วันนี้ การวัดน้ำหนักและความแข็งแรงที่แม่นยำ เป็นสิ่งสำคัญทั้งในการใช้งานในอุตสาหกรรมและโครงการในครัวเรือนและการวิจัย หากคุณเคยสงสัย เซนเซอร์สเตรนเกจคืออะไร? และมันช่วยเสริมอย่างไร โมดูล HX711 หากคุณกำลังมองหาวิธีสร้างเครื่องชั่งดิจิทัลที่มีความแม่นยำสูง คุณมาถูกที่แล้ว ที่นี่ เราจะอธิบายทุกแง่มุม ตั้งแต่ทฤษฎีไปจนถึงการปฏิบัติ เพื่อให้คุณเข้าใจทุกรายละเอียดและเรียนรู้วิธีนำระบบชั่งน้ำหนักของคุณเองไปใช้
ในยุคปัจจุบันการใช้ได้รับความนิยม เกจวัดความเครียด พร้อมทั้งโมดูลต่างๆ เช่น HX711 ในการสร้างเครื่องชั่งแบบทำเอง ผลิตภัณฑ์ระบบอัตโนมัติในบ้าน และแม้แต่การทดลองในโรงเรียน สิ่งที่ดีที่สุดก็คือ ส่วนประกอบเหล่านี้มีราคาไม่แพง เข้ากันได้กับแพลตฟอร์มอย่าง Arduino และช่วยให้ การวัดที่เชื่อถือได้ในระดับมืออาชีพ หากได้รับการปรับเทียบอย่างถูกต้อง มาดูขั้นตอนต่างๆ ทีละขั้นตอนตั้งแต่การทำงานพื้นฐานไปจนถึงการบูรณาการและการเขียนโปรแกรม
สเตรนเกจคืออะไร และทำงานอย่างไร?
La เกจวัดความเครียด เป็น เซ็นเซอร์วัดความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งแปลงการเปลี่ยนรูป (ไม่ว่าจะเกิดจากแรงกดดัน แรงดึง หรือแรงอัด) ให้เป็นการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้า ซึ่งทำให้เราสามารถวัดแรงหรือน้ำหนักที่กระทำต่อพื้นผิวโดยอ้อมได้ คุณสมบัติเหล่านี้ถือเป็นพื้นฐานสำหรับการตรวจจับโหลดในเซลล์โหลดสมัยใหม่.
ในการออกแบบที่พื้นฐานที่สุด เกจวัดความรู้สึกประกอบด้วย เส้นใยโลหะละเอียดมาก วางไว้ภายในฟิล์มกาว เมื่อโครงสร้างที่ติดกาวไว้เกิดการเสียรูป เส้นใยจะยืดหรือบีบอัด ทำให้ความต้านทานเปลี่ยนไป การเปลี่ยนแปลงนี้แม้จะเล็กน้อย แต่ก็เป็นสัดส่วนกับแรงที่กระทำ และสามารถวิเคราะห์ทางไฟฟ้าได้
ผลกระทบจากพลังงานต้านทานไฟฟ้า ความต้านทานของเกจวัดจะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกยืด และจะลดลงเมื่อถูกบีบอัด ซึ่งทำให้สามารถแปลงแรงกายให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่วัดได้อย่างแม่นยำ
เกจวัดเหล่านี้โดยทั่วไปจะมีค่าความต้านทานมาตรฐาน เช่น 120Ω, 350Ω หรือ 1000Ωและการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการเปลี่ยนรูปนั้นมีน้อยมาก ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงเพียง 0.12 Ω เมื่อเทียบกับ 120 Ω สำหรับโหลดที่สำคัญ อย่างไรก็ตาม หากไม่มีระบบขยายและการวัดที่เหมาะสม การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเหล่านี้จะตรวจจับได้ยาก
โหลดเซลล์: การประยุกต์ใช้เกจวัดความเครียด
Una โหลดเซลล์ เป็นเครื่องแปลงสัญญาณที่ใช้เกจวัดความเครียดเพื่อ แปลงแรงทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้าหลักการทำงานนั้นง่ายมาก นั่นคือ เกจวัดหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นจะถูกยึดเข้ากับโครงสร้างโลหะที่ออกแบบให้เสียรูปได้ตามที่คาดไว้ภายใต้แรงกด เมื่อน้ำหนักถูกกด โครงสร้างก็จะเสียรูปเช่นเดียวกับเกจวัด และจะเกิดสัญญาณไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนกับแรงกดนั้น
มีเซลล์โหลดหลายประเภท (ไฮดรอลิก นิวเมติก สเตรนเกจ ฯลฯ) แม้ว่าในระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบฝังตัว สเตรนเกจที่พบมากที่สุดคือสเตรนเกจ การออกแบบที่สม่ำเสมอช่วยให้ ความแม่นยำและเสถียรภาพสูง.
