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    LD、我们一起来DIY一个电子秤吧

    时间:2021-05-10


    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;
    }

    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

    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?)



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