单片机称重系统设计

ZXF_CUG

1.传感器简介

    称重系统在工业级日常生活中应用非常广泛，从小型的电子称到大型的地磅。其中传感器大部分为电阻应变式压力传感器。一般由四个电阻应变片组成惠更斯电桥，安装在弹性体上。当有压力时，应变片随弹性体发生形变，电阻产生变化，电桥产生不平衡电压。一般压力与电桥不平衡电压成线性比例关系。



     传感器的输出电压一般比较小，为mV级别。具体取决于激励电压和传感器灵敏度。常见的灵敏度有1mV/V、2mV/V、3mV/V。对于2mV/V的传感器，在激励电压为5V时，满量程时输出电压为2mV/V*5V=10mV。

2.硬件设计

    传感器信号比较小，需要放大后再进行AD采集。目前有很多称重系统专用的AD芯片，内部集成了放大器，大大简化了硬件电路的设计。如TI的ADS1231，芯海科技的CS1231、海芯科技的HX710等。这些芯片都是24位AD，且集成了128倍的放大器（部分芯片放大倍数可设置）。本文以HX710为例进行介绍。其电路图如下：



    查询手册可以看到芯片5V供电时的性能要优于3V供电。但需要注意的是HX710的AVDD不能大于DVDD，而目前大部分单片机为3.3V供电，所以这里都用3.3V供电。ADS1231是没有这个限制的，即DVDD可以是3.3V，AVDD可以是5V。

    芯片共模输入电压范围为AGND+0.9V到AVDD-1.3V，这一点在其它应用时需要注意。

    芯片差分输入电压范围为±0.5VREF/放大倍数（128）≈±12.89mV。对于3.3V激励电压，2mV/V灵敏度的传感器，最大输出电压为±6.6mV，在芯片要求范围内。两个值相差近一倍，会损失约1位的分辨率。激励电压越大，传感器输出电压越接近AD的输入范围，AD的分辨率就越能得到有效利用。但也要综合考虑整个电源系统的设计。

    另外，传感器的激励电压尽量与芯片的VREF采用同一个电源，这样可以抑制一些共模干扰。

3.软件设计

    芯片与单片机接口简单，一个数据输出引脚DOUT，一个时钟引脚SCK。

    当AD一次转换完成后，DOUT由高电平变为低电平，此时SCK引脚输入25~27个不等的时钟脉冲，每个时钟的上升沿从DOUT读取数据。时序图如下。其它芯片的读取数据时序与此芯片基本相同。



程序编写

1. int32_t ad_val=0;//AD值
   
2. 
   
3. void Get_HX710()
   
4. {
   
5.     HX710_SCLK_CLR;
   
6.     if(READ_HX710_DOUT_PIN)return ;
   
7. 
   
8.     for(i=0;i<24;i++)
   
9.     {
   
10.          HX710_SCLK_SET;
    
11.          ad_val=ad_val<<1;
    
12.          HX710_SCLK_CLR;
    
13.          if(READ_HX710_DOUT_PIN)
    
14.            ad_val++;
    
15.     }
    
16.     HX710_SCLK_SET;
    
17.     if(ad_val&0x800000)ad_val|=0xFF000000;
    
18.     HX710_SCLK_CLR;
    
19. }

复制代码

传感器校准

    上面读取的是AD原始值，转换成重量前需要对传感器进行校准。一般传感器校准至少需要两个点：零点和任满量程（当然，其它任意两个点也可以，因为两点确定一条直线）。对于一些要求高的场合，则需要多个点进行分段校准，甚至不同温度区间进行校准。本文以两个点的校准为例。校准数据包括零点校准值、零点AD值、满量程校准值、满量程AD值。

    计算称重值比较简单，即在通过两个校准点确定一条直线，找到该曲线上AD值对应的重量。程序如下：

1. int32_t CaliADCValue[2];//校准的AD值
   
2. int32_t CaliSensorValue[2];//校准的传感器值
   
3. int32_t ZeroValue;//去皮AD值
   
4. 
   
