基于STM32的計(jì)數(shù)電子秤設(shè)計(jì)

劉泳志

摘要：在分析目前主流的電子秤設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，以STM32F103為主控，硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，輔助以按鍵、OLED屏幕、電橋設(shè)計(jì)了一款稱重量程為200g以內(nèi)的多功能計(jì)數(shù)電子秤，實(shí)現(xiàn)稱重、計(jì)數(shù)功能，適用于螺絲、芯片、三極管等微小電子元器件計(jì)量的應(yīng)用場(chǎng)景。

關(guān)鍵詞：STM32；計(jì)數(shù)；電子秤

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）30-0086-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

稱重一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)話題之一[1]，隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來(lái)越多的功能豐富的電子產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入普通人們的生活，像電子秤這種常用工具在市場(chǎng)上也處處可見(jiàn)。目前市場(chǎng)上的電子秤各種各樣，基本上都是應(yīng)用于重量較大的應(yīng)用場(chǎng)景的，比如說(shuō)體重秤、商用電子秤、小型臺(tái)秤，對(duì)于電子元器件等微小物品且?guī)в杏?jì)數(shù)功能的電子秤則較為少見(jiàn)。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一款稱重量程在200克以下的多功能計(jì)數(shù)電子秤，其采用STM32為主控，利用Altium Designer21軟件設(shè)計(jì)電子秤的硬件電路[2]，運(yùn)用Keil軟件設(shè)計(jì)出電子秤的控制程序[3]，輔助以對(duì)比度可調(diào)的0.96英寸OLED12864屏幕[4]以及若干個(gè)按鍵組成。經(jīng)測(cè)試，此款電子秤能計(jì)數(shù)、能稱重、界面友好，實(shí)用性強(qiáng)。

2 總體設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的電子秤實(shí)現(xiàn)可稱重和計(jì)數(shù)的功能，稱重范圍是0-200g?？傮w設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要由STM32主控、傳感器模塊、信號(hào)采集電路模塊、鍵盤(pán)單元和OLED屏幕顯示單元一共五個(gè)模塊組成。將測(cè)量的物體放在傳感器上，在壓力的作用下，電橋的輸出電壓會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)時(shí)候通過(guò)信號(hào)采集電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，再通過(guò)STM32的12位AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，此后通過(guò)按鍵進(jìn)行功能選擇，在OLED屏幕上顯示物體的重量和個(gè)數(shù)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

① 稱重范圍：0-200g。

② 重量誤差：8%以內(nèi)。

③ 計(jì)數(shù)誤差：8%以內(nèi)。

④ LCD顯示：傳感器上器件的數(shù)量和重量。

⑤? ? 鍵盤(pán)：有確認(rèn)、返回、上移、下移四個(gè)按鍵。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)中分別采用3.3V的電壓和+5V和-5V的電壓給單片機(jī)和各個(gè)模塊的集成運(yùn)放供電。傳感器采用電阻應(yīng)變片式[5]，單片機(jī)的控制模塊以STM32F103最小系統(tǒng)[6]來(lái)控制其他各個(gè)模塊。確認(rèn)、上移，下移和返回四個(gè)獨(dú)立按鍵分別與單片機(jī)引腳相連，下面著重介紹傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集電路模塊。

3.1 稱重傳感器

稱重傳感器是一種物體質(zhì)量轉(zhuǎn)化為電子電路可測(cè)量的電信號(hào)的裝置[7]。選擇傳感器首先應(yīng)先要考慮這個(gè)傳感器的使用環(huán)境，這點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)檫@關(guān)系到傳感器能否正常工作，甚至傳感器的使用壽命和安全性[8]。在各種稱重傳感器的概念和評(píng)價(jià)方法上，新舊國(guó)標(biāo)有較大的差別，目前主流的有S型，懸臂型、橋式等[9]；此外，傳感器按照其轉(zhuǎn)換方法又可以分為液壓式、電容式、振動(dòng)式、電阻應(yīng)變式，我們選用的是電阻應(yīng)變式的S型稱重傳感器。

稱重傳感器主要包含電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測(cè)電路這三個(gè)部分[10]，它能稱重的原因是，在物體的壓力之下，傳感器產(chǎn)生了物理形變，這種形變使得緊貼在其表面的關(guān)鍵轉(zhuǎn)換器件電阻應(yīng)變片在外力的作用下也產(chǎn)生了形變，電阻應(yīng)變片伸長(zhǎng)時(shí)，其橫截面積會(huì)縮小，截面圓半徑減少，其電阻變化率和電阻絲伸長(zhǎng)之間成比例關(guān)系，所以電阻應(yīng)變片形變之后，其電阻阻值將會(huì)發(fā)生微小的變化，通過(guò)一系列檢測(cè)電路把這一微弱的電阻阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出，因?yàn)槠渲械幕菟沟菢蚩梢砸种茰囟茸兓挠绊懞蛡?cè)向力的干擾，從而成功將外力變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)。

