{"id":1759,"date":"2022-02-24T22:22:45","date_gmt":"2022-02-24T21:22:45","guid":{"rendered":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/?p=1759"},"modified":"2024-11-17T23:25:24","modified_gmt":"2024-11-17T22:25:24","slug":"hx711-modul-fuer-waegezellen-an-raspberry-pi-anschliessen-und-einrichten","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cbrell.de\/blog\/hx711-modul-fuer-waegezellen-an-raspberry-pi-anschliessen-und-einrichten\/","title":{"rendered":"HX711 Modul f\u00fcr W\u00e4gezellen an Raspberry Pi anschlie\u00dfen und einrichten"},"content":{"rendered":"

Der Raspberry Pi als Waage z.B. f\u00fcr Bienenst\u00f6cke – das geht zumindest im Prinzip mit preiswerten W\u00e4gezellen und einem preiswerten AD-Wandler wie dem HX711 Modul. Der Beitrag beschreibt die Einrichtung und Programmierung des HX711 in Verbindung mit einem Raspberry Pi.<\/em><\/p>\n

Zur \u00dcbersicht \u00fcber die Raspberry Pi Projekte<\/a><\/p>\n

Zum W\u00e4gezellen-Beitrag (billige Einfachzellen aus Personenwaagen und deren Beschaltung). Hier geht es um das Zusammenschalten mehrerer Halbbr\u00fccken (1, 2 oder 4) zu einer Vollbr\u00fccke.<\/a><\/p>\n

Anmerkung vom 17.11.2024: Dieser Beitrag bezieht sich nicht auf die neueste Version des Raspberry-Betriebssystems. Beim Einsatz bitte im Vorfeld pr\u00fcfen, ob die Bibliotheken noch laufen. An den Anschl\u00fcssen sollte sich aber nichts \u00e4ndern.<\/p>\n

Anschlie\u00dfen des HX711 Moduls<\/h2>\n

Ein HX711-Modul auf der einen Seite Anschl\u00fcsse f\u00fcr den Raspberry Pi (VCC, DND, SCK und DATA). An VCC sollte eine stabile Spannung zwischen 2,7 und 5,5 Volt anliegen, bei einer geringen Stromaufnahme von 1,5 mA bietet sich der geregelte 3,3 V Anschluss des Raspberry Pi an. Auf der anderen Seite hat das HX711-Modul die analogen Anschl\u00fcsse f\u00fcr die W\u00e4gezelle(n), die mit Dehnungsmessstreifen in Br\u00fcckenschaltung und in Halbbr\u00fcckenschaltung best\u00fcckt sind.\u00a0 An den meist mit E+ und E- bezeichneten Anschl\u00fcssen kommt die Versorgung der Br\u00fcckenschaltung. An die Anschl\u00fcsse A+ und A- (manchmal auch S+ und S-) kommen die Ausg\u00e4nge der Messbr\u00fccke. Das Modul hat an diesen Eing\u00e4ngen eine hohe Differenzverst\u00e4rkung von 128 oder 64. Es gibt bei einigen Modulen auch Anschl\u00fcsse, die mit B+ und B- bezeichnet sind und die eine Differenzverst\u00e4rkung von 32 haben.<\/p>\n

Eine Beschaltung mit zwei Halbbr\u00fccken f\u00fcr Personenwaagen kann z.B. wie in Abb. 1 aussehen.<\/p>\n

— Abbildung wird noch erstellt<\/p>\n

Abb. 1: Beschaltung zwei Halbbr\u00fccken, HX711 Modul und Raspberry Pi<\/p>\n

Das W\u00e4gemodul kann z.B. \u00fcber eine kleines Breadboard und Jumperkabel an den Raspberry angeschlossen werden.<\/p>\n

