近年、計測機器、ロボット工学、計量システムの世界は、物理世界とマイクロコントローラ間の相互作用を促進するセンサーと電子モジュールの統合により、飛躍的に進化しました。この技術革命における重要なコンポーネントの一つが、ロードセルと、その典型的なパートナーであるHX711アンプモジュールです。これらは、高精度デジタルスケール、自動重量制御システム、そして力と重量の測定が不可欠なあらゆる種類のプロジェクトを構築しようとする人々にとって、ほぼ不可欠な要素となっています。
疑問に思ったことがあるなら 物体に加えられた力を、Arduino、ESP8266、またはその他のマイクロコントローラで解釈できる電子値に変換するにはどうすればよいでしょうか?この記事では、ロードセルとは何か、どのように機能するのか、種類、HX711モジュールへの接続方法、そして真のプロフェッショナルのようにハードウェアとソフトウェアを統合することで計量プロジェクトを次のレベルに引き上げる方法について、最も包括的かつシンプルかつ分かりやすく解説します。
ロードセルとは何ですか? なぜロードセルは電子重量測定の鍵となるのですか?
A ロードセル 最も基本的な本質は、加えられた力や圧力を電気信号に変換するトランスデューサーです。 動作原理は、負荷の作用によりセルが変形すると電気抵抗が変化する現象にあります。。そのため、彼らはまた、 力変換器.
トランスデューサーという言葉は、電子工学において物理量（圧力、音、光など）を処理可能な信号に変換する部品を指すため、よく知られています。この場合、ロードセルは力を検出します。ロードセルに重量を加えると、一見ほとんど感知できないほどの微小な変形が生じますが、内蔵のひずみゲージの電気抵抗を変化させるには十分な大きさです。
ラス ひずみゲージ ロードセルの心臓部とも言えるのが、極めて薄い導電性材料のシートまたは糸です。この材料は、取り付けられた材料の伸長または圧縮に応じて抵抗値を変化させます。この変化はわずかですが、検出・増幅され、電圧信号に変換されます。この電圧信号は適切にデジタル化され、私たちに情報を提供します。 精度 加えられた力に応じて。
この微妙な変化を効果的に有用な信号に変換するために、ゲージは次のように配置されます。 ホイートストンブリッジ抵抗測定の定番であるこの回路は、小さな抵抗差を増幅し、差動信号を得ることができます。これにより、材料を単純に引っ張るだけで張力の変化を測定でき、加えられた重量と正確に相関させることができます。
すべてのロードセルが同じように作られているわけではありません。 いくつかの種類があります:
- 油圧セル： ピストンとシリンダーによる流体の圧縮に基づいています。
- 空気圧セル: ダイヤフラムに空気圧をかけ、その結果生じる変形を測定します。
- ひずみゲージセル: 統合の容易さと精度のため、電子機器やロボット工学で最も一般的です。
他の技術（圧電式、静電容量式など）もありますが、 ひずみゲージ コスト、信頼性、校正の容易さから、家庭用スケールや産業用計量システムで最も一般的に使用されています。
内部の仕組み：ホイートストンブリッジと微弱信号への挑戦
ゲージによって生成される抵抗の最小変化を利用するための基本的な要素は、 ホイートストンブリッジ19世紀に発明されたこの回路は、菱形に配置された4つの抵抗器のバランスに基づいています。これらの抵抗器の1つまたは複数が変化すると（ひずみゲージが変形するとこのように発生します）、ブリッジは不平衡状態になり、変化に比例した電位差が発生します。
実際には、 典型的なロードセルには、ホイートストンブリッジの脚に配置された4つのひずみゲージが含まれています。セルに力を加えると、2つのゲージが伸び（抵抗が増加）、2つのゲージが圧縮（抵抗が減少）します。このようにして、ブリッジは得られる電位差を最大化し、感度を向上させます。
この巧妙な配置にもかかわらず、抵抗の変化は残る 非常に小さい例えば、120オームのゲージでは、かなりの圧力がかかっても抵抗値はわずか0.12オームしか変化しません。このわずかな変化は、XNUMXつの問題を引き起こします。 高精度電子機器 これらの変化を区別するためには、信号を増幅してからデジタル化し、マイクロコントローラで処理する必要があり、このような弱い信号を直接検出することはほとんど不可能です。
ここは、 HX711アンプ.
