Wat is een loadcell en hoe werkt de HX711-module?: Een complete gids

De wereld van instrumentatie, robotica en weegsystemen heeft zich de afgelopen jaren enorm ontwikkeld dankzij de integratie van sensoren en elektronische modules die de interactie tussen de fysieke wereld en microcontrollers vergemakkelijken. Een van de belangrijkste componenten in deze technologische revolutie is de loadcell en zijn gebruikelijke metgezel, de HX711-versterkermodule. Beide zijn bijna onmisbare elementen geworden voor wie nauwkeurige digitale weegschalen, geautomatiseerde gewichtscontrolesystemen en allerlei projecten wil bouwen waarbij het meten van krachten en gewichten essentieel is.

Als je jezelf ooit hebt afgevraagd Hoe kun je een kracht die op een object wordt uitgeoefend, omzetten in een elektronische waarde die door een Arduino, een ESP8266 of een andere microcontroller kan worden geïnterpreteerd?In dit artikel vindt u de meest complete, eenvoudige en overzichtelijke uitleg. U leert in detail wat een loadcell is, hoe deze werkt, welke soorten er zijn, hoe u deze aansluit op een HX711-module en hoe u uw weegprojecten naar een hoger niveau kunt tillen door hardware en software te integreren als een echte professional.

Wat is een loadcell en waarom is het essentieel voor elektronische gewichtsmeting?

een weegcel Het is in de meest basale vorm een ​​transducer die de kracht of druk die erop wordt uitgeoefend omzet in een elektrisch signaal. Het werkingsprincipe berust op het verschijnsel dat er variatie in elektrische weerstand optreedt wanneer de cel onder invloed van een belasting wordt vervormd.Daarom worden ze ook wel genoemd krachttransducers.

De term transducer is u bekend omdat het in de elektronica een component is dat een fysieke grootheid (zoals druk, geluid of licht) kan omzetten in een verwerkbaar signaal. In dit geval detecteert de loadcell krachten: wanneer u er gewicht op zet, ondergaat deze een kleine vervorming, die op het eerste gezicht bijna niet waarneembaar is, maar voldoende om de elektrische weerstand van de rekstrookjes die erin zitten te veranderen.

De rekstrookjes Ze vormen het hart van de loadcell. Het zijn platen of draden van extreem dun geleidend materiaal waarvan de weerstand verandert afhankelijk van de uitrekking of compressie van het materiaal waaraan ze bevestigd zijn. Deze verandering, hoewel klein, kan worden gedetecteerd en versterkt totdat het een spanningssignaal wordt dat, na digitalisering, ons informeert over nauwkeurigheid op de toegepaste kracht.

Om deze subtiele variatie effectief om te zetten in een bruikbaar signaal, worden de meters in een configuratie geplaatst die Wheatstone-brugDeze schakeling, een klassieker in weerstandsmeting, maakt het mogelijk om kleine weerstandsverschillen te versterken en een differentieel signaal te verkrijgen. Zo veroorzaakt een simpele uitrekking van het materiaal een spanningsverandering die nauwkeurig kan worden gemeten en gecorreleerd met het toegepaste gewicht.

Niet alle weegcellen zijn hetzelfde. Er zijn verschillende soorten:

• Hydraulische cellen: Gebaseerd op de compressie van een vloeistof door middel van een zuiger en een cilinder.
• Pneumatische cellen: Ze meten de vervorming die ontstaat door de luchtdruk op een membraan.
• Rekstrookcellen: Het meest voorkomend in elektronica en robotica, vanwege hun eenvoudige integratie en precisie.

Hoewel er andere technologieën bestaan ​​(piëzo-elektrisch, capacitief, enz.), rekstrookjes Ze worden het meest gebruikt voor huishoudelijke weegschalen en industriële weegsystemen vanwege hun kosten, betrouwbaarheid en eenvoudige kalibratie.

Innerlijke werking: de Wheatstone-brug en de uitdaging van zwakke signalen

Het fundamentele element om te profiteren van de minimale variatie in weerstand die door de meters wordt gegenereerd, is de Wheatstone-brugDeze schakeling, uitgevonden in de 19e eeuw, is gebaseerd op de balans van vier weerstanden die in een ruitvorm zijn geplaatst. Wanneer een of meer van deze weerstanden veranderen (zoals gebeurt bij een rekstrookje wanneer deze vervormd wordt), raakt de brug uit balans en genereert een potentiaalverschil dat evenredig is met de verandering.

