Arduino İle Loadcell Kullanımı

Loadcell’in Yapısı ve Çalışması

Gerinim Ölçerler(Strain Gauges)

İletken bir metal şerit gerildiğinde, daha ince ve daha uzun hale gelir. Her iki değişim de metal şeridin elektrik direncinin artmasına neden olur. Tersine, iletken bir metal şerit basınç kuvvetine maruz bırakılıp sıkıştırıldığında, genişler ve kısalır. Bu durumda da metal şeridin direnci azalır. Bu gerilmeler ve sıkıştırmalar metal şeridin elastik sınırı içinde tutulursa şerit, fiziksel kuvvetin ölçüm elemanı olarak kullanılabilir.

Tipik gerinim ölçer dirençleri 30 Ω ile 3 kΩ (gerilmeden) arasındadır. Bu direnç ölçer malzemesinin elastik sınırları mevcut halinin %1’i kadardır. Elastik sınırları daha fazla zorlamak gerinim ölçere zarar verebilir. Bu nedenle dirençteki son derece küçük değişiklikleri yüksek doğrulukla ölçmemiz gerekir.

Gerinim Ölçerin(Strain Gauge) Wheatstone Köprüsünde Kullanımı

1. Çeyrek Köprü Devresi

Bu kadar hassas bir ölçüm, bir köprü ölçüm devresi gerektirir. Şekilde görülen köprü ölçüm devresinde R2 direnci kuvvet uygulanmamış haldeki gerinim ölçerin değerine eşitlenir. Köprünün diğer iki kolunda bulunan R1 ve R3 de birbirine eşitlenir. Bu durumda gerinim ölçere herhangi bir kuvvet uygulanmadığında köprü dengededir ve voltmetre sıfırı gösterir. Gerinim ölçer sıkıştırıldığında veya gerildiğinde, direnci azalır veya artar. Bundan dolayı köprünün dengesi bozulur ve voltmetre değer gösterir. Bu devreye çeyrek köprü devresi denir. 

NOT: Gerinim ölçer ile köprü devresindeki diğer üç direnç arasındaki mesafe önemli olabileceğinden, kablo direnci devrenin çalışması üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

Sıcaklık Etkisi

Gerinim ölçerlerin talihsiz bir özelliği, sıcaklık değişimleriyle birlikte dirençlerinin değişmesidir. Bu, tüm iletkenlerde ortak bir özelliktir. Ancak, R2 yerine "sahte" bir gerinim ölçer kullanarak bu sorunu aşabiliriz. Sıcaklık değişirse, her iki gösterge direnci de aynı oranda değişecek ve köprünün denge durumu etkilenmeyecektir. Gerinim ölçerlerden yalnızca biri fiziksel gerinime maruz kalacak bir konuma yerleştirilmiş, diğeri tüm mekanik gerilimlerden izole edilmiştir ve yalnızca bir sıcaklık dengeleme cihazı görevi görür.

2. Yarım Köprü Devresi

Üst gerinim ölçeri alt gerinim ölçerle zıttı bir kuvvete maruz kalacak şekilde konumlandırırsak (yani üst ölçer sıkıştırıldığında alt ölçer gerilir veya tam tersi), her iki ölçer de gerinime tepki verir ve köprü devresi uygulanan kuvvete daha fazla tepki verir. Bu kullanıma yarım köprü devresi adı verilir. Her iki gerinim ölçer de sıcaklık değişimlerine tepki olarak direnci aynı oranda artıracağı veya azaltacağı için, sıcaklık değişiminin etkileri de minimum olur. 

Uygulama örneği: 

Kuvvet uygulandığında gerinim ölçer #1 uzar, gerinim ölçer #2 kısalır. 

3. Tam Köprü Devresi

Uygulamalarda, daha fazla hassasiyet için köprünün dört elemanının da "aktif" hale getirilmesi avantajlı olabilir. Buna tam köprü devresi denir. Hem yarım köprü hem de tam köprü konfigürasyonları, çeyrek köprü devresine göre daha fazla hassasiyet sağlar. Ancak tam ve yarım köprü devresine gerinim ölçer çiftlerini bağlamak çoğu zaman mümkün değildir. Bu nedenle, çeyrek köprü devresi gerinim ölçüm sistemlerinde sıklıkla kullanılır.

Tam köprü konfigürasyonu diğerlerinden daha hassas olmasının yanında daha doğrusaldır. Çeyrek köprü ve yarım köprü devreleri, gerinim ölçere uygulanan kuvvete yaklaşık orantılı bir çıkış sinyali sağlar. Ancak, tam köprüde, çıkış voltajı uygulanan kuvvetle doğru orantılıdır. 

