7-Segment Reverse Bias Page in English
Digital Kitchen Scale in English

Digitale Küchen-Waage

Digitale Kü­chen­waagen - schon seit es sie gibt är­gere ich mich da­rü­ber. Ent­we­der geht ihr Ma­xi­mal­ge­wicht nur bis 1 kg oder ihre Auf­lö­sung ist we­ni­ger als ein Gramm.

Tat­säch­lich ha­be ich ei­ne (alte) Waa­ge eines nam­haf­ten Her­stel­lers die bis maxi­mal 1 kg geht (ab 64 g nur noch mit 2 g Auf­lö­sung, also ge­rade mal 9 Bit). So­lan­ge ich nur leich­te Plas­tik-Schüs­seln ver­wen­de reicht dies zum Ku­chen­backen aber wenn ich die Edel­stahl-Schüs­sel mei­ner Kü­chen­ma­schine auf­lege ist sie be­reits an ih­rer Gren­ze und Zu­wie­gen ist illu­sorisch.

Also wollte ich wie­der ein biß­chen spie­len und ha­be mir ei­ne 10 kg-Wä­ge­zel­le und eine ge­eig­nete Elek­tronik be­sorgt. Letz­tere hät­te ich na­tür­lich lie­ber selbst ent­wickelt, gibt es doch ei­nen tol­len AD-Wand­ler HX711, 24 Bit Auf­lö­sung und ex­tra für Waagen ge­dacht. Lei­der konnte ich die­sen nir­gends als IC fin­den und so mus­ste ich die Lei­ter­plat­te von Spark­Fun er­wer­ben auf der die­ser mit ein paar ob­li­ga­tori­schen Bau­tei­len zu­sam­men auf ei­nem eher mäßigen Lay­out mon­tiert ist. Un­ver­ständ­lich aber es ist so.

Auch bei die­sem Pro­jekt muss ich da­rauf hin­wei­sen, ich hat­te noch nie zu­vor mit Wäge­zel­len zu tun. Dies ist mei­ne ers­te Waage und we­der die Kon­struk­tion noch die Soft­ware mö­gen opti­mal sein. Es ist letzt­lich nur ein Ex­pe­ri­ment, ein Spiel. Viel­leicht kön­nen Sie es bes­ser, ver­suchen Sie es. Spe­ziell im Punkto Kon­struk­tion mag eine Wäge­schüssel, die mit drei Fä­den nur an ei­nem Punkt an der Wäge­zelle hängt (wie man es von Dia­mant­waagen kennt) güns­ti­ger sein, da sie un­kon­trol­lier­te Dreh­mo­men­te ver­mei­det, aller­dings auch deut­lich un­prak­ti­scher.

In der fer­ti­gen Kon­struk­tion hat sich ge­zeigt, dass es ziem­lich egal ist, wo auf dem Wäge­tel­ler das Ge­wicht pla­ziert ist. Die Wäge­zelle scheint Dreh­mo­men­te weit­gehend zu ig­norie­ren.

Wenn Sie es bes­ser kön­nen wäre ich Ihnen über ei­ne Mit­tei­lung dank­bar, wie Sie es ge­schafft haben.

Meine Schal­tung hat sat­te 6 Stel­len zur An­zei­ge, also kg bis 10 mg pro Digit, wie­vie­le da­von nütz­lich sind wird die Zu­kunft zei­gen... aber schließ­lich ha­ben wir ei­nen 24-Bit-AD-Wand­ler, der ja 7½ Stellen ent­spre­chen wür­de!

Die­smal ha­be ich die Schal­tung kom­plett in THT aus­ge­führt da ich sie ur­sprüng­lich nur auf ei­ner Loch­ras­ter-Plat­te auf­bau­en wol­lte. Aber letzt­lich, ge­rad­e wenn man die Schal­tung spä­ter se­hen kann, ist eine pro­fes­sionell ge­fer­tig­te Lei­ter­plat­te doch ein­fach schicker :-)

3d-Ansicht KiCad Für das Layout habe ich mich dies­mal für Ki­Cad ent­schie­den. Schon lan­ge woll­te ich mal se­hen, wie sich die­ses Open-Source-Pro­gramm in der Praxis be­währt. KiCad hat in mir große Zwie­späl­te auf­ge­wor­fen. Es hat für ein Open-Source-Pro­jekt un­glaub­lich gu­te Fea­tures wie Dif­fer­en­tial Pairs, Length-Tun­ing und den in­ter­ak­ti­ven Rou­ter, der im Weg ste­hen­de Lei­ter­bah­nen ein­fach ver­schiebt. Als Bo­nus gibt es noch ei­nen 3D-Viewer der die fer­tig be­stückte Lei­ter­plat­te recht gut dar­stellt.
Das Sie­ben­seg­ment-Dis­play und der weiße Tab des Span­nungs­reg­lers wir­ken noch et­was holp­rig aber man weiß, was ge­meint ist.

3d-Ansicht Leiterplatte Es ver­misst aber auch selbst­ver­ständ­li­che Funk­tio­nen wie Poly­gone auf Kup­fer-La­gen. Nicht­ein­mal eine (ver­nünf­ti­ge) ma­nu­el­le Ko­ordi­na­ten-Ein­ga­be habe ich ge­fun­den. Auf je­den Fall ist es in vie­len Punk­ten ein­fach nicht in­tuitiv. Ei­ni­ge Funk­tio­nen sind nur ver­füg­bar, wenn man das Can­vas auf Open­GL stellt, an­dere nur bei De­fault, was soll das? Ich bin Lay­outer, kein Pro­gramm­ierer. Was in­teres­siert mich ein Can­vas? Wenn es für die Funk­tion auf ein an­de­res um­schal­ten muss dann bit­te­schön au­to­ma­tisch! Den leich­ten Farb­wech­sel werde ich to­le­rie­ren.

Die Kon­struk­tion von un­re­gel­mäßigen Bau­tei­len oder z.B. von run­den Lei­ter­plat­ten wird durch das Fehlen von Kupfer-Poly­gonen er­heb­lich er­schwert. (Es geht schon, zu­min­dest wenn Sie Python-Scripts be­herr­schen oder sehr viel Geduld haben, aber es sieht scheiße aus!)

