Šajā ziņojumā mēs uzzināsim par slodzes mērītāja balstītu slodzes elementu. Mēs izpētīsim, kas ir deformācijas mērītājs, kas ir slodzes elements, temperatūras ietekme uz deformācijas mērierīci, temperatūras kompensācija ar Wheatstone tiltu un slodzes šūnu pastiprinātāju HX711, un visbeidzot mēs iemācīsimies izveidot Arduino balstītu svēršanas iekārtu, ieviešot slodzes elementus kā svara sensors.
Šis ziņojums attiecas uz svara mērīšanu un mērīšanas metodēm un metožu ieviešanu uz Arduino balstītas svēršanas skalas ķēdē.
Mums visiem patīk redzēt savu svaru neatkarīgi no vecuma, mazam bērnam var patikt redzēt viņa svara pieaugumu, bet pieaugušajiem - viņa svara zudumu. Svars kopš seniem laikiem ir būtisks jēdziens, un tas palīdzēja preču tirdzniecībā, zinātnisko iekārtu un komerciālo produktu izstrādē.
Mūsdienās laboratorijas vajadzībām mēs mēra svaru kilogramos, pat mikrogramos. Viens grams ir vienāds visā pasaulē, un visām svara mērīšanas ierīcēm tas pats jāmēra. Tabletes masveida ražošana ar nelielu dažu miligramu devu starpību ir pietiekama, lai dzīvības glābšanas tableti padarītu par pašnāvības tableti.
Kas ir svars?
Svars ir spēks, kas tiek iedarbināts uz plakni. Pieliktā spēka daudzums ir tieši proporcionāls objekta masai, kas nozīmē lielāku objekta masu, jo lielāks spēks tiek pielikts.
Masa ir objektā esošās fiziskās vielas daudzums.
Svars ir atkarīgs no vēl viena faktora: smaguma.
Gravitācija visā pasaulē ir nemainīga (zemes nevienmērīgas sfēriskas formas dēļ ir nelielas gravitācijas variācijas, taču tas ir ļoti niecīgs). 1Kg svars uz zemes uz Mēness sver 160 gramus ar tieši tādu pašu masu, jo mēness gravitācijas spēks ir daudz vājāks.
Tagad jūs zināt, kas ir svars un kādi faktori padara objektu smagu.
Kas ir deformācijas mērītājs:
Sprieguma mērītājs ir devējs vai sensors, kas mēra objekta spriedzi (deformāciju). To izgudroja elektroinženieris Edvards E. Simmons un mašīnbūves inženieris Artūrs Klods Ruge.
Celma mērierīces ilustrācija:
Sprieguma mērītājs ir elastīgs, tas ir plāns metāla folijas raksts, kas iestiprināts starp divām plānām plastmasas loksnēm, un tas jāpiestiprina uz virsmas, izmantojot piemērotu līmi vai jebkuru lipīgu materiālu.
Pieliekot virsmai svaru vai spēku, tā deformējas un deformējas arī deformācijas mērītājs. Celma mērierīces deformācija izraisa metāla folijas elektriskās pretestības maiņu.
Tagad deformācijas mērierīces pretestības izmaiņas ir tieši proporcionālas svaram vai pielietotajam spēkam uz virsmas.
Reālajā dzīvē deformācijas mērītāja pretestības izmaiņas ir ļoti nenozīmīgas. Lai noteiktu nelielas pretestības izmaiņas, mēs izmantojam Wheatstone tiltu.
Izpētīsim, kas ir Vītstonas tilts īsumā.
Izpratne par Vītstonas tiltu:
Kviešu akmens tilts ir ķēde, kuru var izmantot nezināmas pretestības noteikšanai. Vaitstonas tiltu izstrādāja Semjuels Hanters Kristijs, vēlāk Vītstounas tiltu uzlaboja un izplatīja sers Čārlzs
Kviešu akmens.
Vītstounas tilta ķēdes ilustrācija:
Mūsu modernie digitālie multimetri spēj nolasīt pretestības vērtību, sākot no mega omiem, kilogramu omiem un omu diapazona.
