اليوم، القياس الدقيق للوزن والقوة إنه أساسي في التطبيقات الصناعية والمشاريع المنزلية والبحثية. إذا تساءلت يومًا ما هو مستشعر مقياس الانفعال؟ وكيف يكمل وحدة HX711 إذا كنت تبحث عن طريقة لصنع موازين رقمية عالية الدقة، فأنت في المكان المناسب. هنا، سنشرح كل جانب، من النظرية إلى التطبيق، حتى تفهم كل التفاصيل وتتعلم كيفية تطبيق نظام الوزن الخاص بك.
في الآونة الأخيرة أصبح استخدام مقاييس الانفعال إلى جانب وحدات مثل HX711 في صناعة الموازين المنزلية، ومنتجات الأتمتة المنزلية، وحتى التجارب المدرسية. والأفضل من ذلك كله، أن هذه المكونات بأسعار معقولة، ومتوافقة مع منصات مثل أردوينو، وتتيح قياسات موثوقة على المستوى المهني إذا تمت معايرتها بشكل صحيح. لنلقِ نظرةً تفصيليةً على كل شيء، من التشغيل الأساسي إلى التكامل والبرمجة.
ما هو مقياس الانفعال وكيف يعمل؟
La مقياس الانفعال هو مستشعر مقاوم للضغط الذي يحول التشوه (سواء عن طريق الضغط أو الجر أو الضغط) إلى اختلاف في المقاومة الكهربائية، مما يسمح لنا بقياس القوى أو الوزن المطبق على السطح بشكل غير مباشر. تعتبر هذه الخاصية أساسية لاستشعار الحمل في خلايا الحمل الحديثة..
في تصميمه الأساسي، يتكون مقياس الاستشعار من خيوط معدنية دقيقة جدًا موضوعة داخل غشاء لاصق. عندما يتشوه الهيكل الملصق به، يتمدد الخيط أو ينضغط، مما يُغير مقاومته. هذا التغيير، على الرغم من صغره، يتناسب طرديا مع القوة المبذولة. ويمكن تحليلها كهربائيا.
التأثير المقاوم للضغط تزداد مقاومة المقياس عند التمدد، وتنخفض عند الضغط. هذا يسمح بتحويل الجهد البدني إلى إشارة كهربائية قابلة للقياس بدقة.
عادةً ما تحتوي هذه المقاييس على قيم مقاومة قياسية مثل 120Ω، 350Ω أو 1000Ωوالتغيرات الناتجة عن التشوهات ضئيلة: على سبيل المثال، تباين قدره 0.12 أوم فقط على 120 أوم للأحمال الكبيرة. ومع ذلك، بدون نظام تضخيم وقياس مناسب، سيكون من الصعب اكتشاف هذه التغيرات الطفيفة.
خلية الحمل: تطبيق مقاييس الانفعال
ل خلية الحمل إنه محول يستخدم مقاييس الانفعال لـ تحويل القوى الميكانيكية إلى إشارات كهربائيةمبدأ التشغيل بسيط: يُثبَّت مقياس واحد أو أكثر على هيكل معدني مصمم للتشوه بشكل متوقع تحت تأثير الحمل. عند تطبيق وزن، يتشوه الهيكل، وكذلك المقاييس، وتُولَّد إشارة كهربائية تتناسب مع الإجهاد.
هناك أنواع مختلفة من خلايا الحمل (هيدروليكي، هوائي، مقياس إجهاد، إلخ)، على الرغم من أن مقياس الإجهاد هو الأكثر شيوعًا في الإلكترونيات والأنظمة المدمجة. تصميمه المتناسق يسمح دقة عالية واستقرار.
تختلف الخلايا من حيث الحجم والشكل والسعة والترتيب الميكانيكي، من الخلايا الصغيرة التي تزن جرامًا إلى الخلايا الصناعية التي تزن أطنانًا.
داخليًا، تحتوي معظم خلايا الحمل على 1 أو 2 أو 4 مقاييس إجهاد تشكل جسر ويتستون.، دائرة كهربائية حساسة للتغيرات الصغيرة في المقاومة.
جسر ويتستون: سر الحساسية
El جسر ويتستون هو دائرة مكونة من أربعة مقاومات مرتبة في شكل مربع، حيث قد يكون هناك مقياس إجهاد واحد أو أكثر. عند عدم وجود حمل، تكون الدائرة في حالة توازن، ولا يوجد فرق جهد بين مخرجاتها. عند تشوه المقاييس، ينكسر هذا التوازن. وتظهر فروق الجهد القابلة للكشف والتي تعكس الحمل المطبق.
