Kaj je tehtalna celica in kako deluje modul HX711?: Popoln vodnik

Svet instrumentacije, robotike in tehtalnih sistemov se je v zadnjih letih izjemno razvil zaradi integracije senzorjev in elektronskih modulov, ki omogočajo interakcijo med fizičnim svetom in mikrokrmilniki. Ena ključnih komponent v tej tehnološki revoluciji je tehtalna celica in njen običajni spremljevalec, ojačevalni modul HX711. Oba sta postala skoraj nepogrešljiva elementa za tiste, ki želijo zgraditi natančne digitalne tehtnice, avtomatizirane sisteme za nadzor teže in vse vrste projektov, kjer je merjenje sil in uteži bistvenega pomena.

Če ste se kdaj vprašali Kako je mogoče prevesti silo, ki deluje na predmet, v elektronsko vrednost, ki jo lahko interpretira Arduino, ESP8266 ali kateri koli drug mikrokrmilnik?V tem članku boste našli najbolj popolno, preprosto in neposredno razlago. Podrobno boste izvedeli, kaj je tehtalna celica, kako deluje, katere so njene vrste, kako jo priključiti na modul HX711 in kako lahko svoje projekte tehtanja dvignete na višjo raven z integracijo strojne in programske opreme kot pravi profesionalec.

Kaj je tehtalna celica in zakaj je ključnega pomena za elektronsko merjenje teže?

A nakladalna celica V svojem najosnovnejšem bistvu je to pretvornik, ki pretvori silo ali pritisk, ki se nanj izvaja, v električni signal. Načelo delovanja temelji na pojavu spremembe električnega upora, ko se celica deformira pod vplivom obremenitve.Zato so znani tudi kot pretvorniki sile.

Izraz pretvornik vam je znan, ker je v elektroniki komponenta, ki lahko pretvori fizikalno količino (kot je tlak, zvok ali svetloba) v obdelan signal. V tem primeru tehtalna celica zazna sile: ko nanjo delujete s težo, se ta rahlo deformira, na prvi pogled skoraj neopazno, vendar zadostno, da spremeni električno upornost merilnikov napetosti, ki jih vsebuje.

The merilniki napetosti So srce merilne celice. Gre za plošče ali niti izjemno tankega prevodnega materiala, ki spreminjajo svojo upornost glede na raztezek ali stiskanje materiala, na katerega so pritrjene. To spremembo, čeprav majhno, je mogoče zaznati in ojačati, dokler ne postane napetostni signal, ki nas, ustrezno digitaliziran, obvešča z natančnost na uporabljeno silo.

Za učinkovito pretvorbo te subtilne spremembe v uporaben signal so merilniki postavljeni v konfiguracijo, imenovano Wheatstonov mostTo vezje, klasika pri merjenju upornosti, omogoča ojačanje majhnih razlik v upornosti in pridobitev diferencialnega signala. Tako preprosto raztezanje materiala povzroči spremembo napetosti, ki jo je mogoče izmeriti in natančno povezati z uporabljeno težo.

Vse tehtalne celice niso enake. Obstaja več vrst:

• Hidravlične celice: Temelji na stiskanju tekočine s pomočjo bata in valja.
• Pnevmatske celice: Uporabljajo zračni tlak na membrani in merijo nastalo deformacijo.
• Celice za merilnike deformacij: Najpogostejši v elektroniki in robotiki zaradi enostavne integracije in natančnosti.

Čeprav obstajajo tudi druge tehnologije (piezoelektrične, kapacitivne itd.), merilniki napetosti Zaradi svojih stroškov, zanesljivosti in enostavne kalibracije se najpogosteje uporabljajo v domačih tehtnicah in industrijskih tehtalnih sistemih.

