Qué es una célula de carga y cómo funciona el módulo HX711: guía completa

El mundo de la instrumentación, la robótica y los sistemas de pesaje ha evolucionado enormemente en los últimos años gracias a la integración de sensores y módulos electrónicos que facilitan la interacción entre el mundo físico y los microcontroladores. Uno de los componentes clave en esta revolución tecnológica es la célula de carga y su habitual compañero, el módulo amplificador HX711. Ambos se han convertido en elementos casi imprescindibles para aquellos que quieren construir básculas digitales precisas, sistemas de control de peso automatizados y todo tipo de proyectos en los que medir fuerzas y pesos es fundamental.

Si alguna vez te has preguntado cómo es posible traducir una fuerza aplicada sobre un objeto en un valor electrónico capaz de ser interpretado por un Arduino, un ESP8266 o cualquier otro microcontrolador, en este artículo vas a encontrar la explicación más completa, sencilla y directa. Vas a conocer con todo lujo de detalles qué es una célula de carga, cómo funciona, cuáles son sus tipos, cómo se conecta a un módulo HX711 y cómo puedes llevar tus proyectos de pesaje al siguiente nivel, integrando hardware y software como un auténtico profesional.

¿Qué es una célula de carga y por qué es la clave para medir peso electrónicamente?

Una célula de carga es, en su esencia más básica, un transductor que transforma una fuerza o presión aplicada sobre ella en una señal eléctrica. El principio de funcionamiento radica en el fenómeno de la variación de resistencia eléctrica cuando la célula se deforma bajo la acción de una carga. De ahí que también se las conozca como transductores de fuerza.

Te suena el término transductor porque, en electrónica, es un componente capaz de convertir una magnitud física (como la presión, el sonido o la luz) en una señal procesable. En este caso, la célula de carga detecta fuerzas: cuando ejerces peso sobre ella, sufre una deformación minúscula, casi inapreciable a primera vista, pero suficiente para alterar la resistencia eléctrica de las galgas extensiométricas que contiene.

Las galgas extensiométricas son el corazón de la célula de carga. Son unas láminas o hilos de material conductor extremadamente fino que alteran su resistencia en función de la elongación o compresión que experimenta el material sobre el que están adheridas. Este cambio, aunque pequeño, puede ser detectado y amplificado hasta convertirse en una señal de voltaje que, debidamente digitalizada, nos informa con precisión sobre la fuerza aplicada.

Para transformar eficazmente esta sutil variación en una señal útil, lo que se hace es colocar las galgas en una configuración denominada puente de Wheatstone. Este circuito, clásico en la medición de resistencias, permite amplificar las pequeñas diferencias de resistencia y obtener una señal diferencial. Así, un simple estiramiento del material provoca un cambio en la tensión que se puede medir y correlacionar exactamente con el peso aplicado.

No todas las células de carga son iguales. Existen varios tipos:

• Células hidráulicas: Basadas en la compresión de un fluido mediante un pistón y un cilindro.
• Células neumáticas: Que utilizan la presión de aire sobre un diafragma, midiendo la deformación resultante.
• Células con galga extensiométrica: Las más habituales en electrónica y robótica, por su facilidad de integración y precisión.

Aunque existen otras tecnologías (piezoeléctricas, capacitivas, etc.), las galgas extensiométricas son las más usadas en básculas domésticas y sistemas industriales de pesaje debido a su coste, fiabilidad y facilidad de calibración.

Funcionamiento interno: el puente Wheatstone y el desafío de las señales débiles

El elemento fundamental para aprovechar la mínima variación de resistencia generada por las galgas es el puente Wheatstone. Este circuito, cuya invención se remonta al siglo XIX, se basa en el equilibrio de cuatro resistencias dispuestas en forma de rombo. Cuando una o varias de estas resistencias cambian (como ocurre en una galga extensiométrica al ser deformada), el puente se desequilibra y genera una diferencia de potencial proporcional al cambio.

En la práctica, una célula de carga típica contiene cuatro galgas extensiométricas dispuestas en las ramas del puente Wheatstone. Cuando aplicas una fuerza a la célula, dos galgas se estiran (aumentando su resistencia) y dos se comprimen (disminuyéndola). Así, el puente maximiza la diferencia de potencial obtenida y mejora la sensibilidad.

