基于HX711帶記憶功能的飲水量計量裝置

李朝陽

（仲愷農業工程學院，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慣。然而，現代社會中，越來越多的人因為工作、學習等原因，常常忽視了飲水的重要性，導致身體出現脫水、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 轉換器芯片，西安外事學院工學院汪顯衛[1]、無錫商業職業技術學院物聯網學院王小娟[2]、北京信息科技大學于飛[3]、中國電子科技集團公司第三十八研究所劉磊[4]、杭州職業技術學院信息工程學院葛海江[5]等，對HX711 進行研究分析并設計電子秤，武漢交通職業學院商林就精度與穩定性進行了實踐[6]。

筆者在前人的基礎上，設計了一種基于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、總飲水量，并且用液晶顯示，方便用戶隨時查看飲水量。

圖1 總體設計

1 總體設計

計量裝置主要由懸臂梁、形變電阻橋式電路、HX711模數轉換電路、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電壓轉換成5V 電壓，為單片機最小系統電路、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變計電阻變化轉化為電壓或電流的電信號，如圖3所示，以電阻應變計作為橋臂組成電橋電路，當有重物放置到秤盤上時，橋臂發生彎曲，彎曲程度與放置物重量有關，電阻應變器感應到相應的信號后，輸出微弱的電壓信號。

圖3 形變電阻橋式電路

1.3 基于HX711的模數轉換電路

基于HX711的模數轉換電路如圖4所示，電路將形變電阻橋式電路微弱電信號放大，并轉變為數字信號，再傳遞給控制器。HX711 芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，芯片內部集成穩壓電路，可直接供電于芯片內部連接的傳感器和A/D 轉換器。此外，時鐘振蕩器也被集成在芯片內部，不需要額外的外接設備。另外，芯片內部已整合上電自動復位電路，使開機初態的設定變得簡單化。該器件中有通過輸入選擇開關隨意選擇信道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，內部噪聲小?？删幊淘鲆鏋?28 或64 的通道A，分別對應±20mV 或±40mV 輸入信號幅值的滿量程差分。B 通道增益定值64，可檢測系統參數[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動，無須對芯片內部的寄存器編程。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 模數轉換電路

1.4 單片機最小系統電路

單片機最小系統電路如圖5，由晶振電路、復位電路、片外存儲器選擇電路構成。

表1 HX711芯片引腳

圖5 單片機最小系統電路

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，并且具有閏年補償等多種功能。

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、數據后，根據指令顯示數據。

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單片機控制器執行相應操作。

圖8 按鍵電路

2 軟件編程

2.1 主函數

主函數主要是進行變量初始化、調用模數轉換函數、采集當前稱重值、調用液晶顯示函數、調用FLASH存儲函數，流程圖如圖9所示。

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

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

2.2 模數轉換函數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引腳進行數據輸出。另外，輸入通道選擇也是有必要的。如果輸出數據的管腳DOUT 是高電平，說明A/D 轉換器還沒有做好輸出數據的準備。這時，串口時鐘輸入信號PD_SCK 要保持低電平狀態。當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。當第一個時鐘脈沖上升沿發生時，會讀出輸出的最高位數據（即MSB)，并將24 位數據逐位輸出，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，然后數據引腳拉高，延時一段時間后，將時鐘引腳拉低，等待AD轉換結束，然后開始讀取數據。接下來循環24次數據接收，在第25個脈沖將數據異或轉換，并拉低時鐘引腳結束AD 轉換。模數轉換函數HX711_Read()，讀取24位數據，返回主函數：

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。連續采集，對采集到的數據進行排序，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，使測得的數據更為準確。

2.4 其他函數

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

DS1302 時鐘讀取函數DS1302_read()，讀取當前時間。

內部FLASH 存儲空間讀取函數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。連續幾次按下K2、K3計算飲水次數、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 調用模數轉換函數HX711_Read()，并記錄此時的稱重值b0。如果需要飲水次數和總飲水量清空，請按下K1，此時液晶界面，稱重值、飲水次數、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，飲水次數加1，計算出本次飲水量(b3-b2)、總飲水量，保存到FLASH。

4)重復飲水動作

5)加水

6)重復飲水動作

7)重復飲水動作

此時實時稱重值、飲水次數、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4，本次飲水量63g，總飲水量257g。

圖12 運行過程液晶顯示

4 結論

隨著現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 數模轉換芯片HX711 設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、每次飲水量、每天飲水總量。同時本裝置有記憶功能，數據保存在FLASH 存儲空間，平時不用可以關閉電源，下次打開從FLASH存儲空間讀取飲水次數、每次飲水量、飲水總量數據，具備節能綠色環保。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和幫助，促進身體健康。