3.2 數(shù)據(jù)采集電路模塊

通過(guò)電阻應(yīng)變效應(yīng)之后，稱重傳感器采集的物料壓力的電信號(hào)是模擬信號(hào)，而且強(qiáng)度較弱，為了能夠精確地測(cè)量物料的重量，我們必須通過(guò)數(shù)據(jù)采集電路模塊對(duì)傳感器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)進(jìn)行放大等其他處理之后才能連接到單片機(jī)的AD采集引腳。

首先采用了一個(gè)儀用放大器來(lái)對(duì)傳感器的差分信號(hào)進(jìn)行放大，集成運(yùn)放采用OP07，采用正負(fù)5V供電。儀用放大器電路是一種經(jīng)典的精密差分電壓放大器，是差分放大器的一種改良版本，它主要由兩極差分放大器電路構(gòu)成，其中AR1和AR4兩個(gè)運(yùn)算放大器是以同相差分輸入方式，這是因?yàn)樵诜答侂娮鑂23的作用下，運(yùn)算放大器AR1和AR4存在著電壓串聯(lián)負(fù)反饋，這樣就使得輸入電阻比集成運(yùn)放自身的輸入電阻要大，所以同相輸入可以相當(dāng)幅度地提升電路的輸入阻抗，并且能一定程度地減小對(duì)幅度較為微弱的輸入信號(hào)的衰減作用；除此之外，差分輸入還具有只對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于共模信號(hào)僅僅是跟隨作用，這樣使得送到后面一級(jí)信號(hào)的共模抑制比得到一定程度的提高。在后一級(jí)的差分電路是一個(gè)典型的減法運(yùn)算電路，該電路結(jié)構(gòu)也是對(duì)稱的，對(duì)共模的抑制能力也比較強(qiáng)。

儀用放大器的放大倍數(shù)計(jì)算如下：

[Av=-R17R16（1+2R23Rw1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

兩路差分信號(hào)通過(guò)儀用放大器的放大后，必須通過(guò)一個(gè)加法器把電位抬高，使得信號(hào)進(jìn)入STM片內(nèi)AD的數(shù)據(jù)采集范圍。如圖2所示，加法器的運(yùn)放由AR2構(gòu)成，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R13調(diào)節(jié)放大后信號(hào)的電位，確保在200g重量的范圍內(nèi)，傳感器輸入信號(hào)的電位處于AD可采集的范圍，然后再接入單片機(jī)的AD采集引腳。

3.3 STM32核心板

主控采用ALIENTEK NANO STM32F103核心板，MCU為STM32F103RBT6，它的資源包含了20KB的RAM、128KB的flash、3個(gè)通用定時(shí)器、1個(gè)高級(jí)定時(shí)器等等。該芯片是STM32F1家族中的中等配置芯片，具有性價(jià)比高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。最小系統(tǒng)板由復(fù)位、時(shí)鐘、電源等三部分電路組成、復(fù)位的作用是當(dāng)按下復(fù)位按鍵之后，程序的SP指針指向main函數(shù)，重新開(kāi)始運(yùn)行；時(shí)鐘電路由32M的晶振提供基準(zhǔn)頻率，可以在寄存器中設(shè)置倍頻；電源電路只要是為單片機(jī)以及OLED屏幕模塊提供3.3V電源。

3.4 OLED屏幕模塊

OLED（Organic Light Emitting Display），也就是有機(jī)發(fā)光顯示器，同時(shí)也叫作有機(jī)激光顯示，在商業(yè)領(lǐng)域中，目前常用的復(fù)印機(jī)、電話、智能手環(huán)都安裝有小尺寸的OLED屏幕，輕薄且色彩濃艷，既美觀又實(shí)用；在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，在智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、曲面顯示屏等級(jí)產(chǎn)品上都有它的身影，特別是在VR設(shè)備上，由于LCD屏幕觀看VR設(shè)備有比較嚴(yán)重的拖影現(xiàn)象，又有OLED屏幕是點(diǎn)亮光分子，而普通液晶是采用光液體流動(dòng)的原理，所以使用OLED屏幕就不會(huì)有此缺點(diǎn)；在工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)在我國(guó)工業(yè)正朝著工業(yè)自動(dòng)化和智能化的方向前進(jìn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，智能硬件也越來(lái)越多，這對(duì)顯示的屏幕也有著越來(lái)越多的要求，OLED屏幕是不二人選，發(fā)展空間十分巨大。

OLED屏幕與常見(jiàn)的LCD等屏幕不同，OLED同陰極射線管相比較，OLED有著體積輕薄、功耗較低等優(yōu)點(diǎn)，由于特別輕薄，甚至可以作為顯示屏貼在物體表面使用，目前三星等公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了OLED可折疊式軟屏，除此之外OLED還具有抗震性好的優(yōu)點(diǎn)，有利于在便攜設(shè)備商使用；相對(duì)于工作電壓低，種類多、能夠大規(guī)模生產(chǎn)的LCD屏幕，OLED有著不需要借助屏幕背光的被動(dòng)顯示方式、響應(yīng)速度快、易實(shí)現(xiàn)全色彩的優(yōu)勢(shì)；除此之外，OLED還具有高亮度、高對(duì)比度、大視角、功耗低、制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，這也是這款電子秤考慮使用OLED屏幕的主要原因。

