我們一起來DIY一個電子秤吧

時間：2021-02-08 18:05:22

關鍵字：稱重傳感器電子秤 DIY

手機看文章

掃描二維碼
隨時隨地手機看文章

[導讀]稱重傳感器采用電阻應變片橋式電路實現(xiàn)，主要由彈性體和電阻應變片等組成。

實現(xiàn)目標

實現(xiàn)HX711模塊的驅動
實現(xiàn)電子秤的校準
準確輸出待測物品的重量

所需工具及環(huán)境

Keil 5
STM32F103RET6核心板（本平臺自制專用核心板，隨便找一個開發(fā)板亦可）
電子秤模塊

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。

后臺回復關鍵字“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變片橋式電路實現(xiàn)，主要由彈性體和電阻應變片等組成。

應用場景：

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。

應變片

電阻應變片把導體形變的物理信號轉換成電阻變化的信號。

稱重傳感器模塊上的膠基（硅橡膠）下面存放的就是應變片。

應變片一般由金屬絲為材料制作的應變電阻，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，進而其電阻值即會發(fā)生改變。

當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)良的機械加工和焊接性能等，康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料。

稱重傳感器模塊上下表面各有一個應變片，每個應變片內(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現(xiàn)自補償（溫度補償）。

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轉換成電壓輸出，然后提供給放大電路放大后進行測量。

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為四個結點，a、c結點之間接入電源，另外兩個結點（b、d）之間電壓差作為輸出電壓。

b、d點的電壓相等時稱為“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，進而全橋能夠實現(xiàn)溫度的自補償。

應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(E-)
綠線(或藍線)接HX711模塊的A+
白線接HX711模塊的A-

稱重原理

當彈性體因承載產(chǎn)生形變時，電阻應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)生相應的差動信號，供后續(xù)電路（本實例是HX711）測量和轉換。

應變片中的電阻絲的電阻相對變化量與材料力學中的軸向應變關系，在很大范圍內(nèi)是線性的。

因為受拉后應變片的阻值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，轉換成一個在0值附近變化的毫伏級的輸出電壓，進而經(jīng)過放大器之后，通過A/D轉換器求得這個輸出電壓。

由上我們可以近似認為應力的變化和電阻的變化量成正比，我們利用這一特性，進而實現(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計的24位A/D轉換器芯片。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、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。

降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。

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動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。

輸入選擇開關可任意選取通道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。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。

芯片特點

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。

與單片機通信

HX711芯片與單片機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。

當數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉換器還未準備好輸出數(shù)據(jù)，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK應為低電平。當DOUT從高電平變低電平后，PD_SCK應輸入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： 芯片上電復位之后，通道A和增益128會被自動選擇作為第一次A/D轉換的輸入通道和增益。

通道A 的可編程增益為128 或64，對應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

（1）測量空載情況下的AD值

void Get_Maopi(void) {    
 Weight_Maopi = HX711_Read();
}

為了驗證方便，我們在硬件上電復位的時候，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準砝碼：

或者拿家里做糕點的電子秤：

或者拿一個已知重量的物品，比如：

因為我們這里需要對咱們自制的電子秤進行驗證，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 \r\n",(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

因為輸出的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與重量轉換

代碼實現(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;
}