1504
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
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 rn",(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：
- LCD 显示矩阵键盘输入及语音播报功能标准砝码校准功能（如 500g），其实就是修正系数的自我修正功能去皮功能金钱累加功能计算金额等等功能
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。
