Какво е тензодатчик и как работи модулът HX711?: Пълно ръководство

Светът на инструментацията, роботиката и системите за претегляне се разви изключително много през последните години благодарение на интеграцията на сензори и електронни модули, които улесняват взаимодействието между физическия свят и микроконтролерите. Един от ключовите компоненти в тази технологична революция е тензодатчикът и неговият обичаен спътник - усилвателният модул HX711. И двата са се превърнали в почти незаменими елементи за тези, които искат да изградят прецизни цифрови везни, автоматизирани системи за контрол на теглото и всякакви проекти, където измерването на сили и тегла е от съществено значение.

Ако някога сте се чудили Как е възможно да се преобразува сила, приложена към обект, в електронна стойност, която може да бъде интерпретирана от Arduino, ESP8266 или друг микроконтролер?В тази статия ще намерите най-пълното, просто и ясно обяснение. Ще научите подробно какво представлява тензодатчикът, как работи, какви са видовете му, как да го свържете към модул HX711 и как можете да изведете проектите си за претегляне на следващото ниво, като интегрирате хардуер и софтуер като истински професионалист.

Какво е тензодатчик и защо е ключов за електронното измерване на теглото?

а зареждане клетка В най-основната си същност това е преобразувател, който трансформира приложената към него сила или налягане в електрически сигнал. Принципът на действие се крие във феномена на промяна в електрическото съпротивление, когато клетката се деформира под действието на товар.Ето защо те са известни още като преобразуватели на сила.

Терминът „преобразувател“ ви е познат, защото в електрониката това е компонент, способен да преобразува физическа величина (като налягане, звук или светлина) в обработваем сигнал. В този случай, тензодатчикът открива сили: когато приложите тежест върху него, той претърпява малка деформация, почти незабележима на пръв поглед, но достатъчна, за да промени електрическото съпротивление на тензодатчиците, които съдържа.

на тензодатчици Те са сърцето на тензодатчика. Представляват листове или нишки от изключително тънък проводим материал, които променят съпротивлението си в зависимост от удължението или компресията, на които е подложена материята, към която са залепени. Тази промяна, макар и малка, може да бъде открита и усилена, докато се превърне в сигнал за напрежение, който, надлежно дигитализиран, ни информира с... прецизност върху приложената сила.

За да се трансформира ефективно тази фина вариация в полезен сигнал, измервателните уреди са поставени в конфигурация, наречена Мостът УитстоунТази схема, класика в измерването на съпротивление, позволява усилване на малки разлики в съпротивлението и получаване на диференциален сигнал. По този начин, просто разтягане на материала причинява промяна в опъна, която може да бъде измерена и корелирана прецизно с приложената тежест.

Не всички тензодатчици са създадени еднакви. Има няколко вида:

• Хидравлични клетки: Базира се на компресията на флуид посредством бутало и цилиндър.
• Пневматични клетки: Те използват въздушно налягане върху диафрагма, измервайки получената деформация.
• Клетки за тензодатчици: Най-често срещани в електрониката и роботиката, поради лесната им интеграция и прецизност.

Въпреки че съществуват и други технологии (пиезоелектрични, капацитивни и др.), тензодатчици Те са най-често използваните в битови везни и промишлени системи за претегляне поради тяхната цена, надеждност и леснота на калибриране.

Вътрешни механизми: Мостът на Уитстон и предизвикателството на слабите сигнали

Основният елемент за използване на минималната вариация в съпротивлението, генерирана от измервателните уреди, е Мостът УитстоунТази схема, изобретена през 19-ти век, се основава на баланса на четири резистора, подредени във формата на ромб. Когато един или повече от тези резистори се променят (както се случва в тензодатчик, когато той се деформира), мостът се дебалансира и генерира потенциална разлика, пропорционална на промяната.

На практика, Типичната тензодатчик съдържа четири тензодатчика, разположени върху краката на моста на Уитстон.Когато приложите сила към клетката, два датчика се разтягат (увеличавайки съпротивлението си) и два се свиват (намалявайки го). По този начин мостът максимизира получената потенциална разлика и подобрява чувствителността.

Въпреки това умно споразумение, промените в съпротивата остават изключително малъкНапример, при манометър от 120 ома, значително налягане може да промени съпротивлението само с 0.12 ома. Това малко количество поставя две предизвикателства: високопрецизна електроника да се разграничат тези промени и освен това сигналът трябва да бъде усилен, преди да бъде дигитализиран и обработен от микроконтролер, който трудно може да открие директно такива слаби сигнали.

Това е мястото, където Усилвател HX711.

Модул HX711: мост между тензодатчика и микроконтролера

El HX711 модул Това е малка интегрална схема, която изпълнява основна функция в цифровите системи за претегляне: усилва, обработва и преобразува сигнала, получен от тензодатчика, в цифров вид, По този начин, Възможно е да се получат точни измервания на теглото и силата, които да се интерпретират от Arduino, ESP8266, PIC или друг микроконтролер..

Някои от основните му характеристики са:

• До 24-битова резолюция: ви позволява да получите a много висока прецизност при отчитане на теглото.
• Аналогово-цифрово преобразуване (ADC): преобразува усиления аналогов сигнал в цифрова стойност, готова за обработка.
• Програмируемо усилване: може да се регулира между 128x и 64x, което му позволява да се адаптира към различни приложения.
• Много ниска консумация на енергия: Идеален за преносими приложения или системи, захранвани от батерии.
• Гъвкавост при свързаност: Комуникацията се осъществява чрез два цифрови пина (Clock/SCK и Data/DT), подобно на I2C или SPI протокола.
• Диапазон на захранването от 2.6V до 5.5V: съвместим с различни електронни платформи.

Благодарение на тези характеристики, HX711 се превърна в Де факто стандарт за отчитане на тензодатчици в проекти „Направи си сам“ и в индустриалния сектор, тъй като това значително улеснява разработчика: не е необходимо да проектира сложни усилвателни схеми и може да се съсредоточи върху разработването на софтуера и логиката на системата за претегляне.

Модулът HX711 обикновено има два основни конектора: един за тензодатчика и един за микроконтролера. Връзката се основава на четири основни кабела:

• Червено (E+, VCC): положително възбуждащо напрежение.
• Черен (E-, GND): отрицателно възбуждащо напрежение.
• Бяло (A-): отрицателен входен сигнал (изход -).
• Зелено (А+): положителен входен сигнал (изход +).

Някои модели добавят пети проводник (жълт, YLW), който обикновено действа като заземяващ проводник или не се използва в стандартните конфигурации.

Видове и модели на тензодатчици: как да изберете правилния

Избор на подходяща тензодатчик Тензодатчиците са от решаващо значение за постигане на точни показания във вашия проект за претегляне. Теглодатчиците се различават в зависимост от максималния си капацитет, физическия форм-фактор и чувствителността:

• Максимален капацитет: Има динамометрични клетки за 1 кг, 5 кг, 20 кг, 50 кг и дори повече. За оптимална прецизност, добра идея е да изберете клетка с максимален обхват, който е възможно най-близък до максималното тегло на вашето приложение. Например, ако искате да претегляте до 4 кг, клетка от 5 кг е идеална. Използването на клетка от 20 кг в този диапазон ще ви даде по-ниска точност на показанията.
• Механична конфигурация: Най-често срещаните са правоъгълните пръти за монтаж на кухненски везни, но можете да намерите и S-образни, дискови, двулъчеви модели и др. Всеки един от тях реагира по-добре на различни сценарии на претегляне.
• Качество и чувствителност: Точността ще зависи и от качеството на измервателните уреди и вътрешната конструкция. Качествените клетки обикновено предлагат по-добри резултати и по-малко отклонение.
• Тип мост: HX711 може да работи както с пълномостови, така и с полумостови клетки и дори поддържа свързване на до две клетки в конфигурация с два моста.

Монтирането на клетката също е от решаващо значение. Уверете се, че централната зона (чувствителната част на пръта) е свободна от препятствия, за да може да се деформира правилно под натоварването, и следвайте стрелката, за да я инсталирате в посока на силата, която възнамерявате да измерите.

