Σήμερα, η ακριβής μέτρηση βάρους και δύναμης Είναι βασικό τόσο σε βιομηχανικές εφαρμογές όσο και σε οικιακά και ερευνητικά έργα. Αν έχετε αναρωτηθεί ποτέ Τι είναι ένας αισθητήρας μετρητή τάσης; και πώς συμπληρώνει την Μονάδα HX711 Αν ψάχνετε έναν τρόπο να δημιουργήσετε ψηφιακές ζυγαριές υψηλής ακρίβειας, έχετε έρθει στο σωστό μέρος. Εδώ, θα αναλύσουμε κάθε πτυχή, από τη θεωρία έως την πράξη, ώστε να κατανοήσετε κάθε λεπτομέρεια και να μάθετε πώς να εφαρμόσετε το δικό σας σύστημα ζύγισης.
Τον τελευταίο καιρό η χρήση έχει γίνει δημοφιλής μετρητές τάσης μαζί με ενότητες όπως η HX711 στη δημιουργία αυτοσχέδιων ζυγαριών, προϊόντων οικιακού αυτοματισμού, ακόμη και σχολικών πειραμάτων. Το καλύτερο από όλα είναι ότι αυτά τα εξαρτήματα είναι οικονομικά προσιτά, συμβατά με πλατφόρμες όπως το Arduino και επιτρέπουν αξιόπιστες μετρήσεις σε επαγγελματικό επίπεδο Αν έχουν βαθμονομηθεί σωστά. Ας δούμε τα πάντα βήμα προς βήμα, από τη βασική λειτουργία έως την ενσωμάτωση και τον προγραμματισμό.
Τι είναι ένα τενόμετρο και πώς λειτουργεί;
La μετρητής τάσης είναι ένα πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας η οποία μετατρέπει μια παραμόρφωση (είτε από πίεση, έλξη είτε από συμπίεση) σε μια μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης, η οποία μας επιτρέπει να μετρήσουμε έμμεσα τις δυνάμεις ή το βάρος που ασκούνται σε μια επιφάνεια. Αυτή η ιδιότητα είναι θεμελιώδης για την ανίχνευση φορτίου στα σύγχρονα κελιά φορτίου..
Στον πιο βασικό σχεδιασμό του, ένας μετρητής αισθητήρα αποτελείται από ένα πολύ λεπτό μεταλλικό νήμα τοποθετημένο μέσα σε μια αυτοκόλλητη μεμβράνη. Όταν η δομή στην οποία είναι κολλημένο παραμορφώνεται, το νήμα τεντώνεται ή συμπιέζεται, αλλάζοντας την αντίστασή του. Αυτή η μεταβολή, αν και μικρή, είναι ανάλογη με τη δύναμη που ασκείται. και μπορεί να αναλυθεί ηλεκτρικά.
Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο Η αντίσταση του μετρητή αυξάνεται όταν τεντώνεται και μειώνεται όταν συμπιέζεται. Αυτό επιτρέπει τη μετατροπή της φυσικής προσπάθειας σε ένα επακριβώς μετρήσιμο ηλεκτρικό σήμα.
Αυτά τα όργανα μέτρησης έχουν συνήθως τυπικές τιμές αντίστασης, όπως 120Ω, 350Ω ή 1000Ω, και οι αλλαγές που προκαλούνται από τις παραμορφώσεις είναι ελάχιστες: για παράδειγμα, μια διακύμανση μόλις 0.12 Ω πάνω από 120 Ω για σημαντικά φορτία. Ωστόσο, χωρίς ένα κατάλληλο σύστημα ενίσχυσης και μέτρησης, αυτές οι μικρές διακυμάνσεις θα ήταν δύσκολο να ανιχνευθούν.
Κυψέλη φορτίου: η εφαρμογή μετρητών τάσης
ένα κελί φορτίου Είναι ένας μετατροπέας που χρησιμοποιεί μετρητές τάσης για να μετατρέπουν τις μηχανικές δυνάμεις σε ηλεκτρικά σήματαΗ αρχή λειτουργίας είναι απλή: ένα ή περισσότερα όργανα μέτρησης είναι προσαρτημένα σε μια μεταλλική δομή σχεδιασμένη να παραμορφώνεται προβλέψιμα υπό φορτίο. Όταν εφαρμόζεται βάρος, η δομή παραμορφώνεται, όπως και τα όργανα μέτρησης, και παράγεται ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο με την τάση.
