WS2024 - Sensortechnik - Wägedrucksensor mit Wägezelle

Abb. 1: Wägedrucksensor mit Wägezelle HX711AD

Autor:	Jan Steffens, Lukas Berkemeier
Studiengang:	Mechatronik
Modul:	MTR-B-2-5.12, Antriebs- und Sensortechnik
Semester:	Wintersemester 2024/25
Abgabetermin:	19.01.2025

Einführung

Der Wägedrucksensor mit Wägezelle HX711AD ist ein Sensor zur Massenbestimmung bis 1 kg. Er eignet sich für den Einsatz in Küchenwaagen, tragbaren Waagen, elekronischen Waagen uvm.

• Thema/Fragestellung:
• Hypothese:
• Einordnung in den Lehrplan: Der Sensor HX711AD besteht aus einigen Dehnmessstreifen welche ober-, und unterhalb eines Aluminium Biegebalkens angeordnet sind.

Damit ist dieser Sensor in der Vorlesungsreihe Sensortechnik, VL10: Messung dynamometrischer Größen zu verorten.

Tabelle 1: Anforderungen 

Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Masse muss mit der Wägezelle HX711AD mittels Arduino und Simulink ermittelt werden.	1
2	Der Messbereich muss bestimmt werden.	1
3	Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden.	1
4	Der Sensor muss kalibriert werden.	1
5	Für den Messbereich muss das Gewicht referenziert werden.	1
6	Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert/geglättet werden.	1
7	Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist.	1
8	Das Sensorsystem muss das Gewicht in g auf dem LCD-Display anzeigen.	2

Projektbeschreibung

Tabelle 2: Materialliste 

#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	Sensor HX711AD
3	1	Arduino Uno R3
4	1	Steckbrett
5	8	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
6	8	Jumper Kabel, männlich/weiblich, 20 cm
7	1	Piezo Summer
8	1	LCD Display for Arduino
9	8	24 Bit A/D Wandler
10	4	Wago Klemmen
11	4	3D gedruckte Standfüße
12	4	3D gedruckte Abstandshalter
13	2	M4 x 30mm Schrauben
14	2	3 x 30 Spax Schrauben

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software:

• Arduino Uno R3: Der Arduino Uno R3 ist ein Mikrocontroller, der auf dem ATmega328P-Mikrocontroller basiert. Er besitzt 14 digital Ein- und Ausgänge von denen sechs als PWM Ausgang genutzt werden können und sechs analog Eingänge. Der Arduino Uno kann über USB am Computer über externes Netzteil oder mit einer 9V Blockbatterie inklusive Batterieclip betreiben werden. Die Programmierung findet über die Arduino IDE in C/C++ oder über Matlab/Simulink statt.^[8]

• HX711AD: Der HX711AD ist ein Wägedrucksensor der durch einen Aluminium Biegebalken realisiert ist, welcher auf der Ober- und Unterseite mit Dehnmessstreifen ausgestattet ist. Diese Dehnmessstreifen sind mit einer Wheatstonschen Brückenschaltung als Auswerteelektronik verschaltet, welche es ermöglicht Widerstandsänderungen der Dehnmessstreifen durch Verformung zu messen. ^[2]

• Simulink R2024b: Simulink ist ein grafikorientiertes Softwaretool zur Simulation und Analyse von linea- ren und nichtlinearen mathematischen Modellen. Simulink ist als Unterprogramm von Matlab implementiert und greift auf dessen numerischen Lösungsalgorithmen zu.^[7]

• LCD-Display: Mit einem LCD-Display kann man Buchstaben und Ziffern in Echtzeit darstellen. Dies ist in vielen Anwendungen nützlich, zum Beispiel, um Messwerte oder auch Menüs darzustellen. Mithilfe des LCD lassen sich aber auch Daten darstellen, wenn kein Computer am Arduino-Mikrocontroller angeschlossen ist. Das LCD Modul mit angelötetem I2C Bus ermöglicht die Verwendung eines LCD Moduls mit einer einfachen Verkabelung. In diesem Fall wird das LCD-Display zur Anzeige des gemessenen Gewichts in Gramm (g) verwendet. Die vom Arduino verarbeiteten Daten werden auf dem Display angezeigt.^[6]

• Steckbrett: Das Steckbrett ermöglicht das unkomplizierte Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne die Notwendigkeit von Löten. Die auf dem Steckbrett aufgebaute Schaltung kann flexibel verändert und angepasst werden.

• Jumperkabel: Jumperkabel sind flexible Kabel, die verwendet werden, um Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten herzustellen. Sie ermöglichen es, Signale und Strom zwischen dem Arduino, dem Wägedrucksensor, dem Display und anderen Bauteilen zu übertragen.