เซลล์มีขนาด รูปร่าง ความจุ และการจัดเรียงเชิงกลที่หลากหลาย ตั้งแต่เซลล์ขนาดเล็กที่มีน้ำหนักเป็นกรัม ไปจนถึงเซลล์รุ่นอุตสาหกรรมที่มีน้ำหนักเป็นตัน
ภายในเซลล์โหลดส่วนใหญ่จะติดตั้งเกจวัดความเครียด 1, 2 หรือ 4 ตัวที่สร้างเป็นสะพานวีตสโตนวงจรไฟฟ้าที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเพียงเล็กน้อย
สะพานวีตสโตน: ความลับของความอ่อนไหว
El สะพานวีตสโตน เป็น วงจรตัวต้านทานสี่ตัวเรียงเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสซึ่งอาจมีเกจวัดความเครียดหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นก็ได้ เมื่อไม่มีโหลด วงจรจะอยู่ในภาวะสมดุลและไม่มีความต่างศักย์ระหว่างเอาต์พุตของวงจร เมื่อเกจวัดผิดรูป สมดุลนี้จะขาดหายไป และความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้ปรากฏขึ้น ซึ่งสะท้อนถึงภาระที่ใช้
การกำหนดค่านี้ ทวีคูณความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความต้านทาน และช่วยให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ ซึ่งไม่สามารถจับภาพได้ด้วยวิธีอื่น
ในเครื่องชั่งที่บ้านหรือในห้องปฏิบัติการ มักจะใช้เกจวัดสี่ตัวที่ประกอบเป็นสะพานวีตสโตนที่สมบูรณ์ ซึ่งมักเกิดขึ้นกับเครื่องชั่งและแท่นชั่งน้ำหนักในห้องน้ำหลายๆ รุ่น วิธีนี้ช่วยลดข้อผิดพลาดของอุณหภูมิ และปรับปรุงความเป็นเส้นตรงและความแม่นยำ
เหตุใดเราจึงต้องใช้โมดูล HX711?
แม้ว่าสะพานวีตสโตนจะขยายการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงมีน้อยมาก (ในระดับไมโครโวลต์) ไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น Arduino แทบจะตรวจจับค่าเหล่านี้ไม่ได้เลย ไม่ต้องพูดถึงการวัดที่แม่นยำ
El โมดูล HX711 เป็นชิปที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับระบบชั่งน้ำหนักที่มีเซลล์โหลดเกจวัดความเครียด ช่วยให้การอ่านค่าแม่นยำยิ่งขึ้น
El HX711 มันทำงานเหมือน เครื่องขยายเสียงเครื่องมือวัด y ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล 24 บิต (ADC)หน้าที่หลักของมันคือ:
- รับสัญญาณส่วนต่างจากสะพานวีตสโตน.