Механичен дизайн и свързване: Как да сглобите вашата дигитална везна с HX711

Преминавайки към практика, е важно да разберете Как са физически свързани и сглобени тензодатчикът и модулът HX711. Това са общите стъпки:

• Механична инсталация: Използвайте дистанционни елементи, за да закрепите тензодатчика между основата и контейнера или платформата, която ще поддържа тежестта. Центърът на клетката трябва да остане свободен и да бъде единствената част, която се огъва под натоварване.
• Посока на силата: Спазвайте стрелката, гравирана върху клетката, която показва посоката, в която трябва да се приложи тежестта.
• Електрическа връзка: Свържете всеки от проводниците на клетката към съответните пинове на HX711, следвайки цветовия код (червен към E+/VCC, черен към E-/GND, зелен към A+/Output+, бял към A-/Output-). За повече подробности вижте ръководство за тензодатчици.
• Връзка с микроконтролера: От другия ред пинове на HX711 свържете GND и VCC към захранването, а пиновете DT (Data) и SCK (Clock) към произволни два цифрови пина на Arduino или каквато и да е платка, която използвате.

В везни за баня или по-сложни проекти те често се използват четири прости тензодатчика разположени в ъглите, чиито кабели трябва да бъдат комбинирани с помощта на модул за комбиниране или следвайки ръчната схема на свързване (прецизна работа, при която ще трябва внимателно да изучите информационния лист и да измерите съпротивленията, за да идентифицирате всеки проводник).

За тези, които търсят максимална точност, има комбиниращи модули от марки като SparkFun, които опростяват окабеляването и ви позволяват лесно да комбинирате сигналите от всичките четири сензора в един вход, съвместим с HX711.

Мостът на Уитстон на практика: Предимства и съображения

Използването на Мостът Уитстоун Това не е случайно: позволява точно усилване на промените в съпротивлението в тензодатчиците, като успява да разреши много малки разлики и да постигне отлична линейност при измерването.

В системи, където се използва само една четирипроводна тензодатчица, мостът е вече конфигуриран и няма нужда да се усложняват нещата. Ако искате да изградите по-прецизен баланс чрез комбиниране на няколко клетки, ще трябва да ги свържете, за да образувате един мост на Уитстон, следвайки добре дефинирана топология, или да използвате комбинаторни модули. Инверсия на изходния сигнал Това може да се случи, ако с увеличаване на теглото показанието намалее или се държи по обратен на очаквания начин; в този случай просто разменете връзките на кабелите A+ и A-.

Разширени технически характеристики на HX711

Този модул предлага множество предимства което го прави много популярен:

• за решение: До 24 бита, което позволява откриване на минимални промени в теглото.
• Програмируемо усилване: Можете да избирате между 128x или 64x в зависимост от вашите нужди от чувствителност.
• Регулируема честота на дискретизация: Между 10 Hz и 80 Hz, което ви позволява да адаптирате скоростта на измерване към стабилността на приложението.
• съвместимост: Поддържа тензодатчици с пълен или полумостов тип, с възможност за отчитане на до две клетки в двойна конфигурация.
• Много ниска консумация на енергия: В активен режим, по-малко от 1.5 mA; идеален за устройства, захранвани от батерии.
• Работна температура: Много широк диапазон, от -40ºC до +85ºC.
• Компактен формат: Размерът му улеснява интегрирането му в платки и прототипи, с пинове, готови за запояване или монтаж на макета.

Документацията му е обширна и има голяма общност от разработчици, което се изразява в наличието на примери за код, библиотеки и онлайн ръководства за да завършите проекта си бързо.

Как да програмираме и калибрираме цифрова везна, базирана на HX711 и Arduino

Монтирането на обкова е само половината от работата. За да получите измервания на теглото точен, трябва да програмирате и най-вече да калибрирате системата правилно. Да видим как да го направите стъпка по стъпка:

Инсталиране на библиотеката HX711

Първата стъпка е да инсталирате библиотеката, която улеснява комуникацията с HX711. Най-популярният и надежден вариант е библиотеката, създадена от Bogde, достъпна в GitHub. Можете да я изтеглите ръчно или да я инсталирате директно от Управител на книжарница от Arduino IDE, търсейки „HX711“.

Основни функции на библиотеката HX711

• начало(PinData, PinClock): Инициализирайте HX711, като посочите пиновете за данни и тактовия сигнал, използвани на вашия микроконтролер.
• set_scale(мащаб с плаваща плаваща точка): Задава стойността на скалата или коефициента на преобразуване. Това е от съществено значение, за да съответстват показанията на действителното тегло.
• задача(и): Извършва тариране, т.е. задава измерването на нула с текущото тегло. n показва броя на пробите, взети за определяне на тарата.
• четене(): Извършва еднократно отчитане на сигнала от вътрешния аналогово-цифров преобразувател (ADC) на HX711.
• read_average(n): Връща средната стойност на n показания; увеличава стабилност y прецизност на измерването.
• get_value(n): Връща стойността на отчитането минус теглото на тарата. Ако подадете n, функцията осреднява този брой отчитания.
• get_units(n): Изчислете теглото, като извадите тарата и разделите резултата на коефициента на мащабиране.

