基于STM32的計數電子秤設計
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作者:劉泳志
摘要：在分析目前主流的電子秤設計方案的基礎上，以STM32F103為主控，硬件電路采用模塊化設計，輔助以按鍵、OLED屏幕、電橋設計了一款稱重量程為200g以內的多功能計數電子秤，實現稱重、計數功能，適用于螺絲、芯片、三極管等微小電子元器件計量的應用場景。
關鍵詞：STM32；計數；電子秤
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A
文章編號：1009-3044（2022）30-0086-03
開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
1 引言
稱重一直是人們關注的熱點話題之一[1]，隨著科技的進步與發展，越來越多的功能豐富的電子產品已經進入普通人們的生活，像電子秤這種常用工具在市場上也處處可見。目前市場上的電子秤各種各樣，基本上都是應用于重量較大的應用場景的，比如說體重秤、商用電子秤、小型臺秤，對于電子元器件等微小物品且帶有計數功能的電子秤則較為少見。據此，本文設計了一款稱重量程在200克以下的多功能計數電子秤，其采用STM32為主控，利用Altium Designer21軟件設計電子秤的硬件電路[2]，運用Keil軟件設計出電子秤的控制程序[3]，輔助以對比度可調的0.96英寸OLED12864屏幕[4]以及若干個按鍵組成。經測試，此款電子秤能計數、能稱重、界面友好，實用性強。
2 總體設計方案
所設計的電子秤實現可稱重和計數的功能，稱重范圍是0-200g?？傮w設計方案如圖1所示，系統主要由STM32主控、傳感器模塊、信號采集電路模塊、鍵盤單元和OLED屏幕顯示單元一共五個模塊組成。將測量的物體放在傳感器上，在壓力的作用下，電橋的輸出電壓會發生變化，這個時候通過信號采集電路對信號進行放大處理，再通過STM32的12位AD模塊進行模數轉換成數字信號，此后通過按鍵進行功能選擇，在OLED屏幕上顯示物體的重量和個數。
主要技術指標如下：
① 稱重范圍：0-200g。
?、?重量誤差：8%以內。
?、?計數誤差：8%以內。
?、?LCD顯示：傳感器上器件的數量和重量。
?、? 鍵盤：有確認、返回、上移、下移四個按鍵。
3 系統硬件設計
硬件設計中分別采用3.3V的電壓和+5V和-5V的電壓給單片機和各個模塊的集成運放供電。傳感器采用電阻應變片式[5]，單片機的控制模塊以STM32F103最小系統[6]來控制其他各個模塊。確認、上移，下移和返回四個獨立按鍵分別與單片機引腳相連，下面著重介紹傳感器模塊和數據采集電路模塊。
3.1 稱重傳感器
稱重傳感器是一種物體質量轉化為電子電路可測量的電信號的裝置[7]。選擇傳感器首先應先要考慮這個傳感器的使用環境，這點至關重要，因為這關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價方法上，新舊國標有較大的差別，目前主流的有S型，懸臂型、橋式等[9]；此外，傳感器按照其轉換方法又可以分為液壓式、電容式、振動式、電阻應變式，我們選用的是電阻應變式的S型稱重傳感器。
稱重傳感器主要包含電阻應變片、彈性體和檢測電路這三個部分[10]，它能稱重的原因是，在物體的壓力之下，傳感器產生了物理形變，這種形變使得緊貼在其表面的關鍵轉換器件電阻應變片在外力的作用下也產生了形變，電阻應變片伸長時，其橫截面積會縮小，截面圓半徑減少，其電阻變化率和電阻絲伸長之間成比例關系，所以電阻應變片形變之后，其電阻阻值將會發生微小的變化，通過一系列檢測電路把這一微弱的電阻阻值變化轉化為電壓輸出，因為其中的惠斯登橋可以抑制溫度變化的影響和側向力的干擾，從而成功將外力變化轉換為可測量的電信號。
3.2 數據采集電路模塊
通過電阻應變效應之后，稱重傳感器采集的物料壓力的電信號是模擬信號，而且強度較弱，為了能夠精確地測量物料的重量，我們必須通過數據采集電路模塊對傳感器傳輸過來的信號進行放大等其他處理之后才能連接到單片機的AD采集引腳。
首先采用了一個儀用放大器來對傳感器的差分信號進行放大，集成運放采用OP07，采用正負5V供電。儀用放大器電路是一種經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成，其中AR1和AR4篩鱸慫惴糯篤魘且醞相差分輸入方式，這是因為在反饋電阻R23的作用下，運算放大器AR1和AR4存在著電壓串聯負反饋，這樣就使得輸入電阻比集成運放自身的輸入電阻要大，所以同相輸入可以相當幅度地提升電路的輸入阻抗，并且能一定程度地減小對幅度較為微弱的輸入信號的衰減作用；除此之外，差分輸入還具有只對差模信號進行放大的優點，對于共模信號僅僅是跟隨作用，這樣使得送到后面一級信號的共模抑制比得到一定程度的提高。在后一級的差分電路是一個典型的減法運算電路，該電路結構也是對稱的，對共模的抑制能力也比較強。
儀用放大器的放大倍數計算如下：
[Av=-R17R16（1+2R23Rw1）] （1）
