Danes je natančno merjenje teže in sile ključnega pomena v industrijskih aplikacijah, pa tudi v domačih in raziskovalnih projektih. Če ste se kdaj spraševali, kaj je senzor napetosti in kako deluje z modulom HX711 za ustvarjanje visoko natančnih digitalnih tehtnic, ste prišli na pravo mesto. Tukaj bomo razčlenili vse vidike, od teorije do prakse, da boste razumeli vsako podrobnost in se naučili, kako implementirati svoj sistem tehtanja.
V zadnjem času je uporaba merilnikov napetosti skupaj z moduli, kot je HX711, postala vse bolj priljubljena za izdelavo domačih tehtnic, pametnih domačih naprav in celo šolskih poskusov. Najboljše pri tem je, da so te komponente cenovno dostopne, združljive s platformami, kot je Arduino, in ob pravilni kalibraciji omogočajo zanesljive meritve na profesionalni ravni . Oglejmo si vse korak za korakom, od osnovnega delovanja do integracije in programiranja.
Kaj je merilnik napetosti in kako deluje?
Ni najdenih izdelkov
Merilnik napetosti je piezorezistivni senzor , ki pretvori deformacijo (bodisi tlak, napetost ali kompresijo) v spremembo električnega upora, kar nam omogoča posredno merjenje sil ali teže, ki delujejo na površino. Ta lastnost je bistvena za zaznavanje obremenitve v sodobnih tehtalnih celicah.
V svoji najosnovnejši zasnovi je merilnik napetosti sestavljen iz zelo tanke kovinske niti, vdelane v lepilni film. Ko se struktura, na katero je pritrjen, deformira, se nitka raztegne ali stisne, kar spremeni njen upor. Ta sprememba, čeprav majhna, je sorazmerna z uporabljeno silo in jo je mogoče električno izmeriti.
Piezorezistivni učinek v merilniku deformacij povzroči, da se njegova upornost poveča pri raztezanju in zmanjša pri stiskanju. To omogoča pretvorbo fizičnega napora v natančno merljiv električni signal.
Ti merilniki napetosti imajo običajno standardne vrednosti upornosti, kot so 120 Ω, 350 Ω ali 1000 Ω , spremembe, ki jih povzroči deformacija, pa so minimalne: na primer, odstopanje od 120 Ω za večje obremenitve znaša le 0.12 Ω. Vendar pa bi bilo brez ustreznega sistema za ojačanje in merjenje te majhne spremembe težko zaznati.
Tehtalna celica: uporaba merilnikov deformacij
Tehtalna celica je pretvornik, ki uporablja merilnike deformacij za pretvorbo mehanskih sil v električne signale . Načelo delovanja je preprosto: eden ali več merilnikov deformacij je pritrjenih na kovinsko konstrukcijo, ki je zasnovana tako, da se pod obremenitvijo predvidljivo deformira. Ko se nanjo uporabi teža, se konstrukcija deformira, merilniki deformacij se deformirajo in ustvari se električni signal, sorazmeren napetosti.
Obstajajo različne vrste tehtalnih celic (hidravlične, pnevmatske, merilniki deformacij itd.), čeprav je v elektroniki in vgrajenih sistemih najpogostejši merilnik deformacij. Njegova robustna zasnova omogoča visoko natančnost in stabilnost.
Celice se razlikujejo po velikosti, obliki, prostornini in mehanski razporeditvi, od majhnih, ki tehtajo več gramov, do industrijskih različic, ki tehtajo več ton.
Večina tehtalnih celic ima v notranjosti 1, 2 ali 4 merilnike napetosti, ki tvorijo Wheatstonov most , električno vezje, občutljivo na majhne spremembe upora.
