Dziś dokładny pomiar wagi i siły Jest to kluczowe zarówno w zastosowaniach przemysłowych, jak i projektach domowych i badawczych. Jeśli kiedykolwiek się zastanawiałeś Czym jest czujnik tensometryczny? i jak to uzupełnia Moduł HX711 Jeśli szukasz sposobu na stworzenie precyzyjnych wag cyfrowych, trafiłeś we właściwe miejsce. Tutaj omówimy każdy aspekt, od teorii do praktyki, abyś zrozumiał każdy szczegół i nauczył się, jak wdrożyć własny system ważenia.
W ostatnich czasach używanie stało się popularne tensometry wraz z modułami takimi jak HX711 w tworzeniu domowych wag, produktów automatyki domowej, a nawet szkolnych eksperymentów. Co najlepsze, te komponenty są niedrogie, kompatybilne z platformami takimi jak Arduino i pozwalają na wiarygodne pomiary na poziomie profesjonalnym Jeśli są poprawnie skalibrowane. Przyjrzyjmy się krok po kroku wszystkiemu, od podstawowej obsługi po integrację i programowanie.
Czym jest tensometr i jak działa?
La tensometr jest czujnik piezorezystancyjny który przekształca odkształcenie (spowodowane naciskiem, rozciąganiem lub ściskaniem) w zmianę oporu elektrycznego, co pozwala nam pośrednio mierzyć siły lub ciężar przyłożony do powierzchni. Ta właściwość ma zasadnicze znaczenie dla pomiaru obciążenia w nowoczesnych ogniwach tensometrycznych..
W swojej najprostszej konstrukcji szczelinomierz składa się z bardzo cienki metalowy filament umieszczony wewnątrz folii klejącej. Gdy struktura, do której jest przyklejony, ulega odkształceniu, włókno rozciąga się lub ściska, zmieniając swoją rezystancję. Zmiana ta, choć niewielka, jest proporcjonalna do wywieranej siły. i można je analizować elektrycznie.
Efekt piezorezystancyjny Rezystancja wskaźnika wzrasta, gdy jest rozciągana, i maleje, gdy jest ściskana. Pozwala to na przekształcenie wysiłku fizycznego w precyzyjnie mierzalny sygnał elektryczny.
Te wskaźniki mają zazwyczaj standardowe wartości rezystancji, takie jak 120Ω, 350Ω lub 1000Ω, a zmiany spowodowane przez odkształcenia są minimalne: na przykład, zmiana zaledwie 0.12 Ω na 120 Ω dla znacznych obciążeń. Jednak bez odpowiedniego wzmocnienia i systemu pomiarowego, te niewielkie zmiany byłyby trudne do wykrycia.
Ogniwo tensometryczne: zastosowanie czujników tensometrycznych
A ogniwo obciążnikowe Jest to przetwornik wykorzystujący tensometry do zamieniać siły mechaniczne na sygnały elektryczneZasada działania jest prosta: jeden lub więcej wskaźników jest przymocowanych do metalowej konstrukcji zaprojektowanej tak, aby odkształcać się przewidywalnie pod obciążeniem. Gdy zostanie przyłożony ciężar, konstrukcja odkształca się, podobnie jak wskaźniki, a generowany jest sygnał elektryczny proporcjonalny do naprężenia.
Istnieją różne rodzaje ogniw tensometrycznych (hydrauliczne, pneumatyczne, tensometryczne itp.), chociaż w elektronice i systemach wbudowanych najczęściej spotykany jest tensometryczny. Jego spójna konstrukcja pozwala na wysoka precyzja i stabilność.
Ogniwa różnią się rozmiarem, kształtem, pojemnością i układem mechanicznym – od małych o wadze gramów do wersji przemysłowych o wadze ton.
Większość ogniw tensometrycznych posiada wewnątrz 1, 2 lub 4 czujniki tensometryczne tworzące mostek Wheatstone'a.obwód elektryczny wrażliwy na niewielkie zmiany rezystancji.
Most Wheatstone’a: Sekret wrażliwości
El Mostek Wheatstone'a jest obwód czterech rezystorów ułożonych w kwadrat, w którym jeden lub więcej może być tensometrami. Gdy nie ma obciążenia, obwód jest w równowadze i nie ma różnicy potencjałów między jego wyjściami. Gdy czujniki są odkształcone, równowaga ta zostaje zaburzona. i pojawiają się wykrywalne różnice napięcia które odzwierciedlają przyłożone obciążenie.
