Quelltext der Seite Wägedrucksensor mit Wägezelle (1kg) HX711AD

[[Kategorie:Arduino]]
[[Datei:Wägedrucksensor_mit_Wägezelle_-_1kg.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Wägedrucksensor mit Wägezelle HX711AD]]
{|class="wikitable"
|-
| '''Autor:'''  || [[Benutzer: Felix Neubauer|Felix Neubauer]]
|-
| '''Studiengang:'''  || Business and Systems Engineering
|-
| '''Modul:''' || BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
|-
| '''Semester:''' || Sommersemester 2024
|-
| '''Abgabetermin:''' || 28.07.2024
|}

== Einführung ==
In der Lehrveranstaltung Angewandte Informatik ist im Sommersemester 2024 eine semesterbegleitende Arbeit zu leisten. Jeder Student konnte sich einen Sensor seiner Wahl aussuchen und an diesem Sensor, die vorgegebenen Aufgaben abarbeiten. Die Aufgaben können in Tabelle 1 eingesehen werden.In diesem Kapitel  geht es um eine Wägezelle (1 kg), die in Kombination mit dem Verstärker HX711AD betrieben wird. Der Sensor wird mithilfe des Microcontrollers Arduino Uno R3 ausgelesen. Die Software, um die Werte auszulesen wird in Simulink entworfen. Es werden außerdem in Simulink, die Signale gefiltert und für den weiteren gebrauch verarbeitet. Hier werden gelernte Methoden aus dem Modul Signalverarbeitende Systeme, welches ebenfalls in dem Studiengang BSE angeboten wird, angewendet.  

=== Aufgabenstellung ===
Messen Sie die Masse mittels Wägezelle.
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Anforderungen&thinsp;</strong>
|-
| 
{| class="wikitable"
|+ 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_Modul_16x02_I2C|LCD-Display]] anzeigen. || 2
|}
|}

*'''Thema/Fragestellung:'''  Messung des Gewichts mittels Wägezelle (1kg) und HX711AD verstärker
*'''Hypothese:''' Das Gewicht lässt sich mit der Wägezelle auf eine Genauigkeit ±0,02% F.S auslesen. 
* '''Einordnung in den Lehrplan'''

Die Lehrveranstaltung angewandte Informatik baut auf das Modul Signalverarbeitende Systeme auf. Zum Abschluss und zum vertiefen der gelernten Methoden bietet sich die Hausarbeit, mit der praktischen Anwendung (auslesen eines Sensors) gut an.

== Projektbeschreibung ==
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Materialliste
|-
! #  !! Anzahl !! Material
|-
| 1  || 1|| PC mit MATLAB/Simulink R2023b
|-
| 2  || 1 || Wägezelle 1 kg
|-
| 3  || 1 || Arduino Uno R3
|-
| 4 || 1 || Streckbrett
|-
| 5 || 5 || LCD Modul 16x02 I<sup>2</sup>C
|-
| 6 || 6 || HX711AD 
|}
'''Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software'''

'''Arduino Uno R3'''

Der Arduino Uno R3 ist ein kleiner preiswerter Microcontroller der mit 3,3 - 5V betrieben werden kann. Er besitzt einen AtMega328P Prozessor um Rechenoperationen durchzuführen. Außerdem besitzt er einen 32 KB Flash Speicher um Programme auf dem Arduino speichern zu können und diese können dann dauerhaft ohne PC ausgeführt werden. Um mit dem Uno kommunizieren zu können gibt es eine integrierte USB- Schnittstelle. Damit z.B Sensordaten eingelesen werden können besitzt der Arduino 14 Digitale I/O Pins und 6 Analog Input Pins.

'''Wägezelle 1 kg mit HX711 AD Wandler'''

Mit einer Wägezelle ist es möglich, das Gewicht von Gegenständen zu messen.  Eine Wägezelle besteht in der Regel aus einem Metallkörper. Auf diesem Metallkörper sind an strategischen Punkten Dehnungsmessstreifen aufgebracht. Die Streifen bestehen aus einem dünnen Draht, welcher bei Dehnung oder Stauchung, eine elektrische Widerstandsänderung aufweist. Durch das auftragen eines Gewichts auf den Metallkörper verformen sich die Dehnungsmessstreifen und es kann eine Widerstandsänderung festgestellt werden. Die Widerstandsänderung kann anschließend über den Microcontroller in ein Gewicht umgerechnet werden. Die Wägezelle kann man allerdings nicht direkt an den Arduino anschließen, da der verbaute 
AD Wandler mit 10 Bit nicht ausreichend ist, um das Gewicht genau zu bestimmen. Hier wird der HX711 AD Wandler mit in die Schaltung integriert. Der HX711AD hat eine Auflösung von 24 Bit und eignet sich somit besser, zur genauen Gewichtbestimmung. 

