近年来，得益于传感器和电子模块的集成，仪器仪表、机器人和称重系统领域发生了翻天覆地的变化，这些模块促进了物理世界与微控制器之间的交互。这场技术革命的关键组件之一是称重传感器及其常用的配套产品 HX711 放大器模块。对于想要构建精确的数字秤、自动称重控制系统以及所有需要测量力和重量的项目的人来说，这两者都几乎是不可或缺的元素。
要是你想知道 如何将施加于物体的力转换为能够被 Arduino、ESP8266 或任何其他微控制器解释的电子值？本文将为您带来最完整、最简洁、最直观的讲解。您将详细了解什么是称重传感器、它的工作原理、它的类型、如何将其连接到 HX711 模块，以及如何像真正的专业人士一样通过集成硬件和软件将您的称重项目提升到新的水平。
什么是称重传感器？为什么它是电子重量测量的关键？
一 称重传感器 从最基本的本质来看，它是一种将施加在其上的力或压力转换为电信号的换能器。 其工作原理是电池在负载作用下变形时电阻发生变化的现象。。因此它们也被称为 力传感器.
传感器这个词大家应该很熟悉，因为在电子学中，它是一种能够将物理量（例如压力、声音或光）转换为可处理信号的元件。在这种情况下，称重传感器可以检测力：当你施加重量时，它会发生微小的变形，乍一看几乎难以察觉，但足以改变其内部应变片的电阻。
该 应变计 它们是称重传感器的核心。它们是由极薄的导电材料片或线组成，其电阻会根据所连接材料的伸长或压缩而改变。这种变化虽然很小，但可以被检测到并放大，直到它变成电压信号，经过数字化后，我们就能知道 准确性 施加的力。
为了有效地将这种细微的变化转化为有用的信号，仪表被放置在一种称为 惠斯通电桥该电路是电阻测量中的经典电路，可以放大微小的电阻差异并获得差分信号。因此，材料的简单拉伸会引起张力的变化，该张力可以测量并与施加的重量精确关联。
并非所有称重传感器都是一样的。 有以下几种类型：
- 液压单元： 基于通过活塞和气缸对流体的压缩。
- 气动细胞： 他们利用隔膜上的气压来测量由此产生的变形。
- 应变计单元： 由于其易于集成和精确，在电子和机器人领域最为常见。
虽然还有其他技术（压电、电容等），但 应变计 由于其成本、可靠性和易于校准，它们在家用秤和工业称重系统中最常用。
内部工作原理：惠斯通电桥与弱信号的挑战
利用压力表产生的电阻最小变化的基本要素是 惠斯通电桥该电路发明于19世纪，基于四个呈菱形排列的电阻器的平衡原理。当一个或多个电阻器发生变化（例如应变计变形时），电桥就会失去平衡，并产生与变化成比例的电位差。
在实践中， 典型的称重传感器包含四个应变计，排列在惠斯通电桥的支腿上当对电桥施加力时，两个电阻器会拉伸（电阻增加），两个电阻器会压缩（电阻减小）。这样，电桥就能最大化获得的电势差，并提高灵敏度。
尽管有这种巧妙的安排，阻力变化仍然存在 极小例如，对于120欧姆的仪表，相当大的压力只能使电阻改变0.12欧姆。如此小的压力带来了两个挑战： 高精度电子产品 来区分这些变化，此外，信号必须先放大，然后由微控制器数字化和处理，而微控制器几乎无法直接检测到如此微弱的信号。
这就是 HX711放大器.
HX711模块：称重传感器和微控制器之间的桥梁
El HX711模块 它是一种小型集成电路，在数字称重系统中执行基本功能： 放大、调节并从称重传感器获得的信号并将其转换为数字。 这样啊 可以获得重量和力的精确测量值，并由 Arduino、ESP8266、PIC 或任何其他微控制器进行解释。.