+------------+------+-----+------+------+------+-----+\r\n| Sensor     |      |GPIO |Pin   |Pin   |GPIO  |     |\r\n+============+======+=====+======+======+======+=====+\r\n|Spannungsv. |3,3V  |     |   1  |   2  |      |5V.  |\r\n+------------+------+-----+------+------+------+-----+\r\n+------------+------+-----+------+------+------+-----+\r\n|Masse       |GND   |     |   9  |  10  |  15   |RXD |\r\n+------------+------+-----+------+------+-------+----+\r\n+------------+------+-----+------+------+-------+----+\r\n|HX711 DT    |GPCLK1|  5  |  29  |  30  |       |GND |\r\n+------------+------+-----+------+------+------------+\r\n|HX711 SK.   |GPCLK2|  6  |  31  |  32  |  12   |PWM0|\r\n+------------+------+-----+------+------+------------+\r\n\r\n<\/pre>\n
Abb. 2: Beschaltung der GPIO. Eine vollst\u00e4ndige \u00dcbersicht der GPIO gibt es hier.<\/a><\/p>\n
\u00dcber die Datenleitung DT und SK kommuniziert der Raspberry Pi mit dem Modul \u00fcber ein serielles Protokoll. Durch die Einbindung einer Bibliothek f\u00e4llt die Abfrage der Werte leicht.<\/p>\n
Bibliothek f\u00fcr das HX711 Modul installieren<\/h2>\n
Mehrere Personen stellen \u00fcber GitHub Bibliotheken f\u00fcr den HX711 bereit, z.B.<\/p>\n
https:\/\/github.com\/gandalf15\/HX711\/<\/a><\/p>\n
https:\/\/github.com\/tatobari\/hx711py<\/a><\/p>\n
Dieses Projekt arbeitet mit der Bibliothek von tatobari. Dazu klonen sie das Projekt auf den Raspberry (eine Beschreibung dazu finden Sie unter https:\/\/riptutorial.com\/git\/example\/818\/clone-a-repository<\/a>) mit dem Aufruf<\/p>\n
git clone https:\/\/github.com\/tatobari\/hx711py<\/pre>\n
Sie finden danach ein Verzeichnis hx711py. Wechseln Sie in das Verzeichnis und f\u00fchren setup aus<\/p>\n
cd hx711py\r\n\r\nsudo python setup.py install<\/pre>\n
M\u00f6gliche Probleme bei der Installation mit git und setup<\/h3>\n
Die folgenden Probleme k\u00f6nnen, m\u00fcssen aber nicht auftauchen.<\/p>\n
    \n
  1. Der Aufruf von git schl\u00e4gt fehl. In diesem Falle muss git \u00fcber die Paketverwaltung apt installiert werden wie beschrieben unter https:\/\/linuxize.com\/post\/how-to-install-git-on-raspberry-pi\/<\/a><\/li>\n
  2. Die Setup-Routine liefert eine Fehlermeldung: RuntimeError: Python version >= 3.7 required. Zur Vermeidung k\u00f6nnen Sie Python 3 installieren mit
    \n<\/span><\/p>\n
    sudo apt update<\/code>\r\nsudo apt install python3\r\nsudo apt upgrade\r\nsudo apt install python3-pip\r\npip3 install setuptools<\/code><\/pre>\n<\/li>\n
  3. Der Aufruf von setup.py schl\u00e4gt fehl. Das kann von der Historie des Raspberrys abh\u00e4ngen. Die Fehlerbehebung liegt dann in der Neuinstallation der setuptools beschrieben unter https:\/\/packaging.python.org\/tutorials\/installing-packages\/<\/a><\/li>\n<\/ol>\n
    Daten mit Python abfragen<\/span><\/p>\n
    Nach dem Herunterladen und Installieren des Repositories k\u00f6nnen Sie es im Verzeichnis hx711py ausprobieren mit<\/p>\n
    python example.py<\/pre>\n
    Wenn kein HX711 Modul angeschlossen ist, liefert das Programm Nullen, wenn ein HX711 Modul mit W\u00e4gezelle angeschlossen ist, Zahlen zwischen -300 und +300 im Falle, dass die Br\u00fccke einigerma\u00dfen ausgewogen ist. Sobald Sie eine Kraft auf die W\u00e4gezelle(n) aus\u00fcben, schnellen die Werte auf \u00fcber 300.000 oder -300.000. Wenn Sie die negativen Zahlen nicht m\u00f6gen, l\u00f6ten oder stecken Sie die Anschl\u00fcsse an A+ und A- um. Die o.g. Werte habe ich mit zwei zur Vollbr\u00fccke verschalteten preiswerten W\u00e4gemodule gemessen. Die W\u00e4gemodule trugen handschriftliche Notizen 1099 und 1098.<\/p>\n
