Criando uma Balança com o Arduino

Amplificador Operacional

O módulo HX711 utilizado neste tutorial é um conversor analógico-digital e amplificador operacional de 24 bits. Ele é usado para amplificar o sinal da célula de carga de 50 kg, além de realizar a conversão do sinal analógico para um sinal digital. Isso é necessário, pois o sinal de saída da célula está na escala de milivolts (mV). Portanto para que seja um sinal que possa ser lido pelo microcontrolador, ele precisa ser amplificado para o nível adequado da placa utilizada.

Um amplificador operacional geralmente possui uma entrada variável e uma entrada constante, e então ele retorna como saída a diferença das tensões, de acordo com o ganho do amplificador. Essa matemática pode ser expressa através de Vout = A * [ (V+) - (V-) ], onde o ganho "A" costuma ser fornecido como um valor fixo pelo fabricante para o desenvolvimento do circuito.

Os pinos "Vs+" e "Vs-" são responsáveis pela alimentação positiva e negativa, respectivamente, do amplificador.

Funcionamento da Célula de Carga

Células de carga possuem um funcionamento parecido, em relação à variação de resistência, com potenciômetros, pois elas possuem extensômetros que se deformam de acordo com a carga aplicada sobre sua área de contato. Essa deformação faz com que sua resistência aumente. Entretanto existem alguns fatores que podem influenciar na variação ôhmica do extensômetro, como pode ser visto abaixo.

Em um mundo ideal, o gráfico da diferença de potencial em relação à carga aplicada em uma célula de carga seria uma reta. A linearidade é um erro representado pela diferença entre a curva real de resposta da célula quando aplicado um peso sobre sua área de contato, quando comparado com a curva ideal de expectativa teórica. A histerese também é um fenômeno comum quando testamos relações teóricas na prática. Como é possível ver na imagem acima, a curva desta relação acaba se deslocando para cima ou para baixo durante a aplicação ou a remoção de peso na célula. Ou seja, ao aplicar um peso de um quilo à célula sem carga, por exemplo, teríamos como resposta um valor diferente do que se removermos um quilo da mesma célula já carregada com dois quilos. A repetibilidade é a capacidade da célula de carga em retornar o mesmo valor quando aplicado o exato mesmo peso sobre o sensor, portanto ela deve ser levada em conta na hora de escolha do sensor adequado para realizar uma certa aplicação. A fluência é a perda de característica de transdutor (componente que transforma uma grandeza física, neste caso o peso em um sinal elétrico) do material, causando uma variação inesperada no sinal elétrico de saída. O erro combinado da curva acima é um erro calculado a partir de dois ou mais erros citados anteriormente. Todos esses fatores de distúrbio do componente devem ser levados em conta durante a calibração.

Ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone é, se não o único, o método mais utilizado para realizar medições sobre a variação da célula de carga. Com ela é possível identificar valores de resistência ôhmica desconhecida. Ela é utilizada para determinar resistências muito pequenas, podendo ser utilizada para medir uma escala de mili-ohms. O circuito da ponte nada mais é do que duas disposições série-paralelo de dois resistores, preferencialmente de mesmo valor. Com o valor igualado em todos os resistores da ponte, a diferença de potencial no centro da ponte quando medido entre as disposições de resistores deve ser igual a zero. A imagem abaixo mostra um exemplo do circuito da ponte de Wheatstone.

Para a ponte de Wheatstone, a fórmula matemática para calcular as resistências necessárias para o valor Vout ser igual a zero é Vout = Vc - Vd = [ R2 / ( R1 + R2 ) ] * Vin - [ R4 / ( R3 + R4 ) ] * Vin. Nessa condição, pode-se usar a relação entre os resistores R1 / R2 = R3 / R4. Assim é possível calibrar manualmente a tensão de saída da ponte, já que ao variar uma das resistências, o valor será alterado. Para realizar uma calibragem de hardware através das resistência, é necessário substituir um dos resistores de cada lado da ponte, por exemplo R1 e R3, então alimentar a ponte com 5 V e GND nos pontos "A" e "B", respectivamente, como pode ser visto na imagem acima. Então, com um multímetro, variar os potenciômetros para que o valor lido entre os pontos "C" e "D" seja igual a zero.

