C. Hackeando uma Balança Digital

Neste apêndice estamos compartilhando as atividades para utilizar a célula de carga (load cell) de uma balança digital doméstica.

Figura C.1. Foi utilizada uma balança de cozinha (Made in China) com capacidade para 5Kg.

Foi utilizada uma balança de cozinha (Made in China) com capacidade para 5Kg.

Figura C.2. Circuito montado na protoboard para os testes com a célula de carga.

Circuito montado na protoboard para os testes com a célula de carga.

Para conhecer os fundamentos teóricos do uso de Extensores (strain gauge) em uma Ponte de Wheatstone assista os vídeos: https://www.youtube.com/watch?v=nplXvhnjqZA, https://www.youtube.com/watch?v=V0N1zmBqEkc

Usando as informações disponíveis nos projetos http://jdesbonnet.blogspot.com.br/2010/10/computer-interface-to-low-cost.html e http://morf.lv/modules.php?name=tutorials&lasit=19 montei um circuito amplificador usando o AO LM741.

Figura C.3. Diagrama do circuito amplificador na protoboard (ou placa de ensaio ou matriz de contato)

Diagrama do circuito amplificador na protoboard (ou placa de ensaio ou matriz de contato)

Figura C.4. Diagrama esquemático do circuito amplificador

Diagrama esquemático do circuito amplificador

Para ajudar na visualização deixei disponível as imagens em maior resolução na protoboard e o esquema.

Lista de materiais para o circuito amplificador I

  1. R1, R2, R3 e R4 - Extensores (strain gauge) da célula de carga (load cell)

  2. IC - Amplificador Operacional LM741

  3. R6 (1Kohm) e R7 (1Kohm) - resistências para a entrada inversora e não-inversora respectivamente

  4. R9(500 Kohm) - resistência da realimentação negativa

  5. R8(500 Kohm) - resistência ligando a entrada não-inversora ao terra.

  6. R5 (4Kohm) - resistência de offset

A resistência entre os fios vermelho (excitação +) e preto (excitação -) da célula de carga é de 990 Ω e portanto com a tensão de 5V aplicada pelo pino digital 11 do Arduino podemos calcular uma corrente de 5mA (5/990 = 0,0050), bem abaixo do limite de 40mA para cada pino do Arduino.

Para conhecer melhor o comportamento do circuito amplificador fiz algumas medidas com (circuito I) e sem (circuito II) as resistências de entrada (R6 e R7) conforme a figura seguinte.

Figura C.5. Gráfico com as leituras de Tensão (V) X Massa (Kg) para o circuito I e II.

Gráfico com as leituras de Tensão (V) X Massa (Kg) para o circuito I e II.

Figura C.6. Diagrama do circuito II na protoboard (ou placa de ensaio ou matriz de contato)

Diagrama do circuito II na protoboard (ou placa de ensaio ou matriz de contato)

Para tentar deslocar a leitura da balança na ausência de massa para valores próximos de 0V ajustei a resistência de offset (R5) e foram obtidas as leituras indicadas no gráfico seguinte.

Figura C.7. Gráfico com as leituras de Tensão (V) X Massa (Kg) para o circuito II com ajuste na resistência de offset (R5).

Gráfico com as leituras de Tensão (V) X Massa (Kg) para o circuito II com ajuste na resistência de offset (R5).

Por curiosidade eu medi a tensão entre os terminais de R9 (resistência de realimentação negativa - 500Kohm) e encontrei 1,9 V. Isso significa uma corrente de retorno de 0,0000038 A (3,8 μA).

E finalmente resolvi fazer mais um teste removendo R8 (resistência ligando a entrada não-inversora ao terra) para observar o efeito.

A leitura com ausência de peso passa para 2,34V e chega na saturação com apenas 3 Kg. Além disso o ajuste de offset não altera as leituras.

Alguns links:

C.1. Utilizando um Amplificador Diferencial de Instrumentação

Resolvi melhorar o circuito de amplificação e montar um Amplificador Diferencial de Instrumentação. Fiz algumas buscas na Internet procurando exemplos de circuito.

