基于HX711的精密萬(wàn)用表設(shè)計(jì)

摘要：本文在分析數(shù)字萬(wàn)用表結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合HX711的A/D特性，給出電壓、電阻測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)方案;利用STM32F103C8T6，在MDK4.73開(kāi)發(fā)環(huán)境下，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)HX711數(shù)據(jù)的獲取及處理，完成基于HX711的精密萬(wàn)用表設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：HX711;通態(tài)電阻;固件庫(kù)

萬(wàn)用表是一種測(cè)量電流、電壓及電阻等多種電學(xué)參量的儀表。自上世紀(jì)80年代，MAXIM公司推出3位半萬(wàn)用表專(zhuān)用芯片ICL7106/7107后，指針式萬(wàn)用表被數(shù)字式萬(wàn)用表逐步取代，數(shù)字式萬(wàn)用表以靈敏度高、精確度高、顯示清晰、過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)被普及。

數(shù)字式萬(wàn)用表核心部分由A/D（模擬/數(shù)字）轉(zhuǎn)換芯片、外圍元件、液晶顯示器構(gòu)成。在測(cè)量不同電學(xué)參量時(shí)，通過(guò)外圍元件將電學(xué)參量變成適合的電壓傳遞A/D轉(zhuǎn)換芯片，A/D轉(zhuǎn)換芯片將電壓變成數(shù)值，最后通過(guò)液晶顯示器顯示，A/D轉(zhuǎn)換是數(shù)字式萬(wàn)用表的核心。

HX711是一款專(zhuān)為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。雖然HX711是一款專(zhuān)為電子秤而設(shè)計(jì)A/D芯片，利用其24位A/D，添加外圍電路，結(jié)合MCU完全可以設(shè)計(jì)出智能、精密的數(shù)字萬(wàn)用表。

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于HX711的精密萬(wàn)用表屬于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的萬(wàn)用表，適合面向弱電方向的人員使用，只實(shí)現(xiàn)了直流電壓、電阻兩個(gè)電氣參數(shù)的測(cè)量功能。

1.1 電壓測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)

電壓測(cè)量部分有10V、1V、0.1V三個(gè)量程。HX711有兩個(gè)A/D采集端口，共3種測(cè)量方式，采用通道A 128分貝方式，可以測(cè)量正、負(fù)20mv范圍內(nèi)的電壓值?？紤]到HX711的零漂等因素，最大值設(shè)定為正、負(fù)10mv。

根據(jù)歐姆定律可以方便設(shè)計(jì)出電壓測(cè)量電路，電壓測(cè)量電路由R1、R2、R3三個(gè)電阻串聯(lián)，待測(cè)電壓流過(guò)這三個(gè)電阻。

R1阻值為三個(gè)電阻總阻值的百分之一，10V以下電壓流過(guò)三個(gè)電阻時(shí)，R1兩端的電壓就是總電壓的百分之一，即10mv，所以，10V量程時(shí)，測(cè)量R1兩端電壓。

R1、R2阻值為三個(gè)電阻總阻值的十分之一，1V以下電壓流過(guò)三個(gè)電阻時(shí)，R1、R2兩端的電壓就是總電壓的十分之一，即10mv，1V量程時(shí)，測(cè)量R1、R2兩端電壓。0.1V以下量程時(shí)，直接測(cè)量R1至R3間的電壓。

由于電阻的標(biāo)稱(chēng)是不連續(xù)的，R1阻值選擇1K，R2由3.9K和5.1K兩個(gè)電阻組成，R3選擇39K和51K兩個(gè)電阻組成。

1.2 量程切換電路的硬件設(shè)計(jì)

萬(wàn)用表多采用多檔位的旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇測(cè)量項(xiàng)目和量程切換。本設(shè)計(jì)采用電子開(kāi)關(guān)CD4066來(lái)實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，CD4066由四個(gè)雙向電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成，每個(gè)雙向電子開(kāi)關(guān)的控制端施加高電平，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通;施加低電平，開(kāi)關(guān)呈高組態(tài)。