Loadcell Nedir?

Loadcell ağırlık ölçümü için kullanılır. Mekanik bir plaka üzerine H-köprüsü oluşturacak şekilde tasarlanmış, direnç ve gerinim ölçer kombinasyonlarına sahip bir metal çubuktan oluşan elektronik bir devredir. Düşük voltaj hassasiyetine sahiptir. Gerinim ölçer direnci, uygulanan yükle orantılıdır. Mekanik plaka büküldüğünde direnç değerleri değişir ve bu da loadcell’den ölçülen voltajda bir değişikliğe neden olur. Voltajın büyüklüğü, yük hücresine uygulanan kuvvetin büyüklüğüyle doğrudan ilişkilidir. Bu voltaj, ağırlık ölçümünü gerçekleştirmek için kullanılır. Loadcell’in H-köprü dirençleri çok hassastır ve uygun yapıştırıcı ile kaplanması gerekir. Yapıştırıcı, loadcell’e mekanik koruma sağlar. 

Loadcell’lerin 1kg, 5 kg, 10 kg, 20 kg, 50 kg, 100 kg ve daha fazla ağırlık ölçebilen çeşitleri vardır. Loadcell tarafından üretilen elektrik sinyalleri birkaç milivolt cinsindendir. Bu nedenle bir amplifikatör tarafından voltajın yükseltilmesi gerekir. Çok çeşitli kuvvet sensörleri olmasına rağmen, gerinim ölçer yük hücreleri yani loadcell sektörde en yaygın kullanılan tiptir. Kantar, baskül, terazi, otomasyon sektöründe, kuvvet test makinalarında vb. yerlerde kullanılır.

Loadcell’in Çalışma Prensibi

Loadcell’in çalışma prensibi Wheatstone köprüsüne dayanır. Wheatstone köprüsünde denge esastır. R1xR4=R2xR3 birbirine eşit olduğu sürece köprü dengededir ve voltmetre sıfır değerini gösterir. Dirençlerden birinde değişiklik olduğunda ise köprünün dengesi bozulur ve voltmetre bir değer gösterir. A-B arasında bir direnç varsa direnç üzerinden akım akar. Loadcell de bu prensiplere göre çalışır. Dirençlerin yerine bir veya birden çok gerinim ölçer(strain gauges) bağlanabilir. Tek bir gerinim ölçerin küçük direnç değişimlerine karşı hassasiyeti az olabilir ve hatalara açık olabilir. Bunu telafi etmek ve yük hücresi ölçümlerinde yüksek doğruluk elde etmek için genellikle birden fazla gerinim ölçer kullanılır. Bu gerinim ölçerler, dört gerinim ölçerin tamamındaki toplam direnç değişiminin Ohm yasası ve uygun bir denklem kullanılarak belirlenebildiği bir Wheatstone köprü konfigürasyonunda düzenlenmiştir.

Aşağıda iki farklı Loadcell’in iç bağlantılarıyla ilgili örnek şemalar verilmiştir. Bu örnek şemalarda, 4 kablolu olan Loadcell içerisinde yüksek doğruluk elde etmek için genellikle 4 adet gerinim ölçer bulunmaktadır. 3 kablolu olan ise, 1 adet gerinim ölçer ile 1 adet direnç olduğu varsayılarak çizilmiş ve Wheatstone köprüsü oluşturabilmek için haricen 2 adet 1kΩ direnç şekildeki gibi bağlanmıştır.

4 kablolu olan loadcell’i incelediğimizde aşağıdaki şekilde görüldüğü üzere yük hücresinin üst ve alt yüzeylerine yapıştırılmış toplam dört adet gerinim ölçer bulunmaktadır. Loadcell’e güç uygulandığında, elastik elemanda bir esneme olur. Bu esneme sonucunda; R2 ve R4’de gerilme(TENSION), R1 ve R3’de sıkışma(COMPRESSION) meydana gelir.  

R1, R2, R3 ve R4 isimli gerinim ölçerlerde R1 x R3 = R2 x R4 eşitliği varsa köprü dengededir. Bu durumda V0 = 0 olur. Loadcell’e bir kuvvet uygulandığında, her bir gerinim ölçerdeki direnç değişir ve V0 aşağıdaki formülle bulunur:

Loadcell’in Kapasite ve Hassasiyet Hesapları

Loadcell’in kapasite birimi olarak lb-f(Pound Kuvvet) ifadesi karşımıza çıkabilir. Pound-kuvvet bir kuvvet birimidir. 1 lb-f = 453,59237 gr = 0,45359237 kg’dır. Bir pound-kuvvet, kütlesi bir pound (453,59237 gram) olan yeryüzündeki bir cismin, üzerinde bulunduğu alana uyguladığı kuvvettir.