- ขยายมัน เพื่อให้อ่านง่ายขึ้น
- แปลงเป็นสัญญาณดิจิตอลความละเอียดสูง เพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถประมวลผลได้
นอกจากนี้ HX711 ยังมีอินเทอร์เฟซดิจิทัลเรียบง่ายที่มีเพียง 2 พิน (นาฬิกาและข้อมูล) คล้ายกับบัส I2C ซึ่งทำให้การเชื่อมต่อและการสื่อสารกับซอฟต์แวร์ง่ายขึ้น
คุณสมบัติของโมดูล HX711
El HX711 โดดเด่นด้วยความไวสูงและต้นทุนต่ำ คุณสมบัติหลักบางประการ ได้แก่:
- ความแม่นยำ 24 บิต เพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักขั้นต่ำ
- การขยายสัญญาณแบบรวมและตั้งโปรแกรมได้ (ปกติคือ x128 หรือ x64)
- ช่องอินพุตอะนาล็อกอิสระสองช่อง
- อินเทอร์เฟซดิจิตอลที่มี 2 พิน (ข้อมูลอนุกรมและนาฬิกาอนุกรม)
- อาหารของ 2,6V ถึง 5,5Vเข้ากันได้กับ Arduino และไมโครคอนโทรลเลอร์อื่นๆ
- ใช้พลังงานต่ำ
โดยทั่วไปโมดูลจะมีพินสองแถว: แถวหนึ่งสำหรับเชื่อมต่อกับเซลล์โหลดและอีกแถวหนึ่งสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์
พินเหล่านี้มักจะมีฉลากดังนี้: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCKสายเคเบิลเซลล์โหลดทั่วไปมีดังนี้:
- สีแดง: การกระตุ้นเชิงบวก (E+ / VCC)
- สีดำ: การกระตุ้นเชิงลบ (E- / GND)
- สีขาว: เอาต์พุตเชิงลบ (A-)
- สีเขียว: เอาท์พุตบวก (A+)
ประเภทการเชื่อมต่อและตัวแปรเซลล์โหลด
สายไฟของเซลล์โหลดมาตรฐานมีสี่สาย แม้ว่าสีอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้ผลิตก็ตาม รุ่นราคาถูกหรือรุ่นรีไซเคิลบางรุ่นจะมีสามสาย ในขณะที่รุ่นที่ก้าวหน้ากว่าจะมีสายสีเหลืองหรือสีน้ำเงินเส้นที่ห้าสำหรับป้องกันหรือต่อลงดิน
ในโครงการบ้าน เซลล์โหลดที่พบมากที่สุดคือ 5กก.หรือ20กก.แม้ว่าจะมีรุ่นสูงถึง 50 กก. หรือมากกว่านั้นสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมก็ตาม
เพื่อเชื่อมต่อเซลล์หลายๆ เซลล์ เช่น ในเครื่องชั่งน้ำหนักในห้องน้ำ โมดูลรวม หรือการเชื่อมต่อด้วยมือซึ่งต้องมีความรู้ด้านไฟฟ้า สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตทิศทางของลูกศรบนเซลล์เพื่อการวัดที่ถูกต้อง โดยให้แน่ใจว่าส่วนตรงกลางยังคงอิสระและการเสียรูปนั้นเหมาะสมที่สุด
การประกอบเครื่องชั่งดิจิตอล: วัสดุและการเชื่อมต่อ
เพื่อสร้าง เครื่องชั่งดิจิตอล ด้วยเกจวัดความเครียดและ HX711 คุณจะต้องมี:
- ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Arduino UNO, นาโน, เมกะ, ESP8266 เป็นต้น)
- เซลล์โหลดอย่างน้อยหนึ่งตัว (1 กก., 5 กก., 20 กก.… ตามความจำเป็น)
- โมดูล HX711
- พื้นผิวแข็งสำหรับแพลตฟอร์ม
- สายเคเบิล, ขั้วต่อ และสกรู
นอกจากนี้คุณสามารถเพิ่ม:
- มีหน้าจอ LCD หรือจอแสดงผลเพื่อแสดงน้ำหนัก
- ปุ่มสำหรับปรับค่า tare และโหมด
- ตัวรองรับหรือแผ่นสำหรับโครงสร้าง
- ส่วนประกอบการเชื่อมต่อ เช่น WiFi หรือ Bluetooth พร้อม ESP8266/ESP32
การเชื่อมต่อนั้นง่ายมาก:
- เชื่อมต่อสายเซลล์เข้ากับพิน HX711: สีแดงเป็น E+, สีดำเป็น E-, สีขาวเป็น A-, สีเขียวเป็น A+
- VCC และ GND ของ HX711 ไปที่ 5V และ GND ของไมโครคอนโทรลเลอร์
- DT และ SCK ของ HX711 เป็นพินดิจิทัล (ตัวอย่าง 3 และ 2)
- ติดตั้งเซลล์บนโครงสร้างโดยให้แน่ใจว่าเหลือเพียงพื้นที่ตรงกลางเท่านั้นเพื่อการวัดที่ถูกต้อง
การเขียนโปรแกรมด้วย Arduino และการปรับเทียบมาตราส่วน