Ich habe ei­nige Bau­teile für dieses Pro­jekt neu er­stellt. Lei­der ent­spre­chen die­se nicht hin­rei­chend den mit­tler­wei­le sehr stren­gen Re­geln für die Auf­nah­me in die offi­ziel­le Ki­Cad-Bib­li­o­thek des­halb bie­te ich sie hier zum Down­load an.

Eine mir be­son­ders wi­der­stre­bende Re­gel da­bei ist die PIN 1-Re­gel: Pin 1 muss der Ur­sprung und links oben sein.
Pin 1? Wa­rum soll­te ein Bau­teil über­haupt ei­nen Pin 1 ha­ben? Eine Diode hat A und C, ein Elko hat Plus und Minus, ein Tas­ter hat CO, NC und NO. Ein CE-Sym­bol hat über­haupt kei­ne Pins. Was soll da der Ur­sprung sein? Ki­Cad hat hier ganz ein­fach deutsch ge­dacht, auch die Pins von Di­oden und El­kos hei­ßen 1 und 2. Auch die Pins des Tas­ters hei­ßen 1, 2 und 3. Ohne ei­ne in­tui­tive Zu­ord­nung zu Pola­rität oder Funk­tion. (Und was ist mit PGAs? Die haben einfach keinen Pin 1!) Was für ein Quatsch aber da­durch kann man sim­ple Re­geln ein­hal­ten.

Auch wenn das Dis­play 90° ge­dreht ist oder der Tas­ter auf dem Kopf steht wenn Pin 1 links oben ist, egal. Simple minds, simple pleasures, kann ich dazu nur sagen.

So wür­de ich mei­ne Bi­bli­o­thek niemals er­stel­len! Pin 1 ist ge­nau­so wichtig wie Pin 3 oder jeder an­dere, wa­rum soll­te er eine aus­gezeich­nete Po­sition er­hal­ten? Warum sollte er gekenn­zeich­net sein (bei einem Wider­stand zum Bei­spiel, er ist im Schalt­plan nicht ge­kenn­zeich­net, wa­rum dann im Lay­out?) Bei ICs oder Steck­ver­bin­dern macht das durch­aus noch Sinn aber bei ei­nem Tas­ter oder ei­nem Dis­play? Oder einem Wi­der­stand? Bei vielen Bau­tei­len ist ei­gent­lich nur der geo­me­trische Mit­tel­punkt als Ur­sprung sinn­voll oder ei­ne an­dere funk­tional wich­tige Po­sition (die Achse des Tas­ters, der Leucht­punkt ei­ner LED etc.). Wo Pin 1 ist, ist doch ei­gent­lich völ­lig un­er­heb­lich.

Tat­säch­lich kenn­zeich­ne auch ich in mei­ner Bi­blio­thek zu­min­dest bei po­la­ren Bau­tei­len Pin 1 (oder die Kathode, den Mi­nus­pol) nor­ma­ler­wei­se durch ein qua­dra­tisches Pad wäh­rend al­le an­de­ren rund sind aber nicht um ihn als Ur­sprung fest­zu­le­gen son­dern le­dig­lich des­halb, da­mit ich hin­ter­her beim Mes­sen weiß, von wo aus ich zäh­len muss bzw. wo mi­nus ist. Stellen Sie sich ei­nen Elko vor, 5 mm Durch­mes­ser, 3,5 mm Pin-Ab­stand. Wo wür­den Sie den Null­punkt setzen? Doch si­cher nicht auf Pin 1, der ir­gend­wo liegt und völ­lig un­wich­tig ist, son­dern auf den Mit­tel­punkt der 5 mm! Nur dann bleibt der El­ko wo er ist wenn sie ihn dre­hen und macht kei­nen un­nö­ti­gen Är­ger!

Bei ei­nem Tas­ter würde ich immer die be­weg­te Ach­se als Null­punkt wäh­len, bei einem Dis­play die Mit­te des An­zei­ge­feldes (oder viel­leicht die lin­ke obere Ecke) und bei einem Wider­stand den geo­met­ri­schen Mit­tel­punkt, wie er auch bei KiCad selt­samer­wei­se bei SMD-Bau­tei­len vor­ge­schrie­ben ist, da es hier kei­ne andere Mög­lich­keit gibt, den Pickup-Punkt für den Be­stückungs­auto­ma­ten zu setzen als den Null­punkt des Bau­teils...

Tat­sächlich würde ein er­fahrener Lay­outer wohl niemals ein Bau­teil di­rekt aus der KiCad-Biblio­thek ver­wen­den, von dem er nicht weiss, ob es in der nächs­ten Ver­sion (oder mit den nächs­ten De­sign-Rules) noch ge­nau­so aussieht. Er wür­de es in eine My­Library oder eine My­Company­Library kopieren, seinen Vor­stel­lun­gen an­pas­sen oder es gleich selbst erstel­len, was eben ein­fa­cher ist.

Das ist in der Pra­xis auch das größte Hindernis auf ein bes­seres Sys­tem um­zu­stei­gen. Wenn Sie Jah­re oder Jahr­zehn­te­lang mit ei­nem Sys­tem ge­ar­bei­tet ha­ben gibt es auch ei­ne ent­spre­chen­de Bi­bli­ot­hek mit Ihren Bau­teilen, die Sie wie­der und wie­der ver­wen­den. Diese würde ver­fal­len wenn sie um­stei­gen wür­den (bis­her ha­be ich noch kei­ne 100%ige Über­nah­me in ir­gend ein an­de­res Sys­tem gesehen) und die gan­ze Ar­beit gin­ge von vorne los.

Na­tür­lich kön­nen Sie auch auf die neue Bi­bli­o­thek zu­rück­grei­fen so­fern die­se al­le Ihre Bau­teile ent­hält aber das Look-And-Feel Ihrer Ar­bei­ten wür­de ver­lo­ren ge­hen. Kein Lay­outer will das!

Tat­säch­lich gibt es kei­nen Zwang (und kei­nen Grund) die KiCad-Library als Stan­dard direkt zu ver­wen­den oder sie zum Stan­dard zu erheben. Sie ist eine mit­ge­lie­fer­te Quel­le für Ideen, nicht mehr und nicht we­ni­ger. Er­stel­len Sie Ih­re ei­ge­ne Bi­bli­o­thek und sch...n Sie auf De­sign Rules die sie nicht selbst fest­gelegt ha­ben oder die Ihnen wirk­lich sinn­voll er­schein­en!