OLED屏幕上有4個(gè)外接引腳，分別是VCC、GND、SCL和SDL，由于屏幕通信的速率對(duì)硬件要求不高，因此STM32單片機(jī)采用軟件模擬IIC總線的方式與OLED屏幕通信，VCC接STM32核心板的VCC電源并且與單片機(jī)核心板共地。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件搭建完了以后需要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，電子秤的軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)重要部分，即物料標(biāo)定和稱重計(jì)算。

我們進(jìn)行計(jì)數(shù)的算法如下，比如說(shuō)先放入10個(gè)10g的砝碼，在界面上選擇數(shù)量為10個(gè)，再點(diǎn)擊“確定”按鍵，此時(shí)單片機(jī)會(huì)通過(guò)AD引腳讀取經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)，計(jì)算出當(dāng)前放在傳感器上的若干個(gè)砝碼的重量，而且在單片機(jī)中會(huì)記錄下此時(shí)的重量，之后，我們放入30個(gè)10g的砝碼，再次點(diǎn)擊“確定”讀取并記錄下此時(shí)的重量。之所以要得到10個(gè)和者30個(gè)器件的重量，是因?yàn)闃?biāo)定的目的取得一次線性函數(shù)的系數(shù)。標(biāo)定時(shí)有兩次砝碼稱重，設(shè)第一次稱重砝碼有x1個(gè)，重量為y1；第二次稱重砝碼有x2個(gè)，重量一百y2。經(jīng)過(guò)兩次稱重可以得到以下兩個(gè)等式：

[y1=k*x1+by2=k*x2+b]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

求解方程，可得：

[k=y2-y1x2-x1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[b=x2*y1-x1*y2x2-x1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

在得到系數(shù)k和b的值之后，在測(cè)得任意重量值y后，都可以直接計(jì)算出物料的個(gè)數(shù)，如下式：

[x=y-bk]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

在單片機(jī)上電后，首先執(zhí)行的是初始化操作，在稱重和計(jì)數(shù)之前，必須先做物料標(biāo)定設(shè)置。在主界面點(diǎn)擊“確定”按鍵，進(jìn)入功能選擇界面；在功能選擇界面，再調(diào)節(jié)“上移”和“下移”按鍵，將光標(biāo)移到參數(shù)設(shè)置，點(diǎn)擊“確定”進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面；以同樣的操作，選擇“物料標(biāo)定”，進(jìn)入物料標(biāo)定界面。此時(shí)，先在傳感器上放入10個(gè)相同的物體，點(diǎn)擊確定，等待單片機(jī)記錄下此時(shí)的重量，之后再點(diǎn)擊“下移”按鍵，在傳感器上放入30個(gè)同樣的物體，點(diǎn)擊確定，記錄下此時(shí)的重量，到此物料標(biāo)定完成。

完成物料標(biāo)定之后，就可以稱重和計(jì)數(shù)了。在功能選擇界面，通過(guò)操作按鍵進(jìn)入稱重模式，此時(shí)在傳感器上放入數(shù)量不明的若干個(gè)物料，界面會(huì)顯示這些物體的總重量。此外，在功能選擇界面，進(jìn)入計(jì)數(shù)模式，此時(shí)界面上可以顯示通過(guò)單片機(jī)計(jì)算后的當(dāng)前傳感器上所放的物料個(gè)數(shù)信息。

5 電路的制作與測(cè)試

電子秤的誤差來(lái)源有很多，比如說(shuō)零漂誤差、偏載誤差等等，本設(shè)計(jì)通過(guò)稱重1g左右的螺絲來(lái)評(píng)估電子秤的精準(zhǔn)度。從下面的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看到，螺絲的個(gè)數(shù)越多，得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就越精確，最低的誤差可以達(dá)到3%左右，如果選用更高位數(shù)的外置AD模塊，顯然可以達(dá)到更高的精度。

6 總結(jié)

設(shè)計(jì)了一款以STM32F103為主控的電子秤，分別分析了電子秤硬件電路的設(shè)計(jì)和稱重傳感器的工作原理，再設(shè)計(jì)了軟件功能，最后通過(guò)實(shí)際測(cè)試，在沒(méi)有加入高精度外置AD的情況下，精度可以小于3%，基本實(shí)現(xiàn)功能。但是本設(shè)計(jì)還具有較大的改進(jìn)空間，比如可以外置AD模塊提高精度，還可以設(shè)置微調(diào)按鍵彌補(bǔ)傳感器長(zhǎng)期使用后的形變誤差等，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，電子秤的設(shè)計(jì)水平和功能會(huì)不斷提升和豐富。

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