它的一些主要功能是：
- 高达 24 位分辨率： 让您获得 非常高的精度 在体重读数中。
- 模数转换（ADC）： 将放大的模拟信号转换为可供处理的数字值。
- 可编程增益： 可以在128x和64x之间调整，以适应不同的应用。
- 极低的能耗： 非常适合便携式应用或电池供电系统。
- 连接灵活性： 它通过两个数字引脚（时钟/SCK 和数据/DT）进行通信，类似于 I2C 或 SPI 协议。
- 电源范围从2.6V到5.5V： 兼容不同的电子平台。
由于这些特点，HX711 已成为 DIY 项目和工业领域中称重传感器读数的事实标准因为它使开发人员的工作变得更加轻松：他们不需要设计复杂的放大电路，而可以专注于开发称重系统的软件和逻辑。
HX711 模块通常有两个主连接器：一个用于称重传感器，一个用于微控制器。 该连接基于四条主要电缆：
- 红色（E+、VCC）： 正激励电压。
- 黑色（E-，GND）： 负激励电压。
- 白色（A-）： 负信号输入（输出-）。
- 绿色（A+）： 正信号输入（Output +）。
有些型号增加了第五根电线（黄色，YLW），通常用作接地参考或在标准配置中不使用。
称重传感器类型和型号：如何选择合适的称重传感器
选择合适的称重传感器 称重传感器对于在称重项目中获得准确的读数至关重要。称重传感器因其最大容量、物理外形和灵敏度而异：
- Capacidad max： 有 1kg、5kg、20kg、50kg 甚至更高的称重传感器。 最佳精度，最好选择最大量程尽可能接近应用最大重量的传感器。例如，如果您需要称重 4 公斤，那么 5 公斤的传感器是理想的选择。使用 20 公斤的传感器会降低读数的精度。
- 机械配置： 最常见的是安装在厨房秤上的矩形杆，但您也可以找到 S 形、圆盘形、双梁模型等。每种模型都更适合不同的称重场景。
- 质量和灵敏度： 精度还取决于仪表的质量和内部结构。优质的传感器通常能提供更好的测量结果和更低的漂移。
- 桥梁类型： HX711 可以与全桥和半桥单元一起工作，甚至支持在双桥配置中连接最多两个单元。
安装传感器也至关重要。确保中心区域（杆的敏感部分）没有障碍物，以便其在负载下能够正常变形，并按照箭头所示方向安装，使其与要测量的力方向一致。
机械设计和连接：如何使用 HX711 组装您的电子秤
继续实践，重要的是要理解 称重传感器和 HX711 模块的物理连接和组装方式。以下是一般步骤：
- 机械安装： 使用垫片将称重传感器固定在底座和用于支撑重量的容器或平台之间。称重传感器的中心应保持自由，并且是唯一在负载下弯曲的部分。
- 力的方向： 观察电池上雕刻的箭头，它指示应施加重量的方向。
- 电气连接： 将每根电池线按照颜色代码连接到 HX711 上的相应引脚（红色连接到 E+/VCC，黑色连接到 E-/GND，绿色连接到 A+/Output+，白色连接到 A-/Output-）。更多详细信息，请参阅 称重传感器指南.
- 与微控制器的连接： 从 HX711 上的另一排引脚，将 GND 和 VCC 连接到电源，将 DT（数据）和 SCK（时钟）引脚连接到 Arduino 或您正在使用的任何板上的任意两个数字引脚。
在浴室秤或更复杂的项目中，它们经常被使用 四个简单的称重传感器 布置在角落，其电缆必须使用 合路器模块 或按照手动连接图（这是一项精确的工作，您需要仔细研究数据表并测量电阻以识别每根电线）。
