Avui en dia, el mesurament precís del pes i la força resulta clau tant en aplicacions industrials com en projectes domèstics i de recerca. Si mai t'has preguntat què és un sensor de galgues extensiomètriques i com es complementa amb el mòdul HX711 per crear balances digitals d'alta precisió, ets al lloc adequat. Aquí desgranarem tots els aspectes, des de la teoria fins a la pràctica, perquè comprenguis cada detall i aprenguis a implementar el teu propi sistema de pesatge.
En els darrers temps s'ha popularitzat l'ús de galgues extensiomètriques juntament amb mòduls com el HX711 en la creació de balances casolanes, productes domòtics i fins i tot experiments escolars. El millor de tot és que aquests components són assequibles, compatibles amb plataformes com Arduino i permeten obtenir mesuraments fiables a nivell professional si es calibren correctament. Ho veurem tot pas a pas, des del funcionament bàsic fins a la integració i programació.
Què és una galga extensiomètrica i com funciona?
La galga extensiomètrica és un sensor piezoresistiu que transforma una deformació (ja sigui per pressió, tracció o compressió) en una variació de resistència elèctrica, cosa que ens permet mesurar de forma indirecta forces o pes aplicats sobre una superfície. Aquesta propietat és fonamental per a la detecció de càrregues en cel·les de càrrega modernes.
En el disseny més bàsic, una galga consisteix en un filament metàl·lic molt fi disposat al?interior d?una pel·lícula adhesiva. Quan l'estructura on està enganxada es deforma, el filament s'estira o es comprimeix, canviant-ne la resistència. Aquest canvi, encara que petit, és proporcional a la força exercida i es pot analitzar elèctricament.
L'efecte piezoresistiu a la galga fa que, en estirar-se, augmenti la seva resistència, i en comprimir-se, disminueixi. Això permet transformar un esforç físic en un senyal elèctric mesurable amb precisió.
Aquestes galgues solen tenir valors de resistència estàndard com 120Ω, 350Ω o 1000Ω, i els canvis produïts per les deformacions són mínims: per exemple, una variació de tot just 0.12Ω sobre 120Ω per a càrregues notables. Tot i això, sense un sistema d'amplificació i mesurament adequat, aquestes petites variacions serien difícils de detectar.
Cel·la de càrrega: l'aplicació de les galgues extensiomètriques
Una cel·la de càrrega és un transductor que aprofita les galgues extensiomètriques per convertir forces mecàniques en senyals elèctrics. El principi de funcionament és senzill: s'adhereixen una o diverses galgues a una estructura metàl·lica dissenyada per deformar-se de forma predictible sota càrrega. Quan s'aplica pes, l'estructura es deforma, les galgues també es genera un senyal elèctric proporcional a l'esforç.
Hi ha diferents tipus de cel·les de càrrega (hidràuliques, pneumàtiques, de galga extensiomètrica…), encara que en electrònica i sistemes embeguts la més comuna és la de galga extensiomètrica. El seu disseny consistent permet assolir una gran precisió i estabilitat.
Les cel·les varien en grandària, forma, capacitat i disposició mecànica, des de petites per pesar grams fins a versions industrials per a tones.
Internament, la majoria de cel·les de càrrega munten 1, 2 o 4 galgues extensiomètriques formant un pont Wheatstone, circuit elèctric sensible a petites variacions de resistència.
Pont Wheatstone: el secret de la sensibilitat
El pont Wheatstone és un circuit de quatre resistències disposades en quadrat, en què una o diverses poden ser galgues extensiomètriques. Quan no hi ha càrrega, el circuit està en equilibri i no hi ha diferència de potencial entre les sortides. En deformar les galgues, aquest equilibri es trenca i apareixen diferències de tensió detectables que reflecteixen la càrrega aplicada.
aquesta configuració multiplica la sensibilitat als canvis de resistència i permet detectar variacions minúscules, que serien impossibles de captar d'una altra manera.
En balances casolanes o de laboratori, és habitual fer servir quatre galgues formant un pont Wheatstone complet, com en moltes bàscules de bany i plataformes de pesatge. Això ajuda a reduir errors per temperatura, millorar-ne la linealitat i la precisió.
Per què necessitem el mòdul HX711?
Tot i que el pont Wheatstone amplifica les variacions de tensió, els canvis són extremadament petits (de l'ordre de microvolts). Els microcontroladors com Arduino amb prou feines poden detectar-les, molt menys realitzar mesures precises.
El mòdul HX711 és un xip dissenyat específicament per a sistemes de pesatge amb cel·les de càrrega de galgues extensiomètriques, facilitant la lectura precisa.
El HX711 funciona com amplificador d'instrumentació y convertidor analògic-digital (ADC) de 24 bits. La seva funció principal consisteix a:
- Rebre el senyal diferencial del pont Wheatstone.
- Amplificar-la per facilitar-ne la lectura.
- Transformar-la en un senyal digital d'alta resolució perquè el microcontrolador la pugui processar.
A més, el HX711 presenta una interfície digital senzilla amb només 2 pins (Clock i Data), similar al bus I2C, que simplifica la connexió i comunicació amb el programari.
Característiques del mòdul HX711
El HX711 destaca per la seva alta sensibilitat i baix cost. Algunes de les seves característiques principals són:
- Precisió de 24 bits per detectar canvis mínims de pes.
- Amplificació de senyal integrat i programable (normalment x128 o x64).
- Dos canals independents dentrada analògica.
