Úlová váha s Arduinem
Dnešní článek je o použití Arduina v ne úplně běžném projektu, ale o to více zajímavém. Představíme si projekt úlové váhy s Arduinem, jehož Autorem je Tomáš Ondrouch.
Je docela možné, že vás článek osloví i pokud zrovna nejste včelař, protože řešení popsaná v tomto Arduino projektu mají přesah i do dalších projektů z oblasti bastlení, DIY a kutilství. Za zaslání článku děkujeme a na oplátku zasíláme slevový kupon 30% na nákup zboží na e-shopu HW Kitchen.
Úlová váha se používá ve včelařství. Hlavním účelem použití je zjištění stavu medných zásob bez nutnosti otevírání úlu. Úlovou váhu, popsanou v tomto projektu, jsme si doma vyrobili a používáme ji na naší včelnici. Byla také prezentována i na včelařské soutěži mládeže Zlatá včela 2019. Na žádost několika zájemců z řad včelařů zveřejňujeme výrobní dokumentaci, aby si toto zařízení mohl pro svoji potřebu vyrobit každý technicky zdatný včelař.
Tento projekt lze použít jako základní stavební návod, nebo ještě lépe jako inspiraci, jak si vyrobit úlovou váhu svépomocí, s nízkými náklady a se spoustou prostoru na vylepšování.
Základním prvkem konstrukce jsou tenzometry, které se používají pro osobní váhy a jsou snadno a levně dostupné. Tyto tenzometry ale nesnesou trvalou zátěž, proto jsme je připevnili na konstrukci, která se před měřením zasune pod úl a po skončení vysune a odnese. Výhodou tohoto řešení je, že pak stačí jedna úlová váha pro celou včelnici. Dalším omezením je malá teplotní stabilita, ale zkušenosti ukazují, že přesnost vážení i bez teplotní kompenzace je lepší než 0.5 kg, což je vzhledem k účelu přijatelné.
Obsah článku:
Princip použití váhy
Pod úlem je potřeba manipulační mezera s výškou 4cm, toho lze dosáhnout např. podložením úlu dřevěnými hranoly. Úlová váha se zasune pod úl a připojením napájení se zapne – to vše bez zátěže, aby se váha vynulovala. V mobilním telefonu se stačí připojit pomocí Bluetooth do aplikace Serial Bluetooth terminal. Vážení se pak aktivuje sklopením páky do koncové polohy. Tím se úl nadzvedne a jeho váha se přesune na tenzometry. Na displeji telefonu se pak průběžně vypisuje aktuální hmotnost úlu.
Popis výroby
Mechanika
Konstrukční výkres je v souboru vcelovaha_konstrukce.dxf (viz přílohy projektu). Hladina 0 zobrazuje úlovou váhu v měřicí poloze, hladina Sklopené je zobrazení v pozici pro zasunutí pod úl. Ostatní hladiny mají také popisné názvy pro správné pochopení významu.
Výkres je nakreslený v programu LibreCAD. Program je pro nekomerční použití zdarma a lze jej stáhnout na https://librecad.org/#download.
Materiál pro mechanickou konstrukci:
- Jekl 40 mm x 10 mm (cca 3 m)
- pásovina 20 mm x 5 mm (cca 1,5 m)
- závitová tyč M5 nebo 8 ks šroubů M5 x 70
- samojistné matice M5 (16 ks)
- podložky ø5 (32 ks)
- plastová deska (podložka pro elektroniku) 120mm x 160mm (1ks), materiál Krasten
- krycí plechy na tenzometry 40mm x 60mm x 0,5mm (4ks), materiál např. hliník, nerez …
- hranoly o výšce 40 mm na podložení úlů. Ty nejsou v konstrukci úlové váhy, ale vznikne tím mezera pod úlem, do které se zasouvá váha. Úlová váha má ve složeném stavu výšku cca 2 cm, sklopením páky se zvedne
Elektronické komponenty
- Řídící deska Arduino Nano V3.0 ATmega328 s USB kabelem
- Komunikační modul Arduino Bluetooth modul HC-06
- AD převodník Modul 24-bit 2 kanály HX711 a Tenzometr 50 kg (4ks)
- Powerbanka – napájecí zdroj pro elektroniku. My jsme použili powerbanku, kterou jsme měli doma, ale lze použít jakoukoli, ideálně menších rozměrů (váleček), na kapacitě nezáleží, spotřeba je velmi nízká. např. Mophie Power Boost Mini 2600mAh Pink
Poznámka redakce: Celý Arduino projekt můžeme napájet z USB Powerbanky, ale proč si nezkusit postavit vlastní řešení s kvalitním LiPol akumulátorem? Celá konstrukce je jednoduchá. LiPol akumulátor je připojený k nabíjecímu modulu. Ten dále napájí zvyšující měnič, který vytváří napájecí napětí 5 V pro Arduino desku. Desky jsou propájené mezi sebou, stáhnuté páskem a celé je to upevněné na akumulátoru suchým zipem…
Všechny elektronické díly lze koupit i levněji na čínských webech (Aliexpres, Ebay), pokud máte čas čekat 2 měsíce na dodání.
