基于HX711帶記憶功能的飲水量計量裝置

李朝陽

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣東廣州 510550)

0 引言

水是人類生命的源泉，身體健康需要保持良好的飲水習(xí)慣。然而，現(xiàn)代社會中，越來越多的人因為工作、學(xué)習(xí)等原因，常常忽視了飲水的重要性，導(dǎo)致身體出現(xiàn)脫水、口渴等癥狀，不利于身體健康。

為了解決這個問題，飲水量計量裝置應(yīng)運而生，可以測量人體攝入水分量，幫助人們更好地掌握自己的飲水量。隨著現(xiàn)代人生活方式的改變，越來越多的人開始注重健康飲食和身體健康，因此飲水量計量裝置的需求也越來越高。

HX711 是24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，西安外事學(xué)院工學(xué)院汪顯衛(wèi)[1]、無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院王小娟[2]、北京信息科技大學(xué)于飛[3]、中國電子科技集團公司第三十八研究所劉磊[4]、杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院葛海江[5]等，對HX711 進行研究分析并設(shè)計電子秤，武漢交通職業(yè)學(xué)院商林就精度與穩(wěn)定性進行了實踐[6]。

筆者在前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于HX711的帶記憶功能的飲水量計量裝置，能夠計量單次飲水量、飲水次數(shù)、總飲水量，并且用液晶顯示，方便用戶隨時查看飲水量。

圖1 總體設(shè)計

1 總體設(shè)計

計量裝置主要由懸臂梁、形變電阻橋式電路、HX711模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、STC89C52控制器、液晶顯示電路、按鍵輸入電路、DS1302 時鐘電路等構(gòu)成，如圖1所示。

1.1 供電電路

供電電路如圖2所示，將+9V ～+12V電壓轉(zhuǎn)換成5V 電壓，為單片機最小系統(tǒng)電路、液晶顯示電路供電。

圖2 供電電路

1.2 形變電阻橋式電路

形變電阻橋式電路將應(yīng)變計電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的電信號，如圖3所示，以電阻應(yīng)變計作為橋臂組成電橋電路，當(dāng)有重物放置到秤盤上時，橋臂發(fā)生彎曲，彎曲程度與放置物重量有關(guān)，電阻應(yīng)變器感應(yīng)到相應(yīng)的信號后，輸出微弱的電壓信號。

圖3 形變電阻橋式電路

1.3 基于HX711的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

基于HX711的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，電路將形變電阻橋式電路微弱電信號放大，并轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再傳遞給控制器。HX711 芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，芯片內(nèi)部集成穩(wěn)壓電路，可直接供電于芯片內(nèi)部連接的傳感器和A/D 轉(zhuǎn)換器。此外，時鐘振蕩器也被集成在芯片內(nèi)部，不需要額外的外接設(shè)備。另外，芯片內(nèi)部已整合上電自動復(fù)位電路，使開機初態(tài)的設(shè)定變得簡單化。該器件中有通過輸入選擇開關(guān)隨意選擇信道A 或信道B 來完成信號放大的低噪聲可編程放大器。連接可編程放大器，內(nèi)部噪聲小?？删幊淘鲆鏋?28 或64 的通道A，分別對應(yīng)±20mV 或±40mV 輸入信號幅值的滿量程差分。B 通道增益定值64，可檢測系統(tǒng)參數(shù)[7]。

該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無須對芯片內(nèi)部的寄存器編程。HX711 是一款電子秤專用的高精度24位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片，可以降低電子秤的整機成本，提高整機的性能和可靠性。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1.4 單片機最小系統(tǒng)電路

單片機最小系統(tǒng)電路如圖5，由晶振電路、復(fù)位電路、片外存儲器選擇電路構(gòu)成。

表1 HX711芯片引腳

圖5 單片機最小系統(tǒng)電路

1.5 DS1302時鐘電路

DS1302 是美國DALLAS 公司低功耗實時時鐘芯片，具有涓細電流充電能力，DS1302 時鐘電路如圖6所示。它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，并且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。

圖6 DS1302時鐘電路

1.6 LCD1602液晶顯示電路

液晶顯示電路如圖7所示。LCD1602液晶內(nèi)部控制器HD44780 是一款點陣式液晶顯示控制器，接收STC89C52單片機控制器的指令、數(shù)據(jù)后，根據(jù)指令顯示數(shù)據(jù)。

圖7 液晶顯示電路

1.7 按鍵電路

按鍵電路如圖8 所示，有三個獨立按鍵K1、K2、K3，按下不同按鍵，STC89C52單片機控制器執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖8 按鍵電路

2 軟件編程

2.1 主函數(shù)

主函數(shù)主要是進行變量初始化、調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)、采集當(dāng)前稱重值、調(diào)用液晶顯示函數(shù)、調(diào)用FLASH存儲函數(shù)，流程圖如圖9所示。

程序開始，進行液晶初始化、變量初始化，調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，讀取當(dāng)前稱重值b0；調(diào)用時鐘函數(shù)，讀取當(dāng)前時間；調(diào)用液晶顯示函數(shù)，顯示當(dāng)前時間年月日時分秒、稱重值、單次飲水量、飲水次數(shù)、總飲水量。按下K2，調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，讀取當(dāng)前稱重值b1,b1減去b0為當(dāng)前稱重值。按下K3，調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換程序，讀取當(dāng)前稱重值b2,b2減去b0，為當(dāng)前稱重值。

