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重さを計る、ロードセルを使ってみました。
前回の豆知識で紹介した、2021年大学入学共通テスト 物理の、実際の使用例です。
電子回路は、ロードセル → ＨＸ７１１モジュール → Arduinoの流れです。
ロードセルは、ホイーストンブリッジの形にひずみゲージが貼られ、ひずみを電気信号にし、出力します。
ロードセルだけでは、重りを載せた際、うまくひずんでくれません。
そこで上手くひずむよう、２点で固定させています。
物を載せる面は、アクリル板を使い、乗せやすくなっています。
ロードセルを使うには、上手くひずませたり、物を乗せやすくするなど、工夫が必要な事が分かります。
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５ｋｇまで測定できるタイプです。 |
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２点で固定し、ひずみやすくなっています。 |
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円形のアクリルの上に、物をのせます。 |
ロードセル用のＩＣは、ＨＸ７１１を使います。
ＨＸ７１１は、２４ビットの信号を出力するＡＤコンバーターです。
アンプとしての機能もあります。
ロードセルには、このＩＣを使った、ＨＸ７１１モジュールが良く使われています（2021年2月現在）。
アマゾンだけでなく、秋月電子でも購入できます。
ＨＸ７１１使用 ロードセル用ＡＤコンバータ モジュール基板 K-12370 ￥350
モジュールなので配線は、ロードセルにつなぐだけです。
Arduino側は、ＶＣＣ（プラス５Ｖ）、ＧＮＤ（０Ｖ）、ＤＴ（データ線）、ＳＣＫ（シリアルクロック）の４端子です。
ＨＸ７１１のデータシートに記載されたクロックを、ArduinoからＨＸ７１１へ入力すると、ＨＸ７１１からArduinoへシリアル２４ビットでデータが送られきます。
ＨＸ７１１から送られてくるデータの値は、ＨＸ７１１独特のデータです。
データシートを見ると、２の補数と記載されています。
Ａｒｄｕｉｎｏの配線は、簡単です。
ＨＸ７１１モジュールからきている線を、配線します。
ＶＣＣ（プラス５Ｖ）、ＧＮＤ（０Ｖ）はArduinoの電源端子に、ＤＴ（データ線）は８番端子、ＳＣＫ（シリアルクロック）は９番端子です。
別に８番端子と９番端子以外でも良いのですが、ネットの情報に８番と９番を使う事が多いので、同じようにしました。
プログラムは、ＨＸ７１１モジュールから値を読み出すプログラムが、データーシートに記載されています。
アセンブリとＣの２つが記載されています。
今回は、Ａｒｄｕｉｎｏに移植するため、Ｃを参考にしました。
Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチに、移植したソースは、これです。
ロードセルからの信号を値にし、Ａｒｄｕｉｎｏのシリアルコンソール画面に表示します。
値は、ＨＸ７１１特有の値なので、ｇやｋｇではありません。
Ａｒｄｕｉｎｏに書き込み、重りを載せると、数字が変わるのが分かります。
プログラム１ Ａｒｄｕｉｎｏのシリアルコンソール画面に、値を出力するプログラム
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
pinMode(8, INPUT);
}
void loop() {
long atai=0;
for (char i = 0; i < 24; i++) {
digitalWrite(9, 1);
delayMicroseconds(1);
digitalWrite(9, 0);
delayMicroseconds(1);
atai = (atai << 1) | (digitalRead(8));
}
atai = atai ^ 0x800000;
Serial.println(atai);
delay(300);
} |
↑右上のコンソール画面の数字が、パラパラ変わります。
プログラム１では使い難いので、ｇ表示になるように追記したプログラムが、プログラム２です。
setupで、何も乗っていない時の値を１回だけ読み込みます。
重さを測定した結果は、omosa = ((atai - saisyo) / 1000) *2.2;の部分です。
測定結果ataiから、何ものっていない時の値saisyoをひいています。
さらにHX７１１特有の値は桁数が大きいので、1000で割っています。
2.2の部分は、ｇ換算している部分です。
ｇ換算にする式の求め方は、次のとおりです。
1ｋｇの重りを乗せた時、HX７１１特有の値を求めます。
求めたHX７１１特有の値が１ｋｇのため、
求めたHX７１１特有の値 × ｇ換算する係数 ＝ １ｋｇ
これを計算すると、
ｇ換算する係数＝２．２でした。
値の微調整は、
omosa = ((atai - saisyo) / 1000) *2.2;の式の中で行えば良いです。
プログラム２ ｇ表示にしたプログラム
long saisyo = 0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
pinMode(8, INPUT);
delay(300);
for (char i = 0; i < 24; i++) {