• Passiver Lautsprecher: Der passive Lautsprecher ist ein akustisches Signalgebergerät, das Töne erzeugt. In diesem Setup wird der Lautsprecher verwendet, um einen Ton auszugeben, wenn ein Gewicht auf der Waage konstant gehalten wird. Dies dient als akustische Rückmeldung für den Benutzer. ^[9]

Tabelle 3: Technische Daten HX711AD 

Messbereich	0.001 Kg - 1 Kg
Genauigkeit	± 0.02% F.S
Versorgungsspannung	2,6V - 5,25 V
Stromverbrauch	< 1,5 mA
Abmessung Wägezelle	75 mm x 13 mm x 13 mm
Kabellänge	ca. 17 cm
Gewicht	ca. 30 g

Tabelle 4: Pinbelegung 

Pin (Arduino)	Belegung	Signal
5	DT	Messdaten (24Bit A/D-Wandler)
6	SCK	Takt (24Bit A/D-Wandler)
7	Piezo (+)	Schaltsignal Piezo
SDA	SDA (LCD)	Daten LCD
SCK	SCK (LCD)	Takt LCD
GND	Piezo (-), GND (LCD), GND (24Bit A/D-Wandler)	negatives Potential
5V	VCC (24Bit A/D-Wandler), VCC (LCD)	Versorgungsspannung

Tabelle 5: Pinbelegung A/D-Wandler 

Pin 24Bit A/D-Wandler	Belegung
E+	Rot
E-	Schwarz
A-	Weiß
A+	Grün
GND	GND
DT	5
SCK	6
VCC	5V

Funktionsweise des Primärsensors

Der primärsensor des HX711AD besteht aus Dehnungsmessstreifen. Diese bestehen meist aus einem dünnen Draht welcher unter mechanischer Belastung gedehnt oder gestaucht wird. Durch eine solche Längenänderung ändert sich der Querschnitt und es kommt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands. Diese Änderung wird mittels Wheatstonscher' Brückenschaltung in eine Spannungsänderung gewandelt und abgegriffen.

Funktionsweise der Messschaltung

Abb. 01: Wheatstonsche' Brückenschaltung

In diesem Fall ist die Messschaltung eine Wheatstonesche' Brückenschaltung. Diese Schaltung besteht aus 4 Widerständen und ist eine Parallelschaltung von jeweils zwei in Reihe geschalteten Widerständen. In der Mitte der Reihenschaltungen ist jeweils ein Messpunkt für eine Spannungsmessung. Ist das Verhältnis der Widerstände R1/R2 und R3/R4 im Gleichgewicht, so fällt zwischen den Messpunkten keine Spannung ab. Ändert sich einer oder mehrere der Widerstände und das Gleichgewicht der Verhältnisse ist nicht mehr vorhanden, fällt an den Messpunkten eine zu der Widerstandsänderung proportionale Spannung ab.

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

• 

  Abb. 02: Schaltskizze Arduino

• 

  Abb. 03: Sensormontage

• 

  Abb. 04: Hardwareaufbau

Auswertung

Tabelle 5: Testbericht gegen die Anforderungen  Der Test der Anforderungen wurden nicht explizit und nachvollziehbar dokumentiert. Anhand des Wiki-Artikels konnte nachfolgender Erfüllungsgrad abgelesen werden.

Req.	Beschreibung	Testergebnis
1	Die Masse muss mit der Wägezelle HX711AD mittels Arduino und Simulink ermittelt werden.	☒
2	Der Messbereich muss bestimmt werden.	☒
3	Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden.	☒
4	Der Sensor muss kalibriert werden.	☒
5	Für den Messbereich muss das Gewicht referenziert werden.	☑
6	Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert/geglättet werden.	☑
7	Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist.	☑
8	Das Sensorsystem muss das Gewicht in g auf dem LCD-Display anzeigen.	☒

Zusammenfassung und Ausblick

• Zusammenfassung der Kapitel 1-4:

In der vergangenen Woche hatten wir als Prüfungsleistung für das Fach Sensortechnik des Studienschwerpunkts SDE die Aufgabe mit dem Wägedrucksensor HX711AD, einem 24Bit A/D-Wandler, einem Arduino Uno R3 und der Software Matlab Simulink eine funktionsfähige Waage zu bauen, welche das Gewicht eines auf ihr platzierten Objekts in Gramm auf einem I2C LCD Display abbildet. Der HX711AD ist ein Wägedrucksensor der durch einen Aluminium Biegebalken realisiert ist, welcher auf der Ober- und Unterseite mit Dehnmessstreifen ausgestattet ist. Diese Dehnmessstreifen sind mit einer Wheatstonschen Brückenschaltung als Auswerteelektronik verschaltet, welche es ermöglicht Widerstandsänderungen der Dehnmessstreifen durch Verformung zu messen. Dieser Biegebalken kann nun mit einigen Unterlegscheiben zwischen zwei Holzbrettern montiert werden um eine Biegung zu gewährleisten. Das obere Brett dient als Vergrößerung der Auflagefläche des Balkens um auch größere Gewichte, bis zu einem Kg auf dem Sensor platzieren zu können. Der Sensor ist wie im Versuchsaufbau ^[X] zu sehen mit dem 24Bit A/D-Wandler, und dieser wiederum mit dem Arduino nach Anschlussplan ^{[Tabelle 5]} verbunden.

