O que é uma célula de carga e como funciona o módulo HX711?: Um guia completo

O mundo da instrumentação, robótica e sistemas de pesagem evoluiu enormemente nos últimos anos graças à integração de sensores e módulos eletrônicos que facilitam a interação entre o mundo físico e os microcontroladores. Um dos componentes-chave dessa revolução tecnológica é a célula de carga e seu companheiro habitual, o módulo amplificador HX711. Ambos se tornaram elementos quase indispensáveis ​​para quem deseja construir balanças digitais de precisão, sistemas automatizados de controle de peso e todos os tipos de projetos em que a medição de forças e pesos é essencial.

Se você já se perguntou Como é possível traduzir uma força aplicada a um objeto em um valor eletrônico capaz de ser interpretado por um Arduino, um ESP8266 ou qualquer outro microcontrolador?Neste artigo, você encontrará a explicação mais completa, simples e direta. Você aprenderá em detalhes o que é uma célula de carga, como ela funciona, seus tipos, como conectá-la a um módulo HX711 e como levar seus projetos de pesagem a um novo patamar integrando hardware e software como um verdadeiro profissional.

O que é uma célula de carga e por que ela é essencial para a medição eletrônica de peso?

Uma célula de carga É, em sua essência mais básica, um transdutor que transforma uma força ou pressão aplicada a ele em um sinal elétrico. O princípio de funcionamento reside no fenômeno de variação da resistência elétrica quando a célula é deformada sob a ação de uma carga.. É por isso que também são conhecidos como transdutores de força.

O termo transdutor lhe é familiar porque, em eletrônica, é um componente capaz de converter uma grandeza física (como pressão, som ou luz) em um sinal processável. Nesse caso, a célula de carga detecta forças: quando você aplica peso a ela, ela sofre uma pequena deformação, quase imperceptível à primeira vista, mas suficiente para alterar a resistência elétrica dos extensômetros que ela contém.

As medidores de tensão Eles são o coração da célula de carga. São lâminas ou fios de material condutor extremamente fino que alteram sua resistência dependendo do alongamento ou compressão sofridos pelo material ao qual estão fixados. Essa mudança, embora pequena, pode ser detectada e amplificada até se tornar um sinal de tensão que, devidamente digitalizado, nos informa com precisão na força aplicada.

Para transformar efetivamente essa variação sutil em um sinal útil, os medidores são colocados em uma configuração chamada Ponte de WheatstoneEste circuito, um clássico em medição de resistência, permite amplificar pequenas diferenças de resistência e obter um sinal diferencial. Assim, um simples estiramento do material causa uma variação na tensão que pode ser medida e correlacionada precisamente com o peso aplicado.

Nem todas as células de carga são criadas iguais. Existem vários tipos:

• Células hidráulicas: Baseado na compressão de um fluido por meio de um pistão e um cilindro.
• Células pneumáticas: Eles usam pressão de ar em um diafragma, medindo a deformação resultante.
• Células de extensômetro: Os mais comuns em eletrônica e robótica, devido à sua facilidade de integração e precisão.

Embora existam outras tecnologias (piezoelétricas, capacitivas, etc.), a medidores de tensão Eles são os mais comumente usados ​​em balanças domésticas e sistemas de pesagem industrial devido ao seu custo, confiabilidade e facilidade de calibração.

Funcionamento interno: a ponte de Wheatstone e o desafio dos sinais fracos

O elemento fundamental para aproveitar a mínima variação de resistência gerada pelos medidores é a Ponte de WheatstoneEste circuito, inventado no século XIX, baseia-se no equilíbrio de quatro resistores dispostos em forma de losango. Quando um ou mais desses resistores mudam (como ocorre em um extensômetro quando este é deformado), a ponte fica desbalanceada e gera uma diferença de potencial proporcional à mudança.

Na prática, Uma célula de carga típica contém quatro extensômetros dispostos nas pernas da ponte de WheatstoneQuando se aplica uma força à célula, dois medidores se esticam (aumentando sua resistência) e dois se comprimem (diminuindo-a). Assim, a ponte maximiza a diferença de potencial obtida e melhora a sensibilidade.

