Elektronische Schwerpunktwaage

Im Modellfliegerurlaub in Österreich hatte ich vor 2-3 Jahren jemanden getroffen der eine elektronische Schwerpunktwaage dabei hatte und sie den Fliegerkollegen vorgeführt hat. Das Teil war der neueste Schrei und aus Kunststoffteilen 3D gedruckt. Die Waage zeigte das Gewicht des Modells sowie den aktuellen Schwerpunkt auf einem kleinen Display an. Der Preis war gepfeffert, ca. 600 €, also schnell wieder vergessen. Durch Zufall fand ich im RC-Network Forum einen Beitrag über den Selbstbau einer solchen Schwerpunktwaage und darum geht es in diesem Bericht. Der gesamte Thread im RC-Network Forum heißt "Schwerpunktwaage mit Arduino" umfasst bis heute (Feb-2022) 69 Seiten und über 1370 einzelne Beiträge. Das meiste davon muß man nicht lesen und kann man sich getrost schenken, deshalb werde ich mich hier auf die relevanten Stellen mit Inhalt beschränken die sich tatsächlich um den Bau der Waage drehen. Ich werde die Textstellen, die Urheber und natürlich auch die Quellen der Dateien nennen die das ganze Projekt möglich gemacht haben. Von der Waage gibt es etliche Versionen in den unterschiedlichsten Ausführungen. Wer mehr dazu wissen möchte, dem empfehle ich den ganzen Thread im Forum aufmerksam zu lesen. Wir werden uns hier nur mit der von mir nachgebauten Version befassen. In der Fotogalerie findet ihr wie immer eine Reihe von Baustufenfotos zum Bericht. Viel Spaß beim nachbauen.

Benötigte Bauteile:

Um die Schwerpunktwaage nachzubauen brauchen wir diverse gefräste Holzteile und elektronische Komponenten. Die Teile sind alle recht einfach zu beschaffen und kosten nicht die Welt. Ich habe meine Bauteile mit Ausnahme der Holzteile bei ebay gefunden. Meine Holzteile sind aus 12mm Siebdruckplatte und die hat mir ein Fliegerkamerad gefräst. Man kann natürlich auch Multiplexplatten nehmen. Ich würde aber nicht unter 10mm Stärke gehen. Die Waage soll ja später mehrere Kilogramm schwere Modelle "tragen" können. Wer keinen Zugang zu CNC gefrästen Holzteilen hat, kann sich die Teile auch konventionell herstellen. Die Form ist relativ egal. Im Forum war der User "Nightflyer88" so freundlich und hat seine Fräsdateien für die von ihm entworfene Waage den anderen Benutzern zum privaten Gebrauch zur Verfügung gestellt.

Sollten die direkten ebay Links nicht mehr funktionieren, einfach den Text dazu als Suchbegriff verwenden. Das klappt meistens.

  • Ein kleines 1,3 Zoll Display mit 4 Anschlusspins: 1.3" 4PIN White OLED LCD Display Module IIC I2C
  • 3 Wägezellen aus Aluminium mit 5 Kg Bereich: Wägezellen mit größerem oder kleinerem Bereich gehen auch.
  • 3 A/D-Wandler Module zum auslesen der Wägezellen: HX-711 Module
  • Ein mini WLan Mikrocontroller-Board z.b. ein Wemos D1 Mini
  • zwei 10 KiloOhm Widerstände
  • ein Stück Lochrasterplatine als Stromverteilung
  • Verschieden farbige dünne Kabel z.b. aus einem alten Netzwerkabel.
  • 4 Möbelverstellfüße:  M8 mal 40 mm
  • 6 Metallschrauben Senkkopf M5x25
  • 3 Metallschrauben Senkkopf M4x20

Natürlich brauchen wir auch entsprechende Software um unseren Microcontroller damit zu füttern. Die Software und die komplette Dokumentation dazu stammt auch von "Nightflyer88" und ist kostenlos auf dieser Github Seite zu finden: Startseite auf Github zur Schwerpunktwaage

Ich empfehle dringend diese Seite genau zu studieren. Hier werden alle relevanten Dinge zum Aufbau, zur Software, zur Einrichtung, zur Kalibrierung der Wägezellen, zum Webinterface usw. erklärt. Ich werde im Verlauf des Bauberichtes noch auf den einen oder anderen Fallstrick eingehen und Tipps zur Vermeidung geben.

