基于HX711的高精度电子秤的设计

杨桂花 2017-12-21 40865

控制/MCU

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描述

引言

电子秤，是人们日常生活中十分普遍而又必不可少的一种使用工具，主要用来在商品贸易时计量质量，其使用领域广泛，小至商品杂货店，大至工农业、医疗等领域。渗入到人民生活的方方面面，与传统机械秤相比，现代电子秤的发展趋向于小型化、智能化方向，且具有重量轻、成本低、速率快等优点，但仍存在一定的局限性，例如要求具有更高的抗干扰能力和更高的精度等。考虑到电子衡器的性价比、稳定度及精度，设计了一款集传感器技术、电子技术和网络技术于一体的多功能、小功耗、简单易用、速度快的高精度数字化电子秤。

1、基于HX711的高精度电子秤结构与原理

高精度电子秤以STC15W408S单片机作为主控部件，连接各个子模块，子模块主要包括电源模块、信号采集转换模块、LCD显示模块、键盘模块以及报警模块等，其系统原理图如图1所示。

HX711

图1 电子秤系统原理框图

电源模块用来给系统提供+5V直流稳定电压。当被测物体放置在秤盘上时，物体的压力传到桥式压敏电阻传感器，此时传感器因受力不均而产生形变，电阻阻值随之改变，并导致电桥失衡输出与被测物体的重量成正比的模拟电压信号，该模拟电压信号放大后经A/D转换芯片HX711转换成高精度的数字信号，并送到单片机进行储存和处理。当键盘模块有按键按下时，单片机会进行必要的判断和分析，并根据该按键的功能，进行去皮、称重、计算、显示、查询、报警等相应功能的实现。

2、系统硬件设计

电子秤的硬件电路由功能不同的各个模块组成，各个模块独立设计并检测，最终组合成一个整体并进行性能测试。

2.1、单片机控制模块

考虑价格、性能多方面要求，在信息控制和处理模块上，采用了STC15W408S单片机，不仅在设计上STC15W408S可以实现测量和控制要求，在性能上，其重量轻、体积小、功耗低，提高了电子秤的便携性。其引脚电路如图2所示。

HX711

图2 STC15W408S引脚电路图

STC15W408S是STC公司生产的一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器，512字节RAM，42个I/O口线，内置5KBEEPROM，3个16位定时/计数器，并支持全双工串行通信、掉电唤醒、外部中断等。

单片机STC15W408S的P1.0、P1.1端口用于与高精度A/D转换芯片HX711管脚的SCK、DOUT连接，接收数字信号；P1.5端口用于报警提示，与蜂鸣器电路相连；P0端口用于与液晶LCD1602传输信号。

2.2、称重传感器

称重传感器是一种能感受压力并将感受到的压力信号转换成与被测物体重量成比例的可用于输出信号的传感器，作为电子秤的关键组成部件之一，称重传感器的选择十分重要，其性能的好与坏，极大程度上决定了电子秤测量数据的可靠性和精确度。

称重传感器的工作原理如图3所示。

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图3 称重传感器电路

图3中，惠斯登电桥输出电压为：

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为实现电子秤设计的高精度，高稳定性要求，在众多的称重传感器中，本产品设计选用了BF350称重传感器，其灵敏系数为2.00-2.20，精度等级为0.02级，应变极限为2.0%，且功耗低、易于散热、粘贴简单，焊接方便，并可消除温度变化和微小波动带来的影响，实现高稳定性的静态测量。

2.3、A/D转换芯片

为达到本设计的高精度和高稳定性要求，系统采用片内集成稳压电源、时钟振荡器等电路的高集成度24位A/D转换芯HX711，其编程简单、响应速度快，使用时无需外接元件，并具备上电自动复位功能。称重传感器输出的模拟电压信号通过选择A或B通道传输到HX711，其中A通道的可编程增益为128或64，B通道则为固定的32增益。HX711与后端的单片机接口电路简单，只需DOUT、SCK接入单片机的I/O口上，就可以进行信号传输。BF350称重传感器、HX711芯片与单片机间接口电路如图4所示。

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图4 BF350称重传感器、HX711芯片与单片机间接口电路

2.4、液晶显示模块

在单片机系统中，LCD1602是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，工作在4.5~5.0V电压环境下，可显示2行共32个字符，其功耗低、性能稳定、使用简单，其管脚分为控制端口、数据端口、调整端口和电源端，其中调整端口需外接10K电位器，通过电位器可以调节字符显示亮度。LCD1602与单片机接口电路如图5所示。

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图5 LCD1602与单片机接口电路

2.5、超重报警电路

电子秤作为一种计量工具，有一定的量程范围，当被测物体重量超出量程范围时，内置称重传感器将受到损坏。在充分考虑实用性和性价比的前提下，设置了超重报警电路。超重报警电路如图6所示。系统设计中，其内分度为0.1g，最大称重为20kg，分度数为200000。当被测物体重量超出量程范围时，STC15W408S的P1.5端口产生低电平，加在PNP型的三极管9013基极上，此时三极管导通，电路驱动蜂鸣器，产生报警声；当被测物体重量在量程范围内，STC15W408S的P1.5端口产生高电平，加在三极管9013基极上，此时三极管截止，电路不工作，蜂鸣器不会发出报警声。

HX711

图6 超重报警电路

3、系统软件设计

主程序主要用来进行系统初始化，统一管理和调用各个子程序，使系统运行有条不紊。子程序则包括数据采集程序、A/D转换程序、按键功能程序、LCD显示程序和报警程序，各个子程序分工明确，统一协调，完成本设计一系列功能设计，实现去皮、称重、计算、显示、查询、报警等功能。

HX711

图7 软件设计流程图

4、系统性能测试

表1为部分实测数据，测试与数据分析表明，此电子秤系统相对误差小于等于0.4%，其精确度较高，稳定性良好。

表1系统测量值
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5、结语

随着科技的不断创新与发展，电子衡器向小型化、模块化、整体化、集成化方向发展，技术性能趋向于高速率、高精度、高稳定性方向发展，在这样的发展趋势下，此设计完成的电子秤在技术性能上、使用上都满足了各行业对于现代电子衡器的需求，并且模块化的设计使得本产品具有通用性、灵活性和稳定性，稍加修改和扩展，能够具有更广泛的推广和应用价值，使电子秤的整体化水平得到更好的发展。

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