Notranje delovanje: Wheatstonov most in izziv šibkih signalov

Temeljni element za izkoriščanje minimalnega nihanja upora, ki ga ustvarjajo merilniki, je Wheatstonov mostTo vezje, izumljeno v 19. stoletju, temelji na uravnoteženju štirih uporov, razporejenih v obliki romba. Ko se eden ali več teh uporov spremeni (kot se zgodi pri merilniku napetosti, ko se deformira), most postane neuravnotežen in ustvari potencialno razliko, sorazmerno s spremembo.

V praksi, Tipična merilna celica vsebuje štiri merilne lističe, razporejene na nogah Wheatstonovega mostu.Ko na celico deluje sila, se dva merilnika raztegneta (kar poveča njun upor), dva pa stisneta (kar ga zmanjša). Tako most maksimizira dobljeno potencialno razliko in izboljša občutljivost.

Kljub tej pametni ureditvi se spremembe v odporništvu še vedno pojavljajo. izjemno majhenNa primer, na merilniku z upornostjo 120 ohmov lahko precejšen tlak spremeni upornost le za 0.12 ohma. Ta majhna količina predstavlja dva izziva: visoko precizna elektronika da bi razločili te spremembe, poleg tega pa je treba signal pred digitalizacijo in obdelavo z mikrokrmilnikom ojačati, saj tako šibke signale težko neposredno zazna.

Tukaj je Ojačevalnik HX711.

Modul HX711: most med merilno celico in mikrokrmilnikom

El Modul HX711 Gre za majhno integrirano vezje, ki opravlja temeljno funkcijo v digitalnih tehtalnih sistemih: ojača, obdela in pretvori signal, pridobljen iz merilne celice, v digitalni signal. Na ta način, Možno je pridobiti natančne meritve teže in sile, ki jih lahko interpretira Arduino, ESP8266, PIC ali kateri koli drug mikrokrmilnik..

Nekatere njegove glavne značilnosti so:

• Do 24-bitne ločljivosti: omogoča pridobitev a zelo visoka natančnost pri odčitku teže.
• Analogno-digitalna pretvorba (ADC): pretvori ojačan analogni signal v digitalno vrednost, pripravljeno za obdelavo.
• Programabilno ojačanje: je mogoče nastaviti med 128x in 64x, kar omogoča prilagoditev različnim aplikacijam.
• Zelo nizka poraba energije: Idealno za prenosne aplikacije ali sisteme na baterije.
• Prilagodljivost pri povezljivosti: Komunicira prek dveh digitalnih pinov (Clock/SCK in Data/DT), podobno kot protokol I2C ali SPI.
• Območje napajanja od 2.6 V do 5.5 V: združljiv z različnimi elektronskimi platformami.

Zahvaljujoč tem lastnostim je HX711 postal De facto standard za odčitavanje tehtalnih celic pri projektih »naredi sam« in v industrijskem sektorju, saj razvijalcu precej olajša življenje: ni mu treba načrtovati kompleksnih ojačevalnih vezij in se lahko osredotoči na razvoj programske opreme in logike tehtalnega sistema.

Modul HX711 ima običajno dva glavna priključka: enega za merilno celico in enega za mikrokrmilnik. Povezava temelji na štirih glavnih kablih:

• Rdeča (E+, VCC): pozitivna vzbujevalna napetost.
• Črna (E-, GND): negativna vzbujevalna napetost.
• Bela (A-): negativni vhodni signal (izhod -).
• Zelena (A+): pozitivni vhodni signal (izhod +).

Nekateri modeli imajo dodano peto žico (rumeno, YLW), ki običajno deluje kot ozemljitev ali pa se v standardnih konfiguracijah ne uporablja.