    Die Zahlen sind nicht das Gewicht, sondern erst einmal nur 24 Bit Zahlen. Um mit der Wage etwas wiegen zu k\u00f6nnen, m\u00fcssen Sie sie kalibrieren , je nach Qualit\u00e4t des W\u00e4gemoduls, auch noch temperaturkompensieren.<\/p>\n
    Waage kalibrieren<\/h2>\n
    Das Kalibrieren funktioniert gut mit handels\u00fcblichen Milchpackungen im Tetrapak, Die Milchpackungen wiegern etwa 1.018 g. Nach ersten Experimenten konnte eine \u00fcberraschend gute Linearit\u00e4t auch beim Einsatz der billigen W\u00e4gezellen festgestellt werden.<\/p>\n
    Temperaturkompensation<\/h2>\n
    Die Temperaturkompensation ist f\u00fcr „gute“ W\u00e4gezellen nicht erforderlich und f\u00fcr billige Personenwaagen-Zellen vermutlich nicht erreichbar. In Labortests haben sich Residuen von \u00fcber 120g ergeben. Die Temperaturkompensation wird daher vorerst nicht weiter verfolgt.<\/p>\n
    Es schein allerdings m\u00f6glich, auch Waagen mit W\u00e4gezellen wie in preiswerten Personenwaagen so zu bauen, dass die Temperatur einen nur geringen Einfluss auf das Wiegeergebnis hat. Der Hersteller BeeConn verwendet solche Zellen, im Winter 2023 konnte ich ein Exemplar, das der Hersteller zur Verf\u00fcgung gestellt hat, ausgiebig testen.<\/p>\n
    Im Projekt Steel4Bees (http:\/\/steel4bees.de, Entwicklung und Marktvorbereitung einer innovativen preisg\u00fcnstigen Trachtwaage) werden f\u00fcr die MIni-Plus-Waage voraussichtlich auch die preisg\u00fcnstigen W\u00e4gezellen eingesetzt. Inwieweit die neue Geh\u00e4useform eine Temperaturkompensation er\u00fcbrigt, muss sich in Labormessungen noch herausstellen.<\/p>\n
    Alternativen zum Betrieb des Raspberry Pi mit dem HX711 Modul<\/h2>\n
    Seit der ersten Version dieses Beitrages\u00a0 hat sich der „Markt“ f\u00fcr Microcontroller stark vergr\u00f6\u00dfert. Von der Raspberry Pi Foundation ist ein Microcontoller auf Basis des Prozessors RP4020 hinzugekommen. Viele Projekte werden alternativ mit dem ESP8266 oder dem etwas leistungsst\u00e4rkeren ESP32 realisiert. Auch f\u00fcr den Arduino, der auf dem Controller Atmega328P basiert, gibt es viele gute Anleitungen, wie man eine Waage mit dem HX711 Modul bauen k\u00f6nnte.<\/p>\n
    Will man preiswert eine internet-f\u00e4hige Waage bauen, so bietet sich der Microcontroller ESP-D1-mini besonders an. Der ESP-D1-mini basiert auf dem ESP-8266 Controller, die Anschl\u00fcsse (GPIO) sind \u00fcber Steckleisten so herausgef\u00fchrt, dass alles auf einem kleinen Breadboard (Steckbrett f\u00fcr Elektronikschaltungen) Platz hat.<\/p>\n
    Anhang<\/h2>\n
    weitere Quellen<\/h3>\n
    Eine gute Quelle ist immer beelogger.<\/a><\/p>\n
    Auch beep.nl hat sich mittlerweile zu einem guten System entwickelt.<\/a><\/p>\n
    Hier geht es zum unboxing-Beitrag \u00fcber die BeeConn-Trachtwaage:\u00a0unboxing Bienenstockwaage BeeConn<\/a><\/p>\n
    Zum Vergleich geht es hier zum Beitrag \u00fcber die beehivemonitoring-Stockwaage: unboxing Bienenstockwage xs Gateway 2G Solar beehivemonitoring<\/a><\/p>\n
    Glossar<\/h3>\n
    HX711 Modul<\/h4>\n