A pesar de esta inteligente disposición, los cambios de resistencia siguen siendo extremadamente pequeños. Por ejemplo, en una galga de 120 ohmios, una presión considerable puede modificar la resistencia apenas en 0.12 ohmios. Esta nimiedad plantea dos desafíos: se requiere una electrónica de alta precisión para distinguir esos cambios y, además, la señal debe ser amplificada antes de ser digitalizada y procesada por un microcontrolador, que difícilmente puede detectar señales tan débiles directamente.

Es aquí donde entra en juego el amplificador HX711.

Módulo HX711: puente entre la célula de carga y el microcontrolador

El módulo HX711 es un pequeño circuito integrado que cumple una función fundamental en los sistemas de pesaje digitales: amplifica, acondiciona y convierte en digital la señal que obtiene de la célula de carga. De esta manera, es posible obtener mediciones precisas de peso y fuerza para ser interpretadas por un Arduino, ESP8266, PIC o cualquier otro microcontrolador.

Algunas de sus características principales son:

• Resolución de hasta 24 bits: permite obtener una precisión muy elevada en la lectura del peso.
• Conversión analógico-digital (ADC): convierte la señal analógica amplificada en un valor digital listo para su tratamiento.
• Ganancia programable: puede ajustarse entre 128x y 64x, permitiendo adaptarse a diferentes aplicaciones.
• Consumo energético muy bajo: ideal para aplicaciones portátiles o sistemas alimentados por batería.
• Flexibilidad en la conectividad: se comunica a través de dos pines digitales (Clock/SCK y Data/DT), de forma similar al protocolo I2C o SPI.
• Rango de alimentación de 2.6V a 5.5V: compatible con distintas plataformas electrónicas.

Gracias a estas características, el HX711 se ha convertido en el estándar de facto para la lectura de células de carga en proyectos DIY y en el sector industrial, ya que facilita enormemente la vida al desarrollador: no necesita diseñar circuitos complejos de amplificación y puede centrarse en el desarrollo del software y la lógica del sistema de pesaje.

El módulo HX711 cuenta habitualmente con dos conectores principales: uno para la célula de carga y otro para el microcontrolador. La conexión se basa en cuatro cables principales:

• Rojo (E+, VCC): voltaje de excitación positivo.
• Negro (E-, GND): voltaje de excitación negativo.
• Blanco (A-): entrada negativa de señal (Output -).
• Verde (A+): entrada positiva de señal (Output +).

Algunos modelos añaden un quinto cable (amarillo, YLW), que suele actuar como referencia de tierra o no se utiliza en las configuraciones estándar.

Tipos y modelos de células de carga: cómo elegir correctamente

Seleccionar la célula de carga adecuada es crucial para lograr lecturas precisas en tu proyecto de pesaje. Las células de carga varían en función de su capacidad máxima, formato físico y sensibilidad:

• Capacidad máxima: existen células de carga para 1kg, 5kg, 20kg, 50kg e incluso superiores. Para una precisión óptima, conviene elegir la célula cuyo rango máximo se aproxime lo más posible al peso máximo de tu aplicación. Por ejemplo, si quieres pesar hasta 4kg, una célula de 5kg es ideal. Utilizar una de 20kg en ese rango te dará menores lecturas de precisión.
• Configuración mecánica: las más comunes son las barras rectangulares para montaje en balanzas de cocina, pero puedes encontrar también modelos en S, en disco, en viga doble, etc. Cada una responde mejor a escenarios de pesaje diferentes.
• Calidad y sensibilidad: la precisión dependerá también de la calidad de las galgas y de la construcción interna. Células de buena marca suelen ofrecer mejores resultados y menor deriva.
• Tipo de puente: el HX711 puede trabajar tanto con células de puente completo como de medio puente, e incluso soporta conectar hasta dos células en configuración de doble puente.

El montaje de la célula también es fundamental. Asegúrate de dejar la zona central (parte sensible de la barra) libre de obstáculos para que pueda deformarse correctamente bajo la carga y sigue la dirección indicada por la flecha para instalarla en el sentido de la fuerza que pretendes medir.