In praktijk, Een typische weegcel bevat vier rekstrookjes die op de poten van de Wheatstone-brug zijn aangebrachtWanneer je kracht op de cel uitoefent, rekken twee meters uit (verhoogt hun weerstand) en drukken er twee samen (verlaagt deze). Zo maximaliseert de brug het verkregen potentiaalverschil en verbetert de gevoeligheid.

Ondanks deze slimme regeling blijven er veranderingen in de resistentie bestaan extreem kleinBijvoorbeeld, op een 120 ohm-meter kan een aanzienlijke druk de weerstand met slechts 0.12 ohm veranderen. Deze kleine hoeveelheid brengt twee uitdagingen met zich mee: hoogprecieze elektronica om deze veranderingen te kunnen onderscheiden, moet het signaal bovendien worden versterkt voordat het wordt gedigitaliseerd en verwerkt door een microcontroller, die dergelijke zwakke signalen nauwelijks rechtstreeks kan detecteren.

Dit is waar de HX711 versterker.

HX711-module: brug tussen loadcell en microcontroller

El HX711-module Het is een klein geïntegreerd circuit dat een fundamentele functie vervult in digitale weegsystemen: versterkt, conditioneert en zet het signaal verkregen van de loadcell om in digitale. Op deze manier Het is mogelijk om nauwkeurige metingen van gewicht en kracht te verkrijgen die door een Arduino, ESP8266, PIC of een andere microcontroller kunnen worden geïnterpreteerd..

Enkele van de belangrijkste kenmerken zijn:

• Resolutie tot 24-bits: maakt het mogelijk om een zeer hoge precisie bij het meten van het gewicht.
• Analoog-naar-digitaal conversie (ADC): zet het versterkte analoge signaal om in een digitale waarde die klaar is voor verwerking.
• Programmeerbare versterking: kan worden aangepast tussen 128x en 64x en is daardoor geschikt voor verschillende toepassingen.
• Zeer laag energieverbruik: Ideaal voor draagbare toepassingen of op batterijen werkende systemen.
• Flexibiliteit in connectiviteit: Het communiceert via twee digitale pinnen (Clock/SCK en Data/DT), vergelijkbaar met het I2C- of SPI-protocol.
• Voedingsbereik van 2.6V tot 5.5V: compatibel met verschillende elektronische platforms.

Dankzij deze eigenschappen is de HX711 de De facto standaard voor het uitlezen van weegcellen in doe-het-zelfprojecten en in de industriële sector, omdat dit het leven voor de ontwikkelaar aanzienlijk eenvoudiger maakt: ze hoeven geen complexe versterkingsschakelingen te ontwerpen en kunnen zich richten op de ontwikkeling van de software en logica van het weegsysteem.

De HX711-module heeft doorgaans twee hoofdaansluitingen: één voor de loadcell en één voor de microcontroller. De verbinding is gebaseerd op vier hoofdkabels:

• Rood (E+, VCC): positieve excitatiespanning.
• Zwart (E-, GND): negatieve excitatiespanning.
• Wit (A-): negatieve signaalingang (Uitgang -).
• Groen (A+): positieve signaalingang (Uitgang +).

Bij sommige modellen is er een vijfde draad (geel, YLW) aanwezig, die doorgaans als aardingsreferentie fungeert of in standaardconfiguraties niet wordt gebruikt.

Load cell-typen en -modellen: hoe kiest u de juiste?