Vorraussetzungen zum Bau:

Um dieses Projekt erfolgreich umsetzen zu können, sollte man ein paar Voraussetzungen mitbringen. Zum einen muß man schon mal gehört haben was ein Arduino oder ein Mikrocontroller Board ist und was man damit machen kann. Zum anderen sollte man einigermaßen gut löten können und das passende Equipment dazu haben. Ein 300 Watt Lötkolben für Dachdecker ist hier ungeeignet ;-)  Wer absolut keine Kenntnisse im Umgang mit Mikrocontrollern und Arduino oder Elektronik im allgemeinen hat, dem rate ich dringend dazu, sich erstmal mit dem Thema auf Anfängerbasis auseinanderzusetzen. Das Internet und speziell YouTube bietet dazu unglaublich viele Anleitungen, Kurse und Tutorials. Handwerkliche Fähigkeiten und eine gewisse Hartnäckigkeit wenns mal nicht so läuft, setze ich bei Modellfliegern einfach voraus.

Ich möchte hier niemanden abschrecken mitzumachen, aber solche Projekte neigen einfach dazu, auch mal kräftigen Frust zu erzeugen weil einfach nichts gelingen will und man nicht weiterkommt. Das sieht man an den vielen Beiträgen im Forum, die sich ausschließlich mit den aufgetretenen Fehlern und deren Beseitigung beschäftigen. Auch ich bin von solchen Fehlern nicht verschont geblieben.

Wer jetzt bis hierher gelesen hat und immer noch mitmachen will, der hat glaub ich ganz gute Chancen das Projekt auch erfolgreich abzuschließen.

Jetzt geht`s los:

Ich habe die Holzteile meiner Waage miteinander verschraubt, so daß sie demontierbar bleibt, weil man sie ja nicht täglich braucht. So kann man sie platzsparend verstauen. Auf der Unterseite der Grundplatte sind die Ausfräsungen für die Elektronik und die Kabel. Die Kabelkanäle sollten tief genug gefräst sein um alles problemlos unterzubringen. Die Fräsdateien gehen nur 6mm tief, meiner Meinung nach zu wenig. 8mm sind hier aber ausreichend. Um die dünnen Kabel zu schonen habe ich alle Ecken der Ausfräsungen mit einem Stechbeitel 45° abgeschrägt. Alle Kanten der Holzteile innen und außen schön mit dem Schleifklotz brechen. Als nächstes setzen wir die 4 Einschlagmuttern für die Möbelfüße in ihre Bohrungen und ziehen sie mit einer M 8 Schraube ins Holz bis sie bündig sitzen. Die restlichen Teile werden jetzt zusammengesetzt und miteinander verschraubt. Das muß man, glaube ich, nicht näher beschreiben, oder? Eine Besonderheit ist beim Aufbau zu beachten. Die Wägeplatte darf nicht fest mit den 3 Wägezellen verbunden werden da sie sich so gegenseitig beeinflußen und falsche Werte anzeigen. Wir brauchen also eine "schwimmende" Montage der Wägeplatte auf den Wägezellen. Ich habe das gelöst, in dem ich eine M4x20 Senkkopfschraube am Gewindeende etwas angespitzt und in die Wägezelle eingeschraubt habe. In die Wägeplatte wurden entsprechende Gegenlager aus Metall eingesetzt. Diese Teile habe ich bei mir mit der Drehmaschine angefertigt. Man kann diese Teile aber auch ohne Drehmaschine anfertigen. Als gegenlager eignen sich z.b. auch passende Innensechskantschrauben. Die Wägeplatte liegt also später nur auf 3 Punkten auf. Lange Rede kurzer Sinn. Das ganze am besten in der Fotogalerie anschauen. Die Software bietet die Möglichkeit bestimmte Abmessungen der Waage, also die Abstände zwischen den Wägezellen und Referenzgewichte anzugeben, damit die Software richtig rechnen kann. Somit kann die Form der Waage und deren Ausmaße den eigenen Bedürfnissen angepasst werden. Details dazu findet man im Forum oder auf der Github Seite von Nightflyer88. Soviel erstmal zum Aufbau der Holzteile.

