Сьогодні, точне вимірювання ваги та міцності Це ключове як у промисловому застосуванні, так і в побутових та дослідницьких проектах. Якщо ви коли-небудь замислювалися... Що таке тензометричний датчик? і як це доповнює Модуль HX711 Якщо ви шукаєте спосіб створити високоточні цифрові ваги, ви потрапили за адресою. Тут ми розглянемо кожен аспект, від теорії до практики, щоб ви зрозуміли кожну деталь і навчилися впроваджувати власну систему зважування.
Останнім часом використання стало популярним тензодатчики разом із такими модулями, як HX711 у створенні саморобних ваг, продуктів домашньої автоматизації та навіть шкільних експериментів. Найкраще те, що ці компоненти доступні за ціною, сумісні з такими платформами, як Arduino, і дозволяють надійні вимірювання на професійному рівні Якщо вони правильно відкалібровані. Давайте розглянемо все крок за кроком, від базової роботи до інтеграції та програмування.
Що таке тензодатчик і як він працює?
La тензодатчик є п'єзорезистивний датчик яка перетворює деформацію (чи то тиском, розтягуванням, чи стисканням) на зміну електричного опору, що дозволяє нам опосередковано вимірювати сили або вагу, що прикладаються до поверхні. Ця властивість є фундаментальною для вимірювання навантаження в сучасних тензодатчиках..
У своїй найпростішій конструкції щуп складається з дуже тонка металева нитка розміщений всередині клейкої плівки. Коли структура, до якої він приклеєний, деформується, нитка розтягується або стискається, змінюючи свій опір. Ця зміна, хоча й невелика, пропорційна прикладеній силі. і можуть бути проаналізовані електрично.
П'єзорезистивний ефект Опір вимірювача збільшується при розтягуванні та зменшується при стисканні. Це дозволяє перетворити фізичне зусилля на точно вимірюваний електричний сигнал.
Ці вимірювачі зазвичай мають стандартні значення опору, такі як 120 Ом, 350 Ом або 1000 Ом, а зміни, спричинені деформаціями, мінімальні: наприклад, варіація лише на 0.12 Ом порівняно з 120 Ом для значних навантажень. Однак без відповідної системи підсилення та вимірювання ці невеликі варіації було б важко виявити.
Тензодатчик: застосування тензодатчиків
Una осередок завантаження Це перетворювач, який використовує тензодатчики для перетворюють механічні сили на електричні сигналиПринцип дії простий: один або декілька калібрів кріпляться до металевої конструкції, призначеної для передбачуваної деформації під навантаженням. Коли прикладається вага, конструкція деформується, як і калібри, і генерується електричний сигнал, пропорційний напруженню.
Існують різні типи тензодатчиків (гідравлічні, пневматичні, тензодатчики тощо), хоча в електроніці та вбудованих системах найпоширенішим є тензодатчик. Його узгоджена конструкція дозволяє висока точність і стабільність.
Комірки різняться за розміром, формою, ємністю та механічним розташуванням, від маленьких вагою грамів до промислових версій вагою тонн.
Всередині більшість тензодатчиків встановлюють 1, 2 або 4 тензодатчики, що утворюють місток Уїтстона., електричне коло, чутливе до невеликих коливань опору.
Міст Вітстона: секрет чутливості
El Міст Вітстона є ланцюг з чотирьох резисторів, розташованих у квадраті, в яких один або декілька можуть бути тензодатчиками. Коли немає навантаження, коло знаходиться в рівновазі, і між його виходами немає різниці потенціалів. Коли датчики деформуються, ця рівновага порушується. і з'являються помітні різниці напруги які відображають прикладене навантаження.
Ця конфігурація багаторазово збільшує чутливість до змін опору і дозволяє виявляти крихітні варіації, які інакше було б неможливо зафіксувати.
У домашніх або лабораторних вагах зазвичай використовуються чотири калібри, що утворюють повний міст Уїтстона, як це відбувається з багатьма ванними вагами та ваговими платформами. Це допомагає зменшити температурні похибки та покращити лінійність і точність.
Навіщо нам потрібен модуль HX711?
Хоча міст Уїтстона підсилює коливання напруги, зміни надзвичайно малі (порядку мікровольт). Мікроконтролери, такі як Arduino, ледве можуть їх виявити, не кажучи вже про точні вимірювання.
El Модуль HX711 Це чіп, спеціально розроблений для систем зважування з тензодатчиками, що забезпечує точні показники.
El HX711 працює як приладовий підсилювач y 24-бітний аналого-цифровий перетворювач (АЦП)Його основна функція полягає в тому, щоб:
- Отримайте диференціальний сигнал від моста Уїтстона.
- Посилити це для легкого читання.
- Перетворіть його на цифровий сигнал високої роздільної здатності щоб мікроконтролер міг його обробити.
Крім того, HX711 має простий цифровий інтерфейс лише з 2 контактами (Clock та Data), подібний до шини I2C, що спрощує підключення та зв'язок із програмним забезпеченням.
Особливості модуля HX711
El HX711 Він вирізняється високою чутливістю та низькою вартістю. Деякі з його основних характеристик:
- 24-бітна точність виявити мінімальні зміни ваги.
- Інтегроване та програмоване підсилення сигналу (зазвичай x128 або x64).
- Два незалежних аналогових вхідних канали.
