基于24位AD转换模块HX711的重量称量实验（已补充皮重存储，线性温度漂移修正）

转载：http://www.geek-workshop.com/thread-2315-1-1.html

以前在X宝上买过一个称重放大器，180+大洋。原理基本上就是把桥式拉力传感器输出的mV级信号放大到5V供单片机读取。连接实验电路的时候很完美，能实现重量的转换，但是实际组装后却发现这种A/A模块受到的干扰太严重了，包括电源的干扰，导线长短的干扰，导线位置变化的干扰，无线电的干扰等等等等……实在是恼人。

后来感觉是思路错误了，就不该用模拟信号来传输，于是决定使用A/D模块来把重量转换成数字信号传输，A/D模块就固定在离传感器最近的地方，将输出的数字信号用导线传输给单片机，这样能很大程度减小各种干扰。

在网上搜了一下A/D模块，基本上有两种廉价成品：HX711和PCF8591，它们分别是8位转换模块和24位转换模块。
PCF8591：
<ignore_js_op> 
功能简介： 基于I2C接口的AD/DA转换模块，8位精度，四通道AD，单通道DA，电压输出型
最大特点： 1. 支持两种接口类型接入目标板：排针或排座
           2. 支持I2C总线级联（通过排针、排座对接的方法，可同时使用多个I2C模块）
典型应用： 低速AD/DA转换
主要资源： PCF8591，I2C接口排针，I2C接口排座，可调电阻，AD输入口，DA输出口，地址跳线端口

HX711：
 
模块工作电压：4.8-5.5v
典型电流 1.6mA
体积：长 2.9cm * 宽 1.7cm * 高 0.4cm
● 带金属屏蔽，强抗干扰，预留MCU(STC15F104)位置，可自行升级二次开发。
● 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32、64 和128
● 片内稳压电路可直接向外部传感器和芯片内A/D 转换器提供电源
● 片内时钟振荡器无需任何外接器件，必要时也可使用外接晶振或时钟
● 上电自动复位电路
● 简单的数字控制和串口通讯：所有控制由管脚输入，芯片内寄存器无需编程
● 可选择10Hz 或80Hz 的输出数据速率
● 同步抑制50Hz 和60Hz 的电源干扰
● 耗电量（含稳压电源电路）：
典型工作电流：< 1.7mA, 断电电流：< 1μA
● 工作电压范围：2.6 ~ 5.5V
● 工作温度范围：-20 ~ +85℃
 





===============================我叫分割线=================================






我要使用的拉力传感器为传统的桥式传感器，量程1kg，想要达到1g的精度，这就要求模块输出位数至少为10位（2^10=1024），8位的PCF8591无法胜任，因为它的精度只有2^8=256位。所以决定使用HX711作为我的A/D模块，而且我选的HX711模块还带屏蔽壳，正符合我的要求。


先来看一下该模块的常用接法：
 
模拟输入
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。通道B 应用于包括电池在内的系统参数检测。

供电电源
数字电源(DVDD)应使用与MCU 芯片相同的的数字供电电源。HX711 芯片内的稳压电路可同时向 A/D 转换器和外部传感器提供模拟电源。稳压电源的供电电压(VSUP)可与数字电源(DVDD)相同。稳压电源的输出电压值（VAVDD）由外部分压电阻R1、R2 和芯片的输出参考电压VBG 决定（图1），VAVDD=VBG(R1+R2)/R2。应选择该输出电压比稳压电源的输入电压(VSUP)低至少100mV。
如果不使用芯片内的稳压电路，管脚VSUP应连接到DVDD 或AVDD 中电压较高的一个管脚上。管脚VBG 上不需要外接电容，管脚VFB 应接地，管脚BASE 为无连接。时钟选择如果将管脚 XI 接地，HX711 将自动选择使用内部时钟振荡器，并自动关闭外部时钟输入和晶振的相关电路。这种情况下，典型输出数据速率为10Hz 或80Hz。如果需要准确的输出数据速率，可将外部输入时钟通过一个20pF 的隔直电容连接到XI管脚上，或将晶振连接到XI 和XO 管脚上。这种情况下，芯片内的时钟振荡器电路会自动关
闭，晶振时钟或外部输入时钟电路被采用。此时，若晶振频率为11.0592MHz, 输出数据速率为准确的10Hz 或80Hz。输出数据速率与晶振频率以上述关系按比例增加或减少。使用外部输入时钟时，外部时钟信号不一定需要为方波。可将MCU 芯片的晶振输出管脚上的时钟信号通过20pF 的隔直电容连接到XI管脚上，作为外部时钟输入。外部时钟输入信号的幅值可低至150mV。

