Heute die präzise Messung von Gewicht und Kraft Es ist sowohl in industriellen Anwendungen als auch in Haushalts- und Forschungsprojekten von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie sich jemals gefragt haben Was ist ein Dehnungsmessstreifensensor? und wie es die HX711-Modul Wenn Sie nach einer Möglichkeit suchen, hochpräzise digitale Waagen zu entwickeln, sind Sie hier genau richtig. Wir erklären Ihnen hier alle Aspekte von der Theorie bis zur Praxis, damit Sie jedes Detail verstehen und lernen, wie Sie Ihr eigenes Wiegesystem implementieren.
In jüngster Zeit ist die Verwendung von populär geworden Dehnungsmessstreifen zusammen mit Modulen wie dem HX711 bei der Herstellung von selbstgebauten Waagen, Heimautomatisierungsprodukten und sogar Schulexperimenten. Das Beste daran: Diese Komponenten sind erschwinglich, mit Plattformen wie Arduino kompatibel und ermöglichen zuverlässige Messungen auf professionellem Niveau Sofern sie richtig kalibriert sind. Schauen wir uns alles Schritt für Schritt an, von der Grundbedienung bis hin zur Integration und Programmierung.
Was ist ein Dehnungsmessstreifen und wie funktioniert er?
La Dehnungsmessstreifen ein piezoresistiver Sensor Dabei wird eine Verformung (durch Druck, Zug oder Kompression) in eine Änderung des elektrischen Widerstands umgewandelt, wodurch wir indirekt die auf eine Oberfläche ausgeübten Kräfte oder das Gewicht messen können. Diese Eigenschaft ist grundlegend für die Lasterfassung in modernen Wägezellen..
In ihrer einfachsten Ausführung besteht eine Fühlerlehre aus einem sehr feines metallisches Filament In einer Klebefolie untergebracht. Bei Verformung der Struktur, auf die es geklebt wird, dehnt oder komprimiert sich das Filament und verändert dadurch seinen Widerstand. Diese Änderung ist zwar gering, aber proportional zur ausgeübten Kraft. und können elektrisch analysiert werden.
Der piezoresistive Effekt Der Widerstand des Messgeräts erhöht sich bei Dehnung und verringert sich bei Kompression. Dadurch kann die körperliche Anstrengung in ein präzise messbares elektrisches Signal umgewandelt werden.
Diese Messgeräte haben in der Regel Standard-Widerstandswerte wie 120Ω, 350Ω oder 1000Ω, und die durch Verformungen verursachten Änderungen sind minimal: Beispielsweise beträgt die Abweichung bei erheblichen Belastungen nur 0.12 Ω gegenüber 120 Ω. Ohne ein geeignetes Verstärkungs- und Messsystem wären diese kleinen Abweichungen jedoch schwer zu erkennen.
Wägezelle: Die Anwendung von Dehnungsmessstreifen
Eine Wägezelle Es handelt sich um einen Wandler, der Dehnungsmessstreifen verwendet, um wandeln mechanische Kräfte in elektrische Signale umDas Funktionsprinzip ist einfach: Ein oder mehrere Messinstrumente sind an einer Metallstruktur befestigt, die sich unter Belastung vorhersehbar verformt. Bei Belastung verformt sich die Struktur, ebenso wie die Messinstrumente, und es wird ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zur Belastung ist.
Es gibt verschiedene Arten von Wägezellen (Hydraulik, Pneumatik, Dehnungsmessstreifen usw.), obwohl in der Elektronik und eingebetteten Systemen der Dehnungsmessstreifen am häufigsten verwendet wird. Sein konsistentes Design ermöglicht eine hohe Präzision und Stabilität.
Zellen variieren in Größe, Form, Kapazität und mechanischer Anordnung, von kleinen, Gramm schweren Zellen bis hin zu tonnenschweren Industrieversionen.
Die meisten Wägezellen sind intern mit 1, 2 oder 4 Dehnungsmessstreifen ausgestattet, die eine Wheatstone-Brücke bilden., ein elektrischer Schaltkreis, der auf kleine Widerstandsschwankungen reagiert.
Wheatstone-Brücke: Das Geheimnis der Empfindlichkeit
El Wheatstone-Brücke ein Schaltung aus vier quadratisch angeordneten Widerständen, wobei ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen vorhanden sein können. Ohne Last befindet sich der Schaltkreis im Gleichgewicht, und es besteht keine Potentialdifferenz zwischen seinen Ausgängen. Bei Verformung der Dehnungsmessstreifen wird dieses Gleichgewicht gestört. und erkennbare Spannungsunterschiede treten auf die die aufgebrachte Last widerspiegeln.
