Шта је мерна ћелија и како функционише HX711 модул?: Комплетан водич

Свет инструмената, роботике и система за мерење тежине се еволуирао последњих година захваљујући интеграцији сензора и електронских модула који олакшавају интеракцију између физичког света и микроконтролера. Једна од кључних компоненти у овој технолошкој револуцији је мерна ћелија и њен уобичајени пратилац, модул појачавача HX711. Оба су постала готово неопходни елементи за оне који желе да направе прецизне дигиталне ваге, аутоматизоване системе за контролу тежине и све врсте пројеката где је мерење сила и тежина неопходно.

Ако сте се икада питали Како је могуће претворити силу примењену на објекат у електронску вредност коју може да интерпретира Ардуино, ESP8266 или било који други микроконтролер?У овом чланку ћете пронаћи најпотпуније, најједноставније и најдиректније објашњење. Детаљно ћете сазнати шта је мерна ћелија, како функционише, које су њене врсте, како је повезати са HX711 модулом и како можете подићи своје пројекте мерења на виши ниво интегришући хардвер и софтвер као прави професионалац.

Шта је мерна ћелија и зашто је кључна за електронско мерење тежине?

А учитавање ћелије У својој најосновнијој суштини, то је претварач који трансформише силу или притисак који се на њега примењује у електрични сигнал. Принцип рада лежи у феномену промене електричног отпора када се ћелија деформише под дејством оптерећења.Зато су познати и као претварачи силе.

Термин претварач вам је познат јер се у електроници односи на компоненту способну да претвори физичку величину (као што је притисак, звук или светлост) у сигнал који се може обрадити. У овом случају, мерна ћелија детектује силе: када на њу делује тежина, она подлеже малој деформацији, готово неприметној на први поглед, али довољној да промени електрични отпор мерних мерача напрезања које садржи.

Тхе мерни инструменти за напрезање Они су срце мерне ћелије. То су листови или нити изузетно танког проводљивог материјала који мењају свој отпор у зависности од издужења или компресије коју трпи материјал на који су причвршћени. Ова промена, иако мала, може се детектовати и појачати док не постане напонски сигнал који нас, правилно дигитализован, обавештава са прецизност на примењену силу.

Да би се ова суптилна варијација ефикасно трансформисала у користан сигнал, мерачи су постављени у конфигурацију која се назива Витстонов мостОво коло, класично у мерењу отпора, омогућава појачавање малих разлика у отпору и добијање диференцијалног сигнала. Дакле, једноставно истезање материјала изазива промену затегнутости која се може мерити и прецизно повезати са примењеном тежином.

Нису све ћелије за мерење оптерећења једнаке. Постоји неколико врста:

• Хидрауличне ћелије: Засновано на компресији флуида помоћу клипа и цилиндра.
• Пнеуматске ћелије: Они користе притисак ваздуха на дијафрагму, мерећи резултујућу деформацију.
• Ћелије мерних мерача напрезања: Најчешћи су у електроници и роботици, због лакоће интеграције и прецизности.

Иако постоје и друге технологије (пиезоелектричне, капацитивне итд.), мерни инструменти за напрезање Најчешће се користе у кућним вагама и индустријским системима за мерење због своје цене, поузданости и лакоће калибрације.

Унутрашњи рад: Витстонов мост и изазов слабих сигнала

Основни елемент за искоришћавање минималне варијације отпора коју генеришу мерачи јесте Витстонов мостОво коло, изумљено у 19. веку, заснива се на балансирању четири отпорника распоређена у облику ромба. Када се један или више ових отпорника промени (као што се дешава код мерног инструмента за напрезање када се деформише), мост постаје неуравнотежен и генерише потенцијалну разлику пропорционалну промени.

У пракси, Типична мерна ћелија садржи четири мерача напрезања распоређена на ногама Витстоновог мостаКада примените силу на ћелију, два мерача се истежу (повећавајући свој отпор), а два се компресују (смањујући га). На тај начин, мост максимизира добијену потенцијалну разлику и побољшава осетљивост.