对于那些追求最高精度的人来说，SparkFun 等品牌提供的组合器模块可以简化接线，并允许您轻松地将所有四个传感器的信号组合成与 HX711 兼容的单个输入。
惠斯通电桥的应用：优势与注意事项
使用 惠斯通电桥 这并非巧合：它可以精确放大应变计中的电阻变化，设法解决非常小的差异并获得出色的测量线性。
在仅使用一个四线称重传感器的系统中，电桥已配置完毕，无需进一步复杂化。如果您想通过组合多个传感器来实现更精确的平衡，则需要按照定义明确的拓扑结构将它们连接起来，形成一个惠斯通电桥，或者使用组合器模块。 输出信号的反转 如果随着重量的增加，读数会减少或与预期相反，就会发生这种情况；在这种情况下，只需反转 A+ 和 A- 电缆的连接即可。
HX711 的先进技术特性
该模块提供 多重好处 这使得它非常受欢迎：
- 分辨率： 高达 24 位，可检测最小的重量变化。
- 可编程增益： 您可以根据灵敏度需求选择 128x 或 64x。
- 可调采样率： 介于 10 Hz 和 80 Hz 之间，允许您根据应用程序的稳定性调整测量速度。
- 兼容性： 支持全桥或半桥称重传感器，能够在双重配置中读取最多两个传感器。
- 极低的能耗： 在主动操作中，小于 1.5 mA；非常适合电池供电的设备。
- 娱乐性温度： 范围非常广，从-40ºC 至 +85ºC。
- 紧凑格式： 它的尺寸使其易于集成到电路板和原型中，并且引脚可直接焊接或安装在面包板上。
它的文档非常丰富，并且拥有庞大的开发者社区，这意味着 代码示例、库和在线指南 快速完成您的项目。
如何基于 HX711 和 Arduino 对电子秤进行编程和校准
安装硬件只是工作的一半。为了获得重量测量结果 精确的你需要编程，最重要的是，正确校准系统。让我们看看 如何一步一步做:
安装 HX711 库
第一步是安装用于与 HX711 通信的库。最常用、最可靠的选择是 Bogde 创建的库，可在 GitHub 上找到。您可以手动下载，也可以直接从 书店经理 从 Arduino IDE 中搜索“HX711”。
HX711库的主要功能
- 开始（PinData，PinClock）： 通过指示微控制器上使用的数据和时钟引脚来初始化 HX711。
- 设置比例（浮点比例）： 指定刻度值或换算系数。这对于确保读数与实际重量相符至关重要。
- 任务： 执行去皮操作，即将当前重量的测量值设置为零。 n 表示确定皮重所取的样本数量。
- 读（）： 对 HX711 内部 ADC 的信号进行单次读取。
- 读取平均值（n）： 返回 n 个读数的平均值；增加 稳定性 y 准确性 的测量。
- 获取值（n）： 返回读数减去皮重后的数值。如果传入 n 个参数，则计算该次数的平均值。
- 获取单位（n）： 通过减去皮重并将结果除以比例因子来计算重量。
这些功能涵盖了秤的初始化、校准、去皮和读数的完整周期。
校准：精确测量的必要步骤
La 标定 这涉及调整比例因子，使 HX711 的数字读数与所需单位（通常为千克或克）的实际重量值相对应。通常的技术如下：
- 秤上没有任何物体，运行执行去皮（将秤设置为零）的校准程序。
- 放置已知重量的物体 （理想情况下，它应该接近您要测量的最大重量）在秤上。
- 记下未缩放的读数 串口监视器会显示这些信息。通常需要对多个读数取平均值。
- 计算比例因子 使用公式： 读取值/实际重量=比例因子，同时考虑到您想要的单位（例如，如果您使用的重量为 4 公斤，读数为 1.730.000，则比例因子将为 432500）。
- 修改程序，以便在 set_scale 函数中输入计算值.
