【12月29日】ロードセル<変換モジュールHX711代替えアンプ探し>

=>HX711でハマっているのは自分だけだと思っていたら、毎月数百から千人のお客様が本記事に来訪されてます。多分、HX711を初めて使う方とか作り始めてトラブった方が多いのではないかと思います。
ということで、お勧めするわけにはいかないので、代替えアンプのご紹介記事と改編させていただきました。
=>HX711の仕様上の難点を逃げる方法を教えてくれるブログが複数ありますが、手間をかけて完成させた結果数十Hzで安定動作させたとしても、数十Hzだと完全な静止状態の荷重しか測定できませんので、いろいろな力測定に使えませんので 将来性が無いデバイスを使い続けることになり、あなたのテーマの将来性が閉じられてしまいます。あなたの電子工作活動を発展させるために、電子工作中級者になるチャンスなので、時間と手間をかけて 代替えアンプへトライするのが正解です
代替えアンプは、電子工作中級者向けですが、(TSSOPチップの半田付け、IFプログラムで時間と手間がかかりまますが、苦労して完成したときの喜びと自信が得られます。初めてだと約1か月集中が必要です。)
電子工作初心者の方は、1か月くらい時間をかけて学習しながら進めてみてください。
HX711は、仕様上どうしようもない課題があるので、他のアンプを使うのが正しい選択だと思います。

★DIY用でひずみゲージアンプにいいものがない点で、自作ユーザー様が大変困る機会が多いみたいです。
そこで、HX711に代わるアンプを探す活動を継続的に続けてます。
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※2022年4月22日更新 新アンプ見つけた
世情影響で中国離れして欧米系デバイスを使うようにしてます。Roboshopという米国ショップの日本法人が徳島にあって日本では珍しいデバイス大量に在庫してます。その中でひずみゲージアンプモジュールがありました。4CHですが、最高240Hzというから1CHでは240Hz、4CHなら60Hzくらいで遅いチップですが、動作は、Arduinoライブラリーで簡単にできそうです(確認してませんが)
性能はそこそこでいいけど、電子工作にあまり手間をかけたくない方向きだと思います。国内発送で送料込み2千円前後で買えます。データシートはこちら
MCP3424 4チャネル 18ビット A / Dコンバータ、プログラマブルゲイン付き
私は、このアンプ購入してないので、間違いないかは保障しかねますが、Roboshopさんなら大丈夫だと思います。

●2017年初めて使ったときのお話し
7CHにして自作6分力センサに使ってましたが、
速度が遅い点と、動作の不安定さがあって(MFT会場に持ち込んだら動作しなくなった)2019年以降は使ってません。
不安定さは、インターフェース周りで、SIOは、特にノイズを食らいやすいです。SPIでも配線次第でうごきません。
特に素人配線だと、なにがなんだかわからなくなるので、HX711は、なんちゃって用途でデータが嘘でも笑ってすませられる用途で
使うのが無難だと感じてます。
●電子工作用で丁度良いひずみゲージアンプが無い課題(加速度センサみたいに誰でも使えない)
電子工作用のひずみゲージ用アンプでちょうどいいのが無いのが2020年までの電子工作業界の現状で性能品質コストのバランスがとれた安心して使えるひずみゲージ用アンプが無いです。
HX711のキットを秋月でも採用しているのですが、秋月の特徴として、利益が最優先なので、仕入れが安くてちょっと性能が落ちた旧モデル製品が多いです。HX711も仕入れが安い点で秋月にはピッタリですが、いかんせんSIOインターフェースの不安定さは秋月版でも同様に発生しますので、サンプリングも超遅いので、私も一回使ってやめました。
秋月では、他にデジタルのひずみアンプの扱いはありません。
別件ですが、STMのマイコンでもNucleo L432KCは、高性能でベストパフォーマンスなのですが、秋月では扱いがありません。

●高性能ひずみゲージアンプを海外通販から購入してます。
当サイトは非営利で運営してますアフィリエート等一切やってませんので購入先案内はユーザーサイドです)
【1度でも高性能Σデルタ型アンプを使うとHX711には2度と戻れなくなるほど大差があります】
イメージとしては、オーディオの世界と同じで超低ノイズの音質と忠実性に触れると他は使えなくなると同じです。
※Σデルタ型ADCに感激した話し
特に、私のように自作のロードセルを作るとゲインが小さくて、極微小な電圧出力しかでない場合が多いのですが、Σデルタ
型ADCなら、微小な信号を超低ノイズで増幅してくれますので、他のアンプではノイズに埋もれて見えない波形がきれいに見えるので、初めて触ったときは、感激しました。

★0.65mmピッチTSSOPチップを購入しても半田付けの作業がありますが、これも慣れれば普通にできるようになります。これができるようになると電子工作の世界が拡がりますので、そんなに大変ではないので、お勧めです。
YOUTUBEで人気の半田付け動画をご覧ください。https://youtu.be/v9a0DA1o51E
私のやり方:TSSOPの半田付け練習<何とかできそう>

