로드셀과 HX711 저울을 영점과 보정 계수부터 한 단계씩 맞춰 g 단위로 재기

이 센서로 무엇을 잴 수 있나

로드셀과 HX711을 함께 쓰면 g 단위로 무게를 재는 저울을 만들 수 있어요. 막대 모양 로드셀은 1kg, 5kg, 20kg처럼 견디는 무게(정격 하중)가 정해져 있고, 보통 몸통에 적혀 있어요. HX711은 로드셀의 아주 작은 신호를 피코가 읽을 수 있는 숫자로 바꾸는 증폭기·ADC 칩이에요.

이 저울로는 물이 증발하며 줄어드는 무게, 화분이 하루 동안 잃는 물의 양, 소금이나 설탕을 정해진 만큼 덜어 내는 일처럼 시간에 따른 무게 변화를 기록할 수 있어요. 시중의 저울과 견주며 "직접 만든 저울은 얼마나 맞을까"를 재는 것도 좋은 탐구예요.

어렵게 느껴지는 까닭은 하나예요. 이 저울은 처음 켰을 때 g을 모르고 숫자만 알아요. 아무것도 없을 때의 숫자(영점)와, 1g이 숫자 몇 칸인지(보정 계수) 두 가지를 우리가 알려 줘야 g이 나와요. 이 글은 그 두 가지를 한 단계씩 정하는 데 집중해요.

원리

로드셀 몸통에는 스트레인 게이지라는 얇은 저항이 붙어 있어요. 금속이 무게를 받아 아주 조금 휘면 게이지가 늘어나거나 줄어들고, 저항이 조금 바뀌어요. 게이지 네 개를 다리처럼 엮은 회로(휘트스톤 브리지)에 E+와 E−로 전압을 걸면, 무게에 비례하는 아주 작은 전압이 A+와 A− 사이에 나와요.

이 전압은 정말 작아요. HX711 데이터시트에 따르면 A 채널을 증폭률 128로 쓸 때, 전원(AVDD)이 5V여도 다 쓸 수 있는 입력 범위가 ±20mV예요. 일반식은 ±0.5 × AVDD ÷ 증폭률이라 3.3V 쪽이면 범위가 더 좁아요. HX711은 이 전압을 24비트 2의 보수 숫자로 바꿔요.

피코와는 선 두 개로 이야기해요. 변환이 끝나면 HX711이 DT(데이터)를 LOW로 내려 알리고, 피코가 SCK(시계)로 펄스를 25~27번 보내면 한 비트씩 내보내요. 25번이면 다음 측정도 A 채널·증폭률 128이에요. 데이터시트는 SCK가 60µs 넘게 HIGH로 머물면 HX711이 절전 상태로 들어간다고 적어요. 그래서 robert-hh 라이브러리는 펄스를 보내는 짧은 순간에 인터럽트를 잠시 막아요.

측정 속도는 RATE 핀에 따라 초당 10번 또는 80번이에요. 10번일 때 전원을 켜거나 채널을 바꾼 뒤 값이 자리 잡기까지 400ms가 걸려요.

g을 구하는 식은 이것뿐이에요.

무게(g) = (지금 숫자 − 영점) ÷ 보정 계수
보정 계수 = (아는 물건을 올린 숫자 − 영점) ÷ 그 물건의 무게(g)

준비물

• 라즈베리파이 피코와 USB 케이블
• HX711 모듈(VCC·GND·DT·SCK, E+·E−·A−·A+ 단자), 막대형 로드셀(1kg 또는 5kg)
• 받침판과 윗판(두꺼운 합판이나 아크릴), 로드셀 구멍에 맞는 나사, 사이띄개(와셔)
• 무게를 아는 물건: 주방 저울로 잰 물건이나, 빈 컵을 올린 뒤 눈금실린더로 붓는 물
• 멀티미터(선 확인용), 탐구용으로 넓이가 다른 그릇

배선

브레드보드 따라 꽂기 순서 (9단계)

