Waga elektroniczna z mikrokontrolerem ESP32

[BlueFish05]

Cześć wszystkim,

chciałbym się z wami podzielić swoim projektem, który zacząłem budować podczas przerwy wakacyjnej, ale aktualnie nie mam czasu żeby go rozwijać. Jest to projekt wagi elektronicznej z wykorzystaniem ESP32. Pierwszym zamysłem projektu było stworzenie wagi elektronicznej, która posiadałaby możliwość wykorzystania Bluetootha tak, aby można było skomunikować się z telefonem czy komputerem i na nich odczytywać wartości z wagi i np. zapisywać do pliku.

Pierwszym krokiem jaki podjęto było i stworzenie połączeń i zależności, które powinny znaleźć się w projekcie. Najważniejsze informacje zapisano w podpunktach:

(Założenia początkowe)

• Wykorzystanie mikrokontrolera
• Wykorzystanie czujnika wagi
• Przełączniki do sterowania stanem płytki
• Moduł Bluetooth
• Wyświetlenie informacji z wagi

Udało się znaleźć kluczowe informacje na przy użyciu Internetu. Podobierano komponenty, tak żeby rozwiązać założenia początkowe.

(Wybór najważniejszych komponentów)

• ESP32-WROOM – zadziała jako mikrokontroler do podłączenia czujników oraz jednocześnie jako moduł Bluetooth

• TM1637 – układ scalony który odpowiadający za sterowanie wyświetlaczem 7 segmentowym za pomocą komend

• HX711 – 24-bit’owy konwerter sygnałów analogowych na sygnały cyfrowe

• Belka tensometryczna - odpowiada za odczyt nacisku, działa jako czujnik wagi

Kolejnym krokiem było podłączenie komponentów na płytce stykowej oraz sprawdzenie działania. Za pomocą Arduino IDE pobrano odpowiednie biblioteki (tz. HX711, TM1637) do obsługi układów scalonych i przetestowano ich działanie za pomocą dostępnych przykładów z bibliotek.

Po sprawdzeniu na płytce stykowej czy dana konfiguracji będzie mogła działać zabrano się za projekt płytki PCB. Schemat jest dosyć prosty bo zawiera tylko najważniejsze elementy potrzebne do działania płytki. Rysunki schematów oraz projekt PCB wykonano w programie Altium Designer.

Płytkę zamówiono do produkcji przez JBLPCB. Płytka przyszłą po około~3tyg.

Oczywiście nie obyło się bez pomyłek.

•  Pin GPIO12 na EPS32 jest „inputem” napisanym w nocie katalogowej ale tez jeżeli znajdzie się na nim napięcie podczas uruchamiania to mikrokontroler się nie uruchomi bo jest to „strapping pin”. Problem rozwiązano zdrapując ścieżkę i dolutowując przewód do pinu obok.
• Przykładowy układ z dokumentacji się nie sprawdził się ponieważ kondensator 0.1uF który został wykorzystany w  przykładzie użycia jest za mały na pinie EN. kondensator nie potrafi ustabilizować pinu w ESP32. Po dodaniu większego kondensatora problem został rozwiązany.

Po rozwiązaniu problemów elektronicznych zaczęto projektowanie obudowy dla elektroniki.

Kolejno zabrano się za projekt obudowy do elektronik, mocowanie belki tensometrycznej i platformy na której można kłaść przedmioty. Projekt został wykonany przy pomocy programu Solidworks i był skierowany pod druk 3D.

Po wykonani pierwszego prototypu okazało się że stawianie przedmiotu na środku dawało inny odczyt niż stawianie na krawędzi. Wynikło to z powodu powstawania dźwigi na platformie co mogło fałszować wyniki. Skonstruowano kolejną wersje.

Elementy wydrukowano wtopiono inserty i zamocowano pozostałe elementy.

Program ESP32 został napisany przy pomocy Arduino IDE 2.0. Zostały pobrane odpowiednie biblioteki i za pomocą przykładów z tych bibliotek został napisany kod. Po napisaniu kodu wgrano program ESP32 przy pomocy konwertera UART-USB poprzez podpięcie się do odpowiednich pinów wyprowadzonych na płytce PCB.

W miedzy czasie dodatkowo dodano buzzer oraz diode kolorową. Program działa w taki sposób ze pokazuje aktualną wagę i jeżeli przedmiot znajduje się w odpowiednim przedziale (w tym przypadku od 80g do 120g) to nas o typ powiadamia. Wykonano prezentacje w jaki sposób działa waga.

 

Kolejnym krokiem było by napisanie dedykowanej aplikacji na telefon albo na komputer która wykorzystując Wifi albo Bluetooth mogłaby zaczytać wartości z wagi.

 

Chętnie wysłucham waszych opinii co sądzicie o tym projekcie. Z góry dziękuje za feedback :]

[Treker (Damian Szymański)]

@BlueFish05 witam na forum i gratuluję projektu  Chyba jeszcze takiego u nas nie było. Wszystko elegancko wykonane od początku do końca. Testowałeś i porównywałeś wagę z gotowymi rozwiązaniami? Jak z dokładnością i powtarzalnością pomiarów?

[BlueFish05]

Dziękuje bardzo,

udało się uzyskać duża powtarzalność ze względu na kod. Program działa w taki sposób że zanim wyświetli wynik na wyświetlacz najpierw pobiera 10 razy odczyt i oblicza średnią arytmetyczną przez co odchylenia czy zakłócenia są negowane i wyniki pomiarów obiektów były identyczne. Co do dokładności kluczowym czynnikiem jest jakość i parametry belki tensometrycznej. Porównywałem swój projekt z wagą jubilerską i moje rozwiązanie było dokładne do ~0.5 grama. Wyniki z obu wag były podobne rozjeżdżały się dopiero przy wartościach po przecinku (wyniki były mierzone w gramach).

Edytowano Grudzień 28, 2024 przez BlueFish05

[ethanak]

Bardzo fajne! Zmieniłbym tylko jedno: zamiast średniej arytmetycznej użyłbym średniej ucinanej - trzeba by było sprawdzić jak to wpłynie na dokładność pomiaru.

Chyba podsunąłeś mi pomysł na kolejne gadające urządzenie

[Santiago]

@BlueFish05 Napisz jaka to belka. 

@ethanak Średnia ucinana - znowu coś czego nie wiem... Poczytam

[orb777]

Fajny pomysł i wykonanie, gratki.

[Treker (Damian Szymański)]

4 godziny temu, Santiago napisał:

Średnia ucinana - znowu coś czego nie wiem... Poczytam

Ale pewnie spotkałeś się z medianą, a to już blisko, blisko. Zresztą jak mówi Wikipedia: Skrajna wersja średniej ucinanej, przy usunięciu wysokiego procentu obserwacji w równej liczbie z każdego krańca, to mediana.

[Santiago]

@Treker Poczytałem, średnia arytmetyczna, średnia ucinana, mediana (i jej odmiany), ponieważ na pewno to się przyda. Dzisiaj muszę przetestować to na moich czujnikach i określić , która metoda najbardziej odpowiada. W Wikipedi pisze, że mediana znalazła zastosowanie w grafice komputerowej (itp.), jednak odporność na elementy odstające jest na ogół zaletą, ale czasami mogą być wadą , stąd pojawiła się - średnia ucinana... 

[ethanak]

10 minut temu, Santiago napisał:

na pewno to się przyda

Przy niewielkiej ilości próbek stosuję taką metodę "od siekiery" - po prostu ucinam najmniejszy i największy wynik.