Υπάρχουν διαφορετικοί τύποι κυψελών φορτίου (υδραυλικά, πνευματικά, μετρητές τάσης, κ.λπ.), αν και στα ηλεκτρονικά και στα ενσωματωμένα συστήματα ο πιο συνηθισμένος είναι ο μετρητής τάσης. Ο συνεπής σχεδιασμός του επιτρέπει ένα υψηλή ακρίβεια και σταθερότητα.
Τα κελιά ποικίλλουν σε μέγεθος, σχήμα, χωρητικότητα και μηχανική διάταξη, από μικρά που ζυγίζουν γραμμάρια έως βιομηχανικές εκδόσεις που ζυγίζουν τόνους.
Εσωτερικά, τα περισσότερα δυναμοκυψέλες τοποθετούν 1, 2 ή 4 μετρητές τάσης σχηματίζοντας μια γέφυρα Wheatstone., ένα ηλεκτρικό κύκλωμα ευαίσθητο σε μικρές διακυμάνσεις της αντίστασης.
Γέφυρα Γουίτστοουν: Το μυστικό της ευαισθησίας
El Γέφυρα Γουίτστοουν είναι ένα κύκλωμα τεσσάρων αντιστάσεων διατεταγμένων σε τετράγωνο, όπου ένα ή περισσότερα μπορεί να είναι μετρητές τάσης. Όταν δεν υπάρχει φορτίο, το κύκλωμα βρίσκεται σε ισορροπία και δεν υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των εξόδων του. Όταν τα μετρητές παραμορφώνονται, αυτή η ισορροπία διακόπτεται. και εμφανίζονται ανιχνεύσιμες διαφορές τάσης που αντικατοπτρίζουν το εφαρμοζόμενο φορτίο.
Αυτή η διαμόρφωση πολλαπλασιάζει την ευαισθησία στις αλλαγές στην αντίσταση και επιτρέπει την ανίχνευση μικρών διακυμάνσεων, οι οποίες θα ήταν αδύνατο να καταγραφούν διαφορετικά.
Σε οικιακές ή εργαστηριακές ζυγαριές, είναι σύνηθες να χρησιμοποιούνται τέσσερις μετρητές που σχηματίζουν μια πλήρη γέφυρα Wheatstone, όπως συμβαίνει με πολλές ζυγαριές μπάνιου και πλατφόρμες ζύγισης. Αυτό βοηθά στη μείωση των σφαλμάτων θερμοκρασίας και στη βελτίωση της γραμμικότητας και της ακρίβειας.
Γιατί χρειαζόμαστε την ενότητα HX711;
Αν και η γέφυρα Wheatstone ενισχύει τις διακυμάνσεις τάσης, οι αλλαγές είναι εξαιρετικά μικρές (της τάξης των μικροβόλτ). Μικροελεγκτές όπως το Arduino μετά βίας μπορούν να τα ανιχνεύσουν, πόσο μάλλον να κάνουν ακριβείς μετρήσεις.
El Μονάδα HX711 Είναι ένα τσιπ ειδικά σχεδιασμένο για συστήματα ζύγισης με κυψέλες φορτίου μετρητή τάσης, διευκολύνοντας ακριβείς μετρήσεις.
El HX711 λειτουργεί σαν ενισχυτής οργάνων y Μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) 24-bitΗ κύρια λειτουργία του είναι να:
- Λάβετε το διαφορικό σήμα από τη γέφυρα Wheatstone.
- Ενισχύστε το για εύκολη ανάγνωση.
- Μετατρέψτε το σε ψηφιακό σήμα υψηλής ανάλυσης ώστε ο μικροελεγκτής να μπορεί να το επεξεργαστεί.
Επιπλέον, το HX711 διαθέτει μια απλή ψηφιακή διεπαφή με μόνο 2 ακίδες (Ρολόι και Δεδομένα), παρόμοια με τον δίαυλο I2C, η οποία απλοποιεί τη σύνδεση και την επικοινωνία με το λογισμικό.
Χαρακτηριστικά της μονάδας HX711
El HX711 Ξεχωρίζει για την υψηλή ευαισθησία και το χαμηλό κόστος του. Μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά του είναι:
- Ακρίβεια 24-bit για την ανίχνευση ελάχιστων αλλαγών βάρους.