1. 피코를 브레드보드 가운데 홈에 걸쳐 꽂아요. USB 단자가 왼쪽을 보게 하고, 1번 핀이 f2, 40번 핀이 e2에 들어가요. 다리가 홈 양쪽에 모두 들어갔는지 옆에서 봐요.
2. 주황 선: 피코 36번 핀(3V3(OUT)) 옆 칸 a6 → 위쪽 + 줄(3.3V). 이제 이 줄 전체가 3.3V예요.
3. 검은 선: 피코 38번 핀(GND) 옆 칸 a4 → 위쪽 − 줄(GND). 이제 이 줄 전체가 GND예요.
4. 로드셀 + HX711 무게 꽂기: 다리 VCC · GND · DT · SCK를 위쪽 a24 · a25 · a26 · a27에 차례로 꽂아요. 다리가 브레드보드에 바로 안 들어가면 암-수 점퍼선으로 같은 칸에 이어요.
5. 주황 선(3.3V 전원): 로드셀 + HX711 VCC 줄 b24 → 위쪽 + 줄(3.3V)
6. 검은 선(GND): 로드셀 + HX711 GND 줄 b25 → 위쪽 − 줄(GND)
7. 초록 선(신호): 로드셀 + HX711 DT 줄 b26 → 피코 19번 핀(GP14) 옆 칸 j20
8. 초록 선(신호): 로드셀 + HX711 SCK 줄 b27 → 피코 20번 핀(GP15) 옆 칸 j21
9. 마지막 확인: ① 위쪽 + 줄(3.3V)과 아래쪽 + 줄(5V)이 서로 이어지지 않았나요? ② 모든 부품의 GND가 − 줄에 이어졌나요? ③ 5V 신호 다리는 저항을 거쳐 피코에 이어졌나요? ④ 긴 브레드보드는 + − 줄이 가운데에서 끊긴 것도 있어요(빨간·파란 선이 끊겨 있으면 짧은 선으로 이어요). ⑤ 그림과 한 칸씩 비교한 뒤 USB를 꽂아요.

데이터시트는 디지털 전원(DVDD)을 마이크로컨트롤러와 같은 전원으로 쓰라고 해요. 그래서 VCC는 3V3에 이어요. VBUS(5V)에 이으면 DT도 5V로 나와 피코 핀에 무리가 가요.

로드셀 선 색은 제품마다 달라요. 위 표는 시나브로 PICO 안내에 적힌 흔한 색이에요. 판매처 자료가 있으면 그 표를 먼저 따르고, 없으면 멀티미터로 확인해요. 전원 쌍(E+·E−)과 신호 쌍(A+·A−)은 각각 짝끼리 잰 저항이 판매처 자료의 입력 저항·출력 저항과 맞아요. A+와 A−를 바꿔 물리면 무게를 올릴 때 숫자가 줄어드는데, 이것은 고장이 아니라 부호만 바뀐 거예요.

로드셀은 이렇게 고정해요.

1. 한쪽 끝을 받침판에, 다른 쪽 끝을 윗판에 나사로 고정해요. 두 판은 서로 닿지 않아요.
2. 몸통의 화살표가 무게가 누르는 방향(아래)을 보게 해요.
3. 로드셀과 판 사이에 사이띄개를 끼워, 가운데 흰 덮개(게이지 자리)가 판에 닿지 않게 해요.
4. 나사가 너무 길어 몸통 반대편으로 튀어나오지 않는지 봐요.

코드

라이브러리는 robert-hh/hx711의 hx711_gpio.py(MIT)예요. 시나브로 PICO에서 실행하면 커밋을 고정한 파일을 /lib에 자동으로 넣어요. 다른 편집기라면 저장소의 hx711_gpio.py를 피코의 /lib에 복사해요. 코드는 두 개로 나눴어요. 1단계는 보정 계수를 한 번 구하고, 2단계는 그 계수로 무게를 재요.

1단계 코드: 보정 계수 구하기

from machine import Pin
import time
from hx711_gpio import HX711     # robert-hh/hx711 (MIT)

sck = Pin(15, Pin.OUT)           # SCK → GP15 (피코가 보내는 시계)
dt = Pin(14, Pin.IN)             # DT → GP14 (HX711이 보내는 데이터)
hx = HX711(sck, dt)              # 순서 주의: (시계, 데이터)
KNOWN_G = 200                    # 올릴 물건의 실제 무게(g)로 바꿔요

print("1) 판 위를 비우고 손을 떼세요. 5초 뒤 영점을 재요")
time.sleep(5)
offset = hx.read_average(30)     # 빈 상태 30번 평균 = 영점
print(f"영점: {offset:.0f}")

print(f"2) {KNOWN_G}g 물건을 판 가운데에 올리고 손을 떼세요. 10초 기다려요")
time.sleep(10)
loaded = hx.read_average(30)
diff = loaded - offset
print(f"DATA: offset={offset:.0f}, loaded={loaded:.0f}, diff={diff:.0f}")
if abs(diff) < 1000:
    print("차이가 너무 작아요. 물건을 올렸는지, 로드셀 방향과 선을 확인해요")
else:
    scale = diff / KNOWN_G
    print(f"보정 계수 SCALE = {scale:.2f} (1g당 칸 수). 2단계 코드에 적어요")