Упркос овом паметном аранжману, промене отпора остају изузетно малиНа пример, на манометру од 120 ома, значајан притисак може променити отпор за само 0.12 ома. Ова мала количина представља два изазова: а високопрецизна електроника да би се разликовале ове промене и, поред тога, сигнал мора бити појачан пре него што га дигитализује и обради микроконтролер, који тешко може директно да детектује тако слабе сигнале.

Овде је HX711 појачало.

HX711 модул: мост између мерне ћелије и микроконтролера

El HX711 модул То је мало интегрисано коло које обавља основну функцију у дигиталним системима за мерење тежине: појачава, кондиционира и претвара сигнал добијен из мерне ћелије у дигитални. Овуда, Могуће је добити прецизна мерења тежине и силе која се могу интерпретирати помоћу Arduino, ESP8266, PIC или било ког другог микроконтролера..

Неке од његових главних карактеристика су:

• Резолуција до 24 бита: омогућава вам да добијете а веома висока прецизност у очитавању тежине.
• Аналогно-дигитална конверзија (ADC): претвара појачани аналогни сигнал у дигиталну вредност спремну за обраду.
• Програмабилно појачање: може се подесити између 128x и 64x, што му омогућава да се прилагоди различитим апликацијама.
• Веома ниска потрошња енергије: Идеално за преносиве апликације или системе на батерије.
• Флексибилност у повезивању: Комуницира преко два дигитална пина (Clock/SCK и Data/DT), слично I2C или SPI протоколу.
• Распон напајања од 2.6V до 5.5V: компатибилан са различитим електронским платформама.

Захваљујући овим карактеристикама, HX711 је постао Де факто стандард за очитавање мерних ћелија у „уради сам“ пројектима и у индустријском сектору, јер програмеру знатно олакшава живот: не морају да пројектују сложена кола за појачавање и могу се фокусирати на развој софтвера и логике система за мерење тежине.

Модул HX711 обично има два главна конектора: један за мерну ћелију и један за микроконтролер. Веза се заснива на четири главна кабла:

• Црвена (Е+, ВЦЦ): позитивни напон побуде.
• Црна (E-, GND): негативни напон побуде.
• Бела (А-): негативни улазни сигнал (излаз -).
• Зелена (А+): позитивни улазни сигнал (излаз +).

Неки модели додају пету жицу (жуту, YLW), која обично служи као референца за уземљење или се не користи у стандардним конфигурацијама.

Типови и модели мерних ћелија: како одабрати праву

Избор одговарајуће ћелије за мерење оптерећења Мерне ћелије су кључне за постизање тачних очитавања у вашем пројекту мерења. Мерне ћелије се разликују у зависности од њиховог максималног капацитета, физичког облика и осетљивости:

• Максимални капацитет: Постоје мерне ћелије за 1 кг, 5 кг, 20 кг, 50 кг, па чак и више. За оптимална прецизност, добра је идеја да изаберете ћелију са максималним опсегом који је што је могуће ближи максималној тежини ваше примене. На пример, ако желите да мерите тежину до 4 кг, ћелија од 5 кг је идеална. Коришћење ћелије од 20 кг у том опсегу даће вам мању тачност очитавања.
• Механичка конфигурација: Најчешће су правоугаоне шипке за монтажу на кухињске ваге, али можете пронаћи и моделе у облику слова S, диск, двоструке греде итд. Свака од њих боље реагује на различите сценарије мерења.
• Квалитет и осетљивост: Тачност ће такође зависити од квалитета мерача и унутрашње конструкције. Квалитетне ћелије обично нуде боље резултате и мање померање.
• Тип моста: HX711 може да ради и са ћелијама са пуним мостом и са полумостом, па чак подржава повезивање до две ћелије у конфигурацији са два моста.

Монтирање ћелије је такође кључно. Уверите се да средишње подручје (осетљиви део шипке) није слободно од препрека како би се могло правилно деформисати под оптерећењем и пратите стрелицу да бисте је инсталирали у смеру силе коју намеравате да мерите.

