ロードセルを使った簡易スケールの製作

これまで、重さを測定する秤（キッチンスケールとか、体重計とか）の仕組みを考えた事もなかったけれど、ひょんな事から、「重さを量ってパソコンで処理する」という必要性が出てきたので、ちょっとためしてみることにした。

ロードセルには、いろんなタイプがあるが、今回の目的に最適な条件としては、

• 厚さ（高さ）を要しない事
• 測定範囲は、最大でも10kg程度
• 精度は数グラム程度でOK
• 対象物を置く面積は、そこそこ広い
• 高価なセンサーはNG
• 簡単にArduinoへ接続出来ること

【ロードセルの色々】

1		中央部にかかる圧力で重さを計測するタイプ。
2		中央部で測定できるからバランスは良いが、高さが高くなる
3		安価 いろんな重さ範囲の商品あり。
4		ハーフブリッジタイプ。フルブリッジにするには2個必要。 薄く出来て、かつ4個使えば広い面積を安定して測定するのに良いが、10kg程度に丁度よい物が見つからない。体重計等で4個使う用途が多い。（50kgタイプ x 4とか）

これらの条件を考えて、今回は3のタイプで10kgのフル・ブリッジ・ロード・セルを使うことにした。(link)

【結線】

フルブリッジのロードセルは、こんな感じの配線になっていて、バーの上下に搭載された歪センサーが、重みによる歪みで抵抗値が変わり、その上下のバランス（差分）を読み取ることにより重さを測定するという仕組み・・・らしい。（今回知った・・・）

抵抗値の変化は非常に小さいので、Arduinoで簡単に使うため、アンプ＋ADコンバーターが一体になったモジュール（HX711モジュール）を使うことにした。（このサイトを参考にさせて頂きました）

今回購入して使用したロードセルと、HX711モジュールはこちら。

ロードセル	HX711モジュール

ロードセルの仕様どおり、赤：E+、黒：E-、緑：A+、白：A- と接続し、Arduinoとは、Dataを “8”, CLKを “6”に接続した。（基板製作記事で作った基板で、MAX6675用にヘッダーを出してあるので、それを活用した）

仕様通りに配線して、HX711からのデータを試しに読んでみると、何故か数値が全部マイナスで出てきてしまった。　何度もデータシートや、WEBの記事を参考にしながら確認したけれど、自分の接続や、ロードセルの矢印の向きは正しいように思うので、「きっと、ロードセルの矢印シールの貼り間違えだろう！！」と勝手に解釈して、ロードセルの上下を逆にして取り付ける事により解決させた・・・（強引・・・）

【ケース加工他】

手元にあったケースを利用して、ロードセルを固定してみた。ロードセルのメカ仕様を見ると、下部固定用のネジはM5、上部固定用のネジはM4となっているので、それに合わせたサイズのスペーサーを間にはさんで、取り付ける形にした。

ベース部分の上に、スペーサーを介して、M5のネジでロードセルを固定。
ベース部分の中でHX711（高速化済み）と配線。
天板を外した全体像
天板をM4ネジ二本で固定した。本当は「皿ネジ」で固定すべきだが、手元に無いので・・。

【ソフトウエア製作編】

まずは、GtiHubのページから、HX711ライブラリのZIPファイルをダウンロードして、ArduinoのIDEにインストールした。

例を真似しながら、読んでみたら簡単にデータが取れた・・・。

もちろん、読み取った数値は、「グラム」とかの単位とは全く関係ない大きな数値で、かつ、大きくばらついているが、HX711のADC解像度は24bitもあるから、まぁ当然でしょう。今回の目的では、もともとそんなに精度を必要としていない。

グラムの数値として読めるようにするための方法がGtiHubに次のように書いてあったのでそれに従った。

1. Call set_scale() with no parameter.
2. Call tare() with no parameter.
3. Place a known weight on the scale and call get_units(10).
4. Divide the result in step 3 to your known weight. You should get about the parameter you need to pass to set_scale.
5. Adjust the parameter in step 4 until you get an accurate reading.

