Thiết kế hệ thống cân điện tử trong dây chuyền đóng gói sử dụng PIC16F877A

Đề tài: Thiết kế hệ thống cân điện tử trong dây chuyền đóng gói - Nhập trọng lượng được đóng gói. - Khi trọng lượng đưa vào đạt ngưỡng thì hiển thị led matrix thông tin dừng và dừng động cơ. *Mô Tả Hoạt Động: -PIC nhận tín hiệu từ cảm biến. - Led matrix 8x8 sẽ hiển thị chữ ST khi trọng lượng vượt ngưỡng. - Động cơ dừng hoạt động.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MUA FULL CODE + MÔ PHỎNG TRÊN PROTEUS VUI LÒNG LIÊN HỆ QUA EMAIL:

datduong11401@gmail.com

TRƯỜNG ĐHKTCN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Giáo viên hướng dẫn:

Ngày giao đề tài: Ngày hoàn thành:

Đề tài: Thiết kế hệ thống cân điện tử trong dây chuyền đóng gói

- Nhập trọng lượng được đóng gói

- Khi trọng lượng đưa vào đạt ngưỡng thì hiển thị led matrix thông tin dừng và dừng động cơ

*Mô Tả Hoạt Động:

-PIC nhận tín hiệu từ cảm biến

- Led matrix 8x8 sẽ hiển thị chữ ST khi trọng lượng vượt ngưỡng

Báo cáo, chương trình:

Sinh viên được yêu cầu nộp các nội dung sau: - Báo cáo bản word + slide powerpoint - Mã nguồn chương trình hoặc phần mềm

Thái Nguyên, Ngày Tháng Năm 2023 Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 9

1.1Tổng quan về hệ thống cân điện tử 9

1.2Giới Thiệu Về Các Linh Kiện Sử Dụng 10

Danh Mục Hình Ảnh

Hình 1.1 Ảnh thực tế PIC16F877A 11

Hình 1.2 Datasheet của PIC16F877A 12

Hình 1.3 PIC16F877A có gắn thạch anh 13

Hình 1.4 Cảm biến khối lượng Loadcell 13

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của loadcell 14

Hình 1.6 Sơ đồ chân của ADC0804 16

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý vẽ trên Proteus 8.5 22

Hình 2.2 Mô phỏng trên Proteus 8.5 23

Hình 2.3 Khi trọng lượng dưới ngưỡng cho phép 24

Hình 2.4 Khi trọng lượng vượt ngưỡng 25

Hình 3.1 Proteus 8.5 26

Hình 3.2 Phần mềm lập trình CCS 26

MỞ ĐẦU

Thế kỷ 21 mở ra một kỷ nguyên mới, một kỷ nguyên khoa học công nghệ đòi hỏi con người không ngừng tìm tòi, học hỏi để phát triển, tiến bộ

Với bước nhảy vọt của khoa học và kỹ thuật điện, điện tử, trong thời gian ngắn đã đạt được những thành tựu to lớn trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội Trang thiết bị, công nghệ ngày càng được đổi mới góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống Ngày nay, các thiết bị vi điều khiển có ứng dụng rộng rãi hơn với ưu điểm là nhỏ gọn, linh hoạt và có thể điều khiển rộng rãi Vi điều khiển đang ngày càng chiếm lĩnh và đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Giờ đây, nhu cầu chuyên dụng hóa, tối ưu (thời gian, không gian, giá thành) bảo mật, tính chủ động linh hoạt trong công nghệ… ngày càng đòi hỏi khắc khe việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điều khiển điện tử, để đáp ứng các nhu cầu cấp thiết trong khoa học kỹ thuật điện - điện tử Kỹ thuật vi điều khiển hiện nay rất phát triển, nó đáp ứng được nhu cầu của nhiều ngành lĩnh vực sản xuất công nghiệp, tự động hóa, trong đời sống…So với kỹ thuật số thì kỹ thuật vi điều khiển nhỏ gọn hơn, do đó nó được tập hợp lại và có khả năng lập trình để điều khiển nên tiện dụng và cơ động Với các tính chất ưu việt đó, trong đề tài này em sử dụng vi điều khiển để đo khối lượng để đưa ra mức cảnh báo