• HX711(sck, dt)의 순서는 시계가 먼저예요. README의 생성자도 HX711(clock_pin, data_pin, gain=128)이에요. 기본 증폭률 128은 A 채널을 뜻해요.
• README 예제는 DT에 내부 풀다운을 켜지만, 피코 2(RP2350)는 내부 풀다운에 알려진 문제(RP2350-E9)가 있어 이 글은 켜지 않았어요.
• read_average(30)은 숫자를 30번 읽어 평균을 내요. 초당 10번 재는 모듈이라면 약 3초 걸려요. 영점과 올린 뒤의 숫자를 같은 방법으로 재야 공정해요.
• 차이가 1000칸보다 작으면 보정 계수를 만들지 않고 이유를 알려 줘요. 차이가 음수로 나오면 계수도 음수가 되는데, 그대로 써도 무게는 양수로 나와요.

2단계 코드: 무게 재기

from machine import Pin
import time
from hx711_gpio import HX711

sck = Pin(15, Pin.OUT)
dt = Pin(14, Pin.IN)
hx = HX711(sck, dt)
SCALE = 420.0                    # 예시 값. 1단계에서 나온 내 값으로 바꿔요
hx.set_scale(SCALE)

print("판 위를 비우세요. 3초 뒤 영점을 잡아요")
time.sleep(3)
hx.tare(30)                      # 켤 때마다 영점은 새로 잡아요

while True:
    vals = []
    for i in range(5):
        vals.append(hx.get_units())   # get_units() = (값 − 영점) ÷ SCALE
    vals.sort()
    g = vals[2]                  # 다섯 번 중 가운데 값
    print(f"DATA: weight_g={g:.1f}")
    time.sleep(0.5)

• tare(30)은 빈 상태 30번 평균을 영점으로 저장해요. 영점은 켤 때마다, 판 위의 그릇을 바꿀 때마다 새로 잡고, 보정 계수는 한 번 구하면 계속 써요.
• get_units()는 라이브러리 안의 저역 통과 필터를 거친 값이에요. 원본 코드를 보면 새 값이 들어올 때마다 남은 차이의 25%씩 따라가요(time_constant = 0.25). 8번 읽으면 남은 차이가 약 10%, 16번이면 약 1%라서, 초당 10번 재는 모듈은 물건을 올린 뒤 2초쯤 지나야 값이 거의 다 따라와요.
• 다섯 번 읽어 가운데 값을 쓰면 가끔 튀는 값에 덜 흔들려요.

값 해석과 보정

처음 저울을 만들 때는 아래 순서를 그대로 따라 해요.

1. 켜고 몇 분 기다려요. 2단계 코드를 빈 상태로 돌려 weight_g가 한쪽으로 계속 흘러가는지 봐요. 데이터시트에도 온도에 따른 영점·증폭 변화가 적혀 있어요. 흐름이 멈춘 뒤 시작해요.
2. 무게를 아는 물건을 준비해요. 주방 저울로 잰 물건이 가장 쉬워요. 저울이 없다면 빈 컵을 판에 올린 채 영점을 잡고, 눈금실린더로 물 200mL를 부어요. 물 1mL는 20℃에서 약 0.998g이라 200mL는 약 199.6g이에요.
3. 1단계 코드를 돌려요. 화면 안내대로 비우고, 올리고, 손을 떼요. 판에 손이 닿아 있으면 그 힘까지 숫자에 들어가요.
4. SCALE을 적어요. 2단계 코드의 SCALE에 1단계 값을 넣어요.
5. 다른 무게로 확인해요. 보정에 쓰지 않은 물건(예: 100g, 400g)을 올려 오차가 몇 %인지 봐요. 보정 무게는 앞으로 주로 잴 무게와 비슷한 크기로 고르는 것이 좋아요.
6. 기록해요. 보정한 날짜, 로드셀 정격, 보정에 쓴 물건과 SCALE을 기록장에 남겨요(센서 값의 신뢰도).

해상도는 직접 재요. 빈 판에서 weight_g를 50줄 모아 가장 큰 값과 작은 값의 차이를 봐요. 그 폭의 절반이 이 저울이 구별하는 대략의 크기예요. 0.1g 단위로 출력되어도 폭이 2g이라면 2g보다 작은 차이는 믿지 않아요.

