基于HX711的電子稱設計

北京信息科技大學，北京 100192

一、引言

自電子信息技術發展以來，尤其是各種傳感器的產生，許多傳統的工具被電子產品所替代。電子稱在稱重方面與傳統稱相對比，具有稱重方便、計算方便、量度精確等特點，廣泛應用于超市、工廠、商業以及零售業等多種公共場所。

本設計針對超市使用電子稱精度較低的缺點，提出了一種新的解決方案。在該方案中我們采用HX711，其內部集成24位A/D模塊并具有放大電路，可以出處理接收到的小信號，提高了量測的精確度[5]。為了進一步消除誤差，我們對測量數據進行均值化處理，保證了測量的準確性。最后進行標定試驗，對天平的準確性進行了評估[3]。試驗結果表明，該電子稱的量程為5kg，精度為0.01g。

二、硬件設計

該系統總體設計圖見圖1所示，主要由以下四部分組成 ：稱重傳感器、A/D轉換電路、單片機、液晶顯示。可以實現稱重、總價計算、設置單位價格等功能。

利用稱重傳感器采集因壓力變化產生的電壓信號，經過電壓放大、濾波電路然后再經過模數轉換器轉換為數字信號。單片機對數字信號經過相應的處理后得出當前所稱物品的重量及總額。最后通過液晶顯示顯示出來。此外，還可通過液晶顯示上的鍵盤設定所稱物品的價格。

1、稱重傳感器

考慮到成本和性能以及實現功能，我們最終選定的稱重傳感器為YZC-1B，該傳感器的參數見表1。

表1 YZC-1B傳感器的各項參數

2、信號轉換模塊

高精度的A/D轉化芯片可以得到貨物的精度，在本設計中，采用了HX711來實現模擬量到數字量的轉換。HX711為一款高精度的24位A/D轉換器芯片，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，設計精度達0.01g，降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能。A/D 轉換模塊如圖2所示。

HX711模塊 A通道帶有128倍的信號增益，可以將5mV的電壓放大128倍，輸出24位的A/D轉化值，以多位數據的串口傳輸形式，輸送給單片機。串口通信線由管腳PD_SCK和DOUT 組成，分別與STM32的PC7、PC9相連。

3、液晶顯示模塊

在本設計中，我們采用TFT觸控屏作為顯示以及輸入設備。該部分在顯示重量、價格信息之外，還作為人機交互的接口來操作電子稱，比如設置單位價格、清零等操作。該部分結構見圖3。

4、主控芯片

本設計采用意法公司的STM32F103作為主控芯片，該芯片采用cortex-m3架構，最高工作頻率達72MHz，為實時時鐘提供精確的頻率[4]。測量速度快，易于實時測量和監控。

三、軟件設計

為了實現數據的準確測量，我們使用定時器中斷，當檢測到貨物時開始開啟定時器中斷，每多少秒獲取一個數值，共采出多少個數，然后對這些數據進行均值[1]處理，得到最后的數值。具體軟件流程圖見圖4。

四、系統標定與補償

1、線性度的確定

采用標注砝碼作為基準，對本系統進行標定。在標定的過程中，盡量保證砝碼處于電子稱的測量區域中心，待測量值穩定后，通過多次測量，記錄測量值如表1，并得到線性關系如圖5所示。

表2 測量數據

使用最小二乘法擬合[2]，公式為：

其中，xi—代表砝碼質量；

yi—代表顯示值。

從而求出，k≈0.98，b≈0.02，即y=0.98x+0.02。

2、溫度誤差的補償

當輸入壓力的數值不變的情況下，外界溫度變化會引起傳感器輸出信號產生溫度漂移，影響物體質量的測量精度。在相同壓力下，通過溫度計對外界溫度測量，可以得到當前溫度下的的重量漂移，繼而繪制出R-T溫度阻值變化曲線。通過查詢HX711相關技術手冊可得到對應的環境溫度下的補償系數，即可用于秤體的溫度重量補償和修正。

3、系統測試

經過標定和誤差補償后，我們對最終產品進行了測試，測試結果見表3。

表3 測試結果

我們按照下式依次計算出每組數據的誤差值，再取平均可以得到，最后的誤差范圍：

其中，yi—顯示值；

xi—砝碼質量。

最后得誤差率為0.1%。

經驗證實現秤重測量范圍0～5kg ，最小分辨 0.01g，誤差在0.1%左右。

五、結論

實驗證明該方案電子稱具有精度高、體積小、讀數直觀等優點，可以很好適應日常生活需要。