KiCad per­ver­tiert hier ein­fach die Macht von sim­plen De­sign-Rules ohne Rück­sicht auf Sinn oder Be­nutz­bar­keit.

Selbst in den Package-Drawings der Her­stel­ler ist Pin 1 z.B. bei DIL-Ge­häu­sen meist links un­ten. Das ist auch mit Hin­blick auf das Aspect-Ratio gän­gi­ger Mo­ni­tore sinn­voll. Ein Bau­teil, dass brei­ter als hoch ist kann leich­ter und prä­zi­ser be­arbeitet wer­den, da auch das Mo­ni­tor-Bild brei­ter als hoch ist.

Früher (bei 4:3 Mo­ni­to­ren) nur we­nig, doch seit gän­gi­ge Mo­ni­tore 16:9-Dis­plays sind macht das fast den Fak­tor zwei (streckenmäßig, also fast Fak­tor vier was die Pixelzahl be­trifft!) Wenn ich das Bau­teil also ho­ri­zon­tal aus­rich­te se­he ich vier mal soviele De­tails wie bei ver­ti­kaler Aus­rich­tung. Für mich ist das Grund ge­nug die Pin1-Regel gu­ten Ge­wis­sens zu ignorieren.

Nach jahr­zehn­te­langer Ar­beit im Lei­ter­plat­ten-De­sign bin ich da­zu über­ge­gan­gen, alle Bau­teile, Pads, selbst kom­plette Leiter­plat­ten stets so aus­zu­rich­ten, dass sie brei­ter als hoch sind. Das macht das Le­ben ein­fach leich­ter. Wo Pin 1 ist hat heut­zu­tage kei­ne Be­deu­tung mehr.

Früher, als alle Pins im 2.54 mm-Ras­ter la­gen, und auch die pri­mi­ti­ven Auto­router in die­sem Ras­ter un­ter­wegs waren, war es sinn­voll alle Pins ge­nau auf's Ras­ter zu le­gen.

Heu­te spielt es kei­ne Rol­le, ob Pin 1 im Ras­ter liegt. Alle an­de­ren Pins sind meist so­wie­so da­ne­ben, sei es bei der 5 mm-Klemme, der 2 mm-Pfos­ten­leis­te oder dem 0.5 mm LQFP. Der Null­punkt liegt da, wo er eben sinn­voll ist. Meist im geo­me­tri­schen Mittel­punkt oder ei­nem an­de­ren mar­kan­ten Punkt des Bau­teils.

Selbst bei Steck­ver­bin­dern im 2.54 mm-Ras­ter liegt meist auch der geo­me­tri­sche Mit­tel­punkt im Ras­ter oder zu­min­dest im Halb­ras­ter. Das er­leich­tert spä­ter z.B. das Zeich­nen des Dis­play-Aus­schnitts in der Front­plat­te oder den Boh­rungs­mit­tel­punkt für den Tas­ter. Das ist doch viel wich­tiger als Pin 1, oder? Die Lage von Pin 1 ist ei­gent­lich völ­lig egal, gäbe es nicht diese blöde (ja wirk­lich, blö­de im Sinne von boden­los dumm, an­ders kann ich es nicht for­mu­lie­ren) Design Rule!

Je nach­dem, wel­chen Li­bra­rian Sie bei Ki­Cad er­wi­schen kann er sinn­volle Ab­wei­chun­gen da­von to­le­rie­ren oder auch nicht...

3d-Modelle

Was die 3D-Modelle betrifft bin ich an einem ver­al­te­ten Tu­to­ri­al auf der Kicad-Home­page ge­schei­tert. Ich fand es sehr ein­fach, die Mo­del­le mit OpenScad zu er­zeu­gen, die pa­ra­me­ter­ge­steu­ert den Digi­tast mit ei­ner oder zwei LEDs dar­stel­len konn­ten (oder auch ohne). Lei­der ist das Er­geb­nis nicht 1:1 ska­liert und muss in KiCad an­ge­passt wer­den. Das ist aber nicht mehr zu­läs­sig... Wa­rum gibt es dann die Ska­lie­rung in KiCad über­haupt noch? Fra­gen über Fra­gen und kei­ne be­frie­di­gen­de Ant­wort! Nun, zu­nächst funk­tio­nie­ren auch mei­ne 3D-Model­le je­doch noch ganz gut, wie sie auf obi­gem Bild se­hen kön­nen.

KiCad woll­te das Mo­dell nicht, so hier kön­nen sie es ha­ben. Na­tür­lich ohne Ga­ran­tie auf Ver­wend­bar­keit un­ter der nächs­ten KiCad-Ver­sion!

Wägezelle

Die ver­wen­de­te Wäge­zel­le mit ei­nem Meß­be­reich von 0..10 kg be­steht aus ei­nem ge­eig­net be­ar­bei­te­ten Alu­mi­ni­um-Block auf dem Dehnungs-Meß­strei­fen auf­ge­klebt sind. Die­se sind elek­trisch als Brücken-Schal­tung aus­ge­führt und lie­fern ei­nige mV Brücken-Span­nung bei vol­ler Be­las­tung. Die wol­len wir mes­sen. Mit ei­ner Ge­nauig­keit im Sub-Promille-Be­reich! Das Ziel ist, 10 kg mit bes­ser als 0,1 g auf­zu­lösen.

Das Da­ten­blatt ist, sa­gen wir, spar­sam. Es spe­zi­fi­ziert zwar eine ma­ximale Über­last von 120% (also 12 kg, mehr könn­ten die Zelle schon dau­er­haft schädigen), sagt je­doch nicht um wie­viel sich die Zel­le dabei ver­formt und ob ein me­cha­ni­scher End­an­schlag über­haupt sinn­voll re­alisier­bar ist.

Tat­säch­lich ver­formt sich der Wäge­balken nur um we­nige zehntel Milli­meter. Ein me­cha­ni­scher End­an­schlag ist da­mit kaum mög­lich, er müsste auf huntert­stel eines Milli­meters genau ein­gestellt wer­den. Zu­sätz­lich müsste er vor Ver­schmutzung ge­schützt wer­den da bereits Staub­körner den Un­ter­schied zwi­schen einem Über­last­schutz und einer Ver­fäl­schung des Meß­ergebnis­ses durch man­geln­de Be­we­gungs­frei­heit er­ge­ben könn­ten.

