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[K10教程] 【行空板K10】增加HX711重量传感器的用户库

引言

今天继续“义教信息科技教学活动实践案例”的设计，在我的案例中需要使用重量传感器进行重量的测量。所以需要先在Mind+中添加重量传感器。在DF创客商城中有重量传感器，它有两种接口，分别是数字接口和I2C接口。I2C接口功能更强些，数字接口简单些。

【行空板K10】增加HX711重量传感器的用户库图5

不过在Mind+中，K10开发板只提供了I2C重量传感器，而没有提供数字接口的重量传感器。但是像掌控板等开发板就是提供了两种接口的传感器组件。

我手上恰巧有一个HX711的重量传感器（4个数字口的形式），所以就想着自己添加一个重量传感器的用户库，这样就可以节约一点，不用再买I2C接口的重量传感器了。下面就介绍一下如何把HX711传感器接入到行空板K10中。

HX711的工作原理

HX711是一种高精度的模数转换芯片，常用于电子秤和各种重量测量设备中。其工作原理如下：

1. 引脚功能

HX711有多个引脚，主要的引脚包括：

VCC：电源正极
GND：电源地
DT（数据输出）：数据输出引脚
SCK（时钟输入）：时钟信号输入引脚
PD_SCK：用于控制芯片的断电和复位
A+、A-、B+、B-：差分输入通道，用于连接传感器

2. 传感器接口

HX711通过A+、A-、B+、B-四个引脚与外部传感器连接。传感器的输出信号（一般为微小的电压变化）接到HX711的差分输入通道（A+、A-）上。这些引脚用于接收传感器的微小电压变化信号。

3. 差分放大器

HX711内部包含一个差分放大器，用于放大传感器的微小信号。放大器的增益可以通过外部电阻的选择来调整，这使得HX711适用于不同精度要求的应用。

4. 模数转换

HX711内部使用24位的Σ-Δ ADC（Sigma-Delta ADC）对输入信号进行模数转换。Σ-Δ ADC的核心原理是通过将输入信号与一个高频噪声进行加和，然后对其进行采样，将结果进行积分、累加和调制，最终得到一个高精度的数字输出。

5. 增益和偏置校准

为了适应不同的传感器和应用场景，HX711提供了多个增益位和偏置校准位。通过设置这些位，可以调整HX711的增益和偏置，使其适应不同范围和精度的传感器输出。校准操作通常在初始化时进行，可以通过加载相应的校准参数来实现。

6. 数据输出

数据的传输是通过SCK引脚的时钟脉冲控制的。每个时钟周期可以采样一位数据，通过连续的时钟脉冲可以采样多位数据。采样后的数据通过DT引脚输出，以供外部微控制器或计算机读取和处理。输出数据的格式是24位的二进制补码。

7. 串口通讯

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。具体步骤如下：

当DOUT（数据输出引脚）为高电平时，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。其中前24个时钟脉冲输出的是传感器测得的ADC数据，第25-27个时钟脉冲与数据无关，仅用于选择下一次传感器的输出增益和输出通道。

8. 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输入用来控制HX711的断电。当PD_SCK为低电平时，芯片处于正常工作状态。如果PD_SCK从低电平变高电平并保持在高电平超过60μs，HX711即进入断电状态。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。

通过以上步骤，HX711能够将传感器的微小电压变化信号转换为高精度的数字信号，从而实现高精度的重量测量。

硬件连接

行空板K10有2个3pin的数字/模拟接口，见下图。

【行空板K10】增加HX711重量传感器的用户库图1

前面的介绍已经知道，HX711模块对外有4根线的接口，VCC、GND、PD_SCK和DOUT，而3PIN接口是电源、地加上一个数字接口。所以我们需要把2个接口都用上，才能连上HX711模块。买了2根PH2.0mm间距的数据线，将P0的+、-和P0分别连接到HX711模块的VCC、GND和DOUT，P1管脚连到PD_SCK口。

用户库的编写

用户库的完整代码见Gitee（https://gitee.com/zealsoft/ext-hx711），这里介绍一下设计思路。

在Mind+的Ardiuno库中其实是提供了HX711传感器的代码的，在目录D:\win-ia32-unpacked20250103\Arduino\libraries\DFRobot_SEN0160中。核心代码如下：

#include "DFRobot_Hx711.h"