Đề tài này thiết kế dựa trên kiến thức đã học, sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác

Tuy nhiên do thời gian và trình độ có hạn nên em không tránh khỏi những sai sót Vì vậy mong thầy, cô góp ý xây dựng giúp đỡ để hoàn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn

Để thực hiện nội dung trên thì báo cáo của tôi gồm 3 chương, cụ thể: Chương 1: Tổng quan về hệ thống cân điện tử trong dây chuyền đóng gói và các linh kiện sử dụng

Chương 2: Tổng quan về mạch phần cứng Chương 3: Chương trình phần mềm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ TRONG DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI VÀ CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 1.1 Tổng quan về hệ thống cân điện tử

Cân điện tử ra đời đã dần dần thay thế hoàn toàn cho những chiếc cân thô sơ hay còn gọi là cân cơ, cân quả treo, cân lò so, cân thăng bằng trước kia bởi độ chính xác cao, nhiều tính năng hiện đại Nó có thể cân được những mẫu vật rất nhỏ từ hàng mg với mức cân sai lệch từ 0.00001g đến những vật có khối lượng rất lớn lên đến hàng trăm tấn

Cân điện tử ngày nay đã có mặt trong hấu hết các hoạt động của đời sống và sản xuất kinh doanh bởi;

- Khả năng cân nhiều hạn mức khối lượng khác nhau, từ rất nhỏ cho tới hàng trăm tấn

- Cho kết quả nhanh với độ chính xác cao, tích hợp nhiều ứng dụng hiện đại

- Thuận tiện trong sử dụng, thống kê và quản lý dữ liệu

- Khả năng kết nối linh hoạt đa dạng trong thời đại kỹ thuật số

Dưới đây là ví dụ về một số loại cân điện tử và ứng dụng trong đời sống và sản xuất kinh doanh

Cân điện tử thông dụng:

Những sản phẩm như cân bàn điện tử, cân tính tiền, cân in mã vạch, in tem nhãn, hay gọi chung là cân siêu thị mà chúng ta thường thấy để cân các loại hàng hóa, thực phẩm như thủy sản, nông sản, các loại vật dụng…tại các cửa hàng bách hóa hay là ở các siêu thị, chợ

Cân công nghiệp:

Dùng để cân khối lượng hàng hóa lớn như cân ô tô, xe tải, cân điện tử xe nâng, cân treo điện tử, cân bồn, cân si lô, cân toa tàu hỏa, cân container tại các nhà ga, bến cảng, kho hàng Hay tới các sản phẩm thường dùng trong các nhà máy sản xuất như: cân bàn, cân sàn điện tử, cân đếm số lượng, cân đóng bao, cân triết rót, cân kiểm tra trọng lượng trong dây chuyền,

Cân phòng thí nghiệm:

Các dòng cân phân tích, cân kỹ thuật, cân phân tích độ ẩm, dùng trong phòng thí nghiệm dùng để cân mẫu vật, phân tích hàm lượng, tỷ trọng nguyên liệu

Cân điện tử chuyên dụng:

Các loại cân sử dụng cho những mục đích chuyên biệt như cân pha chế sơn, cân tính tỷ trọng tinh bột, cân động vật, cân đo lực kéo,

Với các yếu tố trên em xin thiết kế đề tài đo khối lượng hàng hóa và đưa ra cảnh báo khi vượt ngưỡng cho phép dùng cảm biến Loadcell, sử dụng bộ vi điều khiển PIC16F877A và hiển thị lên led matrix

Cảm biến Loadcell: Cảm biến cân nặng loadcell là cảm biến có thể chuyển

đổi một lực, trọng lượng thành một tín hiệu điện Giá trị tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực – trở kháng Khi một tải trọng, một lực tác động lên cảm biến sẽ làm trở kháng thay đổi Sự thay đổi trở kháng này dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được cấp

Cảm biến loadcell được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như: đo khối lượng của vật, phân phối đều trọng lượng sản phẩm trong các dây truyền tự động hóa, đo trọng lượng xe tải…