Circuito

O circuito a seguir utiliza o módulo HX711 para realizar a comparação entre as tensões de entrada do circuito (excitações), com os pinos "E+" e "E-", e a tensão de entrada do amplificador operacional, com os pinos "A-" e "A+". Observe a montagem na imagem abaixo.

A calibração será feita por um fator que será calculado com o valor retornado pelo módulo HX711, para converter o valor lido para uma unidade de peso (neste caso, utilizaremos a medida em quilogramas).

Código

Para esse tutorial, você precisa instalar a biblioteca criada por "bogde" para o módulo HX711. Para instalar uma biblioteca, siga o tutorial Adicionando Bibliotecas na IDE Arduino. Com o circuito acima montado, carregue o código a seguir para a sua placa para realizar a calibração via software.

  /*******************************************************************************

* Calibracao do Peso em kg (v1.0)

* 

* Codigo para realizar a calibracao do peso medido pela celula de carga. Para

* a calibraca serao utilizados os caracteres "n"(-1), "m"(+1), "v"(-10), "b"(+10), 

* "x"(-100), "c"(+100), para ajuste fino do fator de 

* calibracao da escala. Utilize uma peca com um peso conhecido para calibrar 

* corretamente a escala.

* 

* Copyright 2019 RoboCore.

* Escrito por Giovanni de Castro (10/04/2019).

* Creditos - Nathan Seidle - Sparkfun Electronics (2014)

*          - Bogde - GitHub library

* 

* This program is free software: you can redistribute it and/or modify

* it under the terms of the GNU General Public License as published by

* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

* (at your option) any later version (<https://www.gnu.org/licenses/>).

*******************************************************************************/

​

#include <HX711.h> //adiciona a biblioteca ao codigo

​

//configuracao dos pinos para o modulo HX711

const int PINO_DT = 3;

const int PINO_SCK = 2;

​

const int TEMPO_ESPERA = 1000; //declaracao da variavel de espera

​

HX711 escala; //declaracao do objeto escala na classe HX711 da biblioteca

​

float fator_calibracao = -45000; //pre-definicao da variavel de calibracao

​

char comando; //declaracao da variavel que ira receber os comandos para alterar o fator de calibracao

​

void setup ()

{

​

  //mensagens do monitor serial

  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Celula de carga - Calibracao de Peso");

  Serial.println("Posicione um peso conhecido sobre a celula ao comecar as leituras");

​

  escala.begin (PINO_DT, PINO_SCK); //inicializacao e definicao dos pinos DT e SCK dentro do objeto ESCALA

​

  //realiza uma media entre leituras com a celula sem carga 

  float media_leitura = escala.read_average(); 

  Serial.print("Media de leituras com Celula sem carga: ");

  Serial.print(media_leitura);

  Serial.println();

​

  escala.tare(); //zera a escala

}

​

void loop ()

{

  escala.set_scale(fator_calibracao); //ajusta a escala para o fator de calibracao

​

  //verifica se o modulo esta pronto para realizar leituras

  if (escala.is_ready())

  {

    //mensagens de leitura no monitor serial

    Serial.print("Leitura: ");

    Serial.print(escala.get_units(), 1); //retorna a leitura da variavel escala com a unidade quilogramas

    Serial.print(" kg");

    Serial.print(" \t Fator de Calibracao = ");

    Serial.print(fator_calibracao);

    Serial.println();

​

  //alteracao do fator de calibracao

    if(Serial.available())

      {

        comando = Serial.read();

        switch (comando)

        {

          case 'x':

          fator_calibracao = fator_calibracao - 100;

          break;

          case 'c':

          fator_calibracao = fator_calibracao + 100;

          break;

          case 'v':

          fator_calibracao = fator_calibracao - 10;

          break;

          case 'b':

          fator_calibracao = fator_calibracao + 10;

          break;

          case 'n':

          fator_calibracao = fator_calibracao - 1;

          break;

          case 'm':

          fator_calibracao = fator_calibracao + 1;

          break;

