Belka tensometryczna i HX711: od montażu do kalibracji

Belka tensometryczna, HX711 i kilka przewodów wystarczą, żeby zobaczyć zmieniające się liczby. Do zbudowania sensownej wagi potrzeba jeszcze poprawnego mocowania, stabilnego zasilania i kalibracji. W tym projekcie zaczynamy od rysunków montażowych IMZ, a następnie przechodzimy do odczytu oraz sprawdzenia wyniku.

Poradnik dotyczy belki z pełnym mostkiem pomiarowym i czterema przewodami. Czujniki trójprzewodowe wyjęte z wagi łazienkowej wymagają innego zestawienia. Nie należy ich podłączać według tej samej tabeli tylko dlatego, że również współpracują z HX711.

Mechanika jest częścią pomiaru

Jeden koniec belki mocujemy do sztywnej podstawy. Do przeciwnego końca przykręcamy szalkę lub platformę. Środkowy obszar z przewężeniami musi mieć miejsce na niewielkie odkształcenie. Jeżeli oprzemy całą belkę na stole albo dociśniemy ją płytą na całej długości, zmienimy drogę przenoszenia siły i wynik przestanie odpowiadać zamierzonemu układowi.

Na rysunku dolne podparcie znajduje się po lewej, a dystans pod szalką po prawej. Oznaczenie 5 mm jest elementem tej ilustracji, nie uniwersalnym wymiarem montażowym. Obszary podparcia, śruby, dopuszczalna wielkość platformy i kierunek obciążenia muszą odpowiadać dokumentacji konkretnej belki. 

Dobierz długość śrub tak, aby nie opierały się o dno otworów. Platforma i podstawa nie mogą stykać się poza zaplanowanymi punktami mocowania. Przewody poprowadź z zapasem: napięty kabel działający jak sprężyna potrafi przesuwać punkt zerowy. Sprawdź także, czy element obudowy nie dotyka szalki po położeniu obciążenia.

Masa platformy wchodzi do obciążenia mechanicznego belki. Naciśnięcie przycisku tarowania nie zwiększa udźwigu. Dobierając czujnik, uwzględnij również ciężar osprzętu i możliwość przypadkowego dociśnięcia platformy.

Po co jest HX711

Belka daje mały sygnał różnicowy. HX711 wzmacnia go i zamienia na odczyt cyfrowy, który pobiera mikrokontroler. Sam wynik przetwornika nie jest jeszcze masą w gramach. Potrzebne są punkt zerowy i współczynnik przeliczenia dla konkretnego zestawu.

Nie utożsamiaj 24-bitowego formatu przetwornika z dokładnością całej wagi. W praktyce znaczenie mają mechanika, zakłócenia, temperatura, pełzanie i parametry samej belki. Bez pomiarów nie przypisujemy temu projektowi dokładności procentowej ani rozdzielczości użytkowej.

Połączenie belki i modułu

Na czas montażu odłącz zasilanie. Najpierw ustal oznaczenia przewodów w dokumentacji czujnika, następnie połącz je według funkcji:

Kolory: czerwony dla E+, czarny dla E−, zielony dla A+ i biały dla A−. To opis tego wariantu, nie standard wszystkich belek. Zamiana A+ i A− odwraca znak odczytu, ale pomylenie przewodów sygnałowych z zasilaniem nie jest sposobem kalibracji.

Przykład dla Uno lub Nano z ATmega328P:

Dla ESP32 wybierz odpowiednie GPIO i sprawdź poziom logiczny wyjścia DOUT. Moduł zasilany z 5 V może wystawiać sygnał zbyt wysoki dla wejścia 3,3 V. Część płytek ma osobne zasilanie logiki, część tylko jeden pin VCC; trzeba zweryfikować konkretną konstrukcję. 

Pierwszy odczyt i tarowanie

Przykład korzysta z biblioteki HX711 autorstwa bogde. Nazwę autora warto sprawdzić w menedżerze bibliotek, bo istnieją inne pakiety o podobnej nazwie. Funkcje begin, read, set_offset i set_scale opisuje repozytorium biblioteki.

W pakiecie pod artykułem znajduje się szkic, który odbiera polecenia w monitorze szeregowym ustawionym na 115200 bit/s. Każdy pomiar czeka na gotowość HX711 z limitem czasu. Dzięki temu brak modułu daje komunikat błędu, zamiast bez końca blokować uruchomienie.

1. Zmontuj mechanikę, podłącz układ i poczekaj, aż odczyt będzie stabilny.
2. Zdejmij obciążenie z platformy. Sama platforma pozostaje zamontowana.
3. Wyślij t. Program uśredni odczyty i zapisze punkt zerowy w pamięci RAM.
4. Nie dokładaj ani nie zdejmuj niczego podczas tej operacji.

Tarowanie odejmuje aktualny odczyt pustej platformy. Nie ustala przeliczenia na gramy. Powinno odbywać się świadomie — automatyczne tarowanie przy każdym restarcie może uznać pozostawiony przedmiot za nowe zero.

Kalibracja własnym obciążeniem

Przygotuj obciążenie o znanej masie, odpowiednie do zakresu belki. Wartość wpisywana w programie ma pochodzić z tego obciążenia, a nie z przykładu znalezionego w internecie. Nie kopiujemy stałej 2280 ze szkicu roboczego jako gotowej kalibracji.

Po tarowaniu połóż obciążenie i poczekaj na ustalenie wyniku. Wyślij c MASA_W_GRAMACH, zastępując opis wartością, np. c 500 wyłącznie dla rzeczywistego obciążenia 500 g. Program obliczy:

współczynnik = (średni odczyt z obciążeniem − odczyt pustej platformy)
               / znana masa w gramach

masa = (aktualny odczyt − odczyt pustej platformy) / współczynnik

Współczynnik może być ujemny — zależy to od orientacji sygnału. Ważne, aby dodatnie obciążenie dawało dodatni wynik po przeliczeniu. Wysłanie r pokazuje odczyt surowy, a po kalibracji także masę. Parametry w tym szkicu nie przeżywają restartu; program nie udaje, że został skalibrowany bez przeprowadzenia tej czynności.

Jak sprawdzić, czy wynik ma sens

Zdejmij wzorzec i sprawdź powrót do zera. Następnie kilka razy połóż to samo obciążenie w podobnym miejscu. Zapisz rozrzut wyników. Dopiero później porównaj kilka innych znanych mas w użytecznym zakresie i sprawdź zachowanie przy różnych położeniach na platformie, zgodnie z dopuszczalną geometrią belki.

Jeśli wynik zależy od dotknięcia kabla lub obudowy, popraw mechanikę przed zmianą współczynnika. Jeśli odczyty pływają, sprawdź zasilanie, prowadzenie przewodów i ruch powietrza lub drgania stanowiska. Dłuższe uśrednianie wygładza przebieg kosztem czasu reakcji; nie naprawi ocierającej szalki ani przeciążonego czujnika.

Przy braku gotowości HX711 sprawdź zasilanie, wspólną masę oraz zamianę DT z SCK. Przy stałym odczycie skrajnym wróć do połączeń mostka. Po każdej zmianie mocowania lub wymianie czujnika wykonaj ponowną kalibrację i próbę powtarzalności.

To konstrukcja DIY do nauki i własnych eksperymentów.