Izmantojot kviešu akmens tiltu, mēs varam izmērīt pretestību mili omu diapazonā.
Kviešu akmens tilts sastāv no 4 rezistoriem, no visiem četriem ir zināma pretestība un viena nav zināma pretestība.
Potenciālo starpību (spriegumu) pielieto punktiem “A” un “C”, un no punktiem “B” un “D” ir pievienots voltmetrs.
Ja visi rezistori ir vienādi, punktos “B” un “D” strāva neplūst, un voltmetrs rādīs nulli. To sauc par līdzsvarotu tiltu.
Ja rezistora pretestība atšķiras no citiem trim rezistoriem, starp punktiem 'B' un 'D' būs sprieguma plūsma, un voltmetrs nolasīs kādu vērtību, kas proporcionāla nezināmai pretestībai. To sauc par nelīdzsvarotu tiltu.
Šeit nezināmā pretestība ir deformācijas mērītājs, mainot pretestību, tas atspoguļojas uz voltmetru.
Tagad mēs esam pārveidojuši deformāciju, svaru vai spēku sprieguma signālā. Šis spriegums ir jāpastiprina, lai iegūtu noderīgus rādījumus, kas tiks padoti mikrokontrollerim, lai rādījumus iegūtu gramos.
Tagad apspriedīsim, kā temperatūra ietekmē deformācijas mērierīces darbību.
Temperatūras ietekme uz deformācijas mērierīci:
Sprieguma mērītājs ir jutīgs pret temperatūru, un tas var sajaukt ar faktiskā svara / spēka rādījumiem. Ja mainās apkārtējā temperatūra, metāla folija tiek pakļauta metāla izplešanās, kas tieši ietekmē pretestību.
Mēs varam atcelt temperatūras efektu, izmantojot Wheatstone tiltu. Apskatīsim, kā mēs varam kompensēt temperatūru, izmantojot Wheatstone tiltu.
Temperatūras kompensācija:
Mēs varam viegli neitralizēt temperatūras efektu, nomainot visus rezistorus ar deformācijas mērītāju. Tagad visu deformācijas mērierīces pretestību vienādi ietekmēs temperatūra, un Wheatstone tilta raksturs atcels nevēlamu troksni.
Kas ir slodzes elements?
Kravas elements ir alumīnija profils ar deformācijas mērierīci, kas piestiprināta 4 sānos Vītstounas tilta konfigurācijā.
Slodzes šūnas ilustrācija:
Šāda veida slodzes elementi ir stingri un parasti tiek izmantoti rūpniecībā. Ir 4 skrūvju stiprinājumi, viena puse ir pieskrūvēta uz nekustīgas virsmas, bet otra gala ir pieskrūvēta pie turētāja (teiksim groza), lai noturētu mērāmo priekšmetu.
Tam ir maksimālais svars, kas norādīts datu lapā vai korpusā, pārsniedzot specifikāciju, var sabojāt slodzes elementu.
Pilna tilta šūnas sastāv no 4 spailēm, proti, E +, E-, kas ir ierosmes vadi, caur kuriem tiek izmantots barošanas spriegums. Pārējie divi vadi ir S + un S-, kas ir signāla vadi, no kuriem mēra spriegumu.
Tagad šie spriegumi ir milivoltu diapazonā, kas nav pietiekami spēcīgs, lai mikrokontrolleris varētu lasīt un apstrādāt. Mums nepieciešama pastiprināšana, un sīkām izmaiņām jābūt redzamām mikrokontrollerim. Lai to izdarītu, ir paredzēts īpašs modulis, ko sauc par slodzes šūnu pastiprinātājiem, pieņemsim par to pārskatu.
Slodzes elementu pastiprinātājs HX711:
HX711 slodzes elementu pastiprinātāja moduļa attēls:
Slodzes elementu pastiprinātāja pamatā ir IC HX711, kas ir 24 bitu analogais cipars pārveidotājs, kas īpaši paredzēts svara mērīšanai. Tam ir dažādi izvēlētie pieaugumi 32, 64 un 128, un tas darbojas ar 2,6 līdz 5,5 V.
Šis izlaušanās dēlis palīdz noteikt nelielas slodzes elementa variācijas. Lai izmantotu šo moduli, ir nepieciešama HX711.h bibliotēka
Arduino vai jebkuru citu mikrokontrolleru.
Slodzes elements tiks pievienots HX711 modulim, un modulis būs saskarne ar Arduino. Šādā veidā jāattīsta svara mērīšanas ķēde.
Visbeidzot, tagad jūs zināt, kas ir deformācijas mērītājs, kas ir Vītstounas tilts, temperatūras ietekme uz deformācijas mērītāju, temperatūras kompensācija un kāds ir slodzes elementu pastiprinātājs.
Mēs esam vispusīgi sapratuši svēršanas skalas dizaina teorētisko daļu no iepriekš minētās diskusijas, tagad redzēsim, kā loas šūnu var izmantot praktiskas svēršanas iekārtas izgatavošanai, izmantojot Arduino
Digitālās svēršanas mašīnas projektēšana, izmantojot Arduino
Turpmākajās diskusijās mēs uzzināsim, kā ar Arduino konstruēt digitālu svara mērīšanas mašīnu, kas ar saprātīgu precizitāti var izmērīt svaru no dažiem gramiem līdz 40 kg (atkarībā no jūsu slodzes elementa specifikācijām). Mēs uzzināsim par precīzas pakāpes slodzes elementu klasifikāciju un kalibrēsim ierosināto ķēdi un pabeigsim svara skalas mašīnu.
Piezīme. Šī shēma var neatbilst standartiem, kas nepieciešami komerciālai ieviešanai.
Svara mēroga mašīnas tiek izmantotas dažādu veidu tirdzniecībā un pētījumos, sākot no miligramiem līdz vairākām tonnām. Piedāvātā svara skalas mašīnas maksimālā skala ir atkarīga no jūsu slodzes devēja specifikācijas. Diapazons ir no 500 gramiem, 1 kg, 5 kg, 10 kg, 20 kg un 40 kg utt.
Ir dažādas slodzes devēja pakāpes, tās piedāvā atšķirīgu precizitātes diapazonu, un jums vajadzētu izvēlēties savam projektam piemērotu.
Slodzes elementu precizitātes klases klasifikācija:
Dažādām lietojumprogrammām tiek noteiktas dažādas precizitātes klases. Zemāk esošā klasifikācija ir no zemākās precizitātes līdz augstākajai precizitātes diapazonai.
Slodzes elementi ar zemāku precizitāti (bet pietiekami precīzu) tiek klasificēti kā D1, C1 un C2. Šim projektam ar to pietiek. Šīs slodzes devas izmanto smilšu, cementa vai ūdens svara mērīšanai.
C3 klases slodzes elementi tiek izmantoti kvalitātes nodrošināšanā, piemēram, lodīšu gultņu, mašīnu konstrukciju daļu utt. Svara pārbaudē.
C4, C5, C6 ir labākie klases precizitātē, šīs slodzes šūnu pakāpes izmanto, lai mērītu gramos līdz mikrogramos. Šīs klases tiek izmantotas veikalu skaitītājos, liela mēroga ražošanas uzraudzībā, pārtikas iesaiņošanā un laboratorijās utt.
Tagad iedziļināsimies projekta tehniskajās detaļās.
Ķēdes shēma:
Slodzes elementa savienojums HX711 ar Arduino un slodzes elements.
Projekts sastāv no Arduino, slodzes elementu un HX711 slodzes elementu pastiprinātāja plates un datora. Izvadi var kontrolēt Arduino IDE sērijveida monitorā.
Projekta smadzenes kā vienmēr ir arduino, jūs varat izmantot jebkuru Arduino dēļu modeli. HX711 ir 24 bitu ADC, kas var atrast mazāko elastību svara svara dēļ. Tas var darboties no 2,7 V līdz 5 V. Strāvu nodrošina no Arduino dēļa.
Slodzes šūnā parasti ir četri vadi, kas ir Wheatstone tilta konfigurētā deformācijas mērinstrumenta izeja.