Bir Loadcell’in hassasiyetini hesaplamak için nominal kapasitesinin bilinmesi gerekir. Nominal kapasiteyi bilmiyorsanız bu testi gerçekleştiremezsiniz. 

• Hassasiyet Hesabı

Örneğin; 5000 lbf'lik bir Loadcell’de 10 V'luk bir besleme voltajı kullandığımızı varsayalım. Bu yük hücresine tam olarak 5000 lbf'lik bilinen bir yük uygulayalım ve çıkışı (mV) ölçelim. 30,09 mV'luk bir ölçüm elde ettiğimizde hassasiyet voltajı kaçtır?

şeklinde olur.

• Kg Başına mV Değeri 

Örneğin; VHassasiyet = 2mV/V, VBesleme=10V, Maks Yük=10kg ise, Loadcell 6 kg yüklendiğinde kaç mV çıkış verir?

şeklinde olur.

HX711 Amplifikatör Modülü

• Vcc - GND: Modülün 5V besleme pinleridir. Arduino’dan alınabilir.

• DT: Seri data çıkış(TDM veya SPI) pinidir.

• SCK: Clock sinyali giriş pinidir.

• E+ ve E- : Loadcell’in beslemesini yapan pinlerdir.

• A+ ve A-: A kanalı ölçüm pinleridir.

• B+ ve B- : B kanalı ölçüm pinleridir.

Loadcell tarafından üretilen elektrik sinyalleri birkaç mV cinsindendir. Arduino içerisindeki ADC bunu algılayamaz. Bu nedenle bir amplifikatör tarafından voltajın yükseltilmesi gerekir. HX711, loadcell’den gelen çıktıyı ölçmek ve bir mikrodenetleyici tarafından işlenebilen dijital bir sinyale dönüştürmek için tasarlanmıştır. HX711, tartı terazileri, hassas ağırlık ölçümleri ve endüstriyel kontrol uygulamalarında, H-köprü devreleri için özel olarak geliştirilmiş amplifikatör modülüdür. 24 bit analog-dijital dönüştürücüye sahiptir. 24 bit sigma-delta analog-dijital dönüştürücü teknolojisini kullandığı için minimum gürültü parazitiyle doğru ölçümler yapabilir. 

HX711, A ve B olmak üzere iki diferansiyel giriş kanalı sunarak aynı anda iki yük hücresine kadar bağlantı imkânı sunar. Bu özellik, hem tekli hem de çoklu yük hücresi sistemlerinin ölçümünü mümkün kılarak uygulama aralığını genişletir. A kanalı, 128 veya 64 kazançla programlanabilirken, B kanalının kazancı sabit 32'dir.

HX711, yük hücreleri için kararlı bir besleme gerilimi sağlayan bir voltaj regülatörü içerir. Genellikle 2,6 V ile 5,5 V arasında değişen düşük bir besleme gerilimiyle çalışır.

Çip üzerindeki osilatör kullanıldığında, çıkış veri hızı genellikle 10SPS(RATE=0) veya 80SPS(RATE=1)’dir. Harici saat veya kristal kullanıldığında, çıkış veri hızı saat veya kristal frekansıyla doğru orantılıdır. 11.0592MHz saat veya kristal kullanımı, 10SPS(RATE=0) veya 80SPS(RATE=1) hassas çıkış veri hızı sağlar. (SPS: Samples Per Second - Saniye Başına Örnek. Bir saniyede sürekli bir sinyalden alınan ayrı örnek sayısını ifade eder.)

Seri Arayüz

HX711, dijital verileri, seri ara yüzü (TDM veya SPI ) üzerinden, iki kablo ile (Clock ve Veri)  mikrodenetleyiciye iletir. Ürünün Qwiic sürümleri, I2C iletişimini gerçekleştirmek için yerleşik bir ATTINY404 MCU kullanır.

