Realizzazione bilancia elettronica con sensore di peso a cella di carico

Introduzione

Le celle di carico sfruttano la proprietà di alcuni materiali che cambiano la propria resistenza elettrica quando sono sottoposti a compressione e trazione che ne determinano la deformazione elastica. Le più comuni celle di carico disponibili in commercio hanno la forma di una barretta metallica indebolita con dei fori praticati nella parte centrale per favorire la deformazione (Figura 1).

Nel loro utilizzo tipico le celle vengono bloccate ad una estremita e il peso applicato all’estremità opposta. Al centro della barretta, sulle facce superiore ed inferiore rispetto ai fori, sono inseriti degli estensimetri che possono essere assimilati ad elementi resistivi che cambiano le proprie caratteristiche elettriche in funzione del livello di deformazione (estensione o compressione) cui sono sottoposti (Figura 2).

Figura 2. Cella di carico a riposo e sotto carico

Tali elementi sono collegati fra di loro a formare un ponte di Wheatstone (Figura 3). Il ponte viene eccitato con una tensione di ingresso (Vex), ed è in grado di generare un segnale elettrico di uscita (Vo) proporzionale allo sbilanciamento di valore resistivo tra gli elementi A-C e B-D. A riposo tutti gli elementi presentano lo stesso valore resistivo, il ponte risulta bilanciato e la tensione di uscita è nulla. Sotto carico i valori delle resistenze cambiano e conseguentemente il valore della tensione di uscita risulta essere proporzionale al carico applicato.

Per campionare in modo adeguato il segnale elettrico di uscita si può utilizzare il circuito integrato già predisposto per questo tipo di applicazione. Si tratta dell’HX711 (rif. [1]) il cui schema a blocchi è riportato di seguito:

Figura 4. Schema a blocchi dell’integrato HX711

Il segnale elettrico di uscita della cella di carico (ponte di Wheatstone) viene inviato ad uno dei due canali di ingresso dell’HX711 (la selezione del canale è fatta attraverso un multiplexer posto all’ingresso). Successivamente viene amplificato da un amplificatore operazionale a guadagno regolabile (32, 64 o 128) e infine campionato mediante un convertitore analogico digitale (ADC) a 24bit. Per leggere il valore campionato, l’HX711 mette a disposizione una interfaccia seriale controllata da un segnale di clock. Sui fronti crescenti del segnale di clock (PD_SCK) vengono messi a disposizione sul pin D_OUT uno dopo l’altro i 24 bit del valore campionato. Esistono diverse librerie per Arduino ed altri microcontrollori per l’interfacciamento con questo componente.

La bilancia

Gli elementi di base della bilancia sono i piatti. Entrambi i piatti sono realizzati da barre di alluminio serrate agli estremi da profili angolari:

Gli elementi di alluminio sono tenuti insieme da rivetti di acciaio. Il piatto inferiore è utilizzato come base di sostegno della bilancia mentre il piatto superiore per sostenere il carico da misurare. La cella di carico è inserita a “sandwitch” fra due piatti e ancorata alle barre centrali del piatto inferiore ad un estremo e del piatto superiore all’altro estremo: