Dnes, přesné měření hmotnosti a síly Je klíčový jak v průmyslových aplikacích, tak v domácích a výzkumných projektech. Pokud jste se někdy zamýšleli Co je to tenzometrický senzor? a jak to doplňuje Modul HX711 Pokud hledáte způsob, jak vytvořit vysoce přesné digitální váhy, jste na správném místě. Zde si probereme všechny aspekty, od teorie po praxi, abyste pochopili každý detail a naučili se, jak implementovat vlastní vážící systém.
V poslední době se stalo populárním používání tenzometry spolu s moduly, jako je např. HX711 při tvorbě domácích vah, produktů pro domácí automatizaci a dokonce i školních experimentů. A co je nejlepší, tyto komponenty jsou cenově dostupné, kompatibilní s platformami jako Arduino a umožňují spolehlivá měření na profesionální úrovni Pokud jsou správně kalibrovány. Pojďme se na vše krok za krokem podívat, od základního ovládání až po integraci a programování.
Co je to tenzometr a jak funguje?
La tenzometr je piezorezistivní senzor která transformuje deformaci (ať už tlakem, tahem nebo kompresí) na změnu elektrického odporu, což nám umožňuje nepřímo měřit síly nebo hmotnost působící na povrch. Tato vlastnost je zásadní pro snímání zatížení v moderních snímačích zatížení..
Ve svém nejzákladnějším provedení se spárová měrka skládá z velmi jemné kovové vlákno umístěné uvnitř lepicí fólie. Když se struktura, ke které je přilepeno, deformuje, vlákno se natahuje nebo stlačuje, čímž se mění jeho odpor. Tato změna, i když malá, je úměrná vyvíjené síle. a lze jej analyzovat elektricky.
Piezorezistivní efekt Odpor měřidla se zvyšuje při natahování a snižuje při stlačování. To umožňuje transformaci fyzické síly na přesně měřitelný elektrický signál.
Tyto měřidla mají obvykle standardní hodnoty odporu, jako například 120Ω, 350Ω nebo 1000Ωa změny způsobené deformacemi jsou minimální: například odchylka pouhých 0.12 Ω oproti 120 Ω pro významné zatížení. Bez vhodného zesilovacího a měřicího systému by však bylo obtížné tyto malé odchylky detekovat.
Tenzometr: použití tenzometrů
A snímač zatížení Je to převodník, který používá tenzometry k převádět mechanické síly na elektrické signályPrincip fungování je jednoduchý: jeden nebo více měřidel je připevněno k kovové konstrukci, která je navržena tak, aby se při zatížení předvídatelně deformovala. Při působení hmotnosti se konstrukce deformuje, stejně jako měřidla, a generuje se elektrický signál úměrný namáhání.
Existují různé typy snímačů zatížení (hydraulické, pneumatické, tenzometrické atd.), ačkoli v elektronice a vestavěných systémech je nejběžnější tenzometrický snímač. Jeho konzistentní konstrukce umožňuje vysoká přesnost a stabilita.
Buňky se liší velikostí, tvarem, kapacitou a mechanickým uspořádáním, od malých o hmotnosti gramů až po průmyslové verze o hmotnosti tun.
Většina snímačů zatížení má uvnitř 1, 2 nebo 4 tenzometry, které tvoří Wheatstoneův můstek., elektrický obvod citlivý na malé změny odporu.
Wheatstoneův most: Tajemství citlivosti
El Wheatstoneův most je obvod se čtyřmi rezistory uspořádanými do čtverce, ve kterém jeden nebo více může být tenzometrů. Když není zátěž, obvod je v rovnováze a mezi jeho výstupy není žádný rozdíl potenciálů. Když jsou tenzometry deformovány, tato rovnováha je narušena. a objevují se detekovatelné rozdíly napětí které odrážejí aplikované zatížení.
Tato konfigurace znásobuje citlivost na změny odporu a umožňuje detekci drobných odchylek, které by jinak nebylo možné zachytit.
V domácích nebo laboratorních vahách je běžné používat čtyři měřidla tvořící úplný Wheatstoneův můstek, jak je tomu u mnoha koupelnových vah a vážících plošin. To pomáhá snížit teplotní chyby a zlepšit linearitu a přesnost.
Proč potřebujeme modul HX711?
Ačkoli Wheatstoneův můstek zesiluje změny napětí, změny jsou extrémně malé (řádově v mikrovoltech). Mikrokontroléry jako Arduino je sotva dokáží detekovat, natož provádět přesná měření.
El Modul HX711 Jedná se o čip speciálně navržený pro vážící systémy s tenzometrickými snímači, který usnadňuje přesné odečty.
El HX711 funguje to přístrojový zesilovač y 24bitový analogově-digitální převodník (ADC)Jeho hlavní funkcí je:
- Přijměte diferenciální signál z Wheatstoneova můstku.
- Zesilte to pro snadné čtení.
- Transformujte jej na digitální signál s vysokým rozlišením aby to mikrokontrolér mohl zpracovat.
HX711 navíc disponuje jednoduchým digitálním rozhraním s pouhými 2 piny (hodiny a data), podobným sběrnici I2C, což zjednodušuje připojení a komunikaci se softwarem.
Vlastnosti modulu HX711
El HX711 Vyniká vysokou citlivostí a nízkou cenou. Mezi jeho hlavní vlastnosti patří:
- 24bitová přesnost k detekci minimálních změn hmotnosti.
- Integrované a programovatelné zesílení signálu (obvykle x128 nebo x64).
- Dva nezávislé analogové vstupní kanály.
