我们一起来DIY一个电子秤吧

时间：2021-02-08 18:05:22

关键字：称重传感器电子秤 DIY

[导读]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。

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

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。

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

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。

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）。

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。

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

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

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-

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

HX711引脚定义

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

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。

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

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

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：

或者拿家里做糕点的电子秤：

或者拿一个已知重量的物品，比如：

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：

printf("Weight=%d,Weight_Shiwu=%ld ,Maopi=%ld,(Weight-Maopi)=%ld \r\n",(int)Weight,Weight_Shiwu,Weight_Maopi,(Weight_Shiwu-Weight_Maopi));

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

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;
}