Apesar deste arranjo inteligente, as mudanças de resistência permanecem extremamente pequenoPor exemplo, em um manômetro de 120 ohms, uma pressão considerável pode alterar a resistência em apenas 0.12 ohms. Essa pequena quantidade apresenta dois desafios: eletrônica de alta precisão para distinguir essas mudanças e, além disso, o sinal deve ser amplificado antes de ser digitalizado e processado por um microcontrolador, que dificilmente consegue detectar sinais tão fracos diretamente.

É aqui que Amplificador HX711.

Módulo HX711: ponte entre célula de carga e microcontrolador

El Módulo HX711 É um pequeno circuito integrado que desempenha uma função fundamental em sistemas de pesagem digital: amplifica, condiciona e converte o sinal obtido da célula de carga em sinal digital. De esta maneira, É possível obter medidas precisas de peso e força para serem interpretadas por um Arduino, ESP8266, PIC ou qualquer outro microcontrolador..

Algumas de suas principais características são:

• Resolução de até 24 bits: permite obter um precisão muito alta na leitura do peso.
• Conversão analógico-digital (ADC): converte o sinal analógico amplificado em um valor digital pronto para processamento.
• Ganho programável: pode ser ajustado entre 128x e 64x, permitindo sua adaptação a diferentes aplicações.
• Consumo de energia muito baixo: Ideal para aplicações portáteis ou sistemas alimentados por bateria.
• Flexibilidade na conectividade: Ele se comunica por meio de dois pinos digitais (Clock/SCK e Data/DT), semelhante ao protocolo I2C ou SPI.
• Faixa de alimentação de 2.6 V a 5.5 V: compatível com diferentes plataformas eletrônicas.

Graças a essas características, o HX711 se tornou o Padrão de fato para leitura de células de carga em projetos DIY e no setor industrial, pois facilita muito a vida do desenvolvedor: ele não precisa projetar circuitos de amplificação complexos e pode se concentrar no desenvolvimento do software e da lógica do sistema de pesagem.

O módulo HX711 normalmente tem dois conectores principais: um para a célula de carga e outro para o microcontrolador. A conexão é baseada em quatro cabos principais:

• Vermelho (E+, VCC): tensão de excitação positiva.
• Preto (E-, GND): tensão de excitação negativa.
• Branco (A-): entrada de sinal negativo (Saída -).
• Verde (A+): entrada de sinal positivo (Saída +).

Alguns modelos adicionam um quinto fio (amarelo, YLW), que geralmente atua como uma referência de aterramento ou não é usado em configurações padrão.

Tipos e modelos de células de carga: como escolher o correto

Selecionando a célula de carga apropriada As células de carga são cruciais para obter leituras precisas em seu projeto de pesagem. Elas variam de acordo com sua capacidade máxima, formato físico e sensibilidade:

• Capacidade máxima: Existem células de carga para 1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg e até mais. Para uma precisão ótima, é uma boa ideia escolher uma célula com um alcance máximo o mais próximo possível do peso máximo da sua aplicação. Por exemplo, se você deseja pesar até 4 kg, uma célula de 5 kg é o ideal. Usar uma célula de 20 kg nessa faixa resultará em leituras com menor precisão.
• Configuração mecânica: As mais comuns são barras retangulares para montagem em balanças de cozinha, mas você também pode encontrar modelos em formato de S, disco, viga dupla, etc. Cada um responde melhor a diferentes cenários de pesagem.
• Qualidade e sensibilidade: A precisão também dependerá da qualidade dos medidores e da construção interna. Células de qualidade geralmente oferecem melhores resultados e menor desvio.
• Tipo de ponte: O HX711 pode funcionar com células de ponte completa e meia ponte e ainda suporta a conexão de até duas células em uma configuração de ponte dupla.

A montagem da célula também é crucial. Certifique-se de deixar a área central (a parte sensível da barra) livre de obstáculos para que ela possa se deformar adequadamente sob a carga e siga a seta para instalá-la na direção da força que você pretende medir.