R1經(jīng)過(guò)項(xiàng)目切換開(kāi)關(guān)接HX711負(fù)極測(cè)量端、其他三處測(cè)量點(diǎn)經(jīng)過(guò)電子開(kāi)關(guān)合并后，再經(jīng)過(guò)項(xiàng)目切換開(kāi)關(guān)接HX711正極測(cè)量端。測(cè)量表筆接最終經(jīng)過(guò)項(xiàng)目切換開(kāi)關(guān)接到R1、R3兩端。

1.3 電阻測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)

電路由Rx和Rn串聯(lián)接3.3V構(gòu)成，Rn阻值已知，Rx為待測(cè)電阻，用HX711測(cè)量Rx兩端電壓，總電壓3.3V減去測(cè)量值即為Rn兩端電壓，計(jì)算可知Rx阻值。

在測(cè)量Rx兩端電壓時(shí)，為簡(jiǎn)化電路和編程，仍采用通道A 128分貝方式，人為設(shè)定滿(mǎn)量程電壓為16.5mV，設(shè)定Rx量程為10、100、1k、10k歐姆四個(gè)量程，對(duì)應(yīng)Rn理論取值為2k、20k、200k、2M歐姆。由2k、18k、180k、1800k四個(gè)電阻串聯(lián)。量程為10歐姆時(shí)，由CD4066將3.3V加到2k電阻上;量程為100歐姆時(shí)，由CD4066將3.3V加到18k電阻上。

CD4066具體型號(hào)為tc4066bp，它在5V電壓下，25度時(shí)通態(tài)電阻典型值為290歐姆。筆者測(cè)量在3.3V電壓下，為292歐姆，實(shí)踐阻值還應(yīng)加上292。

1.4 其他電路設(shè)計(jì)

測(cè)量項(xiàng)目切換選擇四刀三置開(kāi)關(guān)，四個(gè)開(kāi)關(guān)引腳，三個(gè)腳分配給某測(cè)量項(xiàng)目，一個(gè)引腳接地，選擇不同測(cè)量項(xiàng)目時(shí)，同接上拉電阻的MCU某引腳連接，使其由1變0，通知MCU切換測(cè)量項(xiàng)目。測(cè)量電路和STM32F103C8T6共用電源3.3V。

2、軟件設(shè)計(jì)

基于HX711的精密萬(wàn)用表，MCU采用32位的STM32F103C8T6，開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇MDK4.73，固件庫(kù)為V3.5.0。

DATA、CLK為HX711的數(shù)據(jù)、時(shí)鐘引腳，DATA引腳選擇GPIO_Mode_IN_FLOATING模式，CLK引腳選擇PIO_Mode_Out_PP模式。讀取HX711數(shù)據(jù)程序過(guò)程如下：

定義u32變量val、unsigned char變量i，初值為0;GPIO_SetBits設(shè)置DATA為1，GPIO_ResetBits 設(shè)置CLK為0;GPIO_ReadInputDataBit讀DATA值，作為while的退出條件。以i為變量，循環(huán)24次執(zhí)行：CLK置1，val左移1位，CLK置0;GPIO_ReadInputDataBit讀DATA值，作if條件;為1時(shí)，val加一。CLK置1，CLK置0。數(shù)據(jù)由val返回。

讀取HX711數(shù)據(jù)，依據(jù)測(cè)量項(xiàng)目進(jìn)行處理，后數(shù)據(jù)在液晶模塊上顯示，最后根所選擇的HX711輸出速率進(jìn)行延時(shí)，完成一次數(shù)據(jù)采集、處理。因采取C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，可方便移植到其他MCU上。

利用HX711的24位A/D轉(zhuǎn)換性能，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)CD4066進(jìn)行量程切換，在STM32F103C8T6的控制下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換量程的精密數(shù)字萬(wàn)用表，實(shí)現(xiàn)電壓、電阻兩個(gè)電氣參數(shù)的測(cè)量，精密、量程自動(dòng)切換是本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，可以在此基礎(chǔ)上輕松實(shí)現(xiàn)其他電氣參數(shù)的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]HX711 datasheet [Z]. http：//www.aviaic.com，2018年.P1.

作者簡(jiǎn)介：劉景文（1968-）男，天津市人，天津?yàn)I海職業(yè)學(xué)院電子信息工程技術(shù)教研室主任，副教授，碩士。研究領(lǐng)域：嵌入式應(yīng)用、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。