Ta konfiguracja zwiększa wrażliwość na zmiany oporu i pozwala na wykrywanie drobnych odchyleń, których nie dałoby się uchwycić w inny sposób.
W wagach domowych lub laboratoryjnych powszechnie stosuje się cztery wskaźniki tworzące kompletny mostek Wheatstone’a, jak ma to miejsce w przypadku wielu wag łazienkowych i platform wagowych. Pomaga to zmniejszyć błędy temperaturowe oraz poprawić liniowość i dokładność.
Dlaczego potrzebujemy modułu HX711?
Chociaż mostek Wheatstone'a wzmacnia wahania napięcia, zmiany są niezwykle małe (rzędu mikrowoltów). Mikrokontrolery takie jak Arduino ledwo je wykrywają, nie mówiąc już o precyzyjnych pomiarach.
El Moduł HX711 Jest to układ specjalnie zaprojektowany do systemów ważących z czujnikami tensometrycznymi, ułatwiający dokładne odczyty.
El HX711 to działa jak wzmacniacz pomiarowy y 24-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC)Jego główną funkcją jest:
- Odbierz sygnał różnicowy z mostka Wheatstone'a.
- Wzmocnij to dla łatwego czytania.
- Przekształć go w sygnał cyfrowy o wysokiej rozdzielczości aby mikrokontroler mógł je przetworzyć.
Ponadto HX711 oferuje prosty interfejs cyfrowy z zaledwie 2 pinami (zegar i dane), podobny do magistrali I2C, co upraszcza połączenie i komunikację z oprogramowaniem.
Cechy modułu HX711
El HX711 Wyróżnia się wysoką czułością i niskim kosztem. Oto niektóre z jego głównych cech:
- Precyzja 24-bitowa w celu wykrycia minimalnych zmian wagi.
- Zintegrowany i programowalny wzmacniacz sygnału (zwykle x128 lub x64).
- Dwa niezależne kanały wejściowe analogowe.
- Interfejs cyfrowy z 2 pinami (dane szeregowe i zegar szeregowy).
- Karmienie 2,6 V do 5,5 V, kompatybilny z Arduino i innymi mikrokontrolerami.
- Niskie zużycie energii.
Moduł zazwyczaj posiada dwa rzędy pinów: jeden do podłączenia ogniwa obciążnikowego i jeden do mikrokontrolera.
Te piny są zazwyczaj oznaczone jako: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKTypowe kable do ogniw obciążeniowych to:
- Czerwony: Wzbudzenie dodatnie (E+ / VCC)
- Czarny: Wzbudzenie ujemne (E- / GND)
- Biały: Wyjście ujemne (A-)
- Zielony: Wyjście dodatnie (A+)
Typy połączeń i warianty ogniw tensometrycznych
Standardowe okablowanie ogniwa obciążeniowego jest czterożyłowe, chociaż kolory mogą się różnić w zależności od producenta. Niektóre niedrogie lub poddane recyklingowi wersje mają trzy przewody, podczas gdy bardziej zaawansowane zawierają piąty żółty lub niebieski przewód do ekranowania lub uziemienia.
W projektach domowych najczęściej stosuje się ogniwa obciążnikowe: 5kg lub 20kgchoć istnieją wersje o masie do 50 kg i większej, przeznaczone do zastosowań przemysłowych.
Aby połączyć kilka ogniw, np. w wadze łazienkowej, moduł łączący lub ręcznego podłączenia, co wymaga wiedzy z zakresu elektryki. Ważne jest, aby zwrócić uwagę na kierunek strzałki na ogniwie, aby dokonać prawidłowego pomiaru, zapewniając, że część centralna pozostanie wolna, a odkształcenie będzie optymalne.
Montaż wagi cyfrowej: materiały i połączenia
zbudować waga cyfrowa Przy użyciu czujników tensometrycznych i HX711 potrzebne będą:
- Mikrokontroler (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266, itp.).
- Co najmniej jedna cela obciążeniowa (1 kg, 5 kg, 20 kg… w zależności od potrzeb).
- Moduł HX711.
- Sztywna powierzchnia dla platformy.