Design mecânico e conexão: como montar sua balança digital com o HX711

Passando para a prática, é importante entender Como a célula de carga e o módulo HX711 são fisicamente conectados e montados. Estas são as etapas gerais:

• Instalação mecânica: Utilize espaçadores para fixar a célula de carga entre a base e o contêiner ou plataforma que suportará o peso. O centro da célula deve permanecer livre e ser a única parte que flexiona sob carga.
• Direção da força: Observe a seta gravada na célula, que indica a direção em que o peso deve ser aplicado.
• Conexão elétrica: Conecte cada um dos fios da célula aos pinos correspondentes no HX711 seguindo o código de cores (Vermelho para E+/VCC, Preto para E-/GND, Verde para A+/Saída+, Branco para A-/Saída-). Para mais detalhes, consulte a guia para células de carga.
• Conexão ao microcontrolador: Da outra fileira de pinos no HX711, conecte GND e VCC à fonte de alimentação, e os pinos DT (Dados) e SCK (Relógio) a quaisquer dois pinos digitais no Arduino ou qualquer placa que você esteja usando.

Em balanças de banheiro ou projetos mais complexos, elas são frequentemente usadas quatro células de carga simples dispostos nos cantos, cujos cabos devem ser combinados por meio de um módulo combinador ou seguir o diagrama de conexão manual (um trabalho de precisão no qual você precisará estudar cuidadosamente a folha de dados e medir as resistências para identificar cada fio).

Para aqueles que buscam precisão máxima, existem módulos combinadores de marcas como SparkFun que simplificam a fiação e permitem combinar facilmente os sinais de todos os quatro sensores em uma única entrada compatível com o HX711.

A Ponte de Wheatstone na Prática: Vantagens e Considerações

A utilização de Ponte de Wheatstone Isso não é coincidência: ele permite amplificar com precisão as variações de resistência dos extensômetros, conseguindo resolver diferenças muito pequenas e obtendo excelente linearidade na medição.

Em sistemas onde apenas uma célula de carga de quatro fios é utilizada, a ponte já está configurada e não há necessidade de complicar as coisas. Se você quiser construir um equilíbrio mais preciso combinando várias células, precisará conectá-las para formar uma única ponte de Wheatstone, seguindo uma topologia bem definida, ou usar módulos combinadores. Inversão do sinal de saída Isso pode acontecer se, à medida que o peso aumenta, a leitura diminui ou se comporta de maneira oposta ao esperado; neste caso, basta inverter as conexões dos cabos A+ e A-.

Recursos técnicos avançados do HX711

Este módulo oferece múltiplos benefícios o que o torna muito popular:

• resolução: Até 24 bits, permitindo a detecção de alterações mínimas de peso.
• Ganho programável: Você pode escolher entre 128x ou 64x, dependendo de suas necessidades de sensibilidade.
• Taxa de amostragem ajustável: Entre 10 Hz e 80 Hz, permitindo adaptar a velocidade de medição à estabilidade da aplicação.
• Compatibilidade: Suporta células de carga de ponte completa ou meia ponte, com capacidade de ler até duas células em configuração dupla.
• Consumo de energia muito baixo: Em operação ativa, menos de 1.5 mA; ideal para dispositivos alimentados por bateria.
• Temperatura de operação: Faixa muito ampla, de -40ºC a +85ºC.
• Formato compacto: Seu tamanho facilita a integração em placas e protótipos, com pinos prontos para soldar ou instalar em uma placa de ensaio.

Sua documentação é extensa e há uma grande comunidade de desenvolvedores, o que se traduz na disponibilidade de exemplos de código, bibliotecas e guias online para concluir seu projeto rapidamente.

Como programar e calibrar uma balança digital baseada em HX711 e Arduino

A montagem do hardware é apenas metade do trabalho. Para obter medições de peso exato, você precisa programar e, acima de tudo, calibrar o sistema corretamente. Vamos ver como fazer passo a passo:

Instalando a biblioteca HX711

O primeiro passo é instalar a biblioteca que facilita a comunicação com o HX711. A opção mais popular e confiável é a biblioteca criada por Bogde, disponível no GitHub. Você pode baixá-la manualmente ou instalá-la diretamente do site. Gerente de livraria do Arduino IDE, procurando por “HX711”.