Einbau der Elektronik:

Wir haben also die Holzteile unserer Waage zusammengebaut und wollen jetzt die Elektronik auf der Unterseite der Grundplatte einbauen. An dieser Stelle empfehle ich die heruntergeladene Software auf unser Mikrocontroller Board zu laden. Wird für die Schwerpunktwaage ein ESP8266 Mikroprozessor verwendet, also z.b. der genannte Wemos D1, ist eine WiFi Funktion mit einer grafischen Webseite an Board. Dadurch ist man in der Lage bereits vor dem Einbau und der Verkabelung zu testen ob alles läuft und die Webseite auch am Handy oder PC erreichbar ist. Hierzu bitte die ausführliche Anleitung von Nightflyer88 auf seiner GitHub Seite beachten und wie dort beschrieben vorgehen. An dieser Stelle verweise ich auch auf die letzte Seite dieses Bauberichtes "Fehler und wie man sie vermeidet".

Ich habe die A/D Wandler Module, das MCU Board und die kleine Lochrasterplatine zur Stromversorgung mit doppelseitigem Klebeband in ihre vorgesehenen Vertiefungen geklebt. Das Display habe ich vorher verkabelt, dann in die Vertiefung eingelegt, ausgerichtet und mit Heißkleber an den 4 Ecken fixiert. Siehe Fotos in der Galerie. Wie die Komponenten miteinander verkabelt werden, ist sehr schön auf diesem Schema erklärt. Auf der Seite ganz runterscrollen. Das Bild kann man runterladen und vergrössert anzeigen. So sieht man genau welches Kabel an welchen Anschluss gelötet werden muß. Die gesamte Verkabelung ist einigermaßen aufwendig, da man jedes (Daten)Kabel separat am MCU anlöten und ablängen muß. Die A/D Wandlermodule und das Display dürfen auch nur mit 3,3 volt betrieben werden. Wir werden die Waage später aber mit einem normalen 4-zelligen Akku betreiben, der 5 volt oder mehr hat. Zum Glück ist auf dem MCU Board ein 3,3 volt Anschluß vorhanden den wir nur anzapfen müssen. Zur leichteren Stromverteilung fertigen wir uns eine kleine Lochrasterplatine an. Meine hat die Maße 30x24 mm und enthält 9 Kupferbahnen. Diese Platine nutzen wir um das Akkukabel anzuschließen, zwei 10 Kiloohm Widerstände als Spannungsteiler für die Batterieanzeige aufzulöten und eine Plus, eine Minus sowie eine 3,3 volt Schiene anzulegen. Ein Foto in der Galerie erklärt das ganze besser. Als Akkuanschlusskabel wird ein normales 2-adriges Kabel mit Servostecker verwendet. Wir legen ein kurzes Kabel vom 3,3 Volt Pin des MCU Boards an die 3,3 Volt Schiene der Platine. Von hier aus versorgen wir einmal das Display und zum anderen die drei A/D Wandler Module die einfach in Reihe geschaltet werden. Die Masseleitungen werden von der Masse Schiene aus verlegt und auch in Reihe an die Wandler Module gelötet. Als nächstes wird das MCU Board, ausgehend von der Verteilerplatine mit +5 Volt und Masse versorgt. Die Kabel der Wägezellen können jetzt gekürzt und an die Module laut Verkabelungsschema angelötet werden. Was noch fehlt sind die Datenleitungen der Wandler zum MCU Board. Hier wird jedes Modul separat nach dem Anschlußschema an die MCU angeschlossen. Nachdem die Kabel verlötet sind, wird alles nochmal gründlich auf Fehler überprüft, bevor wir zum ersten Mal Spannung an das Gesamtkunstwerk anlegen. Wir schließen einen 4-zelligen Akku an (max.5 Volt).Nach kurzer Zeit hat die MCU gebootet und das Display sollte sich melden.