In mei­nem Auf­bau ist der Bal­ken daher nicht gegen Über­last ge­schützt. Ich weiß, dass er emp­find­lich ist und passe ent­spre­chend auf. Für ein Con­sumer-Pro­duct müss­te man sich an­de­re Kon­struk­tionen über­le­gen, et­wa ein vor­ge­spann­tes Fe­der­paket wel­ches den Hub des Wäge­tel­lers so­weit er­hö­hen würde dass ein me­cha­ni­scher An­schlag sinn­voll mach­bar ist. Im ein­fach­sten Fall wä­ren das zwei Spi­ral­federn um die Be­festi­gungs­schrau­ben zur Wäge­plat­te die ab ~10,5 kg nach­ge­ben und die Auf­lage auf einen An­schlag er­mög­li­chen, so­fern Sie ge­eig­nete Fe­dern zur Hand haben.

Na­tür­lich kön­nen Sie hier auch ei­ne an­dere Wäge­zelle ein­set­zen, bspw. ei­ne mit 200 kg um eine Per­so­nen­waage zu bauen (oder eine mit 50 t für Last­wagen, des­sen Zu­la­dung Sie dann auf 500 g genau mes­sen kön­nen). Al­ler­dings müs­sen sie die Grenz­werte für die Kali­brierung dann entspre­chend an­pas­sen. Dies kann auch für die digi­tale Fil­te­rung gel­ten. Für eine Kü­chen­waage möch­te ich schon nach ei­ner Se­kun­de zu­min­dest un­ge­fähr wis­sen, was da­rauf liegt, bei einer LKW-Waage kann man viel­leicht auch 5 oder 10 s war­ten bis der Fah­rer he­rein­kommt und die Quit­tung haben will.

AD-Wandler

Der AD-Wand­ler be­sitzt 24 Bit Auf­lö­sung und ei­nen vor­ge­schal­te­ten PGA der das Si­gnal um den Fak­tor 32, 64 oder 128 ver­stärkt.

Das klingt zu­nächst ein­mal gi­gan­tisch aber 24 Bit bei 5 V sind ge­ra­de mal 300 nV pro Bit. Rau­schen und ein­ge­kop­pelte Stö­run­gen kom­men sehr schnell in die­se Größen­ord­nung. Und der PGA ver­stärkt nicht nur das Si­gnal son­dern auch das Rau­schen (auch sein ei­genes) und macht 24 Bit schnell il­lu­so­risch.

Die Wäge­zelle spe­zifi­ziert auch nur 1 mV/V, bei 5 V also auch nur 5 mV bei Voll­aus­schlag. Um den Fak­tor 128 ver­stärkt macht dies ge­ra­de mal 640 mV so dass wir nur ein zehn­tel des Mess­be­reichs nut­zen kön­nen. Bei 10 kg macht dies et­wa 6 mg pro Bit. (Idealer­weise wür­den 24 Bit etwa 0,6 mg pro bit er­ge­ben.)

Man kann also nicht er­war­ten, mit jeder Mes­sung 24 Bit Ge­nauig­keit zu er­rei­chen son­dern man muss das Si­gnal hin­ter­her di­gi­tal fil­tern um die Mö­glich­kei­ten der Hard­ware aus­zu­rei­zen.

Dies ergibt eine deut­li­che Re­du­zie­rung der Mess­rate aber für eine Kü­chen­waage reicht mir ein, bes­ser zwei Mess­werte pro Se­kun­de völ­lig aus.

Da der Wand­ler je­doch nur 10 Meß­wer­te pro Se­kunde lie­fert ist auch diese Mög­lich­keit stark ein­ge­schränkt.

Für die Fil­te­rung ha­be ich drei ver­schie­de­ne Me­tho­den im­ple­men­tiert. Se­hen Sie unter Software nach um mehr zu erfahren.

Rau­schen: Das Da­ten­blatt des HX lie­fert hier ei­nen ziem­lich miss­ver­ständ­li­chen Wert. 50 nV bei ei­nem Gain von 128. Das be­deu­ted 6.4 µV am Wand­ler. Das ent­sprä­che etwa 21 counts oder 4,4 Bits. Be­zo­gen auf die 640 mV des nutz­baren Be­reichs ent­spricht das in etwa den erhaltenen 7,7 Bit!

Ent­spre­chend er­hal­ten wir kei­ne 24 Bit Ge­nauig­keit son­dern nur 16,3 Bit, also etwa 100.000 counts, ent­spre­chend 5 Stel­len!

Controller

Auch dies­mal bin ich wie­der bei ei­nem At­mel AVR hän­gen ge­blie­ben, dem AT­mega48. Er war der bil­ligste ATmega-Control­ler über­haupt, der die nö­tige An­zahl IO-Pins be­sitzt. Trotz­dem ist er ei­gent­lich viel zu mäch­tig für die­se Auf­gabe.

Inzwischen hat der Code eine Größe an­ge­nom­men, die nicht mehr in das Flash des AT­mega48 passt so dass min­des­tens ein AT­mega88 nö­tig ist (der aber pin­kom­pa­ti­bel ist). Al­ter­na­tiv kann in den Sour­cen auch ein AT­mega8 ge­wählt wer­den.

Wenn Sie Ab­stri­che im UI und ei­ni­gen an­de­ren Funk­tio­nen (z.B. Ka­li­brie­rung mit­tels spe­ziel­ler Firm­ware) in Kauf neh­men kann der ATmega48 im­mer noch rei­chen.

Ein Ge­dan­ke dazu, wenn Sie es wirk­lich bil­lig ha­ben wollen: Es mag sein, dass es ei­nen 8-Pin-Con­trol­ler gibt, der so­viel bil­liger ist, das trotz Hin­zu­fü­gen von zwei 19-Cent-Schie­be­re­gis­tern um an die Pins zu kom­men die Gesamt­lö­sung einige Cents bil­liger ist... und die Soft­ware so­gar ver­ein­fa­chen könnte aber mehr Pla­tinen­fläche brau­chen würde, welche ja auch Geld kos­tet. Kal­ku­la­tion­en für große Stück­zah­len sind echt kom­pli­ziert...

Anzeige

Nach jahr­zehnte­langer Absti­nenz habe ich hier erst­malig wie­der eine Sie­ben­seg­ment-An­zeige ver­wen­det. Auch heu­te noch fin­de ich die­se zur Zah­len­an­zeige ein­fach schicker als ein OLED oder TFT, größer und da­mit auch ohne Bril­le (in 15 Jah­ren wer­den Sie die­sen Satz ver­ste­hen) bes­ser ab­les­bar und ein­fach zweck­mäßig. Auch der Nos­tal­gie-Fak­tor mag eine Rol­le spie­len.

