基于HX711多功能的智能电子秤的设计

梁芳芳

广东工程职业技术学院，广东 广州 510520

随着社会的发展及科学的进步，早期传统纯机械结构的单一计重秤已无法满足现代社会的需求。精度高，成本低，操作简单，容易识别，计重和计价集于一身，既能精确、快速直观显示结果，同时还能将最终结果实时传送到指定目的地的新一代智能电子秤成为秤的发展趋势。对此，文章开展了基于Wi-Fi技术、互联网技术和高精度的24位模数（AD）转换器HX711智能远程监控等多功能电子秤的设计。

1 系统总体方案设计

1.1 系统框图设计

文章所设计的智能电子秤主要是通过压力传感器模块将物体的重量信息转换成模拟的电信号，并将模拟电信号传送到模数转换器进行抽样、量化、编码转换成数字信号，然后通过MCU传递到LCD液晶显示屏、蓝牙模块、构成RS232接口或者USB接口的串口模块等各个终端。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.2 压力传感器的选择

压力传感器采用的是电阻应变式桥式电路，如图2所示。其中，R1和R2是压力应变式电阻，当应变式电阻没有受到外来力量的作用时，电阻值保持不变；但是当物体放到秤体上时，应变电阻感受到外来力量F的作用，应变电阻会发生相应的变化，拉伸变形。设拉伸的长度变化了ΔL，则应变电阻的横截面积会同时发生变化，即横截面圆的半径会减少，假设变化量为Δr。电阻率的计算公式如下：

图2 电阻应变式桥式电路

式中：ρ为电阻率；R为电阻值；S为横截面积；L为长度。

由公式（1）可知，电阻率是和构成电阻材料的长度成反比，和电阻材料的横截面积成正比，当应变电阻受到外力F作用时，长度L和横截面积S都发生了相应变化，则电阻率也会发生变化。这时电阻应变式桥式电路则将电阻阻值的变化值转换成电压值，并输出到模数（AD）转换器。

1.3 模数转换器（AD）的选择

模数转换器（AD）是多功能智能电子秤设计的关键核心部分。现在市场上的AD芯片（模数转换器）各式各样，有并行接口的，有串行接口的，有快速转换的，有慢速转换的，有低分辨率的，有高分辨率的。根据秤的需求及使用特点，秤对于转换速度要求不高，接口方式也没有特别的要求，但是对于分辨率也就是称重的精准度有一定的要求，这也是电子秤设计的关键。根据不同的量程，分辨率有不同的要求，而这个分辨率（精准度）直接由所选择芯片的位数来决定。由下列公式可以确定采样的级数Q及位数k：

以量程为5kg、精度为0.1g的秤为例，说明介绍AD芯片输出的位数的选择，经过计算级数Q为5000÷0.1×10=500000， 由 218=262144 ＜ 500000 ＜ 524288=219， 模 数转换器（AD）的位数k的最小值为19，即电子秤所选择的AD模数转换器的输出位数最小为19位，而实际中的AD模数转换器没有19位的，只有20位的、24位的、32位的等。经过综合考虑秤体的成本、接口要求、转换速度的要求，选择采用海芯科技集成电路专利技术的高精度24位模数（AD）转换器HX711的芯片。HX711引脚图如图3所示。

图3 HX711引脚图

HX711为串口数据输出总线型的模数（AD）转换器，内部包含稳压电源、时钟振荡电路等其他类似芯片所必需的外围电路，集成度高，响应时间短，抗干扰能力强等。选择该芯片可以降低智能电子秤的整机成本，对整机的可靠性有一定的保证。

芯片的主要特性如下：（1）有A通道和B通道两路通道，其中A通道的增益有128或64，可根据需要进行选择，B通道的增益则固定为32，用于检测系统参数；（2）输出数据的速率也有10Hz和80Hz两种；（3）时钟振荡器灵活，可选择片内的，也可以由外部提供；（4）从管脚输入控制信号，不需要对内部的寄存器进行编程，可以简化整个设计的过程；（5）芯片内部包含的稳压电源除了可以给自身提供电源，还可以给外部的传感器供电，电压范围为2.6～5.5V；（6）上电时电路自动复位；（7）满额度差分输出范围V（inp）-V（inn）为±0.5（AVDD/GAIN）V。

1.4 MCU模块及液晶显示屏的选型

MCU系统的模块采用的芯片型号为STC89C52，这个芯片是8位的CMOS微控制器，具有功耗低、性能高的特点，还可以为多数嵌入式控制应用系统提供解决方案。MCU引脚图如图4所示。

