基于STM32的高精度瞬时功率电子秤

本文设计了一种以STM32为核心的高精度电子秤，介绍了系统的总体结构框图，着重于称重传感器的工作原理，并完成了电子秤的软件设计。该开关用于控制瞬时电源测量，以降低功耗，提高灵敏度和稳定性，并通过智能，温度补偿和非线性拟合等技术提高测量精度。该电子秤的测量范围为0〜500g，最大绝对误差为0.4g，满量程的最大相对误差为0.08％。 1.引言如今，电子秤的发展趋向于集成，数字化和智能化。但是，电子秤存在诸如精度低，稳定性差和自动化程度低的问题。针对这一系列问题，本文使用STM32微处理器，AD620低漂移仪表放大器，MCP3208高精度AD转换器和低功率液晶显示器来构成电子秤的硬件系统。该测量方法使用瞬时大电流功率测量来改善它的性能。它提高了传感器的灵敏度，降低了功耗，并提高了测量电路的稳定性。 2.总体方案该系统由三个模块组成，如图1所示，传感器和电源控制模块，放大率测量模块，键盘显示模块。传感器和电源控制模块：应变仪将其承受的重量转换为电阻的变化，并在电流的激励下将电阻转换为电压的变化（在STM32的控制下，电流源产生激励电流）对应于ADC的测量时间）。放大和测量模块：将传感器输出的信号放大到适合ADC的输入信号范围。 ADC进行模数转换。重量计算由STM32软件完成。键盘显示模块：完成操作模式的控制和信息。输入和数据显示。通讯接口完成了电子秤与其他设备（上位机操作平台或测量控制网络）之间的数据交换。 2.1称重传感器的设计称重传感器由一个全桥电路组成，如图2所示。R 1，R2，Gen和R4是测量应变仪电阻，R5，R和R7是零补偿电阻，和专用限流电阻。 ，Bd是测量信号输出节点。电阻应变仪Min，R2，Gen和R4由于温度变化而具有相同的电阻变化，因此它们可以相互补偿温度，即，可以使用全桥特性来解决温度漂移问题。在电源提供的电压和电流相等的条件下，占空比越小，平均功率越小，即降低了功耗，电阻应变仪产生的相应热量也就越少，因此，改善了桥式电路的热稳定性。如果平均功率恒定，则占空比越小，电源电流越大，传感器输出的信号越大，灵敏度和放大系数就越高。后级放大电路将相应减少，从而提高了整个系统的稳定性。在直流电源的情况下，占空比等于1，在开关控制瞬时电源的情况下，占空比取决于AD转换器的时间。假设AD转换时间为5ms，周期为1s，则占空比为2％，因此本设计使用开关来控制瞬时功率测量。在不考虑R5，R6和R7的影响的情况下，差模输出电压：但是，在实际应用中，由于相同类型的电阻应变计的电阻值会略有偏差，这会影响电桥平衡，因此-需要调整平衡电路。在电路中增加电位器R6，电阻器R5和R7（R5 = R7），R5和R7的大小决定了输出电压的调整范围，当电阻应变仪不变形时，修整电位器^以形成全桥区别电路的模式输出电压为零，解决了平衡不平衡的问题。 2.2仪表放大器电路的设计该电路的主要功能是在差分模式下放大全桥输出的电压信号。该电路与后级AD采集结果的优缺点有关。它必须具有低的温度漂移，高精度和高稳定性。本设计使用高精度仪表放大器芯片AD620，因为它具有50uV的低输入失调电压和低输入失调。 0.6uV /°C的漂移可以满足该设计要求。根据测量数据，在直流电源的条件下，称重500g时，称重传感器输出6mV电压，AD转换器使用3.3V电源，最大输入信号设置为3.2V，即Au = 320.006 = 533的较大倍数，如果采用瞬时电源，则电流增加10倍，放大倍数仅需53倍，而AD620芯片的最大放大倍数可达到10,000，满足设计要求。根据传递函数A？ = 1 + 49_4] c__K，（Au是仪表放大器电路的放大倍数），可以知道放大倍数为53，因此可以设置Rg = 950Q。管理。由于当前使用的ADC芯片的分辨率为8位，12位，16位和24位，因此根据以下公式：最小除法值B = 500 /（2An-l），其中n为数字ADC芯片分辨率的位数。当n = 8时，该系统的绝对误差应小于0.5g。 L.96，哪个不满足设计要求，并且当n = 12时，B？ L.22满足设计要求，并且成本较低，该设计使用具有片上采样和保持电路的12位逐次逼近模数转换器MCP3208。该电路如图4所示。MCP1541向模数转换芯片MCP3208输出准确的基准电压。它由运算放大器OP07组成。二阶低通滤波器对前置信号进行滤波，然后将其提交给MCP3208进行模数转换。 3.软件分析与控制系统基于STM32的开发环境，软件设计采用C编程语言实现。图4是电子秤主程序的流程图。首先，输入初始化子例程，然后处理收集的数据以计算权重。扫描并按下功能键后，进入功能键子程序以执行相应的功能。当需要去皮时，按按钮自动保存去皮值。当不需要皮重时，将皮重设置为“ 0”，计算皮重，最后将处理结果显示在LCD屏幕上。电子秤的软件设计主要实现以下功能：重量计算，信息输入，模式控制，去皮处理，数量计算，数字显示，数据输出等。4.数据分析将不同权重的权重设置在0到0之间。在秤盘上取500g并记录测量数据，如表1所示。使用Exeal表绘制曲线，并且整个曲线图中的非线性误差为0至500g。因此，使用分段线性逼近可以进一步减小误差。从表1的图表数据可以看出，该系统的非线性误差小，测量精度高。最大绝对误差为0.4 g，范围为0至500 g。根据公式：满量程的最大相对误差为S =A。/5Q0表明满量程的最大相对误差为0.08％。在该设计中，使用了12位模数转换器。最小除法值B = 500 /（2A12-1）= 0.122。 B的值小于0.4g。实验数据与理论值相符。 5.结论传感器模块使用开关控制瞬时电源测量，通过智能，温度补偿和非线性，解决了电阻应变计发热严重的问题，降低了功耗，提高了灵敏度，还提高了稳定性。拟合这样的技术可进一步减少系统的非线性误差并提高系统的测量精度。测量范围为0到500 g，最大绝对误差为0.4 g，最大相对误差为。l比例为0.08％。具有精度高，能耗低，稳定性好，自动化程度高的特点。它具有很大的实用性，给用户带来了极大的方便，并具有良好的业务前景。