Wa­rum soll­te ich 48 Seg­men­te mit er­heb­li­chem Soft­ware-Auf­wand auf ein win­zi­ges 320x160 OLED pro­ji­zie­ren das schon in zwei Jah­ren nicht mehr er­hält­lich ist? Sie­ben­seg­ment-An­zei­gen gibt es seit ich den­ken kann und wird es wohl auch in zehn oder zwan­zig Jah­ren noch ge­ben. Wahr­schein­lich so­gar pin­kom­pa­ti­bel... Ein OLED ist z.Zt. selbst bei Ebay we­der bil­li­ger noch zweck­mäßiger als ein Sie­ben­seg­ment-LED-Dis­play.

Ich wurde ge­fragt, wa­rum nicht ein LCD, braucht doch we­ni­ger Strom. Nun, ja das stimmt aber zum ei­nen ist ein LED-Display bes­ser ab­les­bar und wie an an­derer Stel­le be­reits er­wähnt reicht die Bat­terie für grob drei Jah­re, was auch mit LCD auf­grund der Selbst­ent­la­dung kaum zu top­pen wäre.

Natürlich könn­te man das LCD zur bes­seren Les­bar­keit auch hin­ter­leuch­ten...

Die sechs Stel­len rei­chen aus um Ge­wich­te < 10 kg mit 10 mg Auf­lö­sung an­zu­zei­gen, ob­wohl das letz­te Digit wohl nicht zuver­läs­slig er­reich­bar ist.

Tat­säch­lich zeigt auch das zwei­te Digit des Raw-Wertes vom Wand­ler nur Haus­num­mern aber ein Ziel die­ses Pro­jekts war ja auch he­raus­zu­fin­den, was der HX kann und was nicht.

Erstaunlich ist, dass es in­zwi­schen zwar LEDs gibt, die mit ei­nem mA glei­ßend hell sind, Sieben­seg­ment-Anzei­gen brau­chen aber nach wie vor 20 mA pro Seg­ment. Ich habe hier ei­nen su­per­hellen orangenen Typ ver­wen­det, der mit et­was we­niger Strom aus­kommt. In die­ser Schal­tung ver­wen­den wir zwar trotz­dem 20 mA aber im 1:6-Mul­ti­plex, also effek­tiv nur 3,3 mA für jedes der 48 Seg­mente. Im schlimm­sten (hell­sten) Fall brau­chen also al­lei­ne die Leds etwa 160 mA aus der 5 V-Ver­sor­gung!

Trotz­dem ist das im­mer noch deut­lich we­ni­ger als ein Watt also brau­chen sich auch Öko-Freaks keine großen Sorgen ma­chen. Le­dig­lich für den Bat­terie­betrieb be­deu­ted das, auf Energie-Ein­spa­rung zu ach­ten.

Mit ei­nem 100 Ω-Widerstand in Rei­he er­ge­ben sich ge­mes­sene 16 mA pro Seg­ment. Da­mit lie­gen wir im si­che­ren Be­reich so­wohl für die LED als auch für den Port Pin und die An­zei­ge ist an­ge­nehm hell. Wenn Sie nachts im Dun­keln backen viel­leicht so­gar zu hell aber auf ei­nen Um­ge­bungs­licht-Sen­sor habe ich ver­zichtet. Wenn Sie es trotz­dem noch etwas heller haben wollen, neh­men Sie halt 82 Ω, die LEDs wer­den es wohl ver­zei­hen.

Auch wenn eine An­zeige von 8.8.8.8.8.8. eher un­wahr­schein­lich scheint, es kann durch­aus sein, dass ein­zelne Seg­mente bei al­len Digits über län­gere Zeit an sind und da­mit den Port-Pin zu 100% be­las­ten.

Die Ablesbarkeit kann durch ein orange-far­be­nes oder ro­tes Plexi­glas über dem Dis­play deut­lich ver­bes­sert wer­den aber sie ist auch ohne O.k. und er­höht den Tech­nic-Look. Aller­dings ist mein komplett offener Aufbau natürlich an­fäl­lig für Ver­schmut­zung und in einer pro­duk­tiven Aus­füh­rung wür­den wir sicher­lich eine Art Ge­häuse darüber packen. Ich be­hel­fe mich da­mit, das Ding ab und zu mit Druck­luft­spray sau­ber zu pu­sten...

Das funk­ti­on­iert so­lange ich nur nicht­lei­ten­de Stäu­be wie Mehl und Zucker auf­le­ge.

Taster

Ein (ein­ziger) Tas­ter muss­te sein, al­lei­ne schon zum Ein­schal­ten.

Im Serien-Gerät könnte der Taster auch ver­steckt un­ter der Lei­ter­platte an­ge­ord­net sein so dass das Ein­schal­ten durch Druck auf das Dis­play er­folgt, hier ist es ein simp­ler Shadow Digi­tast, der aber auch pro­fes­sionell aus­sieht und ein an­ge­neh­mes Tast­gefühl hat.

Speziell bei bil­ligen Tas­tern habe ich im­mer wie­der er­lebt dass der Klick nichts mit dem tat­säch­li­chen Schalt­vor­gang zu tun hat.

Der Tas­ter schal­tet das Ge­rät nicht nur ein, sein Zu­stand kann (und muss) auch im Be­trieb vom Con­trol­ler ab­ge­fragt wer­den. Ab­ge­schal­tet wird über ei­nen Port-Pin des Con­trol­lers wenn sich das Ge­wicht in­ner­halb einer vor­ge­ge­be­nen Zeit nicht we­sent­lich än­dert. Dies ist, zu­min­dest im Bat­terie-Be­trieb schon auf­grund der LED-An­zei­ge un­be­dingt nö­tig. Beim Be­trieb über ein Netz­teil kann per Jum­per auch Dau­er­be­trieb ge­wählt wer­den. Das Ge­rät ist dann (in­klu­si­ve Dis­play) dau­er­haft an bis die Ver­sor­gung ab­ge­schal­tet wird.

Beim Ein­schal­ten wird, ge­nau wie bei ei­nem mittel­lan­gen (>2 s) Tas­ten­druck, die Waage auf Null ge­stellt. Dies kann als Zu­wiege-Funk­tion be­nutzt wer­den.