HX711モジュール: ロードセルとマイクロコントローラ間のブリッジ
El HX711モジュール これは、デジタル計量システムの基本的な機能を実行する小型の集積回路です。 ロードセルから得られた信号を増幅、調整し、デジタルに変換する。 このように、 Arduino、ESP8266、PIC、またはその他のマイクロコントローラで解釈できる重量と力の正確な測定値を取得することが可能です。.
その主な特徴のいくつかは次のとおりです。
- 最大24ビットの解像度： を取得できます 非常に高精度 体重の読み取りにおいて。
- アナログ-デジタル変換（ADC）： 増幅されたアナログ信号を処理可能なデジタル値に変換します。
- プログラム可能なゲイン: 128 倍から 64 倍の間で調整できるため、さまざまなアプリケーションに適応できます。
- 非常に低いエネルギー消費： ポータブル アプリケーションやバッテリー駆動のシステムに最適です。
- 接続の柔軟性: I2C または SPI プロトコルと同様に、XNUMX つのデジタル ピン (Clock/SCK と Data/DT) を介して通信します。
- 電源範囲は2.6V～5.5Vです。 さまざまな電子プラットフォームと互換性があります。
これらの機能のおかげで、HX711は DIYプロジェクトや産業分野でのロードセル読み取りの事実上の標準これにより、開発者の作業が大幅に簡素化されます。複雑な増幅回路を設計する必要がなく、計量システムのソフトウェアとロジックの開発に集中できます。
HX711 モジュールには通常、ロード セル用とマイクロコントローラ用の XNUMX つのメイン コネクタがあります。 接続は 4 つの主なケーブルに基づいています。
- 赤（E+、VCC）： 正の励起電圧。
- 黒（E-、GND）： 負の励起電圧。
- ホワイト（A-）： 負信号入力（出力 -）。
- 緑（A+）: 正信号入力（出力+）。
一部のモデルでは 5 番目のワイヤ (黄色、YLW) が追加されます。これは通常、接地基準として機能しますが、標準構成では使用されません。
ロードセルの種類とモデル：適切なものを選ぶ方法
適切なロードセルの選択 ロードセルは、計量プロジェクトにおいて正確な計測を行うために不可欠です。ロードセルは、最大容量、物理的形状、感度に応じて異なります。
- Capacidadmáxima： 1kg、5kg、20kg、50kg、さらにそれ以上の重量のロードセルがあります。 最適な精度アプリケーションの最大重量にできるだけ近い最大範囲のセルを選択することをお勧めします。例えば、最大4kgまで計量したい場合は、5kgセルが理想的です。この範囲で20kgセルを使用すると、読み取り精度が低下します。
- 機械構成: 最も一般的なのは、キッチンスケールに取り付ける長方形のバーですが、S 字型、ディスク型、ダブルビーム型などのモデルもあります。それぞれがさまざまな計量シナリオにより適しています。
- 品質と感度： 精度はゲージの品質と内部構造にも左右されます。高品質なセルは、通常、より良い結果と低いドリフトをもたらします。
- ブリッジタイプ: HX711 はフルブリッジ セルとハーフブリッジ セルの両方で動作し、デュアルブリッジ構成で最大 XNUMX つのセルの接続もサポートします。
セルの取り付けも重要です。バーの中央部分（感度の高い部分）に障害物がないようにし、荷重がかかった際にセルが適切に変形できるようにします。矢印に従って、測定したい力の方向にセルを設置してください。
機械設計と接続：HX711を使用したデジタルスケールの組み立て方法
実践に移ると、理解することが重要です ロードセルとHX711モジュールの物理的な接続と組み立て方法。一般的な手順は次のとおりです。
- 機械設備: スペーサーを使用して、ロードセルをベースと、重量を支える容器またはプラットフォームの間に固定します。ロードセルの中央は固定せず、荷重がかかった際に曲がる唯一の部分とします。
- 力の方向: セルに刻印された矢印を観察します。これは、重量を適用する方向を示しています。
- 電気接続: 各セルの配線をHX711の対応するピンに、カラーコードに従って接続します（赤はE+/VCC、黒はE-/GND、緑はA+/Output+、白はA-/Output-）。詳細については、 ロードセルのガイド.