    Das HX711 Modul ist eine kleine Breakout-Platine, wie es m\u00f6glich macht, eine analoge Widerstandsbr\u00fcckenschaltung an die digitalen Eing\u00e4nge eines Microcontrollers wie dem ESP8266 oder einem Klaiencomputer wie dem Raspberry Pi anzuschlie\u00dfen. Dazu beinhaltet der Chip HX711 einen Differenzverst\u00e4rker, eine Steuerung, um den Strom durch die Br\u00fcckenschaltung ein- und auszuschalten, und eine Regelschaltung, um die Spannung konstant zu halten. An einen Microcontroller wird das HX711-Modul mit GND, einer Datenleitung und einer Taktleitung angeschlossen. Die Aufl\u00f6sung des Moduls betr\u00e4gt 24 Bit. Der HX711 A\/D Wandler kann mit 2.6V bis 5.5V betrieben werden und ben\u00f6tigt weniger als 3mA, damit kann das Modul z.B an einen GPIO eines Microcontrollers angeschlossen werden.<\/p>\n
    Mikrocontroller<\/h4>\n
    Mikrocontroller sind leistungsf\u00e4hige, kompakte, programmierbare hochintegrierte digitale Schaltungen. Microcontroller enthalten einen Prozessor und alle ben\u00f6tigten Bausteine wie Speicher, Zeitgeber, digitale \/ analoge Ein- und Ausgabeger\u00e4te, usw. Alle Komponenten sind dabei auf einem Chip, deshalb bezeichnet man den Mikrocontroller auch als Ein-Chip-Mikrorechner (SoC). Beispiele f\u00fcr Microcontroller sind ESP8266, ESP32, Atmega328, Attiny84 (ein besonders einfacher und stromsparender Microcontroller), Raspberry Pico mit dem RP2040.<\/p>\n
    Ein Mikrocontroller hat folgende typische Eigenschaften: Er besitzt einen Programmspeicher (fr\u00fcher ROM, EPROM, EEPROM, heute FLASH) und einen Datenspeicher (RAM), eine Verarbeitungseinheit (CPU), (viele) digitale Eingabe- \/ Ausgabe- Ports (GPIO), oft analoge Eingabeports (ADC), einen oder mehrere Zeitgeber, Kommunikationsbausteine (COM, UART,\u2026), manchmal auch spezielle Bausteine f\u00fcr besondere Aufgaben,\u00a0 z.B. LCD-Treiber.<\/p>\n
    Microcontroller werden mit einer speziellen abgespeckten Python Variante oder mit einer C-\u00e4hnlichen Sprache mit der Arduino-IDE programmiert.<\/p>\n
    Raspberry Pi<\/h4>\n
    Raspberry Pi ist der Name einer Reihe von Einplatinencomputern, die von der Raspberry Pi Foundation hergestellt werden. Die Raspberry Pi Foundationeiner ist eine britischen Wohlfahrtsorganisation, die sich zum Ziel gesetzt hat, Menschen den Umgang mit Computern und den Zugang zur Computerausbildung zu erleichtern. Insbesondere Schulen, auch in Entwicklungsl\u00e4ndern, setzen auf den Raspberry Pi als „Einsteigercomputer“.<\/p>\n
    Der Raspberry Pi kam 2012 auf den Markt und wurde seitdem in mehreren Versionen und Varianten ver\u00f6ffentlicht. Der urspr\u00fcngliche Pi hatte eine Single-Core-CPU mit 700 MHz und nur 256 MB RAM. Das neuere Modell hat eine Quad-Core-CPU mit \u00fcber 1,5 GHz und 4 GB RAM. Der Preis f\u00fcr z. B. den\u00a0 Raspberry Pi Zero liegt bei unter 15\u20ac.\u00a0Der Raspberry Pi ist somit ein sehr preiswerter Computer.<\/p>\n
    Auf dem Raspberry l\u00e4uft ein speziell angepasstes Linux. Er bietet auch eine Reihe von digitalen Anschl\u00fcssen zum Experimentieren, die GPIO-Pins (General Purpose Input\/Output). Damin k\u00f6nnen Sie elektronische Komponenten f\u00fcr Physical Computing steuern und das Internet der Dinge (IoT)<\/a> erkunden.<\/p>\n
    Die Standard-Programmiersprache f\u00fcr Experimente mit dem Raspberry Pi ist Phyton.<\/p>\n
     <\/p>\n
    <\/p>\n
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