Механички дизајн и повезивање: Како саставити дигиталну вагу са HX711

Прелазећи на вежбање, важно је разумети Како су мерна ћелија и HX711 модул физички повезани и склопљени. Ово су општи кораци:

• Механичка инсталација: Користите одстојнике да бисте осигурали мерну ћелију између основе и контејнера или платформе која ће носити тежину. Средиште ћелије треба да остане слободно и да буде једини део који се савија под оптерећењем.
• Правац силе: Посматрајте стрелицу угравирану на ћелији, која показује смер у којем треба применити тежину.
• Електрични прикључак: Повежите сваку од жица ћелије са одговарајућим пиновима на HX711 пратећи код боја (црвена на E+/VCC, црна на E-/GND, зелена на A+/Output+, бела на A-/Output-). За више детаља погледајте водич за мерне ћелије.
• Веза са микроконтролером: Из другог реда пинова на HX711, повежите GND и VCC на напајање, а DT (Data) и SCK (Clock) пинове на било која два дигитална пина на Arduino-у или било којој плочи коју користите.

У купатилским вагама или сложенијим пројектима, често се користе четири једноставне ћелије за мерење оптерећења распоређени у угловима, чији каблови морају бити спојени помоћу модул комбинера или праћењем ручног дијаграма повезивања (прецизан посао у којем ћете морати пажљиво проучити технички лист и измерити отпоре да бисте идентификовали сваку жицу).

За оне који траже максималну тачност, постоје комбинаторни модули брендова попут SparkFun-а који поједностављују ожичење и омогућавају вам да лако комбинујете сигнале са сва четири сензора у један улаз компатибилан са HX711.

Витстонов мост у пракси: Предности и разматрања

Употреба Витстонов мост Ово није случајност: омогућава прецизно појачавање промена отпора у мерним мерачима напрезања, успевајући да реши веома мале разлике и добије одличну линеарност у мерењу.

У системима где се користи само једна четворожична мерна ћелија, мост је већ конфигурисан и нема потребе за компликовањем ствари. Ако желите да направите прецизнију вагу комбиновањем више ћелија, мораћете да их повежете да би формирале један Витстонов мост, пратећи добро дефинисану топологију, или да користите модуле комбиновања. Инверзија излазног сигнала Ово се може десити ако се, како се тежина повећава, очитавање смањује или се понаша супротно од очекиваног; у том случају, једноставно замените повезивање каблова А+ и А-.

Напредне техничке карактеристике HX711

Овај модул нуди вишеструке користи што га чини веома популарним:

• Резолуција: До 24 бита, што омогућава детекцију минималних промена тежине.
• Програмабилно појачање: Можете бирати између 128x или 64x у зависности од ваших потреба за осетљивошћу.
• Подесива брзина узорковања: Између 10 Hz и 80 Hz, што вам омогућава да прилагодите брзину мерења стабилности апликације.
• Компатибилност: Подржава мерне ћелије са пуним или полумостом, са могућношћу очитавања до две ћелије у двострукој конфигурацији.
• Веома ниска потрошња енергије: У активном раду, мање од 1.5 mA; идеално за уређаје на батерије.
• Радна температура: Веома широк опсег, од -40ºC до +85ºC.
• Компактни формат: Његова величина олакшава интеграцију у плоче и прототипове, са пиновима спремним за лемљење или инсталирање на плочу за израду.

Његова документација је опсежна и постоји велика заједница програмера, што се претвара у доступност примери кода, библиотеке и онлајн водичи да брзо завршите свој пројекат.

Како програмирати и калибрисати дигиталну вагу базирану на HX711 и Arduino-у

Монтирање хардвера је само пола посла. Да бисте добили мерења тежине тачно, потребно је да програмирате и, пре свега, правилно калибришете систем. Да видимо како то учинити корак по корак:

Инсталирање HX711 библиотеке

Први корак је инсталирање библиотеке која олакшава комуникацију са HX711. Најпопуларнија и најпоузданија опција је библиотека коју је креирао Bogde, доступна на GitHub-у. Можете је преузети ручно или је инсталирати директно са Менаџер књижаре из Arduino IDE-а, тражећи „HX711“.