- Interfície digital amb 2 pins (Serial Data i Serial Clock).
- Alimentació de 2,6 V a 5,5 V, compatible amb Arduino i altres microcontroladors.
- Baix consum energètic.
El mòdul generalment ve acompanyat de dues files de pins: una per connectar a la cel·la de càrrega i una altra per al microcontrolador.
Aquests pins solen etiquetar-se com: E+, E-, A+, A-, VCC, GND, DT, SCK. Els cables típics d'una cel·la de càrrega són:
- vermell: Excitació positiva (E+ / VCC)
- Negre: Excitació negativa (E- / GND)
- blanc: Sortida negativa (A-)
- Verd: Sortida positiva (A+)
Tipus de connexions i variants de cel·les de càrrega
El cablejat estàndard duna cel·la de càrrega és de quatre fils, encara que pot variar en colors segons el fabricant. Algunes versions econòmiques o reciclades tenen tres fils, i altres de més avançades inclouen un cinquè cable groc o blau, per a blindatge o terra.
En projectes casolans, les cel·les de càrrega més habituals són de 5 kg o 20 kg, encara que existeixen versions de fins a 50 kg o superiors per a aplicacions industrials.
Per connectar diverses cel·les, com en bàscules de bany, es fa servir un mòdul combinador o la connexió manual, requerint coneixements elèctrics. És important tenir en compte el sentit de la fletxa a la cel·la per a un correcte mesurament, assegurant que la part central quedi lliure i la deformació sigui òptima.
Muntatge d'una balança digital: materials i connexions
Per construir una bàscula digital amb galgues extensiomètriques i HX711, necessitaràs:
- Un microcontrolador (Arduino UNO, Nano, Mega, ESP8266, etc.).
- Almenys una cel·la de càrrega (d'1kg, 5kg, 20kg… segons necessitat).
- Un mòdul HX711.
- Una superfície rígida per a la plataforma.
- Cables, connectors i cargols.
Opcionalment, hi pots afegir:
- Pantalla LCD o display per mostrar el pes.
- Botons per a tara i manera.
- Suports o plaques per a lestructura.
- Components de connectivitat com WiFi o Bluetooth amb ESP8266/ESP32.
Les connexions són senzilles:
- Connectar els cables de la cel·la als pins de l'HX711: Vermell a E+, Negre a E-, Blanc a A-, Verd a A+.
- VCC i GND del HX711 al 5V i GND del microcontrolador.
- DT i SCK de l'HX711 a pins digitals (exemple 3 i 2).
- Muntar la cel·la a l'estructura, assegurant que només la zona central quedi lliure per mesurar correctament.
Programació amb Arduino i calibratge de la bàscula
Per llegir les dades, es fa servir la llibreria HX711 de Bogde, disponible al Gestor de Llibreries d'Arduino IDE.
- begin(pinData, pinClock): inicia el mòdul.
- tare(n): estableix pes zero a la funció de tara.
- set_scale(escala): defineix el factor que converteix les lectures en unitats de pes.
- read() / read_average(n): obté lectures en brut o mitjanes.
- get_value(n): torna la lectura sense pes de tara.
- get_units(n): ofereix el pes ajustat amb l'escala i la tara.
El calibratge consisteix a col·locar un pes conegut, prendre la lectura i calcular el factor d'escala: escala = lectura / pes real. Després, s'introdueix al codi per ajustar lectures futures.
Es recomana realitzar diversos mesuraments i ajustar el factor d'escala al monitor sèrie per obtenir resultats precisos i estables.
Programes exemple per a balança digital amb HX711 i Arduino
Un exemple senzill que mostra el pes en monitor sèrie seria:
#include "HX711.h" #define CALIBRATGE 20780.0 // Substituir pel teu propi valor byte pinData = 3; byte pinClk = 2; HX711 balança; void setup() { Serial.begin(9600); balança.begin(pinData, pinClk); balança.set_scale(CALIBRACIÓ); balança.tare(); } void loop() { Serial.print("Pes actual: "); Serial.print(balança.get_units(10), 1); Serial.println(" kg"); delai(500); }
Es pot millorar el sistema afegint pantalla LCD, botons o emmagatzemant l'escala a EEPROM per a calibratges ràpids i precises, aconseguint una experiència més professional.
Possibles problemes i consells pràctics
1. Variacions en els colors dels cables: verifica les connexions amb el datasheet o mesurant resistències. Generalment, el parell amb més resistència correspon a l'excitació (+/-).
2. Lectures incoherents: intercanvia els cables de sortida A+ i A- si els mesuraments semblen invertits o erràtics.
3. Estabilitat mecànica: assegura't de fixar correctament la cel·la i que només la part central de lestructura suport pes per evitar errors.
4. Soroll i interferències: utilitza cables curts i apantallats si és possible, i allunya el sistema de fonts de soroll elèctric.
5. Variacions per temperatura: les galgues són sensibles a canvis tèrmics; si és possible, realitza calibratges en condicions estables o fes servir cel·les amb 4 galgues.
Expansió i possibles aplicacions del sistema
Amb el teu sistema operatiu, pots afegir funcionalitats:
- Mostrar pes en una pantalla LCD.
- Programar alertes per a límits de pes.
- Connectar-lo al núvol via ESP8266/ESP32 per a seguiment remot.
- Usar-lo en experiments, mesurament d'ingredients, automatització, domòtica, etc.
La integració de l'HX711 facilita projectes educatius, control d'inventari, balances comercials, control de bombones i moltes idees creatives més.
