คำอธิบาย
Arduino เครื่องชั่งน้ำหนัก เซ็นเซอร์รับแรงกด วัดน้ำหนัก load cell HX711
หลักการทำงานของโหลดเซลล์
โหลดเซลล์ (Load Cell) เป็นอุปกรณ์ใช้วัดน้ำหนัก โดยมีหลักการคือ นำแผ่นทองแดงที่เรียกว่า สเตรนเกจ ไปแปะติดกับแท่งเหล็ก แล้วยึดปลายด้านหนึ่งของแท่งเหล็กไว้กับพื้น จากนั้นที่ปลายอีกด้านใช้วางสิ่งของที่ต้องการชั่งน้ำหนัก เมื่อวางสิ่งของลงไปแล้ว จะทำให้แท่งเหล็กงอเล็กน้อย การงอนี้จะไปทำให้แผ่นสเตรนเกจที่ถูกยึดติดไว้กับแท่งเหล็กอย่างแน่นหนายึดออก เมื่อสเตรนเกจถูดยืดออก ทองแดงที่อยู่บนสเตรนเกจก็ถูกยึดออกเช่นกัน ทำให้แผ่นทองแดงมีความยาวมากขึ้น เมื่อความยาวของทองแดงมากขึ้นก็ส่งผลให้ค่าความต้านทานของแผ่นสเตรนเกจมีค่ามากขึ้น ยิ่งแผ่นเหล็กงอมากเท่าไร ทองแดงก็ถูกยืดออกมาเท่านั้น ทำให้ค่าความต้านทานมากตามไปด้วย
รูปที่ 1 หลักการทำงานของสเตรนเกจ (ขอบคุณรูปภาพจาก wikipedia.org)
แต่สเตรนเกจ 1 แผ่น เมื่อถูกงอแล้ว ค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงนั้นเล็กน้อยมาก และค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยนี้ไม่สามารถนำไปใช้งานได้เลย ส่งผลให้เกิดการคิดค้นวงจรบริดจ์ขึ้นมา
รูปที่ 2 วงจรบริดจ์ (ขอบคุณรูปภาพจาก wikipedia.org)
วงจรบริดจ์ คือวงจรที่นำแผ่นสเตรนเกจ 4 แผ่นมาต่อกันเป็นวงจร แล้วแปะติดลงไปกับแท่งเหล็กด้านบน 2 แผ่น และด้านล่าง 2 แผ่น เมื่อแท่งเหล็กงอ จะส่งผลให้แผ่นสเตรนเกจ 2 แผ่นยืดออก ในขณะที่แผ่นสเตรนเกจอีก 2 แผ่นหดเข้า การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของสเตรนเกจทั้ง 4 แผ่นนี้เอง ทำให้สามารถตรวจจับการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานได้ง่ายขึ้นมาก
รูปที่ 3 วงจรบริดจ์บนโหลดเซลล์ (ขอบคุณรูปภาพจาก wikipedia.org)
การใช้งานโหลดเซลล์
วงจรบริดจ์มีจุดต่อไฟเข้า 2 จุด คือไฟบวก และไฟลบ มีจุดไฟออก 2 จุด ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้ระหว่าง 2 จุดจะเปลี่ยนไปตามน้ำหนักที่โหลดเซลล์วัดได้ ในทางอุดมคติหากโหลดเซลล์วัดน้ำหนักได้เป็น 0g ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้จะเป็น 0V ด้วย (หรือที่เรียกว่า บริดจ์แบบสมดุล) และเมื่อโหลดเซลล์วัดน้ำหนักได้มากกว่า 0g ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้ก็จะมีค่ามากขึ้นตามน้ำหนักที่วัดได้ (หรือที่เรียกว่า บริดจ์แบบไม่สมดุล)
แต่ในความเป็นจริง น้ำหนักของฐานรับน้ำหนัก และน้ำหนักของตัวโหลดเซลล์เอง ที่ทำให้เกิดน้ำหนักเพียงเล็กน้อยขึ้น ทำให้เหล็กงอเล็กน้อย แล้วทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้ระหว่าง 2 จุดเมื่อไม่ได้วางสิ่งของใด ๆ บนโหลดเซลล์ ไม่ได้ 0V ตามอุดมคติ
ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้ระหว่าง 2 จุดจะได้ค่าระดับ uV เท่านั้น ซึ่งแรงดันไฟฟ้าที่น้อยขนาดนี้ บอร์ด Arduino ไม่สามารถอ่านค่าออกมาได้ ดังนั้นหากต้องการใช้ Arduino ร่วมกับโหลดเซลล์เพื่อวัดน้ำหนัก จึงจำเป็นต้องมีโมดูลวัดแรงดันไฟฟ้า (ADC) ระดับ uV เพิ่มเติม โดยโมดูลนั้นชื่อ HX711 Weight Sensor Amplifier (HX711 มาจากชื่อไอซีที่อยู่บนตัวโมดูล)
รูปที่ 4 โมดูล HX711 Weight Sensor Amplifier