 
'''Simulink R2023b'''

Simulink ist eine Software des Unternehmens MathWorks. Simulink eignet sich um z.B Sensordaten auszulesen. Der Vorteil von Simulink ist, dass man keinen Code in einer Programmiersprache entwickeln muss. In Simulink können einzelne Blöcke, die eine bestimmte Funktion erfüllen, zu einem Gesamtsystem zusammengesetzt werden. Dies geht in der Regel einfacher und schneller als einen Code z.B in C++ zu schreiben und erleichtert somit die Arbeit. Um Simulink nutzen zu können, muss man ebenfalls MATLAB installieren. MATLAB ist ebenfalls eine Software des Unternehmens MathWorks.



'''Steckbrett''' 

Das Steckbrett eignet sich für einen schnellen und einfachen Aufbau einer elektrischen Schaltung. Die elektrischen Bauteile können leicht miteinander verbunden werden, indem sie an die richtigen Plätze auf dem Steckbrett gesteckt werden. Die einzelnen Reihen auf dem Steckbrett sind hier miteinander verbunden. Die Spalten hingegen nicht. Einzig die Spalte + und - sind nach unten hin verbunden. So ist es möglich mit einer Spannungsquelle zu arbeiten. So kann eine Schaltung mit unterschiedlichen Bauteilen einfach und schnell realisiert werden.
 
'''Buzzer'''

Der Buzzer ist ein akustisches Signalgerät, welches einen Ton oder ein Geräusch erzeugen kann. Es gibt verschieden Arten von Buzzern. Es gibt die Mechanische, Piezoelektrischen und die Elektromagnetischen Buzzer. In diesem Fall wird ein Piezoelektrischer Buzzer verwendet. Bei dieser Art von Buzzer werden piezoelektrische Materialien verwendet, die sich unter elektrischem Einfluss zusammenziehen und so Schallwellen erzeugen. Durch das erzeugen von unterschiedlichen Schallwellen und Frequenzen, kann eine breite Palette von unterschiedlichen Tönen und Geräuschen erzeugt werden.


=== Technische Daten ===
{| class="wikitable"
|- 
| Messbereich || 0 - 1000 g
|- 
| Genauigkeit || +- 0.02% F.S
|- 
| Versorgungsspannung || 2,6V - 5,25 V
|- 
| Stromverbrauch || < 1,5 mA
|- 
| Abmessung Wägezelle  || 75mm • 20mm • 2mm
|- 
| Kabellänge || ca. 25 cm
|- 
| Gewicht || 33,5 g

|}

=== Pinbelegung ===
{| class="wikitable"
! style="font-weight: bold;" | Pin
! style="font-weight: bold;" | Belegung
! style="font-weight: bold;" | Signal
|-
| 1 || Masse GND  || 0 V
|-
| 2 || Data || Digitalisierte Messwerte
|-
| 3 || Serial Clock  || Taktleitung für den Microcontroller
|-
| 4 || Versorgungsspannung  ||5 V
|}

== Versuchsaufbau und Durchführung ==
=== Versuchsaufbau ===
In den Abbildungen 8 - 10 ist der Anschlussplan, der Schaltplan und der Versuchsaufbau dargestellt. Zu sehen ist jeweils der Arduino Uno, die Wägezelle, der HX711 AD Wandler, das Steckbrett und der Buzzer. Der Anschlussplan liefert hierbei eine groben Überblick über die verschiedenen Komponenten und die Verdrahtung untereinander. Der Schaltplan hingegen geht mehr ins Detail. Mit dem Schaltplan ist es möglich, den Versuchsaufbau exakt nachzustellen. Auf dem Foto des Versuchsaufbaus ist zusehen, wie der Ganze Versuch in der Realität aussieht.


<gallery widths="500" heights="250">
 Datei: Schaltplan Wägezelle.png|thumb|rigth|450px|Abb. 8: Anschlussplan
 Datei:Anschlussplan Wägezelle.png|thumb|center|450px|Abb. 9: Schaltplan
Datei:Versuchsaufbau Wägezelle.png|thumb|450px|Abb. 10: Foto des Versuchsaufbaus
</gallery>
<br>

=== Versuchsdurchführung ===

[[Datei:Simulink Model Wägezelle.png|thumb|rigth|750px|Abb. 11: Simulink-Modell]]

