CG-SCALE
Váha pro měření těžiště modelu

Návod na sestavení CG-SCALE – váhy pro zjištění těžiště modelu letadla

Vážený modeláři,
máte v ruce stavebnici jednoduchého elektronického zařízení, kterým se dá snadno zjistit poloha těžiště na vašem modelu. Tuto stavebnici jsme připravili na základě zájmu právě vás, modelářů.

model na váze
Model o rozpětí 850mm na váze

Váha nepředstavuje nic objevného a podobné konstrukce se mezi zahraničními modeláři začaly objevovat cca od roku 2016. Základem elektroniky je Arduino Nano, ke kterému jsou připojené „vážící“ senzory a další součástky. Pro vyšší komfort je zařízení vybaveno měřením napětí napájecí baterie a současně je indikován pokles napětí pod nastavenou mez (defaultně 7V) „pípákem“. „Pípák“ slouží také k indikaci různých stavů zařízení při používání. Stavebnice obsahuje také 4-žilový kabel na propojení váhy s externím displejem. Jiné vodiče stavebnice neobsahuje – doporučujeme použít kablíky (lanka) o průřezu 0.2-0.3mm2 (AWG 24 – 22). Výborně se hodí např. „servokabely“. Nepoužívejte „tvrdé“ dráty u kterých při manipulaci hrozí zlomení.

U podobných zařízení bývají konstrukční díly obyčejně vyrobené na 3D tiskárnách – v této stavebnici jsou hlavní díly z překližky (bříza 5 a 3mm, topol 4mm). Překližka se dobře lepí, dá se případně snadno upravit řezáním a broušením atd. Pokud zjistíte, že se dodané díly (zejména podpěry křídla) pro váš model úplně přesně nehodí, tak si je jistě dokážete upravit nebo vyrobit nové. Překližkové díly ve stavebnici jsou vyrobeny vyřezáním laserem. Překližka nemusí být vždy zcela homogenní (ve vnitřních vrstvách může být klidně suk) a někdy se stane, že díl není vyříznut dokonale. Buďte prosím v těchto případech shovívaví a díl po obvodu dořízněte např. odlamovacím nožem nebo lupínkovou pilkou. Nůž doporučujeme použít i na přerušení „můstků“ za které díly drží v desce. Ačkoli se díly dají z desky i jen vylomit, použití nože je jistější. Při vylamování může snadno dojít k odštípnutí dřeva. Odolnost hran proti vyštípnutí zvýšíte mírným zaoblením jemnějším smirkem (150 - 200) – doporučujeme tak opracovat volné vnější hrany (na které nebude nic přilepeno). Jednotlivé materiály jsou také vyrobeny s tolerancemi. Např. překližka tl. 5mm může mít skutečnou tloušťku 4.9-5.2mm, obdobně je to u překližky tl. 3mm a dokonce i tloušťka cuprextitu (materiál na desky plošných spojů) se může od tloušťky udávané výrobcem lišit o setiny až desetiny. Pokud vám díly nebudou do sebe přesně pasovat, upravte je prosím mírným přibroušením pilníkem nebo smirkem.

Obslužný program je v Arduino Nano již nahrán. Neberte to prosím ale tak, že vše jen pozapojujete, připojíte napájecí baterii a váha bude hned na první zapojení fungovat. Kromě toho, že pro správnou funkci musí být vše správně zapojeno je nutné před prvním použitím váhu zkalibrovat. Také se hodí, abyste uměli do Arduino Nano obslužný program nahrát. To vám umožní program upravovat – např. změnit texty, které se zobrazují na displeji, změnit napětí indikace vybití baterie, změnit rozměrové parametry váhy (to kdybyste si chtěli vyrobit vlastní podpěry pod křídlo) atd.

Pokud nemáte kvalitní vybavení na letování a neumíte pracovat s Arduinem důkladně zvažte, zda do stavebnice opravdu půjdete. Řešením by bylo pořízení hotové váhy. Když bude dost zájemců, třeba na to dojde.

