DMS Wägezelle mit Messverstärker HX711AD
| Autor: | Prof. Dr.-Ing. Schneider |
| Sprache: | 🇩🇪 🇬🇧 |
Einleitung
DMS-Wägezellen ermöglichen die präzise Erfassung von Kräften und Gewichten auf Basis der Dehnungsmessstreifen-Technologie (DMS). Bei einer Belastung der Wägezelle verformen sich die integrierten Dehnungsmessstreifen geringfügig. Dadurch verändert sich deren elektrischer Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird in einer Wheatstone’schen Messbrücke in eine messbare elektrische Differenzspannung umgesetzt.
Da die von einer DMS-Wägezelle erzeugten Signalspannungen typischerweise im Millivolt-Bereich liegen, ist für eine zuverlässige digitale Auswertung eine geeignete Signalverstärkung und Analog-Digital-Wandlung erforderlich. Der Messverstärker HX711AD übernimmt diese Aufgaben und stellt die Messwerte über eine digitale Schnittstelle für einen Mikrocontroller zur Verfügung. Durch seine hohe Auflösung eignet er sich insbesondere für die Erfassung kleiner Änderungen der auf die Wägezelle wirkenden Kraft.
In diesem Projekt wird eine DMS-Wägezelle mit einem Messbereich von 1 kg zusammen mit einem HX711AD und einem Arduino Uno R3 eingesetzt. Ziel ist es, die Messkette von der mechanischen Belastung über die analoge Signalaufbereitung bis zur digitalen Verarbeitung zu untersuchen. Neben der Erfassung und Kalibrierung des Gewichtssignals werden dabei auch Aspekte der Messunsicherheit, Signalstabilität und digitalen Filterung betrachtet.
Die Kombination aus Wägezelle, Messverstärker und Mikrocontroller stellt somit ein praxisnahes Beispiel für eine digitale Messkette dar. Sie ermöglicht die Untersuchung grundlegender Verfahren der Sensorik und Messtechnik und zeigt gleichzeitig die Schnittstelle zwischen physikalischer Messgröße, elektrischer Signalverarbeitung und digitaler Messwertverarbeitung.
Die Aufbau besteht aus den zwei in Abb. 1 gezegten Hauptkomponenten
- Plattformwägezelle mit 4 Dehnungsmesstreifen
- Messverstärker und A/D-Wandler HX711
Technische Übersicht
| Messbereich | bis 1 kg |
| Messmethode | DMS |
| Versorgungsspannung | 5 V .. 10 V |
| Ausgangsspannung | 2±0,1 mV/V |
| Stromverbrauch | < 1,5 mA |
| Schnittstelle | analog, 4-Draht |
| Kabellänge | 25 cm |
| Arbeitstemperatur | -10 °C .. +60 °C |
| Abmessungen Wägezelle | 75 mm x 12 mm x 13 mm |
| Gewicht Wägezelle | 28 g |
| ADC-Auflösung | 25 Bit |
| ADC-Typ | Sigma-Delta (ΣΔ) |
| Versorgungsspannung | 2,6 V .. 5,5 V |
| Stromverbrauch | < 1,5 mA |
| Temperaturbereich | -40 °C .. 85 °C |
| Schnittstelle | digital, 2-Draht |
| Arbeitstemperatur | -10 °C .. +60 °C |
| Gewicht | 33,5 g |
| Abmessungen PCB | 34 mm x 20 mm x 4 mm |
| Differenzeingänge | 2 Kanäle: A und B |
| Verstärkung Kanal A | 64 oder 128 |
| Verstärkung Kanal B | 32 |
| Eingangsspannungsbereich A, Gain 128 | ±20 mV |
| Eingangsspannungsbereich A, Gain 64 | ±40 mV |
| Eingangsspannungsbereich B, Gain 32 | ±80 mV |
Pinbelegung
| Belegung | Farbe |
|---|---|
| Eingang/Speisespannung - | Schwarz |
| Eingang/Speisespannung + | Rot |
| Ausgang/Messspannung - | Weiß |
| Ausgang/Messspannung + | Grün |
| Pin | Belegung |
|---|---|
| E+ | Speisespannung (Excitation) + |
| E- | Speisespannung (Excitation) - |
| A- | Messspannung A - |
| A+ | Messspannung A + |
| B- | Messspannung B - |
| B+ | Messspannung B + |
| Pin | Bezeichnung | Belegung |
|---|---|---|
| 1 | GND | Ground |
| 2 | DT | I2C Daten |
| 3 | SCK | I2C Takt |
| 4 | VCC | Versorgungsspannung |
Messverfahren
Eine DMS-Wägezelle (Dehnungsmessstreifen) wandelt die durch eine Gewichtskraft verursachte mechanische Verformung in ein elektrisches Signal um. Die DMS sind zu einer Wheatstone-Messbrücke verschaltet. Bei Belastung ändern sich ihre Widerstände aufgrund der Dehnung bzw. Stauchung. Dadurch entsteht eine zur mechanischen Belastung proportionale Differenzspannung im Millivolt-Bereich.
