今日では、 重量と強度の正確な測定 これは産業用途だけでなく、家庭や研究プロジェクトでも重要です。 ひずみゲージセンサーとは何ですか? そしてそれがどのように補完するか HX711モジュール 高精度デジタルスケールの作成方法をお探しなら、ここが最適な場所です。ここでは、理論から実践まで、あらゆる側面を詳しく説明します。細部まで理解し、独自の計量システムを構築する方法を学ぶことができます。
最近では、 ひずみゲージ などのモジュールとともに HX711 手作りの体重計、ホームオートメーション製品、さらには学校の実験にも活用できます。何よりも素晴らしいのは、これらの部品は手頃な価格で、Arduinoなどのプラットフォームと互換性があり、 プロフェッショナルレベルの信頼性の高い測定 正しく調整されていれば、基本操作から統合、プログラミングまで、すべてを段階的に見ていきましょう。
ひずみゲージとは何ですか？どのように機能しますか？
La ひずみゲージ あります ピエゾ抵抗センサー これにより、変形（圧力、牽引、圧縮によるもの）が電気抵抗の変化に変換され、表面に加えられた力や重量を間接的に測定できるようになります。 この特性は、現代のロードセルにおける荷重検知の基本となります。.
最も基本的な設計では、隙間ゲージは 非常に細い金属フィラメント 接着フィルムの中に配置されています。接着されている構造物が変形すると、フィラメントが伸びたり縮んだりして抵抗が変化します。 この変化は小さいですが、加えられた力に比例します。 電気的に分析することができます。
ピエゾ抵抗効果 ゲージの抵抗は、伸ばすと増加し、圧縮すると減少します。これにより、物理的な力を正確に測定可能な電気信号に変換することができます。
これらのゲージは通常、次のような標準的な抵抗値を持っています。 120Ω、350Ω、または1000Ω変形による変化はごくわずかです。例えば、大きな負荷がかかった場合でも、0.12Ωを超えるとわずか120Ωしか変化しません。しかし、適切な増幅・測定システムがなければ、このような小さな変化を検出することは困難です。
ロードセル：ひずみゲージの応用
A ロードセル これは、ひずみゲージを使用して 機械的な力を電気信号に変換する動作原理はシンプルです。1つまたは複数のゲージが、荷重を受けた際に予測通りに変形するように設計された金属構造に取り付けられます。荷重がかかると、構造が変形し、ゲージも変形し、応力に比例した電気信号が生成されます。
ロードセルには様々な種類がある （油圧、空気圧、ひずみゲージなど）が、電子機器や組み込みシステムではひずみゲージが最も一般的です。その一貫した設計により、 高精度と安定性.
セルは、数グラムの小型セルから数トンの工業用セルまで、サイズ、形状、容量、機械的な配置がさまざまです。
ほとんどのロード セルの内部には、ホイートストン ブリッジを形成する 1、2、または 4 個のひずみゲージが搭載されています。抵抗の小さな変化に敏感な電気回路。
ホイートストンブリッジ：感度の秘密
El ホイートストンブリッジ あります 正方形に配置された4つの抵抗器の回路1つまたは複数のひずみゲージが使用される場合もあります。負荷がかかっていない場合、回路は平衡状態にあり、出力間に電位差はありません。ゲージが変形すると、この平衡状態は破られます。 検出可能な電圧差が現れる 適用された荷重を反映します。
この構成 抵抗の変化に対する感度を倍増させる これにより、他の方法では捉えることのできない小さな変化も検出できるようになります。
家庭用または実験室用の体重計では、多くの浴室用体重計や計量台と同様に、4つのゲージで完全なホイートストンブリッジを構成するのが一般的です。これにより、温度誤差が低減され、直線性と精度が向上します。
HX711 モジュールが必要な理由は何ですか?
ホイートストンブリッジは電圧変動を増幅しますが、 変化は非常に小さい （マイクロボルト単位）。Arduino のようなマイクロコントローラでは、正確な測定はおろか、検出も困難です。
El HX711モジュール これは、ひずみゲージ ロード セルを備えた計量システム用に特別に設計されたチップであり、正確な読み取りを容易にします。
El HX711 のように動作します 計装アンプ y 24ビットアナログ-デジタルコンバータ（ADC）その主な機能は次のとおりです。
- ホイートストンブリッジからの差動信号を受信する.