Diseño mecánico y conexión: cómo montar tu balanza digital con HX711

Pasando a la práctica, es importante entender cómo se conectan y ensamblan físicamente la célula de carga y el módulo HX711. Estos son los pasos generales:

• Instalación mecánica: Utiliza separadores o espaciadores para fijar la célula de carga entre la base y el recipiente o plataforma que soportará el peso. La zona central de la célula debe quedar libre y ser la única parte que flexione bajo carga.
• Dirección de la fuerza: Respeta la orientación de la flecha grabada en la célula, que indica el sentido en el que debe aplicarse el peso.
• Conexión eléctrica: Une cada uno de los cables de la célula a los pines correspondientes del HX711 siguiendo el código de colores (Rojo a E+/VCC, Negro a E-/GND, Verde a A+/Output+, Blanco a A-/Output-). Para más detalles, consulta la guía sobre células de carga.
• Conexión con el microcontrolador: De la otra fila de pines del HX711, conecta GND y VCC a la fuente de alimentación, y los pines DT (Data) y SCK (Clock) a dos pines digitales cualesquiera del Arduino o la placa que utilices.

En las básculas de baño o proyectos más complejos, suelen utilizarse cuatro células de carga simples dispuestas en las esquinas, cuyos cables deben combinarse utilizando un módulo combinador o siguiendo el esquema de conexión manual (un trabajo de precisión en el que necesitarás estudiar bien el datasheet y medir resistencias para identificar cada hilo).

Para quienes buscan la máxima precisión, existen módulos combinadores de marcas como SparkFun que simplifican el cableado y permiten combinar fácilmente las señales de los cuatro sensores en una sola entrada compatible con el HX711.

El puente de Wheatstone en la práctica: ventajas y consideraciones

El uso del puente Wheatstone no es casualidad: permite amplificar con exactitud los cambios de resistencia en las galgas extensiométricas, logrando resolver diferencias muy pequeñas y obtener una linealidad excelente en la medición.

En sistemas donde solo se usa una célula de carga con cuatro hilos, el puente ya está configurado y no hace falta complicarse. Si quieres construir una balanza de mayor precisión combinando varias células, deberás cablearlas para formar un único puente de Wheatstone, siguiendo una topología bien definida, o usar módulos combinadores. La inversión de la señal de salida puede ocurrir si, al aumentar el peso, la lectura disminuye o se comporta de modo opuesto a lo esperado; en ese caso, simplemente invierte las conexiones de los cables A+ y A-.

Características técnicas avanzadas del HX711

Este módulo ofrece múltiples bondades que lo hacen muy popular:

• Resolución: Hasta 24 bits, lo que permite detectar cambios de peso mínimos.
• Ganancia programable: Puedes elegir entre 128x o 64x según tus necesidades de sensibilidad.
• Frecuencia de muestreo ajustable: Entre 10 Hz y 80 Hz, lo que te permite adaptar la velocidad de medición a la estabilidad de la aplicación.
• Compatibilidad: Admite celdas de carga de puente completo o medio puente, con capacidad para leer hasta dos células en configuración doble.
• Consumo energético muy bajo: En operación activa, inferior a 1.5 mA; ideal para dispositivos alimentados por baterías.
• Temperatura de funcionamiento: Rango muy amplio, desde -40ºC hasta +85ºC.
• Formato compacto: Su tamaño facilita la integración en placas y prototipos, con pines listos para soldar o instalar en breadboard.

Su documentación es extensa y existe abundante comunidad de desarrolladores, lo que se traduce en disponibilidad de ejemplos de código, librerías y guías en línea para completar tu proyecto rápidamente.

Cómo programar y calibrar una balanza digital basada en HX711 y Arduino

Montar el hardware es solo la mitad del trabajo. Para obtener mediciones de peso exactas, necesitas programar y, sobre todo, calibrar el sistema correctamente. Veamos cómo hacerlo paso a paso:

Instalación de la librería HX711

El primer paso es instalar la librería que facilita la comunicación con el HX711. La opción más popular y fiable es la librería creada por Bogde, disponible en GitHub. Puedes descargarla manualmente o instalarla directamente desde el Gestor de Librerías del IDE de Arduino, buscando “HX711”.