串口通讯
串口通讯线由管脚PD_SCK 和DOUT 组成，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（图二）。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 个时钟脉冲用来选择下一次A/D 转换的输入通道和增益，参见表三。
<ignore_js_op> 
PD_SCK 脉冲数输入通道 增益

 
时序图

PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于25 或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D 转换器的输入通道或增益改变时，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。






==============================我也是分割线================================


好了，看了这么多原理很多人一定已经晕了，下面来简单的：HX711在Arduino上的使用！


经过各种搜索，仅仅在Google Project上找到了一个 phk@FreeBSD.ORG 写的 Arduino 库（感谢啊！），功能很完善，而且支持多版本的Arduino。

我备份在这里吧，以免以后找不到：https://pan.baidu.com/s/1nv4eOtF

再来看一下接线：
 


1. VCC 可以是 2.6-5.5 中的任意值，因为我们使用的是 Arduino ，所以直接5V供电，GND 接地。
2. SCK 接 Arduino 的 Pin 9，DT 接 Pin10，这两个接脚可以在程序中改变。
3. E+、E-、A+ 和 A- 分别接桥式传感器的：激励电压正、负，输出电压正、负
  （E+ 接红线；E- 接黑线；A+ 接绿或蓝线；A- 接白线）。
4. B+ 和 B- 接通道B的传感器，也可以通过分压电路接电源，用来检测电源电压。不用的话最好接GND，不过我试验不接也没问题。



在 Arduino 中打开示例代码，可以看到非常简单：

1. #include <HX711.h> // 包含库的头文件
3. HX711 hx(9, 10); // 数据接脚定义
5. void setup() {
6.   Serial.begin(9600);
7. }
9. void loop()
10. {
11.   double sum = 0;    // 为了减小误差，一次取出10个值后求平均值。
12.   for (int i = 0; i < 10; i++) // 循环的越多精度越高，当然耗费的时间也越多
13.     sum += hx.read();  // 累加
14.   Serial.println(sum/10); // 求平均值进行均差
15. }

给的示例程序非常简单，但是我查看库中含有很多示例没有给出的函数：

1. HX711(byte sck, byte dout, byte amp = 128, double co = 1); // 定义 sck、dout 接脚，增益倍数（默认128）和修正系数（默认1）
2. void set_amp(byte amp); // 改变增益倍数和对应的通道，至少调用一次 read() 后起作用
3. bool is_ready(); // 返回 hx711 是否可用，在 read() 函数中会被调用
4. long read(); // 返回传感器电压值，如果 hx711 不可用则程序会暂停在此函数
5. double bias_read(); // 返回：(read() - 偏移值) * 修正系数
6. void tare(int t = 10); // 将皮重添加到偏移值，影响每次 read(); 的调用
7. void set_co(double co = 1); // 修改修正系数（默认为1）
8. void set_offset(long offset = 0); // 修改偏移值（默认为0）

可以看到，HX711还可以使用四参数方式定义，同时指定增益倍数及修正系数。在程序运行中还可以随时改变增益倍数，修正系数以及利用偏移值实现去皮重等功能，非常实用。


这里唯一需要解释的是第一个函数，

1. HX711 hx(9, 10); // 这样用说明只定义SCK和DOUT接脚，AMP默认使用A通道的128位增益，修正系数默认为1；
2. HX711 hx(9, 10, 64); // 这样用说明定义SCK和DOUT接脚，AMP使用A通道的64增益，修正系数默认为1；
3. HX711 hx(9, 10, 32, 1.4); // 这样用说明定义SCK和DOUT接脚，AMP使用B通道的32位增益，修正系数为1.4；

