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實(shí)現(xiàn)目標(biāo)
- 實(shí)現(xiàn) HX711 模塊的驅(qū)動實(shí)現(xiàn)電子秤的校準(zhǔn)準(zhǔn)確輸出待測物品的重量
所需工具及環(huán)境
本文源碼
注意：
HX711 AD 模塊的 DOUT 引腳與 STM32 的 PA6 相連；
HX711 AD 模塊的 PD_SCK 引腳與 STM32 的 PA7 相連。
后臺回復(fù)關(guān)鍵字“HX711”，獲取HX711模塊資料及工程源碼。
電子秤模塊
上圖所示的即為壓力稱重傳感器，其輸出電壓信號，壓力越大輸出電壓信號越大 。
稱重傳感器采用電阻應(yīng)變片橋式電路實(shí)現(xiàn)，主要由彈性體和電阻應(yīng)變片等組成。
應(yīng)用場景：
- 價格計算秤計數(shù)秤稱重秤零售秤
稱重傳感器模塊有靈敏度和激勵電壓兩個重要參數(shù)，比如兩個參數(shù)的值可能為如下值：
靈敏度：1.0mV/V
激勵電壓：3~12V
滿量程輸出電壓 = 激勵電壓 * 靈敏度
比如激勵電壓是 5V，則輸出最大電壓是 5mV。
應(yīng)變片
電阻應(yīng)變片把導(dǎo)體形變的物理信號轉(zhuǎn)換成電阻變化的信號。
稱重傳感器模塊上的膠基（硅橡膠）下面存放的就是應(yīng)變片。
應(yīng)變片一般由金屬絲為材料制作的應(yīng)變電阻，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，進(jìn)而其電阻值即會發(fā)生改變。
當(dāng)金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。
當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。
金屬應(yīng)變片對電阻絲材料有較高的要求，一般要求靈敏度系數(shù)大，電阻溫系數(shù)小，具有優(yōu)良的機(jī)械加工和焊接性能等，康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。
稱重傳感器模塊上下表面各有一個應(yīng)變片，每個應(yīng)變片內(nèi)有 2 個壓力電阻。一共為 4 個壓力電阻，組成全橋式電路。全橋電路可以提高所測的精度，而且電橋本身也能實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償（溫度補(bǔ)償）。
橋式傳感器
電橋電路的被測量者的狀態(tài)量一般是非常微弱的，比如在稱重傳感器中，就是把電阻片的電阻變化率ΔR/R 轉(zhuǎn)換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進(jìn)行測量。
上圖中的電橋電路，由四個電阻 R1、R2、R3、R4 組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。
a、b、c、d 為四個結(jié)點(diǎn)，a、c 結(jié)點(diǎn)之間接入電源，另外兩個結(jié)點(diǎn)（b、d）之間電壓差作為輸出電壓。
b、d 點(diǎn)的電壓相等時稱為“電橋平衡”；反之，稱為“電橋不平衡”。
電橋平衡的條件：上下兩個橋臂的左右橋臂電阻的比例相等。
若橋路的四個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相同，橋路輸出電壓為 0。
若相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路就會有電壓輸出。
全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片的話，由于溫度變化而引起的電阻值漂移數(shù)值一致，就可以相互抵消，進(jìn)而全橋能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的自補(bǔ)償。
應(yīng)用橋式電路可以有效提高傳感器的靈敏度。
HX711 AD 模塊原理圖
該方案使用內(nèi)部時鐘振蕩器(XI=0)，10Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率(RATE=0，可配置為 80Hz)。
電源（2.7～5.5V)直接取用與 MCU 芯片相同的供電電源。片內(nèi)穩(wěn)壓電源電路通過片外 PNP 管 S8550 和分壓電阻 R12、R13 向傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的低噪聲模擬電源。
通道 A 模擬差分輸入可直接與橋式傳感器的差分輸出相接。
由于橋式傳感器輸出的信號較小，為了充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入動態(tài)范圍，該通道的可編程增益較大，為 128 或 64。這些增益所對應(yīng)的滿量程差分輸入電壓分別±20mV 或±40mV。
通道 B 為固定的 32 增益，所對應(yīng)的滿量程差分輸入電壓為±80mV。
安裝方法
連線
HX711 AD 模塊可以將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，HX711 AD 模塊與稱重傳感器接線方式:
- 紅線接 HX711 模塊的激勵電壓正(E+)黑線接 HX711 模塊的激勵電壓負(fù)(E-)綠線(或藍(lán)線)接 HX711 模塊的 A+白線接 HX711 模塊的 A-
稱重原理
當(dāng)彈性體因承載產(chǎn)生形變時，電阻應(yīng)變片受到拉伸或壓縮而產(chǎn)生變形，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，從而使電橋失去平衡，從而產(chǎn)生相應(yīng)的差動信號，供后續(xù)電路（本實(shí)例是 HX711）測量和轉(zhuǎn)換。
應(yīng)變片中的電阻絲的電阻相對變化量與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變關(guān)系，在很大范圍內(nèi)是線性的。
因?yàn)槭芾髴?yīng)變片的阻值 R 的變化量很小，為了方便測量這一微小的變化量，所以采用全橋式電路可以把被測量的本底去掉，轉(zhuǎn)換成一個在 0 值附近變化的毫伏級的輸出電壓，進(jìn)而經(jīng)過放大器之后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器求得這個輸出電壓。
由上我們可以近似認(rèn)為應(yīng)力的變化和電阻的變化量成正比，我們利用這一特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物品重量的測量。
下面我們介紹一下測量這個電壓的 A/D 模塊：HX711。
HX711 簡介
HX711 是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。