PD_SCK ve DOUT pinleri, veri alma, giriş seçimi, kazanç seçimi ve güç kapatma kontrolleri için kullanılır. Dijital çıkış pini DOUT yüksek değerdeyken ve seri saat girişi PD_SCK düşük değerdeyken HX711 veri göndermeye hazır değildir. DOUT düşük değere düştüğünde, veri göndermeye hazır demektir. PD_SCK pinine 25~27 pozitif saat darbesi uygulanarak, veri DOUT çıkış pininden dışarı kaydırılır. Her PD_SCK darbesi, 24 bitin tamamı dışarı kaydırılana kadar, önce MSB bitinden başlayarak bir bit dışarı kaydırır. PD_SCK girişindeki 25. darbe, DOUT pinini tekrar yüksek değere çeker (Şekil 2). Giriş ve kazanç seçimi, giriş PD_SCK darbelerinin sayısıyla kontrol edilir (Tablo 3). Seri iletişim hatasına neden olmamak için, PD_SCK saat darbeleri bir dönüşüm periyodu içinde 25'ten az veya 27'den fazla olmamalıdır.

Loadcell Uçlarının Ölçümü

Siyah ve Kırmızı: 1 kΩ

Yeşil ve Beyaz : 1 kΩ

Siyah ve Beyaz : 750Ω - 850Ω arasında

Kırmızı ve Yeşil : 750Ω - 850Ω arasında

Siyah ve Beyaz : 2 kΩ

Beyaz ve Kırmızı: 1 kΩ

Siyah ve Kırmızı : 1 kΩ

Arduino İle Loadcell Kullanımı

• 4 Kablolu Tek Loadcell Arduino Bağlantı Şeması

• 3 Kablolu Tek Loadcell Arduino Bağlantı Şeması

• 3 Kablolu 2 Loadcell Arduino Bağlantı Şeması

• 3 Kablolu 4 Loadcell Arduino Bağlantı Şeması - 1

• 3 Kablolu 4 Loadcell Arduino Bağlantı Şeması - 2

NOT: Eğer bir tartı yapılacaksa en verimli olanı 4 tarafa 4 adet Loadcell yerleştirmektir. En doğru sonucu almamızı sağlar. Ayrıca Loadcell kabloları çok ince ve kırılgan olduğundan, lehimleme sırasında kablolara zarar vermemeye dikkat edin. 

HX711 Amplifikatörü Arduino Komutları

HX711 için hazırlanan farklı kütüphaneler mevcuttur. Biz uygulamalarımızda github’da yer alan ”bodge'un” HX711 kütüphanesini kullanacağız. Bu kütüphane klasör içerisinde yer almaktadır. Ayrıca bu kütüphaneyi Arduino IDE’sinde “kütüphaneleri yönet” kısmına “HX711 Arduino Library” yazıp arattığımızda da çıkmaktadır. Arama sonuçlarında “by Bogdan Necula” yazanı yüklememiz gerekmektedir. Programımızın başına #include<HX711.h> yazarak bu kütüphaneyi eklemeliyiz.

1. HX711 scale;

 “scale” isminde bir nesne tanımladık.

2. scale.begin(DOUT_PIN, SCK_PIN);

HX711 amplifikatörün Arduino’ya bağlandığı pinleri tanımladık ve HX711’i başlattık.

3. scale.is_ready();

HX711 amplifikatörünün hazır olup olmadığını öğrenmemizi sağlar. Hazırsa “1”, değilse “0” değerini döndürür.

4. scale.set_scale(kalibrasyon_faktoru);

Bu komut kalibrasyon faktörünü programa bildirmemizi sağlar. Bu değer, terazinin bilinen ağırlıklarla kalibre edilmesiyle elde edilir. Kalibrasyon konusu aşağıda detaylı bir şekilde anlatılmıştır.

5. scale.tare();

Bu komutun, loadcell’i 0'a "sıfırlayan", yani dara ağırlığının ölçümden çıkarılmasını sağlayan bir işlevi vardır. Dara: Ölçüm yapılan kütlenin konulduğu kabın ağırlığıdır. Bu komut ile istenilen ağırlıkta bir dara kullanılabilir ve ölçümden çıkarılabilir. 

Örneğin; Loadcell’in üzerinde yük bulunmuyorken çıktı olarak “0 kg” görmemiz gerekir. Görülmemesi durumunda sıfırlama yapmak için Arduino programı içinde bulunan void setup() kısmına scale.tare(); kodu yazılmalıdır. Ya da teraziye boş bir kap yerleştiririz. Daha sonra bu komutu çağırarak teraziyi 0’a sıfırlarız. Ardından kabın içine ölçmek istediğimiz nesneyi koyup ağırlığını ölçeriz.

6. scale.read();

HX711’den ham bir veri alır. 