Hned na úvod celkové schéma zapojení elektroniky abyste věděli, co vás čeká:

model na váze

Základní informace pro sestavení:
  • Stavebnice je koncipována tak, že lze sestavit konstrukční část a elektroniku zcela samostatně.
  • Pro letování používejte výhradně mikropájku.
  • Konce vodičů před přiletováním důkladně pocínujte.
  • Dbejte na správnou polaritu napájení jednotlivých komponent.
  • Zajistěte, aby mezi kabely a jednotlivými elektro součástmi nemohlo dojít ke zkratu.
  • Jednotlivé elektro komponenty lze spojovat jak kablíky s konektory (dupont), tak přiletováním kablíků – volba je na vás. Např. rozvodná deska pro mikrospínače je připravena pro případné použití pinových lišt na rozvod + -.
  • 5V (konektory ani pinové lišty nejsou součástí stavebnice).
model na váze
Pro základní představu o velikosti váhy schéma s hlavními rozměry

Obsah stavebnice:

Konstrukční části

  • Deska 1 – překližka 5mm … hlavní nosné díly stojanu
  • Deska 2 – překližka 5mm … hlavní nosné díly stojanu, krabička pro displej
  • Deska 3 – překližka 3mm … kryt vážících hranolů, úchyty víka krabičky displeje
  • Deska 4 – překližka 4mm … distanční podložky pro přišroubování displeje
  • Víko – průhledný plast tl. 1.5mm

Spojovací materiál

  • 4x M4x15 … upevnění měřících hranolů k základně stojanu
  • 6x M4x10 … upevnění podpěr a krytu na měřící hranoly
  • 4x M3x10 … upevnění silikonových podpěrek do překližkových podpěr
  • 4x matice samojistná M3
  • 8x podložka velkoplošná 3
  • 4x vrut 2.5x6 … upevnění displeje
  • 4x vrtut 3x10 … spojení víka a krabičky displeje
  • 6x šroubky upevnění spodního průhledného víka ke stojanu nejsou součástí stavebnice, doporučujeme použít šroubky z příslušenství malých serv

Elektronika

  • Arduino Nano vč. USB kabelu (s nahraným programem – bez kalibrace!)
  • 2x měřící hranol 5kg
  • 2x převodník HX711
  • 1x displej 16x2 I2C
  • 1x stepdown 5V (pevně nastaven)
  • 1x odpor 1k ohm
  • 1x odpor 10k ohm
  • 3x mikrospínač 6x6mm
  • 1x piezo bzučák 5V

Ostatní

  • 1x rozvodná deska pro mikrospínače
  • 1 pár konektor XT60
  • 1x tlačítka (3D tisk)
  • cca 0.5m 4-žilový kabel

Program pro Arduino:

download ... stáhněte si program (ZIP archiv)

Postup sestavení dřevěných dílů:

1. Co ve stavebnici najdete. Poznámka: Jak tak koukám na fotku, tak v sáčku s Arduinem chybí vážící senzory, převodníky a displej. Každopádně v seznamu výše jsou, stejně tak je najdete v zásilce.

obsah

2. Výjimečně nemusí být vše úplně perfektně proříznuto. Vady snadno doříznete odlamovacím nožem nebo v nejhorším lupínkovou pilkou.

vada řezu

3. Připravte si hlavní díly stojanu.

hlavní díly stojanu

4. Sestavte a jen bodově slepte základnu stojanu a zkontrolujte, zda není zkroucená (stabilně stojí na rovné podložce). Pozor na umístění jednotlivých dílů. Orientujte se podle fotky. Provizorně osaďte také desku pro mikrospínače (tu nelepte!). Dva úzké otvory v horní desce musí být vpředu (osazuje se do nich deska s mikrospínači). Obdobně úzké výřezy v bočnicích musí být vpředu. V jedné z bočnic je vybrání pro kabel připojení displeje. Můžete si vybrat, na kterou stranu kabel vyvedete.

základna zespodu

5. Důkladně slepte základnu stojanu. Desku pro mikrospínače vyjměte.

základna shora

6. Sestavte a důkladně slepte přední a zadní podporu. Pozor na orientaci bočnic.

přední a zadní podpora

7. Ze silikonové hadice odřízněte 4 kroužky šíře 5mm a upevněte je do bočnic (šroub M3x10 … podložka … silikonový kroužek … podložka … samojistná matice M3). Silikonové podpěrky musí nad obrys překližky přesahovat max. 3mm. Pokud budou přesahovat více, mohou se při zatížení deformovat a zkreslovat tak vážení a výpočty.