Funciones principales de la librería HX711

• begin(PinData, PinClock): Inicializa el HX711 indicando los pines de datos y reloj usados en tu microcontrolador.
• set_scale(float scale): Asigna el valor de la escala o factor de conversión. Es fundamental para que las lecturas se correspondan al peso real.
• tare(n): Realiza una tarada, es decir, pone la medición a cero con el peso actual. n indica el número de muestras tomadas para definir la tara.
• read(): Realiza una lectura única de la señal proveniente del ADC interno del HX711.
• read_average(n): Devuelve el promedio de n lecturas; aumenta la estabilidad y precisión de la medición.
• get_value(n): Devuelve el valor de lectura restando la tara. Si pasas n, promedia ese número de lecturas.
• get_units(n): Calcula el peso restando la tara y dividiendo el resultado por el factor de escala.

Estas funciones cubren el ciclo completo de inicialización, calibración, tarado y lectura de la báscula.

Calibración: el paso indispensable para una medición precisa

La calibración consiste en ajustar el factor de escala para que las lecturas digitales del HX711 se correspondan con los valores reales de peso en las unidades deseadas (normalmente kilogramos o gramos). La técnica habitual es la siguiente:

1. Sin ningún objeto sobre la balanza, ejecuta un programa de calibración que realice una tara (poniendo la balanza a cero).
2. Coloca un objeto de peso conocido (lo ideal es que esté cerca del peso máximo que vas a medir) sobre la balanza.
3. Anota el valor de lectura sin escalar que te muestra el monitor serie. Es habitual hacer una media de varias lecturas.
4. Calcula el factor de escala usando la fórmula: valor_leído / peso_real = factor_escala, teniendo en cuenta las unidades que deseas (por ejemplo, si usas un peso de 4kg y la lectura es 1.730.000, el factor de escala será 432500).
5. Modifica el programa para que en la función set_scale introduzcas el valor calculado.
6. Repite la lectura. Añade o quita peso para comprobar la precisión de la medición.

La calibración es sensible a la posición de la célula, la rigidez del soporte, la calidad de los contactos eléctricos y otros factores. Si cambias la célula, la forma de instalación o el modelo, deberás recalibrar.

Ejemplo de código de calibración y pesaje

Un ejemplo típico de sketch de Arduino incluye dos partes: calibración y medición. El de calibración permite ajustar el factor de forma interactiva mediante el monitor serie (+ o – para afinar el valor de escala). El de pesaje simplemente muestra el peso leído en pantalla utilizando el factor obtenido.

Una estructura básica de código sería la siguiente (adaptada y resumida, para no repetir literalmente el contenido de los ejemplos):

• Incluye la librería HX711.
• Define los pines DATA y CLOCK.
• Inicializa el HX711 y realiza la tara.
• En el bucle principal, utiliza get_units() para mostrar el peso leído cada medio segundo.
• Permite modificar el factor de calibración desde el monitor serie si quieres afinar la precisión.

Este método, popularizado por SparkFun y otros desarrolladores, te asegura una calibración perfecta incluso aunque la célula no sea exactamente igual a otras del mismo modelo.

Integración avanzada: balanzas de baño, IoT y sistemas industriales

En proyectos domésticos, a menudo se recuperan células de carga de básculas de baño comerciales (suelen venir con cuatro sensores simples). Para combinarlas y conectar con el HX711, puedes usar un módulo combinador o seguir esquemas de conexión específicos que permiten formar el puente Wheatstone con los cuatro sensores. Si no dispones de módulo combinador, deberás identificar los cables (normalmente tres por sensor) y combinarlos siguiendo la referencia de resistencia interna entre pares.

La integración del HX711 no conoce límites. Es bastante frecuente verlo en proyectos de IoT (Internet of Things), donde el peso monitorizado por una balanza digital se envía a la nube utilizando un ESP8266, NodeMCU o similar. Así puedes realizar pesajes automáticos, llevar control remoto del inventario, supervisar bombonas de gas, depósitos y otros sistemas cuyo peso es un parámetro crítico.

En el sector industrial, la robustez y precisión del HX711 permite su uso en dosificadores automáticos, sistemas de control automático de procesos, maquinaria de envasado y aplicaciones médicas, ya que su resolución es suficiente para medir desde gramos hasta decenas de kilos con gran exactitud.