Ein wirklich lan­ger (>10 s) Tas­ten­druck führt in den Ka­li­brier-Mo­dus (um ihn nicht versehentlich zu ak­ti­vie­ren). Im Dis­play er­scheint in dann CAL. Sehen Sie unter Soft­ware nach, um die ge­naue Vor­ge­hens­wei­se zu er­fah­ren.

Stromsparmodus

Um die Bat­terie zu scho­nen wird das Dis­play ab­ge­schal­tet wenn sich das Ge­wicht nicht mehr we­sent­lich än­dert. Nach 15 Se­kun­den wird das Dis­play schritt­weise dunk­ler ge­tas­tet um die be­gin­nende Lange­weile an­zu­zei­gen. Nach vier Mi­nuten In­ak­ti­vi­tät schal­tet sich das Ge­rät ab.

Durch einen kur­zen Tas­ten­druck kann das Dis­play wäh­rend der Ab­dunk­lung wie­der akti­viert wer­den. Die Time­out-Zeit wird dann zu­rück­ge­setzt. Die Mes­sung läuft in die­ser Zeit wei­ter und so ist die Ge­nauig­keit da­von unbe­ein­flusst. Auch bei ei­ner Än­de­rung der Be­las­tung wird das Dis­play wie­der ak­ti­viert. Sie müs­sen al­so nicht drücken, ein­fach nur zu­la­den oder kurz auf den Wä­getel­ler drücken und das Dis­play kommt wie­der.

Kein Pro­blem al­so wenn Sie kurz in den Kel­ler gehen müs­sen um Mehl zu ho­len...

Nach vier Mi­nu­ten Inakti­vität schal­tet sich das Ge­rät dann end­gültig ab. Das auf­ge­leg­te Ge­wicht ist dann ver­ges­sen und beim er­neu­ten Ein­schal­ten zeigt es 0.0 kg an.

In die­sem Zu­stand braucht das Ge­rät kei­nen Strom (ab­ge­se­hen vom Leck­strom des MOSFETs, ei­ni­ge µA, ent­spre­chend ei­ner Bat­terie-Le­bens­dau­er von mehr als fünf oder zehn Jah­ren) und muss des­halb nicht durch ei­nen me­cha­ni­schen Schal­ter von der Bat­terie ge­trennt wer­den.

Der Stromspar­modus kann de­akti­viert wer­den in­dem Sie ei­nen Jum­per von Pin 4 nach Pin 6 der Pro­gram­mier­schnitt­stel­le stecken. Es er­folgt dann kein Dim­ming der An­zei­ge und das Ge­rät wird sich nicht selbst­stän­dig ab­schal­ten. Es bleibt an bis die Strom­ver­sor­gung unter­brochen wird. Ab­schal­tung mit­tels Tas­ter ist nicht vor­ge­sehen. Die An­zahl der Ak­tio­nen die man mit ei­nem Tas­ter (sinn­voll) vor­neh­men kann ist be­grenzt...

Beschleunigte Abschaltung

Um die Bat­te­rie noch mehr zu scho­nen wur­de ein Ver­fah­ren ein­ge­führt, das die Ab­schal­tung be­reits nach 15 s durch­führt falls kein nen­nens­wer­tes Ge­wicht auf­ge­legt wur­de, d.h. wenn das an­ge­zeig­te Ge­wicht län­ger als 15 s we­ni­ger als 5 g beträgt schaltet das Gerät ab.

Wenn Sie die Ab­schal­tung be­schleu­ni­gen wol­len setzen Sie also die Waage auf 0 (zwei Se­kun­den drücken), dann geht sie nach 15 s aus.

Das heißt aber auch, wenn sie zuwiegen wollen, stellen Sie erst auf Null wenn das zu­sätz­li­che Ma­te­ri­al auch be­reit liegt!

Stromaufnahme

Bei voller Hel­lig­keit braucht das Ge­rät etwa 65 mA bei 9 V Ver­sor­gung. Durch Vor­nul­len-Un­ter­drückung kann die­ser er­heb­lich re­du­ziert wer­den so­fern nur klei­ne Ge­wich­te auf­lie­gen. 0.073.12 ver­braucht et­wa 81% mehr (!) als   73.12, wie man durch Zäh­len der ak­ti­ven Seg­mente leicht er­mit­teln kann so dass es sich ren­tiert, hier ein paar Bytes Pro­gramm­spei­cher zu in­ves­tie­ren. Mit dem Dim­ming der An­zeige re­du­ziert sich das etwa auf 50 mA bzw. 30 mA in der dun­kels­ten Stufe. Viel weiter kön­nen wir den Strom­ver­brauch nicht re­du­zie­ren. Den Rest braucht ein­fach die Wäge­zelle (und der HX und der Con­troller). Nur Ab­schal­ten ist bil­liger.

Eine 9 V Block­bat­terie hat etwa 400 mAh Ka­pa­zi­tät und wür­de im ak­tiven Be­trieb bei vol­ler Hellig­keit also etwa sechs Stun­den durch­halten.

Das klingt zu­nächst er­nüch­ternd, ein voll­ständiger Zyklus aus 15 s mal 65 mA plus 50 s mal 50 mA plus 210 s mal 30 mA er­gibt je­doch nur 2.2 mAh so dass die Bat­terie etwa 180 Mes­sun­gen über­stehen würde. Wie oft backen Sie Ku­chen? Bei ei­nem pro Wo­che wä­ren das al­so grob drei Jah­re. So lan­ge hält die Bat­terie auch ohne Be­lastung ge­rade mal so durch. Man könn­te also in der An­leitung ge­trost von einer Bat­terie-Le­bens­dau­er von ei­nem Jahr aus­ge­hen. Bei ei­ner Li­thium-Bat­terie eher vom Dop­pel­ten.

Erste Versuche

... waren ziem­lich er­nüch­ternd. Ich ließ mir da­zu den Raw-Wert des HX anzeigen. Das letz­te Digit zeigte nur Haus­num­mern und auch das Vor­letz­te wan­der­te etwa von +3 nach -3. Die un­te­ren 6 Bits wa­ren also nur Rau­schen. Das Be­we­gen des Wäge­balkens von einer Stel­le des Schreib­tisches auf eine andere re­sul­tier­te in ei­nigen hun­dert Counts Unter­schied! Nur Rau­schen? Die Kraft­wir­kung eines Mil­li­gramms ist ver­dammt we­nig (auf­grund der Erd­be­schleu­ni­gung rund 10 µN) und Kräf­te die im Alu­mi­ni­um-Block durch Tem­peratur­än­de­rung (durch Be­rührun­gen mit der war­men Hand) oder durch ge­än­der­te Auf­la­ge­punk­te re­sul­tie­ren können ein Viel­fa­ches davon aus­ma­chen.