- Kable, złącza i śruby.
Opcjonalnie możesz dodać:
- Ekran LCD lub wyświetlacz pokazujący wagę.
- Przyciski do tarowania i trybu.
- Podpory lub płyty konstrukcyjne.
- Elementy łączności, takie jak WiFi lub Bluetooth z ESP8266/ESP32.
Połączenia są proste:
- Podłącz przewody ogniw do pinów HX711: czerwony do E+, czarny do E-, biały do A-, zielony do A+.
- VCC i GND układu HX711 do 5V i GND mikrokontrolera.
- DT i SCK HX711 do pinów cyfrowych (przykład 3 i 2).
- Zamontuj ogniwo na konstrukcji, upewniając się, że tylko środkowa część pozostanie wolna, aby umożliwić prawidłowy pomiar.
Programowanie z Arduino i kalibracja wagi
Aby odczytać dane, Księgarnia Bogde'a HX711, dostępne w Arduino IDE Library Manager. Niektóre kluczowe funkcje obejmują:
- początek(pinData, pinClock): uruchom moduł.
- zadanie(a): ustawia wagę zerową w funkcji tary.
- ustaw_skalę(skala): definiuje współczynnik przeliczający odczyty na jednostki masy.
- czytaj() / czytaj_średnia(n): uzyskaj surowe lub średnie odczyty.
- pobierz_wartość(n): zwraca odczyt bez masy tary.
- pobierz_jednostki(n): oferuje wagę dostosowaną do wagi i tarowania.
Kalibracja polega na umieszczeniu znanego ciężarka, dokonaniu odczytu i obliczeniu współczynnika skali: skala = odczyt / rzeczywista wagaNastępnie wprowadza się go do kodu w celu dostosowania do przyszłych odczytów.
Aby uzyskać dokładne i stabilne wyniki, zaleca się przeprowadzenie wielu pomiarów i dostosowanie współczynnika skali na monitorze szeregowym.
Przykładowe programy dla wagi cyfrowej z HX711 i Arduino
Prostym przykładem pokazującym wagę na monitorze szeregowym może być:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Zastąp własną wartością byte pinData = 3; byte pinClk = 2; HX711 balance; void setup() { Serial.begin(9600); balance.begin(pinData, pinClk); balance.set_scale(CALIBRATION); balance.tare(); } void loop() { Serial.print("Bieżąca waga: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println(" kg"); delay(500); }
System można rozbudować o wyświetlacz LCD, przyciski lub zapisać skalę w pamięci EEPROM, co umożliwia szybką i dokładną kalibrację, zapewniając jeszcze bardziej profesjonalne wrażenia.
Możliwe problemy i praktyczne porady
1. Różnice w kolorach przewodów: Sprawdź połączenia korzystając z arkusza danych lub mierząc rezystancję. Zazwyczaj para o najwyższej rezystancji odpowiada wzbudzeniu (+/-).
2. Niezrozumiałe odczyty: Jeśli wyniki pomiarów wydają się odwrotne lub nieregularne, zamień przewody wyjściowe A+ i A-.
3. Stabilność mechaniczna: Aby uniknąć błędów, upewnij się, że ogniwo jest prawidłowo zamocowane i że ciężar utrzymuje jedynie środkowa część konstrukcji.
4. Hałas i zakłócenia: W miarę możliwości należy używać krótkich, ekranowanych kabli i umieścić system z dala od źródeł zakłóceń elektrycznych.
5. Wahania temperatury: Wskaźniki są wrażliwe na zmiany temperatury; jeśli to możliwe, należy przeprowadzać kalibrację w stabilnych warunkach lub używać ogniw z 4 wskaźnikami.
Rozszerzenie i możliwe zastosowania systemu
Za pomocą swojego systemu operacyjnego możesz dodać funkcje:
- Wyświetlanie wagi na ekranie LCD.
- Ustaw alerty dotyczące limitów wagowych.
- Połącz się z chmurą za pomocą ESP8266/ESP32, aby monitorować zdalnie.
- Można go używać w eksperymentach, przy pomiarach składników, w automatyce, automatyce domowej itp.
Integracja HX711 ułatwia realizację projektów edukacyjnych, kontroli zapasów, wag komercyjnych, kontroli butli gazowych i wielu innych kreatywnych pomysłów.
