Eine Waage mit Arduino erstellen

Ob eine kleine Briefwaage für geringe Gewichte, eine Hängewaage für Pakete oder Koffer, eine Standwaage für Personen, bis hin zu Objektwaagen mit Messvermögen über 100kg. All diese Messgeräte zur Bestimmung einer Masse, ist mit den aktuell erhältlichen Gewichtssensoren recht einfach, diese selbst zu bauen.

Wie in dem unten zu findenden Video erklärt, wird eine oder mehrere Wägezellen passend zu den zu wiegenden Objekten benötigt. Beim Kauf auf die maximale Gewichtsangabe beachten. Diese geben das gemessene Gewicht als analogen Wert zurück.

Damit die Wägezelle diese präzisen Werte messen kann, sind Dehnungsmessstreifen (DMS) auf dem Metallstück angebracht. Auf dem Foto leider nicht zu sehen, da unter der weißen Kleber versteckt. Leider sind die Details im Datenblatt nicht sehr informativ. Ich gehe mal davon aus, das es sich hier um eine Vollbrücken-Wägezelle (Full-Bridge Load Cell) handelt. Enthält vier DMS, verschaltet in einer kompletten Wheatstone-Brücke.

Wird nun durch das hinzukommende Gewicht, ein Druck ausgeübt, dehnt sich Metallstück und die gemessene Spannung der Dehnungsmessstreifen ändert sich.

Da diese Messwerte mit dem 10-Bit Analog-Digital-Wandler des Arduino Nano jedoch nur sehr grob interpretiert werden können, wird ein leistungsfähigerer AD-Wandler benötigt.

Somit wird dieses Verstärkerboard HX711 dazwischengeschaltet.
Der HX711 ist ein spezialisierter 24-Bit Analog-Digital-Wandler (ADC) mit integriertem Verstärker, der speziell für Wägezellen und Dehnungsmessstreifen entwickelt wurde.
Im Auslieferzustand wird es 10 Messungen pro Sekunde ausführen, kann aber optional auf 80 Messungen (80Hz) umgestellt werden.

Wer sich tiefer in das Thema Dehnungsmessstreifen einlesen möchte, dem empfehle ich auch die Wheatstone’schen Brückenschaltung genauer zu betrachten.

Hardware:
Wägezelle 1kg mit HX711
Arduino Clone Nano Board
LCD mit I2C -Board

Alternative Hardware:
Wägezelle bis 100g Hohe Präzision
Wägezelle 5kg mit HX711
Wägezelle 10kg mit HX711
Gewichtssensoren für Personenwaage
Dehnungsmessstreifen
Arduino Nano oder Arduino Uno
Kalibrierte Testgewichte

Einfache Schaltung mit Arduino Nano:

Erweiterungsschaltung: Arduino mit Wägezelle, HX711 und LCD incl. I2C Modul:

Datenblatt:
1Kg Wägezelle mit AD-HX711

Bibliothek und Quellcode:
Aus Teil 1:
https://github.com/bogde/HX711
Aus Teil 2:
https://github.com/olkal/HX711_ADC

#include "HX711.h"
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

const int LOADCELL_DOUT_PIN = 4;
const int LOADCELL_SCK_PIN = 5;

HX711 scale;

void setup() {
  Serial.begin(57600);
  scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN, LOADCELL_SCK_PIN);
  lcd.init();                      
  lcd.init();
  lcd.backlight();
}

void loop() {

  if (scale.is_ready()) {
    long reading = ((scale.read() * (-0.01))-2217 )/8;
    Serial.print("HX711 hat folgendes gemessen: ");
    Serial.println(reading);
    lcd.setCursor(3, 0);
    lcd.print("Gewicht:");
    lcd.setCursor(3, 1);
    lcd.print(reading);

  } else {
    Serial.println("HX711 nicht gefunden");
  }

  delay(1000);
  lcd.clear();
}

Video:

Zusätzliche Info:

Der Unterschied zwischen Halbbrücken- und Vollbrücken-Wägezellen liegt in der internen Verschaltung der Dehnungsmessstreifen (DMS) und damit in der Genauigkeit, Empfindlichkeit und Komplexität der Signalverarbeitung.

Halbbrücken-Wägezelle (Half-Bridge Load Cell)

Aufbau:

• Enthält nur einen oder zwei DMS.
• Liefert kein vollständiges Differenzsignal.
• meist mit 3-poligem Kabel
• Muss mit anderen Halbbrücken kombiniert werden, um eine vollständige Wheatstone-Brücke zu bilden (z. B. 4 Stück für eine Waage).

Vorteile:

• Kostengünstig (oft in günstigen Personenwaagen)
• Klein und einfach herzustellen

Nachteile:

• Braucht mehrere Halbbrücken zur Brückenschaltung
• Weniger präzise ohne gute Signalverstärkung
• Fehlersensibler, weil Temperaturdrift und Offset schwerer kompensierbar sind

Typischer Einsatz:

• Digitale Küchen- oder Personenwaagen
• DIY-Waagen mit HX711

Vollbrücken-Wägezelle (Full-Bridge Load Cell)

Aufbau:

• Enthält vier DMS, verschaltet in einer kompletten Wheatstone-Brücke
• Wird als ein Bauteil geliefert, meist mit 4-poligem Kabel (siehe oben)

Vorteile:

• Höhere Präzision
• Besser temperaturkompensiert
• Direkt an z. B. HX711 anschließbar

Nachteile:

• Teurer als Halbbrücken
• Etwas größer

Typischer Einsatz:

• Industrielle Waagen, Prüfmaschinen, Hebetechnik
• Professionelle Gewichtssensorik

Vergleichstabelle

Begriff „Brücke“

Der Begriff „Brücke“ bezieht sich auf die Wheatstone-Brückenschaltung, die Spannungsdifferenzen misst und sehr kleine Widerstandsänderungen (durch Verformung) erkennt.