Vrste in modeli tehtalnih celic: kako izbrati pravo

Izbira ustrezne merilne celice Tehtalne celice so ključne za doseganje natančnih odčitkov pri vašem tehtalnem projektu. Tehtalne celice se razlikujejo glede na njihovo največjo zmogljivost, fizično obliko in občutljivost:

• Največja zmogljivost: Na voljo so tehtalne celice za 1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg in celo več. Za optimalna natančnost, je dobro izbrati celico z največjim razponom, ki je čim bližje največji teži vaše aplikacije. Na primer, če želite stehtati do 4 kg, je idealna celica s 5 kg. Uporaba celice s 20 kg v tem razponu bo dala manj natančne odčitke.
• Mehanska konfiguracija: Najpogostejše so pravokotne palice za pritrditev na kuhinjske tehtnice, najdete pa lahko tudi modele v obliki črke S, diskaste, dvojne nosilce itd. Vsaka se bolje odziva na različne scenarije tehtanja.
• Kakovost in občutljivost: Natančnost bo odvisna tudi od kakovosti merilnikov in notranje konstrukcije. Kakovostne celice običajno ponujajo boljše rezultate in manjši zamik.
• Vrsta mostu: HX711 lahko deluje tako s celicami s polnim mostom kot s polmostom in celo podpira povezavo do dveh celic v konfiguraciji z dvojnim mostom.

Namestitev celice je prav tako ključnega pomena. Pazite, da sredinsko območje (občutljivi del palice) ne bo ovir, da se lahko pravilno deformira pod obremenitvijo, in sledite puščici, da jo namestite v smeri sile, ki jo želite izmeriti.

Mehanska zasnova in povezava: Kako sestaviti digitalno tehtnico s HX711

Ko gremo k praksi, je pomembno razumeti Kako sta tehtalna celica in modul HX711 fizično povezana in sestavljena. To so splošni koraki:

• Mehanska montaža: Za pritrditev tehtalne celice med podnožje in posodo ali ploščad, ki bo nosila težo, uporabite distančnike. Sredina celice mora ostati prosta in biti edini del, ki se pod obremenitvijo upogne.
• Smer sile: Bodite pozorni na puščico, vgravirano na celici, ki označuje smer, v katero je treba uporabiti utež.
• Električni priključek: Vsako od žic celice priključite na ustrezne nožice na HX711 po barvni kodi (rdeča na E+/VCC, črna na E-/GND, zelena na A+/Output+, bela na A-/Output-). Za več podrobnosti glejte vodnik za tehtalne celice.
• Povezava z mikrokrmilnikom: Iz druge vrste pinov na HX711 priključite GND in VCC na napajalnik, pina DT (podatki) in SCK (ura) pa na poljubna dva digitalna pina na Arduinu ali kateri koli drugi plošči, ki jo uporabljate.

V kopalniških tehtnicah ali bolj kompleksnih projektih se pogosto uporabljajo štiri preproste tehtalne celice razporejeni v kotih, katerih kabli morajo biti združeni z uporabo modul kombinatorja ali po ročni povezovalni shemi (natančno delo, pri katerem boste morali natančno preučiti podatkovni list in izmeriti upornost, da prepoznate vsako žico).

Za tiste, ki iščejo maksimalno natančnost, so na voljo kombiniralni moduli blagovnih znamk, kot je SparkFun, ki poenostavljajo ožičenje in omogočajo enostavno združevanje signalov vseh štirih senzorjev v en sam vhod, združljiv s HX711.

Wheatstonov most v praksi: prednosti in premisleki

Uporaba Wheatstonov most To ni naključje: omogoča natančno ojačanje sprememb upornosti v merilnikih deformacij, pri čemer uspe razrešiti zelo majhne razlike in doseči odlično linearnost pri meritvi.

V sistemih, kjer se uporablja samo ena štirižična tehtalna celica, je most že konfiguriran in ni treba zapletati stvari. Če želite zgraditi natančnejšo tehtnico z združevanjem več celic, jih boste morali povezati v en sam Wheatstonov most, ki sledi dobro definirani topologiji, ali pa uporabiti kombinatorne module. Inverzija izhodnega signala Do tega lahko pride, če se z naraščanjem teže odčitek zmanjša ali se obnaša nasprotno od pričakovanega; v tem primeru preprosto zamenjajte priključka kablov A+ in A-.

