EE4252 thiết kế cân đo

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI Thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 50 kg độ phân giải 0 1%, độ chính xác.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 50 kg độ phân giải 0.1%, độ xác 2mV/V Giảng viên hướng dẫn:TS Đào Đức Thịnh Hà Nội – 2022 MỤC LỤC Danh sách hình ảnh .3 YÊU CẦU ĐỀ TÀI .4 CHỌN CẢM BIẾN THIẾT KẾ MẠCH ĐO MẠCH LỌC RC MẠCH KHUẾCH ĐẠI 5.1 Khối khuếch đại 5.2 IC INA128 ADC 10 MẠCH NGUỒN .10 Khối hiển thị .15 MẠCH TỔNG THỂ 17 10 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ .19 Tài liệu tham khảo .20 Danh sách hình ảnh Hình 1: Sơ đồ khối Hình 2: Cảm biến KERN CP 50-3P1 .5 Hình 3: Mạch cầu cảm biến Hình 4: Sơ đồ nguyên lí loadcell .6 Hình 5: Mạch lọc RC .7 Hình 6: Mạch khuếch đại Hình 7: Ghép nối IC INA128 Hình 8: Mạch nguồn .11 Hình 9: IC ổn áp LM317EPM .12 Hình 10:Sơ đồ mạch nguyên lý hạ áp IC LM317EMP 13 Hình 11: IC7660 .15 Hình 12: Sơ đồ khối hiển thị LED 16 Hình 13: Mạch nguyên lí .18 Hình 14: Mạch PCB .19 YÊU CẦU ĐỀ TÀI - Chọn cảm biến thương mại phù hợp dải đo độ xác - Thiết kế mạch đo, chọn IC thực tế - Chọn ADC phù hợp (ADC vđk) phù hợp với độ phần giải - Thiết kế mạch ghép nối mạch đo ADC có phần nguồn phần Ref cho ADC (option) Hình 1: Sơ đồ khối CHỌN CẢM BIẾN Từ yêu cầu đề tài độ xác loadcell 2mV/V, chúng em chọn sau: - Chọn cảm biến KERN CP 50-3P1 với dải đo 50 kg phổ biến thị trường, giá phải Hình 2: Cảm biến KERN CP 50-3P1 - Thông số kỹ thuật: Chiều dài cáp: 40 cm Kích thước (W × D × H): 130 mm x 30 mm x 22 mm Kích thước đĩa cân (W × D × H): 250 mm x 350 mm x mm + Hệ thống đo lường  Lỗi kết hợp: 0,023%  Kết nối cảm biến lực: dây  Độ nhạy danh nghĩa: 2.0 mV / V (+- 10%)  Độ phân giải Load cell - Có thể xác minh: 3000 e  Điện áp hoạt động: 5-12V  Trọng lượng [Tối đa]: 50 kg  Giá trị Y: 10000 + Điều kiện môi trường  Nhiệt độ hoạt động tối đa: 65 ° C  Nhiệt độ môi trường tối đa: 40 ° C  Nhiệt độ hoạt động tối thiểu: -35 ° C  Nhiệt độ môi trường tối thiểu: -10 ° C THIẾT KẾ MẠCH ĐO Mạch cầu dây, nối sẵn cảm biến: Hình 3: Mạch cầu cảm biến dây nhạy nối đầu vào khuyếch đại thuật tốn có trở kháng cao Với cách mắc tối thiểu hoá sai lệch nguồn cấp Nguồn cấp ổn định Vb Chọn OP với tiêu low offset, low drift low noise Hình 4: Sơ đồ nguyên lí loadcell Mạch cầu có độ dài dây ngắn (40 cm), sụt áp đường dây không đáng kể MẠCH LỌC RC Tín hiệu từ cảm biến cần qua mạch lọc trước vào mạch khuyếch tránh nhiễu sai số điện áp sau khuếch đại, đề tài này, chúng em chọn mạch lọc thông thấp RC Đây giản đồ lọc thông thấp sử dụng nhiều cho mục đích đề xuất âm lọc chỉnh lưu Lý đằng sau điều đơn giản vì giá rẻ lựa chọn