- マイクロコントローラへの接続: HX711 の他のピン列から、GND と VCC を電源に接続し、DT (データ) ピンと SCK (クロック) ピンを Arduino または使用しているボード上の任意の XNUMX つのデジタル ピンに接続します。
体重計やより複雑なプロジェクトでは、それらはよく使用されます 4つのシンプルなロードセル コーナーに配置され、ケーブルは コンバイナーモジュール または、手動の接続図に従います (データシートを注意深く調べ、抵抗を測定して各ワイヤを識別する必要がある精密な作業です)。
最高の精度を求める人のために、SparkFun などのブランドから、配線を簡素化し、711 つのセンサーからの信号を HXXNUMX と互換性のある単一の入力に簡単に組み合わせることができるコンバイナー モジュールがあります。
ホイートストンブリッジの実践：利点と考慮事項
の使用 ホイートストンブリッジ これは偶然ではありません。ひずみゲージの抵抗変化を正確に増幅し、非常に小さな差を解決して、測定において優れた直線性を実現できます。
4線式ロードセルを1つだけ使用するシステムでは、ブリッジは既に構成されているため、複雑な設定は必要ありません。複数のセルを組み合わせてより高精度なバランスを構築したい場合は、明確に定義されたトポロジに従ってセルを1つのホイートストンブリッジに配線するか、コンバイナモジュールを使用する必要があります。 出力信号の反転 これは、重量が増加すると、読み取り値が減少するか、予想とは逆の動作をする場合、発生する可能性があります。この場合は、A+ ケーブルと A- ケーブルの接続を逆にするだけです。
HX711の高度な技術的特徴
このモジュールは 複数の利点 それが非常に人気がある理由です。
- 解像度： 最大 24 ビットで、最小限の重量変化を検出できます。
- プログラム可能なゲイン: 感度のニーズに応じて、128 倍または 64 倍を選択できます。
- 調整可能なサンプリングレート: 10 Hz ～ 80 Hz の間で、アプリケーションの安定性に合わせて測定速度を調整できます。
- 互換性： フルブリッジまたはハーフブリッジ ロード セルをサポートし、デュアル構成で最大 2 つのセルを読み取ることができます。
- 非常に低いエネルギー消費： アクティブ動作時は 1.5 mA 未満。バッテリー駆動のデバイスに最適です。
- 動作温度： -40ºC から +85ºC までの非常に広い範囲。
- コンパクトフォーマット: ピンははんだ付けしたりブレッドボードに取り付けたりできる状態になっており、ボードやプロトタイプに簡単に組み込めるサイズになっています。
ドキュメントが充実しており、開発者コミュニティも大きいため、 コード例、ライブラリ、オンラインガイド プロジェクトを迅速に完了します。
HX711とArduinoをベースにしたデジタルスケールのプログラミングとキャリブレーション方法
ハードウェアの取り付けは作業の半分に過ぎません。重量測定を行うには 正確、プログラムを作成し、そして何よりもシステムを正しく調整する必要があります。見てみましょう それを段階的に行う方法:
HX711ライブラリのインストール
最初のステップは、HX711との通信を容易にするライブラリをインストールすることです。最も人気があり信頼性の高い方法は、Bogde氏が作成したGitHubで公開されているライブラリです。手動でダウンロードするか、以下のURLから直接インストールできます。 書店マネージャー Arduino IDEから「HX711」を検索します。
HX711ライブラリの主な機能
- 開始(PinData、PinClock): マイクロコントローラで使用されるデータ ピンとクロック ピンを指定して、HX711 を初期化します。
- set_scale(floatスケール): スケール値または変換係数を割り当てます。これは、測定値を実際の重量と一致させるために不可欠です。
- タスク: 風袋引きを実行します。つまり、現在の重量で測定値をゼロに設定します。 n 風袋を定義するために採取されたサンプルの数を示します。
- 読む（）： HX711 の内部 ADC からの信号を XNUMX 回読み取ります。
