Ngày nay, phép đo chính xác trọng lượng và sức mạnh Nó là chìa khóa trong cả ứng dụng công nghiệp và các dự án trong nước và nghiên cứu. Nếu bạn đã từng tự hỏi Cảm biến đo ứng suất là gì? và nó bổ sung cho nhau như thế nào Mô-đun HX711 Nếu bạn đang tìm cách tạo ra cân kỹ thuật số có độ chính xác cao, bạn đã đến đúng nơi rồi. Ở đây, chúng tôi sẽ phân tích mọi khía cạnh, từ lý thuyết đến thực hành, để bạn hiểu mọi chi tiết và học cách triển khai hệ thống cân của riêng mình.
Trong thời gian gần đây việc sử dụng đã trở nên phổ biến máy đo độ căng cùng với các mô-đun như HX711 trong việc tạo ra cân tự chế, sản phẩm tự động hóa gia đình và thậm chí là các thí nghiệm ở trường học. Tuyệt vời nhất là các thành phần này có giá cả phải chăng, tương thích với các nền tảng như Arduino và cho phép các phép đo đáng tin cậy ở cấp độ chuyên nghiệp Nếu chúng được hiệu chuẩn chính xác. Chúng ta hãy cùng xem xét từng bước một mọi thứ, từ hoạt động cơ bản đến tích hợp và lập trình.
Máy đo độ biến dạng là gì và nó hoạt động như thế nào?
La máy đo độ căng là một cảm biến áp điện trở biến đổi sự biến dạng (do áp suất, lực kéo hoặc lực nén) thành sự thay đổi điện trở, cho phép chúng ta đo gián tiếp lực hoặc trọng lượng tác dụng lên bề mặt. Tính chất này rất quan trọng đối với cảm biến tải trọng trong các cảm biến lực hiện đại..
Trong thiết kế cơ bản nhất của nó, một thước đo độ dày bao gồm một sợi kim loại rất mịn được đặt bên trong một lớp màng dính. Khi cấu trúc mà nó được dán vào bị biến dạng, sợi sẽ giãn ra hoặc nén lại, làm thay đổi điện trở của nó. Sự thay đổi này tuy nhỏ nhưng lại tỉ lệ thuận với lực tác dụng. và có thể phân tích bằng điện.
Hiệu ứng áp điện trở Điện trở của máy đo tăng lên khi bị kéo căng và giảm đi khi bị nén. Điều này cho phép chuyển đổi nỗ lực vật lý thành tín hiệu điện có thể đo được chính xác.
Các đồng hồ đo này thường có các giá trị điện trở tiêu chuẩn như 120Ω, 350Ω hoặc 1000Ωvà những thay đổi do biến dạng gây ra là tối thiểu: ví dụ, sự thay đổi chỉ 0.12 Ω trên 120 Ω đối với tải trọng đáng kể. Tuy nhiên, nếu không có hệ thống khuếch đại và đo lường phù hợp, những thay đổi nhỏ này sẽ khó phát hiện.
Cảm biến lực: ứng dụng của máy đo ứng suất
một cảm biến tải trọng Đây là một bộ chuyển đổi sử dụng máy đo ứng suất để chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điệnNguyên lý hoạt động rất đơn giản: một hoặc nhiều đồng hồ đo được gắn vào một cấu trúc kim loại được thiết kế để biến dạng theo dự đoán khi chịu tải. Khi trọng lượng được áp dụng, cấu trúc biến dạng, cũng như các đồng hồ đo, và một tín hiệu điện tỷ lệ thuận với ứng suất được tạo ra.
Có nhiều loại cảm biến lực khác nhau (thủy lực, khí nén, máy đo ứng suất, v.v.), mặc dù trong các hệ thống điện tử và nhúng, máy đo ứng suất phổ biến nhất. Thiết kế nhất quán của nó cho phép độ chính xác và ổn định cao.
Các tế bào có kích thước, hình dạng, sức chứa và cách sắp xếp cơ học khác nhau, từ loại nhỏ nặng bằng gam đến loại công nghiệp nặng hàng tấn.
Bên trong, hầu hết các cảm biến lực đều gắn 1, 2 hoặc 4 máy đo ứng suất tạo thành cầu Wheatstone., một mạch điện nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về điện trở.
Cầu Wheatstone: Bí mật của sự nhạy cảm
El Cầu Wheatstone là một mạch điện gồm bốn điện trở xếp thành hình vuông, trong đó một hoặc nhiều có thể là máy đo ứng suất. Khi không có tải, mạch ở trạng thái cân bằng và không có hiệu điện thế giữa các đầu ra của nó. Khi máy đo bị biến dạng, trạng thái cân bằng này bị phá vỡ. và sự khác biệt điện áp có thể phát hiện được xuất hiện phản ánh tải trọng được áp dụng.