hàng đầu để sản xuất hàng loạt Hình 5: Mạch lọc RC Công thức fc = / (2 π R C) Mạch cho phép tín hiệu qua tải có tần số thấp fc Theo datasheet, bandwidth -3db, với độ gain 1000, fc = 20khz, chọn R= 80 Om, C= 100nF MẠCH KHUẾCH ĐẠI 5.1 Khối khuếch đại Do tín hiệu loadcell bé nên ta phải dùng khuếch đại trước đưa vào xử lý Mạch khuếch đại cần phải đảm bảo yếu tố sau: - Khuếch đại tuyến tính - Có khả khuếch đại điện áp sai biệt ngõ vào - Có khả chống nhiễu tần số công nghiệp Vì ta dùng khuếch đại đo lường vi sai Bộ khuếch đại vi sai có số tính hữu ích điện áp bù thấp, CMRR cao (tỷ lệ loại bỏ chế độ chung), điện trở đầu vào cao, độ lợi cao, …Sơ đồ mạch khuếch đại thiết bị điển hình sử dụng opamp thể bên Hình 6: Mạch khuếch đại V1 V2 điện áp đầu vào khác Trong sơ đồ mạch, opamp A1 A2 đệm đầu vào Hệ số khuếch đại phần đệm không giống vì có mặt R1 Rg Op-amp A3 nối thành khuếch đại vi sai R3 nối từ đầu A3 đến đầu vào khơng đảo điện trở hồi tiếp R2 điện trở đầu vào Hệ số khuếch đại điện áp khuếch đại thiết bị tính theo phương trình đây: G  V0 R  R  1   V2  V1  RG  R2 Hệ số khuếch đại thay đổi ta thay đổi giá trị điện trở 5.2 IC INA128 Đặc tính bản:       điện áp bù thấp: tối đa 50uV độ trơi thấp: tối đa 0.5uV/oC dịng bias vào thấp: tối đa 5nA tỉ lệ loại bỏ chế độ chung (CMR) cao: tối đa 120 dB đầu vào bảo vệ lên đến ±40 V phạm vi cung cấp rộng: từ ±2.25 V đến ±18 V Chọn IC INA128, ta có sơ đồ mạch sau: Hình 7: Ghép nối IC INA128 - Tụ điện 0.1uF dùng để lọc nhiễu tần số cao nguồn cấp không ổn định - chân REF thường nối đất Nó phải kết nối với trở kháng thấp để đảm bảo loại bỏ chế độ chung tốt Tính tốn hệ số khuếch đại: Do: nguồn cấp cho cảm biến V Độ nhạy cảm biến mV/V Nên áp tối đa cảm biến là: 5V*2mV/V = 10mV Chọn Vref = 5V ADC  Chọn kênh ADC0 chế độ đơn kênh Ta có: Vin 1024 Vref Trọng lượng tối đa 50 kg ứng với 1024 mức Vậy điện áp lớn loadcell Vin=5V => Cần khuếch đại tín hiệu đầu loadcell từ 10mV lên 5V Hệ số khuếch đại là: G = 5V/10mV = 500 Theo datasheet INA128: G  1 50k  RG ADC Cần đảm bảo nguồn ADC ổn định độ xác ADC 0.1% Sử dụng ADC nội Atmega328 Tính ADC:         Độ phân giải 10bit Mức độ lượng tử 0.5 LSB Sai số tuyệt đối LSB Thời gian chuyển đổi: 65 – 260us Lên đến 15kSPS độ phân giải tối đa kênh vào đơn cực kênh vào vi sai khuếch đại Khoảng điện áp vào – Vcc ADC AVR cần “nuôi” nguồn điện áp riêng chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không khác nguồn nuôi chip (VCC) +/-0.3V Nhiễu (noise) vấn đề quan trọng sử dụng ADC, để giảm thiểu sai số chuyển đổi nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phải cung cấp ổn định Độ xác ADC: ADC chuyển đổi điện áp khoảng từ GND đến