Napredne tehnične lastnosti HX711

Ta modul ponuja več koristi zaradi česar je zelo priljubljen:

• Ločljivost: Do 24 bitov, kar omogoča zaznavanje minimalnih sprememb teže.
• Programabilno ojačanje: Izbirate lahko med 128x ali 64x, odvisno od vaših potreb po občutljivosti.
• Nastavljiva frekvenca vzorčenja: Med 10 Hz in 80 Hz, kar omogoča prilagoditev hitrosti merjenja stabilnosti aplikacije.
• Združljivost: Podpira merilne celice s polnim mostom ali polmostom, z možnostjo odčitavanja do dveh celic v dvojni konfiguraciji.
• Zelo nizka poraba energije: V aktivnem delovanju manj kot 1.5 mA; idealno za naprave na baterije.
• Delovna temperatura: Zelo širok razpon, od -40 °C do +85 °C.
• Kompakten format: Zaradi svoje velikosti ga je enostavno integrirati v plošče in prototipe, z zatiči, pripravljenimi za spajkanje ali namestitev na testno ploščo.

Njegova dokumentacija je obsežna in obstaja velika skupnost razvijalcev, kar se odraža v dostopnosti primeri kode, knjižnice in spletni vodniki da hitro dokončate svoj projekt.

Kako programirati in kalibrirati digitalno tehtnico na osnovi HX711 in Arduina

Montaža strojne opreme je le polovica dela. Za pridobitev meritev teže natančno, sistem morate pravilno programirati in predvsem kalibrirati. Poglejmo kako to narediti korak za korakom:

Namestitev knjižnice HX711

Prvi korak je namestitev knjižnice, ki omogoča komunikacijo s HX711. Najbolj priljubljena in zanesljiva možnost je knjižnica, ki jo je ustvaril Bogde in je na voljo na GitHubu. Lahko jo prenesete ročno ali namestite neposredno iz Vodja knjigarne iz Arduino IDE, iskanje »HX711«.

Glavne funkcije knjižnice HX711

• začetek(PinPodatki, PinUra): Inicializirajte HX711 tako, da navedete podatkovne in taktne pine, ki se uporabljajo na vašem mikrokrmilniku.
• set_scale(lestvica s plavajočo snemalko): Določi vrednost na lestvici ali pretvorbeni faktor. To je bistveno, da odčitki ustrezajo dejanski teži.
• naloga(e): Izvede tariranje, torej nastavi meritev na nič s trenutno težo. n označuje število vzorcev, odvzetih za določitev tare.
• preberi(): Izvede enkratno branje signala iz notranjega ADC-ja HX711.
• prebrano_povprečje(n): Vrne povprečje n odčitkov; poveča stabilnost y natančnost meritve.
• pridobi_vrednost(n): Vrne odčitano vrednost minus tara teža. Če podate n, izračuna povprečje tega števila odčitkov.
• get_units(n): Težo izračunajte tako, da odštejete taro in rezultat delite s faktorjem skaliranja.

Te funkcije pokrivajo celoten cikel inicializacije, kalibracije, tariranja in odčitavanja tehtnice.

Kalibracija: bistveni korak za natančno merjenje

La umerjanje To vključuje prilagoditev faktorja merila, tako da digitalni odčitki HX711 ustrezajo dejanskim vrednostim teže v želenih enotah (običajno kilogramih ali gramih). Običajna tehnika je naslednja:

1. Brez kakršnega koli predmeta na tehtnici, zažene program za umerjanje, ki izvede tariranje (nastavitev tehtnice na nič).
2. Postavite predmet znane teže (v idealnem primeru bi morala biti blizu največje teže, ki jo boste izmerili) na tehtnici.
3. Zapišite neskalirano odčitano vrednost ki vam ga prikazuje serijski monitor. Običajno se povpreči več odčitkov.
4. Izračunajte faktor merila z uporabo formule: prebrana_vrednost / dejanska_teža = faktor_merila, pri čemer upoštevajte želene enote (na primer, če uporabite utež 4 kg in je odčitek 1.730.000, bo faktor merila 432500).
5. Spremenite program tako, da v funkcijo set_scale vnesete izračunano vrednost.
6. Ponovite odčitavanje. Dodajte ali odvzemite utež, da preverite natančnost meritve.