該芯片與后端 MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。
輸入選擇開關(guān)可任意選取通道 A 或通道 B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。
通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV 或±40mV。通道 B 則為固定的 32 增益，常用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。
芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的 A/D 轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時鐘振蕩器不需要任何外接器件。上電自動復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。
芯片特點(diǎn)
- 兩路可選擇差分輸入；片內(nèi)低噪聲可編程放大器，可選增益為 64 和 128；可選擇 10Hz 或 80Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率；工作電壓范圍:2.6 ~ 5.5V；工作溫度范圍:-20 ~ +85℃；16 管腳的 SOP-16 封裝；校準(zhǔn)后稱重精度：1g
HX711 內(nèi)部框圖
HX711 引腳定義
建議使用通道 A 與傳感器相連，作為小信號輸入通道；
通道 B 用于系統(tǒng)參數(shù)檢測，如電池電壓檢測。
與單片機(jī)通信
HX711 芯片與單片機(jī)的通訊只需要兩個引腳，時鐘引腳PD_SCK及數(shù)據(jù)引腳DOUT，用來輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。
當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳 DOUT 為高電平時，表明 A/D 轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口時鐘輸入信號 PD_SCK 應(yīng)為低電平。當(dāng) DOUT 從高電平變低電平后，PD_SCK 應(yīng)輸入 25 至 27 個不等的時鐘脈沖。
其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出 24 位數(shù)據(jù)的最高位（MSB），直至第 24 個時鐘脈沖完成，24 位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。
第 25 至 27 個時鐘脈沖用來決定下一次 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。
如下圖所示，脈沖數(shù)為 25 個時，代表輸入通道為 A，增益為 128 倍。
注意： 芯片上電復(fù)位之后，通道 A 和增益 128 會被自動選擇作為第一次 A/D 轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。
通道 A 的可編程增益為 128 或 64，對應(yīng)的滿額度差分輸入信號幅值分別為±20mV 或±40mV。
計算輸出電壓
對于單片機(jī)來說，只需要通過兩個普通的 IO 口與 HX711 的 PD_SCK、DOUT 引腳相連，并根據(jù)以上時序進(jìn)行編程，即可完成對 HX711 芯片的控制，控制程序如下。
AD 值獲取
long HX711_Read(void) // 增益 128
{
long val = 0; //val 為讀取到的值，通過移位，一位一位讀?。?
unsigned char i = 0;
HX711_IN = 1;
delay_us(1);
HX711_SCK=0; //SCK=0
val = 0;
// 判斷模塊是否準(zhǔn)備好
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;
}
測量校準(zhǔn)
（1）測量空載情況下的 AD 值
void Get_Maopi(void)
{
Weight_Maopi = HX711_Read();
}
為了驗(yàn)證方便，我們在硬件上電復(fù)位的時候，獲取毛重的值，即在 main 函數(shù)中的 while(1)循環(huán)前面調(diào)用上面的函數(shù)獲取毛重值，然后將此 A/D 值保存至全局變量Weight_Maopi中。
（2）測量一個已知重量物品的 AD 值
已知重量的物品可以選擇標(biāo)準(zhǔn)砝碼：
或者拿家里做糕點(diǎn)的電子秤：
或者拿一個已知重量的物品，比如：
因?yàn)槲覀冞@里需要對咱們自制的電子秤進(jìn)行驗(yàn)證，所以我們選用電子秤來測量物品重量。
（3）獲取比例系數(shù)
通過 printf 函數(shù)打印出上面變量的值：
printf("Weight=%d,Weight_Shiwu=%ld ,Maopi=%ld,(Weight-Maopi)=%ld rn",(int)Weight,Weight_Shiwu,Weight_Maopi,(Weight_Shiwu-Weight_Maopi));
| 物品 | 重量 | AD 值 |
|---|---|---|
| 空載 | 0g | 8512030 |
| 充電寶 | 221g | 8600300 |
因?yàn)檩敵龅?A/D 編碼值和輸出電壓是成正比的，而輸出電壓和重量成正比，利用上面的兩個值，求得 AD 值和重量的線性方程的 K。
K = (8600300-8512030) / 221 = 88270/221 = 399.41
AD 與重量轉(zhuǎn)換
代碼實(shí)現(xiàn)
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;
}
代碼中的dK即為上面求得線性方程的 K，其中Weight_Shiwu為當(dāng)前電子秤上物品的 A/D 值，Weight_Maopi為空載不放物品的時候的 A/D 值。兩個 A/D 值的差值與 K 的商即為待測物品的重量。
Get_Weight() 函數(shù)的返回值即為求得的真實(shí)重量，單位 g。
結(jié)果展示
擴(kuò)展
此外，程序可以增加的功能還有：
- LCD 顯示矩陣鍵盤輸入及語音播報功能標(biāo)準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)功能（如 500g），其實(shí)就是修正系數(shù)的自我修正功能去皮功能金錢累加功能計算金額等等功能
思考
今天主要介紹一下稱重傳感器模塊的使用，下面內(nèi)容大家可以思考一下。
- 全橋電路的優(yōu)點(diǎn)？HX711 芯片輸出的數(shù)據(jù)編碼與電壓的轉(zhuǎn)換？HX711 測量精度的優(yōu)化？稱重傳感器模塊的其他應(yīng)用電路？提高稱重的精度？（分段求取比例系數(shù)？）
模塊雖小，內(nèi)容倒很多，哪里有理解不到位的地方，歡迎留言區(qū)指出，以免誤導(dǎo)大家。