Für wirk­lich ge­naue Mes­sun­gen muss die ge­sam­te Waage in ei­nem klei­nen, ge­schlos­se­nem Raum un­ter­ge­bracht wer­den (etwa un­ter ei­ner Ku­chen­haube) um Kräfte durch Luft­be­we­gun­gen oder Tem­pe­ra­tur­än­de­run­gen ent­ge­gen­zu­wir­ken und es muss abgewartet wer­den bis die­se sich ther­misch sta­bi­li­siert hat, d.h. alle Teile der Waage die glei­che Tem­pe­ra­tur an­genom­men ha­ben.

Al­ler­dings... ändert sich das Rau­schen kaum, selbst wenn man nur den zwei­ten Ein­gang misst, des­sen bei­de Pins ja fest im GND stecken, oder die Pins des A-Ein­gangs mit ei­nem Löt­zinn­klum­pen ver­bin­det. Es sieht also wirk­lich so aus, als ob der HX nur 16 oder 17 bit ohne Rau­schen ab­bil­den kann, zu­min­dest mit dem Spark­Fun-Lay­out und ohne zu­sätz­liche Maß­nah­men. Das Rau­schen liegt nicht am Sen­sor (der Wäge­zelle) oder der Ver­drah­tung da­hin, der Wand­ler selbst rauscht (zu­min­dest auf der Spark­Fun-Platine) um etwa 7 Bit!

Bei 6 mg pro bit wür­de das be­deu­ten, das mehr als 1 g nicht er­reich­bar sind! Vier Digits hät­ten dann also ge­reicht. Wie schnell doch die er­hoff­ten 24 Bit auf knapp 14 (also etwa auf ein Tau­sends­tel) schrump­fen kön­nen, wie schnell aus sie­ben Di­gits ma­gere vier wer­den...

Gauß'sches Rau­schen des Wand­lers vor­aus­ge­setzt kön­nen wir durch Mit­tel­wert­bil­dung die Gen­auig­keit er­hö­hen. Da aber nur 10 Mess­wer­te pro Se­kun­de an­kom­men müss­en wir be­reits ei­ne Se­kun­de mit­teln um das fünf­te Digit zu be­kom­men. Für das sechs­te Digit 10 s.

Längere Integrationszeiten

Ver­su­che ha­ben ge­zeigt, dass ei­ne län­ge­re In­te­grat­ions­zeit (also eine Mit­tel­wert­bil­dung über mehr als nur 8 Mess­wer­te, etwa 64, das Rau­schen auf we­nige Digits der 10 mg-An­zei­ge re­du­zie­ren kön­nen. Al­ler­dings dau­ert es dann über sechs Se­kun­den bis sich der Mess­wert sta­bi­li­siert. Das ist für ei­ne Kü­chen­waage ein­deu­tig zu viel aber wenn Sie Prä­zi­sion wol­len mag es sich ren­tie­ren, da­rü­ber nach­zu­den­ken.

Trotz­dem läuft auch dann der Mess­wert häu­fig lang­sam aber ste­tig um ei­nige 100 mg weg, was wahr­schein­lich an ther­mi­schen Un­gleich­ge­wich­ten und/oder Luft­strö­mun­gen oder ge­än­der­ten Auf­lie­ge­punk­ten der Grund­plat­te liegt...

Auflösung

Wie hoch ist sie nun? Ein Kilo­gramm macht im AD-Wert des Wand­lers mit der 10 kg-Wä­ge­zel­le rund 210.000 Counts. Über den ge­sam­ten Mess­be­reich gut zwei Mil­lionen von fast 17 Mil­lionen, die mit 24 Bits er­reich­bar wä­ren. Min­des­tens das letz­te Di­git ist Rau­schen so dass wir et­wa 100 mg halb­wegs zu­ver­läs­sig an­zei­gen kön­nen. Nun, das war ja auch das Ziel die­ses Pro­jekts so dass ich auch re­la­tiv zu­frie­den da­mit bin.

Gestatten Sie mir einen Ver­gleich: Stel­len Sie sich vor, 5 V ent­sprä­che dem stür­mischs­ten See­gang, mit 10 m ho­hen Wel­len. Mit 24 Bit wol­len wir nun Wel­len von ei­nem hal­ben tau­sends­tel Mil­li­me­ter auf­lösen! Selbst mit der Reduktion auf zwei Millionen Counts wollen wir die Höhe einer 10 m-Welle mitten im Sturm auf 0,005 mm genau mes­sen. Wir müs­sen ver­rückt sein...

Dieser sim­ple Ver­gleich er­klärt aber auch das Rau­schen. Ein paar Trop­fen sprit­zen Me­ter da­rü­ber hin­weg ohne Scha­den an­zu­rich­ten, die Haupt­wel­le taucht da­run­ter hin­durch (und führt ziem­lich si­cher zur See­krank­heit). Ein kur­zer Blick kann die wahre Wel­len­hö­he nicht er­ken­nen. Erst wenn wir Mit­tel­wer­te bil­den er­gibt sich ein re­ales Bild des See­gangs.

Nebeneffekte

Dass es schwie­rig wer­den wür­de, 10 kg mit einer Auf­lö­sung von 100 oder gar 10 mg zu mes­sen war mir von An­fang an klar. In­teres­sant fand ich je­doch, wenn man 1 g auf­legt und wie­der weg­nimmt ist die Waage wie­der auf Null. Drückt man je­doch mit der Hand da­rauf wan­dert der Null­punkt lang­sam aber ste­tig weg. Das liegt ver­mut­lich da­ran, dass mit der Hand die Wäge­plat­te auch er­wärmt wird und da­mit auch die ei­ne Sei­te des Wäge­bal­kens wär­mer wird und sich aus­dehnt. Die DMS kön­nen nicht un­ter­schei­den, ob dies an einer Tem­pe­ra­tur-Dif­fe­renz oder ei­ner tat­säch­li­chen Ge­wichts­kraft liegt. Für wirk­lich ge­naue Mes­sungen muss sich die ge­sam­te Appera­tur ther­misch sta­bi­li­siert ha­ben und auch die auf­ge­leg­ten Ge­wichte dür­fen nicht son­der­lich heiß oder kalt sein oder müs­sen zu­min­dest ther­misch von der Waage iso­liert sein (et­wa durch ei­ne auf­ge­kleb­te Kork­flie­se) . Selbst Luf­tbe­we­gung kann die Mes­sung ne­ga­tiv be­ein­flus­sen. Deshalb sind Prä­zi­sions­waa­gen stets von ei­nem Glas­käfig um­ge­ben und wer­den üb­li­cher­weise in kli­ma­tisier­ten Räu­men be­trie­ben.