- 増幅する 読みやすいように。
- 高解像度のデジタル信号に変換する マイクロコントローラが処理できるようにします。
さらに、HX711 は I2C バスに似た 2 つのピン (クロックとデータ) のみを備えたシンプルなデジタル インターフェイスを備えており、ソフトウェアとの接続と通信が簡素化されます。
HX711モジュールの特徴
El HX711 高感度と低価格が特長です。主な特徴は以下のとおりです。
- 24ビット精度 最小限の体重変化を検出するため。
- 統合されたプログラム可能な信号増幅 (通常は x128 または x64)。
- 2 つの独立したアナログ入力チャンネル。
- 2 つのピン (シリアル データとシリアル クロック) を備えたデジタル インターフェイス。
- 給餌 2,6V～5,5VArduino やその他のマイクロコントローラと互換性があります。
- エネルギー消費量が少ない。
モジュールには通常、ロード セルに接続するためのピンとマイクロ コントローラに接続するためのピンの 2 列のピンが付いています。
これらのピンには通常、次のようなラベルが付けられています。 E+、E-、A+、A-、VCC、GND、DT、SCK一般的なロードセル ケーブルは次のとおりです。
- 赤： 正励起（E+ / VCC）
- 黒： 負励起（E- / GND）
- 白： 負の出力（A-）
- 緑： 正出力（A+）
接続タイプとロードセルの種類
標準的なロードセルの配線は4線式ですが、メーカーによって色は異なる場合があります。安価なものやリサイクル品の中には3線式のものもありますが、より高度な製品にはシールドや接地用の黄色または青色の5本目の線が含まれています。
家庭プロジェクトで最も一般的なロードセルは 5kgまたは20kgただし、産業用途向けには最大 50 kg 以上のバージョンもあります。
体重計などの複数のセルを接続するには、 コンバイナーモジュール または、電気に関する知識が必要となる手動接続も可能です。正確な測定のためには、セル上の矢印の方向に注意することが重要です。これにより、中央部分が自由になり、変形が最適になります。
デジタルスケールの組み立て：材料と接続
ビルドするには デジタルスケール ひずみゲージと HX711 を使用する場合、次のものが必要になります。
- マイクロコントローラ（Arduino UNO、Nano、Mega、ESP8266 など)。
- 少なくとも 1 つのロード セル (必要に応じて 5kg、20kg、XNUMXkg…)。
- HX711 モジュール。
- プラットフォーム用の堅固な表面。
- ケーブル、コネクタ、ネジ。
オプションで以下を追加できます:
- 重量を表示するLCD画面またはディスプレイ。
- 風袋引きとモードのボタン。
- 構造物の支持材またはプレート。
- ESP8266/ESP32 を使用した WiFi や Bluetooth などの接続コンポーネント。
接続は簡単です:
- セル ワイヤを HX711 ピンに接続します。赤を E+、黒を E-、白を A-、緑を A+ に接続します。
- HX711 の VCC と GND をマイクロコントローラの 5V と GND に接続します。
- HX711 の DT と SCK をデジタル ピンに接続します (例 3 と 2)。
- セルを構造物に取り付け、正確な測定のために中央領域のみが空いていることを確認します。
Arduinoを使ったプログラミングとスケールの調整
データを読み取るには、 ボグデのHX711書店Arduino IDEライブラリマネージャーで利用可能です。主な機能は以下のとおりです。
- 開始(ピンデータ、ピンクロック): モジュールを起動します。
- タスク: 風袋機能で重量をゼロに設定します。
- set_scale(スケール): 読み取り値を重量単位に変換する係数を定義します。
- 読み取り() / 読み取り平均(n): 生のデータまたは平均値を取得します。
- get_value(n): 風袋重量なしの読み取り値を返します。
- get_units(n): 秤と風袋で調整した重量を提供します。
校正は、既知の重量を置き、読み取りを行い、スケール係数を計算することから成ります。 スケール = 読み取り値 / 実際の重量その後、将来の読み取りに合わせて調整するためにコードに導入されます。
正確で安定した結果を得るには、複数回の測定を行い、シリアル モニターでスケール係数を調整することをお勧めします。
HX711とArduinoを使ったデジタルスケールのサンプルプログラム
シリアルモニターに重量を表示する簡単な例は次のようになります。
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // 独自の値に置き換えます 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("現在の重量: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println(" kg"); delay(500); }
LCD ディスプレイやボタンを追加したり、スケールを EEPROM に保存したりすることでシステムを強化でき、迅速かつ正確なキャリブレーションが可能になり、よりプロフェッショナルなエクスペリエンスを実現できます。
起こりうる問題と実践的なアドバイス
1. 配線色のバリエーション： データシートを参照するか、抵抗値を測定し、接続を確認してください。一般的に、抵抗値が最も高いペアが励起（+/-）に対応します。
2. 矛盾した読み方: 測定値が逆または不安定に見える場合は、A+ と A- の出力リード線を交換してください。
3. 機械的安定性： エラーを回避するために、セルを正しく固定し、構造の中央部分のみが重量を支えるようにしてください。
4. ノイズと干渉： 可能であれば、短いシールド ケーブルを使用し、システムを電気ノイズの発生源から遠ざけてください。
5. 温度変化： ゲージは熱変化に敏感です。可能であれば、安定した状態でキャリブレーションを実行するか、4 つのゲージを備えたセルを使用してください。
システムの拡張と応用の可能性
オペレーティング システムでは、次の機能を追加できます。
- 液晶画面に重量を表示します。
- 重量制限に関するアラートを設定します。
- リモート監視のために ESP8266/ESP32 経由でクラウドに接続します。
- 実験、原料測定、自動化、ホームオートメーションなどに使用します。
HX711 の統合により、教育プロジェクト、在庫管理、商用スケール、ガスシリンダー制御、その他多くの創造的なアイデアが容易になります。