①アナログデバイスの高性能アンプ(Σデルタ型)
CHIPONESTOPとかMOUSERとかDigi-Keyですが、在庫が米国にある場合が多いのでDHLで送料2千円+税金と高価になります。
CHIPONESTOPでは、国内在庫がある場合は、通常の送料で購入できるので、米国通販よりお得になります。
1個千円台のアナログデバイス社のTSSOPチップを半田付けして、SPIのプログラムを作る以外にないのが2020年までの現状です。私はメインでAD7193を使ってます。
アナログデバイス社のADCチップのセレクションガイドを使ってチップを選んだ時の備忘録

②手軽さならTIのADC ADS122U04がお勧めです。
東南アジアに在庫があるので、送料が730円程度と安いです。アナログデバイス社より全体的に安い価格設定です。2021年夏に初めて使って、Σデルタ型ADS122U04を2個購入しましたが、1個8ドル台で送料込みで総額2千円ちょっとでした。
上記アナログデバイス社のアンプだと送料込みで1個2千円台の高額になるのですが、TIだと千円台前半まで下がります。
シリアルIFで接続できる楽ちん接続のTI製ADCチップADS122U04の動作実験しました。

【M5】M5Atomと2CHひずみゲージアンプADS122U04基板作った<小さな2CHひずみアンプ>

【M5】M5Atomと2CHひずみゲージアンプADS122U04基板作った<小さな2CHひずみアンプ>

【ひずみゲージアンプ】ADS122U04の動作その1<UARTで楽ちん動作>

 

※本記事は、2016年年末の記事で、HX711静的測定(10Hz以下)ならできたのですが、動的測定で、しかも自作ロードセルのゲインばらつきをカバーするに超低ノイズのひずみゲージブリッジ用のICが必要になったので、現在はアナログデバイス社のAD7193,AD7194をメインで使ってます。アナログICのLT1167は、ゲインとノイズ精度がさほど必要でない用途で使ってます。
※HX711のコストが安い点が最大のメリットですが、品質面で不安定さがあって、信州MAKERSでは、下記2種類のICでしのいでますが、これで満足しているわけではなく、機会あるごとにDIYにぴったりのICチップを探してます。
以後4年間のひずみ計測経験から下記になってますので、最近の記事を参考にしてください。

※HX711の不安定動作については、プロの方の解説記事がありました。感謝です。

=>ひずみゲージアンプはアナログとデジタルがあります。

■1案:LT1167等アナログ計装アンプをひずみゲージブリッジに接続して低ノイズ電圧信号をマイコンのAD変換ピンに入力して、ブリッジ電圧値を得る。
解説記事:計装アンプLT1167
●メリット:

・マイコンプログラムが簡単で確実な電圧信号が得られるので初心者には、この方法が一番確実です。
・アナログ信号なので、高速ですので数KHzオーダーまで計測できます。

●デメリット:

・アンプ回路の出来次第でノイズを食らうことがある。

 

■2案:デジタル(アンプ付ADC)(AD7193,AD7194等)を接続してマイコンには、SPIインターフェース接続する。

●メリット:
・超低ノイズ、高分解能のひずみデータが、デジタルIF経由で得られる。
・ゲインの小さいひずみゲージブリッジでもノイズが低いので微小ひずみデータが得られる。

●デメリット:
・サンプリング周期が遅い
=>フィルタとデータを転送する時間で6CHで100Hz~1Chで500Hzまで)
 ・数ページに及ぶ英文仕様を理解してプログラムする手間がある
SPIインターフェースをいじった経験が必要で、SPIの配線ノイズを食らうことがある。
▼HX711は、信頼性と安定性で保証がないので推奨しません。
解説記事:HX711
<HX711仕様書にはない、謎の信号があってそれがノイズと間違ってエラーになるらしい>
インターフェースのプログラムでライブラリーが走ればよいが、
ライブラリーでこけると自前でプログラム作るはめになる。
オシロを眺めながら、信号に合わせてDELAYを入れながら動作を評価する作業が必要となります。
HX711は、中華ICなので、品質保証がない分、格安ですが、動作怪しいです。
きちんとした計測をしたいなら下記記事で扱っているアナログデバイス社の
保証とサポートされたADCチップを使われたほうがよいです。
私は2019年からHX711使ってません。

■本記事は2016年末の記事ですが、2019年3月現在ではhx711を卒業して、より高性能なひずみゲージ用ADCチップに移行しております。
HX711は、ちょっとひずみゲージをいじってみるだけなら手軽でいいですが、多CHを正確に測定したいとかになると下記のアナログデバイス社製のきちんとしたひずみゲージ用ADCがお勧めです。

=>6ch以上でひずみゲージブリッジで信頼性ある測定目的の方はhx711は、ノイズ等課題が多いため、ANALOG DEVICE社製のΣデルタ型の高精度高信頼性AD7194チップを使うことをお勧めします。

評価ボードは7千円と高いのですが、チップ単体だと1700円くらいですので、8CHのひずみゲージアンプとしてはHX711より安く上がるはずです。しかし、LFCSPというパッケージで半田付が難しいですので半田するかリフロー炉でやるかとなります。
2020年からはAD7194 EVALボード以外にAD7193を多用してます。