Diese Konfiguration vervielfacht die Empfindlichkeit gegenüber Widerstandsänderungen und ermöglicht die Erkennung winziger Abweichungen, die sonst nicht erfasst werden könnten.
Bei Haushalts- oder Laborwaagen werden üblicherweise vier Messgeräte verwendet, die eine vollständige Wheatstone-Brücke bilden, wie dies auch bei vielen Badezimmerwaagen und Wägeplattformen der Fall ist. Dies trägt dazu bei, Temperaturfehler zu reduzieren und Linearität und Genauigkeit zu verbessern.
Warum brauchen wir das HX711-Modul?
Obwohl die Wheatstone-Brücke Spannungsschwankungen verstärkt, die Änderungen sind äußerst gering (in der Größenordnung von Mikrovolt). Mikrocontroller wie Arduino können sie kaum erkennen, geschweige denn präzise Messungen durchführen.
El HX711-Modul Es handelt sich um einen Chip, der speziell für Wägesysteme mit Dehnungsmessstreifen-Wägezellen entwickelt wurde und genaue Messwerte ermöglicht.
El HX711 funktioniert wie Instrumentenverstärker y 24-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC)Seine Hauptfunktion besteht darin:
- Empfangen Sie das Differenzsignal von der Wheatstone-Brücke.
- Verstärken Sie es zum leichteren Lesen.
- Wandeln Sie es in ein hochauflösendes digitales Signal um damit der Mikrocontroller es verarbeiten kann.
Darüber hinaus verfügt der HX711 über eine einfache digitale Schnittstelle mit nur 2 Pins (Takt und Daten), ähnlich dem I2C-Bus, was die Verbindung und Kommunikation mit der Software vereinfacht.
Merkmale des HX711-Moduls
El HX711 Es zeichnet sich durch seine hohe Empfindlichkeit und niedrigen Kosten aus. Einige seiner Hauptmerkmale sind:
- 24-Bit-Präzision um minimale Gewichtsveränderungen zu erkennen.
- Integrierte und programmierbare Signalverstärkung (normalerweise x128 oder x64).
- Zwei unabhängige analoge Eingangskanäle.
- Digitale Schnittstelle mit 2 Pins (Serielle Daten und Serielle Uhr).
- Futter 2,6V bis 5,5V, kompatibel mit Arduino und anderen Mikrocontrollern.
- Niedriger Energieverbrauch.
Das Modul verfügt normalerweise über zwei Pinreihen: eine zum Anschluss an die Wägezelle und eine für den Mikrocontroller.
Diese Pins sind normalerweise wie folgt beschriftet: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKTypische Wägezellenkabel sind:
- Rot: Positive Erregung (E+ / VCC)
- Schwarz: Negative Erregung (E- / GND)
- Weiß: Negativer Ausgang (A-)
- Grün: Positiver Ausgang (A+)
Anschlussarten und Wägezellenvarianten
Die Standardverkabelung von Wägezellen ist vieradrig, wobei die Farben je nach Hersteller variieren können. Einige kostengünstige oder recycelte Versionen verfügen über drei Adern, während modernere Versionen einen fünften gelben oder blauen Draht zur Abschirmung oder Erdung enthalten.
In Heimprojekten sind die häufigsten Wägezellen 5 kg oder 20 kg, obwohl es für industrielle Anwendungen Versionen mit bis zu 50 kg oder mehr gibt.
Um mehrere Zellen zu verbinden, wie zum Beispiel in Personenwaagen, Combiner-Modul oder manueller Anschluss, der elektrische Kenntnisse erfordert. Für eine korrekte Messung ist es wichtig, die Pfeilrichtung auf der Zelle zu beachten, um sicherzustellen, dass der Mittelteil frei bleibt und die Verformung optimal ist.
Aufbau einer Digitalwaage: Materialien und Anschlüsse
Um eine zu bauen Digitalwaage Mit Dehnungsmessstreifen und HX711 benötigen Sie:
- Ein Mikrocontroller (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266 usw.).
- Mindestens eine Wägezelle (1 kg, 5 kg, 20 kg … je nach Bedarf).
- Ein HX711-Modul.
- Eine starre Oberfläche für die Plattform.
- Kabel, Stecker und Schrauben.
Optional können Sie Folgendes hinzufügen:
- LCD-Bildschirm oder Display zur Anzeige des Gewichts.
- Tasten für Tara und Modus.
