Digital display electronic scale signal processing module

题目要求
数显电子秤是日常生活中常见的计量器具，也是实验室内的常备工具。在通常情况下，使用传统的方法标定电子秤是一项费时费力的工作，同时应变式电子秤使用过程中应变梁的形变相当小，导致桥路输出电压差值也相当小，可达到uV数量级，更是增加了测量的难度。为了了解实际工程应用中电子秤开发的难点和解决方案，动手制作数显电子秤。
本次课程设计主要基于应变式传感器全桥测量方法设计数字电子秤，系统主要由电桥激励源、精密运放差分放大模块、单片机和A/D采样系统、OLED显示模块所组成。应变片构成全桥电路恒压源激励电桥产生电压差。电桥两端电压差值通过二阶精密运放差分放大器放大300倍，AD转换模块采集放大后的模拟电压信号，转换成数字信号输入单片机，单片机处理计算后得出待测电阻阻值并显示在OLED屏幕上。同时，电源模块将外接的AC220V电源经变压器转换输出，后接整流稳压滤波电路提供恒压源模块、运放模块以及单片机所需的电源电压。
最终经测试，本次设计的直流低电阻测试仪量程为0~5kg，绝对误差1g以内，分辨率为0.1g。
元件选型
主控芯片采用STM32F103C8T6。STM32F103微控制器采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72 MHz。该产品系列具有16KB ~ 1MB Flash、多种控制外设、USB全速接口和CAN。价格适中，能够便利的搭配各种模块。
LM358：3V至36V的宽电源电压范围，静态电流300µA，，单位增益带宽1.2MHz，共模输入电压范围包括接地，支持近地直接感测，25°C时的最大输入失调电压为3mV。
LM358B是行业标准运算放大器LM358的下一代版本，其中包括两个高压(36V)运算放大器。这些器件为成本敏感型应用提供了卓越的价值，其特性包括低偏移（300µV，典型值）、对地共模输入范围和高差分输入电压能力。LM358B运算放大器利用单位增益稳定性、更低的失调电压（最大值为3mV）和更低的静态电流（每个放大器为300µA，典型值）等增强型特性简化了电路设计。高ESD（2kV，HBM）和集成EMI以及射频滤波器可支持将LM358B器件用于更严苛、更具环境挑战性的应用。
OPA333：CMOS型OPAx333系列运算放大器使用专有自动校准技术，以提供极低的失调电压（10μV，最大值），同时随时间推移和温度变化实现接近于零的漂移。这些高精度、低静态电流微型放大器可提供高阻抗输入（共模范围超出电源轨电压100mV）和轨至轨输出（摆幅低于电源轨电压50mV以内）。可以使用低至1.8V (±0.9V)和高达5.5V(±2.75V)的单电源或双电源。这些器件针对低电压、单电源运行进行了优化。
最终选择LM358搭建电源电路，OPA333搭建桥式放大器和同相放大器。
图1 总体设计方案框图
原理图设计说明
信号处理电路
信号处理电路由差分放大器、同相放大器等部分组成。
图2 信号处理模块电路图
首先通过差分放大电路，在计算电桥的桥差的同时对微小信号进行放大，为保证计算结果尽可能准确，采用精密运放OPA333.考虑到电桥输出电阻并不固定，所以引入电阻尽可能消除输出电阻误差的影响，放大到合适的值。标准差分放大电路的传递函数为： 
经过差分放大电路的电压信号还没有完全占满量程，所以增设一个同相放大器继续放大电压信号。
图3 同相放大器
同相放大器只需要两个电阻和运放即可搭建，不需要设计平衡电阻，便于使用继电器切换反馈电阻以调节放大倍数。由于没有平衡电阻，一般同相放大器放大倍数不大于10倍[8-9]，对于一个同相放大器，放大倍数为：
 
信号处理电路的总放大倍数：
β = (R2/(R1+350))(IN2-IN1)*（-R7/R6）≈300
关于电桥输出阻抗变化的影响，可以一定程度上忽略
电源处理电路
由于零漂移高精度运放OPA333供电范围为±0.9~±2.75V，需要单独设计供电。采用LM358工业标准运算放大器搭建跟随器提供±2.5V电源，电路如图3-3所示。分压电路确定了电压基准，且LM358运放输出电流满足OPA333正常工作条件，故作为电源使用。
图4 电源管理模块电路图（±2.5V）
AD采样电路
16位ADS1115模块，淘宝链接 【淘宝】https://m.tb.cn/h.50Q0SnY?tk=KgUadHBeFxM CZ0001 「ADS1115 小型16位 4通道精密模数转换器 ADC 开发板模块 转换模块」
PCB设计说明
PCB走线的注意事项不多，根据需要正常走线即可
软件说明
软件AD采样后需要根据采样值对测试重量进行计算，计算公式如下
公式中，
G代表重量，Au代表放大倍数，为300倍，
 
实物展示说明
图5 实物成品图
注意事项