Wheatstonov most: Skrivnost občutljivosti
Wheatstonov most je vezje štirih uporov, razporejenih v kvadrat , v katerem je lahko eden ali več deformacijskih merilnikov. Ko ni obremenitve, je vezje v ravnovesju in med njegovimi izhodi ni potencialne razlike. Ko so deformacijski merilniki deformirani, se to ravnovesje poruši in pojavijo se zaznavne napetostne razlike , ki odražajo uporabljeno obremenitev.
Ta konfiguracija pomnoži občutljivost na spremembe upora in omogoča zaznavanje najmanjših sprememb, ki jih sicer ne bi bilo mogoče zajeti.
V domačih ali laboratorijskih tehtnicah se običajno uporabljajo štirje merilniki, ki tvorijo popoln Wheatstonov most, tako kot pri mnogih kopalniških tehtnicah in tehtalnih ploščadih. To pomaga zmanjšati temperaturne napake ter izboljšati linearnost in natančnost.
Zakaj potrebujemo modul HX711?
Čeprav Wheatstonov most ojača spremembe napetosti, so te spremembe izjemno majhne (reda velikosti mikrovoltov). Mikrokrmilniki, kot je Arduino, jih komaj zaznajo, kaj šele izvajajo natančne meritve.
Modul HX711 je čip, posebej zasnovan za tehtalne sisteme z merilniki deformacij, ki omogoča natančno odčitavanje.
HX711 deluje kot instrumentalni ojačevalnik in 24-bitni analogno-digitalni pretvornik (ADC) . Njegova glavna funkcija je:
- Sprejmite diferencialni signal iz Wheatstonovega mostu.
- Ojačaj to za lahko branje.
- Pretvorite ga v digitalni signal visoke ločljivosti da ga lahko mikrokrmilnik obdela.
Poleg tega ima HX711 preprost digitalni vmesnik z le dvema pinoma (ura in podatki), podobno kot vodilo I2C, kar poenostavlja povezavo in komunikacijo s programsko opremo.
Značilnosti modula HX711
HX711 izstopa po visoki občutljivosti in nizki ceni. Nekatere njegove glavne značilnosti so :
- 24-bitna natančnost za zaznavanje minimalnih sprememb teže.
- Integrirano in programabilno ojačanje signala (običajno x128 ali x64).
- Dva neodvisna analogna vhodna kanala.
- Digitalni vmesnik z 2 pinoma (serijski podatki in serijska ura).
- Hranjenje 2,6 V do 5,5 V, združljiv z Arduinom in drugimi mikrokrmilniki.
- Nizka poraba energije.
Modul ima običajno dve vrsti pinov: eno za povezavo z merilno celico in eno za mikrokrmilnik.
Ti zatiči so običajno označeni: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCK . Tipične žice tehtalnih celic so:
- Rdeča: Pozitivno vzbujanje (E+ / VCC)
- Črno: Negativno vzbujanje (E- / GND)
- Bela: Negativni izhod (A-)
- Zelena: Pozitivni izhod (A+)
Vrste priključkov in različice tehtalnih celic
Standardna ožičenje tehtalnih celic je štirižilno, čeprav se barve lahko razlikujejo glede na proizvajalca. Nekatere poceni ali reciklirane različice imajo tri žice, medtem ko naprednejše vključujejo peto rumeno ali modro žico za zaščito ali ozemljitev.
Pri domačih projektih so najpogostejše tehtalne celice 5 kg ali 20 kg , čeprav obstajajo različice do 50 kg ali več za industrijsko uporabo.
Za povezavo več tehtalnih celic, na primer v kopalniških tehtnicah, se uporablja kombiniralni modul ali ročna povezava, kar zahteva znanje elektrotehnike. Za natančno merjenje je pomembno upoštevati smer puščice na tehtalni celici, pri čemer je treba zagotoviti, da osrednji del ostane čist in da je deformacija optimalna.
Sestavljanje digitalne tehtnice: materiali in povezave
Za izdelavo digitalne tehtnice z merilniki napetosti in HX711 boste potrebovali:
- Mikrokrmilnik (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266 itd.).