这里有关通道和增益倍数的选择，资料中已经提及过，A通道只有128和64位两种增益倍数，对应满载电压为 20mV 和 40mV，B通道只有固定的32位增益倍数，满载电压为 80mV，使用时各个通道输入电压不要超过对应增益倍数的满载电压。当然，程序中额可以随时切换增益倍数和通道，使用set_amp(amp)函数即可，当然，amp 的值只能是 128、64或32。
再强调一句，如果增益倍数选择32位增益，那么读出的数据就是B通道的。




==============================我真的是分割线================================



下面写一个具体应用示例：
我选择的传感器参数如下：
满量程输出电压=激励电压x灵敏度1.0mV/V
例如：供电电压是5V乘以灵敏度1.0mV/V=满量程5mV

实际上我选用的这个模块，当电源电压是5V时，供给传感器的供电电压是4V，于是我的传感器满量程电压为4mV。
这样我就完全可以选择增益倍数最高的A通道128位增益来得到最高的精度。

电子称连接图示：
 
图中绿色的为HX711模块，右下角为Arduino UNO，吊臂上挂着的就是桥式传感器（我连接的方式为悬吊式测拉力值），AD模块与传感器间的电线越短越好，过长的话会受到各种干扰，AD模块与Arduino之间的连线最好也不要超过30cm，如果必须加长的话，可以考虑使用带电磁屏蔽的线以及信号放大器。

首先使用库自带的例子测试一下，可以看到悬挂上1kg砝码以及托盘等部件后得到的值为：

1. 1315588.75
2. 1315597.75
3. 1315607.37
4. 1315606.75
5. 1315604.75
6. 1315589.62
7. 1315579.62
8. 1315594.25
9. 1315588.75
10. 1315580.25
11. 1315589.00
12. 1315584.25
13. 1315605.50
14. 1315596.12
15. 1315592.25
16. 1315607.75
17. 1315585.75
18. 1315582.87
19. 1315568.75
20. 1315574.75
21. 1315578.00
22. 1315583.12
23. 1315604.62
24. 1315573.50
25. 1315584.25

去掉一个500g砝码后值为：

1. 742865.50
2. 742847.87
3. 742869.00
4. 742879.12
5. 742873.68
6. 742858.81
7. 742867.81
8. 742843.37
9. 742862.18
10. 742844.87
11. 742856.50
12. 742834.31
13. 742831.31
14. 742825.12
15. 742842.31
16. 742821.31
17. 742816.12
18. 742846.00
19. 742844.00
20. 742826.87
21. 742818.12
22. 742812.87
23. 742807.18
24. 742835.00

可以粗略的计算：
1315500 - 742800 = 572700
所以修正系数大概为： 500 / 572700 = 0.00087305
那么程序就可以写成（这时可以适当的减小些读取速度，增加个delay，比如让程序半分钟一读取）：

2. #include <HX711.h>
3. HX711 hx(9, 10, 128, 0.00087305);
4. void setup() {
5.   Serial.begin(9600);
6. }
7. void loop() {
8.   delay(500);
9.   double sum = 0;
10.   for (int i = 0; i < 10; i++)
11.     sum += hx.read();
12.   Serial.println(sum/10);
13. }

编译写入Arduino后，将砝码全部取下，仅保留称体，得到结果是：

1. 169640.70
2. 169632.59
3. 169632.90
4. 169640.90
5. 169632.79
6. 169623.59
7. 169649.79
8. 169610.40
9. 169615.20
10. 169659.40
11. 169619.90
12. 169624.79
13. 169614.79
14. 169624.29
15. 169617.79
16. 169629.20
17. 169604.00
18. 169617.50
19. 169628.20
20. 169589.40
21. 169602.29
22. 169598.40
23. 169596.40
24. 169604.00
25. 169612.40
26. 169592.20

说明偏移值近似为 169600，那么我们在setup中调用偏移值的函数（使用bias_read()读取带修正系数及偏移值的读数，与read()对比作参考）：

1. #include <HX711.h>
2. HX711 hx(9, 10, 128, 0.00087305);
3. void setup() {
4.   Serial.begin(9600);
5.   hx.set_offset(169600);
7. }
8. void loop() {
9.   delay(500);
10.   double sum0 = 0;
11.   double sum1 = 0;
12.   for (int i = 0; i < 10; i++) {
13.     sum0 += hx.read();
14.     sum1 += hx.bias_read();
15.   }
16.   Serial.print(sum0/10);
17.   Serial.print(" ");
18.   Serial.println(sum1/10);
19. }

