基于HX711的精密萬用表設計

摘要：本文在分析數字萬用表結構基礎上，結合HX711的A/D特性，給出電壓、電阻測量電路的硬件設計方案;利用STM32F103C8T6，在MDK4.73開發環境下，用C語言實現HX711數據的獲取及處理，完成基于HX711的精密萬用表設計。

關鍵詞：HX711;通態電阻;固件庫

萬用表是一種測量電流、電壓及電阻等多種電學參量的儀表。自上世紀80年代，MAXIM公司推出3位半萬用表專用芯片ICL7106/7107后，指針式萬用表被數字式萬用表逐步取代，數字式萬用表以靈敏度高、精確度高、顯示清晰、過載能力強等特點被普及。

數字式萬用表核心部分由A/D（模擬/數字）轉換芯片、外圍元件、液晶顯示器構成。在測量不同電學參量時，通過外圍元件將電學參量變成適合的電壓傳遞A/D轉換芯片，A/D轉換芯片將電壓變成數值，最后通過液晶顯示器顯示，A/D轉換是數字式萬用表的核心。

HX711是一款專為高精度電子秤而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點[1]。雖然HX711是一款專為電子秤而設計A/D芯片，利用其24位A/D，添加外圍電路，結合MCU完全可以設計出智能、精密的數字萬用表。

1、系統硬件設計

基于HX711的精密萬用表屬于實驗性質的萬用表，適合面向弱電方向的人員使用，只實現了直流電壓、電阻兩個電氣參數的測量功能。

1.1 電壓測量電路的硬件設計

電壓測量部分有10V、1V、0.1V三個量程。HX711有兩個A/D采集端口，共3種測量方式，采用通道A 128分貝方式，可以測量正、負20mv范圍內的電壓值。考慮到HX711的零漂等因素，最大值設定為正、負10mv。

根據歐姆定律可以方便設計出電壓測量電路，電壓測量電路由R1、R2、R3三個電阻串聯，待測電壓流過這三個電阻。

R1阻值為三個電阻總阻值的百分之一，10V以下電壓流過三個電阻時，R1兩端的電壓就是總電壓的百分之一，即10mv，所以，10V量程時，測量R1兩端電壓。

R1、R2阻值為三個電阻總阻值的十分之一，1V以下電壓流過三個電阻時，R1、R2兩端的電壓就是總電壓的十分之一，即10mv，1V量程時，測量R1、R2兩端電壓。0.1V以下量程時，直接測量R1至R3間的電壓。

由于電阻的標稱是不連續的，R1阻值選擇1K，R2由3.9K和5.1K兩個電阻組成，R3選擇39K和51K兩個電阻組成。

1.2 量程切換電路的硬件設計

萬用表多采用多檔位的旋轉開關，來實現選擇測量項目和量程切換。本設計采用電子開關CD4066來實現量程自動切換，CD4066由四個雙向電子開關構成，每個雙向電子開關的控制端施加高電平，開關導通;施加低電平，開關呈高組態。

R1經過項目切換開關接HX711負極測量端、其他三處測量點經過電子開關合并后，再經過項目切換開關接HX711正極測量端。測量表筆接最終經過項目切換開關接到R1、R3兩端。

1.3 電阻測量電路的硬件設計

電路由Rx和Rn串聯接3.3V構成，Rn阻值已知，Rx為待測電阻，用HX711測量Rx兩端電壓，總電壓3.3V減去測量值即為Rn兩端電壓，計算可知Rx阻值。

在測量Rx兩端電壓時，為簡化電路和編程，仍采用通道A 128分貝方式，人為設定滿量程電壓為16.5mV，設定Rx量程為10、100、1k、10k歐姆四個量程，對應Rn理論取值為2k、20k、200k、2M歐姆。由2k、18k、180k、1800k四個電阻串聯。量程為10歐姆時，由CD4066將3.3V加到2k電阻上;量程為100歐姆時，由CD4066將3.3V加到18k電阻上。

CD4066具體型號為tc4066bp，它在5V電壓下，25度時通態電阻典型值為290歐姆。筆者測量在3.3V電壓下，為292歐姆，實踐阻值還應加上292。

1.4 其他電路設計

測量項目切換選擇四刀三置開關，四個開關引腳，三個腳分配給某測量項目，一個引腳接地，選擇不同測量項目時，同接上拉電阻的MCU某引腳連接，使其由1變0，通知MCU切換測量項目。測量電路和STM32F103C8T6共用電源3.3V。

2、軟件設計

基于HX711的精密萬用表，MCU采用32位的STM32F103C8T6，開發環境選擇MDK4.73，固件庫為V3.5.0。

DATA、CLK為HX711的數據、時鐘引腳，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數據程序過程如下：

定義u32變量val、unsigned char變量i，初值為0;GPIO_SetBits設置DATA為1，GPIO_ResetBits 設置CLK為0;GPIO_ReadInputDataBit讀DATA值，作為while的退出條件。以i為變量，循環24次執行：CLK置1，val左移1位，CLK置0;GPIO_ReadInputDataBit讀DATA值，作if條件;為1時，val加一。CLK置1，CLK置0。數據由val返回。

讀取HX711數據，依據測量項目進行處理，后數據在液晶模塊上顯示，最后根所選擇的HX711輸出速率進行延時，完成一次數據采集、處理。因采取C語言實現，可方便移植到其他MCU上。

利用HX711的24位A/D轉換性能，通過電子開關CD4066進行量程切換，在STM32F103C8T6的控制下，實現自動切換量程的精密數字萬用表，實現電壓、電阻兩個電氣參數的測量，精密、量程自動切換是本設計的優點，可以在此基礎上輕松實現其他電氣參數的測量。

參考文獻：

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

作者簡介：劉景文（1968-）男，天津市人，天津濱海職業學院電子信息工程技術教研室主任，副教授，碩士。研究領域：嵌入式應用、計算機視覺。