PIC16F877A: là một loại chip vi điều khiển khả trình có thể dùng mã

nguồn mở, nó có ưu điểm về giá thành tương đối rẻ, điều khiển ổn định và khá chính xác và khá phổ biến trên thị trường

1.2 Giới Thiệu Về Các Linh Kiện Sử Dụng

PIC16F877A

PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường)

a) Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A:

− 8 K Flash ROM − 368 Bytes RAM − 256 Bytes EEPROM

− 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập − 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

− Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiếtkiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài − 2 bô CCP (Capture / Compare/ PWM)

− 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào − 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

− 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

− Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển − Một cổng nối tiếp

− 15 nguồn ngắt

Hình 1.1 Ảnh thực tế PIC16F877A

− Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programming)

− Được chế tạo bằng công nghệ CMOS − Tần số hoạt động tối đa 20MHz

b) Sơ đồ chân của PIC 16F877A

Để PIC hoạt động ta cần cấp nguồn cho PIC Ngoài ra có thể thêm vào bộ dao động thạch anh

Hình 1.2 Datasheet của PIC16F877A

Hình 1.3 PIC16F877A có gắn thạch anh

Cảm biến khối lượng Loadcell

Hình 1.4 Cảm biến khối lượng Loadcell

a) Nguyên lý hoạt động chung của IC đo khối lượng:

Một điện áp được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), dẫn đến sự thay đổi về chiều dài và tiết diện của

các sợi kim loại của điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu ra

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của loadcell

b) Các đặc điểm và tính chất quan trọng của Loadcell

– Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp

– Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được

– Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra

– Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi)

– Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị

– Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

– Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại củaLoadcell và thiết bị kết nối dòng điện

– Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng

– Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV)

– Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải – Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất)

– Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất củaLoadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%)

– Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp – Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150 Chi tiết các bạn có thể xem trong datasheet của nó

ADC0804

ADC0804 là IC chuyển đổi tín hiệu analog sang digital 8bit có thể chuyển đồng thời 8 đầu vào analog Giá trị đầu ra digital có thể thay đổi trong khoảng từ 0 đến 255 Nó sử dụng bộ chuyển đổi xấp xỉ (Successive approximation converter) dựa vào thang đo điện áp vi sai (Differential potentiometric ladder)

Các linh kiện khác nhau có thể thực hiện các chức khác nhau và chuyển đổi dữ liệu cho các thiết bị khác để thực hiện chức năng khác Vấn đề cơ bản là việc dịch dữ liệu giữa các linh kiện này

Trong điện tử, có cách giao tiếp dữ liệu khác nhau giữa các thiết bị đã được phát minh để có thể hoạt động hiệu quả theo hai hoặc nhiều linh kiện khác nhau

ADC0804 là IC điện áp thấp sử dụng để chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu digital 8bit điện áp thấp Hoạt động với nguồn 0-5 V, có 1 đầu vào Analog và 8 chân digital đầu ra

ADC0804 có 1 xung clock bên trong nhưng để tăng hoặc thay đổi chu kỳ xung clock, có thể sử dụng xung clock bên ngoài Luôn nhớ rằng tốc độ chuyển đổi tín hiệu không thể nhanh hơn 110us nếu sử dụng xung clock bên trong hoặc bên ngoài

Hình 1.6 Sơ đồ chân của ADC0804

Cấu hình chân

- CS: Là chân Chip select được sử dụng để chọn thiết bị Khi sử dụng nhiều ADC thì chân này được sử dụng để chọn thiết bị thực hiện Kích hoạt ở mức logic thấp

- RD: Là chân đọc tín hiệu Chân RD được sử dụng khi muốn nhận giá trị đầu ra từ thanh ghi bên trong Xung thay đổi logic từ cao xuống thấp sẽ kích hoạt chức năng của chân này

- WR: Là chân đầu vào Write được sử dụng để bắt đầu chuyển đổi tín

- Vin (+): Là chân đầu vào analog cho tín hiệu đảo Hầu hết các thiết bị cấp tín hiệu analog ở dạng không đảo nên sử dụng chân này làm đầu vào analog

- Vin (-): Là chân đầu vào analog cho tín hiệu đảo Do bản chất tín hiệu hầu hết ở dạng không đảo, nên mắc chân vào mass