Главне функције HX711 библиотеке

• почетак(ПинПодаци, ПинСат): Иницијализујте HX711 тако што ћете назначити пинове података и такта који се користе на вашем микроконтролеру.
• set_scale(скала са покретним плутајућим бројем): Додељује вредност скале или фактор конверзије. Ово је неопходно да би очитавања одговарала стварној тежини.
• задатак(и): Врши тарирање, односно поставља мерење на нулу са тренутном тежином. n означава број узорака узетих за дефинисање таре.
• прочитај(): Врши једно очитавање сигнала са интерног АЦП-а HX711.
• просечно_читање(n): Враћа просек n очитавања; повећава стабилност y прецизност мерења.
• get_value(n): Враћа вредност очитавања умањену за тежину таре. Ако се проследи n, усредњава тај број очитавања.
• гет_јединице(н): Израчунајте тежину тако што ћете одузети тару и поделити резултат са фактором скалирања.

Ове функције покривају комплетан циклус иницијализације, калибрације, тарирања и очитавања ваге.

Калибрација: суштински корак за прецизно мерење

La калибрација Ово подразумева подешавање фактора скалирања тако да дигитална очитавања HX711 одговарају стварним вредностима тежине у жељеним јединицама (обично килограмима или грамима). Уобичајена техника је следећа:

1. Без икаквог предмета на ваги, покреће програм калибрације који врши тару (постављање ваге на нулу).
2. Поставите предмет познате тежине (идеално би било да буде близу максималне тежине коју ћете мерити) на ваги.
3. Запишите нескалирану очитану вредност које вам серијски монитор приказује. Уобичајено је да се усредња неколико очитавања.
4. Израчунајте фактор скалирања користећи формулу: очитана_вредност / стварна_тежина = фактор_размере, узимајући у обзир јединице које желите (на пример, ако користите тег од 4 кг и очитавање је 1.730.000, фактор скалирања ће бити 432500).
5. Измените програм тако да у функцији set_scale унесете израчунату вредност.
6. Поновите очитавање. Додајте или уклоните тежину да бисте проверили тачност мерења.

Калибрација је осетљива на положај ћелије, крутост носача, квалитет електричног контакта и друге факторе. Ако промените ћелију, начин инсталације или модел, мораћете поново да је калибришете.

Пример кода за калибрацију и мерење тежине

Типична Ардуино скица садржи два дела: калибрацију и мерење. Калибрациона скица вам омогућава да интерактивно подесите фактор користећи серијски монитор (+ или – за фино подешавање вредности скале). Скица за мерење тежине једноставно приказује очитану тежину на екрану користећи добијени фактор.

Основна структура кода би била следећа (прилагођена и сумирана, како се не би дословно понављао садржај примера):

• Укључује HX711 библиотеку.
• Дефинише пинове DATA и CLOCK.
• Иницијализује HX711 и врши тару.
• У главној петљи, користите get_units() да бисте приказали тежину очитану сваке пола секунде.
• Омогућава вам да измените фактор калибрације са серијског монитора ако желите да фино подесите тачност.

Ова метода, коју су популаризовали SparkFun и други програмери, обезбеђује савршену калибрацију чак и ако ћелија није потпуно иста као и друге истог модела.

Напредна интеграција: купатилске ваге, Интернет ствари и индустријски системи

У кућним пројектима, мерне ћелије се често преузимају из комерцијалних купатилских вага (обично долазе са четири појединачна сензора). Да бисте их комбиновали и повезали са HX711, можете користити модул комбинатора или пратити специфичне дијаграме повезивања који вам омогућавају да формирате Витстонов мост са сва четири сензора. Ако немате модул комбинатора, мораћете да идентификујете жице (обично три по сензору) и комбинујете их користећи референцу унутрашњег отпора између парова.

Интеграција HX711 је безгранична. Прилично је уобичајена у IoT (Интернет ствари) пројектима, где се тежина коју прати дигитална вага шаље у облак помоћу ESP8266, NodeMCU или сличног. Ово вам омогућава аутоматско мерење тежине, даљинско управљање залихама, праћење гасних боца, резервоара и других система чија је тежина критични параметар.

У индустријском сектору, робусност и прецизност HX711 омогућавају његову употребу у аутоматским системима за дозирање, аутоматским системима за управљање процесима, машинама за паковање и медицинским применама, јер је његова резолуција довољна за мерење од грама до десетина килограма са великом тачношћу.