- 読み取り平均(n): n回の読み取りの平均を返します。 安定性 y 精度 測定の。
- get_value(n): 測定値から風袋重量を差し引いた値を返します。nを渡すと、その回数の測定値の平均値が算出されます。
- get_units(n): 風袋重量を差し引き、その結果をスケール係数で割って重量を計算します。
これらの機能は、スケールの初期化、校正、風袋引き、読み取りの完全なサイクルをカバーします。
校正：正確な測定に不可欠なステップ
La 校正 これは、HX711のデジタル表示が、希望する単位（通常はキログラムまたはグラム）の実際の重量値と一致するように、スケール係数を調整することを意味します。一般的な手順は以下のとおりです。
- 秤の上に何も置かない、風袋引き（スケールをゼロに設定する）を実行するキャリブレーション プログラムを実行します。
- 重さがわかっている物体を置く (理想的には、測定する最大重量に近い値になるはずです) を体重計に載せます。
- スケールなしの読み取り値を書き留めます シリアルモニターに表示される値です。複数の測定値の平均を取るのが一般的です。
- スケール係数を計算する 次の式を使用します。 読み取り値 / 実際の重量 = スケール係数必要な単位を考慮してください（たとえば、重量が 4kg で、読み取り値が 1.730.000 の場合、スケール係数は 432500 になります）。
- プログラムを修正して、set_scale関数で計算された値を入力するようにします。.
- 読み取りを繰り返します。重量を追加または減らして測定精度を確認します。
キャリブレーションは、セルの位置、支持部の剛性、電気的な接触品質、その他の要因に左右されます。セル、設置方法、またはモデルを変更した場合は、再キャリブレーションが必要になります。
校正および計量コードの例
典型的なArduinoスケッチは、キャリブレーションと測定の2つの部分から構成されています。キャリブレーションスケッチでは、シリアルモニターを使用して係数を対話的に調整できます（+または-でスケール値を微調整）。計量スケッチでは、取得した係数を使用して読み取った重量を画面に表示するだけです。
基本的なコード構造は次のようになります (例の内容を文字通り繰り返さないように、適応および要約されています)。
- HX711 ライブラリが含まれています。
- DATA ピンと CLOCK ピンを定義します。
- HX711を初期化し、風袋引きを実行します。
- メイン ループでは、get_units() を使用して、0.5 秒ごとに読み取られた重量を表示します。
- 精度を微調整したい場合は、シリアル モニターからキャリブレーション係数を変更できます。
SparkFun や他の開発者によって普及したこの方法は、セルが同じモデルの他のセルとまったく同じでない場合でも、完璧なキャリブレーションを保証します。
高度な統合: 体重計、IoT、産業システム
家庭でのプロジェクトでは、市販の体重計からロードセルを回収することがよくあります（通常、711つのセンサーが個別に付属しています）。これらのロードセルを組み合わせてHXXNUMXに接続するには、コンバイナモジュールを使用するか、XNUMXつのセンサーすべてでホイートストンブリッジを構成できる専用の接続図に従ってください。コンバイナモジュールをお持ちでない場合は、配線（通常、センサーごとにXNUMX本）を特定し、ペア間の内部抵抗リファレンスを使用して配線を組み合わせる必要があります。
HX711の統合性は無限大です。IoT（モノのインターネット）プロジェクトでは、デジタルスケールで計測した重量データをESP8266、NodeMCUなどを用いてクラウドに送信するといった、非常に一般的な手法が用いられています。これにより、自動計量、在庫のリモート管理、ガスボンベやタンクなど、重量が重要なパラメータとなるシステムの監視が可能になります。
産業分野では、HX711 の堅牢性と精度により、グラムから数十キロまでを高精度で測定できる解像度を備えているため、自動投与システム、自動プロセス制御システム、包装機械、医療用途で使用できます。
よくある問題に対する推奨事項と解決策
独自の計量システムを構築するときは、次のヒントに留意してください。
- ロードセルに過度の衝撃や振動を与えないでくださいゲージを損傷したり、校正に影響を及ぼしたりする恐れがあります。
