為了提高電子秤的抗干擾性和數(shù)據(jù)的準確性，介紹基于均值滑動濾波算法和STM32 電子秤的設計。選用電阻應變片構成的惠斯通電橋傳感器采集重物信號，24 位 HX711 A/D 模塊完成電信號的放大和轉(zhuǎn)換，在 STM32 內(nèi)實現(xiàn)軟件濾波，采用滑動均值濾波算法，減小誤差，提高數(shù)據(jù)的準確度。通過軟硬件結合的方法進行校正。矩陣鍵盤輸入控制指令實現(xiàn)設置單價、計算物品金額并實現(xiàn)金額累加和去皮等功能。實驗測試表明，該電子秤測量范圍是0～500 g，誤差不超過±1 g，稱重反應靈敏，5 s 左右讀數(shù)穩(wěn)定。

電子秤是一種通過作用在物體上的重力來測定該物體質(zhì)量的一種計量儀器。因其操作簡單、稱量準確、體積小、稱量速度快、讀數(shù)方便，被廣泛應用于商業(yè)貿(mào)易、醫(yī)院、學校、企業(yè)等部門。而懸臂式電子秤是一種鐵質(zhì)懸臂梁固定在支架上，懸臂梁上粘貼電阻應變片作為稱重傳感器進行感應相應重量變化的電子秤。提出一種在懸臂梁上粘貼電阻應變片構成惠斯通電橋作為稱重傳感器采集數(shù)據(jù)，HX711 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器，STM32為主控器的電子秤，采用滑動均值濾波算法[4]，減小各種干擾和提高數(shù)據(jù)的準確性。

1.系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)以 STM32 為控制核心，采用電阻應變片和精密電阻構成惠斯通電橋電路作為稱重傳感器，通過電子秤專用的 HX711 A/D 芯片轉(zhuǎn)換成電信號并進行放大處理，處理后的數(shù)據(jù)送到 STM32 中進行處理，從數(shù)據(jù)中總結出，重量與電壓或者電阻的關系。通過它們之間的關系可以根據(jù)電壓變化得出相應的重量。TFT 液晶屏用于顯示各種參數(shù)，用矩陣鍵盤通過 STM32 主控系統(tǒng)設置的指令執(zhí)行相應的命令。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

1.1 電子秤的工作原理

設計選用電阻應變片粘貼在懸臂梁上作為稱重傳感器來進行重量信號的變換，把重量變換成電信號。當有重物放置到秤盤上時，懸臂梁發(fā)生彎曲，彎曲程度與放置物重量有對應關系。粘貼在上面的電阻應變片感應到相應的信號，輸出微弱的電壓信號。HX711 對這個電壓信號進行放大和 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送給 STM32 控制核心進行處理，先對數(shù)字信號進行數(shù)字濾波等處理，在TFT 液晶屏上顯示出來。電子秤的結構圖如圖2 所示。

1.2稱重傳感器

將電阻應變片貼在鐵質(zhì)懸臂梁適當?shù)奈恢蒙希顾锩娴慕饘俨碾S著尺子的彎曲一起伸縮，這樣電阻應變片的電阻就會隨著應變片的伸縮按一定的規(guī)律變化。應變片就是應用這個原理，通過測量電阻的變化而對應變進行測定。其電阻變化率為常數(shù)，與應變成正比例關系，即：

式中：R 為應變片的原電阻值； R 為伸長或壓縮所引起的電阻變化；K 為材料的靈敏系數(shù)；ε 為測點處應變。

電阻的變化率可以通過惠斯通電橋間接測量。先對測量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，然后用公式進行計算。最終得出 R 與 R 的比例系數(shù)。使用惠斯通電橋[3] 電路，將電阻應變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號的變化，具有結構簡單、靈敏度高、測量范圍大、線性度好且易實現(xiàn)溫度補償?shù)忍攸c。

對電橋電路的選擇進行了簡單的實驗后發(fā)現(xiàn)單臂的性能比雙臂和全橋的差，而雙臂和全橋的性能在各方面相差不大，從節(jié)省元件方面出發(fā)，故采用雙臂電橋電路。惠斯通電橋電路如圖3 所示，圖中 R2 和 R3 為電阻應變片，R1 和 R4 為精密電阻阻值均為 1 kΩ，其電阻應變片初始阻值均為1 kΩ。P1 為Uo，BT1 為E，則該電橋輸出電壓為：