Препоруке и решавање уобичајених проблема

Када правите сопствени систем за мерење тежине, имајте на уму ове савете:

• Избегавајте прекомерне ударце или вибрације на мерној ћелији, јер могу оштетити мераче или утицати на калибрацију.
• Обезбеђује исправну механичку фиксацију да би се избегла погрешна или нестабилна очитавања. Централна област мора бити слободна, а сила савршено усклађена са назначеним правцем.
• Проверите електричне везеЛош контакт може изазвати флуктуације или шум у сигналу, што отежава калибрацију.
• Ако су очитавања нестабилна или варирају под вакуумом, извршите ново тарирање и уверите се да је напајање стабилно.
• Ако се очитани резултат мења обрнуто (смањује се са тежином), инвертира А+ и А- везе.

Такође, ако ваш пројекат захтева мерење различитих опсега тежине у различито време, не заборавите да подесите фактор калибрације у складу са тим. Увек сачувајте вредности калибрације добијене за сваку ћелију и конфигурацију.

Карактеристике HX711 модула и опције трговања

Тржиште нуди широк избор компатибилних HX711 модула, како у специјализованим продавницама, тако и на платформама опште намене. Обично долазе са мерним ћелијама различитих опсега (1 кг, 5 кг, 20 кг, 50 кг) и имају пинове или конекторе за лаку интеграцију. Значајне карактеристике ових модула укључују:

• Радни напон: између 2.6 V и 5.5 V, што им омогућава да се користе са плочама од 3.3 V и 5 V.
• Веома ниска потрошња енергије: мање од 1.5 мА.
• Компактни формати: идеално за интеграције у „уради сам“ пројекте и прототипове.
• Документација и подршка: Заједница и произвођачи често пружају туторијале, техничке листове и примере употребе и за Ардуино и за друге платформе.

Практични примери употребе и примене

Захваљујући свестраности мерних ћелија и HX711, оне су погодне за широк спектар примена:

• Дигиталне кућне и кухињске ваге: за мерење састојака или хране са максималном прецизношћу.
• Системи за праћење гасних боца: Омогућавају вам даљинско праћење статуса пуњења како бисте избегли да вам понестане залиха.
• Контрола залиха у складиштима и продавницама: Континуираним мерењем, преостале залихе се могу пратити у реалном времену.
• Ваге повезане са облаком: Користећи плоче попут ESP8266, прикупљени подаци могу се визуализовати или обрадити на веб платформама за напредну анализу.
• Медицинска опрема: као што су ваге за болничке кревете, системи за дозирање и праћење тежине у лабораторијама.
• Роботика и аутоматски системи за дозирање: да дозира праву количину сировина у сваком процесу.

У свим овим случајевима, протокол повезивања и програмирања је веома сличан. Када се ћелија калибрише, имаћете поуздана и тачна мерења која ће побољшати аутоматизацију и контролу ваших система.

Како одабрати прави систем за ваш пројекат

Одлука између коришћења ћелије од 1 кг, 5 кг, 20 кг или 50 кг, типа монтаже и калибрације зависиће од ваших специфичних потреба. Ево како да изаберете праву: неки критеријуми за доношење најбоље одлуке:

• Распон мерења тежине: Изаберите мерну ћелију са максималним капацитетом мало већим од максималне тежине коју ћете обично мерити.
• Потребна тачност: Ако вам је потребна тачност до грама, потражите мерне ћелије са високом осетљивошћу и ниским опсегом. Ако ваша апликација толерише грешке од неколико грама или десетина грама, можете се одлучити за моделе са вишим опсегом.
• Тешкоће механичке монтаже: Модели кухињских вага који се монтирају на шипку су лакши за инсталацију. За четири сензора на купатилским вагама, мораћете да радите на склапању каблова или да купите комбиновани модул.
• Подршка за микроконтролер: HX711 модули су компатибилни са практично сваком картицом, али се уверите да су напон напајања и логички нивои исправни.

Модуларност и ниска цена HX711 и његових мерних ћелија демократизовали су технологију електронског мерења, омогућавајући сваком произвођачу, студенту или професионалцу да изгради сопствени систем мерења са загарантованим успехом.

Правилан избор, калибрација и механичка монтажа одређују успех вашег пројекта. Са поузданим и стабилним мерењем, можете интегрисати системе за управљање, аутоматизацију и праћење са професионалним резултатима, како у кућним тако и у индустријским применама.