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我们一起来DIY一个电子秤吧
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我们一起来DIY一个电子秤吧
HX711
电子秤
STM32
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发布时间: 2021-02-01
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阅读: 1726
![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104047618.jpg) ### 实现目标 * 实现HX711模块的驱动 * 实现电子秤的校准 * 准确输出待测物品的重量 ### 所需工具及环境 * Keil 5 * STM32F103RET6核心板(本平台自制专用核心板,随便找一个开发板亦可) * 电子秤模块 ### 本文源码 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104104798.png) **注意**: HX711 AD模块的DOUT引脚与STM32的PA6相连; HX711 AD模块的PD_SCK引脚与STM32的PA7相连。 公众号后台回复关键字“**HX711**”,获取**HX711**模块资料及工程源码。 ### 电子秤模块 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104116293.png) 上图所示的即为**压力称重传感器**,其输出电压信号,压力越大输出电压信号越大 。 称重传感器采用电阻应变片桥式电路实现,主要由弹性体和电阻应变片等组成。 **应用场景**: * 价格计算秤 * 计数秤 * 称重秤 * 零售秤 称重传感器模块有**灵敏度**和**激励电压**两个重要参数,比如两个参数的值可能为如下值: **灵敏度**: 1.0mV/V **激励电压**: 3~12V **满量程输出电压 = 激励电压 \* 灵敏度** 比如激励电压是5V,则输出最大电压是5mV。 ### 应变片 电阻应变片把导体形变的物理信号转换成电阻变化的信号。 称重传感器模块上的胶基(硅橡胶)下面存放的就是应变片。 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104130585.png) 应变片一般由金属丝为材料制作的应变电阻,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,进而其电阻值即会发生改变。 当金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。 当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。 金属应变片对电阻丝材料有较高的要求,一般要求灵敏度系数大,电阻温系数小,具有优良的机械加工和焊接性能等,康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。 称重传感器模块上下表面各有一个应变片,每个应变片内有2个压力电阻。一共为4个压力电阻,组成全桥式电路。全桥电路可以提高所测的精度,而且电桥本身也能实现自补偿(温度补偿)。 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104141608.png) ### 桥式传感器 电桥电路的被测量者的状态量一般是非常微弱的,比如在称重传感器中,就是把电阻片的电阻变化率ΔR/R转换成电压输出,然后提供给放大电路放大后进行测量。 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104155485.png) 上图中的电桥电路,由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的“桥臂”。 a、b、c、d为四个结点,a、c结点之间接入电源,另外两个结点(b、d)之间电压差作为输出电压。 b、d点的电压相等时称为“**电桥平衡**”;反之,称为“**电桥不平衡**”。 **电桥平衡的条件**:上下两个桥臂的左右桥臂电阻的比例相等。 若桥路的四个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同,桥路输出电压为0。 若相邻电阻的电阻值变化趋势相反,桥路就会有电压输出。 全桥的四个桥臂都为应变片的话,由于温度变化而引起的电阻值漂移数值一致,就可以相互抵消,进而全桥能够实现温度的自补偿。 应用桥式电路可以有效提高传感器的灵敏度。 ### HX711 AD模块原理图 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104208970.png) 该方案使用内部时钟振荡器(XI=0),10Hz的输出数据速率(RATE=0,可配置为80Hz)。 电源(2.7~5.5V)直接取用与MCU芯片相同的供电电源。片内稳压电源电路通过片外PNP管S8550和分压电阻R12、R13向传感器和A/D转换器提供稳定的低噪声模拟电源。 通道A、B模拟差分输入; 通道A模拟差分输入可直接与桥式传感器的差分输出相接。 由于桥式传感器输出的信号较小,为了充分利用A/D转换器的输入动态范围,该通道的可编程增益较大,为128或64。这些增益所对应的满量程差分输入电压分别±20mV或±40mV。 通道B为固定的32增益,所对应的满量程差分输入电压为±80mV。 ### 安装方法 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104222772.png) ### 连线 HX711 AD模块可以将电压转换为数字信号,HX711 AD模块与称重传感器接线方式: * 红线接HX711模块的激励电压正(E+) * 黑线接HX711模块的激励电压负(E-) * 绿线(或蓝线)接HX711模块的A+ * 白线接HX711模块的A- ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104234200.png) ### 称重原理 当弹性体因承载产生形变时,电阻应变片受到拉伸或压缩而产生变形,它的阻值将发生变化(增大或减小),从而使电桥失去平衡,从而产生相应的差动信号,供后续电路(本实例是HX711)测量和转换。 应变片中的电阻丝的电阻相对变化量与材料力学中的轴向应变关系,在很大范围内是**线性**的。 因为受拉后应变片的阻值R的变化量很小,为了方便测量这一微小的变化量,所以采用全桥式电路可以把被测量的本底去掉,转换成一个在0值附近变化的毫伏级的输出电压,进而经过放大器之后,通过A/D转换器求得这个输出电压。 由上我们可以近似认为应力的变化和电阻的变化量成正比,我们利用这一特性,进而实现物品重量的测量。 下面我们介绍一下测量这个电压的A/D模块:**HX711**。 ### HX711简介 HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比,该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路,具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。 降低了电子秤的整机成本,提高了整机的性能和可靠性。 该芯片与后端MCU 芯片的接口和编程非常简单,所有控制信号由管脚驱动,无需对芯片内部的寄存器编程。 输入选择开关可任意选取通道A 或通道B,与其内部的低噪声可编程放大器相连。 通道A 的可编程增益为128 或64,对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B 则为固定的32 增益,常用于系统参数检测。 芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源,系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 ### 芯片特点 * 两路可选择差分输入; * 片内低噪声可编程放大器,可选增益为64 和128; * 可选择10Hz 或80Hz 的输出数据速率; * 工作电压范围:2.6 ~ 5.5V; * 工作温度范围:-20 ~ +85℃; * 16 管脚的SOP-16 封装; * 校准后称重精度: 1g ### HX711内部框图 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021012910424928.png) ### HX711引脚定义 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104258676.png) 建议使用通道A与传感器相连,作为小信号输入通道; 通道B用于系统参数检测,如电池电压检测。 ### 与单片机通信 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104310294.png) HX711芯片与单片机的通讯只需要两个引脚,时钟引脚**PD_SCK**及数据引脚**DOUT**,用来输出数据,选择输入通道和增益。 当数据输出管脚DOUT为高电平时,表明A/D转换器还未准备好输出数据,此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当DOUT从高电平变低电平后,PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。 其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位(MSB),直至第24个时钟脉冲完成,24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。 第25至27个时钟脉冲用来决定下一次A/D转换的输入通道和增益。 如下图所示,脉冲数为25个时,代表输入通道为A,增益为128倍。 ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104322882.png) **注意:** 芯片上电复位之后,通道A和增益128会被自动选择作为第一次A/D转换的输入通道和增益。 通道A 的可编程增益为128 或64,对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。 ### 计算输出电压 对于单片机来说,只需要通过两个普通的IO口与HX711的PD_SCK、DOUT引脚相连,并根据以上时序进行编程,即可完成对HX711芯片的控制,控制程序如下。 ### AD值获取 ```C long HX711_Read(void) //增益128 { long val = 0; //val为读取到的值,通过移位,一位一位读取; unsigned char i = 0; HX711_IN = 1; delay_us(1); HX711_SCK=0; //SCK=0 val = 0; //判断模块是否准备好 while(HX711_IN); for(i=0;i<24;i++) { HX711_SCK=1; val=val<<1; delay_us(1); HX711_SCK=0; if(HX711_IN) val++; delay_us(1); } HX711_SCK=1; val = val^0x800000; delay_us(1); HX711_SCK=0; delay_us(1); return val; } ``` ### 测量校准 #### (1)测量空载情况下的AD值 ```C void Get_Maopi(void) { Weight_Maopi = HX711_Read(); } ``` 为了验证方便,我们在硬件上电复位的时候,获取毛重的值,即在main函数中的while(1)循环前面调用上面的函数获取毛重值,然后将此A/D值保存至全局变量**Weight_Maopi**中。 #### (2)测量一个已知重量物品的AD值 已知重量的物品可以选择标准砝码: ![](https://img-blog.csdnimg.cn/2021012910433972.png) 或者拿家里做糕点的电子秤: ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104349772.png) 或者拿一个已知重量的物品,比如: ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104404407.png) 因为我们这里需要对咱们自制的电子秤进行验证,所以我们选用电子秤来测量物品重量。 #### (3)获取比例系数 通过printf函数打印出上面变量的值: ```C printf("Weight=%d,Weight_Shiwu=%ld ,Maopi=%ld,(Weight-Maopi)=%ld \r\n",(int)Weight,Weight_Shiwu,Weight_Maopi,(Weight_Shiwu-Weight_Maopi)); ``` ![](https://img-blog.csdnimg.cn/20210129104427667.png) | **物品** | **重量** | **AD值** | | :---: | :---: | :---: | | 空载 | 0g | 8512030 | | 充电宝 | 221g | 8600300 | 因为输出的A/D编码值和输出电压是成正比的,而输出电压和重量成正比,利用上面的两个值,求得AD值和重量的线性方程的K。 K = (8600300-8512030) / 221 = 88270/221 = 399.41 ### AD与重量转换 ##### 代码实现 ```C float Get_Weight(void) { float fWeight = 0.0; Weight_Shiwu = HX711_Read(); fWeight = Weight_Shiwu-Weight_Maopi; if(fWeight <= 0) fWeight = 0; fWeight = ((float)fWeight/dK); return fWeight; } ``` 代码中的**dK**即为上面求得线性方程的K,其中**Weight_Shiwu**为当前电子秤上物品的A/D值,**Weight_Maopi**为空载不放物品的时候的A/D值。两个A/D值的差值与K的商即为待测物品的重量。 **Get_Weight()** 函数的返回值即为求得的真实重量,单位g。 ### 结果展示 [电子秤校准方法](https://www.bilibili.com/video/BV1uz4y1D7Lh/ "电子秤校准方法") ### 扩展 此外,程序可以增加的功能还有: 1. LCD显示 2. 矩阵键盘输入及语音播报功能 3. 标准砝码校准功能(如500g),其实就是修正系数的自我修正功能 4. 去皮功能 5. 金钱累加功能 6. 计算金额等等功能 ### 思考 今天主要介绍一下称重传感器模块的使用,下面内容大家可以思考一下。 * 全桥电路的优点? * HX711芯片输出的数据编码与电压的转换? * HX711测量精度的优化? * 称重传感器模块的其他应用电路? * 提高称重的精度?(分段求取比例系数?) 模块虽小,内容倒很多,哪里有理解不到位的地方,欢迎留言区指出,以免误导大家。 ### 欢迎关注 一个专注于嵌入式知识分享,学习路上不迷路的公众号。 欢迎关注【嵌入式从0到1】。 还有技术交流群等你加入。
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