这时读出的数据变为：

2. 169615.20 0.01
3. 169616.70 0.02
4. 169613.40 0.02
5. 169636.50 0.03
6. 169620.70 0.02
7. 169638.09 0.04
8. 169625.29 0.02
9. 169620.50 0.02
10. 169612.29 0.01
11. 169609.79 0.01
12. 169624.40 0.02
13. 169625.20 0.02
14. 169630.00 0.03
15. 169628.29 0.03
16. 169606.29 0.00
17. 169617.79 0.02
18. 169637.90 0.03
19. 169603.70 0.00
20. 169605.29 0.01
21. 169636.50 0.03

然后再放上500g砝码查看一下数据：

2. 742492.68 500.16
3. 742499.81 500.17
4. 742503.81 500.17
5. 742505.18 500.18
6. 742507.18 500.17
7. 742499.31 500.17
8. 742499.50 500.17
9. 742512.37 500.18
10. 742521.87 500.19
11. 742497.87 500.17
12. 742518.12 500.18
13. 742518.81 500.18
14. 742520.87 500.19
15. 742520.68 500.19
16. 742530.18 500.20
17. 742532.87 500.20
18. 742543.00 500.20
19. 742540.12 500.21
20. 742517.00 500.19

再放上一个500g砝码试试：

1. 1315286.75 1000.25
2. 1315304.62 1000.25
3. 1315296.62 1000.25
4. 1315302.25 1000.26
5. 1315302.12 1000.26
6. 1315294.25 1000.25
7. 1315310.00 1000.26
8. 1315277.37 1000.24
9. 1315283.75 1000.24
10. 1315280.25 1000.23
11. 1315286.75 1000.24
12. 1315293.25 1000.25
13. 1315309.87 1000.26
14. 1315299.50 1000.25
15. 1315307.12 1000.26
16. 1315304.50 1000.25
17. 1315301.50 1000.25
18. 1315296.75 1000.25
19. 1315284.50 1000.23
20. 1315284.37 1000.24
21. 1315308.75 1000.26
22. 1315291.62 1000.25
23. 1315312.75 1000.26
24. 1315312.25 1000.26

可以看到第一位小数发生了大概0.2的变化，这说明我们粗略取的修正系数还不够精确，但是完全符合1g精度的要求。

接下来就是完善程序，增加去皮重的功能了，在Arduino上接一个按钮，为了阻止电磁干扰发生误判断，我采用了常输出高电平的按钮，当按下按钮的时候输出低电平，按钮接在 4 号口上：

1. #include <HX711.h>
2. HX711 hx(9, 10, 128, 0.00087305);
3. void setup() {
4.   Serial.begin(9600);
5.   hx.set_offset(169600);
6. }
7. void loop() {
8.   if(digitalRead(4) == LOW) hx.tare();
9.   double sum0 = 0;
10.   double sum1 = 0;
11.   for (int i = 0; i < 10; i++) {
12.     sum0 += hx.read();
13.     sum1 += hx.bias_read();
14.   }
15.   Serial.print(sum0/10);
16.   Serial.print(" ");
17.   Serial.println(sum1/10);
18. }

这样每次按下按钮的时候就可以去皮重了。




============================不要怀疑我是分割线=============================




去皮重也实现了，可是最求完美的我发现每次掉电后都要重新设置皮重，很是麻烦，于是决定将皮重信息存到EEPROM中保存，这样每次上电后就会自动读取存储的皮重信息，从0点开始称量了！

看了一下 HX711 的库，在去皮重的时候只需调用 hx.tare();，tare() 函数内容如下：

1. void HX711::tare(int t) {
2.     double sum = 0;
3.     for (int i = 0; i < t; i++) {
4.         sum += read();
5.     }
6.     set_offset(sum / t);
7. }

里面又调用了 read() 和 set_offset()，read() 不用看了，就是读取一次不带修正系数和偏移量的传感器数据。set_offset() 如下：

1. void HX711::set_offset(long offset) {
2.     OFFSET = offset;
3. }

仅仅是把偏移量赋值给OFFSET，而OFFSET会在 bias_read() 中起作用：

1. double HX711::bias_read() {
2.     return (read() - OFFSET) * COEFFICIENT;
3. }