Cấu hình này tăng độ nhạy cảm với những thay đổi về sức đề kháng và cho phép phát hiện những thay đổi nhỏ mà nếu không thì không thể phát hiện được.
Trong cân gia đình hoặc cân phòng thí nghiệm, người ta thường sử dụng bốn đồng hồ đo tạo thành một cầu Wheatstone hoàn chỉnh, giống như nhiều cân phòng tắm và bệ cân. Điều này giúp giảm lỗi nhiệt độ và cải thiện tính tuyến tính và độ chính xác.
Tại sao chúng ta cần mô-đun HX711?
Mặc dù cầu Wheatstone khuếch đại các biến thể điện áp, những thay đổi là cực kỳ nhỏ (theo thứ tự microvolt). Các bộ vi điều khiển như Arduino khó có thể phát hiện ra chúng, chứ đừng nói đến việc thực hiện các phép đo chính xác.
El Mô-đun HX711 Đây là một con chip được thiết kế riêng cho các hệ thống cân có cảm biến lực biến dạng, giúp đưa ra kết quả đo chính xác.
El HX711 hoạt động như thế nào bộ khuếch đại thiết bị đo lường y Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) 24 bitChức năng chính của nó là:
- Nhận tín hiệu vi sai từ cầu Wheatstone.
- khuếch đại nó để dễ đọc.
- Chuyển đổi nó thành tín hiệu kỹ thuật số có độ phân giải cao để vi điều khiển có thể xử lý được.
Ngoài ra, HX711 còn có giao diện kỹ thuật số đơn giản chỉ với 2 chân (Đồng hồ và Dữ liệu), tương tự như bus I2C, giúp đơn giản hóa việc kết nối và giao tiếp với phần mềm.
Các tính năng của mô-đun HX711
El HX711 Nó nổi bật vì độ nhạy cao và chi phí thấp. Một số tính năng chính của nó là:
- Độ chính xác 24 bit để phát hiện những thay đổi nhỏ nhất về trọng lượng.
- Bộ khuếch đại tín hiệu tích hợp và có thể lập trình (thường là x128 hoặc x64).
- Hai kênh đầu vào analog độc lập.
- Giao diện kỹ thuật số với 2 chân (Dữ liệu nối tiếp và Đồng hồ nối tiếp).
- Nuôi dưỡng 2,6V đến 5,5V, tương thích với Arduino và các bộ vi điều khiển khác.
- Tiêu thụ năng lượng thấp.
Mô-đun này thường có hai hàng chân: một hàng để kết nối với cảm biến lực và một hàng cho bộ vi điều khiển.
Những chân này thường được dán nhãn là: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKCáp cảm biến lực thông thường là:
- Màu đỏ: Kích thích tích cực (E+ / VCC)
- Black: Kích thích âm (E- / GND)
- Trắng: Đầu ra âm (A-)
- Màu xanh lá cây: Đầu ra dương (A+)
Các loại kết nối và biến thể của cảm biến lực
Dây dẫn chuẩn của cảm biến lực là bốn dây, mặc dù màu sắc có thể khác nhau tùy thuộc vào nhà sản xuất. Một số phiên bản rẻ tiền hoặc tái chế có ba dây, trong khi các phiên bản tiên tiến hơn bao gồm dây thứ năm màu vàng hoặc xanh lam để che chắn hoặc nối đất.
Trong các dự án gia đình, các cảm biến lực phổ biến nhất là 5kg hoặc 20kg, mặc dù có những phiên bản lên tới 50 kg hoặc hơn dành cho các ứng dụng công nghiệp.
Để kết nối nhiều ô, chẳng hạn như trong cân phòng tắm, một mô-đun kết hợp hoặc kết nối thủ công, đòi hỏi kiến thức về điện. Điều quan trọng là phải lưu ý hướng mũi tên trên cell để đo chính xác, đảm bảo phần trung tâm vẫn tự do và biến dạng là tối ưu.
Lắp ráp cân kỹ thuật số: vật liệu và kết nối
Để xây dựng một cân kỹ thuật số Với máy đo ứng suất và HX711, bạn sẽ cần:
- Một bộ vi điều khiển (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266, v.v.).
- Ít nhất một cảm biến lực (1kg, 5kg, 20kg… nếu cần).
- Mô-đun HX711.