Das sieht dann so aus: 

Wenn die Waage betriebsbereit ist zeigt sich dieser Bildschirm: 

Wenn wir jetzt auf die einzelnen Wägezellen drücken sollte bereits eine Gewichtsanzeige im Display sichtbar sein.

Ist das der Fall haben wir alles richtig gemacht.

Eistellen und Konfigurieren:

Der Einbau der Elektronik Komponenten ist jetzt erfolgreich abgeschlossen. Damit die Waage auch verlässliche Ergebnisse anzeigt, muß sie konfiguriert und eingestellt werden. Der Einfachheit halber und weil Nightflyer88 das ganze Procedere auf seiner Seite sehr gut beschrieben hat, werde ich die einzelnen Schritte nicht nochmal beschreiben sondern nur verlinken.  Als erstes rufen wir die Webseite der Schwerpunktwaage mit dem PC oder Handy im jeweiligen Browser auf. Wer die Waage zum ersten mal startet, beginnt am besten hier zu lesen und sich an die Anleitung zu halten. Wenn die eigenen WLan Daten bereits vorher konfiguriert und gespeichert wurden, die Waage sich also im eigenen WLan befindet, reicht es die IP adresse die der Router unserer Waage zugeteilt hat aufzurufen. Nachdem die Webseite aufgerufen wurde klicken wir uns dann zu dieser Seite durch und geben hier die Maße ein, die wir an unserer Waage gemessen haben.  Da die Waage ja diverse Formen und Größen haben kann ist es wichtig hier die richtigen Angaben zu machen. Die Software muß die Geometrie unserer Waage kennen um richtig zu rechnen.

Die Meßzellen müssen aufgrund von Fertigungstoleranzen kalibriert werden. Diese ermittelten Faktoren müssen der Software auch mitgeteilt werden. Die Standarteinstellung der Faktoren ist 900. Die Software bietet eine Möglichkeit zur automatischen Kalibrierung der Wägezellen. Das hat bei mir aber trotz mehrfacher Versuche nie richtig funktioniert. Es wurden immer irgendwelche utopischen Kalibrierfaktoren ermittelt und die Waage zeigte entsprechenden Blödsinn an. Ich habe die Faktoren daher auf altmodische Weise mit jeder Wägezelle einzeln ermittelt und gespeichert. Dazu stellt man ein bekanntes Referenzgewicht auf die Zelle und verändert jetzt den Faktor auf der Webseite solange, bis das angezeigte Gewicht mit dem tatsächlichen Gewicht übereinstimmt. Nach jeder Änderung speichern nicht vergessen. Erst nach dem speichern wird der neue Faktor umgerechnet. So werden alle drei Messzellen einzeln kalibriert. Danach wird die Wägeplatte auf die Auflagespitzen gelegt und die Waage erstmal über die Webseite tariert. Das Display sollte dann 0g anzeigen. Darauf achten daß die Waage genau im Wasser steht. Wie jede andere Waage auch, reagiert diese auf jede kleine Abweichung aus der Ebene mit falschen Werten. Ich habe mir deshalb eine kleine Libelle auf die Wägeplatte geklebt und justiere sie jedesmal vor einem Wägevorgang mit den verstellbaren Füssen. Dann stellen wir nochmal ein etwas schwereres Referenzgewicht in die runde Aussparung der Wägeplatte und vergleichen die Anzeige mit dem tatsächlichen Gewicht. Die sollten jetzt ziemlich übereinstimmen. Wenn nicht müssen die mechanischen Abmessungen der Waage auf Richtigkeit geprüft und die einzelnen Meßzellen nochmal kalibriert werden. Am besten man überprüft die Waage mit einem Modell dessen genaues Gewicht und Schwerpunkt bekannt sind. Man kann die Waage auch mit einem rechteckigen Holzbrett, dessen Gewicht und Schwerpunkt bekannt sind, prüfen. Das ist wohl am einfachsten.

