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Vorüberlegungen um Bienenwaage zu bauen mit RPi

Hallo Welt,

schon seit einiger Zeit will ich dieses Projekt realisieren, jetzt habe ich alle Materialien zusammen und lege los.

  • Raspbeery Pi B 2.0
  • MCP3424  (ADC für Wägezelle)
  • einige Widerstände, Kondensatoren und ein Board um die Schaltung aufzubauen

Wägezellen http://de.wikipedia.org/wiki/Wägezelle sind Kraftaufnehmer, die vorallem zum wiegen eingesetzt werden und einen grossen Messbereich abdecken bis zu einigen Tonnen (Kraftfahrzeugwaagen). Diese Zellen besitzen einen „Dehnungsmessstreifen“
http://de.wikipedia.org/wiki/Dehnungsmessstreifen
, der die elastische Verformung der Zelle erfasst und in ein elektrisches Signal umsetzt.

Hier die Wägezelle, die ich über Ebay aus China für 18 Euro (inclusive Transportkosten) bekommen habe:

Wägezelle-YZC-516

Die Wägezelle YZC-516 hat eine maximale Kapazität von 50 kg. Hier der Auszug aus dem Datenblatt:

Datenblatt-YZC-516
Gehe ich von 5 Volt Anregespannung aus (über RPi geliefert), ergibt sich folgende Empfindlichkeit:

5 * 1,998 mV/50kg = 0,2 mV / kg

Die Genauigkeit der Waage wird angegeben mit 0.02%F.S. (Full Scale), also 0.02% von 50kg ergibt 10 g.

Wenn die Waage also auf 10g genau messen soll, muss die Apparatur in der Lage sein, 2 µV genau zu messen.  Eine solche Spannung genau und ohne Schwankungen zu messen, benötigt man einen ADC (Analog-Digital-Converter) der am besten einen Vorverstärker besitzt, deshalb fällt meine Wahl auf den MCP3424 von Microchip.

Auszug aus dem MCP3424 Datenblatt:

„The MCP3424 is a four channel low-noise, high accuracy delta-sigma A/D converter with differential inputs and up to 18 bits of resolution. The on-board precision 2.048V reference voltage enables an input range of ±2.048V differentially. The device uses a two-wire I2C™ compatible serial interface and operates from a single power supply ranging from 2.7V to 5.5V. The MCP3424 device performs conversions at rates of 3.75, 15, 60 or 240 samples per second depending on user controllable configuration bit settings using the two-wire I2C™ compatible serial interface. The I2C™ address is user configurable with two address selection pins. This device has an onboard programmable gain amplifier (PGA). User can select the PGA gain of x1, x2, x4, or x8 before the analog-to-digital conversion takes place. This allows the MCP3424 device to convert a smaller input signal with high resolution. The device has two conversion modes: (a) Continuous mode and (b) One-Shot mode. In One-Shot mode, the device enters a low current standby mode automatically after one conversion. This reduces current consumption greatly during idle periods. The MCP3424 device can be used for various high accuracy analog-to-digital data conversion applications where ease of use, low power consumption and small footprint are major considerations.“

Screen Shot 2014-09-12 at 4.01.43 PM

Der MCP3424 von Microchip hat bei Gain=8 einen Fullscale Input von 2.048V/8= 256 mV. Um 2 µV zu messen, müsste man also 256 mV / 2 µV = 128k Skala messen können. Bei einer geringen Samplerate von 1 SPS (also 1 Messwert pro Sekunde) stehen 18 Bits zur Verfügung, das ergibt einen Coderange von 131k bis -131k (siehe Datenblatt). Sollte also auch passen.
Die Angabe im Datenblatt des ADC bei 18 Bits ist angegeben zu 15,625 µV (LSB Least Significant Bit). Der Output Noise des ADC ist angegeben mit 1.5 µV.

Wichtig zu wissen für die Bienenwaage, der absolute Wert ist nicht so wichtig, +- 0.5 kg ist genau genug. Aber die relative Änderung ist wichtig. Trägt das Bienenvolk Honig ein, nimmt die Beute ca 100-300 g pro Tag zu, und diese Zunahme, oder auch Abnahme zeigt dem Imker, wie es um die Bienen bestellt ist.

Also, Papieranalyse sieht gut aus, es sollte klappen wenn ich alles berücksichtigt habe.

Um die Apparatur empfindlicher zu machen, könnte ich mehrere Wägezellen einsezten und damit empfindlichere Modelle zu nutzen.

Im Datenblatt ist folgende Schaltung vorgeschlagen:

Screen Shot 2014-09-12 at 4.04.10 PM

Kurz zur Erklärung der Kondensatoren und Widerstände.  Der 0.1 µF Keramik Kondensator ist dafür da, hohe Frequenzen auf der Schaltung abzuschwächen und parallel dazu der 10µF Tantalum Kondensator um mögliches Spike-Rauschen zu unterdrücken. Die beiden 5kOhm Widerstände sind sogenannte „Pull-up“ Widerstände, die eine Signalleitung mit dem höheren Spannungspotential verbindet. Durch diese hochohmigen Widerstände (1-10kOhm) wird die Leitung auf höhere Potential gebracht, für den Fall das kein Ausgang die Leitung aktiv auf ein niedrigeres Potential bringt.