Kalibracija je občutljiva na položaj celice, togost nosilca, kakovost električnega stika in druge dejavnike. Če spremenite celico, način namestitve ali model, jo boste morali ponovno kalibrirati.

Primer kode za kalibracijo in tehtanje

Tipična skica za Arduino vključuje dva dela: kalibracijo in meritev. Kalibracijska skica omogoča interaktivno prilagajanje faktorja z uporabo serijskega monitorja (+ ali – za natančno nastavitev vrednosti tehtnice). Skica tehtanja preprosto prikaže odčitano težo na zaslonu z uporabo dobljenega faktorja.

Osnovna struktura kode bi bila naslednja (prirejena in povzeta, da se vsebina primerov ne bi dobesedno ponavljala):

• Vključuje knjižnico HX711.
• Določa pina DATA in CLOCK.
• Inicializira HX711 in izvede tariranje.
• V glavni zanki uporabite get_units() za prikaz teže, prebrane vsake pol sekunde.
• Omogoča vam spreminjanje kalibracijskega faktorja iz serijskega monitorja, če želite natančno nastaviti natančnost.

Ta metoda, ki so jo popularizirali SparkFun in drugi razvijalci, zagotavlja popolno kalibracijo, tudi če celica ni popolnoma enaka drugim istega modela.

Napredna integracija: kopalniške tehtnice, internet stvari in industrijski sistemi

Pri domačih projektih se tehtalne celice pogosto vzamejo iz komercialnih kopalniških tehtnic (običajno so opremljene s štirimi posameznimi senzorji). Če jih želite združiti in povezati s HX711, lahko uporabite modul združevanja ali sledite posebnim povezovalnim shemam, ki vam omogočajo, da z vsemi štirimi senzorji oblikujete Wheatstonov most. Če nimate modula združevanja, boste morali identificirati žice (običajno tri na senzor) in jih združiti z uporabo notranje reference upora med pari.

Integracija HX711 ne pozna meja. To je precej pogosto v projektih IoT (internet stvari), kjer se teža, ki jo spremlja digitalna tehtnica, pošlje v oblak z uporabo ESP8266, NodeMCU ali podobnega. To omogoča samodejno tehtanje, daljinsko upravljanje zalog, spremljanje plinskih jeklenk, rezervoarjev in drugih sistemov, katerih teža je ključni parameter.

V industrijskem sektorju robustnost in natančnost merilnika HX711 omogočata njegovo uporabo v avtomatskih dozirnih sistemih, avtomatskih sistemih za nadzor procesov, pakirnih strojih in medicinskih aplikacijah, saj je njegova ločljivost zadostna za merjenje od gramov do več deset kilogramov z veliko natančnostjo.

Priporočila in reševanje pogostih težav

Pri izdelavi lastnega sistema za tehtanje upoštevajte te nasvete:

• Izogibajte se prekomernim udarcem ali vibracijam na tehtalni celici, saj lahko poškodujejo merilnike ali vplivajo na umerjanje.
• Zagotavlja pravilno mehansko pritrditev da se izognete neenakomernim ali nestabilnim odčitkom. Sredinsko območje mora biti prosto, sila pa mora biti popolnoma poravnana z navedeno smerjo.
• Preverite električne povezaveSlab stik lahko povzroči nihanja ali šum v signalu, kar oteži kalibracijo.
• Če so odčitki nestabilni ali se spreminjajo v vakuumu, izvedite novo tariranje in se prepričajte, da je napajanje stabilno.
• Če se odčitani rezultat spreminja v obratni smeri (zmanjšuje se s težo), obrne povezave A+ in A-.

Če vaš projekt zahteva merjenje različnih območij teže ob različnih časih, ne pozabite ustrezno prilagoditi kalibracijskega faktorja. Vedno shranite kalibracijske vrednosti, pridobljene za vsako celico in konfiguracijo.