Het selecteren van de juiste weegcel Weegcellen zijn cruciaal voor het verkrijgen van nauwkeurige metingen in uw weegproject. Weegcellen variëren afhankelijk van hun maximale capaciteit, fysieke vormfactor en gevoeligheid:

• Maximale capaciteit: Er zijn loadcellen voor 1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg en zelfs hoger. Voor een optimale precisieHet is een goed idee om een ​​cel te kiezen met een maximaal bereik dat zo dicht mogelijk bij het maximale gewicht van uw toepassing ligt. Als u bijvoorbeeld tot 4 kg wilt wegen, is een cel van 5 kg ideaal. Een cel van 20 kg in dat bereik geeft lagere meetnauwkeurigheden.
• Mechanische configuratie: Het meest gebruikelijk zijn rechthoekige staven voor montage op keukenweegschalen, maar er bestaan ​​ook S-vormige, schijfvormige, dubbele balkmodellen, etc. Elk model reageert beter op verschillende weegsituaties.
• Kwaliteit en gevoeligheid: De nauwkeurigheid hangt ook af van de kwaliteit van de meters en de interne constructie. Hoogwaardige cellen bieden doorgaans betere resultaten en minder drift.
• Brugtype: De HX711 kan werken met zowel full-bridge- als half-bridgecellen en ondersteunt zelfs de aansluiting van maximaal twee cellen in een dual-bridgeconfiguratie.

De montage van de cel is ook cruciaal. Zorg ervoor dat het middengedeelte (het gevoelige deel van de staaf) vrij blijft van obstakels, zodat deze goed kan vervormen onder belasting. Volg de pijl om de cel te installeren in de richting van de kracht die u wilt meten.

Mechanisch ontwerp en aansluiting: uw digitale weegschaal monteren met de HX711

Om verder te gaan met de praktijk, is het belangrijk om te begrijpen Hoe de loadcell en de HX711-module fysiek met elkaar verbonden en geassembleerd zijn. Dit zijn de algemene stappen:

• Mechanische installatie: Gebruik afstandhouders om de loadcell te bevestigen tussen de basis en de container of het platform dat het gewicht zal dragen. Het midden van de cel moet vrij blijven en het enige onderdeel zijn dat meebeweegt onder belasting.
• Richting van de kracht: Kijk naar de pijl die op de cel is gegraveerd. Deze geeft de richting aan waarin het gewicht moet worden toegepast.
• Elektrische aansluiting: Sluit elke celdraad aan op de corresponderende pinnen op de HX711 volgens de kleurcode (rood op E+/VCC, zwart op E-/GND, groen op A+/Output+, wit op A-/Output-). Zie de gids voor weegcellen.
• Verbinding met de microcontroller: Sluit op de andere rij pinnen op de HX711 GND en VCC aan op de voeding en sluit de pinnen DT (Data) en SCK (Clock) aan op twee digitale pinnen op de Arduino of op welk bord je ook gebruikt.

Bij badkamerweegschalen of complexere projecten worden ze vaak gebruikt vier eenvoudige weegcellen in de hoeken aangebracht, waarvan de kabels moeten worden gecombineerd met behulp van een combinermodule of door het handmatige aansluitschema te volgen (een precisieklus waarbij u het gegevensblad zorgvuldig moet bestuderen en de weerstanden moet meten om elke draad te identificeren).

Voor degenen die maximale nauwkeurigheid zoeken, zijn er combinermodules van merken zoals SparkFun. Deze vereenvoudigen de bedrading en zorgen ervoor dat u eenvoudig de signalen van alle vier de sensoren kunt combineren in één ingang die compatibel is met de HX711.

De Wheatstone-brug in de praktijk: voordelen en overwegingen

Het gebruik van Wheatstone-brug Dat is geen toeval: hiermee kunnen veranderingen in de weerstand van rekstrookjes nauwkeurig worden versterkt, kunnen zeer kleine verschillen worden opgelost en kan een uitstekende lineariteit in de meting worden verkregen.

In systemen waar slechts één vierdraads loadcell wordt gebruikt, is de brug al geconfigureerd en hoeft u niets ingewikkelder te doen. Wilt u een nauwkeurigere balans creëren door meerdere cellen te combineren, dan moet u ze aansluiten om één Wheatstone-brug te vormen, volgens een goed gedefinieerde topologie, of combineermodules gebruiken. Omkering van het uitgangssignaal Dit kan gebeuren als de meting afneemt of zich tegenovergesteld gedraagt ​​aan wat verwacht wordt naarmate het gewicht toeneemt. In dat geval hoeft u alleen maar de aansluitingen van de A+ en A- kabels om te draaien.