Sarkanais vads ir E +, melnais ir E-, zaļais ir A- un baltais ir A +. Daži HX711 moduļi norāda slodzes devēja spaiļu nosaukumu un daži HX711 moduļi - vadu krāsas, šāds modelis ir parādīts shēmas shēmā.
HX711 DATA tapa ir savienota ar Arduino 3. kontaktu un HX711 pulksteņa tapa ir pievienota Arduino 2. tapai.
Kā uzstādīt slodzes elementu:
Kravas kamerā ir četras skrūvju atveres, divas abās pusēs. Jebkurai pusei jābūt nekustīgai, lai panāktu vislielāko precizitāti, to var piestiprināt pie saprātīga svara koka.
Lai saglabātu mērīšanas svaru, kā parādīts iepriekš, var izmantot plānu koku vai plānu plāksni.
Tātad, kad jūs ievietojat svaru, slodzes elements saliekt tāpat kā spriedzes mērītājs un maina tā pretestību, ko mēra HX711 modulis un kas tiek padots Arduino.
Kad aparatūras iestatīšana ir pabeigta, augšupielādēsim kodu un kalibrēsim.
Kontūras kalibrēšana:
Ir divas programmas, viena ir kalibrēšanas programma (kalibrēšanas faktora atrašana). Cits kods ir svara mērīšanas programma. Kalibrēšanas koeficients, kas atrodams pēc kalibrēšanas programmas koda, jāievada svara mērīšanas programmā.
Kalibrēšanas koeficients nosaka svara mērīšanas precizitāti.
Lejupielādējiet HX711 bibliotēku šeit: github.com/bogde/HX711
Kalibrēšanas programmas kods:
//-------------------- --------------------//
#include
const int out = 3
const int clck = 2
HX711 scale(out, clck)
float CalibrationFactor = -96550
char var
void setup()
{
Serial.begin(9600)
Serial.println('------------- Weight Scale Calibration --------------')
Serial.println('Press Q,W,E,R or q,w,e,r to increase calibration factor by 10,100,1000,10000 respectively')
Serial.println('Press A,S,D,F or a,s,d,f to decrease calibration factor by 10,100,1000,10000 respectively')
Serial.println('Press 'T' or 't' for tare')
scale.set_scale()
scale.tare()
long zero_factor = scale.read_average()
Serial.print('Zero factor: ')
Serial.println(zero_factor)
}
void loop()
{
scale.set_scale(CalibrationFactor)
Serial.print('Reading: ')
Serial.print(scale.get_units(), 3)
Serial.println(' Kilogram')
Serial.print('Calibration Factor is: ')
Serial.println(CalibrationFactor)
Serial.println('--------------------------------------------')
if (Serial.available())
{
var = Serial.read()
if (var == 'q')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 10
}
else if (var == 'a')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 10
}
else if (var == 'w')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 100
}
else if (var == 's')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 100
}
else if (var == 'e')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 1000
}
else if (var == 'd')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 1000
}
else if (var == 'r')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 10000
}
else if (var == 'f')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 10000
}
else if (var == 'Q')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 10
}
else if (var == 'A')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 10
}
else if (var == 'W')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 100
}
else if (var == 'S')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 100
}
else if (var == 'E')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 1000
}
else if (var == 'D')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 1000
}
else if (var == 'R')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor + 10000
}
else if (var == 'F')
{
CalibrationFactor = CalibrationFactor - 10000
}
else if (var == 't')
{
scale.tare()
}
else if (var == 'T')
{
scale.tare()
}
}
}
//-------------------- --------------------//
Kā kalibrēt:
- Pabeidzot aparatūras iestatīšanu, augšupielādējiet iepriekš minēto kodu.
- Noņemiet plāno plāksni vai koku, ko izmanto svara turēšanai, ieskaitot divas skrūves (slodzes devēja otra puse jāpiestiprina pie pamatnes)
- Atveriet sērijas monitoru.
- Uz slodzes devēja tieši uzliek zināmu svaru, 100 gramus (teiksim).
- Nospiediet Q, W, E, R lai palielinātu kalibrēšanas koeficientu attiecīgi par 10 100 100 000.