Značilnosti modula HX711 in možnosti trgovanja

Trg ponuja široko paleto združljivih modulov HX711, tako v specializiranih trgovinah kot na platformah za splošno uporabo. Običajno so opremljeni z tehtalnimi celicami različnih razponov (1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg) in imajo pine ali priključke za enostavno integracijo. Med pomembne lastnosti teh modulov spadajo:

• Delovna napetost: med 2.6 V in 5.5 V, kar omogoča njihovo uporabo s ploščami z napetostjo 3.3 V in 5 V.
• Zelo nizka poraba energije: manj kot 1.5 mA.
• Kompaktni formati: idealno za integracije v DIY projekte in prototipe.
• Dokumentacija in podpora: Skupnost in proizvajalci pogosto ponujajo vadnice, podatkovne liste in primere uporabe tako za Arduino kot za druge platforme.

Praktični primeri uporabe in aplikacij

Zaradi vsestranskosti tehtalnih celic in HX711 so primerne za široko paleto aplikacij:

• Digitalne gospodinjske in kuhinjske tehtnice: za tehtanje sestavin ali živil z največjo natančnostjo.
• Sistemi za nadzor plinskih jeklenk: Omogočajo daljinsko spremljanje stanja polnjenja, da se prepreči izčrpanost zalog.
• Nadzor zalog v skladiščih in trgovinah: Z neprekinjenim tehtanjem je mogoče preostalo zalogo spremljati v realnem času.
• Tehtnice, povezane z oblakom: Z uporabo plošč, kot je ESP8266, je mogoče zbrane podatke vizualizirati ali obdelati na spletnih platformah za napredno analizo.
• Medicinska oprema: kot so tehtnice za bolniške postelje, dozirni sistemi in spremljanje teže v laboratorijih.
• Robotika in avtomatski dozirni sistemi: da v vsakem procesu odmerijo pravo količino surovine.

V vseh teh primerih je protokol povezave in programiranja zelo podoben. Ko je celica umerjena, boste imeli zanesljive in natančne meritve, ki bodo izboljšale avtomatizacijo in nadzor vaših sistemov.

Kako izbrati pravi sistem za vaš projekt

Odločitev med uporabo celice z močjo 1 kg, 5 kg, 20 kg ali 50 kg, vrsto pritrditve in kalibracijo bo odvisna od vaših specifičnih potreb. Takole izberete pravo: nekaj kriterijev za najboljšo odločitev:

• Območje tehtanja: Izberite tehtalno celico z največjo nosilnostjo, ki je nekoliko višja od največje teže, ki jo boste običajno merili.
• Zahtevana natančnost: Če potrebujete natančnost do gramov, poiščite tehtalne celice z visoko občutljivostjo in nizkim razponom. Če vaša aplikacija tolerira napake v višini nekaj gramov ali deset gramov, se lahko odločite za modele z višjim razponom.
• Težavnost mehanske montaže: Modeli kuhinjskih tehtnic, ki se namestijo na palico, so lažji za namestitev. Za štiri senzorje na kopalniških tehtnicah boste morali delati na sestavljanju kablov ali kupiti kombinirani modul.
• Podpora za mikrokrmilnike: Moduli HX711 so združljivi s praktično vsako kartico, vendar se prepričajte, da sta napajalna napetost in logični nivoji pravilni.

Modularnost in nizka cena HX711 in njegovih tehtalnih celic sta demokratizirali tehnologijo elektronskega tehtanja, kar omogoča vsakemu izdelovalcu, študentu ali strokovnjaku, da si zgradi lasten merilni sistem z zagotovljenim uspehom.

Pravilna izbira, kalibracija in mehanska montaža določajo uspeh vašega projekta. Z zanesljivimi in stabilnimi meritvami lahko integrirate sisteme za krmiljenje, avtomatizacijo in spremljanje s profesionalnimi rezultati, tako v domači kot industrijski uporabi.