        }

      }

    }

    else

    {

      Serial.print("HX-711 ocupado");

    }

  delay(TEMPO_ESPERA);

}

Este código foi desenvolvido para que, durante as leituras de peso do circuito, o fator de calibração possa ser alterado para obter um ajuste fino sobre um peso já conhecido. Ou seja, é recomendado utilizar uma balança digital já funcionando para obter o peso do objeto a ser pesado, para que, com os comandos, o fator seja alterado de modo a obter com perfeição o peso através da calibração. Infelizmente a resolução desta célula de carga é de 100 g, portanto o valor variável dessa célula será informado de 100 em 100 g, tendo esse valor como leitura mínima.

Circuito

Aproveitando o circuito utilizado para a calibração via software, iremos acrescentar um display LCD, com um módulo I2C para facilitar a prototipagem e diminuir o número de portas utilizadas, para mostrar o peso que está sendo aplicado na área de contato da célula de carga. O circuito completo pode ser visto na imagem abaixo.

Como é possível observar na imagem acima, mantivemos o circuito utilizado anteriormente para realizar a calibração via software, porém incluímos o display LCD com módulo I2C para simular uma balança digital. Neste exemplo será possível apresentar pelo display o peso medido pela célula em quilogramas.

Código

Com o circuito acima montado, copie e cole o código abaixo para a Arduino IDE e carregue ele para a placa. Vale lembrar que o valor do fator de calibração encontrado durante a calibração via software deve ser alterado.

xxxxxxxxxx

/*******************************************************************************

* Balanca Digital (v1.0)

* 

* Este codigo utiliza uma celula de carga com o modulo HX711 para realizar a 

* leitura do peso aplicado para, no diplay LCD, apresentar o valor em kg medido

* pelo sistema.

* 

* Copyright 2019 RoboCore.

* Escrito por Giovanni de Castro (11/04/2019).

* Creditos - Bogde - GitHub library

* 

* This program is free software: you can redistribute it and/or modify

* it under the terms of the GNU General Public License as published by

* the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or

* (at your option) any later version (<https://www.gnu.org/licenses/>).

*******************************************************************************/

​

//adiciona as bibliotecas ao codigo

#include <HX711.h> 

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

​

LiquidCrystal_I2C lcd(0x20,16,2); //endereçamento do LCD

​

//configuracao dos pinos para o modulo HX711

const int PINO_DT = 3;

const int PINO_SCK = 2;

​

//declaracao do intervalo de espera

const int TEMPO_ESPERA = 500;

​

HX711 escala; //declaracao do objeto ESCALA na classe HX711 da biblioteca

​

const int FATOR_CALIBRACAO = -45000; //esse valor deve ser alterado para o valor de calibracao obtido com o outro codigo

​

void setup ()

{

​

  //mensagens do LCD

  lcd.begin(); //inicializacao do display

  lcd.backlight(); // ligacao do backlight do LCD

  lcd.print("    ");

  lcd.print("RoboCore");

  delay(TEMPO_ESPERA);

  lcd.clear();

​

  escala.begin (PINO_DT, PINO_SCK); //inicializacao e definicao dos pinos DT e SCK dentro do objeto ESCALA

  escala.tare(); //zera a escala

​

  escala.set_scale(FATOR_CALIBRACAO); //ajusta a escala para o fator de calibracao

}

​

void loop ()

{

  //verifica se o modulo esta pronto para realizar leituras

  if (escala.is_ready())

  {

  //mensagens de leitura no monitor serial

    lcd.print(" Peso: ");

    lcd.print(escala.get_units(), 1); //retorna a leitura da variavel escala com a unidade quilogramas

    lcd.print(" kg");

  }

  else

  {

    lcd.print(" Aguarde  . . . ");

  }

  delay(TEMPO_ESPERA); //intervalo de espera para leitura

  lcd.clear();

}

Diferentemente do código de calibração, este código possui menos comandos relacionados à biblioteca "HX711", porém utiliza comandos da biblioteca LiquidCrystal I2C. Este código utiliza as leituras da célula de carga para mostrar o peso lido no display LCD.