Ein gu­ter Tip wä­re wohl, für die Be­fes­ti­gung der Wäge­plat­te Nylon-Schrau­ben und -Ab­stands­rol­len zu ver­wen­den um ther­mi­sche Ein­flüs­se auf den Wäge­bal­ken zu mi­ni­mie­ren.

Nun, ich habe es si­cher­lich nicht auf An­hieb ge­schafft, eine Prä­zi­sions­wagge wie z.B. von Mett­ler zu bau­en aber die Er­kennt­nis­se wa­ren für mich wert­voll und ich hof­fe, auch für Sie!

Ich wollte eine Waage, die 10 kg im Sub-g-Be­reich auf­löst und die ha­be ich nun. Manch­mal will ich halt nicht ein­fach nur Ku­chen backen son­dern an­de­re klei­ne Ge­wich­te mes­sen.

Wozu sonst braucht man sonst so ei­ne ho­he Auf­lö­sung? Nun, ei­ne Zähl­waage wä­re ein denk­ba­rer Ein­satz. Da­zu bräuch­te man al­ler­dings noch ein oder zwei Tas­ter mehr, bes­ser noch ei­ne Zeh­ner­tas­ta­tur. Dann könn­te man einen Sack vol­ler Bau­tei­le (je­des mit nur ei­ni­gen 10 mg Ge­wicht) auf's Stück ge­nau zäh­len.

Vom Wand­ler hat­te ich mir ur­sprüng­lich mehr ver­spro­chen aber er hat es lei­der nicht ge­hal­ten.

Mechanische Konstruktion

3d-Ansicht KiCad Ich ha­be zwei Alu-Front­plat­ten ver­wen­det (19", 42 TE, 3 HE, die bei uns im La­ger wa­ren...), die ich über die Wäge­zelle ver­setzt über­ei­n­an­der mon­tiert ha­be, so dass auf der un­teren Plat­te ge­nug Frei­raum blieb um die Lei­ter­plat­te und den Bat­terie­hal­ter zu­gäng­lich zu hal­ten. Die bei­den Lö­cher links oben und un­ten die­nen nor­ma­ler­wei­se der Auf­nah­me von Front­plat­ten-Hal­te­run­gen. Nicht schön, aber sie wa­ren nun mal da...

Fünf selbst­kle­ben­de Gum­mi­füße (an den vier Ecken und in der Mit­te, um ei­ne Durch­bie­gung der Grund­plat­te zu re­du­zie­ren) sor­gen für eine ad­äquate Auf­lage auf dem Kü­chen­tisch. Bei un­ebe­nen Auf­lage­flä­chen darf nicht mit ge­nau­en Mes­sun­gen ge­rech­net wer­den!

Alle Lei­tun­gen (zur Wä­ge­zel­le und zur Bat­terie) habe ich un­ten an der Lei­ter­plat­te an­ge­lö­tet. Da­mit ist si­cher­ge­stellt, dass die­se nicht mit der be­weg­li­chen Wä­ge­plat­te in Kon­takt kom­men und da­mit das Er­geb­nis ver­fäl­schen könn­ten.

Man könn­te auch zwei Früh­stücks­bret­ter da­für neh­men und wenn man in Holz­be­ar­bei­tung et­was Er­fah­rung hat kann es hin­ter­her rich­tig gut aus­se­hen... Zu­sätz­lich wäre Holz vor­teil­haft was Shock-Ab­sorp­tion und Wär­me­lei­tung be­trifft.

Diese Kon­struk­tion schützt al­ler­dings, wie be­reits er­wähnt, die Wäge­zel­le nicht vor Über­last, ins­beson­dere auch nicht vor puls­för­migen Über­las­ten. Wenn selbst ein leich­tes Teil, wie z.B. ein Ess­löf­fel, aus re­la­tiv ge­ringer Hö­he auf die Wäge­plat­te fällt, oder gar die ge­sam­te Waage auf den Bo­den fällt, kön­nen die 12 kg Ma­xi­mal­last kurz­zeitig über­schrit­ten wer­den und die Wäge­zelle be­reits dauer­haft schä­di­gen! Manch­mal wirkt sich das viel­leicht gar nicht aus, manch­mal mag sich das durch ei­ne Neu­ka­li­brie­rung er­le­di­gen las­sen, manch­mal ist das Ding dann aber auch ein­fach ka­putt. Es mag zwar noch wie­gen aber nie­mals mehr die an­vi­sier­te Ge­nauig­keit er­rei­chen.

Fixieren Sie alle Lei­tun­gen die von der Wä­ge­zel­le oder von der Bat­terie zur Schal­tung gehen un­be­dingt an der Grund­plat­te (und sei es nur mit Kle­be­band) und le­gen Sie kei­ne Re­ser­ve­schlau­fen. Wir brauc­hen ke­ine Re­ser­ve. Kap­pen Sie al­le Dräh­te so dass sie so lan­ge sind wie nö­tig. Kein Draht darf die Wäge­plat­te be­rüh­ren da diese Kraft die Wä­gung be­ein­flus­sen wür­de.

Im vor­ste­hen­den Foto se­hen Sie wie ich die Lei­tun­gen mit Iso­lier­band an der Grund­plat­te fix­iert ha­be. Die Bat­terie-Lei­tun­gen wa­ren zu die­sem Zeit­punkt noch nicht an­ge­schlos­sen. Die un­ver­meid­li­che mi­ni­ma­le Re­ser­ve wur­de im 90°-Win­kel auf der Grund­plat­te fixiert. Kein Draht darf nach oben her­vor­ste­hen und mö­gli­cher­wei­se die Wä­ge­plat­te be­rüh­ren.