由式（3）可知，Uo 與 R3 R3 成線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度 Ku = E2 ，是單臂工作時的兩倍，同時還具有溫度補償作用。

1.3A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇

HX711 是一款電子秤專用的高精度 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。芯片內(nèi)部集成了電源、時鐘振蕩器等其他電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單。工作時是通過簡單的數(shù)字控制和串口通信：所有控制由管腳輸入，芯片內(nèi)寄存器無需編程，輸出數(shù)據(jù)編碼二進制補碼。電路簡單，易于控制和使用。芯片的分辨率高，系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)比較精確。電路如圖4 所示。

2.軟件設計

2.1模塊化子程序的設計

本程序設計使用的是 Keil Software 公司開發(fā)的 MDK5 軟件，使用模塊化思想進行編程，液晶屏顯示、矩陣鍵盤、A/D 模塊、極大極小值滑窗均值濾波子程序、定時器中斷以及字符字模處理顯示等子程序都以模塊的結構方式編寫在不同的C 文件中，函數(shù)與參數(shù)變量使用頭文件進行傳遞，使得程序結構清晰明朗，出現(xiàn)問題易于查找糾正。程序流程圖如圖5 所示。

2.2滑動均值濾波算法

經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號存在著很多干擾的信號，需要把無用的信號濾除掉，采用了極大極小值滑窗均值濾波算法。該算法是由均值滑動算法演變而來。令 u(n) 為稱重傳感器 n 時刻的采樣值，L 為滑窗均值濾波器的窗口長度，則 n 時刻濾波器的輸出值 x(n) 為：

（4）由式（4）可知，滑動均值濾波算法采集 L 個數(shù)據(jù)并分別存入 L 個內(nèi)存單元，完成 L 個稱重數(shù)據(jù)的初次采樣后，

每采樣一次 L 個內(nèi)存單元按順序移出一個最初的數(shù)據(jù)，并移入本次采樣的數(shù)據(jù)，去除本次 L 個數(shù)據(jù)的最大最小值后，求取剩余 L - 2 個數(shù)據(jù)的均值。通過實驗和根據(jù)選用的A/D 轉(zhuǎn)換速率，選取 L = 10 ，這樣，在編程處理A/D模塊輸出的數(shù)據(jù)時，使用了去最值取均值的數(shù)字濾波法，從A/D 模塊讀回的每一個數(shù)據(jù)都要與前9 個數(shù)據(jù)中的最大最小值比較，并將比較后的10 個數(shù)中的最大最小值剔除，對剩余的8 個數(shù)據(jù)求平均，實現(xiàn)對誤差較大的數(shù)據(jù)進行剔除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

3.實驗測試

通過軟硬件結合設計，對該系統(tǒng)進行測試。測試使用標準砝碼，測試結果保留兩位小數(shù)。

 加入標準砝碼，將砝碼的質(zhì)量和相應的A/D 輸出值記錄在表 1，通過表 1 的數(shù)據(jù)找出砝碼質(zhì)量與 A/D 輸出值的關系。根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)做出二維折線圖，如圖6 所示。

由上述對表1 的數(shù)據(jù)計算和它的相應曲線圖（圖6）可以得出，A/D 輸出值與砝碼質(zhì)量的比值逐漸減小，但是變化不大。因此可以根據(jù) K 值和 A/D 輸出值來計算出物品的質(zhì)量。又因為尺子發(fā)生彈性形變后，由于各種原因不能恢復，所以測量值會存在一定的誤差。

加入標準砝碼，記錄砝碼質(zhì)量和實測質(zhì)量，并且計算出它的相對誤差，見表2。

4.結 論

本文研究基于均值滑動濾波算法和 STM32 電子秤的設計與實現(xiàn)，將電阻應變片構成的惠斯通電橋作為稱重傳感器采集重量信號，應用 HX711 完成信號的放大和轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在 STM32 運用均值滑動濾波算法對數(shù)據(jù)進行濾波處理，減小干擾，提高數(shù)據(jù)的準確性。通過實驗測試，該電子秤可以測量 0～500 g 質(zhì)量，測量誤差小，具有一定的應用價值。