- 正しい機械的固定を保証する 不規則な測定値や不安定な測定値を避けるため、中央部分は空けておき、力の方向が指示された方向と完全に一致している必要があります。
- 電気接続を確認する接触不良により信号に変動やノイズが生じ、キャリブレーションが困難になります。
- 測定値が不安定であったり、真空状態で変動したりする場合、新しい風袋引きを実行し、電源が安定していることを確認します。
- 読み取った結果が逆に変化する（重量とともに減少する）場合、A+ と A- の接続を反転します。
また、プロジェクトで異なる重量範囲を異なる時間に測定する必要がある場合は、それに応じて校正係数を調整することを忘れないでください。各セルと設定で得られた校正値は必ず保存してください。
HX711モジュールの機能と取引オプション
市場には、専門店や汎用プラットフォームなど、HX711と互換性のある幅広いモジュールが揃っています。通常、様々な範囲（1kg、5kg、20kg、50kg）のロードセルが付属し、容易に接続できるようピンまたはヘッダーが付いています。これらのモジュールの注目すべき機能は以下のとおりです。
- ボルタヘ デ ファンシオナミエント: 2.6V ～ 5.5V の範囲で動作し、3.3V ボードと 5V ボードの両方で使用できます。
- 非常に低いエネルギー消費： 1.5mA未満。
- コンパクトフォーマット: DIY プロジェクトやプロトタイプへの統合に最適です。
- ドキュメントとサポート: コミュニティやメーカーは、Arduino と他のプラットフォームの両方について、チュートリアル、データシート、使用例を頻繁に提供しています。
使用例と応用例
ロード セルと HX711 は多用途に使用できるため、さまざまなアプリケーションに適しています。
- デジタル家庭用・キッチンスケール： 材料や食品を最大限の精度で計量します。
- ガスシリンダー監視システム: 充填状況を遠隔監視し、供給不足を回避できます。
- 倉庫や店舗での在庫管理： 継続的な計量により、在庫残量をリアルタイムで監視できます。
- クラウド接続スケール: ESP8266 などのボードを使用すると、収集されたデータを Web プラットフォーム上で視覚化したり処理したりして、高度な分析を行うことができます。
- 医療機器： 病院のベッドの体重計、投薬システム、研究室の体重モニタリングなど。
- ロボット工学と自動投与システム： 各工程で適切な量の原材料を分配します。
これらすべての場合において、接続とプログラミングプロトコルは非常に似ています。セルをキャリブレーションすれば、信頼性と精度の高い測定が可能になり、システムの自動化と制御が向上します。
プロジェクトに適したシステムを選択する方法
1kg、5kg、20kg、50kgのセルのどれを使用するか、取り付けタイプ、校正はお客様のニーズによって異なります。適切なセルの選び方は以下の通りです。 最善の決定を下すためのいくつかの基準:
- 計量範囲: 通常測定する最大重量よりもわずかに高い最大容量を持つロード セルを選択します。
- 必要な精度: グラム単位の精度が必要な場合は、高感度で低レンジのロードセルをお探しください。数グラムまたは数十グラムの誤差が許容されるアプリケーションの場合は、高レンジのモデルをお選びいただけます。
- 機械組立の難易度: キッチンスケールのバーマウントモデルは取り付けが簡単です。バスルームスケールの4つのセンサーの場合は、ケーブルを組み立てるか、コンビネーションモジュールを購入する必要があります。
- マイクロコントローラのサポート: HX711 モジュールはほぼすべてのカードと互換性がありますが、供給電圧とロジック レベルが正しいことを確認してください。
HX711 とそのロード セルのモジュール性と低価格により、電子計量テクノロジが民主化され、メーカー、学生、専門家が独自の測定システムを構築して確実に成功できるようになりました。
適切な選定、校正、そして機械的な組み立てがプロジェクトの成功を左右します。信頼性と安定性に優れた計測により、家庭用から産業用まで、あらゆるアプリケーションにおいて、制御、自動化、監視システムを統合し、プロフェッショナルな成果を上げることができます。