- Цифровий інтерфейс з 2 контактами (послідовні дані та послідовний тактовий сигнал).
- годувати 2,6 В до 5,5 В, сумісний з Arduino та іншими мікроконтролерами.
- Низьке енергоспоживання.
Модуль зазвичай має два ряди контактів: один для підключення до тензодатчика, а інший - для мікроконтролера.
Ці шпильки зазвичай позначаються так: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKТипові кабелі тензодатчиків:
- Червоний: Позитивне збудження (E+ / VCC)
- негр: Негативне збудження (E- / GND)
- Білий: Негативний вихід (A-)
- Зелений: Позитивний вихід (A+)
Типи з'єднань та варіанти тензодатчиків
Стандартне підключення тензодатчиків чотирижильне, хоча кольори можуть відрізнятися залежно від виробника. Деякі недорогі або перероблені версії мають три дроти, тоді як більш просунуті включають п'ятий жовтий або синій провід для екранування або заземлення.
У домашніх проектах найпоширенішими тензодатчиками є 5 кг або 20 кг, хоча існують версії до 50 кг і більше для промислового застосування.
Щоб з'єднати кілька комірок, наприклад, у вазі для ванної кімнати, модуль об'єднувача або ручне підключення, яке вимагає знань з електротехніки. Важливо звернути увагу на напрямок стрілки на комірці для правильного вимірювання, забезпечуючи, щоб центральна частина залишалася вільною, а деформація була оптимальною.
Збірка цифрових ваг: матеріали та з'єднання
побудувати а цифрові ваги З тензодатчиками та HX711 вам знадобиться:
- Мікроконтролер (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266 тощо).
- Принаймні один тензодатчик (1 кг, 5 кг, 20 кг… за потреби).
- Модуль HX711.
- Жорстка поверхня для платформи.
- Кабелі, роз'єми та гвинти.
За бажанням, ви можете додати:
- РК-екран або дисплей для відображення ваги.
- Кнопки для тари та режиму.
- Опори або плити для конструкції.
- Компоненти підключення, такі як WiFi або Bluetooth, з ESP8266/ESP32.
Зв'язки прості:
- Підключіть дроти елемента живлення до контактів HX711: червоний до E+, чорний до E-, білий до A-, зелений до A+.
- VCC та GND мікроконтролера HX711 до 5V та GND мікроконтролера.
- DT та SCK HX711 до цифрових виводів (приклад 3 та 2).
- Встановіть комірку на конструкцію, переконавшись, що вільною залишається лише центральна область для правильного вимірювання.
Програмування за допомогою Arduino та калібрування ваг
Щоб прочитати дані, Книгарня Bogde's HX711, доступний у менеджері бібліотек Arduino IDE. Деякі ключові функції включають:
- почати(pinData, pinClock): запустити модуль.
- завдання(я): встановлює нульову вагу у функції тари.
- set_scale(масштаб): визначає коефіцієнт, який перетворює показання в одиниці ваги.
- зчитування() / зчитування_середнього(n): отримати необроблені або усереднені показники.
- отримати_значення(n): повертає показання без урахування ваги тари.
- get_units(n): пропонує вагу, скориговану за допомогою терезів та тари.
Калібрування полягає в розміщенні відомої ваги, знятті показань та обчисленні коефіцієнта масштабування: ваги = показання / фактична вагаПотім його вводять у код для коригування з урахуванням майбутніх показників.
Рекомендується виконати кілька вимірювань та налаштувати коефіцієнт масштабування на послідовному моніторі, щоб отримати точні та стабільні результати.
Приклади програм для цифрових ваг з HX711 та Arduino
Простий приклад, що показує вагу на моніторі послідовного порту, буде таким:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Замініть на власне значення 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("Поточна вага: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("кг"); delay(500); }
Систему можна вдосконалити, додавши РК-дисплей, кнопки або зберігши дані ваг в EEPROM для швидкого та точного калібрування, що підвищить професійність роботи.
Можливі проблеми та практичні поради
1. Варіації кольорів дротів: Перевірте з'єднання за допомогою технічного опису або вимірявши опір. Зазвичай пара з найбільшим опором відповідає збудженню (+/-).
2. Незв'язні читання: Поміняйте місцями вихідні дроти A+ та A-, якщо вимірювання здаються протилежними або нестабільними.
3. Механічна стійкість: Переконайтеся, що ви правильно закріпили комірку та що лише центральна частина конструкції підтримує вагу, щоб уникнути помилок.
4. Шум та перешкоди: Використовуйте короткі, екрановані кабелі, якщо можливо, та перемістіть систему подалі від джерел електричного шуму.
5. Коливання температури: Манометри чутливі до температурних змін; якщо можливо, виконуйте калібрування за стабільних умов або використовуйте комірки з 4 манометрами.
Розширення та можливі застосування системи
За допомогою вашої операційної системи ви можете додавати такі функції:
- Відображення ваги на РК-екрані.
- Встановіть сповіщення про обмеження ваги.
- Підключіть його до хмари через ESP8266/ESP32 для віддаленого моніторингу.
- Використовуйте його в експериментах, вимірюванні інгредієнтів, автоматизації, домашній автоматизації тощо.
Інтеграція з HX711 спрощує освітні проекти, контроль запасів, комерційні ваги, керування газовими балонами та багато інших креативних ідей.