Dále jsou potřeba 4 ks držáků tenzometrů, já jsem je vytiskl na 3D tiskárně, podle přiloženého modelu vcelovaha_tenzometr4.fcstd. Soubor pro 3D tiskárnu je vcelovaha_tenzometr4.gcode. Oba soubory naleznete v příloze projektu.
Modely jsou vytvořené v programu FreeCAD, pokud by si je někdo chtěl upravit.
Krabičku jsem též vytisknul podle modelu v souboru vcelovaha_krabicka.fcstd, ale použít lze jakoukoli vhodnou krabičku. Soubor pro 3D tiskárnu je vcelovaha_krabicka.gcode.
Celá elektronická část úlové váhy (kromě tenzometrů) je umístěna na plastové desce v přední části váhy, tak, aby nezasahovala pod úl.
Konstrukce úlové váhy
Jekl nařežu podle výkresu. Spodní díl je svařený do dvojitého „H“. Vyvrtám díry pro čepy ø5 mm. Další krok je vrtání děr ø2,4 mm pro upevnění držáků tenzometrů a vyříznutí závitů M3. Polohy děr jsem si orýsoval podle držáků. Před držáky mám vyvrtané díry pro protažení vodičů tenzometrů ø6 mm.
Nyní je třeba vyrobit spojovací díly. Z pásoviny nařežu 4 cm díly. Vyvrtám do nich díry ø5 mm, aby svorníky neměly velkou vůli, s roztečí 30 mm. Poté zabrousím konce dokulata. Já jsem to nahrubo udělal úhlovou bruskou a načisto pilníkem. Potřebujeme 8 ks. Na dva tyto díly přivařím páku o délce 300 mm. Všechny díly jsem natřel vhodnou barvou na kov.
Nyní už to smontuji. Přišroubuji držáky tenzometrů. Do nich tavným lepidlem vlepím tenzometry. Dráty od vzdálenějších tenzometrů je třeba prodloužit tenkými vodiči. Já jsem na to použil přebytek vodičů z bližších tenzometrů, když jsem si naměřil délku, aby mi vystačily do krabičky. Je třeba pečlivě dodržet barvy, je třeba to potom zapojit přesně podle barev. Vodiče jsem si prostrčil dovnitř jeklu připravenými dírami shora a všechny vyvedl bočními dírami. Jde to docela špatně, pomohl jsem si vázacím drátem. Pokud vás napadne nějaký jiný způsob, jak ochránit vodiče tenzometrů, ušetříte si dost práce. Pokračuji montáží spojovacích dílů podle výkresu. Mezi všechny pohyblivé díly je vhodné dát podložky. Matice jsou samojistné, aby se při sklápění nepovolovaly.
Držadlo páky je vyrobeno ze závitové tyče, lze ji překrýt např. plastovou hadičkou pro lepší držení, my jsme použili hliníkovou trubičku, která byla zrovna k dispozici.
Na konci spodního dílu konstrukce pod pákou je zarážka (zelený šroubek o dva obrázky výše), o kterou se páka opře v koncové poloze, mírně pod vodorovnou osou váhy. Tato aretace umožní, aby páka v koncové poloze držela sama a nebylo nutno ji při měření přidržovat rukou.
Osvědčilo se tenzometry překrýt tenkým plechem, který vytvoří pevnou vrstvu mezi relativně měkkým dřevem dna úlu a čepičkou na tenzometru. Použil jsem hliníkový plech, na konstrukci je připevněn oboustrannou lepicí páskou přes kousek neoprenu, tak aby se v klidu těsně nedotýkal tenzometru. Neopren (molitan) je dostatečně měkký, aby neovlivňoval vážení.
Elektronika
Výkres a „schéma“ je v souboru vcelovaha_schema.fzz (viz přílohy). Tento soubor se dá otevřít v programu Fritzing, který je převážně používán pro projekty pro Arduino. Program lze získat na http://fritzing.org/download/.