Geavanceerde technische kenmerken van de HX711

Deze module biedt meerdere voordelen wat het erg populair maakt:

• resolutie: Tot 24 bits, waardoor minimale gewichtsveranderingen kunnen worden gedetecteerd.
• Programmeerbare versterking: U kunt kiezen tussen 128x of 64x, afhankelijk van uw gevoeligheidsbehoeften.
• Instelbare bemonsteringsfrequentie: Tussen 10 Hz en 80 Hz, zodat u de meetsnelheid kunt aanpassen aan de stabiliteit van de toepassing.
• Compatibiliteit: Ondersteunt full-bridge of half-bridge loadcellen, met de mogelijkheid om maximaal twee cellen in dubbele configuratie te lezen.
• Zeer laag energieverbruik: Bij actieve werking minder dan 1.5 mA; ideaal voor apparaten die op batterijen werken.
• Bedrijfstemperatuur: Zeer breed bereik, van -40ºC tot +85ºC.
• Compact formaat: Door zijn formaat is hij eenvoudig te integreren in borden en prototypes, waarbij de pinnen klaar zijn om te solderen of op een breadboard te installeren.

De documentatie is uitgebreid en er is een grote ontwikkelaarsgemeenschap, wat zich vertaalt in de beschikbaarheid van codevoorbeelden, bibliotheken en online handleidingen om uw project snel af te ronden.

Hoe programmeer en kalibreer je een digitale weegschaal op basis van HX711 en Arduino?

Het monteren van de hardware is slechts het halve werk. Om gewichtsmetingen te verkrijgen exactJe moet het systeem correct programmeren en vooral kalibreren. Laten we eens kijken. stap voor stap hoe je het doet:

De HX711-bibliotheek installeren

De eerste stap is het installeren van de bibliotheek die de communicatie met de HX711 mogelijk maakt. De populairste en betrouwbaarste optie is de bibliotheek van Bogde, beschikbaar op GitHub. Je kunt deze handmatig downloaden of rechtstreeks installeren vanaf de Boekwinkelmanager vanuit de Arduino IDE, zoekend naar “HX711”.

Belangrijkste functies van de HX711-bibliotheek

• begin(PinData, PinClock): Initialiseer de HX711 door de data- en klokpinnen op uw microcontroller aan te geven.
• set_scale(float-schaal): Wijst de schaalwaarde of conversiefactor toe. Dit is essentieel om ervoor te zorgen dat de meetwaarden overeenkomen met het werkelijke gewicht.
• taak(en): Voert een tarra uit, dat wil zeggen, zet de meting op nul met het huidige gewicht. n geeft het aantal monsters aan dat is genomen om de tarra te bepalen.
• lezen(): Voert één enkele uitlezing uit van het signaal van de interne ADC van de HX711.
• lees_gemiddelde(n): Geeft het gemiddelde van n metingen terug; verhoogt de stabiliteit y nauwkeurigheid van de meting.
• get_value(n): Retourneert de meetwaarde minus het tarragewicht. Als u n doorgeeft, wordt het gemiddelde van dat aantal metingen berekend.
• get_units(n): Bereken het gewicht door het eigen gewicht ervan af te trekken en de uitkomst te delen door de schaalfactor.

Deze functies bestrijken de volledige cyclus van initialisatie, kalibratie, tarreren en uitlezen van de weegschaal.

Kalibratie: de essentiële stap voor nauwkeurige meting

La ijking Dit houdt in dat de schaalfactor zo wordt aangepast dat de digitale waarden van de HX711 overeenkomen met de werkelijke gewichtswaarden in de gewenste eenheden (meestal kilogram of gram). De gebruikelijke techniek is als volgt:

1. Zonder enig object op de weegschaal, voert een kalibratieprogramma uit dat een tarra uitvoert (de weegschaal op nul zetten).
2. Plaats een voorwerp met een bekend gewicht (idealiter ligt dit gewicht dicht bij het maximale gewicht dat u op de weegschaal kunt wegen.)
3. Schrijf de ongeschaalde leeswaarde op die de seriële monitor u laat zien. Het is gebruikelijk om meerdere metingen te middelen.
4. Bereken de schaalfactor met behulp van de formule: lees_waarde / werkelijk_gewicht = schaalfactor, rekening houdend met de gewenste eenheden (bijvoorbeeld, als u een gewicht van 4 kg gebruikt en de meting is 1.730.000, dan is de schaalfactor 432500).
5. Pas het programma aan zodat u in de set_scale-functie de berekende waarde invoert.
6. Herhaal de meting. Voeg gewicht toe of verwijder gewicht om de meetnauwkeurigheid te controleren.