- Stützen oder Platten für die Struktur.
- Konnektivitätskomponenten wie WLAN oder Bluetooth mit ESP8266/ESP32.
Die Verbindungen sind einfach:
- Verbinden Sie die Zellkabel mit den HX711-Pins: Rot mit E+, Schwarz mit E-, Weiß mit A-, Grün mit A+.
- VCC und GND des HX711 mit den 5V und GND des Mikrocontrollers.
- DT und SCK von HX711 zu digitalen Pins (Beispiel 3 und 2).
- Montieren Sie die Zelle an der Struktur und achten Sie darauf, dass nur der mittlere Bereich für eine korrekte Messung frei bleibt.
Programmieren mit Arduino und Kalibrieren der Waage
Um die Daten zu lesen, Bogdes HX711-Buchhandlung, verfügbar im Arduino IDE Library Manager. Einige wichtige Funktionen sind:
- begin(PinData, PinClock): Starten Sie das Modul.
- Aufgabe(n): setzt das Nullgewicht in der Tarafunktion.
- set_scale(Skala): definiert den Faktor, der Messwerte in Gewichtseinheiten umrechnet.
- lesen() / Durchschnitt lesen(n): Erhalten Sie Roh- oder Durchschnittswerte.
- get_value(n): gibt den Messwert ohne Taragewicht zurück.
- get_units(n): bietet das mit der Waage eingestellte Gewicht und Tara.
Die Kalibrierung besteht aus dem Auflegen eines bekannten Gewichts, dem Ablesen des Wertes und der Berechnung des Skalierungsfaktors: Waage = Ablesung / tatsächliches Gewicht. Es wird dann in den Code eingeführt, um zukünftige Messwerte anzupassen.
Es wird empfohlen, mehrere Messungen durchzuführen und den Skalierungsfaktor auf dem seriellen Monitor anzupassen, um genaue und stabile Ergebnisse zu erhalten.
Beispielprogramme für Digitalwaage mit HX711 und Arduino
Ein einfaches Beispiel für die Anzeige des Gewichts auf einem seriellen Monitor wäre:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Ersetzen Sie durch Ihren eigenen Wert byte pinData = 3; byte pinClk = 2; HX711-Waage; void setup() { Serial.begin(9600); balance.begin(pinData, pinClk); balance.set_scale(CALIBRATION); balance.tare(); } void loop() { Serial.print("Aktuelles Gewicht: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println(" kg"); delay(500); }
Das System kann durch Hinzufügen eines LCD-Displays, von Tasten oder durch Speichern der Skala im EEPROM für schnelle und genaue Kalibrierungen erweitert werden, wodurch ein professionelleres Erlebnis erreicht wird.
Mögliche Probleme und praktische Ratschläge
1. Variationen in den Kabelfarben: Überprüfen Sie die Anschlüsse anhand des Datenblatts oder durch Widerstandsmessung. Im Allgemeinen entspricht das Paar mit dem höchsten Widerstand der Erregung (+/-).
2. Inkohärente Lesarten: Tauschen Sie die Ausgangskabel A+ und A-, wenn die Messungen vertauscht oder unregelmäßig erscheinen.
3. Mechanische Stabilität: Stellen Sie sicher, dass Sie die Zelle richtig befestigen und dass nur der mittlere Teil der Struktur Gewicht trägt, um Fehler zu vermeiden.
4. Lärm und Störungen: Verwenden Sie nach Möglichkeit kurze, abgeschirmte Kabel und entfernen Sie das System von Quellen elektrischen Rauschens.
5. Temperaturschwankungen: Messgeräte reagieren empfindlich auf Temperaturschwankungen. Führen Sie Kalibrierungen nach Möglichkeit unter stabilen Bedingungen durch oder verwenden Sie Zellen mit 4 Messgeräten.
Ausbau und Einsatzmöglichkeiten des Systems
Mit Ihrem Betriebssystem können Sie Funktionen hinzufügen:
- Zeigt das Gewicht auf einem LCD-Bildschirm an.
- Legen Sie Warnmeldungen für Gewichtsgrenzen fest.
- Verbinden Sie es zur Fernüberwachung über ESP8266/ESP32 mit der Cloud.
- Verwenden Sie es für Experimente, zum Abmessen von Zutaten, zur Automatisierung, zur Heimautomatisierung usw.
Die HX711-Integration erleichtert Bildungsprojekte, Bestandskontrolle, kommerzielle Waagen, Gasflaschensteuerung und viele weitere kreative Ideen.