Jetzt bleibt nur noch übrig die Elektronik Komponenten und die Verkabelung adequat zu schützen. Ich habe Balsaholzstreifen und Plättchen bündig in die Kabelkanäle und Vertiefungen eingelegt und diese dann mit Tesastreifen abgeklebt. So kommt man für eventuelle Reparaturen jederzeit wieder an die Komponenten.

Damit ist das Bauprojekt Elektronische Schwerpunktwaage abgeschlossen. Ich hoffe der Nachbau hat Spaß gemacht und konnte mit Erfolg beendet werden.

 

Gruß erstmal   Stefan Köhler

 

 

 

 

 

 

 Fehler und wie man sie vermeidet:


Aufspielen der Software: Es gibt zwei Möglichkeiten den Mikrocontroller zu programmieren. Einmal mit der Arduino Software oder der Software "NodeMCU Py-Flasher" . Das programmieren mit Arduino  erfordert meiner Meinung nach wesentlich mehr Vorkenntnisse und ist komplizierter auszuführen. Ich empfehle deshalb speziell für diese Anwendung den NodeMCU Py-Flasher. Diese Software muß nicht auf ihrem PC installiert werden, ist einfach zu bedienen und steht auf der GitHub Seite des Projektes zum Download zur Verfügung. Macht man es dennoch mit Arduino, trifft man vermutlich auf ein Problem. Das liegt zum teil an unterschiedlichen Versionen der benötigten Libraries. Möglicherweise sind dann einige Funktionen der Software nicht verfügbar. Wie z.b. das automatische Kalibrieren der Messzellen oder das Speichern von eigenen Modellen. Mir ist es jedenfalls mehrfach so ergangen nachdem ich mit Arduino programmiert hatte, mit dem Py-Flasher passierte das aber nicht.

Erster Aufruf der Webseite:

In der Anleitung zur Einrichtung der Waagensoftware steht, daß nach dem Aufspielen der Software ein W-Lan "CG-Scale" erzeugt wird und man, nach dem man sich mit diesem W-Lan verbunden hat, eine Webseite auf dem Handy oder dem PC aufrufen kann. Das Wlan wird auch erzeugt, man kann sich auch damit verbinden, aber der Aufruf der Webseite im Browser gelingt weder mit Windows auf dem PC noch mit Android auf dem Handy. Mit einem Notebook auf dem Linux-Mint läuft hat es dagegen immer sofort funktioniert. Weder ich noch die Experten im Forum haben dafür eine Erklärung. Erst nach der Eingabe und Speicherung der eigenen Heimnetz Wlan Daten auf dem MCU Board ( Das ging ja nur mit dem Linux-Notebook) war auch Windows sowie Android in der Lage die Webseite aufzurufen.

Webseite kann auf einem Android Handy nicht aufgerufen werden:

Bei mir kam es oft vor daß, obwohl meine eigenen Heimnetz WLan Daten in der MCU gespeichert waren, die Webseite auf dem Handy dennoch nicht aufgerufen werden konnte. Es kam eine Fehlermeldung "Verbindung fehlgeschlagen-Zeitüberschreitung...usw........" Die Lösung fand ich im Internet. Ich zitiere:

Probleme mit Android-Gerät

„geh bitte mal auf „Einstellungen > Verbindungen > WLAN“, wähl dann dein WLAN aus, tippe auf „Erweiterte Optionen anzeigen > IP Einstellungen“ und wechsle hier zwischen „DHCP“ und „Statisch“.

Bei mir hat das geholfen und die Webseite wird jetzt auch problemlos im Handy angezeigt.  Möglicherweise löst das auch das Problem welches beim ersten Aufruf der Webseite vorkommen kann. Muß ich mal extra ausprobieren.