- Nospiediet A, S, D, F lai samazinātu kalibrēšanas koeficientu attiecīgi par 10 100 100 000.
- Pēc katras kalibrēšanas koeficienta palielināšanas vai samazināšanas nospiediet “Enter”.
- Palieliniet vai samaziniet kalibrēšanas koeficientu, līdz parādās pareizā zināmā svara materiāla svars.
- Taras funkcija ir iestatīt svara skalu uz nulli, tas ir noderīgi, ja vēlaties izmērīt ūdens svaru (teiksim) bez bļodas svara. Vispirms ielieciet trauku, nospiediet taru un ielejiet ūdeni.
- Ievērojiet kalibrēšanas koeficientu un pierakstiet to pēc tam, kad parādās svars.
Tagad tas var izmērīt nezināmus svarus.
Svara mērīšanas programmas kods:
//---------------- ----------------//
#include
const int out = 3
const int clck = 2
HX711 scale(out, clck)
float CalibrationFactor = -12000 // Replace -12000 the calibration factor.
void setup()
{
Serial.begin(9600)
Serial.println('Press 'T' or 't' to tare')
scale.set_scale(CalibrationFactor)
scale.tare()
}
void loop()
{
Serial.print('Weight: ')
Serial.print(scale.get_units(), 3)
Serial.println(' Kilogram')
if (Serial.available())
{
char var = Serial.read()
if (var == 't')
{
scale.tare()
}
if (var == 'T')
{
scale.tare()
}
}
}
//---------------- ----------------//
pludiņš CalibrationFactor = -12000
Nomainiet -12000 ar atrasto kalibrēšanas koeficientu. Tas var būt negatīvs skaitlis vai pozitīvs skaitlis.
Augšupielādējiet iepriekš minēto kodu ar pilnu aparatūras iestatījumu, un jūsu svara skalas mašīna ir gatava.
Svara mēroga mašīna, izmantojot LCD displeju
Iepriekš minētajā rakstā tika izskaidrota Arduino balstīta svēršanas skalas sistēma, izmantojot datoru, un nākamajā sadaļā mēs mēģināsim izveidot praktisku Svara mēroga mašīnas versiju, pievienojot 16 x 2 LCD displeju, lai mērīšanas laikā mēs nebūtu atkarīgi no datora svari. Šajā ziņojumā tiek piedāvātas divas versijas, viena ar “I2C” 16 x 2 LCD un viena bez “I2C” 16 x 2 LCD displeja.
Šeit tiek dotas divas izvēles, lai lasītāji varētu izvēlēties dizainu atbilstoši sev piemērotajam. Galvenā atšķirība starp abiem ir vadu savienojumi ar I2C adaptera moduli, lai LCD displeja darbībai būtu nepieciešami tikai 4 vadi (Vcc, GND, SCL un SDA), turpretim bez I2C adaptera savienošanai starp Arduino un LCD displeju ir nepieciešami vairāki vadi.
Tomēr abas funkcijas ir tieši tādas pašas, dažas dod priekšroku I2C, nevis tradicionālajai, un dažas dod priekšroku otrādi, tāpēc šeit ir abi dizaini.
Apskatīsim parasto LCD dizainu:
Ķēdes shēma:
Iepriekš minētajā shēmā mums ir arduino, 16 x 2 LCD displejs un 10K potenciometrs, lai pielāgotu LCD displeja kontrastu.
3,3 V var vadīt no Arduino uz LCD displeju apgaismojumam. Tiek nodrošināta spiedpoga svara nolasīšanas nullei, šī funkcija tiks detalizēti paskaidrota beigās.
Tas ir tikai savienojums starp LCD un Arduino, savienojums starp slodzes elementu un slodzes elementu pastiprinātāju ar Arduino ir parādīts iepriekšējā sadaļā.