- 重复读数。增加或减少砝码以检查测量精度。
校准对电池位置、支撑刚度、电接触质量等因素敏感。如果您更换电池、安装方法或型号，则需要重新校准。
校准和称重代码示例
典型的 Arduino 程序包含两部分：校准和测量。校准程序允许您使用串行监视器以交互方式调整系数（+ 或 - 用于微调秤值）。称重程序仅使用获得的系数在屏幕上显示读取的重量。
基本代码结构如下（经过改编和总结，以免重复示例的内容）：
- 包括 HX711 库。
- 定义 DATA 和 CLOCK 引脚。
- 初始化 HX711 并执行去皮。
- 在主循环中，使用 get_units() 显示每半秒读取的重量。
- 如果您想微调精度，可以从串行监视器修改校准因子。
这种方法由 SparkFun 和其他开发商推广，即使电池与同一型号的其他电池不完全相同，也能确保完美校准。
高级集成：浴室秤、物联网和工业系统
在家庭项目中，称重传感器通常从商用浴室秤中回收（它们通常带有四个单独的传感器）。要将它们组合并连接到HX711，您可以使用组合器模块或遵循特定的连接图，以便使用所有四个传感器形成惠斯通电桥。如果您没有组合器模块，则需要识别导线（通常每个传感器三根），并使用线对之间的内部电阻参考将它们组合起来。
HX711 的集成度无可匹敌。它在物联网 (IoT) 项目中非常常见，这些项目中，电子秤监测的重量会通过 ESP8266、NodeMCU 或类似设备发送到云端。这让您可以执行自动称重、远程控制库存、监控气瓶、储罐以及其他以重量为关键参数的系统。
在工业领域，HX711 的坚固性和精确性使其能够用于自动配料系统、自动过程控制系统、包装机械和医疗应用，因为其分辨率足以进行从克到几十公斤的高精度测量。
常见问题的建议和解决方案
在构建自己的称重系统时，请记住以下提示：
- 避免称重传感器受到过度冲击或振动因为它们可能会损坏仪表或影响校准。
- 确保正确的机械固定 以避免读数不稳定或不规则。中心区域必须自由，力的方向必须与指示方向完全一致。
- 检查电气连接接触不良会导致信号波动或噪音，使校准变得困难。
- 如果读数不稳定或在真空下变化，进行新的去皮并确保电源稳定。
- 如果读数反向变化（随重量减少），反转 A+ 和 A- 连接。
此外，如果您的项目需要在不同时间测量不同的重量范围，请记住相应地调整校准系数。务必保存每个单元和配置获得的校准值。
HX711 模块功能和交易选项
市场上有各种兼容的 HX711 模块，既有专卖店，也有通用平台。它们通常配备不同量程（1 公斤、5 公斤、20 公斤、50 公斤）的称重传感器，并配有引脚或接头，方便集成。这些模块的显著特点包括：
- 功能电压： 介于 2.6V 和 5.5V 之间，允许它们与 3.3V 和 5V 板一起使用。
- 极低的能耗： 小于1.5毫安。
- 紧凑格式： 非常适合 DIY 项目和原型的集成。
- 文档和支持： 社区和制造商经常为 Arduino 和其他平台提供教程、数据表和使用示例。
实际使用和应用示例
由于称重传感器和 HX711 的多功能性，它们适用于各种各样的应用：
- 数字家用和厨房秤： 以最高精度称量原料或食物。
- 气瓶监控系统： 它们可以远程监控填充状态以避免供应短缺。
- 仓库和商店的库存控制： 通过持续称重，可以实时监控库存剩余情况。
- 云端连接秤： 使用 ESP8266 等开发板，可以将收集到的数据在 Web 平台上进行可视化或处理，以进行高级分析。
- 医疗设备： 例如医院病床的秤、剂量系统和实验室的体重监测。
- 机器人和自动配料系统： 在每个过程中分配适量的原材料。
在所有这些情况下，连接和编程协议都非常相似。校准单元完成后，您将获得可靠且准确的测量结果，从而改善系统的自动化和控制。
如何为您的项目选择合适的系统
选择 1 公斤、5 公斤、20 公斤或 50 公斤的称量单元、安装类型以及校准方式，将取决于您的具体需求。以下是如何选择合适的称量单元： 做出最佳决策的一些标准:
- 称重范围： 选择最大容量略高于您通常测量的最大重量的称重传感器。
- 所需准确度： 如果您需要精确到克的称重传感器，请寻找灵敏度高、量程低的称重传感器。如果您的应用允许误差在几克或几十克，则可以选择量程更高的型号。
- 机械装配难度： 厨房秤的杆式安装更容易。对于四个传感器的浴室秤，您需要自行组装电缆或购买组合模块。
- 微控制器支持： HX711 模块几乎与任何卡兼容，但请确保电源电压和逻辑电平正确。
HX711 及其称重传感器的模块化和低价使电子称重技术变得普及，任何制造商、学生或专业人士都可以构建自己的测量系统并确保成功。
正确的选型、校准和机械组装决定了项目的成功。通过可靠稳定的测量，您可以集成控制、自动化和监控系统，无论是在家庭还是工业应用中，都能获得专业的成果。