Тези функции обхващат пълния цикъл на инициализация, калибриране, тариране и отчитане на кантара.

Калибриране: важна стъпка за точно измерване

La калибровка Това включва регулиране на коефициента на мащабиране, така че цифровите показания на HX711 да съответстват на действителните стойности на теглото в желаните единици (обикновено килограми или грамове). Обичайната техника е следната:

1. Без никакъв предмет на кантара, изпълнява калибровъчна програма, която извършва тариране (нулиране на кантара).
2. Поставете предмет с известно тегло (в идеалния случай трябва да е близо до максималното тегло, което ще измервате) на кантара.
3. Запишете немащабираната стойност на отчитането които ви показва серийният монитор. Обичайна практика е да се осреднят няколко показания.
4. Изчислете коефициента на мащабиране използвайки формулата: прочетена_стойност / действително_тегло = коефициент_на_мащаб, като вземете предвид желаните мерни единици (например, ако използвате тежест от 4 кг и отчитането е 1.730.000 432500 XNUMX, коефициентът на мащабиране ще бъде XNUMX).
5. Променете програмата така, че във функцията set_scale да въвеждате изчислената стойност.
6. Повторете отчитането. Добавете или премахнете тежест, за да проверите точността на измерването.

Калибрирането е чувствително към позицията на клетката, твърдостта на опората, качеството на електрическия контакт и други фактори. Ако промените клетката, метода на монтаж или модела, ще трябва да калибрирате отново.

Пример за код за калибриране и претегляне

Типичната скица на Arduino включва две части: калибриране и измерване. Калибрационната скица ви позволява интерактивно да регулирате коефициента, използвайки серийния монитор (+ или – за фина настройка на стойността на скалата). Скицата за претегляне просто показва отчетеното тегло на екрана, използвайки получения коефициент.

Основна структура на кода би била следната (адаптирана и обобщена, за да не се повтаря буквално съдържанието на примерите):

• Включва библиотеката HX711.
• Дефинира пиновете DATA и CLOCK.
• Инициализира HX711 и извършва тариране.
• В основния цикъл използвайте get_units(), за да показвате теглото, отчитано на всеки половин секунда.
• Позволява ви да променяте коефициента на калибриране от серийния монитор, ако искате да настроите фино точността.

Този метод, популяризиран от SparkFun и други разработчици, осигурява перфектно калибриране, дори ако клетката не е абсолютно същата като другите от същия модел.

Разширена интеграция: везни за баня, IoT и индустриални системи

В домашните проекти, тензодатчиците често се извличат от търговски везни за баня (те обикновено се предлагат с четири единични сензора). За да ги комбинирате и свържете към HX711, можете да използвате комбинаторен модул или да следвате специфични схеми за свързване, които ви позволяват да образувате мост на Уитстон с всичките четири сензора. Ако нямате комбинаторен модул, ще трябва да идентифицирате проводниците (обикновено по три на сензор) и да ги комбинирате, като използвате вътрешното съпротивление между двойките.

Интеграцията на HX711 не познава граници. Това е доста често срещано в IoT (Интернет на нещата) проекти, където теглото, наблюдавано от цифрова везна, се изпраща към облака с помощта на ESP8266, NodeMCU или подобен. Това ви позволява да извършвате автоматично претегляне, да управлявате дистанционно инвентара, да наблюдавате газови бутилки, резервоари и други системи, чието тегло е критичен параметър.

В индустриалния сектор, здравината и прецизността на HX711 позволяват използването му в автоматични дозиращи системи, автоматични системи за управление на процеси, опаковъчни машини и медицински приложения, тъй като разделителната му способност е достатъчна за измерване от грамове до десетки килограми с голяма точност.