silikon detail

8. Sestavte kryt vážících hranolů. Nejprve jen bodově slepte „korýtko“, zkontrolujte pravoúhlost bočnic. Použijte dva šrouby M4x15 jako středící čepy a vlepte vnitřní podložku. Ve spojích mají díly přídavky pro obroušení opálených povrchů.

vnitřek krytu

9. Přesahy obruste smirkem 80-120 a pak celý díl obruste do hladka vč. sražení hran smirkem 150-200.

obroušený kryt

10. Nasucho bez lepení sestavte krabičku pro displej. Pozor na umístění kratšího bočního dílu s vybráním pro kabel. Displej musí být v krabičce umístěn tak, aby mezery mezi deskou displeje a bočnicemi krabičky byly stejné (cca 3mm na delších hranách a cca 9mm na kratších stranách). Ve spojích mají díly opět přídavky na obroušení opálených povrchů. Pokud vše sedí, vyjměte displej. Do víka krabičky zasuňte úchyty z překližky 3mm.

displej v krabičce

11. Krabičku důkladně slepte. Přilepte také úchyty z př.3mm k víku.

slepené kryt a víko

12. Do kratších stran krabičky vlepte podložky pod displej z př. 4mm.

podložky pod displej

13. Na bocích krabičky zahlubte otvory pro spojovací vruty a krabičku sešroubujte čtyřmi vruty 3x10. Krabičku obruste.

zahlubovák

14. Překližka může mít kaz. Modelář si ale poradí.

oprava překližky

15. Všechny vnější hrany lehce srazte (tip: mnohem lépe se to dělá před slepením).

obroušení hran

16. Zahlubte otvory pro šrouby se zápustnou hlavou.

zahloubení všech otvorů pro šrouby

17. Vyzkoušejte, jak do základny stojanu pasují konektor, „pípák“ a tlačítka. Pokud je třeba, u konektoru a „pípáku“ upravte tvar otvorů. U tlačítek se někdy mohou objevit drobné otřepy na bocích – po odstranění by se v otvorech měla tlačítka pohybovat opravdu volně. Nic nelepte!

zkouška vsazení vybavení

Sestavení elektroniky:

1. U vážících senzorů postačí délka kablíků cca 10cm. Odstřihnuté kablíky lze použít jako propojovací.

vážící senzory

2. Propojovacích kablíků je potřeba celkem dost. Pro zjednodušení mají všechny délku 15cm. Všechny konce vč. konců u vážících senzorů je nutné řádně ocínovat. Tip: zcela postačí tenké kablíky např. z 9-žilového prodlužovacího kabelu s konektory RS-232. Se silnými kablíky bude horší práce při závěrečné kompletaci a při umísťování elektroniky do podstavce.

propojovací kablíky

3. Ze dvou odporů 10k a 1k sestavte tzv. dělič napětí a přiletujte je na stepdown měnič. Pozor na umístění odporů. Na + je připojen odpor 10k, na – odpor 1k (nápověda: odpor s výraznějším červeným proužkem je 10k). Odpory přiletujte na vstup stepdown (IN).

stepdown s děličem

4. Stepdown s odpory přiletujte na konektor XT60. Na spojené nožky odporů přiletujte kablík (výstup z děliče).

přiletování konektoru

5. Na stepdown přiletujte kablíky +-. Pozor: Měnič může být jiný než na fotkách, každopádně kablíky přiletujte na výstup +-.

přiletování kablíků

Jako stepdown se osvědčila verze USB s pevně nastaveným napětím na 5V. Při použití levnějšího obyčejného stepdown se může stát, že zobrazované napětí napájecí baterie bude kolísat klidně v rozsahu +-1V. Na fotce je jiný vhodný stepdown, který můžete najít ve stavebnici. Zásuvka USB ničemu nevadí. Nedoporučujeme snažit se ji odstranit. Ne, že by to nešlo, ale je to zbytečné riziko poškození modulu. Kablíky snadno přiletujete na spodní straně modulu.