訳せば、

1. set_scale() 関数を引数無しで呼ぶ
2. tare() 関数を引数無しで呼ぶ・・・これで、現在の値がゼロになる。
3. 重さのわかっている物を載せて、get_units(10)を呼ぶ。（10回平均）
4. 3のステップの読み取り値を、その重りの重さで割った数値が、set_scale()関数にセットすべき数値になる。
5. 正しい数値が読めるまで、4の数値を修正する。

という事。これに従ってやろうとしたが、さて、「重さのわかっている物」が手元に無いこと」に気がついた。適当に、500mlの水の入ったペットボトル、とか試してみたがすっきりしない。そこで、「そうだ、コインがあるじゃないか・・・」と思い立ち、日本の各コインの重さを調べてから、基準の重さとして使ってみることにした。

日本のコインの重さは、このページを参考にさせていただいた。

【キャリブレーション】

起動時のゼロ点リセットと、データの平均化、LCDモジュールへの結果出力も追加して、とりあえず、現時点でのコードは、以下の通り。（ただし、次項に記載した、サンプリングの高速化加工をしたHX711を使った時のコード。購入時のデフォルト、10SPSのままでこのコードを走らせると、反応がとても遅いです。起動に30秒くらいかかる。）

【サンプリング周期の高速化】

HX711のモジュールの設計では、HX711のPIN15(RATE)は、基板上でGNDに接続されているが、このピンを、”H”に設定することにより、簡単にHX711のサンプリングレートを、10SPSから、80SPSへ上げる事が出来る。（データシートの2ページ参照)　80SPSにすることに寄り、測定精度等への副作用があるのか？という心配はあるが、データシートをパラパラッと見たところによると、そういう記載は見つからないので、とりあえずOKとしておく。

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今回のプロジェクトでは、消費電力を気にしない。　ADCのノイズを減らすためには、なるべく多くのデータを平均したほうが良いという考えから、このピンをHにして、80 SPSで使う事にした。ただ、残念ながらこのピンは前述のように、基板上でGNDに接続されており、かつその配線パターンがICの下側で接続されているため、パターンカットで修正することは難しい。

仕方が無いので、このピンを浮かせて、空中配線でVDDへ接続する方法を取った。先端の細いツールを使って、PIN16と PIN15の両方を浮かせ、この2つのピンを接続して、VDDへ接続することによって実現した。（写真では見づらいが、PIN15とPIN16とC6のVDD側が細い単線で繋いである）

8倍のサンプリングレート高速化は、価値あり・・と思う。

【スペーサーについて】

スペーサーの選定は、結構頭を悩ませた。　アメリカでは、相変わらずインチが標準単位として使われているが、ネジや、スペーサー、ナットのサイズ等をメートル法のネジ規格と比較する際、とてもわかりにくい（たとえば、M5のネジに最適な大きさの穴を持つスペーサーを探す時の比較とか）

M4ネジ用のスペーサーとして、ナットを使うとした場合、どのサイズが良いのか？と考えると、4.5mm程度の外形のネジのナットを探すとすると、#9か #10が適している事になる。M5ネジ用のスペーサーとしてのナットを探すと、#12用のナットが最適と思われる。

それで、近くのホームセンターのネジコーナーへ行くと、すべての#は無く、#10ネジの次に太いネジは、1/4ネジとある・・・。　とりあえず、これを使ったら用は足したが、わかりにくい・・・・。

ナットを使わず、ちゃんとしたアルミスペーサーをアマゾンで探してみると、また難しい。

1. #8 Screw Size, 5/16″ OD, 0.166″ ID, 3/16″ Length
2. #12 Screw Size, 3/8″ OD, 0.218″ ID, 3/16″ Length

ODと、Lengthが分数表記なのに、何故、IDだけは小数表記なのか？ 0.218”は、7/32”で、0.166”は・・・・。　全部、mmに変換しないと、とても僕には比較できないが、アメリカ人は、よくこれでやっているなぁ・・・と感心しますわ。

で、実際にこの2つのスペーサーを買ってみると、現物の表記はまたこれとは違い、

1. 8×3/16 #5/16
2. 12×3/16 #3/8

となっている。IDは結局内径だから、ネジ番号(#8とか#12とか）を指定すれば自明ということか。わかりにくい・・・。

【課題】

今回、とりあえず、簡単に測定できる秤は出来たが、色々と満足できない課題が残っている。

• ゼロ点リセット直後でも、測定結果がフラフラしている（0gと、マイナス0gを行ったり来たり）
• 時間の経過と共に、何も重さを加えていなくても、ゼロ点がずれていく（最大5グラム程度）
• 周辺の温度が変化すると、ゼロ点の調整がずれる。（最大5グラム程度）