- Một bề mặt cứng cho nền tảng.
- Cáp, đầu nối và ốc vít.
Tùy chọn, bạn có thể thêm:
- Màn hình LCD hoặc màn hình hiển thị trọng lượng.
- Nút trừ bì và chế độ.
- Giá đỡ hoặc tấm đỡ cho kết cấu.
- Các thành phần kết nối như WiFi hoặc Bluetooth với ESP8266/ESP32.
Các kết nối rất đơn giản:
- Kết nối dây pin với chân HX711: Đỏ với E+, Đen với E-, Trắng với A-, Xanh lá cây với A+.
- VCC và GND của HX711 tới 5V và GND của vi điều khiển.
- DT và SCK của HX711 tới các chân kỹ thuật số (ví dụ 3 và 2).
- Lắp pin vào cấu trúc, đảm bảo chỉ có phần trung tâm là trống để đo chính xác.
Lập trình với Arduino và hiệu chỉnh cân
Để đọc dữ liệu, Nhà sách HX711 của Bogde, có sẵn trong Arduino IDE Library Manager. Một số tính năng chính bao gồm:
- bắt đầu(pinData, pinClock): bắt đầu mô-đun.
- nhiệm vụ: đặt trọng lượng bằng 0 trong hàm trừ bì.
- set_scale(tỉ lệ): xác định hệ số chuyển đổi số đọc thành đơn vị trọng lượng.
- đọc() / đọc_trung_bình(n): lấy số liệu thô hoặc số liệu trung bình.
- lấy_giá_trị(n): trả về kết quả đọc mà không có trọng lượng bì.
- lấy_đơn_vị(n): cung cấp trọng lượng được điều chỉnh theo cân và hộp đựng.
Hiệu chuẩn bao gồm việc đặt một quả cân đã biết, lấy số đo và tính toán hệ số tỷ lệ: cân = số đọc / trọng lượng thực tế. Sau đó, nó được đưa vào mã để điều chỉnh cho các lần đọc sau.
Nên thực hiện nhiều phép đo và điều chỉnh hệ số tỷ lệ trên màn hình nối tiếp để có được kết quả chính xác và ổn định.
Chương trình mẫu cho cân kỹ thuật số với HX711 và Arduino
Một ví dụ đơn giản hiển thị trọng lượng trên màn hình nối tiếp sẽ là:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // Thay thế bằng giá trị của riêng bạn 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("Trọng lượng hiện tại: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("kg"); delay(500); }
Hệ thống có thể được cải tiến bằng cách thêm màn hình LCD, nút bấm hoặc lưu trữ cân trong EEPROM để hiệu chuẩn nhanh chóng và chính xác, mang lại trải nghiệm chuyên nghiệp hơn.
Các vấn đề có thể xảy ra và lời khuyên thực tế
1. Sự thay đổi về màu sắc của dây: Kiểm tra các kết nối bằng cách sử dụng bảng dữ liệu hoặc bằng cách đo điện trở. Nhìn chung, cặp có điện trở cao nhất tương ứng với kích thích (+/-).
2. Đọc không mạch lạc: Hoán đổi dây đầu ra A+ và A- nếu kết quả đo có vẻ bị đảo ngược hoặc không ổn định.
3. Độ ổn định cơ học: Hãy đảm bảo rằng bạn cố định ô đúng cách và chỉ có phần giữa của cấu trúc chịu được trọng lượng để tránh sai sót.
4. Tiếng ồn và nhiễu: Nếu có thể, hãy sử dụng cáp ngắn có vỏ bọc và di chuyển hệ thống ra xa nguồn nhiễu điện.
5. Sự thay đổi nhiệt độ: Đồng hồ đo rất nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt; nếu có thể, hãy thực hiện hiệu chuẩn trong điều kiện ổn định hoặc sử dụng cell có 4 đồng hồ đo.
Mở rộng và các ứng dụng có thể có của hệ thống
Với hệ điều hành của mình, bạn có thể thêm các tính năng:
- Hiển thị trọng lượng trên màn hình LCD.
- Đặt cảnh báo về giới hạn trọng lượng.
- Kết nối với đám mây thông qua ESP8266/ESP32 để giám sát từ xa.
- Sử dụng trong các thí nghiệm, đo lường thành phần, tự động hóa, tự động hóa gia đình, v.v.
Việc tích hợp HX711 tạo điều kiện thuận lợi cho các dự án giáo dục, kiểm soát hàng tồn kho, cân thương mại, kiểm soát bình gas và nhiều ý tưởng sáng tạo khác.