Mithilfe des Simulink Modells, welches in Abbildung 11 dargestellt wird, ist es möglich, das Gewicht eines beliebigen Objekts zu ermitteln. Um das Gewicht zu ermitteln, musste zunächst ein Programm auf dem Arduino implementiert werden (siehe Code für Arduino IDE), welches die digitalen Informationen des HX711AD verarbeitet und anschließend die Rohwerte an Simulink sendet. Das ermitteln der Rohwerte aus den digitalen Werten war leider in Simulink nicht möglich. Zum Empfangen der Digitalen Werte (0 und 1) ist der AD Wandler mit Pin 4 und Pin 5 des Arduino Uno R3 verbunden. Der Arduino sendet nun die über die USB Schnittstelle die Rohwerte an Simulink. Hierzu wurde in Simulink ein Serial Receive Block implementiert. Im Anschluss an das einlesen der Werte, werden die Rohdaten durch einen Tiefpassfilter gefiltert. Dies ist nötig um das starke Rauschen der Rohdaten zu minimieren und somit bessere Messdaten zu erhalten. Nachdem die Rohdaten gefiltert wurden, werden sie durch eine implementierte Matlabfunktion umgerechnet, in das Gewicht in Gramm. Hierzu war es zunächst nötig, den Kalibrierungsfaktor der Wage zu bestimmen. Um den Kalibrierungsfaktor zu bestimmen wurden verschiedene geeichte Gewichte auf der Waage platziert. In diesem Versuch wurde die Waage mit 20g, 50g, 100, 200g, 500g und 1000g Kalibriert. Durch das Auflegen der Kalibriergewichte konnte eine Look Up Table mit den unterschiedlichen Kalibrierungsfaktoren erstellt werden. Die Look Up Table enthält nun die Rohdaten und den entsprechenden Kalibrierungsfaktor für das entsprechende Gewicht. Außerdem wird in der Matlabfunktion ein Korrekturwert eingelesen. Durch unterschiedliche Temperaturen etc. kann der Messwerte an unterschiedlichen tagen abweichen. Mit dem Korrekturwert kann dies ausgeglichen werden. In einem Display wird dann das Gewicht in Gramm angezeigt. Es wird außerdem ein Signalton ausgegeben, wenn das Gewicht der Waage über 5s konstant bleibt bzw. sich nur in einem Gewissen Rahmen verändert. In diesem Versuch wird eine Gewichtsschwankung von 0.1g toleriert. Um den Ton auszugeben wurde ein Serial Send Block implementiert. Dieser Sendet an das Programm, welches auf dem Arduino läuft eine 0 oder 1 zum Schalten des digitalen Ausgangs 2. An dem digitalen Ausgang 2 ist der Buzzer angeschlossen. 

'''Die Modelleinstellungen für diese Durchführung lauten wie folgt:'''

● Hardware board: Arduino Uno

● Type: Fixed-step

● Solver: ode1 (Euler)

● Fixed-step Size: 0,01 s

Das Simulink-Modell ist in der rechten Abbildung 11 dargestellt.







'''Code für Arduino IDE'''

<div style="width:1680px; height:600px; overflow:scroll; border: hidden">
<syntaxhighlight lang="Matlab" style="border: none; background-color: #EFF1C1; font-size:15px">

#include "HX711.h"

const int LOADCELL_DOUT_PIN = 5;
const int LOADCELL_SCK_PIN = 4;
const int ledPin = 2;
HX711 scale;

typedef union{
  float number;
  uint8_t bytes[4];
} FLOATUNION_t;

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);
  scale.set_scale(); // Initialize with a known scale factor if available
  scale.tare(); // Reset the scale to 0

   pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  FLOATUNION_t reading;
  
  if (scale.is_ready()) {
    reading.number = scale.read();
    //Serial.write(reading);

    for (uint8_t i=0; i<4; i++) {
      Serial.write(reading.bytes[i]);
    }


    Serial.write('\n');
  } else {
    //Serial.println("HX711 not found.");
  }
  

  /*
  uint8_t n = 49;
  Serial.write(n);
  Serial.write('\n');
  */
  delay(1); // Adjust the delay as needed

if (Serial.available() > 0) {
    // Lese das empfangene Byte
    char receivedByte = Serial.read();
    
    // Setze den Pin basierend auf dem empfangenen Wert
    if (receivedByte == 1) {
      digitalWrite(ledPin, HIGH); // Schalte den Pin ein
    } else if (receivedByte == 0) {
      digitalWrite(ledPin, LOW); // Schalte den Pin aus
    }
  }

}


</syntaxhighlight>
</div>
<br/>

'''Filterung der Messdaten'''
[[Datei:Rohdaten ungefiltert.png|thumb|rigth|450px|Abb. 13: Rohdaten ungefiltert ]]

Da die Rohdaten starke Schwankungen aufweisen, siehe Abbildung 13, wurde ein Filter angewendet. Durch einen Filter können starke Schwankungen geglättet werden. Das Prinzip der Filter wurde in dem Modul Signalverarbeitende Systeme vermittelt. In dem Modul wurden drei unterschiedliche Filtertypen vorgestellt. Es wurde der rekrusive Mittelwert Filter, der gleitende Mittelwert und der rekrusive Tiefpassfilter vorgestellt. Um die Schwankungen der Rohdaten zu glätten, wurde in diesem Versuch der rekrusive Tiefpassfilter implementiert. 