●2019年からは、普段は、4chのAD7193を使ってます。
AD7194,7193を使い始めると低ノイズ・精度・分解能・安定性がよくて、とてもHX711には戻れません。初期のひずみゲージ遊びならHX711でいいですが自作で多分力センサを作るなら、アンプの性能の良いものを使えば、自作センサがゲイン不足でも高精度でカバーしてくれます。

【MFT2019】AD7193_TSSOP_4CH動作OK<3日かかった>

 

HX711仕様は、
https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/ForceFlex/hx711_english.pdfAITENDOでも売ってました
http://www.aitendo.com/product/9727

使い方は、 こちらのサイトで丁寧に説明されてますが、Arduinoです。
https://lowreal.net/2016/12/25/1

米国のSparkFunが元みたいです。
https://learn.sparkfun.com/tutorials/load-cell-amplifier-hx711-breakout-hookup-guide

動作としては、24bitのAD変換の出力をSIOインターフェースでだしているみたいです。クロックとデータの2本でてますが、UARTでもなければi2cでもSPIでもないのですが、Mbedライブラリーに何個かHX711の
ライブラリーが載ってますので、それで動けばラッキーです。
https://developer.mbed.org/users/megrootens/code/HX711/docs/tip/classHx711.html通常のデジタルポート2個使うだけなので、複数個のロードセルで使えると便利です。帰ってUART仕様だったら最大3個しかつかえなくなるのでSIO仕様というのもいい手だと思います。

※2020年9月追記
 本記事老朽化しているのですが、多くのVisitor様がご来訪いただいているようです。私はHX711は既に使ってないのですが、初心者様には、手頃でいいので、なんとか安定して使える手段はないかと思って再度検索してみると
プロの方のサイトココアシステム様がHX711の動作不良を解説されたページがありました。仕様書にはない謎の信号がでるそうです。こうなると素人向けのADCとしては難しくなるので、この辺は、販売されている業者さんに問い合わせされるのがいいと思います。秋月では、2019年に説明書を改定してますが、10PPSと従来より更に遅いサンプリングにして、安定動作を確保しているみたいです。謎の信号については、公表できないための対策だと思います。
結論は、HX711は、超低速でしかできないということです。
不安定動作は、秋月のキットでも発生したことがあるので、危ないです。
ココアシステム様には、苦労されて解析された貴重な知見を公開されたことに感謝です。

ひずみゲージADC HX711 のナゾシグナル

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●うんともすんとも信号が掴まらない
=>初めはこんなもんでした。後日ノイズが非常に出やすかったのが原因でした。

オシロで一瞬だけクロックがとらえられたのです、どうも再現しません、クロックがつかまらなければ回路が悪いのかセンサが悪いのか
なにがなんだかわからないので、HX711が使えるかどうかまだ不明です。何か、経時変化がありあそうで、電源ONから数分すると様子が変わります。

●当面は、手持ちのオペアンプでロードセル実験をしていきますが
HX711も合間合間でいじってみます。


※半年後の追伸:
その後接続達成できて、現在では、7Ch同時稼働してます。その記事は、下記リンクでご覧下さい。
ポイントは、SIOの干渉ノイズですので、干渉ノイズは、CPU基板と数cm離した場合は干渉ノイズでHX711が正常に稼働しなくなります。ですので、HX711は、CPU基板の最も近い位置に配置して、SIO線を最短でCPUポートに接続することが重要です。最終形は、ここのページです。

【6分力計】1号機も基板作り直し<安定増した>

もう一つのポイントは、ロードセルとの接続です。ブレッドボードでロードセルでつないだりしたら駄目です。ロードセルの変化が微妙なので、ブレッドボード接触では電圧がみだれます。半田付けするか、ターミナルブロックでネジ締め固定してください。

※2021年6月追記 「信州MAKERSは、人間のスポーツ動作のIOT用途で力を測定してますので、動的な力を扱うのでHX711は使ってません」
HX711が使えない説明ばかりでなく、私が何とか使えた事例をご紹介いたします。「静的荷重の測定なら使えます」ちょっとでも動的な力が入ると測定値は、うそになってしまいますので、イメージとして一定荷重状態が1秒以上続く場合測定できます。人間の動作だと最低250Hz程度のサンプリングは必要です。

6分力センサの2017年の初期モデルで地球儀を棒で押して緯度経度をセンシングする作品を作りましたが、この用途だと荷重を上手に止めないと正確な値がでませんでした。この用途以降は、自転車の踏力測定しようとしましたが動的荷重なので失敗しました。

※この記事は2016年年末ですが、ほぼ3年後の現在は、空気のように6CHでHX711を使ってます。
基本的な学習をしておいたほうがいいと思って下記記事をまとめてあります。
6つのロードセルとHX711を使った6分力計の作り方は
以下の基礎学習を読んでから始めると効率がよく応用がきくと存じます。

【PMD2018】基礎学習2回目<HX711とロードセル接続>

【PMD2018】基礎学習1回目<オペアンプと計装アンプの違い>

旧6分力計の作り方はあまり参考にはなりません。

【6分力計】6分力計作り方まとめました

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