图4 MCU引脚图

液晶显示屏选择的是型号为LCD1602的显示屏，这个型号的显示屏有两种模式，一种是有背光16脚的接口，另一种是没有背光的14脚的接口。基于电子秤的工作环境，文章采用了16脚接口的有背光的显示屏。其中，“1602”是指所能显示总的字符数，“02”是指显示屏可以显示两行，“16”表达的是每行显示16个字符，这个芯片每次总共可以显示32个字符，因此也叫字符型液晶，这些字符可以是字母，也可以是数字或者其他符号，完全满足多功能智能电子秤设计的需求。

1.5 接口模块电路芯片的选型

由于现在使用的计算机有些不再配置DB9接口，为了实现计算机和单片机之间的通信，需要采用相关能够将MCU传送过来的TTL信号转换成PC机所能识别信号的芯片。这里接口模块电路采用的芯片型号为CH340，引脚图如图5所示。这个芯片是一个USB总线的转接芯片，可以将MCU传送过来的TTL信号转换成PC机所能识别信号的功能。

图5 CH340引脚图

CH340芯片的主要特性如下：（1）外围器件增加晶体和电容，可以设计成全速USB设备接口并能向下兼容USB V2.0；（2）属于仿真标准串口，通过外接相关的电平转换设备，USB接口转换成其他相对应的接口，例如RS232、RS42等接口，可人为增加额外的串口；（3）不需要作任何修改，完全兼容PC机终端的操作系统下的串口应用程序；（4）属于硬件的全双工串口，支持通信的波特速率为50～2×106bps；（5）CH340外加红外收发器即可成为红外线发射接收的适配器，实现SIR红外线通信。

2 硬件电路的设计

2.1 HX711的外围电路的工作原理

JC8接压力传感器，JC8端口1接AVDD，JC8端口2接GND，JC8端口3接HX711 7脚通道A的负输入端INNA，JC8端口4接HX7118脚通道A的正输入端INPA，JC8端口5接HX7119脚通道B的负输入端INNB，JC8端口6接HX71110脚通道B的正输入端INPB，JC9端口3接HX71112脚。DOUT对接单片机的16脚，JC9端口2接HX71111脚，PD_SCK对接单片机的17脚，JC9端口1接VCC，JC9端口4接地。通过HX711芯片将压力信号（模拟信号）转换成数字信号，并通过相对应的11脚和12脚传送到CPU。HX711外围电路图如图6所示。

图6 HX711外围电路图

2.2 液晶显示屏电路的设计

CPU将HX711转换的数字信号进行处理，通过CPU芯片的P00-P07这8个数据输出端口传送到LCD1602的DB0-DB7这8个数据输入端，则智能电子秤的相关秤重信息就会一目了然地显示在液晶显示屏上，当物体的重量超过限重时，还会发生报警提示。具体电路结构如图7所示。

图7 液晶显示电路设计图

2.3 串口电路的设计

多功能智能电子秤设计的过程中，串口模块的设计是多元化的，而且进行了多个预留。主要是通过复接MCU的端口10和端口11输出的TTL信号，设计多个接口电路，可以多方式地为用户提供秤体称重的相关信息。RS232接口的接口电路可以直接和PC机终端直接连接实现数据的传送；USB接口电路采用CH340芯片，可以方便下载或上传数据，或者通过连接其他的转接口实现其他接口功能，设计电路如图8所示。Wi-Fi接口电路可以实现数据的无线传输，在终端设备装载相关的小程序，可以远程监控相关的信息，具体如图9所示。多种接口电路的设计，使得智能电子秤可在不同的环境使用。

图8 USB接口电路

图9 Wi-Fi接口电路

3 软件设计

多功能智能电子秤的软件设计包括初始化模块，读取数据、标定模块，称重模块，设置模块，模数转换模块、接口传输模块，数据存储模块等。主程序流程图如图10所示。

图10 主程序流程图

3.1 主程序设计

3.2 HX711数模转换函数，读出结果

3.3 远程控制，通信协议设置函数

3.4 测试

为了检测多功能电子秤功能，可以借助网络调试助手进行检测。当秤体连接第三方路由器的Wi-Fi时，移动终端和PC终端都可以通过秤体的Wi-Fi、第三方路由器的Wi-Fi接收秤重数据，上传数据即远程实时监控。PC终端实时监控的称重数据如图11所示。

图11 远程数据

4 结束语

随着电子技术的高速发展，使得各种电子产品的功能越来越多样化。文章通过结合HX711、CH340及STC89C52等芯片设计的智能电子秤，具有稳定性好，多样化、功能强大的特点，无论在超市，大型的农贸市场、农作物的收购等地方都适用，由于智能电子秤具有数据上传，远程监控等功能，在进行垃级分类处理、医疗废物处理、矿山（稀有金属）开采等场合也适用的，应用场景非常广泛。