兩路差分信號通過儀用放大器的放大后，必須通過一個加法器把電位抬高，使得信號進入STM片內AD的數據采集范圍。如圖2所示，加法器的運放由AR2構成，可以通過調節電位器R13調節放大后信號的電位，確保在200g重量的范圍內，傳感器輸入信號的電位處于AD可采集的范圍，然后再接入單片機的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個通用定時器、1個高級定時器等等。該芯片是STM32F1家族中的中等配置芯片，具有性價比高、可靠性高等優點。最小系統板由復位、時鐘、電源等三部分電路組成、復位的作用是當按下復位按鍵之后，程序的SP指針指向main函數，重新開始運行；時鐘電路由32M的晶振提供基準頻率，可以在寄存器中設置倍頻；電源電路只要是為單片機以及OLED屏幕模塊提供3.3V電源。
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3.4 OLED屏幕模塊
OLED（Organic Light Emitting Display），也就是有機發光顯示器，同時也叫作有機激光顯示，在商業領域中，目前常用的復印機、電話、智能手環都安裝有小尺寸的OLED屏幕，輕薄且色彩濃艷，既美觀又實用；在電子產品領域，在智能手機、數碼相機、曲面顯示屏等級產品上都有它的身影，特別是在VR設備上，由于LCD屏幕觀看VR設備有比較嚴重的拖影現象，又有OLED屏幕是點亮光分子，而普通液晶是采用光液體流動的原理，所以使用OLED屏幕就不會有此缺點；在工業領域，現在我國工業正朝著工業自動化和智能化的方向前進，隨著物聯網的發展，智能硬件也越來越多，這對顯示的屏幕也有著越來越多的要求，OLED屏幕是不二人選，發展空間十分巨大。
OLED屏幕與常見的LCD等屏幕不同，OLED同陰極射線管相比較，OLED有著體積輕薄、功耗較低等優點，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實現了OLED可折疊式軟屏，除此之外OLED還具有抗震性好的優點，有利于在便攜設備商使用；相對于工作電壓低，種類多、能夠大規模生產的LCD屏幕，OLED有著不需要借助屏幕背光的被動顯示方式、響應速度快、易實現全色彩的優勢；除此之外，OLED還具有高亮度、高對比度、大視角、功耗低、制作工藝簡單等優點，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個外接引腳，分別是VCC、GND、SCL和SDL，由于屏幕通信的速率對硬件要求不高，因此STM32單片機采用軟件模擬IIC總線的方式與OLED屏幕通信，VCC接STM32核心板的VCC電源并且與單片機核心板共地。
4 軟件系統設計
硬件搭建完了以后需要進行軟件設計，電子秤的軟件設計分為兩個重要部分，即物料標定和稱重計算。
我們進行計數的算法如下，比如說先放入10個10g的砝碼，在界面上選擇數量為10個，再點擊“確定”按鍵，此時單片機會通過AD引腳讀取經過放大后的信號，計算出當前放在傳感器上的若干個砝碼的重量，而且在單片機中會記錄下此時的重量，之后，我們放入30個10g的砝碼，再次點擊“確定”讀取并記錄下此時的重量。之所以要得到10個和者30個器件的重量，是因為標定的目的取得一次線性函數的系數。標定時有兩次砝碼稱重，設第一次稱重砝碼有x1個，重量為y1；第二次稱重砝碼有x2個，重量一百y2。過兩次稱重可以得到以下兩個等式：
[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k和b的值之后，在測得任意重量值y后，都可以直接計算出物料的個數，如下式：
[x=y-bk] （5）
在單片機上電后，首先執行的是初始化操作，在稱重和計數之前，必須先做物料標定設置。在主界面點擊“確定”按鍵，進入功能選擇界面；在功能選擇界面，再調節“上移”和“下移”按鍵，將光標移到參數設置，點擊“確定”進入參數設置界面；以同樣的操作，選擇“物料標定”，進入物料標定界面。此時，先在傳感器上放入10個相同的物體，點擊確定，等待單片機記錄下此時的重量，之后再點擊“下移”按鍵，在傳感器上放入30個同樣的物體，點擊確定，記錄下此時的重量，到此物料標定完成。
完成物料標定之后，就可以稱重和計數了。在功能選擇界面，通過操作按鍵進入稱重模式，此時在傳感器上放入數量不明的若干個物料，界面會顯示這些物體的總重量。此外，在功能選擇界面，進入計數模式，此時界面上可以顯示通過單片機計算后的當前傳感器上所放的物料個數信息。
5 電路的制作與測試
電子秤的誤差來源有很多，比如說零漂誤差、偏載誤差等等，本設計通過稱重1g左右的螺絲來評估電子秤的精準度。從下面的測試數據可以看到，螺絲的個數越多，得到的計數結果就越精確，最低的誤差可以達到3%左右，如果選用更高位數的外置AD模塊，顯然可以達到更高的精度。
6 總結
設計了一款以STM32F103為主控的電子秤，分別分析了電子秤硬件電路的設計和稱重傳感器的工作原理，再設計了軟件功能，最后通過實際測試，在沒有加入高精度外置AD的情況下，精度可以小于3%，基本實現功能。但是本設計還具有較大的改進空間，比如可以外置AD模塊提高精度，還可以設置微調按鍵彌補傳感器長期使用后的形變誤差等，隨著科技的發展和進步，電子秤的設計水平和功能會不斷提升和豐富。
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【通聯編輯：梁書】
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