Recomendaciones y resolución de problemas habituales

A la hora de construir tu propio sistema de pesaje, ten en cuenta estos consejos:

• Evita golpes o vibraciones excesivas en la célula de carga, ya que pueden dañar las galgas o afectar a la calibración.
• Asegura la correcta fijación mecánica para evitar lecturas erráticas o inestables. La zona central debe estar libre y la fuerza perfectamente alineada con la dirección indicada.
• Revisa las conexiones eléctricas. Un mal contacto puede provocar fluctuaciones o ruido en la señal, dificultando la calibración.
• Si las lecturas son inestables o varían en vacío, haz una nueva tara y asegúrate que la fuente de alimentación es estable.
• Si el resultado leído varía al revés (disminuye con el peso), invierte las conexiones A+ y A-.

Además, si tu proyecto requiere medir distintos rangos de peso en diferentes momentos, recuerda que el factor de calibración debe ajustarse en consecuencia. Guarda siempre los valores de calibración obtenidos para cada célula y configuración.

Opciones comerciales y características de los módulos HX711

El mercado ofrece una amplia variedad de módulos HX711 compatibles, tanto en tiendas especializadas como en plataformas generalistas. Suelen venir acompañados de células de carga de diferentes rangos (1kg, 5kg, 20kg, 50kg) y cuentan con pines o headers para facilitar su integración. Las características reseñables de estos módulos incluyen:

• Voltaje de funcionamiento: entre 2.6V y 5.5V, lo que permite usarlos tanto con placas de 3.3V como de 5V.
• Consumo energético muy bajo: menos de 1.5 mA.
• Formatos compactos: ideales para integraciones en proyectos DIY y prototipos.
• Documentación y soporte: la comunidad y los fabricantes suelen ofrecer tutoriales, hojas de datos y ejemplos de uso tanto en Arduino como en otras plataformas.

Ejemplos prácticos de uso y aplicaciones

Gracias a la versatilidad de las células de carga y del HX711, se adaptan a una gran variedad de usos:

• Básculas digitales domésticas y de cocina: para pesar ingredientes o alimentos con máxima precisión.
• Sistemas de monitorización de bombonas de gas: permiten controlar de forma remota el estado de llenado para evitar quedarse sin suministro.
• Control de inventario en depósitos y almacenes: a través de pesaje continuo, se puede supervisar el stock restante en tiempo real.
• Básculas conectadas a la nube: usando placas como el ESP8266, los datos recogidos pueden visualizarse o tratarse en plataformas web para análisis avanzado.
• Equipamiento médico: como balanzas para camas hospitalarias, sistemas de dosificación y monitorización de peso en laboratorios.
• Robótica y sistemas automáticos de dosificación: para dispensar la cantidad justa de materia prima en cada proceso.

En todos estos casos, el protocolo de conexión y programación es muy similar. Una vez calibrada la célula, tendrás mediciones fiables y precisas que mejorarán la automatización y el control de tus sistemas.

Cómo elegir el sistema adecuado para tu proyecto

La decisión entre utilizar una célula de 1kg, 5kg, 20kg o 50kg, el tipo de montaje y la calibración dependerá de tus necesidades concretas. Aquí tienes algunos criterios para tomar la mejor decisión:

• Rango de pesaje: Selecciona la célula de carga cuya capacidad máxima sea ligeramente superior al peso máximo que vayas a medir habitualmente.
• Precisión requerida: Si necesitas precisión al gramo, busca células de carga con alta sensibilidad y un rango bajo. Si tu aplicación tolera errores de varios gramos o decenas de gramos, puedes optar por modelos de rango superior.
• Dificultad de montaje mecánico: Los modelos en barra para básculas de cocina son más fáciles de instalar. Para cuatro sensores en balanzas de baño, tendrás que trabajar el ensamblaje de los cables o hacerte con un módulo combinador.
• Compatibilidad con microcontroladores: Los módulos HX711 son compatibles prácticamente con cualquier tarjeta, pero asegúrate de que la tensión de alimentación y los niveles lógicos sean los adecuados.

La modularidad y bajo precio del HX711 y las células de carga ha democratizado la tecnología de pesaje electrónico, permitiendo que cualquier maker, estudiante o profesional monte su propio sistema de medidas con garantías de éxito.

La correcta selección, calibración y montaje mecánico determinan el éxito de tu proyecto. Con una medición fiable y estable, podrás integrar sistemas de control, automatización y monitorización con resultados profesionales, tanto en aplicaciones caseras como industriales.