- Ενσωματωμένη και προγραμματιζόμενη ενίσχυση σήματος (συνήθως x128 ή x64).
- Δύο ανεξάρτητα αναλογικά κανάλια εισόδου.
- Ψηφιακή διεπαφή με 2 ακίδες (Σειριακά δεδομένα και Σειριακό ρολόι).
- Σίτιση του 2,6V σε 5,5V, συμβατό με το Arduino και άλλους μικροελεγκτές.
- Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Η μονάδα συνήθως διαθέτει δύο σειρές ακίδων: μία για σύνδεση με το κελί φορτίου και μία για τον μικροελεγκτή.
Αυτές οι καρφίτσες συνήθως επισημαίνονται ως: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKΤα τυπικά καλώδια κυψελών φορτίου είναι:
- Κόκκινο: Θετική διέγερση (E+ / VCC)
- Μαύρο: Αρνητική διέγερση (E- / GND)
- Λευκό: Αρνητική έξοδος (A-)
- Πράσινο: Θετική έξοδος (A+)
Τύποι σύνδεσης και παραλλαγές κυψελών φορτίου
Η τυπική καλωδίωση των κυψελών φορτίου είναι τετρασύρματη, αν και τα χρώματα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τον κατασκευαστή. Ορισμένες φθηνές ή ανακυκλωμένες εκδόσεις έχουν τρία καλώδια, ενώ οι πιο προηγμένες περιλαμβάνουν ένα πέμπτο κίτρινο ή μπλε καλώδιο για θωράκιση ή γείωση.
Σε οικιακά έργα, τα πιο συνηθισμένα δυναμοκυψέλες είναι 5 κιλά ή 20 κιλά, αν και υπάρχουν εκδόσεις έως και 50 kg ή περισσότερο για βιομηχανικές εφαρμογές.
Για να συνδέσετε πολλά κελιά, όπως σε ζυγαριές μπάνιου, ένα μονάδα συνδυαστή ή χειροκίνητη σύνδεση, η οποία απαιτεί ηλεκτρολογικές γνώσεις. Είναι σημαντικό να σημειώσετε την κατεύθυνση του βέλους στο στοιχείο για σωστή μέτρηση, διασφαλίζοντας ότι το κεντρικό τμήμα παραμένει ελεύθερο και η παραμόρφωση είναι η βέλτιστη.
Συναρμολόγηση ψηφιακής ζυγαριάς: υλικά και συνδέσεις
να χτίσει ένα ψηφιακή ζυγαριά Με τα τενοντόμετρα και το HX711, θα χρειαστείτε:
- Ένας μικροελεγκτής (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266, κ.λπ.).
- Τουλάχιστον ένα δυναμοκυψέλη (1kg, 5kg, 20kg… ανάλογα με τις ανάγκες).
- Μια μονάδα HX711.
- Μια άκαμπτη επιφάνεια για την πλατφόρμα.
- Καλώδια, συνδετήρες και βίδες.
Προαιρετικά, μπορείτε να προσθέσετε:
- Οθόνη ή οθόνη LCD για την ένδειξη του βάρους.
- Κουμπιά για απόβαρο και λειτουργία.
- Στηρίγματα ή πλάκες για τη δομή.
- Στοιχεία συνδεσιμότητας όπως WiFi ή Bluetooth με ESP8266/ESP32.
Οι συνδέσεις είναι απλές:
- Συνδέστε τα καλώδια των στοιχείων στις ακίδες HX711: Κόκκινο στο E+, Μαύρο στο E-, Λευκό στο A-, Πράσινο στο A+.
- VCC και GND του HX711 στα 5V και GND του μικροελεγκτή.
- DT και SCK του HX711 σε ψηφιακές ακίδες (παράδειγμα 3 και 2).
- Τοποθετήστε το στοιχείο στη δομή, διασφαλίζοντας ότι μόνο η κεντρική περιοχή παραμένει ελεύθερη για σωστή μέτρηση.
Προγραμματισμός με Arduino και βαθμονόμηση της κλίμακας
Για να διαβάσετε τα δεδομένα, το Βιβλιοπωλείο Bogde's HX711, διαθέσιμο στον Διαχειριστή Βιβλιοθήκης IDE του Arduino. Ορισμένα βασικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:
- έναρξη(pinData, pinClock): ξεκινήστε τη μονάδα.