5. void CalcWeight(int32_t AD_Value)
   
6. {
   
7.        int32_t Sensor_Value = 0;
   
8.        int32_t TempCaliADCValue[2];//校准AD值      
   
9. 
   
10.        TempCaliADCValue[0] = CaliADCValue[0] + ZeroValue;
    
11.        TempCaliADCValue[1] = CaliADCValue[1] + ZeroValue;//去皮
    
12.       
    
13. 
    
14.        if(AD_Value < TempCaliADCValue[0])//小于0点值
    
15.        {
    
16.               Sensor_Value = 0;
    
17.        }
    
18.        else if(AD_Value > TempCaliADCValue[1])//大于最大校准值
    
19.        {
    
20.               Sensor_Value = CaliSensorValue[1] + (float)(AD_Value - TempCaliADCValue[1])/(float)(TempCaliADCValue[1] - TempCaliADCValue[0]) * (float)(CaliSensorValue[1] - CaliSensorValue[0]);
    
21.        }
    
22.        else//在校准范围内
    
23.        {
    
24.               Sensor_Value = CaliSensorValue[0] + (float)(AD_Value - TempCaliADCValue[0])/(float)(TempCaliADCValue[1] - TempCaliADCValue[0]) * (float)(CaliSensorValue[1] - CaliSensorValue[0]);
    
25.        }
    
26. }

复制代码

   
    称重系统的一个重要功能就是去皮。上面程序中包括了去皮的功能，去皮即在原来校准AD值的基础上加上去皮AD值，作为新的校准AD值去计算。

    AD去皮值=当前AD值-零点校准AD值。

1. ZeroValue = ad_val - CaliADCValue[0]；

复制代码

    本文介绍的只是一种常见的称重系统设计方案。在一些要求高的场合，可能需要对传感器进行蠕变补偿，采用交流激励等方式。

armok.

发技术帖子欢迎。广告不欢迎，广告已经删除。

请以后不要再发广告，否则将封锁ID处理。

fengyunyu

请教，不用外置adc，使用内置带24bit的mcu是否合适？

ZXF_CUG

fengyunyu 发表于 2021-1-24 15:04
请教，不用外置adc，使用内置带24bit的mcu是否合适？

没用过，不好评价

marshallemon

HX71X系列性能很垃圾，重复性再现性都不行

lyping1987

marshallemon 发表于 2021-1-24 15:58
HX71X系列性能很垃圾，重复性再现性都不行

有什么推荐吗？

ilikemcu

fengyunyu 发表于 2021-1-24 15:04
请教，不用外置adc，使用内置带24bit的mcu是否合适？

内置24bit的MCU，都是基于数字/模拟混合集成电路工艺制造的，而实际上数字和模拟往往会才用不同的工艺，才是最佳选择，合并在一个芯片上，就很难把模拟部分做到很好，所以市面上常见的这类MCU，其自带的ADC性能都不是很好，比如C8051F350，SH79F085等等。
当然对于精度要求不高的应用，这些芯片用起来方便，也不是一无是处。

海芯的HX系列ADC，最大的问题就是温漂性能都不是很理想，比芯海的差了不少。

dragonlands

温度补偿如何做的？能不能把相关代码发上来学习一下，谢谢！

diyzxh

楼主   您最后说的 交流激励    有什么方案 ？

not_at_all

已经是烂大街的方案  

diyzxh

not_at_all 发表于 2021-1-25 20:20
已经是烂大街的方案

烂大街  ？

我还不知道 啥是交流激励方案呢

waterx3

diyzxh 发表于 2021-1-26 16:10
烂大街  ？

我还不知道 啥是交流激励方案呢

diyzxh

waterx3 发表于 2021-1-26 17:12

请教下  这里的  MOS   T1--T4  用啥类型的  MOS
或者直接上型号

waterx3

diyzxh 发表于 2021-1-26 19:26
请教下  这里的  MOS   T1--T4  用啥类型的  MOS
或者直接上型号

手册里是BSH112

minisystem

ADS1230
ADS1232

稳定性、温漂比较好，500g精度可以达到0.01g