Der HX711AD versorgt die Messbrücke mit einer stabilen Erregerspannung, verstärkt die sehr kleine Differenzspannung mit einem rauscharmen Verstärker und digitalisiert sie mit einem 24-Bit-A/D-Wandler. Der resultierende Digitalwert wird vom Mikrocontroller ausgelesen und nach entsprechender Kalibrierung in eine Masse bzw. Gewichtskraft umgerechnet.
| Thema |
|---|
| DMS |
| Wheatstonesche Brückenschaltung |
| Delta-Sigma-ADU |
Messschaltung
| Wägezelle | HX711 | Arduino |
|---|---|---|
| Rot | E+ | |
| Schwarz | E- | |
| Grün | A- | |
| Weiß | A+ | |
| GND | GND | |
| DT | D3 | |
| SCK | D2 | |
| VCC | 5 V (VCC) |
HX711AD Messverstärker und A/D-Wandler
Der HX711 ist ein spezieller Messverstärker und 24-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) zur Auswertung von DMS-Wägezellen. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das sehr kleine elektrische Signal der Wägezelle zu verstärken und in einen digitalen Messwert umzuwandeln.
Eine Wägezelle enthält mehrere Dehnungsmessstreifen (DMS), die zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Wird die Wägezelle belastet, verändert sich ihr elektrischer Widerstand. Dadurch entsteht eine sehr kleine Differenzspannung zwischen den Anschlüssen A+ und A−.
- Der HX711 stellt über seine Versorgung bzw. die dafür vorgesehene Beschaltung die Excitation-Spannung für die Wägezelle bereit.
- Das Ausgangssignal einer Wägezelle liegt typischerweise nur im Bereich von wenigen Millivolt. Der integrierte programmierbare Verstärker (PGA) verstärkt dieses Differenzsignal. Für Kanal A sind beispielsweise Gain = 128 oder 64 möglich.
- Das verstärkte analoge Signal wird durch einen 24-Bit-Sigma-Delta-ADU digitalisiert. Dadurch steht dem Mikrocontroller ein digitaler Zahlenwert zur Verfügung.
- Der Messwert wird über die beiden Leitungen DT und SCK seriell an den Arduino übertragen.
Software
Arduino IDE
Arduino-Bibliothek installieren
Für die Verwendung der Wägezelle müssen Sie eine Bibliothek installieren. Öffnen Sie dazu Ihre Arduino IDE und klicken Sie auf:
Werkzeuge → Bibliotheken verwalten…
Geben Sie nun in das Suchfeld HX711 Arduino Library ein und installieren Sie die Bibliothek HX711 Arduino Library by Bogdan Necula, Andreas Motl.
URL: https://github.com/bogde/hx711
DemoWaegezelleHX711.ino
|
#include "HX711.h"
// HX711 Verdrahtung
const byte DT_PIN_u8 = 3; // Datenleitung
const byte SCK_PIN_u8 = 2; // Taktleitung
HX711 Waegezelle; // Erzeuge Objekt der Klasse HX711
void setup() {
Serial.begin(9600);
Waegezelle.begin(DT_PIN_u8, SCK_PIN_u8);
}
void loop() {
if (Waegezelle.is_ready()) {
long Messung_s32 = Waegezelle.read();
Serial.print("HX711 Messung: ");
Serial.println(Messung_s32);
} else {
Serial.println("HX711 nicht gefunden.");
}
delay(1000);
}
|
SVN-URL: https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoWaegezelleHX711/DemoWaegezelleHX711.ino
Simulink
Datenblätter
- Load Cell Sensor (1 kg) Datasheet 🇬🇧
- HX711 Load Cell Amplifier Datasheet 🇬🇧
- joi-it: Manual 🇬🇧
- joi-it: Wägezelle (1 kg) Datenblatt 🇩🇪
- joi-it: Anleitung 🇩🇪
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