Препоръки и разрешаване на често срещани проблеми

Когато изграждате своя собствена система за претегляне, имайте предвид тези съвети:

• Избягвайте прекомерни удари или вибрации върху тензодатчика, тъй като те могат да повредят измервателните уреди или да повлияят на калибрирането.
• Осигурява правилно механично фиксиране за да се избегнат неточни или нестабилни показания. Централната зона трябва да е свободна, а силата да е перфектно подравнена с посочената посока.
• Проверете електрическите връзкиЛошият контакт може да причини колебания или шум в сигнала, което затруднява калибрирането.
• Ако показанията са нестабилни или варират под вакуум, извършете ново тариране и се уверете, че захранването е стабилно.
• Ако отчетеният резултат варира в обратна посока (намалява с теглото), обръща връзките A+ и A-.

Също така, ако вашият проект изисква измерване на различни диапазони на теглото по различно време, не забравяйте да коригирате съответно коефициента на калибриране. Винаги запазвайте получените калибровъчни стойности за всяка клетка и конфигурация.

Характеристики на модула HX711 и опции за търговия

Пазарът предлага голямо разнообразие от съвместими HX711 модули, както в специализирани магазини, така и на платформи с общо предназначение. Те обикновено се предлагат с тензодатчици с различен диапазон (1 кг, 5 кг, 20 кг, 50 кг) и имат щифтове или конектори за лесна интеграция. Забележителни характеристики на тези модули включват:

• Работно напрежение: между 2.6V и 5.5V, което им позволява да се използват както с 3.3V, така и с 5V платки.
• Много ниска консумация на енергия: по-малко от 1.5 mA.
• Компактни формати: идеален за интеграции в „Направи си сам“ проекти и прототипи.
• Документация и поддръжка: Общността и производителите често предоставят уроци, информационни листове и примери за употреба както за Arduino, така и за други платформи.

Практически примери за употреба и приложения

Благодарение на гъвкавостта на динамометричните клетки и HX711, те са подходящи за голямо разнообразие от приложения:

• Цифрови домакински и кухненски везни: за претегляне на съставки или храни с максимална прецизност.
• Системи за мониторинг на газови бутилки: Те позволяват дистанционно наблюдение на състоянието на пълнене, за да се избегне изчерпване на запасите.
• Контрол на инвентара в складове и магазини: Чрез непрекъснато претегляне, оставащите запаси могат да бъдат наблюдавани в реално време.
• Свързани с облака везни: С помощта на платки като ESP8266, събраните данни могат да бъдат визуализирани или обработени на уеб платформи за разширен анализ.
• Медицинско оборудване: като например везни за болнични легла, дозиращи системи и следене на теглото в лаборатории.
• Роботика и автоматични дозиращи системи: да се дозира точното количество суровина във всеки процес.

Във всички тези случаи протоколът за свързване и програмиране е много сходен. След като клетката бъде калибрирана, ще имате надеждни и точни измервания, които ще подобрят автоматизацията и контрола на вашите системи.

Как да изберете правилната система за вашия проект

Решението между използването на клетка от 1 кг, 5 кг, 20 кг или 50 кг, видът на монтаж и калибрирането ще зависят от вашите специфични нужди. Ето как да изберете правилната: някои критерии за вземане на най-доброто решение:

• Диапазон на претегляне: Изберете тензодатчик с максимален капацитет, малко по-висок от максималното тегло, което обикновено измервате.
• Необходима точност: Ако се нуждаете от точност до грам, търсете тензодатчици с висока чувствителност и нисък диапазон. Ако приложението ви толерира грешки от няколко грама или десетки грамове, можете да изберете модели с по-висок диапазон.
• Трудност при механичното сглобяване: Моделите за кухненски везни, монтирани на лост, са по-лесни за инсталиране. За четири сензора на везни за баня ще трябва да работите по сглобяването на кабелите или да закупите комбиниран модул.
• Поддръжка на микроконтролери: Модулите HX711 са съвместими с почти всяка карта, но се уверете, че захранващото напрежение и логическите нива са правилни.

Модулността и ниската цена на HX711 и неговите тензодатчици демократизираха технологията за електронно претегляне, позволявайки на всеки производител, студент или професионалист да изгради своя собствена измервателна система с гарантиран успех.

Правилният избор, калибриране и механичен монтаж определят успеха на вашия проект. С надеждни и стабилни измервания можете да интегрирате системи за управление, автоматизация и мониторинг с професионални резултати, както в домашни, така и в промишлени приложения.