jiný stepdown

6. Kablíky u 4-žilového kabelu jsou na jedné straně pocínovány, na druhé straně jsou nakrimpovány dupont (servo) konektory. Ne že by se na piny na displeji nedalo letovat, ale konektor vypadá přeci jen „profesionálněji“.

přední a zadní podpora

7. Naletujte kablíky na „pípák“. Pozor na + (nápověda: delší nožička).

pípák

8. K rozvodné desce přiletujte mikrospínače a kabeláž vč. napájení, „pípáku“ a 4-žilového kabelu. Pozor: Mikrospínače se letují ze strany mědi. Pokud je budete chtít z nějakého důvodu letovat ze strany bez mědi, dejte si pak pozor na správné připojení kablíků od mikrospínačů k Arduino Nano. Po letování doporučujeme proměřit (propípat) desku pro ověření funkce mikrospínačů a zda není někde zkrat (drobná kulička cínu se snadno přehlédne). A ještě jednou pozor: Mikrospínače zaražte do desky co do jde, mezi mikrospínačem a deskou musí zůstat mezera cca 1mm. Když je dostatečně nezarazíte, tak pak bude problém v návaznosti na tlačítka. Ideálně mikrospínače osaďte do desky a ještě před přiletováním desku zasuňte do základny (předtím umístěte tlačítka) a ověřte, zda vše sedí. Mezi tlačítky a mikrospínači by měla zůstat malá mezera.

deska mikrospínačů

9. K převodníkům HX711 přiletujte vážící hranoly a kablíky pro připojení k Arduino Nano. Na fotce jsou převodníky nad sebou a oba plusy a oba mínusy na deskách nad sebou jsou propojeny použitím pinů z pinové lišty. Od převodníků tak vede pouze jeden kablík + a jeden -.

převodníky HX711

10. Následuje asi nejobtížnější část práce na elektronice, a sice naletování kablíků na desku Arduino Nano. Pracujte opatrně a důkladně.

sletování elektroniky

11. Připojte napájení. Doporučujeme napoprvé elektroniku napájet z USB počítače. V Arduino Nano je program už nahrán. Pokud se rozsvítí displej a bude něco ukazovat je to dobré znamení. Neděste se, pokud bude ukazovat třeba „nan“. To jen znamená, že v Arduino Nano nejsou zadány konstanty pro práci s vážícími hranoly. Odpojte napájení.

12. Další zapnutí už proveďte připojením baterie 2-3S LiPol nebo ke stabilizovanému zdroji 8-15V při současném stisknutí prostředního tlačítka. Na displeji se objeví nápis EEPROM Reset – signalizace resetování obsahu paměti Arduino Nano.

Reset

13. Po resetu by měl displej ukazovat „Hmotnost:“ a „Baterie:“.

displej - základní zobrazení

14. Pro základní ověření správné funkce můžete vážící hranoly upnout třeba do svěráku a zatížit. Neřešte, že se neukazuje správná hmotnost případně ani správné napětí. Hlavně že elektronika funguje a je připravena k zástavbě do stojanu.

test vážení

15. Vážící hranoly protáhněte otvorem v desce základny.

protažení hranolů

16. Hranoly přes překližkovou podložku (podložka zakryje otvor pro protažení hranolů) přišroubujte k základně čtyřmi šrouby M4x15. Pozor na orientaci hranolů. Značka (většinou šipka) na hranolech musí směřovat dolů. Také pozor abyste „přední“ senzor dali dopředu a „zadní“ dozadu. Při připojování převodníků HX711 k Arduino Nano se hodí např. fixem si hranoly označit. Hlavy šroubů přelepte např. papírovou lepicí páskou, aby nemohlo dojít k případnému zkratu při kontaktu s elektronikou.

přišroubování hranolů

17. Do předního panelu osaďte plastová tlačítka a zasuňte desku s mikrospínači. Nic se nelepí.

tlačítka

18. Do zadního panelu osaďte konektor XT60 a „pípák“. Zalepte je tavným lepidlem nebo kapkou vteřiňáku.

usazení XT60 a pípáku

19. Do volného prostoru umístěte Arduino Nano a převodníky HX711. 4-žilový kabel zasuňte do výřezu v bočnici. Proti vytržení je vhodné na kabelu udělat „zarážku“ ze stahovací zip pásky (není součástí stavebnice).