같은 물건을 오래 두면 값이 조금씩 움직일 수 있어요. 로드셀 금속과 접착제가 천천히 늘어나는 현상과 온도 변화 때문이에요. 하루 동안 재는 탐구라면 빈 판(또는 무게가 변하지 않는 물건)을 함께 기록해 그 흐름을 빼요.

자주 하는 실수

1. 로드셀 양 끝을 모두 받침에 고정하기. 휘지 않으니 숫자가 거의 안 변해요. 한쪽은 받침, 다른 쪽은 윗판이에요.
2. 화살표를 거꾸로 두거나 A+·A−를 바꿔 물리기. 무게를 올리면 숫자가 줄어요. 선을 바꾸거나 음수 SCALE을 그대로 써요.
3. DT와 SCK를 바꿔 꽂기. 라이브러리가 데이터를 기다리다 OSError를 일으키거나 엉뚱한 숫자가 나와요. 두 출력 핀이 서로 맞물린 상태이니 바로 USB를 뽑고 표대로(GP14 DT, GP15 SCK) 고쳐요.
4. 영점을 잡는 동안 판을 만지기. 손의 힘이 영점에 들어가 이후 모든 값이 어긋나요.
5. 정격 하중보다 무거운 물건을 올리기. 사람이 올라서거나 5kg 로드셀에 무거운 가방을 올리면 금속이 영구히 휘어 다시 보정해도 맞지 않을 수 있어요.

이 센서로 잴 수 있는 탐구

1. 200g으로 맞춘 저울은 다른 무게에서도 맞을까 - 질문: 200g으로 보정한 저울은 50g, 100g, 400g에서 몇 %씩 틀릴까? - 바꾸는 것: 확인용 물의 양(빈 컵에 50mL, 100mL, 400mL) - 재는 것: weight_g(g), 참값(물 부피 × 0.998g)과의 오차(%) - 방법: 빈 컵을 올리고 영점을 잡은 뒤 물을 부어요. 양마다 컵을 비우고 3번 반복해요. 작은 무게에서 오차(%)가 커지는지 봐요.

2. 판 위 놓는 자리에 따라 값이 달라질까 - 질문: 같은 물건을 윗판의 가운데와 네 모서리에 놓으면 weight_g가 얼마나 다를까? - 바꾸는 것: 놓는 자리(가운데, 앞·뒤·왼쪽·오른쪽 모서리) - 재는 것: weight_g(g), 가운데와의 차이(g) - 방법: 판에 자리 표시를 하고 200g 물건을 차례로 옮겨요. 자리마다 3번 재요. 차이가 크다면 판의 크기와 로드셀 고정 방법을 함께 적어요.

3. 컵과 접시의 물은 하루에 몇 g씩 날아갈까 - 질문: 같은 양의 물도 입구가 넓은 그릇에서 더 빨리 증발할까? - 바꾸는 것: 그릇(컵, 넓은 접시). 물은 각각 100mL - 재는 것: 10분마다의 weight_g(g), 시간당 줄어든 무게(g/시간) - 방법: 바람이 없는 같은 자리에서 그릇마다 하루씩 재요. 시작 전에 빈 판을 1시간 기록해 저울 자체의 흐름을 먼저 확인하고, 그 흐름보다 작은 변화는 결론에서 빼요. 피코와 노트북은 물에서 떨어뜨려요.

안전

• 로드셀에 적힌 정격 하중을 넘기지 않아요. 저울 위에 올라서거나 기대지 않아요.
• 나사로 판을 고정할 때 손을 다치지 않게 하고, 판 모서리가 날카로우면 테이프로 감싸요.
• 물을 쓰는 탐구는 쟁반 위에서 하고, 물을 쏟으면 먼저 USB를 뽑아요.
• 직접 만든 저울은 거래나 약 무게처럼 정확해야 하는 곳에 쓰지 않아요.

더 알아보기

• 데이터시트: Avia Semiconductor "HX711 24-Bit Analog-to-Digital Converter for Weigh Scales"(24비트 2의 보수, 증폭률 128·64·32, AVDD 5V에서 ±20mV, 초당 10·80번, 자리 잡는 시간 400ms, 펄스 25~27번, SCK 60µs 절전, 전원 2.6~5.5V, DVDD는 MCU와 같은 전원)
• 라이브러리: robert-hh/hx711(MIT)의 hx711_gpio.py와 README(HX711(clock_pin, data_pin, gain=128), tare(times=15), read_average(), get_units(), set_scale(), 저역 통과 time_constant 0.25)
• 기초 글: 센서 값의 신뢰도, 잴 수 있는 탐구 주제 만들기, 브레드보드 처음 쓰기, 피코 핀 지도
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