Kalibratie is afhankelijk van de positie van de cel, de stijfheid van de ondersteuning, de kwaliteit van het elektrische contact en andere factoren. Als u de cel, installatiemethode of het model wijzigt, moet u opnieuw kalibreren.

Voorbeeld van kalibratie- en weegcode

Een typische Arduino-schets bestaat uit twee delen: kalibratie en meting. Met de kalibratieschets kun je de factor interactief aanpassen met behulp van de seriële monitor (+ of –) om de weegschaalwaarde te verfijnen. De weegschets geeft simpelweg het afgelezen gewicht op het scherm weer met de verkregen factor.

Een basiscodestructuur zou er als volgt uitzien (aangepast en samengevat, zodat de inhoud van de voorbeelden niet letterlijk wordt herhaald):

• Bevat de HX711-bibliotheek.
• Definieert de DATA- en CLOCK-pinnen.
• Initialiseert de HX711 en voert tarra uit.
• Gebruik get_units() in de hoofdlus om het gewicht weer te geven dat elke halve seconde wordt gelezen.
• Hiermee kunt u de kalibratiefactor van de seriële monitor wijzigen als u de nauwkeurigheid nauwkeuriger wilt afstellen.

Deze methode, die populair is gemaakt door SparkFun en andere ontwikkelaars, zorgt voor een perfecte kalibratie, zelfs als de cel niet exact gelijk is aan andere cellen van hetzelfde model.

Geavanceerde integratie: personenweegschalen, IoT en industriële systemen

Bij thuisprojecten worden loadcellen vaak uit commerciële weegschalen gehaald (die meestal met vier afzonderlijke sensoren worden geleverd). Om ze te combineren en aan te sluiten op de HX711, kunt u een combinermodule gebruiken of specifieke aansluitschema's volgen waarmee u een Wheatstone-brug met alle vier de sensoren kunt vormen. Als u geen combinermodule hebt, moet u de draden identificeren (meestal drie per sensor) en ze combineren met behulp van de interne weerstandsreferentie tussen de paren.

De integratie van de HX711 kent geen grenzen. Het is vrij gebruikelijk in IoT-projecten (Internet of Things), waarbij het door een digitale weegschaal gemeten gewicht naar de cloud wordt verzonden met behulp van een ESP8266, NodeMCU of iets dergelijks. Dit stelt u in staat om automatisch te wegen, de inventaris op afstand te beheren en gascilinders, tanks en andere systemen waarvan het gewicht een kritische parameter is, te monitoren.

In de industriële sector maken de robuustheid en nauwkeurigheid van de HX711 het gebruik ervan mogelijk in automatische doseersystemen, automatische procesbesturingssystemen, verpakkingsmachines en medische toepassingen, omdat de resolutie voldoende is om met grote nauwkeurigheid metingen te verrichten van grammen tot tientallen kilo's.

Aanbevelingen en oplossingen voor veelvoorkomende problemen

Houd bij het bouwen van uw eigen weegsysteem rekening met de volgende tips:

• Vermijd overmatige schokken of trillingen op de weegcel, omdat ze de meters kunnen beschadigen of de kalibratie kunnen beïnvloeden.
• Zorgt voor een correcte mechanische fixatie Om onregelmatige of onstabiele metingen te voorkomen. Het centrale gebied moet vrij zijn en de kracht moet perfect in lijn liggen met de aangegeven richting.
• Controleer de elektrische aansluitingenSlecht contact kan schommelingen of ruis in het signaal veroorzaken, waardoor kalibratie lastig kan zijn.
• Als de metingen onstabiel zijn of variëren onder vacuüm, voer een nieuwe tarra uit en controleer of de stroomvoorziening stabiel is.
• Als het gelezen resultaat in omgekeerde richting varieert (afneemt met het gewicht), keert de A+ en A- verbindingen om.