usazení ostatní elektroniky

20. Prostor pro elektroniku je překryt průhledným víkem. Předvrtejte 6 děr pro šrouby a kryt přišroubujte. Doporučujeme použít šroubky, které bývají dodávány k malým servům (šroubky nejsou součástí stavebnice). Pokud budete ještě upravovat a nahrávat program do Arduino Nano, tak kryt nepřidělávejte.

přišroubování krytu

21. Čtyřmi malými vruty upevněte displej do krabičky. 4-žilový kabel opět opatřete „zarážkou“ a zasuňte do bočnice.

přišroubování displeje

22. Krabici zavřete přišroubováním víka čtyřmi vruty 3x10.

uzavření krabice

23. Na vážící hranoly přišroubujte šrouby M4x10 přední a zadní podpěru (každá podpěra 2 šrouby). Zkontrolujte, zda podpěry precizně dosedají na hranoly. Vyteklé lepidlo může způsobit nepřesné upevnění a špatnou geometrii sestavené váhy.

přišroubování podpěr

24. Dvěma šrouby M4x10 přišroubujte ke hranolům střední kryt. Pozor, nesmí se dotýkat silikonového povlaku na hranolech. Pokud se dotýká, upravte vnitřek krytu odbroušením nebo odřezáním.

přišroubování středového krytu

25. Sestaveno, nikoliv však hotovo!

sestaveno

Kalibrace váhy:

1. Budete potřebovat závaží o známé hmotnosti. Stačí jedno, ale pro ověření, že je vážení správné se hodí dvě o různé hmotnosti. Ideální je kalibrované závaží. Doporučujeme použít závaží s hmotností podobnou hmotnosti modelu, u kterého budete polohu těžiště ladit.

příprava na kalibraci

2. Stiskem středního tlačítka přejdete do režimu kalibrace … pro „Ano“ znovu stisknout střední tlačítko.

spuštění kalibrace

3. Jako první se kalibruje přední senzor. Na displeji vpravo nahoře krok, vlevo dole kalibrační konstanta, vpravo dole naměřená hmotnost. Tlačítkem nahoru/dolu se zvyšuje/snižuje konstanta, středním tlačítkem se mění krok (kroky jsou 10 – 1 – 0.05).

kalibrace předního senzoru

4. Pro přední senzor vyšla konstanta 458.65, váha ukazuje 1214g což je hmotnost olověného závaží. Pozor, závaží musí ležet přibližně uprostřed podpěry a nesmí se dotýkat jiných částí váhy. Po kroku 0.05 se dalším stiskem středního tlačítka přejde na zadní senzor.

přední senzor zkalibrován

5. Pro zadní senzor vyšla konstanta 458.50, váha ukazuje jen o setiny méně než je hmotnost závaží.

zadní senzor zkalibrován

6. Stiskem středního tlačítka se konstanty uloží. Při dalším zapnutí není třeba váhu kalibovat, konstanty se načtou z paměti Arduino Uno.

uložení hodnot

7. Na jedné z podpěr je položené závaží a displej ukazuje jeho hmotnost a napětí baterie.

displej - základní zobrazení po kalibraci

8. Pro ověření správné funkce počítání polohy těžiště doporučujeme provést jednoduchý test. Budete potřebovat nejlépe desku homogenního materiálu o velikosti cca A4. Na fotce skleněná tabule tl. 6mm. Displej ukazuje polohu těžiště 125.6mm od náběžné hrany (od předního dorazu).
Tip: Když na váhu položíte takovouto desku, tak váha může sloužit opravdu jako obyčejná váha. Aby ukazovala i s deskou 0g je potřeba mít desku položenou už při zapnutí váhy. Experimentálně (tlakem rukou) jsme ověřili, že váha pracuje i při zátěži k 18kg. Těžko ale odhadovat, zda to senzorům neškodí a také s jakou je to přesností, kalibrovaná závaží nemáme :).

test kalibrace

9. Šířka skleněné tabule je cca 250.6mm. U homogenního materiálu musí být těžiště přesně uprostřed, tedy ve vzdálenosti 250.6 / 2 = 125.3mm. Váha ukazuje o 0.3mm více … to je odchylka snad akceptovatelná.

měření kalibrační desky

10. Tak teď už je hotovo.

dokončená váha


Základní představení váhy ...