digitalWrite(9, 1);
delayMicroseconds(1);
digitalWrite(9, 0);
delayMicroseconds(1);
saisyo = (saisyo << 1) | (digitalRead(8));
}
saisyo = saisyo ^ 0x800000;
}
void loop() {
long atai = 0;
for (char i = 0; i < 24; i++) {
digitalWrite(9, 1);
delayMicroseconds(1);
digitalWrite(9, 0);
delayMicroseconds(1);
atai = (atai << 1) | (digitalRead(8));
}
atai = atai ^ 0x800000;
long omosa;
omosa = ((atai - saisyo) / 1000) *2.2; //saisyoは何も乗っていない時の出力の値、桁が大きいので1000で割っている
Serial.println(omosa);
delay(300);
} |
測定すると、次のようになりました。
何も乗せていない時は、Ａｒｄｕｉｎｏのシリアルコンソール画面は、０と表示されています。
５００ｇの鉛インゴットを乗せると、508と表示されます。
１０００ｇの鉛インゴットを乗せると、1011と表示されます。
まだ、誤差があります。
シビアな値を求めるには、まだ改善の余地がありますが、重さがかかった、かからないといった、デジタルセンサーとして使うなら、すぐに使えます。
今回、データシートを見てプログラムしていますが、ＡｒｄｕｉｎｏのＨＸ７１１ライブラリーが多く出回っています。
正確な測定をするなら、ライブラリーを使う事をお勧めします。
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Ａｒｄｕｉｎｏのシリアルコンソール画面
やや誤差があります。
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1000ｇのインゴットを乗せた所 |
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1011と表示されています。
最初の220と886は、重りを載せた直後の値です。 |
ちなみに台全体をを引っ張ると、マイナスの表示になります。
小数まで表示できるようにすると、次のようになります。
だんだんソースが長くなり、見にくくなってきました。
小数部分は、ロードセルの置く場所、電圧の状況、外部からのノイズ、内部の熱ノイズなど、色々な影響をうえているようで、パラパラ変動します。
小数まで正確に測るには、小さな値用のロードセルを購入したり、ロードセルの電圧を一定にするなど、対策が必要のようです。
プログラム３ 小数も表示できるようにしたプログラム
long saisyo = 0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(9, OUTPUT);
pinMode(8, INPUT);
delay(1000);
for (char i = 0; i < 24; i++) {
digitalWrite(9, 1);
delayMicroseconds(1);
digitalWrite(9, 0);
delayMicroseconds(1);
saisyo = (saisyo << 1) | (digitalRead(8));
}
saisyo = saisyo ^ 0x800000;
}
void loop() {
long atai = 0;
for (char i = 0; i < 24; i++) {
digitalWrite(9, 1);
delayMicroseconds(1);
digitalWrite(9, 0);
delayMicroseconds(1);
atai = (atai << 1) | (digitalRead(8));
}
atai = atai ^ 0x800000;
long omosa;
omosa = ((atai - saisyo) / 10) * 2.2;
Serial.print(omosa / 100); Serial.print(".");
long syousuu = ((atai - saisyo) / 10) * 2.2;
// Serial.println(syousuu);
byte a[4];
a[0] = (syousuu % 10); syousuu = syousuu / 10;
a[1] = (syousuu % 10); syousuu = syousuu / 10;
a[2] = (syousuu % 10); syousuu = syousuu / 10;
a[3] = (syousuu % 10);
Serial.print(a[1]); Serial.print(a[0]); Serial.println("g");
delay(500);
} |
ロードセルのようなアナログセンサーは、出力されるデータが、一般的に馴染みのない値２の補数で出力される事があります。
特に今回のように、重りをのせた場合（プラスの値）と、引っ張った場合（マイナスの値）を出力するため、ＨＸ７１１モジュールからは、２の補数として値が出力されます。