• Diskussion der Ergebnisse
• Ausblick:

Das Arbeiten mit verschiedenen Sensoren und Programmen wie: Matlab, Matlab Simulink, Arduino IDE, Multisim, TinkerCAD hat uns das interdisziplinäre arbeiten nähergebracht. Zukünftig werden wir weitere Sensoren und Verfahren kennenlernen

• Selbstreflexion/Lessons learned

Literatur

[1] Internetforum. HSHL-Wiki: Zitieren nach DIN ISO 690:2013-10 [online]. [Zugriff am: 06. Januar 2025]
[2] Roboter-Bausatz.de Datenblatt: Elektronische Wägezelle 1 kg [online]. [Zugriff am: 06. Januar 2025].
[3] Sparkfun Datenblatt: 24-Bit Analog-to-Digital Converter (ADC) for Weigh Scales [online]. [Zugriff am: 06. Januar 2025].
[4] Your-droid Datenblatt: Elektronische Wägezelle 1-20 kg [online]. [Zugriff am: 06. Januar 2025].
[5] Aufbau der Waage: https://wolles-elektronikkiste.de/hx711-basierte-waage [online]. [Zugriff am: 15. Januar 2025].
[6]I2C-Display: https://funduino.de/nr-19-i²c-display [online]. [Zugriff am: 15. Januar 2025].
[7] Einführung in Simulink: https://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/iui.inst.050/vorlesungen/sose15/err/simulink_einfuhrung.pdf [online]. [Zugriff am: 15. Januar 2025].
[8] Arduino Uno R3: https://docs.arduino.cc/hardware/uno-rev3/ [online]. [Zugriff am: 15. Januar 2025].
[9] Piezo Lautsprecher: https://wiki.hshl.de/wiki/index.php/Piezo_Lautsprecher [online]. [Zugriff am: 15. Januar 2025].

Anhang

Abb. 01: Standfuß

Abb. 02: Unterlegscheibe

A Ergebnisvideo

Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.

Anleitung: Videos im Wiki einbinden

B Datenblätter

[1] Datenblatt HX711AD https://wiki.hshl.de/wiki/images/1/1b/Datenblatt_RBS15855.pdf
[2] 24Bit A/D-Wandler https://wiki.hshl.de/wiki/images/d/d2/Hx711_english.pdf

D Originaldateien

Hinterlegen Sie hier alle Orginaldaten´(PAP, Schaltplan, Simulink-Modelle, ... ) in einer ZIP-Datei.

E Lernzielkontrolle

Lernzielkontrollfragen  Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.

1. Welche Anwendungen hat der Sensor?

• Der Sensor HX711AD wird zur Gewichtserfassung von verschiedenen Objekten verwendet (bis zu 1kg).

1. Wie funktioniert der Primärsensor technisch?

• In unserem fall ist der Primärsensor ein DMS. Ein solcher Dehnmessstreifen besteht aus einer meanderförmigen Leiterbahn, welche auf einem Träger befestigt ist. Durch Krafteinwirkung kommt es zu mechanischer Verformung der Leiterbahn, welche zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt. Durch eine Spannungsbeaufschlagung und der Änderung des Widerstands lässt sich eine Stromänderung messen. Über die Auswerteelektronik lässt sich dann die Gewichtskraft eines Objekts ermitteln. Durch die allgemeine Formel F=m*g lässt sich durch die konstante Erdbeschleunigung und der Gewichtskraft die Masse eines Objekts ermitteln.

1. Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?

Vcc: 2,6V - 5,5V A: < 1,7mA Auflösung: 24Bit A/D-Wandler Ausgangsdatenrate: 10 oder 80Hz Messgenauigkeit: 1,0±0,1mV/V Nichtlinearität: 0,05% Temperatursensitivität: 0,05% F.S/10°C

1. Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?

1. Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?

• Über einen Spannungswert am Analog In

1. Muss der Sensor kalibriert werden?

• Ja

1. Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet?