Als uw project vereist dat u verschillende gewichtsbereiken op verschillende tijdstippen meet, vergeet dan niet de kalibratiefactor dienovereenkomstig aan te passen. Sla altijd de verkregen kalibratiewaarden voor elke cel en configuratie op.

HX711-modulefuncties en handelsopties

De markt biedt een breed scala aan compatibele HX711-modules, zowel in gespecialiseerde winkels als op universele platforms. Ze worden meestal geleverd met loadcellen met verschillende bereiken (1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg) en hebben pinnen of headers voor eenvoudige integratie. Opvallende kenmerken van deze modules zijn onder andere:

• Functievoltooiing: tussen 2.6V en 5.5V, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik met zowel 3.3V- als 5V-borden.
• Zeer laag energieverbruik: minder dan 1.5 mA.
• Compacte formaten: Ideaal voor integratie in doe-het-zelfprojecten en prototypes.
• Documentatie en ondersteuning: De community en fabrikanten bieden vaak tutorials, datasheets en gebruiksvoorbeelden aan voor zowel Arduino als andere platforms.

Praktische voorbeelden van gebruik en toepassingen

Dankzij de veelzijdigheid van de loadcellen en de HX711 zijn ze geschikt voor een breed scala aan toepassingen:

• Digitale huishoud- en keukenweegschalen: om ingrediënten of voedingsmiddelen met maximale precisie af te wegen.
• Gascilinderbewakingssystemen: Ze maken het mogelijk om op afstand de vulstatus te controleren en zo te voorkomen dat de voorraad opraakt.
• Voorraadbeheer in magazijnen en winkels: Door continu te wegen kan de resterende voorraad realtime worden gemonitord.
• Cloud-verbonden schalen: Met behulp van borden zoals de ESP8266 kunnen verzamelde gegevens op webplatformen worden gevisualiseerd of verwerkt voor geavanceerde analyses.
• Medische apparatuur: zoals weegschalen voor ziekenhuisbedden, doseersystemen en gewichtscontrole in laboratoria.
• Robotica en automatische doseersystemen: om bij elk proces de juiste hoeveelheid grondstof te doseren.

In al deze gevallen is het verbindings- en programmeerprotocol zeer vergelijkbaar. Zodra de cel is gekalibreerd, beschikt u over betrouwbare en nauwkeurige metingen die de automatisering en besturing van uw systemen verbeteren.

Hoe kiest u het juiste systeem voor uw project?

De keuze tussen een cel van 1 kg, 5 kg, 20 kg of 50 kg, het montagetype en de kalibratie hangen af ​​van uw specifieke behoeften. Zo kiest u de juiste: enkele criteria om de beste beslissing te nemen:

• Weegbereik: Kies een weegcel met een maximale capaciteit die iets hoger is dan het maximale gewicht dat u normaal gesproken meet.
• Vereiste nauwkeurigheid: Als u nauwkeurigheid tot op de gram nodig hebt, kies dan voor weegcellen met een hoge gevoeligheid en een laag bereik. Als uw toepassing fouten van enkele grammen of tientallen grammen tolereert, kunt u kiezen voor modellen met een hoger bereik.
• Moeilijkheidsgraad mechanische montage: Keukenweegschalen met stangbevestiging zijn eenvoudiger te installeren. Voor vier sensoren op een personenweegschaal moet u de kabels monteren of een combinatiemodule aanschaffen.
• Ondersteuning voor microcontrollers: De HX711-modules zijn compatibel met vrijwel alle kaarten, maar zorg ervoor dat de voedingsspanning en de logische niveaus correct zijn.

De modulariteit en lage prijs van de HX711 en zijn weegcellen hebben de elektronische weegtechnologie gedemocratiseerd, waardoor iedere fabrikant, student of professional zijn eigen meetsysteem kan bouwen met gegarandeerd succes.

De juiste selectie, kalibratie en mechanische assemblage bepalen het succes van uw project. Met betrouwbare en stabiele metingen kunt u regel-, automatiserings- en monitoringsystemen integreren met professionele resultaten, zowel in thuis- als industriële toepassingen.