VREF 2n bước Giá trị chuyển đổi nhỏ lớn 2n – Kết chuyển đổi ADC: Sau trình chuyển đổi kết thúc, kết chuyển đổi nằm ghi ADC result (ADCL.ADCH) ADC  - Với đầu vào đơn cực thì kết là: - Với đầu vào vi sai thì kết là: ADC  Vin 1024 Vref V pos  Vneg Vref GAIN 512 MẠCH NGUỒN Thiết kế nguồn cung cấp cho thiết bị, mạch đo, thành phần linh 10 kiện sử dụng mạch đo Các linh kiện sử dụng điện áp 5V Bảng 1: Các linh kiện sử dụng mạch đo: STT Tên linh kiện Điện áp Dòng nghỉ Dòng định mức Số lượng LED 5VDC 0,05A 5*0,12A 0.6 A Loadcell 5VDC 0.1u A 0.0125A 0.0125 A ADC 5VDC 23uA 0.03A 0.03 A ATM328 5V 20mA 0, 4A 0,4 A Tổng Tổng dòng điện 1A  Thiết kế nguồn với cấp điện áp đầu 5V với dòng tải khoảng 1A lấy từ pin Lithium Chọn Pin cụ thể: Pin Lithium 3.7V 18650 loại pin sạc Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 11 Hình 8: Mạch nguồn - Lý chọn IC ổn áp LM317EMP:  IC LM317EMP cung cấp dịng điện đầu phù hợp với tốn ( I o = 1A)  Trở kháng đầu vào IC cao cỡ �Ω nên ko làm ảnh hưởng tới dòng điện cung cấp cho mạch đo  Dung sai điện áp đầu nhỏ khoảng 1%  Có kích thước nhỏ giá thành rẻ  Dễ triển khai mạch điều chỉnh điện áp  Mức tiêu thụ công suất từ 1.2W đến 2W Hình 9: IC ổn áp LM317EPM 12  LM317 IC điều chỉnh điện áp dương Chân đầu vào nơi cung cấp tới đa 40 VDC Chân đầu cung cấp điện áp đầu phạm vi từ 1.25 V đến 37 V Chân điều chỉnh sử dụng để thay đổi điện áp đầu tương ứng đến điện áp đầu vào áp dụng Đối với đầu vào lên đến 40 V, đầu thay đổi từ 1.25 V đến 37 V  Có Op Amp (bộ khuếch đại) tích hợp IC có đầu vào đảo ngược kết nối với chân điều chỉnh Đầu vào không đảo thiết lập tham chiếu điện áp LM317 cung cấp điên áp tham chiếu ổn định 1.25 V chân điều chỉnh Điện áp tham chiếu từ 1.2 V đến 1.3 V Điện áp đầu LM317 điều chỉnh phạm vi cài đặt cách sử dụng mạch phân chia điện trường đầu đất Để thiết lập điện áp mong muốn đầu LM317, mạch phân áp điện trở sử dụng chân đầu đất Giá trị phân áp điện trở cần phải chọn cho cung cấp dải điện áp yêu cầu đầu Mạch phân áp có điện trở lập trình có điện trở cố định điện trở khác biển trở Bằng cách thiết lập tỷ lệ hoàn hảo điện trở phản hồi (điện trở cổ định) biển trở thu điện áp đầu mong muốn tương ứng với điện áp đầu vào Dịng chân điều chỉnh khơng đổi khoảng từ 50 � đên 100 � Do dịng điện khơng đổi chạy qua R1 R2 Do đó, tổng điện áp rơi Rl R2 cho Vout sau: Vout  Vref *(1  R2 )* R2 R1 Một số lượng dòng điện tĩnh chạy từ chân điều chỉnh, thêm số lỗi phương trình làm cho đầu không ổn định Do ta cần hiệu chỉnh phương trình : Vout  Vref *(1  R2 )* R2  I q * R2 R1 Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp sử dụng IC LM317EMP ( datasheet ICLM317) 13 Hình 10:Sơ đồ mạch nguyên lý hạ áp IC LM317EMP Vout  1, 25V *(1  R2 )  I adj * R2 R1 - Tính tốn chọn điện trở tụ lọc nhiễu cho mạch hạ áp: - Chọn điện trở R1 R2 Mạch nguồn hạ từ 14.8VDC, 1A xuống 5V, 1A  1.25*(1  R1 )  100*103 * R2 R2 → Ta tính tốn chọn R3=1.5k Ω, R2=1k - Tính tốn chọn tụ điện C1 C2 Tại đầu mąch nguồn, tụ điện (được hiển thị C2 sơ đồ) mắc song song Tụ điện giúp phản ứng nhanh với độ tải Bất dịng tải đầu thay đổi thì có thiếu hụt dịng điện ban đầu, đáp ứng tụ điện đầu dt : thời gian phản hồi tạm thời Sự thay đổi dòng điện đầu tính dịng điện đầu ra: 14 Trong dV : độ lệch điện áp cho phép lớn Coi dV = 100 �� , dt = 100 � Trong đoạn mạch này, tụ điện có cường độ � sử dụng, C= � Ta chọn tụ �1 = 10 �� ; �3 = 0.1 � tụ �2 = � - Chọn ICL7660: tạo điện áp -5 V cho mạch khuếch đại ICL7660 thực chuyển đổi điện áp cung cấp từ điện áp dương sang điện áp âm với phạm vi đầu vào từ +1,5V đến +10,0V với điện áp đầu từ -1,5V đến -10,0V thực chuyển đổi tương tự với phạm vi đầu vào +1,5V đến +12,0V với điện áp đầu từ -1,5V đến -12,0V Chỉ có tụ điện bên ngồi cần thiết cho chức kích điện tích điện Hình 11: IC7660 Thơng số kĩ thuật:  Điện áp hoạt động: 10.5V  Dòng điện hoạt động: 170µA  Dải điện áp cung cấp mức thấp: 1.5V - 3.5V  Dải điện áp cung cấp mức cao: 3V - 10V  Nguồn trở kháng đầu ra: 55Ω 15  Tần số dao động: 10KHz  Nhiệt độ hoạt động: -40°C to 85°C Khối hiển thị Hình 12: Sơ đồ khối hiển thị LED Để ghép nhiều LED thay vì phải dùng chân riêng rẽ cho LED, để thị chữ số lên LED ta 5x8 = 40 chân liệu điều khiển để thị chữ số Như tốn chân vi xử lý, người ta dùng chung đường liệu cho LED thiết kế thêm tín hiệu điều khiển cấp nguồn riêng rẽ cho LED cấp nguồn cho chân Anot chung hay Katot chung Nhìn sơ đồ ta thấy kiểu ghép nối LED Các đường liệu vào LED 16 chung với chân điều khiển nguồn cho LED riêng rẽ điều khiển transitor ( khuếch đại dòng) Như mạch tiếp kiệm nhiều chân vi xử lý Đối với mạch cách ghép nối thì tối đa có 13 chân vi xử lý.8 chân liệu LED chung chung ghép nối trực tiếp chân vi xử lý Như phương pháp tiếp kiệm số lượng lớn chân vi xử lý đồng thời tiếp kiệm lượng tiêu thụ phương pháp quét LED thời gian ngắn Khi tối đa thời điểm có LED sáng tồn Thơng Số Kĩ Thuật:        Màu hiển thị: Màu đỏ A chung (A anode) số Số chân: 10 chân Kích thước: 0.56 inch Điện áp: 2.2V Dòng tối đa chạy qua LED 25mA Dòng chạy bình thường: 10mA Nguồn 5V thì Led phải nối với điện trở: (dòng chạy qua led 13mA) R=(5-2,2)/0.013=215,3  Chọn R=220Ω (dòng chạy qua led 13mA) MẠCH TỔNG THỂ 17 Hình 13: Mạch nguyên lí 18 Hình 14: Mạch PCB 10 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ Khi thiết kế tính tốn hệ thống đo bất kỳ, việc