เพื่ออ่านข้อมูล ร้านหนังสือ Bogde's HX711มีอยู่ใน Arduino IDE Library Manager คุณสมบัติหลักบางประการได้แก่:
- เริ่มต้น(pinData, pinClock): เริ่มต้นโมดูล
- งาน: ตั้งค่าน้ำหนักเป็นศูนย์ในฟังก์ชัน tare
- set_scale(มาตราส่วน): กำหนดปัจจัยที่แปลงค่าการอ่านเป็นหน่วยน้ำหนัก
- อ่าน() / อ่าน_ค่าเฉลี่ย(n): รับค่าการอ่านแบบดิบหรือแบบเฉลี่ย
- รับค่า(n): คืนค่าการอ่านโดยไม่ต้องชั่งน้ำหนักเปล่า
- รับหน่วย(n): นำเสนอน้ำหนักที่ปรับได้ด้วยเครื่องชั่งและค่าน้ำหนักเปล่า
การสอบเทียบประกอบด้วยการวางน้ำหนักที่ทราบ การอ่านค่า และการคำนวณปัจจัยมาตราส่วน: เครื่องชั่ง = การอ่านค่า / น้ำหนักจริงจากนั้นจะนำเข้าสู่โค้ดเพื่อปรับเปลี่ยนการอ่านในอนาคต
ขอแนะนำให้ทำการวัดหลายครั้งและปรับปัจจัยมาตราส่วนบนจอภาพแบบอนุกรมเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและมีเสถียรภาพ
ตัวอย่างโปรแกรมสำหรับเครื่องชั่งดิจิตอลด้วย HX711 และ Arduino
ตัวอย่างง่ายๆ ที่แสดงน้ำหนักบนจอภาพแบบอนุกรมคือ:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // แทนที่ด้วยค่าของคุณเอง ไบต์ pinData = 3; ไบต์ pinClk = 2; HX711 สมดุล; void setup() { Serial.begin(9600); balance.begin(pinData, pinClk); balance.set_scale(CALIBRATION); balance.tare(); } void loop() { Serial.print("น้ำหนักปัจจุบัน: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println(" กก."); ล่าช้า(500); }
ระบบสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มจอแสดงผล LCD ปุ่ม หรือจัดเก็บมาตราส่วนใน EEPROM เพื่อการสอบเทียบที่รวดเร็วและแม่นยำ ช่วยให้ได้รับประสบการณ์ที่เป็นมืออาชีพมากยิ่งขึ้น
ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นและคำแนะนำที่เป็นประโยชน์
1. การเปลี่ยนแปลงของสีสายไฟ: ตรวจสอบการเชื่อมต่อโดยใช้แผ่นข้อมูลหรือโดยการวัดค่าความต้านทาน โดยทั่วไป คู่ที่มีค่าความต้านทานสูงสุดจะสอดคล้องกับการกระตุ้น (+/-)
2. การอ่านแบบไม่สอดคล้องกัน: สลับสายเอาต์พุต A+ และ A- หากการวัดปรากฏกลับด้านหรือไม่สม่ำเสมอ
3. เสถียรภาพทางกล: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณยึดเซลล์อย่างถูกต้องและมีเพียงส่วนตรงกลางของโครงสร้างเท่านั้นที่รองรับน้ำหนักเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาด
4. เสียงรบกวนและการรบกวน: ใช้สายไฟสั้นๆ ที่มีฉนวนป้องกันหากเป็นไปได้ และย้ายระบบให้ห่างจากแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า
5. การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ: เกจวัดมีความอ่อนไหวต่อการเปลี่ยนแปลงความร้อน หากเป็นไปได้ ควรดำเนินการสอบเทียบภายใต้สภาวะที่เสถียร หรือใช้เซลล์ที่มีเกจวัด 4 ตัว
การขยายตัวและการประยุกต์ใช้งานระบบที่เป็นไปได้
ด้วยระบบปฏิบัติการของคุณ คุณสามารถเพิ่มคุณสมบัติได้ดังนี้:
- แสดงน้ำหนักบนหน้าจอ LCD
- ตั้งค่าการแจ้งเตือนสำหรับขีดจำกัดน้ำหนัก
- เชื่อมต่อกับคลาวด์ผ่าน ESP8266/ESP32 เพื่อการตรวจสอบระยะไกล
- ใช้ในการทดลอง การวัดส่วนผสม ระบบอัตโนมัติ ระบบอัตโนมัติในบ้าน ฯลฯ
การบูรณาการ HX711 ช่วยอำนวยความสะดวกให้กับโครงการด้านการศึกษา การควบคุมสินค้าคงคลัง เครื่องชั่งเชิงพาณิชย์ การควบคุมถังแก๊ส และแนวคิดสร้างสรรค์อื่นๆ อีกมากมาย