Principais funções da biblioteca HX711

• begin(PinData, PinClock): Inicialize o HX711 indicando os pinos de dados e relógio usados ​​no seu microcontrolador.
• set_scale(escala flutuante): Atribui o valor da escala ou fator de conversão. Isso é essencial para que as leituras correspondam ao peso real.
• tarefas): Executa uma tara, ou seja, zera a medição com o peso atual. n indica o número de amostras coletadas para definir a tara.
• ler(): Executa uma única leitura do sinal do ADC interno do HX711.
• leitura_média(n): Retorna a média de n leituras; aumenta a estabilidade y precisão da medição.
• obter_valor(n): Retorna o valor da leitura menos o peso da tara. Se você passar n, ele calcula a média desse número de leituras.
• obter_unidades(n): Calcule o peso subtraindo a tara e dividindo o resultado pelo fator de escala.

Essas funções abrangem o ciclo completo de inicialização, calibração, tara e leitura da balança.

Calibração: a etapa essencial para uma medição precisa

La calibração Isso envolve ajustar o fator de escala para que as leituras digitais do HX711 correspondam aos valores de peso reais nas unidades desejadas (geralmente quilogramas ou gramas). A técnica usual é a seguinte:

1. Sem nenhum objeto na balança, executa um programa de calibração que realiza uma tara (definindo a balança para zero).
2. Coloque um objeto de peso conhecido (o ideal é que esteja próximo do peso máximo que você vai medir) na balança.
3. Anote o valor da leitura sem escala que o monitor serial mostra. É comum calcular a média de várias leituras.
4. Calcular o fator de escala usando a fórmula: valor_leitura / peso_real = fator_escala, levando em consideração as unidades que você deseja (por exemplo, se você usar um peso de 4 kg e a leitura for 1.730.000, o fator de escala será 432500).
5. Modifique o programa para que na função set_scale você insira o valor calculado.
6. Repita a leitura. Adicione ou retire peso para verificar a precisão da medição.

A calibração é sensível à posição da célula, rigidez do suporte, qualidade do contato elétrico e outros fatores. Se você alterar a célula, o método de instalação ou o modelo, será necessário recalibrar.

Exemplo de código de calibração e pesagem

Um esboço típico do Arduino inclui duas partes: calibração e medição. O esboço de calibração permite ajustar o fator interativamente usando o monitor serial (+ ou – para ajustar o valor da escala). O esboço de pesagem simplesmente exibe o peso lido na tela usando o fator obtido.

Uma estrutura básica de código seria a seguinte (adaptada e resumida, para não repetir literalmente o conteúdo dos exemplos):

• Inclui a biblioteca HX711.
• Define os pinos DATA e CLOCK.
• Inicializa o HX711 e executa a tara.
• No loop principal, use get_units() para exibir o peso lido a cada meio segundo.
• Permite modificar o fator de calibração do monitor serial se você quiser ajustar a precisão.

Este método, popularizado pela SparkFun e outros desenvolvedores, garante uma calibração perfeita mesmo que a célula não seja exatamente igual a outras do mesmo modelo.

Integração avançada: balanças de banheiro, IoT e sistemas industriais

Em projetos residenciais, as células de carga são frequentemente recuperadas de balanças de banheiro comerciais (geralmente vêm com quatro sensores individuais). Para combiná-las e conectá-las ao HX711, você pode usar um módulo combinador ou seguir diagramas de conexão específicos que permitem formar uma ponte de Wheatstone com os quatro sensores. Se você não tiver um módulo combinador, precisará identificar os fios (geralmente três por sensor) e combiná-los usando a referência de resistência interna entre os pares.

A integração do HX711 não tem limites. É bastante comum em projetos de IoT (Internet das Coisas), onde o peso monitorado por uma balança digital é enviado para a nuvem usando um ESP8266, NodeMCU ou similar. Isso permite realizar pesagens automáticas, controlar remotamente o inventário, monitorar cilindros de gás, tanques e outros sistemas cujo peso é um parâmetro crítico.

No setor industrial, a robustez e a precisão do HX711 permitem sua utilização em sistemas de dosagem automática, sistemas de controle automático de processos, máquinas de embalagem e aplicações médicas, pois sua resolução é suficiente para medir de gramas a dezenas de quilos com grande precisão.