quan trọng phải tính tốn, đánh giá sai số hệ thống Bất kỳ hệ thống đo có sai số sai số phải nhỏ sai số cho phép để không ảnh hưởng tới kết đo đạc Sau phần tính tốn sai số chúng em: Từ sơ đồ ta thấy, sai số hệ thống gồm sai số cảm biến, sai số khuếch đại, sai số ADC, sai số vi điều khiển Nhưng sai số vi điều khiển bỏ qua vì nhỏ, nên ta có thành phần sai số, ngồi cịn sai số nhiệt độ thay đổi, sai số thiết kế, sai số nguồn vv Ở chúng em xét sai số thành phần mạch  Sai số cảm biến: Sai số cảm biến thường nhiệt độ gây Sự thay đổi nhiệt độ làm điện trở cảm biến thay đổi gây sai số Ngồi ra, cịn sai lệch điểm 0, giá trị điện trở đầu vào không đồng thiết bị, điểm đặt loadcell bị nghiêng lệch gây sai số Theo datasheet, sai số loadcell < 2.3% 19  Sai số ADC: - Sai số lượng tử: Đây sai số hệ thống Giá trị sai số lượng tử nửa giá trị điện áp đặt vào để làm thay đổi đơn vị mã đầu - Sai số điện áp Uref: Sai số sinh nguồn tham chiếu bị thay đổi sai số bị triệt tiêu điện áp cấp cho Uref điện áp cấp cho cầu Chúng ta dùng mạch ổn áp - Mạch so sánh: Khoảng chuyển tiếp tín hiệu yếu tố gây sai số vì tín hiệu phải sai lệch giá trị định thì điện mạch chuyển trạng thái Ngoài ra, mức điện áp khác có mức chuyển tiếp khác tạo khơng tuyến tính mạch so sánh Bộ so sánh bị tác động nhiệt độ - Độ phân giải: Độ phân giải cao thì sai số thấp Ảnh hưởng dao động: xung nhịp đặt vào thay đổi thì độ xác Sai số tổng ADC: / (2^10) = 0.097%  Sai số mạch khuếch đại: INA128 Theo datasheet nhà sản xuất, với độ khuếch đại 500, nhiệt độ 25 độ C thì sai số khuếch đại 0.5% Vậy sai số hệ thống a  2.3  0.097  0.5 =2.55% Giá trị sai số điều chỉnh để giảm sai số cách lập trình cho vi điều khiển chỉnh offset adc khuếch đại, bù hệ số phi tuyến sai số khuếch đại INA128 với Gain = 500 cách tra bảng Tuy nhiên khó để kiểm tra sai số loadcell khơng đồng việc thiết kế, nên sai số nhỏ sai số loadcell, 2,3% toàn dải đo 2 Tài liệu tham khảo [1] Slide giảng Thiết kế thiết bị đo [2] https://www.iqsdirectory.com/articles/load-cell.html [3] Datasheet 20 21 ... cảm biến thương mại phù hợp dải đo độ xác - Thiết kế mạch đo, chọn IC thực tế - Chọn ADC phù hợp (ADC vđk) phù hợp với độ phần giải - Thiết kế mạch ghép nối mạch đo ADC có phần nguồn phần Ref cho... kiểm tra sai số loadcell không đồng việc thiết kế, nên sai số nhỏ sai số loadcell, 2,3% toàn dải đo 2 Tài liệu tham khảo [1] Slide giảng Thiết kế thiết bị đo [2] https://www.iqsdirectory.com/articles/load-cell.html... Khi thiết kế tính tốn hệ thống đo bất kỳ, việc quan trọng phải tính tốn, đánh giá sai số hệ thống Bất kỳ hệ thống đo có sai số sai số phải nhỏ sai số cho phép để không ảnh hưởng tới kết đo đạc