7. scale.read_average(okuma_sayisi);

HX711’den, belirtilen okuma_sayisi kadar okuma yapar ve bunların ortalamasını döndürür.

8. scale.get_value(okuma_sayisi);

HX711’den, belirtilen okuma_sayisi kadar okuma yapar ve bunların ortalamasını aldıktan sonra dara ağırlığını çıkarır. Çıkan değeri döndürür.

9. scale.get_units(okuma_sayisi); 

HX711’den, belirtilen okuma_sayisi kadar okuma yapar ve bunların ortalamasını aldıktan sonra dara ağırlığını çıkarıp, sonucun kalibrasyon faktörüne bölünmesiyle elde edilen sonucu döndürür. 

10. scale.power_down();

HX711’i düşük güç moduna alır. 

11. scale.power_down();

HX711’i düşük güç modundan çıkarır.

Kalibrasyon Faktörü

Kalibrasyon, ölçülen büyüklüğün gerçek değeri ile onu ölçen aletin verdiği netice arasında bağlantı kurma işlemidir. Buna, loadcell’in voltajını, ağırlığa dönüştürmek için kullanılan yükseltme faktörüdür de diyebiliriz.

Kalibrasyon işlemini gerçekleştirmek için loadcell üzerine kütlesini bildiğimiz belli ağırlıklar yerleştirip o değerleri elde etmeye çalışırız. Loadcell üzerine koyduğumuz kütleler loadcell çıkışında milivoltlar oluşturur. Bu milivoltlar ise hx711 devresi ile okunabilecek değerlere dönüşür. Her kütlenin bir milivolt karşılığı vardır. Burada kalibre etmemiz gereken çıktı ise elde edilen volt değerlerinin kütlesel karşılıklarıdır. Her kütle için ayrı kalibre işlemi bulunmamaktadır. Ancak kalibrasyonun doğru yapıldığından emin olmak için farklı kütlelerle test edilmesi gerekir. Burada öncelik ağırlık sensörü üzerinde yük bulunmuyorken çıktı olarak “0 kg” görmektir. Görülmemesi durumunda sıfırlama yapmak için Arduino programı içinde bulunan void setup() kısmına scale.tare(); kodu yazılmalıdır.

Kalibrasyon işleminde; Arduino ile bilgisayar bağlantısı yapıldıktan sonra, loadcell üzerine, kütlesi bilinen bir ağırlık yerleştirilmelidir. İlk etapta kütle değeri bilinen 5 kilogramlık cisim loadcell üzerine yerleştirilirse burada Arduino seri port ekranında görülmesi gereken değer 5 kg’dır. Bu değeri elde edene kadar kalibrasyon faktörü ile oynanmalıdır. Buradaki kalibrasyon faktörü, loadcell çıkış voltunun hx711 üzerinden yorumlandığı değerdir.

Kalibrasyon faktörü formülü:

Kalibrasyon İşlemi

Yapılan uygulamada Arduino’ya program yüklendikten sonra seri port ekranında kalibrasyon için gerekli talimatlar verilmeye başlanır. Bu talimatlar:

1. Loadcell’in üzerinde dara olarak kullanılacak kap ya da bir malzeme haricinde herhangi bir ağırlık varsa kaldırılır.

2. Loadcell üzerindeki dara ağırlığı ölçümden çıkarılarak loadcell 0’a sıfırlanır.

3. Loadcell’in üzerine ağırlığı bilinen bir cisim koyulur. Örneğin 0,33 Lt(330 gr) dolu su şişesi.

4. Kalibrasyon faktörü, kalibrasyon_faktoru = okunan_deger / bilinen_agirlik; formülü ile belirlenir ve scale.set_scale(kalibrasyon_faktoru); komutu ile programa bildirilir. 

Uygulama İle İlgili Notlar:

1 adet 50 kg’lık 3 telli loadcell ile yapılan uygulamada stabil sonuçlar alınamadı. Ölçüm değerlerinde sürekli bir değişim oldu. Bu durum 3 telli loadcell’in çeyrek köprü olmasıdan ve ortam sıcaklığından kaynaklandığı düşünülmektedir.

Fakat; 1 adet 10 kg’lık 4 telli loadcell ile yapılan uygulamada stabil sonuçlar alındı ve ölçüm değerleri neredeyse sabit olarak okundu. Küçük cisimlerin ağırlıkları da hassasiyet ile ölçüldü. 4 telli loadcell tam köprü olduğundan ölçümlerin doğru sonuçlar verdiği sonucuna ulaşıldı.