Recomendações e resolução de problemas comuns

Ao construir seu próprio sistema de pesagem, tenha estas dicas em mente:

• Evite choques ou vibrações excessivas na célula de carga, pois podem danificar os medidores ou afetar a calibração.
• Garante uma fixação mecânica correta para evitar leituras erráticas ou instáveis. A área central deve estar livre e a força perfeitamente alinhada com a direção indicada.
• Verifique as conexões elétricasMau contato pode causar flutuações ou ruído no sinal, dificultando a calibração.
• Se as leituras forem instáveis ​​ou variarem sob vácuo, execute uma nova tara e certifique-se de que o fornecimento de energia esteja estável.
• Se o resultado lido variar ao contrário (diminuir com o peso), inverte as conexões A+ e A-.

Além disso, se o seu projeto exigir a medição de diferentes faixas de peso em momentos distintos, lembre-se de ajustar o fator de calibração adequadamente. Sempre salve os valores de calibração obtidos para cada célula e configuração.

Recursos e opções de negociação do módulo HX711

O mercado oferece uma ampla variedade de módulos HX711 compatíveis, tanto em lojas especializadas quanto em plataformas de uso geral. Eles geralmente vêm com células de carga de diferentes faixas (1 kg, 5 kg, 20 kg, 50 kg) e possuem pinos ou conectores para fácil integração. Características notáveis ​​desses módulos incluem:

• Voltaje de funcionamento: entre 2.6 V e 5.5 V, permitindo que sejam usados ​​com placas de 3.3 V e 5 V.
• Consumo de energia muito baixo: menos de 1.5 mA.
• Formatos compactos: ideal para integrações em projetos e protótipos do tipo "faça você mesmo".
• Documentação e suporte: A comunidade e os fabricantes geralmente fornecem tutoriais, folhas de dados e exemplos de uso para o Arduino e outras plataformas.

Exemplos práticos de uso e aplicações

Graças à versatilidade das células de carga e do HX711, elas são adequadas para uma ampla variedade de aplicações:

• Balanças digitais para uso doméstico e de cozinha: para pesar ingredientes ou alimentos com máxima precisão.
• Sistemas de monitoramento de cilindros de gás: Eles permitem que você monitore remotamente o status do enchimento para evitar ficar sem estoque.
• Controle de estoque em armazéns e lojas: Por meio da pesagem contínua, o estoque restante pode ser monitorado em tempo real.
• Balanças conectadas à nuvem: Usando placas como a ESP8266, os dados coletados podem ser visualizados ou processados ​​em plataformas web para análises avançadas.
• Equipamento médico: como balanças para leitos hospitalares, sistemas de dosagem e monitoramento de peso em laboratórios.
• Robótica e sistemas de dosagem automática: para dispensar a quantidade certa de matéria-prima em cada processo.

Em todos esses casos, o protocolo de conexão e programação é muito semelhante. Uma vez calibrada a célula, você terá medições confiáveis ​​e precisas que aprimorarão a automação e o controle dos seus sistemas.

Como escolher o sistema certo para seu projeto

A decisão entre usar uma célula de 1 kg, 5 kg, 20 kg ou 50 kg, o tipo de montagem e a calibração dependerão das suas necessidades específicas. Veja como escolher a célula certa: alguns critérios para tomar a melhor decisão:

• Faixa de pesagem: Selecione uma célula de carga com uma capacidade máxima ligeiramente maior que o peso máximo que você normalmente medirá.
• Precisão necessária: Se você precisa de precisão de grama, procure células de carga com alta sensibilidade e faixa baixa. Se a sua aplicação tolera erros de vários gramas ou dezenas de gramas, você pode optar por modelos com faixa mais alta.
• Dificuldade de montagem mecânica: Modelos de montagem em barra para balanças de cozinha são mais fáceis de instalar. Para balanças de banheiro com quatro sensores, você precisará montar os cabos ou comprar um módulo combinado.
• Suporte a microcontroladores: Os módulos HX711 são compatíveis com praticamente qualquer placa, mas certifique-se de que a tensão de alimentação e os níveis lógicos estejam corretos.

A modularidade e o baixo preço do HX711 e suas células de carga democratizaram a tecnologia de pesagem eletrônica, permitindo que qualquer fabricante, estudante ou profissional construa seu próprio sistema de medição com sucesso garantido.

A seleção, calibração e montagem mecânica adequadas determinam o sucesso do seu projeto. Com medições confiáveis ​​e estáveis, você pode integrar sistemas de controle, automação e monitoramento com resultados profissionais, tanto em aplicações residenciais quanto industriais.