提供超过100毫安的负载电流，具有卓 越的电压和负载调节，该ADP3301作为一般使用时仅需一 个0.47叶旁路电容输出。

本设计中 ADP3301-5.0 电路为 AD7791、ADA4528-2 和称重传感器提供稳定的5V电压，外围电路设计中加以去 耦电容、降噪电容，避免了电源、地层的噪声在电路中的影响致使性能下降。

1.2软件设计

软件设计是基于STM32单片机 的开发运用，STM32F103RCT6芯片 以ARM Cortex-M3为内核，最高工 作频率为72MHz，片上集成64K字节 SRAM，512K字节的FLASH容量，自 带校准RTC晶振，JTAG接口等。具有 极强的处理计算能力，并且开发环境易 搭建。非常适用于此次简易电子称的 数据处理。

键盘为4X4的数字键盘，除了简 单的0~9的数字功能外，并由校准、 去皮、单价、累加、归零、等于代替其他键的功能。键盘 的输入是以状态机输入判断，STM32控制器具体需要执行 的代码取决于接收到的事件。所以，数据控制流程不能是 事先设定好的，它们的命令和选择也就是用户随机输入造 成的事件来驱动。

系统软件分由A/D转换模块、数制转换、键盘扫描模块、液晶显示模块和主函数模块。在开机初始化后，由前端传感器采集信号，经过放大、A/D转换，传送到STM32单片机控制器，有STM32进行数值转换；同时判断外部键盘是否有输入响应，若无，则STM32将处理的信号送至显示屏，由显示屏显示秤取的重量；如果由外部响应输入，单片机根据输入的信号事件，处理事故；并由显示屏显示输入的数据

信号和单片机处理的结果。软件实现流程如图5。

2.测试结果与分析

2.1测试结果

数据如表 1。

2.2测试分析与结论

测试结果满足实验目标要求，以空托盘为初始状况，每 次累加5g重量的砝码，称重在0?50g时，测试所得数值 在标准砝码0.5g误差内；称重在50?500g时，测试所得 数值在标准砝码的1g误差内。

本设计基于STM32控制，利用贴片式电阻应变片传感 器为信号采集单元，结合了 ADA4528-2芯片与AD7791等 芯片的优质调制，实现电子秤的精确称量，测量结果可读测 到小数点后两位。更以低成本、高灵敏度、智能化、便携式设计结构为小型精秤市场带来推广性，适用于中药材称量、 金银器秤量等区域。可在常温环境下精确称量工作，若在电 子秤四周加以透明玻璃罩，以减少外界环境对应变片的影响， 测量结果将更加精准。