Circuitos encontrados:

  1. Figura C.8. Circuito 1 - Exemplo de um amplificador diferencial de instrumentação usando 3 amplificadores operacionais (Fonte: Instrumentation amplifier using opamp).

    Circuito 1 - Exemplo de um amplificador diferencial de instrumentação usando 3 amplificadores operacionais (Fonte: Instrumentation amplifier using opamp).

  2. Figura C.9. Circuito 2 -No artigo Desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para calibração de sensores de umidade do solo, foi desenvolvido um circuito (com um LM324) para amplificar o sinal de uma célula de carga usada para monitorar variações de de massa em amostras de solo devido à perda de água e dessa forma permitir a calibração de sensores de umidade do solo. Mas não indica como fazer o ajuste de offset.

    Circuito 2 -No artigo Desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para calibração de sensores de umidade do solo, foi desenvolvido um circuito (com um LM324) para amplificar o sinal de uma célula de carga usada para monitorar variações de de massa em amostras de solo devido à perda de água e dessa forma permitir a calibração de sensores de umidade do solo. Mas não indica como fazer o ajuste de offset.

  3. Figura C.10. Circuito 3 - No vídeo: AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO | Fast Lesson #104 o autor mostra um exemplo de circuito apenas no simulador com um AO genérico, mas não indica como fazer o ajuste de offset.

    Circuito 3 - No vídeo: AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO | Fast Lesson #104 o autor mostra um exemplo de circuito apenas no simulador com um AO genérico, mas não indica como fazer o ajuste de offset.

  4. Figura C.11. Circuito 4 - O datasheet do INA129 (um amplificador instrumental encapsulado em um único CI) mostra os valores dos AOs incorporados no CI, bem como uma tabela com diferentes valores de RG com os respectivos ganhos.

    Circuito 4 - O datasheet do INA129 (um amplificador instrumental encapsulado em um único CI) mostra os valores dos AOs incorporados no CI, bem como uma tabela com diferentes valores de RG com os respectivos ganhos.

  5. Figura C.12. Circuito 5 - No vídeo: Amplificador de Instrumentacion con TL084 y celda de carga o autor mostra o uso do AO TL084 para amplificar o sinal da célula de carga de uma balança. E ainda mostra como aproveitar o AO restante para fazer o ajuste de offset.

    Circuito 5 - No vídeo: Amplificador de Instrumentacion con TL084 y celda de carga o autor mostra o uso do AO TL084 para amplificar o sinal da célula de carga de uma balança. E ainda mostra como aproveitar o AO restante para fazer o ajuste de offset.

Para visualizar o comportamento desses circuitos para diferentes valores de Rg, resolvi usar a equação C.1:

Equação C.1.

Ganho = Vo / (V1 - V2) = (1 + (2R1 / Rg)) × (R3 / R2)


E a tensão de saída (Vo) é dada pela equação C.2:

Equação C.2.

Vo = Ganho × (V1 - V2) + Vref


Figura C.13. Variação do ganho para diferentes valores de Rg segundo a equação.

Variação do ganho para diferentes valores de Rg segundo a equação.

Na mensagem: http://electronics.stackexchange.com/questions/34071/how-do-i-correct-the-offset-voltage-of-op-amps-which-have-no-explicit-offset-nul e na página 24 do tutorial Amplificadore Operacionais (Prof. Marcelo Wendling) existem algumas dicas interessantes de como fazer o ajuste de offset.

Na hora de escolher um circuito para montar tive algumas dúvidas:

  1. Ao usar um CI contendo mais de um AO, o que fazer com os terminais do AO que não for usado. Pelo que vi em algumas listas de discussão, não é uma boa prática deixar esses terminais abertos.

  2. E como fazer o ajuste de offset nos CIs que não possuem terminais dedicados para essa função.

Por isso escolhi a solução proposta no vídeo Amplificador de Instrumentacion con TL084 y celda de carga (figura C.12 ) pois ela resolve essas duas questões aproveitando o AO que ficaria sem uso para fazer o ajuste de offset.

Mas achei melhor usar as resistências indicadas no datasheet do INA129 (figura C.11).

Figura C.14. Diagrama do circuito completo.

Diagrama do circuito completo.