Oggi, la misurazione precisa del peso e della forza È fondamentale sia nelle applicazioni industriali che nei progetti domestici e di ricerca. Se vi siete mai chiesti Che cos'è un sensore estensimetrico? e come integra il Modulo HX711 Se stai cercando un modo per creare bilance digitali ad alta precisione, sei nel posto giusto. Qui analizzeremo ogni aspetto, dalla teoria alla pratica, così potrai comprenderne ogni dettaglio e imparare a implementare il tuo sistema di pesatura.
Negli ultimi tempi è diventato popolare l'uso di estensimetri insieme a moduli come il HX711 nella creazione di bilance fatte in casa, prodotti per la domotica e persino esperimenti scolastici. Soprattutto, questi componenti sono convenienti, compatibili con piattaforme come Arduino e consentono misurazioni affidabili a livello professionale Se sono calibrati correttamente. Diamo un'occhiata passo dopo passo a tutto, dal funzionamento di base all'integrazione e alla programmazione.
Cos'è un estensimetro e come funziona?
La estensimetro è un sensore piezoresistivo che trasforma una deformazione (sia essa dovuta a pressione, trazione o compressione) in una variazione di resistenza elettrica, consentendo di misurare indirettamente forze o pesi applicati a una superficie. Questa proprietà è fondamentale per il rilevamento del carico nelle moderne celle di carico..
Nella sua progettazione più elementare, uno spessimetro è costituito da un filamento metallico molto fine inserito all'interno di una pellicola adesiva. Quando la struttura a cui è incollato si deforma, il filamento si allunga o si comprime, modificandone la resistenza. Questa variazione, seppur piccola, è proporzionale alla forza esercitata. e possono essere analizzati elettricamente.
L'effetto piezoresistivo La resistenza del misuratore aumenta quando viene allungato e diminuisce quando viene compresso. Questo permette di trasformare lo sforzo fisico in un segnale elettrico misurabile con precisione.
Questi misuratori hanno solitamente valori di resistenza standard come 120Ω, 350Ω o 1000Ωe le variazioni causate dalle deformazioni sono minime: ad esempio, una variazione di soli 0.12 Ω su 120 Ω per carichi significativi. Tuttavia, senza un adeguato sistema di amplificazione e misurazione, queste piccole variazioni sarebbero difficili da rilevare.
Cella di carico: l'applicazione degli estensimetri
Un cella di carico È un trasduttore che utilizza estensimetri per convertire le forze meccaniche in segnali elettriciIl principio di funzionamento è semplice: uno o più misuratori sono fissati a una struttura metallica progettata per deformarsi in modo prevedibile sotto carico. Quando viene applicato un peso, la struttura si deforma, così come i misuratori, e viene generato un segnale elettrico proporzionale alla sollecitazione.
Esistono diversi tipi di celle di carico (idraulico, pneumatico, estensimetro, ecc.), sebbene nell'elettronica e nei sistemi embedded il più comune sia l'estensimetro. Il suo design coerente consente un alta precisione e stabilità.
Le celle variano per dimensioni, forma, capacità e disposizione meccanica: da quelle più piccole che pesano grammi alle versioni industriali che pesano tonnellate.
Internamente, la maggior parte delle celle di carico monta 1, 2 o 4 estensimetri che formano un ponte di Wheatstone., un circuito elettrico sensibile a piccole variazioni di resistenza.
Wheatstone Bridge: il segreto della sensibilità
El Ponte di Wheatstone è un circuito di quattro resistori disposti a quadrato, in cui uno o più estensimetri possono essere presenti. In assenza di carico, il circuito è in equilibrio e non c'è differenza di potenziale tra le sue uscite. Quando gli estensimetri vengono deformati, questo equilibrio viene rotto. e appaiono differenze di tensione rilevabili che riflettono il carico applicato.
Questa impostazione moltiplica la sensibilità alle variazioni di resistenza e consente di rilevare minuscole variazioni, che altrimenti sarebbe impossibile catturare.
Nelle bilance domestiche o da laboratorio, è comune utilizzare quattro indicatori che formano un ponte di Wheatstone completo, come nel caso di molte bilance da bagno e piattaforme di pesatura. Questo aiuta a ridurre gli errori di temperatura e a migliorare la linearità e la precisione.
Perché abbiamo bisogno del modulo HX711?
Sebbene il ponte di Wheatstone amplifichi le variazioni di tensione, i cambiamenti sono estremamente piccoli (nell'ordine dei microvolt). I microcontrollori come Arduino riescono a malapena a rilevarli, figuriamoci a effettuare misurazioni precise.
El Modulo HX711 Si tratta di un chip progettato specificamente per sistemi di pesatura con celle di carico estensimetriche, che consente letture accurate.
El HX711 funziona come amplificatore per strumentazione y Convertitore analogico-digitale (ADC) a 24 bitLa sua funzione principale è:
- Ricevi il segnale differenziale dal ponte di Wheatstone.
- Amplificalo per una facile lettura.
- Trasformarlo in un segnale digitale ad alta risoluzione in modo che il microcontrollore possa elaborarlo.
Inoltre, l'HX711 è dotato di una semplice interfaccia digitale con solo 2 pin (clock e dati), simile al bus I2C, che semplifica la connessione e la comunicazione con il software.
Caratteristiche del modulo HX711
El HX711 Si distingue per l'elevata sensibilità e il basso costo. Alcune delle sue caratteristiche principali sono:
- Precisione a 24 bit per rilevare minime variazioni di peso.
