Тензодатчики и весы на HX711: мост, подключение, калибровка

Мост, мВ/В и что написано в паспорте датчика

В тензодатчике веса обычно стоит полный мост — все четыре плеча активные: два растягиваются, два сжимаются. По TI такой мост вчетверо чувствительнее моста с одним активным элементом и не имеет собственной нелинейности, свойственной четверть-мосту (SBAA532A, разд. 2.1). Выход моста пропорционален напряжению возбуждения, поэтому чувствительность задают в милливольтах на вольт:

где S — номинальный выход (мВ/В), F — нагрузка, F_ном — номинальная нагрузка. Параметры двух датчиков из документов производителей микросхем:

Что из этого следует для весов:

• Наклон. Допуск ±15 % означает, что «10 мВ» на полной нагрузке у конкретного экземпляра — от 8,5 до 11,5 мВ (SBAA532A, разд. 4.5). Это ошибка усиления, и её убирает калибровка гирей.
• Ноль. ±0,3 мВ/В у LCL816G при 5 В — до ±1,5 мВ без нагрузки, 15 % шкалы; в примере TI — ±10 % шкалы. Это смещение, и его убирает тарирование.
• Дрейф и ползучесть. Изменение нуля и наклона с температурой, нелинейность, гистерезис и ползучесть калибровкой по двум точкам не убираются, а ползучесть по TI не калибруется вообще (разд. 4.6–4.8). Они и определяют реальную точность весов.
• Перегрузка. Выше безопасных 150 % номинала датчик можно повредить; в механике весов ставят упоры, которые принимают нагрузку раньше.

Возбуждение и логометрическое измерение

Мост питают напряжением, и тем же напряжением задают опорный вход АЦП. Тогда код АЦП пропорционален отношению выхода моста к возбуждению, то есть только изменению сопротивлений плеч, а не точному значению питания: логометрическое измерение нечувствительно к дрейфу возбуждения, и коррелированный шум источника сокращается (SBAA532A, разд. 3.1).

Ток моста. У моста 350 Ом при 5 В — 14,3 мА (SBAA532A, разд. 4.2), у моста 1000 Ом — 5 мА, это больше тока самого HX711 (1,4 мА аналоговой части со стабилизатором). Для батарейных весов мост выключают между измерениями: у HX711 высокий уровень на PD_SCK дольше 60 мкс выключает микросхему, а при встроенном стабилизаторе — и питание датчика.

Четыре и шесть проводов

Четырёхпроводный датчик: два провода возбуждения (E+ и E−) и два сигнальных (S+ и S−). По проводам возбуждения течёт весь ток моста, и их сопротивление уменьшает напряжение на самом мосту. В примере TI мост 350 Ом от 5 В и провода по 1 Ом дают ошибку 0,6 % (SBAA532A, ур. 17). Ток через сигнальные провода ничтожен, их сопротивление не важно.

Шестипроводный датчик добавляет две линии SENSE, подключённые к верху и низу моста. По ним опорный вход АЦП видит напряжение прямо на мосту — это кельвиновское подключение, и ошибка от проводов возбуждения исчезает (разд. 3.3). Для датчика на коротком кабеле разница мала: у моста 1000 Ом провода по 0,1 Ом дают около 0,02 % (наш расчёт), что заметно меньше допуска наклона и снимается калибровкой — если сопротивление проводов не меняется с температурой.

Цвета проводов у производителей датчиков разные: назначение каждого провода берут из паспорта своего датчика, а не из таблицы для «типичного» датчика.

Подключение к HX711

HX711 — 24-битный сигма-дельта АЦП Avia с усилителем на входе, рассчитанный именно на мост: вход канала A подключают к средним точкам моста напрямую, а встроенный стабилизатор питает и АЦП, и датчик.

Напряжение AVDD. Со встроенным стабилизатором U_AVDD = 1,25 В · (R₁ + R₂)/R₂, и оно должно быть хотя бы на 100 мВ ниже VSUP. Шкала канала A при усилении 128 — ±0,5 · AVDD/128, при 5 В это ±19,5 мВ (в даташите округлено до ±20 мВ); канал B с усилением 32 — ±80 мВ.

Синфазное напряжение. Входы должны лежать в пределах от AGND + 1,2 В до AVDD − 1,3 В. Средние точки моста — около AVDD/2: при AVDD = 5 В это 2,5 В, внутри диапазона 1,2–3,7 В; граница наступает при AVDD = 2,6 В (наш расчёт: 1,3 В при пределах 1,2–1,3 В).

Чтение. Когда DOUT падает в ноль, данные готовы; 24 импульса PD_SCK выдвигают код старшим битом вперёд в дополнительном коде, а 25-й, 26-й или 27-й импульс выбирает следующее измерение: 25 — канал A ×128, 26 — канал B ×32, 27 — канал A ×64. Высокий уровень PD_SCK — не дольше 50 мкс, иначе при 60 мкс микросхема уходит в выключение. Подробности протокола и тайминги — в карточке HX711.

Скорость и установление. Вывод RATE выбирает 10 или 80 выборок/с. После включения, смены канала или усиления первый достоверный результат появляется через 400 мс при 10 выборках/с и через 50 мс при 80. При 10 выборках/с HX711 одновременно подавляет помехи 50 и 60 Гц и шумит меньше: 50 нВ против 90 нВ ср. кв.

Сколько граммов различают 24 бита

Пример: датчик на 5 кг, 2 мВ/В, AVDD = 5 В, канал A ×128.