• Durch Krafteinwirkung kommt es zu mechanischer Verformung der Leiterbahn, welche zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt. Durch eine Spannungsbeaufschlagung und der Änderung des Widerstands lässt sich eine Stromänderung messen. Dieser ausgehende Strom wird durch einen 24-Bit A/D Wandler in kleinste Teilschritte zerlegt und im Microcontroller mit dem physikalischen Zusammenhang m=F/g, mit g=9,81m/s^2 zu einer Masse verrechnet.

1. Was nutzen Sie als Referenz?

• Als Referenz wird eine Feinwaage verwendet. Außerdem ein Referenzgewicht von 20g.

1. Benötigt der Sensor eine Kennlinie?

• Ja, da eine nichtlinearität vorliegt.

1. Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?

1. Welche Messunsicherheit hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?

1. Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?

• Durch den 24-Bit A/D-Wandler hat das Signal einen Wert von 0 - 16.777.215.

1. Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?

• Systematische Fehler durch Nichtlinearität, etc. und zufällige Fehler durch Messungenauigkeiten

1. Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z.B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?

• Die Temperatur muss berücksichtigt werden, da das Datenblatt eine Referenztemperatur von 10°C zur Verfügung stellt und wir bei Raumtemperatur gearbeitet haben.

1. Welche Fachliteratur wurde verwendet?

1. Wurden alle Quellen angegeben und nach DIN ISO 690:2013-10 zitiert?

1. Werden die Anforderungen erfüllt? Wurde dies in Tabelle 5 dokumentiert?

F Anforderungen und Bewertung

Tabelle 5: Regelwerk  Für diese Prüfung gelten nachfolgenden Regeln:

1.	Deadline für die Abgabe ist Sonntag der 19.01.2025 um 23:00 Uhr.
2.	Täuschungsversuche werden mit 6.0 bewertet. Ähnliche Lösungen oder die Verwendung einer KI wie chatGPT gelten als Täuschungsversuch.
3.	Begründen Sie Ihre Lösungen in Form von Kommentaren stichwortartig im Quelltext. Alle Lösungen müssen nachvollziehbar und begründet sein.
4.	Arbeiten Sie nachhaltig und sorgfältig. Halten Sie sich beispielsweise an das Anforderungsdokument Programmierrichtlinien für MATLAB®, verwenden Sie Header, bei Funktionen eine MATLAB®-Hilfe und erläuternde Kommentare.
5.	Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse in Ihrem Wiki-Artikel nach wissenschaftlichem Stand in deutscher Sprache.
6.	Beachten Sie die Zitierregeln, wenn Sie das geistige Eigentum anderer Personen verwenden.
7.	Ausschließlich lauffähiger Quelltext wird bewertet.
8.	Beantworten Sie die Verständnisfragen technisch tiefgründig.
9.	Bauen Sie die Schaltungen auf Ihrem Breadboard auf.
10.	Ordnen Sie Ihre Simulink-Modelle und beschriften Sie diese mit Header, Autoren, Funktion und hilfreichen Kommentaren. Beschriften Sie Signalleitungen.
11.	Bevorzugen Sie Simulink-Blöcke einer eingebetteten m-Function, da diese echtzeitfähig sind.
12.	Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse im HSHL-Wiki nach wissenschaftlichem Stand in deutscher Sprache. Legen Sie Ihr Versuchsprotokoll und die Simulink- Modelle (*.slx) zur Bewertung ab.
13.	Belegen Sie Ihren Erfolg mit einem Video.
14.	Wenden Sie sich bei Fragen frühzeitig an Herrn Ebmeyer (Tel. -847) oder Prof. Schneider (Tel. -806).
15.	Ihre Note wird erst nach Rückgabe der Hardware publiziert.

Tabelle 6: Softwareanforderungen  Es dürfen ausschließlich die folgenden Software-Werkzeuge verwendet werden.

Anwendung	Software-Werkzeug	Bezug über...
Projektplan Gantt-Diagramme	Gantt-Project	[1]
Programmablaufplan	PAP	[2]
Modellbasierte Programmierung	Simulink R2023b-R2024a Simulink Support Package for Arduino Hardware	Softwareportal HSHL
Schaltplan	National Instruments Multisim	Softwareportal HSHL
Verdrahtungsplan	Fritzing, TinkerCAD	[3] [4]

Tabelle 7: Bewertungsschema 

Aufgabe	Punkte
Einleitung	1 P
Materialliste	1 P
Technische Daten	1 P
Pinbelegung	1 P
Funktionsweise Primärsensor und Messschaltung	2 P
Versuchsaufbau	2 P
Versuchsdurchführung	2 P
Versuchsbeobachtung	2 P
Auswertung	2 P
Zusammenfassung und Ausblick	3 P
Ergebnisvideo	5 P
Literatur	1 P
Anhang	2 P
Anforderungen erfüllt	je 1 P

Hinweis: Die Punkte können bei der finalen Bewertung noch angepasst werden.

H Gliederung einer Hausarbeit

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