- Vsaj ena tehtalna celica (1 kg, 5 kg, 20 kg ... po potrebi).
- Modul HX711.
- Trda površina za platformo.
- Kabli, konektorji in vijaki.
Po želji lahko dodate:
- LCD-zaslon ali zaslon za prikaz teže.
- Gumbi za taro in način.
- Nosilci ali plošče za konstrukcijo.
- Komponente za povezljivost, kot sta WiFi ali Bluetooth, z ESP8266/ESP32.
Povezave so preproste:
- Priključite žice celice na pine HX711: rdečo na E+, črno na E-, belo na A-, zeleno na A+.
- VCC in GND HX711 na 5V in GND mikrokrmilnika.
- DT in SCK HX711 na digitalne pine (primer 3 in 2).
- Namestite celico na konstrukcijo in pazite, da za pravilno meritev ostane prosto le osrednje območje.
Programiranje z Arduinom in kalibracija tehtnice
Za branje podatkov se uporablja knjižnica HX711 podjetja Bogde , ki je na voljo v upravitelju knjižnic Arduino IDE. Nekatere ključne funkcije vključujejo:
- začetek(pinData, pinClock): zaženite modul.
- naloga(e): nastavi ničelno težo v funkciji tare.
- nastavi_skalo(skalo): definira faktor, ki pretvarja odčitke v enote teže.
- preberi() / preberi_povprečje(n): pridobite surove ali povprečne odčitke.
- pridobi_vrednost(n): vrne odčitek brez tare.
- get_units(n): ponuja težo, prilagojeno s tehtnico in taro.
Kalibracija vključuje postavitev znane uteži na tehtnico, odčitavanje in izračun faktorja merila: merilo = odčitek / dejanska teža . Ta faktor se nato vnese v kodo za prilagoditev prihodnjih odčitkov.
Priporočljivo je izvesti več meritev in prilagoditi faktor merila na serijskem monitorju, da dobite natančne in stabilne rezultate.
Vzorčni programi za digitalno tehtnico s HX711 in Arduinom
Preprost primer prikaza teže na serijskem monitorju bi bil:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Zamenjaj z lastno vrednostjo 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("Trenutna teža: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("kg"); delay(500); }
Sistem je mogoče izboljšati z dodajanjem LCD-zaslona, gumbov ali shranjevanjem tehtnice v EEPROM za hitre in natančne kalibracije, s čimer dosežete bolj profesionalno izkušnjo.
Možne težave in praktični nasveti
1. Razlike v barvah žic: preverite povezave s pomočjo podatkovnega lista ali z merjenjem uporov. Na splošno par z najvišjim uporom ustreza vzbujanju (+/-).
2. Nedosledni odčitki: Zamenjajte izhodna kabla A+ in A-, če so meritve obrnjene ali neenakomerne.
3. Mehanska stabilnost: Prepričajte se, da je celica pravilno pritrjena in da težo podpira le osrednji del konstrukcije, da se izognete napakam.
4. Šum in motnje: Če je mogoče, uporabite kratke, zaščitene kable in sistem postavite stran od virov električnega šuma.
5. Temperaturna nihanja: merilniki deformacij so občutljivi na toplotne spremembe; če je mogoče, kalibracije izvajajte v stabilnih pogojih ali uporabite celice s 4 merilniki deformacij.
Razširitev in možne uporabe sistema
Z operacijskim sistemom lahko dodate funkcije:
- Prikaz teže na LCD zaslonu.
- Nastavite opozorila za omejitve teže.
- Za oddaljeno spremljanje ga povežite z oblakom prek ESP8266/ESP32.
- Uporabite ga v poskusih, merjenju sestavin, avtomatizaciji, domači avtomatizaciji itd.
Integracija HX711 omogoča izobraževalne projekte, nadzor zalog, komercialne tehtnice, nadzor plinskih jeklenk in številne druge ustvarjalne ideje.