هذا التكوين يضاعف الحساسية للتغيرات في المقاومة وتسمح باكتشاف الاختلافات الطفيفة، والتي من المستحيل التقاطها بطريقة أخرى.
في الموازين المنزلية أو المختبرية، من الشائع استخدام أربعة مقاييس تُشكّل جسر ويتستون كاملاً، كما هو الحال في العديد من موازين الحمامات ومنصات الوزن. يُساعد هذا على تقليل أخطاء قياس درجة الحرارة وتحسين الخطية والدقة.
لماذا نحتاج إلى وحدة HX711؟
على الرغم من أن جسر ويتستون يعمل على تضخيم اختلافات الجهد، التغييرات صغيرة للغاية (في حدود الميكروفولت). بالكاد تستطيع المتحكمات الدقيقة مثل أردوينو اكتشافها، ناهيك عن إجراء قياسات دقيقة.
El وحدة HX711 إنها شريحة مصممة خصيصًا لأنظمة الوزن مع خلايا تحميل مقياس الانفعال، مما يسهل الحصول على قراءات دقيقة.
El HX711 انها تعمل مثل مضخم الآلات y محول تناظري إلى رقمي (ADC) 24 بتوظيفتها الرئيسية هي:
- استقبل الإشارة التفاضلية من جسر ويتستون.
- قم بتضخيمه لسهولة القراءة.
- تحويلها إلى إشارة رقمية عالية الدقة حتى يتمكن المتحكم الدقيق من معالجته.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز HX711 بواجهة رقمية بسيطة مع دبابيس 2 فقط (الساعة والبيانات)، على غرار ناقل I2C، مما يبسط الاتصال والتواصل مع البرامج.
مميزات وحدة HX711
El HX711 يتميز بحساسيته العالية وتكلفته المنخفضة. ومن أهم مميزاته:
- دقة 24 بت للكشف عن التغيرات الطفيفة في الوزن.
- تضخيم الإشارة المتكاملة والقابلة للبرمجة (عادةً x128 أو x64).
- قناتين إدخال تناظريتين مستقلتين.
- واجهة رقمية ذات دبابيس 2 (بيانات تسلسلية وساعة تسلسلية).
- تغذية 2,6 فولت إلى 5,5 فولتمتوافق مع Arduino ووحدات التحكم الدقيقة الأخرى.
- انخفاض استهلاك الطاقة.
تحتوي الوحدة عادةً على صفين من الدبابيس: أحدهما للاتصال بخلية الحمل والآخر للميكروكنترولر.
يتم عادةً تسمية هذه الدبابيس على النحو التالي: E+، E-، A+، A-، VCC، GND، DT، SCKكابلات خلايا الحمل النموذجية هي:
- الأحمر: الإثارة الإيجابية (E+ / VCC)
- أسود: الإثارة السلبية (E- / GND)
- الأبيض: الناتج السلبي (A-)
- الأخضر: الناتج الإيجابي (A+)
أنواع الاتصال ومتغيرات خلية الحمل
أسلاك خلية الحمل القياسية مكونة من أربعة أسلاك، مع أن الألوان قد تختلف باختلاف الشركة المصنعة. بعض الإصدارات الرخيصة أو المُعاد تدويرها تحتوي على ثلاثة أسلاك، بينما تتضمن الإصدارات الأكثر تطورًا سلكًا خامسًا أصفر أو أزرق للحماية أو التأريض.
في المشاريع المنزلية، خلايا الحمل الأكثر شيوعًا هي 5 كجم أو 20 كجم، على الرغم من وجود إصدارات تصل إلى 50 كجم أو أكثر للتطبيقات الصناعية.
لتوصيل عدة خلايا، كما هو الحال في ميزان الحمام، وحدة التجميع أو التوصيل اليدوي، والذي يتطلب معرفة كهربائية. من المهم ملاحظة اتجاه السهم على الخلية للقياس الصحيح، مع التأكد من بقاء الجزء المركزي حرًا وأن التشوه مثالي.
تجميع الميزان الرقمي: المواد والوصلات
لبناء أ ميزان رقمي مع مقاييس الانفعال و HX711، ستحتاج إلى:
- متحكم دقيق (Arduino UNO، Nano، Mega، ESP8266، إلخ.).
- خلية تحميل واحدة على الأقل (1 كجم، 5 كجم، 20 كجم... حسب الحاجة).
- وحدة HX711.
