HX711电路

优点及特性：HX711是一款专为高精度秤重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其

它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点、降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或通道B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值分别为±20mV或±40mV。通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接部件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。 HX711引脚功能及电器特性

表1 HX711引脚功能

管脚号 名秤 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VSUP BASE AVDD VFB AGND VBG INA INA+ INB INB+ PD-SCK DOUT X0 X1 RATE DVDD 参数 性能 电源 模拟输出 电源 模拟输入 地 模拟输出 模拟输入 模拟输入 模拟输入 模拟输入 数字输入 数字输出 数字输入 数字输入 电源 描述 稳压电路供电电源：2.6-5.5V（不用稳压电路时接AVDD） 稳压电路控制输出（不用稳压电路时为无连接） 模拟电源：2.6-5.5V 稳压电路控制输入（不用稳压电路时应接地） 模拟地 参考电源输入 通道A负输入端 通道A正输入端 通道B负输入端 通道B正输入端 断电控制（高电平有效）和串口时钟输入 串口数据输出 外部时钟或晶振输入，0：使用片内振荡器 输出数据速率控制，0：10Hz；1：80Hz 数字电源：2.6-5.5V 表2 主要电气参数 条件及说明 最小值典型值最大值 单位 数字输入输出 晶振输入（不用晶振时为无连接） 满额度差分输入范围 输入共模电压范围 输出数据速率 V（inp）-V(inn) 使用片内振荡器，RATE=0 使用片内振荡器，RATE=DVDD 外部时钟或晶振，RATE=0 外部时钟或晶振，RATE=DVDD ±0.5(AVDD/GAIN) AGND+0.6 AVDD-0.6 10 80 fclk/1,105,920 fclk/138，240 800000 7FFFFF(HEX) 400 50 0.2 0.8 50 90 ±7 100 100 1.25 11.0592 30 2.6 5.5 2.6 5.5 1600 0.3 100 0.2 V V Hz 输出数据编码 输出稳定时间（1） 输入零点漂移 输入噪声 温度系数 输入共模信号抑制比 电源干扰抑制比 外部时钟或晶振频率 电源电压 模拟电源电路 （含稳压电路） 数字电源电路 二进制补码 RATE=0 RATE=DVDD 增益=128 增益=64 增益=128，RATE=0 增益=128，RATE= DVDD 输入零点漂移（增益=128） 增益=128，RATE=0 增益=128，RATE=0 DVDD AVDD,VSUP 正常工作 断电 正常工作 断电 mv nV(ms) nV/℃ dB dB V MHz V uA uA 输出参考电压（VBG） 表3 输入通道和增益选择 PD-SCK 25 26 27 脉冲数输入通道 A B A 增益 128 64 64 32..3 HX711管脚说明

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为固定的增益，所对应的满量程差分输入电压为±40mV。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芯片相同的数字供电电源。HX711芯片内稳压电路可同时向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）由外部分电阻R1、R2和芯片的输出参考电压VBG决定（图4），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和管脚AVDD应相连，并接到电压为2.6-5.5V的低噪声模拟电源。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，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150 mV。

HX711管脚说明如图5所示

稳压电路电源 VSUP 稳压电源控制输出 BASE 模拟电源 AVDD 稳压电源控制输入 VBF 模拟地 AGND 参考电源输出 VBG 通道A负输入端 INNA 通道A正输入端 INPA 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 AVDD 数字电源 RATE 输出数据速率控控制输入 XI 外部时钟或晶振输入 XO 晶振输入 DOUT 串口数据输出 PD_SCK 断电和串口时钟输入 INPB 通道B正输入端 INNB 通道B负输入端

图5 HX711管脚说明

复位和断电 当芯片上电时，芯片内的上电自动复位电路会使芯片自动复位。管脚PD-SCK输入来控制HX711的断电。当PD-SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。

图6 断电控制

如果PD-SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60 us，HX711即进入断电状态。如果使用片内稳压电源电路，断电时，外部传感器和片内A/D转换器会被同时断电。当PD-SCK重新回到低电平时，芯片会自动复位后进入正常工作状态。芯片从复位或断电状态后，通道A和增益128会被自动选择为作为第一次A/D转换的输入通道和增益。随后的输入通道和增益选择由PD-SCK的脉冲数决定，参见串口通讯一节。芯片从复位或断电状态进入正常工作状态后，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为低电平，输出有效数据。 3.2.4 HX711的时序图

HX711为串行数据总线型A/D转化器。作为串行通讯方式，那么掌握其时序图对于该器件的使用和操作起到了至关重要的作用。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，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。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个时钟脉冲用来选择下一个A/D转换的输入通道和增益。其时序如图7所示：

图7 串行时序图

3.3 压电传感器的电路

3.3.1 应变片式电阻传感器

应变片式电阻传感器.是以应变片为传感器元件的传感器。它具有以下优点：1.精度高，测量范围广；2.使用寿命长，性能稳定可靠。3.结构简单、尺寸小、重量轻，因此在测量时，对工件工作状态及应力分布影响小；4.频率响应特性好。应变片响应时间约为100ns；5.可在低温、高速、高温、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作；6.应变片种类繁多，价格便宜。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化[9]。应变片式电阻传感器应用很广。本设计采用的是梁式力传感器，该传感器结构简单、灵敏度高。适用于小压力测量。

3.3.2 应变片式电阻传感器的结构和原理

电阻应变式传感器是将被测量的力，通过它产生的金属弹性变形转换成电阻变化的原件。由电阻应变片和测量电路两部分组成。常用的电阻应变片有两种：电阻应变片和半导体应变片，本设计采用的是电阻应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线珊上面有覆盖层，起保护作用[9]。

电阻应变片也有误差，产生的因素很多，所以在测量时我们一定要注意。其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：A:电阻丝温度系数引起的。B：电阻丝与被测原件对零点输出，灵敏度的影响，即使采用同一批产品也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的办法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿，并从外部对它加以适当的补偿。非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多，一般来说主要由结构设计决定，通过线性补偿，也可以得到改善。滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以秤重传感器必须在规定的温度范围内使用。

电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即在导体产生机械形变时，它的电阻值相应发生变化。

设有一根电阻丝，它在未受力时的原始电阻值为

式中 :

——电阻丝的电阻率；

l——电阻丝的长度； S——电阻丝的面积。

电阻丝在外力的作用下，将引起电阻变化R，且有

令电阻丝的轴向效应为l/l，由材料力学可知r/rl/l，u为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得[4]

通常把单位应变所引起的电阻相对变化称作电阻线的灵敏系数，其表达式为

从上式可以明显看出，电阻丝灵敏系数k0由两部分组成：12表示受力后由材料的几何尺

//寸变化引起的；表示由材料电阻变化所引起的。对于金属材料，项的阻值要比12小得多，可以忽略，故k0=12。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即k0=1.7～3.6。上式可写成

Rk0[7]。 R3.3.3 全桥测量电路

应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，并可消除温度误差等共模干扰。一般在测量中都使用4片应变片组成差动全桥，本设计所采用的传感器就是全桥测量电路。其电路图如图8所示。桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线位输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。应变电阻作为桥臂电阻接在电桥电路中。无压力时，电桥平衡，输出电压为零；有压力时，电桥的桥臂电阻值发生变化，电桥失去平衡。 全桥测量电路中，将受力性质相同的两片应变片接入电桥对边。其输出灵敏度比半桥提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到了改善。

图8 全桥测量电路