なぜ、２の補数として出力するかと言うと、現代のコンピューターは、基本的に０又は１を足し計算しているため、基本的に引き算の回路がありません。
ロードセルを引っ張った場合、マイナスの値を出力させますが、コンピュータはマイナスの概念がないので、マイナスの変わりに、２の補数を出力します。
【補数について】
補数は、コンピュータでマイナスを扱う時に使います。
コンピュータは、引き算の回路がないので、引き算をする場合やマイナスを表現する場合は、２の補数を使い処理します。
例えば、７−６＝１です。
６の補数は、補数の定義より、１０−６＝４なので、４です。
７＋６の補数 ＝ ７＋４ ＝ １１ です。
十の位の１を無視すると、一の位は１です。
７−６＝１ ですが、一の位は１と同じ値です。
このように、補数を使うと、足し算を使って、引き算が出来るようになります。
なぜ足し算が引き算になるかと言うと、たくさん足して桁をあげ、あがった位は無視し、下の位だけ考えているからです。
コンピュータが計算する箱の大きさが、８桁しか無い場合、９桁の位は保存できず、無視されてしまうからです。
ちなみに、７−６＝１で、６の補数は４でしたが、これは１０進法における補数です。
コンピュータは２進法なので、２の補数を使います。 |
【センサーから出力されるデータについて】
センサーから出力される値（アナログ値）は、大きく分けると５つの分類があります。
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SBC |
CSB |
OBC |
COB |
CTC |
＋フルスケール |
１１１１ |
００００ |
１１１１ |
００００ |
０１１１ |
２ |
００１０ |
０００１ |
１０１０ |
０１０１ |
００１０ |
１ |
０００１ |
００１０ |
１００１ |
０１１０ |
０００１ |
０ |
００００ |
１１１１ |
１０００ |
０１１１ |
００００ |
−１ |
− |
− |
０１１１ |
１０００ |
１１１１ |
−２ |
− |
− |
０１１０ |
１００１ |
１１１０ |
−フルスケール |
− |
− |
００００ |
１１１１ |
１０００ |
| |
コンプリメンタリ |
コンプリメンタリ |
２の補数 |
ＳＢＣ（ストレート・バイナリー・コード）
ＣＳＢ（コンプリメンタリ・ストレート・バイナリー・コード）
ＯＢＣ（オフセット・バイナリー・コード）
ＣＯＢ（コンプリメンタリ・オフセット・バイナリー・コード）
ＣＴＣ（コンプリメンタリ・２’Ｓ・コード）
※２進数表記です。
ＳＢＣは、単純な比例で出力されます。
ＣＳＢは、ＳＢＣの０と１を逆にしたものです。
ＯＢＣは、ＳＢＣとＣＳＢはマイナス表現が出来ないので、マイナス表現を可能にするために生まれました。
ビット数は増えますが、中央の０を基準にした考え方です。
ＣＯＢは、ＯＢＣの０と１を逆にしたものです。
ＣＴＣは、アナログ値の０と、基準の００００を合わせた考え方です。
ＯＢＣとＣＯＢでも良かったのでしょうが、合わせたほうがしっくりくるため合わせた考え方です。
２の補数を使って表現していて、結論だけ言えば、ＯＢＣのＭＳＢだけ反転したものです。
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【Ｃ言語（Ａｒｄｕｉｎｏ言語）の宣言について】
プログラムでは、定数や変数を使う場合、inｔやlongなどで、宣言します。
intを見てみると、int と unsigned int の２種類があります。
intは、符号付き整数型で、値の範囲は-32768から32767までです。
負の数は2の補数で表現し、最上位のビットは符号ビットともいわれ、１だとマイナス、０だとプラスを意味します。
unsigned intは、符号なし整数型で、負の数が扱えず、0から65535までの正の数だけを格納します。
unsigned intは符号なしのため、符号ビットの概念がありません。
その代わり、沢山の正の数が格納できます。 |
今回のロードセルは、人間にとっては、２の補数で出力されても分からないため、人が分かる単位、ｇやｋｇなどに変換する必要があります。
Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチで、atai = atai ^ 0x800000;の部分で、２の補数を符号付の整数にしています。
これでＯＢＣの状態になりました。
ataiは、longで定義しているので、符号ビット付きです。
そのため、Ａｒｄｕｉｎｏのコンソール画面では、符号ビット付きの場合は、マイナス表示に変換してくれます。
今回作ったロードセルのプログラムで、
ｇ換算は
omosa = ((atai - saisyo) / 1000) *2.2;の部分です。
omosaもlongで定義しているので、符号ビット付きです。
そのため、Ａｒｄｕｉｎｏのコンソール画面では、符号ビット付きの場合は、マイナス表示に変換してくれます。
まとめると、信号の流れは次のとおりになります。
ロードセルは、ひずみゲージの抵抗値を電圧に変換
↓
HX711で増幅し、２の補数で出力
↓
Ａｒｄｕｉｎｏのプログラムで２の補数を受信し、OBCへ変換
↓
Ａｒｄｕｉｎｏのプログラムで人が分かるｇに変更
↓
Ａｒｄｕｉｎｏのコンソール画面は、符号付きの場合はマイナスを表示
（2021年2月5日（金）作成）
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