Hx711::Hx711()
{
}
void Hx711::begin(uint8_t pin_dout, uint8_t pin_slk)
{
    _pin_dout = pin_dout;
    _pin_slk = pin_slk;
    pinMode(_pin_slk, OUTPUT);
    pinMode(_pin_dout, INPUT);

    digitalWrite(_pin_slk, HIGH);
    delayMicroseconds(100);
    digitalWrite(_pin_slk, LOW);

    averageValue();
    this->setOffset(averageValue());
    this->setScale();
}
Hx711::~Hx711()
{

}
long Hx711::averageValue(BYTE times)
{
    long sum = 0;
    for (BYTE i = 0; i < times; i++)
    {
        sum += getValue();
    }

    return sum / times;
}

long Hx711::getValue()
{
    BYTE data[3];

    while (digitalRead(_pin_dout)==HIGH){delay(1);}
        

    for (BYTE j = 0; j < 3; j++)
    {
        for (BYTE i = 0; i < 8; i++)
        {
            digitalWrite(_pin_slk, HIGH);
            bitWrite(data[2 - j], 7 - i, digitalRead(_pin_dout));
            digitalWrite(_pin_slk, LOW);
        }
    }

    digitalWrite(_pin_slk, HIGH);
    digitalWrite(_pin_slk, LOW);

    return (((long) data[2] << 16) | ((long) data[1] << 8) | (long) data[0])^0x800000;
}

void Hx711::setOffset(long offset)
{
    _offset = offset;
}

void Hx711::setScale(float scale)
{
    _scale = scale;
}

float Hx711::getGram()
{
    long val = (averageValue() - _offset);
    return ((float) val / _scale);
}
复制代码

这段代码是一个用于控制HX711芯片的库文件，主要功能是初始化HX711芯片，读取重量数据，并进行校准和单位转换。

初始化函数：

Hx711::begin(uint8_t pin_dout, uint8_t pin_slk)：设置数据引脚和时钟引脚，并进行初始化操作，包括设置引脚模式、复位芯片、读取初始值并设置偏移量和比例因子。

数据读取函数：

long Hx711::averageValue(BYTE times)：读取多次重量数据并计算平均值，以减少误差。

long Hx711::getValue()：从HX711芯片读取一次重量数据，通过控制时钟信号和读取数据引脚来获取24位数据。

校准函数：

void Hx711::setOffset(long offset)：设置偏移量，用于校准零点。

void Hx711::setScale(float scale)：设置比例因子，用于将读取的原始数据转换为实际重量。

重量计算函数：

float Hx711::getGram()：计算并返回重量值，通过读取平均值、减去偏移量并除以比例因子来得到最终的重量值。

整体来说，这个库文件提供了一套完整的接口，用于初始化HX711芯片、读取重量数据、进行校准和单位转换，方便在嵌入式项目中使用HX711芯片进行重量测量。

其中的所谓设置偏移量，就是电子称领域中常说的“去皮”。比例因子也有个常用的术语叫“校准值”。

积木的设计

官方的传感器积木对于HX711传感器只提供了2个积木，分别对应前面代码中的setup+scale和getGram。但是这个设计有个问题，由于设置校准值的积木里面同时做了去皮操作，所以设置校准值的积木只能在程序中被调用一次，不能在程序中灵活地调整校准值。所以我增加了一个积木，就是不做去皮，仅设置校准值，这样就方便动态地调整校准值。

【行空板K10】增加HX711重量传感器的用户库图2

DFRobot_Hx711.o文件的添加

要正常使用组件，还需要将K10开发板对应的DFRobot_Hx711.cpp.o文件放到D:\win-ia32-unpacked20250103\Arduino\static\libraries\DFRobot_SEN0160\esp32s3bit目录中。DFRobot_Hx711.cpp.o文件可以从我的Gitee仓库中下载。

测试程序

下面就是测试程序。A/B键用于校准工作，主程序不断地查询重量传感器的数据，并将测量结果显示到屏幕上。程序中将传感器返回的数据转换为整数，是因为我们的模块精度不高，小数点后面的数据没有意义。不同的模块的校准值可能是不同的，像官方的SEN160是1kg量程的，校准值大概1900，而我的是5kg量程的，校准值大概420左右。不同的模块的精度也是不同的，我这个是非常便宜的，电路也简单，所以精度差一些。

【行空板K10】增加HX711重量传感器的用户库图3