- Amplificazione del segnale integrata e programmabile (solitamente x128 o x64).
- Due canali di ingresso analogici indipendenti.
- Interfaccia digitale con 2 pin (dati seriali e clock seriale).
- Alimentazione di 2,6V a 5,5V, compatibile con Arduino e altri microcontrollori.
- Basso consumo energetico.
Il modulo solitamente è dotato di due file di pin: una per il collegamento alla cella di carico e una per il microcontrollore.
Questi pin sono solitamente etichettati come: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKI cavi tipici delle celle di carico sono:
- Rosso: Eccitazione positiva (E+ / VCC)
- Nero: Eccitazione negativa (E- / GND)
- bianco: Uscita negativa (A-)
- Verde: Uscita positiva (A+)
Tipi di connessione e varianti delle celle di carico
Il cablaggio standard delle celle di carico è a quattro fili, sebbene i colori possano variare a seconda del produttore. Alcune versioni economiche o riciclate hanno tre fili, mentre quelle più avanzate includono un quinto filo giallo o blu per la schermatura o la messa a terra.
Nei progetti domestici, le celle di carico più comuni sono 5 kg o 20 kg, anche se per applicazioni industriali sono disponibili versioni fino a 50 kg o più.
Per collegare più celle, come nelle bilance da bagno, un modulo combinatore o collegamento manuale, che richiede conoscenze elettriche. È importante notare la direzione della freccia sulla cella per una misurazione corretta, assicurandosi che la parte centrale sia libera e che la deformazione sia ottimale.
Assemblaggio di una bilancia digitale: materiali e collegamenti
Per costruire un file bilancia digitale Con estensimetri e HX711, avrai bisogno di:
- Un microcontrollore (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266, ecc.).
- Almeno una cella di carico (1 kg, 5 kg, 20 kg… a seconda delle necessità).
- Un modulo HX711.
- Una superficie rigida per la piattaforma.
- Cavi, connettori e viti.
Facoltativamente, puoi aggiungere:
- Schermo LCD o display per visualizzare il peso.
- Pulsanti per tara e modalità.
- Supporti o piastre per la struttura.
- Componenti di connettività come WiFi o Bluetooth con ESP8266/ESP32.
I collegamenti sono semplici:
- Collegare i fili della cella ai pin HX711: rosso a E+, nero a E-, bianco a A-, verde a A+.
- VCC e GND dell'HX711 ai 5V e GND del microcontrollore.
- DT e SCK di HX711 ai pin digitali (esempio 3 e 2).
- Montare la cella sulla struttura, assicurandosi che rimanga libera solo l'area centrale per una misurazione corretta.
Programmazione con Arduino e calibrazione della bilancia
Per leggere i dati, il Libreria HX711 di Bogde, disponibile nel Library Manager dell'Arduino IDE. Alcune delle funzionalità principali includono:
- inizio(pinData, pinClock): avviare il modulo.
- compiti): imposta il peso zero nella funzione tara.
- set_scale(scala): definisce il fattore che converte le letture in unità di peso.
- leggi() / leggi_media(n): ottenere letture grezze o medie.
- ottieni_valore(n): restituisce la lettura senza tara.
- ottieni_unità(n): offre il peso regolato con la bilancia e la tara.
La calibrazione consiste nel posizionare un peso noto, effettuare la lettura e calcolare il fattore di scala: scala = lettura / peso effettivoViene quindi introdotto nel codice per adattarlo alle letture future.
Si consiglia di effettuare più misurazioni e di regolare il fattore di scala sul monitor seriale per ottenere risultati accurati e stabili.
Programmi di esempio per bilancia digitale con HX711 e Arduino
Un semplice esempio che mostra il peso sul monitor seriale sarebbe:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Sostituisci con il tuo valore 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("Peso attuale: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println(" kg"); delay(500); }
Il sistema può essere potenziato aggiungendo un display LCD, pulsanti o memorizzando la bilancia nella EEPROM per calibrazioni rapide e precise, ottenendo un'esperienza più professionale.
Possibili problemi e consigli pratici
1. Variazioni nei colori dei fili: Controllare i collegamenti consultando la scheda tecnica o misurando le resistenze. Generalmente, la coppia con la resistenza più alta corrisponde all'eccitazione (+/-).
2. Letture incoerenti: Se le misurazioni appaiono invertite o irregolari, scambiare i cavi di uscita A+ e A-.
3. Stabilità meccanica: Per evitare errori, accertatevi di fissare correttamente la cella e che solo la parte centrale della struttura supporti il peso.
4. Rumore e interferenze: Se possibile, utilizzare cavi corti e schermati e allontanare il sistema da fonti di rumore elettrico.
5. Variazioni di temperatura: Gli indicatori sono sensibili alle variazioni termiche; se possibile, eseguire le calibrazioni in condizioni stabili o utilizzare celle con 4 indicatori.
Espansione e possibili applicazioni del sistema
Con il tuo sistema operativo puoi aggiungere funzionalità:
- Visualizza il peso su uno schermo LCD.
- Imposta avvisi per i limiti di peso.
- Collegalo al cloud tramite ESP8266/ESP32 per il monitoraggio remoto.
- Utilizzalo negli esperimenti, nella misurazione degli ingredienti, nell'automazione, nella domotica, ecc.
L'integrazione dell'HX711 facilita progetti educativi, controllo degli inventari, bilance commerciali, controllo delle bombole di gas e molte altre idee creative.