- سطح صلب للمنصة.
- الكابلات والموصلات والمسامير.
اختياريًا، يمكنك إضافة:
- شاشة LCD أو شاشة لعرض الوزن.
- أزرار للوزن الصافي والوضع.
- دعامات أو ألواح للهيكل.
- مكونات الاتصال مثل WiFi أو Bluetooth مع ESP8266/ESP32.
الاتصالات بسيطة:
- قم بتوصيل أسلاك الخلية بدبابيس HX711: الأحمر إلى E+، الأسود إلى E-، الأبيض إلى A-، الأخضر إلى A+.
- VCC وGND من HX711 إلى 5V وGND من المتحكم الدقيق.
- DT وSCK من HX711 إلى دبابيس رقمية (مثال 3 و2).
- قم بتركيب الخلية على الهيكل، مع التأكد من أن المنطقة المركزية فقط تبقى خالية لإجراء القياس الصحيح.
البرمجة باستخدام Arduino ومعايرة المقياس
لقراءة البيانات، مكتبة Bogde's HX711متوفر في مدير مكتبة Arduino IDE. بعض الميزات الرئيسية تشمل:
- البدء (pinData، pinClock): بدء تشغيل الوحدة.
- المهمة(المهام): تعيين وزن صفر في دالة الوزن الصافي.
- set_scale(المقياس): يحدد العامل الذي يحول القراءات إلى وحدات وزن.
- read() / read_average(n): احصل على قراءات خامة أو متوسطة.
- الحصول على القيمة (n): يعيد القراءة بدون وزن فارغ.
- الحصول على وحدات (n): يقدم الوزن المعدل بالمقياس والوزن الصافي.
تتكون المعايرة من وضع وزن معروف، وأخذ القراءة، وحساب عامل المقياس: الميزان = القراءة / الوزن الفعلي. ثم يتم إدخاله في الكود لضبط القراءات المستقبلية.
من المستحسن إجراء قياسات متعددة وضبط عامل المقياس على الشاشة التسلسلية للحصول على نتائج دقيقة ومستقرة.
برامج نموذجية للميزان الرقمي باستخدام HX711 وArduino
مثال بسيط يوضح الوزن على الشاشة التسلسلية سيكون:
#include "HX711.h" #define CALIBRATION 20780.0 // استبدل بالقيمة الخاصة بك 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("الوزن الحالي: "); Serial.print(balance.get_units(10), 1); Serial.println("kg"); delay(500); }
يمكن تحسين النظام عن طريق إضافة شاشة LCD أو أزرار أو تخزين المقياس في EEPROM لإجراء معايرات سريعة ودقيقة، مما يحقق تجربة أكثر احترافية.
المشاكل المحتملة والنصائح العملية
1. الاختلافات في ألوان الأسلاك: تحقق من التوصيلات باستخدام ورقة البيانات أو بقياس المقاومات. عادةً، يكون الزوج ذو المقاومة الأعلى هو المُثير (+/-).
2. القراءات غير المتماسكة: قم بتبديل أسلاك الإخراج A+ وA- إذا كانت القياسات تبدو معكوسة أو غير منتظمة.
3. الاستقرار الميكانيكي: تأكد من تأمين الخلية بشكل صحيح وأن الجزء المركزي فقط من الهيكل يدعم الوزن لتجنب الأخطاء.
4. الضوضاء والتداخل: استخدم كابلات قصيرة ومحمية إذا كان ذلك ممكنًا، وقم بنقل النظام بعيدًا عن مصادر الضوضاء الكهربائية.
5. التغيرات في درجات الحرارة: تكون المقاييس حساسة للتغيرات الحرارية؛ وإذا كان ذلك ممكنًا، قم بإجراء المعايرات في ظل ظروف مستقرة أو استخدم خلايا تحتوي على 4 مقاييس.
التوسع والتطبيقات الممكنة للنظام
باستخدام نظام التشغيل الخاص بك، يمكنك إضافة الميزات التالية:
- عرض الوزن على شاشة LCD.
- تعيين تنبيهات لحدود الوزن.
- قم بتوصيله بالسحابة عبر ESP8266/ESP32 للمراقبة عن بعد.
- استخدمه في التجارب، وقياس المكونات، والأتمتة، والأتمتة المنزلية، وما إلى ذلك.
يسهل تكامل HX711 المشاريع التعليمية، ومراقبة المخزون، والمقاييس التجارية، ومراقبة أسطوانات الغاز، والعديد من الأفكار الإبداعية الأخرى.