也就是说，我们在调用 tare() 的时候如果能返回 OFFSET 值就可以存储它用作去皮重了。
不幸的是，HX711库并不允许我们这么做。也许有人要说了，那就调用 tare() 后  再调用一次 read() 来获取 OFFSET呗。这样可不行，首先调用 tare() 的时候本身就会调用 10 次 read() 并求平均值作为 OFFSET 来使用，我们再调用一次 read() 读出的数既不是之前那个平均值，精度也不如前面的平均值高，就算再求一次 10个 数的平均值，也得不到之前那个 OFFSET了，精度会大打折扣的。

看来唯一的办法就是自己手动改一下 HX711 的库，让它在调用 tare() 的时候直接返回个 OFFSET，这样就解决了我们的需求。为了和官方库区分，我们改一下库的名字，将 HX711 库文件夹复制一份改名为 HX711A ，然后将 HX711.cpp 改为 HX711A.cpp，同样 HX711.h 改为 HX711A.h。然后打开 HX711A.cpp 和 HX711A.h，作出修改。改动如下：

HX711A.cpp：

1. #include <HX711.h>  ->  #include <HX711A.h>
2. void HX711::tare(int t) {      - >  double HX711::tare(int t) {
3. 并在 tare  函数结尾加入： return sum / t;

HX711A.h：

2. #ifndef HX711_H    ->   #ifndef HX711A_H
3. #define HX711_H    ->   #define HX711A_H
4. void tare(int t = 10);   ->   double tare(int t = 10);

这样在调用 tare() 的时候就可以返回 OFFSET 值了，我们存储 OFFSET值就可以了。
可是新的问题又出现了，OFFSET 值是 double 类型的，而我们 Arduino 提供的 EEPROM 库一次仅能存储1个 char 类型数据。于是上网查资料，发现弘版有个帖子提到了多类型存储，可是相应的库编译后有点庞大，还是自己解决吧，写了个共用体实现的double类型存储，见我的帖子：http://www.geek-workshop.com/thread-2323-1-1.html，可以在程序里加入这一部分内容。

另外，经过查询资料，桥式传感器受温度影响的偏移量也不容忽视，可以在系统中加入温度传感器（例如DS18B20），并在计算重量的时候加入线性温度漂移修正，这里我就不写温度相关代码了，仅给出温度漂移修正的函数供大家参考：

1. #include <HX711A.h>
2. #include <EEPROM.h>
3. HX711 hx(9, 10, 128, 0.00087305);
4. int i=0;
6. // 用于在 EEPROM 中储存 double 类型数据的共用体
7. unsigned char *dpointer;
8. union data {
9.   double v;
10.   unsigned char dchar[8];
11. } dvalue;
13. void setup() {
14.   Serial.begin(9600);
15.   for(i = 0; i < 8; i++) dvalue.dchar[i] = EEPROM.read(i); // 从 EEPROM 读取偏移量
16.   hx.set_offset(dvalue.v);                                 // 设置已读取的偏移量
17. }
18. void loop() {
19.   if(digitalRead(4) == LOW) {
20.     dvalue.v = hx.tare();     // 去皮重并读取偏移量
21.     hx.set_offset(dvalue.v);  // 设置已读取的偏移量
22.     dpointer = dvalue.dchar;  // 以下程序将偏移量分解并储存到 EEPROM
23.     for(i = 0; i < 8; i++) {
24.       EEPROM.write(i,*dpointer);
25.       dpointer++;
26.     }
27.   }
28.   double sum = 0;
29.   for (i = 0; i < 10; i++) {
30.     sum += hx.bias_read();
31.   }
32.   Serial.println(sum/10);
33.   //Serial.println(sum / 10 * (1 + (20 - temprature) / 10 * 0.02)）; // 带线性温度补偿的输出，注意temprature单位为摄氏度。
34. }

============================我分割线又回来啦=============================





此外，程序可以增加的功能还有：
1.LCD显示
2.键盘输入及语音功能
3.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。

这几个功能我就不再研究了，都不难，留给各位自己发挥的空间吧

全文完