- AGND : Chân mass cho đầu vào analog

- View : Được sử dụng để cấp điện áp tham chiếu cho phép đọc đầy đủ thang đo giá trị dòng điện

- DGND : Chân này mắc vào mass của linh kiện nhận đầu ra digital - DB0 - DB7: Là đầu ra digital ở dạng 8-bit

- CLK R: Chân này dùng để định thời RC sử dụng xung nhịp bên trong

- VCC: Chân cấp nguồn Không được lớn hơn +6,5 V Chủ yếu sử dụng nguồn +5.0 V

Các tính năng của ADC0804:

- Tương thích với tất cả các bộ vi điều khiển và bộ vi xử lý hoạt động

- Hỗ trợ các linh kiện điện tử CMOS và TTL

- Nó có một xung nhịp bên trong với tần số 640KHz - Vận hành không cần hiệu chỉnh về 0

- Thời gian chuyển đổi tín hiệu tối thiểu 110us - Có chiều rộng 0,3 inch với package DIP 20 chân - Có đầu vào điện áp analog khác nhau

- Dải giá trị đầu ra digital từ 0 – 255 - Dải điện áp đầu vào 2,5V - 6,5V

- Hoạt động độc lập với bộ vi xử lý 8 bit bên trong

- Khi Vref = 5V, cứ mỗi lần tăng 19,53mV giá trị analog thì sẽ tăng một bit ở đầu ra digital

Led ma trận 8x8

Led ma trận là ma trận điểm (mỗi điểm là một đèn LED) được xếp thành các hàng, cá cột nối tiếp nhau trên một màn hình lớn, độ phân giải thấp, được sử dụng để làm màn hình công nghiệp hoặc thương mại Bên trong nó là ma trận diode hai chiều có cực dương sắp theo hàng và cực âm sắp theo cột Có thể điều khiển từng điểm của led ma trận bằng cách điều khiển dòng điện đi qua mỗi cặp diode theo cột hoặc hàng Loại ma trận này rất

phổ biến trong sử dụng hiển thị thông tin, nó cho phép hiển thị hình ảnh và văn bản dạng tĩnh hoặc động Bên dưới là hình 1 led ma trận

Hình 1.7 Led ma trận 8x8

Cấu tạo của led ma trận:

Lấy ví dụ led ma trận 8x8 (8 hàng và 8 cột) Trong led ma trận này có 64 đèn led Những đèn led này được hàn trên bảng mạch 1 mặt Cực dương của led này được nối với cực dương của led kia thành một hàng, cả 8 hàng đều tương tự như vậy Cực âm của led này được nối với cực âm của led kia thành 8 cột Tất cả các led được nối với nhau bằng dây đồng trần

Trong ma trận điểm các led nối với nhau theo hàng và cột Điều này giúp giảm số lượng chân cần thiết để điều khiển led Giả sử trong ma trận 8x8 có 64 chân I/O để hiển thị mỗi điểm ảnh Để tạo ma trận điểm 8x8 tất cả các cực dương nối với nhau theo hàng từ R1 đến R8, tương tự các cực âm nối với nhau theo cột từ C1 đến C8 Bằng cách này có thể giảm số chân I/O đi 16 cái

Hình 1.8 Cấu tạo led ma trận 8x8

Các linh kiện khác:

a) Tụ điện:

Tụ hóa: có tính chất phóng nạp vì vậy nên nó có tác dụng lọc nguồn làm cho điện áp đầu ra phẳng hơn dập tắt các dao động

Tụ gốm: có độ tích điện nhỏ do có điện tích nhỏ nên tụ gốm có thể phóng nạp rất nhanh và một ưu điểm nữa là loại tụ này không phân cực được dùng để lọc các gai sóng làm cho điện áp ngõ ra phẳng hơn

b) Điện trở:

Điện trở là một loại linh kiện điện tử thụ động có đặc tính cản trở dòng điện điện chạy qua Có tác dụng tạo ra sụt áp trên mạch khi mắc nối tiếp với

c) Thạch anh:

Hình 1.9 Tụ gốm và tụ hóa

Hình 1.10 Điện trở