1. Сигнал. Полная нагрузка — 2 мВ/В · 5 В = 10 мВ, то есть 2 мкВ на грамм.
2. Код. Шаг АЦП — 19,53 мВ / 2²³ ≈ 2,33 нВ, на грамм приходится около 860 кодов, а на полную нагрузку — около 4,3 миллиона. Цифр много, но младшие из них — шум.
3. Шум. 50 нВ ср. кв. при 10 выборках/с — это 1/200 000 от 10 мВ, около 0,025 г. Но стабильную последнюю цифру определяет размах шума, а не среднеквадратичное значение (SBAA532A, разд. 5.2), и он в несколько раз больше. Avia размах не приводит; у TI ADS1232 при тех же условиях — 17 нВ ср. кв. и 110 нВ размаха, то есть около 91 000 отсчётов, свободных от шума, на 10 мВ, или 0,055 г на 5 кг.
4. Дрейф. Датчик с дрейфом выхода 0,036 % шкалы/°C, как LCL816G, на 5 кг уходит на 1,8 г при изменении температуры на градус — в 30–70 раз больше шума АЦП (наш расчёт).

Вывод: разрешение АЦП с запасом, весы ограничивает датчик — температура, ползучесть, механика. Число делений шкалы задают по дрейфу и повторяемости датчика, а не по разрядности HX711. Усреднение нескольких отсчётов уменьшает шум, но не дрейф.

У обеих микросхем нет регистров: канал, усиление и скорость задают выводы и число тактов. Для бюджета погрешности всего тракта пригодится калькулятор погрешности АЦП, а для моста на внешнем измерительном усилителе — калькулятор усилителя.

Тарирование и калибровка гирей

TI предлагает три уровня калибровки: по одной точке (только смещение), по двум точкам (смещение и наклон) и кусочно-линейную по таблице — для нелинейных систем и калибровки по температуре (SBAA532A, разд. 5.5). Для весов обычно хватает двух точек, прямой y = Mx + B:

1. Прогреть весы под питанием, дать устояться механике.
2. Без груза усреднить несколько десятков отсчётов — это код тары C₀.
3. Положить гирю известной массы m_эт, лучше не меньше трети шкалы, и усреднить код C₁.
4. Коэффициент k = m_эт/(C₁ − C₀), масса m = k (C − C₀); C₀ и k сохранить в EEPROM.

Пример с числами из предыдущего раздела: тара C₀ = 120 000, гиря 1000 г даёт C₁ = 980 000. Тогда k = 1000 г / 860 000 ≈ 1,163 мг на код, а код 550 000 соответствует 1,163 · 430 000 ≈ 500 г.

// Two-point calibration of a load cell read through HX711 (24-bit two's complement)
typedef struct { int32_t zero; float grams_per_count; } scale_cal_t;

static int32_t hx711_sign_extend(uint32_t raw) {
    // HX711 outputs 24 bits MSB first; extend bit 23 to a 32-bit signed value
    return (raw & 0x800000u) ? (int32_t)(raw | 0xFF000000u) : (int32_t)raw;
}

void scale_calibrate(scale_cal_t *c, int32_t code_empty, int32_t code_ref, float ref_grams) {
    c->zero = code_empty;
    c->grams_per_count = ref_grams / (float)(code_ref - code_empty);
}

float scale_grams(const scale_cal_t *c, uint32_t raw) {
    return c->grams_per_count * (float)(hx711_sign_extend(raw) - c->zero);
}

Тару пересчитывают и в работе: кнопка «ноль» снова запоминает C₀, а медленный уход нуля при пустой платформе программа может отслеживать сама. Если датчик стоит в помещении с меняющейся температурой, калибровку повторяют при разных температурах или ставят датчик с меньшим дрейфом.

Типичные ошибки

• Перепутаны S+ и S−. Код уменьшается под нагрузкой — меняют провода местами или знак коэффициента.
• Синфазное напряжение вне диапазона. Мост питается от отдельного источника, не от AVDD, и средние точки выходят за пределы AGND + 1,2 В … AVDD − 1,3 В — код искажается. Для HX711 мост питают от AVDD.
• Длинный высокий уровень PD_SCK. Прерывание посреди чтения растягивает импульс дольше 60 мкс, и HX711 выключается. Чтение делают с запретом прерываний или аппаратно.
• Паразитные термопары. Спай разных металлов на входе — клемма, разъём — даёт термо-ЭДС, меняющуюся с температурой: TI называет её одним из источников смещения (разд. 4.4). Входные цепи делают симметричными и держат при одной температуре.
• Калибровка маленькой гирей. Ошибка массы гири и шум делятся на малую разность C₁ − C₀; берут гирю на треть шкалы и больше.
• Ожидание граммовой точности от разрядности. 24 бита — это не 16 миллионов делений: шум, дрейф и ползучесть оставляют от них в лучшем случае десятки тысяч.

Несколько датчиков

Платформенные весы часто собирают из нескольких мостов. TI разбирает параллельное соединение нескольких четырёхпроводных мостов на одном канале АЦП с логометрической опорой (SBAA532A, разд. 6.7): АЦП меряет общий сигнал, ток возбуждения растёт пропорционально числу мостов. Если датчики нужны раздельно, берут второй канал АЦП или ADS1234 с четырьмя входами; канал B HX711 с усилением 32 Avia предлагает для второго сигнала, например контроля батареи.

Другие датчики — в разделе «Датчики», термины — в статьях «Тензодатчик» и «Мост Уитстона».