- εργασία(-εις): ορίζει μηδενικό βάρος στη συνάρτηση απόβαρου.
- set_scale(κλίμακα): ορίζει τον παράγοντα που μετατρέπει τις μετρήσεις σε μονάδες βάρους.
- ανάγνωση() / ανάγνωση_μέσος_όρος(n): λάβετε ακατέργαστες ή μέσες μετρήσεις.
- get_value(n): επιστρέφει την ένδειξη χωρίς απόβαρο.
- get_units(n): προσφέρει ρύθμιση βάρους με τη ζυγαριά και το απόβαρο.
Η βαθμονόμηση συνίσταται στην τοποθέτηση ενός γνωστού βάρους, στη λήψη της ένδειξης και στον υπολογισμό του συντελεστή κλίμακας: ζυγαριά = ένδειξη / πραγματικό βάροςΣτη συνέχεια, εισάγεται στον κώδικα για προσαρμογή σε μελλοντικές μετρήσεις.
Συνιστάται η λήψη πολλαπλών μετρήσεων και η προσαρμογή του συντελεστή κλίμακας στην σειριακή οθόνη για την επίτευξη ακριβών και σταθερών αποτελεσμάτων.
Δείγματα προγραμμάτων για ψηφιακή ζυγαριά με HX711 και Arduino
Ένα απλό παράδειγμα που δείχνει το βάρος σε μια σειριακή οθόνη θα ήταν:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Αντικατάσταση με τη δική σας τιμή 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("Τρέχον βάρος: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("kg"); delay(500); }
Το σύστημα μπορεί να βελτιωθεί προσθέτοντας μια οθόνη LCD, κουμπιά ή αποθηκεύοντας την κλίμακα σε EEPROM για γρήγορες και ακριβείς βαθμονομήσεις, επιτυγχάνοντας μια πιο επαγγελματική εμπειρία.
Πιθανά προβλήματα και πρακτικές συμβουλές
1. Παραλλαγές στα χρώματα των καλωδίων: Ελέγξτε τις συνδέσεις χρησιμοποιώντας το φύλλο δεδομένων ή μετρώντας αντιστάσεις. Γενικά, το ζεύγος με την υψηλότερη αντίσταση αντιστοιχεί στη διέγερση (+/-).
2. Ασυνάρτητες αναγνώσεις: Αλλάξτε τους ακροδέκτες εξόδου A+ και A- εάν οι μετρήσεις φαίνονται αντίστροφες ή ακανόνιστες.
3. Μηχανική σταθερότητα: Βεβαιωθείτε ότι έχετε ασφαλίσει σωστά το κελί και ότι μόνο το κεντρικό τμήμα της δομής στηρίζει το βάρος για να αποφύγετε σφάλματα.
4. Θόρυβος και παρεμβολές: Χρησιμοποιήστε κοντά, θωρακισμένα καλώδια, εάν είναι δυνατόν, και μετακινήστε το σύστημα μακριά από πηγές ηλεκτρικού θορύβου.
5. Διακυμάνσεις θερμοκρασίας: Τα όργανα μέτρησης είναι ευαίσθητα στις θερμικές μεταβολές. Εάν είναι δυνατόν, πραγματοποιήστε βαθμονομήσεις υπό σταθερές συνθήκες ή χρησιμοποιήστε κυψέλες με 4 όργανα μέτρησης.
Επέκταση και πιθανές εφαρμογές του συστήματος
Με το λειτουργικό σας σύστημα, μπορείτε να προσθέσετε λειτουργίες:
- Εμφάνιση βάρους σε οθόνη LCD.
- Ορίστε ειδοποιήσεις για όρια βάρους.
- Συνδέστε το στο cloud μέσω ESP8266/ESP32 για απομακρυσμένη παρακολούθηση.
- Χρησιμοποιήστε το σε πειράματα, μέτρηση συστατικών, αυτοματισμούς, οικιακούς αυτοματισμούς κ.λπ.
Η ενσωμάτωση HX711 διευκολύνει εκπαιδευτικά έργα, έλεγχο αποθεμάτων, εμπορικές ζυγαριές, έλεγχο κυλίνδρων αερίου και πολλές άλλες δημιουργικές ιδέες.