LCD svara mēroga iekārtas kods:
// -------- Program developed by R.GIRISH -------//
#include
#include
const int rs = 10
const int en = 9
const int d4 = 8
const int d5 = 7
const int d6 = 6
const int d7 = 5
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7)
const int out = 3
const int clck = 2
const int Tare = 4
HX711 scale(out, clck)
float CalibrationFactor = -12000 // Replace -12000 the calibration factor.
void setup()
{
lcd.begin(16, 2)
pinMode(Tare, INPUT)
digitalWrite(Tare, HIGH)
lcd.setCursor(0, 0)
lcd.print(' Weight Scale')
lcd.setCursor(0, 1)
lcd.print(' Machine')
delay(2000)
scale.set_scale(CalibrationFactor)
scale.tare()
}
void loop()
{
lcd.clear()
lcd.setCursor(0, 0)
lcd.print('Weight:')
lcd.print(scale.get_units(), 3)
lcd.print(' Kg')
delay(200)
if (digitalRead(Tare) == LOW)
{
scale.tare()
lcd.clear()
lcd.setCursor(0, 0)
lcd.print('Tare ......')
lcd.setCursor(0, 1)
lcd.print('Setting to 0 Kg.')
delay(1000)
}
}
// -------- Program developed by R.GIRISH -------//
Tagad redzēsim, kā izmantot šo svaru skalas mašīnu ar I2C adaptera bāzes LCD displeju.
Shēmas Arduino shēma un LCD displejs ar I2C adapteri:
Šeit mums vienkārši ir Arduino un LCD displejs ar I2C adapteri aizmugurē. Tagad vadu savienojumi ir vienkāršoti un taisni uz priekšu.
I2C moduļa ilustrācija:
Šo moduli var pielodēt tieši parastā 16 x 2 vai pat 20 x 4 LCD displeja aizmugurē un ievērot shematisko shēmu.
Un vēlreiz, lūdzu, skatiet iepriekšējo sadaļu par slodzes elementu, slodzes elementu pastiprinātāja un Arduino savienojumu.
Lejupielādējiet šo I2C balstīto bibliotēku:
github.com/marcoschwartz/LiquidCrystal_I2C
github.com/PaulStoffregen/Wire
I2C bāzes svara skalas ķēdes kods:
// -------- Program developed by R.GIRISH -------//
#include
#include
#include
const int out = 3
const int clck = 2
const int Tare = 4
HX711 scale(out, clck)
float CalibrationFactor = -12000 // Replace -12000 the calibration factor.
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2)
void setup()
{
lcd.init()
lcd.backlight()
pinMode(Tare, INPUT)
digitalWrite(Tare, HIGH)
lcd.setCursor(0,0)
lcd.print(' Weight Scale')
lcd.setCursor(0,1)
lcd.print(' Machine')
delay(2000)
scale.set_scale(CalibrationFactor)
scale.tare()
}
void loop()
{
lcd.clear()
lcd.setCursor(0,0)
lcd.print('Weight:')
lcd.print(scale.get_units(), 3)
lcd.print(' Kg')
delay(200)
if (digitalRead(Tare) == LOW)
{
scale.tare()
lcd.clear()
lcd.setCursor(0,0)
lcd.print('Tare ......')
lcd.setCursor(0,1)
lcd.print('Setting to 0 Kg.')
delay(1000)
}
}
// -------- Program developed by R.GIRISH -------//
PIEZĪME:
Pirms augšupielādējat kodu Arduino, kodā jāievada kalibrēšanas koeficients.
pludiņš CalibrationFactor = -12000
Kalibrēšanas koeficienta iegūšana ir paskaidrota vienā no iepriekšējām sadaļām.
Taras funkcija:
Taras funkcija svara skalā ir nolasījumu nulle. Piemēram, ja mums ir grozs, kurā preces ir iekrautas, tad neto svars būs groza svars + preču svars.
Ja pirms preču iekraušanas nospiedīsim taras pogu ar grozu uz slodzes šūnas, groza svars netiks ņemts vērā, un mēs varēsim izmērīt preču svaru vien.
Ja jums ir kādi jautājumi par šo Arduino balstīto praktisko LCD svēršanas iekārtas ķēdi, lūdzu, komentāru sadaļā norādiet, ka jūs varat saņemt ātru atbildi.
Pāri: Cietvielu kontaktoru ķēde motora sūkņiem Nākamais: Kā padarīt pazeminošus transformatorus