飲水后，將水杯放在裝置上，按下K3，STC89C52記錄此時的稱重值b3，飲水次數(shù)加1，計算出本次飲水量(b3-b2)、總飲水量，保存到FLASH。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)HX711_Read()

圖9 流程圖

要使X711 芯片與單片機進行通信，需要使用PD_SCK 時鐘引腳和Dout引腳進行數(shù)據(jù)輸出。另外，輸入通道選擇也是有必要的。如果輸出數(shù)據(jù)的管腳DOUT 是高電平，說明A/D 轉(zhuǎn)換器還沒有做好輸出數(shù)據(jù)的準備。這時，串口時鐘輸入信號PD_SCK 要保持低電平狀態(tài)。當(dāng)Dout 從高電平變成低電平時，PD_SCK 需要輸入25 到27 個不同的時鐘脈沖。當(dāng)?shù)谝粋€時鐘脈沖上升沿發(fā)生時，會讀出輸出的最高位數(shù)據(jù)（即MSB)，并將24 位數(shù)據(jù)逐位輸出，從最高位(MSB)到最低位(MSB)，直至第24 個脈沖完成。用于在接下來的A/D 轉(zhuǎn)換中選擇輸入通道和增益的是第25 至27 個時鐘脈沖[7]。

讀取HX711 芯片，首先初始化引腳，然后數(shù)據(jù)引腳拉高，延時一段時間后，將時鐘引腳拉低，等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后開始讀取數(shù)據(jù)。接下來循環(huán)24次數(shù)據(jù)接收，在第25個脈沖將數(shù)據(jù)異或轉(zhuǎn)換，并拉低時鐘引腳結(jié)束AD 轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)HX711_Read()，讀取24位數(shù)據(jù)，返回主函數(shù)：

2.3 濾波算法

通過形變電阻橋式電路獲得的電信號，在外界因素干擾項，摻雜很多別的信號，比如磁場、抖動、空氣流動之類的自然的或人為不可避免的信號。為了過濾干擾信號，采用了遞推中位值平均濾波法。連續(xù)采集，對采集到的數(shù)據(jù)進行排序，選取其中的中位值作為濾波后的值，達到平滑信號的目的。該算法能有效地克服因偶然因素引起的波動干擾，使測得的數(shù)據(jù)更為準確。

2.4 其他函數(shù)

液晶顯示函數(shù)LCD_display()，顯示當(dāng)前重量、單次飲水量、飲水次數(shù)、總飲水量。

DS1302 時鐘讀取函數(shù)DS1302_read()，讀取當(dāng)前時間。

內(nèi)部FLASH 存儲空間讀取函數(shù)FLASH_read()、FLASH_eraser()、FLASH_write()，分別完成存儲空間讀取、擦除、寫入功能。

3 裝置工作過程

我們通過實驗驗證飲水量計量裝置。連續(xù)幾次按下K2、K3計算飲水次數(shù)、每次飲水量、總飲水量。

圖10 裝置工作過程

裝置工作過程如圖10所示：

1)裝置通電

裝置通電前，裝置懸臂梁上面不能放置任何物品。通電后，STC89C52 調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換函數(shù)HX711_Read()，并記錄此時的稱重值b0。如果需要飲水次數(shù)和總飲水量清空，請按下K1，此時液晶界面，稱重值、飲水次數(shù)、總飲水量為0。液晶第一行顯示時間5月1日10點30分，實時稱重值0，第二行飲水次數(shù)0、本次飲水量0，總飲水量0。

圖11 裝置通電液晶顯示

2)水杯裝水放在裝置上，實時稱重值537

3)飲水

飲水前，水杯需要放在裝置上，按下K2，STC89C52 記錄此時的稱重值b1。端起杯子飲水，此時實時稱重值為0。

飲水后，將水杯放在裝置上，按下K3，STC89C52記錄此時的稱重值b3，飲水次數(shù)加1，計算出本次飲水量(b3-b2)、總飲水量，保存到FLASH。

4)重復(fù)飲水動作

5)加水

6)重復(fù)飲水動作

7)重復(fù)飲水動作

此時實時稱重值、飲水次數(shù)、本次飲水量、總飲水量，顯示在液晶界面，實時稱重值432g，飲水次數(shù)4，本次飲水量63g，總飲水量257g。

圖12 運行過程液晶顯示

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代人生活方式的改變，越來越多的人開始注重健康飲食和身體健康，因此飲水量計量裝置的需求也越來越高。

用24 位高精度AD 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片HX711 設(shè)計的帶記憶功能的飲水量計量裝置，可以實時準確計量飲水次數(shù)、每次飲水量、每天飲水總量。同時本裝置有記憶功能，數(shù)據(jù)保存在FLASH 存儲空間，平時不用可以關(guān)閉電源，下次打開從FLASH存儲空間讀取飲水次數(shù)、每次飲水量、飲水總量數(shù)據(jù)，具備節(jié)能綠色環(huán)保。本裝置幫助人們更好地掌握自己的飲水量，為健康提供更好的指導(dǎo)和幫助，促進身體健康。