Vzhledem k tomu, že jsem měl za úkol vyrobit pouze jeden kus úlové váhy, nesnažil jsem se pro komponenty navrhnout desku plošných spojů, ale vše jsem nabastlil na kus desky univerzálního plošného spoje. Univerzální desku lze pořídit například https://www.hwkitchen.cz/velky-univerzalni-plosny-spoj/ .
Protože deska slouží pouze jako nosič či držák dílů, rozložit si lze elektronické komponenty na jakoukoli destičku a propoje udělat tenkými drátky. To si každý může udělat podle svého. Jen je třeba dodržet, že Bluetooth modul musí být v patici a při programování musí být odpojený. Arduino Nano má totiž pouze jeden UART port, který se požívá jak pro programování, tak i pro komunikaci s Bluetooth modulem.
Program
Program pro úlovou váhu vznikl úpravou programu, uvedeného na https://learn.sparkfun.com/tutorials/load-cell-amplifier-hx711-breakout-hookup-guide/all. Na této stránce je velmi dobrý popis všeho, co je potřebné vědět pro připojení tenzometrů. Projekt pro Arduino je v souboru vcelovaha_prog.ino (viz přílohy). V kódu programu jsou komentáře pro lepší pochopení.
Vývojové prostředí, pomocí kterého lze nahrát program do procesoru lze získat na webu https://www.arduino.cc/en/Main/Software.
Seznam příloh
- mechanická konstrukce … vcelovaha_konstrukce.dxf
- Arduino schéma zapojení … vcelovaha_schema.fzz
- Program pro Arduino … vcelovaha_prog.ino
- soubory 3D tisku – držák tenzometru … vcelovaha_tenzometr4.fcstd, vcelovaha_tenzometr4.gcode
- soubory 3D tisku krabička … vcelovaha_krabicka.fcstd, vcelovaha_krabicka.gcode
ZIP archiv s přílohami je ke stažení ZDE.
Praktické tipy
- Pod úlem je potřeba manipulační mezera s výškou 4cm, toho lze dosáhnout podložením úlu dřevěnými hranoly, pokud má úl pouze síťované dno, je nutno doplnit pod úl desku, aby se úlová váha měla o co opřít při nadzvednutí – vážení.
- používáme mobilní telefon s Androidem a Bluetooth.
- osvědčila se nám aplikace Serial Bluetooth Terminal, která umožňuje také uložení dat do souboru.
- Vynulování úlové váhy bez zátěže probíhá automaticky po zapnutí a také lze provést kdykoli později zadáním příkazu n <enter>
- Vzhledem k tomu, že váha nemá teplotní kompenzaci, osvědčilo se před měřením chvíli počkat, až se úlová váha vytemperuje na teplotu okolí v místě měření.
- V ideálním případě by měly být všechny tenzometry zatíženy stejně, pak je přesnost vážení nejlepší. To není v praxi úplně dosažitelné, ale experimentálně jsme zjistili, že je vhodné alespoň váhu umísťovat vždy na stejné místo pod úlem. Na podložce pod úlem máme značky, aby úlová váha byla vždy ve stejném místě.
- Pro prohlížení uložených dat používáme aplikaci File manager +, která pomocí widgetu Folder Widget umí jednoduše zobrazit složku s uloženými soubory jednotlivých měření.
- Powerbanka je na nosnou desku s elektronikou připevněna suchým zipem, přilepeným vteřinovým lepidlem. Lze tedy snadno odpojit, např při nabíjení nebo použití jinde.
Inspirace a vylepšení
Váhu jsme si vyráběli pro vlastní potřebu a se zvědavostí hobby včelařů, kde hlavním kriteriem byly nízké náklady a jednoduchost řešení.
Jedno z možných vylepšení pro zpřesnění vážení by bylo zavést teplotní kompenzaci. Některé informace lze získat na Včelařském fóru.
Poněkud zjednodušit a vylepšit konstrukci by umožnilo použití jiného procesorového modulu, který obsahuje Bluetooth rozhraní, Wifi rozhraní, displej a celý management při připojení akumulátoru, viz https://www.aliexpress.com/item/33048962331.html. To je ale na velké úpravy.
Přeji mnoho úspěchů při konstrukci a hlavně vylepšování původního nápadu.
- Sledovač slunce s Arduinem - 23.3.2022
- Programovatelný kytarový pedál s Arduinem - 26.2.2020
- Arduino infračervený teploměr vytištěný na 3D tiskárně - 11.2.2020