- Digitální rozhraní se 2 piny (sériová data a sériové hodiny).
- Krmení 2,6V až 5,5V, kompatibilní s Arduinem a dalšími mikrokontroléry.
- Nízká spotřeba energie.
Modul se obvykle dodává se dvěma řadami pinů: jednou pro připojení k snímači zatížení a jednou pro mikrokontrolér.
Tyto piny jsou obvykle označeny takto: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKTypické kabely pro snímače zatížení jsou:
- Červená: Kladné buzení (E+ / VCC)
- Black: Negativní buzení (E- / GND)
- Bílá: Záporný výstup (A-)
- Zelená: Kladný výstup (A+)
Typy připojení a varianty snímačů zatížení
Standardní zapojení snímačů hmotnosti je čtyřvodičové, i když barvy se mohou lišit v závislosti na výrobci. Některé levné nebo recyklované verze mají tři vodiče, zatímco pokročilejší verze obsahují pátý žlutý nebo modrý vodič pro stínění nebo uzemnění.
V domácích projektech jsou nejběžnějšími snímači zatížení 5 kg nebo 20 kg, ačkoli existují verze až do 50 kg nebo více pro průmyslové aplikace.
Pro propojení několika článků, například v koupelnových vahách, slučovací modul nebo ruční připojení, které vyžaduje znalosti elektrotechniky. Pro správné měření je důležité si všimnout směru šipky na cele a zajistit, aby střední část byla volná a deformace byla optimální.
Sestavení digitální váhy: materiály a připojení
postavit a digitální váha S tenzometry a HX711 budete potřebovat:
- Mikrokontrolér (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266 atd.).
- Alespoň jeden snímač hmotnosti (1 kg, 5 kg, 20 kg… dle potřeby).
- Modul HX711.
- Pevný povrch pro plošinu.
- Kabely, konektory a šrouby.
Volitelně můžete přidat:
- LCD obrazovka nebo displej pro zobrazení hmotnosti.
- Tlačítka pro táru a režim.
- Podpěry nebo desky pro konstrukci.
- Komponenty pro připojení, jako je WiFi nebo Bluetooth s ESP8266/ESP32.
Zapojení jsou jednoduchá:
- Připojte vodiče článku k pinům HX711: červený k E+, černý k E-, bílý k A-, zelený k A+.
- VCC a GND mikrokontroléru HX711 k 5V a GND.
- DT a SCK HX711 na digitální piny (příklad 3 a 2).
- Namontujte celu na konstrukci a ujistěte se, že pro správné měření zůstane volná pouze střední oblast.
Programování s Arduinem a kalibrace váhy
Pro čtení dat, Knihkupectví Bogde's HX711, dostupné ve Správci knihoven Arduino IDE. Mezi klíčové funkce patří:
- začátek(pinData, pinHodiny): spusťte modul.
- úkol(y): nastaví nulovou hmotnost ve funkci tárování.
- set_scale(měřítko): definuje faktor, který převádí naměřené hodnoty na jednotky hmotnosti.
- čtení() / průměr_čtení(n): získat hrubé nebo průměrné hodnoty.
- get_value(n): vrací naměřenou hodnotu bez hmotnosti táry.
- get_units(n): nabízí hmotnost upravenou pomocí váhy a táry.
Kalibrace spočívá v umístění známého závaží, odečtení hodnoty a výpočtu faktoru měřítka: váha = údaj / skutečná hmotnostPoté je zaveden do kódu pro úpravu pro budoucí čtení.
Doporučuje se provést více měření a upravit faktor měřítka na sériovém monitoru, aby se dosáhlo přesných a stabilních výsledků.
Ukázkové programy pro digitální váhu s HX711 a Arduinem
Jednoduchý příklad zobrazující váhu na sériovém monitoru by byl:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Nahraďte vlastní hodnotou 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("Aktuální hmotnost: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("kg"); delay(500); }
Systém lze vylepšit přidáním LCD displeje, tlačítek nebo uložením váhy do paměti EEPROM pro rychlé a přesné kalibrace, čímž se dosáhne profesionálnějšího zážitku.
Možné problémy a praktické rady
1. Variace v barvách drátů: Zkontrolujte zapojení pomocí datového listu nebo měřením odporů. Obecně platí, že dvojice s nejvyšším odporem odpovídá buzení (+/-).
2. Nesouvislé čtení: Pokud se měření zdají být obrácená nebo nepravidelná, prohoďte výstupní vodiče A+ a A-.
3. Mechanická stabilita: Ujistěte se, že jste buňku správně zajistili a že váhu nese pouze střední část konstrukce, abyste předešli chybám.
4. Hluk a rušení: Pokud je to možné, používejte krátké, stíněné kabely a přemístěte systém dále od zdrojů elektrického šumu.
5. Teplotní výkyvy: Měřidla jsou citlivá na teplotní změny; pokud je to možné, provádějte kalibrace za stabilních podmínek nebo používejte články se 4 měřidly.
Rozšíření a možné aplikace systému
S vaším operačním systémem můžete přidat funkce:
- Zobrazení hmotnosti na LCD displeji.
- Nastavte si upozornění na hmotnostní limity.
- Pro vzdálené monitorování jej připojte ke cloudu přes ESP8266/ESP32.
- Používejte jej v experimentech, měření ingrediencí, automatizaci, domácí automatizaci atd.
Integrace HX711 usnadňuje vzdělávací projekty, řízení zásob, komerční váhy, řízení plynových lahví a mnoho dalších kreativních nápadů.