Váhu lze použít i jen jako obyčejnou váhu :).
Pozor, překročení udané zatížitelnosti senzorů (5kg každý) je na vlastní riziko!

Poznámka: Váha se dá doladit, aby pracovala a měřila naprosto přesně. Uvedená odchylka je zřejmě způsobená ne zcela přesným sestavením váhy. Vzdálenost předních a zadních silikonových podpor musí být 120mm a vzdálenost přední dorazové hrany od přední silikonové podpory musí být 30mm. Pokud některá z těchto hodnot není dodržena, tak nebude měření přesné. Není potřeba mechanicky upravovat váhu, stačí v programu upravit tyto rozměry.

Stejně tak se dá přesně naladit zobrazované napětí. Součástky mají různé tolerance a tak nemusí být měření zcela přesné. Úpravou jedné proměnné v programu se dá zobrazení přesného napětí naladit.

Možné úpravy programu:
  • Lze změnit všechny texty, důležité je zachovat jejich délku, aby se správně zobrazovaly na displeji. Základním omezením je délka řádku 16 znaků. Nelze používat diakritiku (češtinu).
  • Lze změnit kritickou hranici pro signalizaci vybití baterie (defaultně 7V).
  • Lze změnit koeficient pro vyhodnocování napětí napájecí baterie.
  • Lze změnit dobu, za kterou se váha přepne do úsporného režimu (defaultně 3min).
  • Lze změnit rozteč podpor a vzdálenost dorazové hrany od přední podpory (defaultně 120mm resp. 30mm). Úpravou těchto hodnot můžete váhu opravdu přesně nastavit.
  • Obecně se v programu dá měnit spousta dalších parametrů, to ale doporučujeme pouze zkušenějším.
Časté chyby:
  • Nefunguje to! – nejspíš bude někde něco špatně. Na takto obecné konstatování je těžká odpověď. Dobrá zpráva je když se z ničeho „nezakouřilo“. Zkontrolujte, zda je vše opravdu správně zapojeno. Zejména +-, DATA / CLK. Někdy nezbude než vše rozpojit a k Arduino Nano jednotlivé součásti připojovat postupně a po každém kroku provést kontrolu funkce.
  • Displej nesvítí, nebo svítí, ale nic neukazuje – může mít špatně nastavený jas. Pokud je správně připojený (+-) musí fungovat alespoň podsvícení. Intenzita podsvícení se nastavuje potenciometrem na zadní straně displeje.
  • Displej svítí, ale nic neukazuje – displej je k Arduino Nano připojen přes I2C a má svou vlastní adresu, většinou 0x27 nebo 0x3f. Tato hodnota musí být nastavena v programu.
  • Váha ukazuje špatné napětí / špatnou hmotnost / špatnou polohu těžiště – viz. text výše. I pokud je vše správně sestaveno mohou drobné odchylky jak mechanické tak třeba v hodnotách součástek způsobit nesprávné výsledky. Každopádně se ale úpravou programu dá váha vyladit opravdu přesně.
  • Vše je správně, při testu s deskou váha ukazuje těžiště správně, ale u modelu to ukazuje špatně. Pozor na geometrii křídla! Na displeji zobrazená hodnota poloha těžiště je vztažena k předním dorazům. Když křídlo nemá rovnou náběžku může se spočítaná poloha těžiště jevit jako chybná.

Schéma vlivu tvaru náběžky (šípovitosti křídla) na měření polohy těžiště:

  • Vlevo běžné obdélníkové křídlo s rovnou náběžkou. Vzdálenosti a a b jsou stejné.
  • Uprostřed křídlo s kladnou šípovitostí. Špička křídla je před předními dorazy, a je menší než b.
  • Vpravo křídlo se zápornou šípovitostí. "Špička" křídla je za předními dorazy, a je větší než b.
  • A nakonec to nejdůležitější - displej ukazuje hodnotu a!
různé šípovitosti křídla

Zdroje a odkazy:
Facebook email e-shop SWplanes

PAD73 - 09/2021

počítadlo.abz.cz