[[Datei:Rohdaten gefiltert.png|thumb|rigth|450px|Abb. 14: Rohdaten gefilter]]

=== Versuchsbeobachtung ===
[[Datei:Sharp Ergebnis 1.png|thumb|rigth|450px|Abb. 6: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)]]
[[Datei:Sharp Ergebnis 2.png |thumb|rigth|450px|Abb. 7: Darstellung von dynamischen Messwerten des IR-Entfernungssensors]]
Das Signal des Sensors weist alle 40&thinsp;ms systematische Ausreisser auf (vgl. Abb. 6, rote Kurve).

== Auswertung==
Die Messhypothese wurde verworfen. Der Sensor weist systematische Messwertausreisser auf.

Die Ausreisser lassen sich mit einem Signalfilter eliminieren. Hierzu eignet sich ein Rangordnungsfilter (z.&thinsp;B. Median-Filter). Das Filter wird hierzu auf eine Fensterbreite von 30 Werten
eingestellt. Das zufriedenstellende Filterergebnis für statische Werte zeigt Abb. 6 als blaue Kurve. Es konnte mit dynamische Werten verifiziert werden (vgl. Abb. 7). Das Datenblatt ([2, S. 6]) belegt die Messungen und bezeichnet die Messausreisser als "instabile Ausgabe" für maximal 5&thinsp;ms alle 40&thinsp;ms. Mit 50 Werten erhöht sich die Filterwirkung, es entsteht jedoch ein Delay von 10&thinsp;ms. Mit 10 Werten ist die Filterwirkung zu gering.
==Zusammenfassung und Ausblick==

'''Zusammenfassung der Kapitel 1-4'''


'''Diskussion der Ergebnisse'''


'''Ausblick'''

In den nächsten Schritten, könnte man die Wägezelle nun in ein größeres Projekt einbinden und das Gewicht von anderen beliebigen Objekten mit einer hohen Genauigkeit bestimmen. Es ist außerdem möglich das Simulink Modell zu erweitern und weitere Bedingungen oder Funktionen hinzuzufügen. Es könnten außerdem noch weitere Aktuatoren an den Digitalen und Analogen Ein bzw. Ausgängen angeschlossen werden und bei bedarf angesteuert werden.

'''Selbstreflexion/Lessons learned'''

Bei dem auslesen der Wägezelle konnten Methoden und Verfahren die zuvor im Modul Signalverarbeitende Systeme erlernt wurden, in der Praxis angewendet werden. Das Auslesen der Wägezelle wurde durch den zwischen geschalteten AD Wandler erschwert. Dies war mit den bekannten Methoden und alleine mit Simulink leider nicht möglich. Hier musste ein zwischen Schritt mit der Arduino IDE gegangen werden, und zunächst ein Code auf dem Arduino implementiert werden, welcher die Rohdaten der Wägezelle direkt an Simulink übertragt. Da diese Hürde allerdings überwunden wurde, konnte das "Projekt" erfolgreich abgeschlossen werden.

== Ergebnisvideo ==
Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.

Anleitung: [[Videos_einbinden|Videos im Wiki einbinden]]

== Lernzielkrontrolle ==
Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Lernzielkontrollfragen&thinsp;</strong>
|-
| 
# Wie funktioniert der Primärsensor technisch? 
# Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
# Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?
# Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?
# Muss der Sensor kalibriert werden? 
# Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet? 
# Was nutzen Sie als Referenz? 
# Benötigt der Sensor eine Kennlinie?
# Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?
# Welche Messunsicherheit und welcher Vertrauensbereich hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?
# Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?
# Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?
# Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z.&#8239;B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?
|}

== Literatur ==
Zitieren Sie nach [[Zitieren_nach_DIN1505|DIN ISO 690:2013-10]].

== Anhang ==
* Datenblätter
* Simulink-Modell
* Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )
----
→ zurück zum Hauptartikel: [[BSE_Angewandte_Informatik_-_SoSe24|BSE Angewandte Informatik SoSe24]] | [[BSE_Angewandte_Informatik_-_SoSe24_-_Hausarbeit|Hausarbeit SoSe24]]