PHẠM ĐỨC TUẤN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG ARDUINO NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬ.
Trang 1-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG ARDUINO
Trang 2BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
-ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG ARDUINO
CBHD : ThS BÙI NHƯ PHONG Sinh viên : PHẠM ĐỨC TUẤN
Mã số sinh viên : 2017600146
Hà Nội – 2022
Trang 3MỞ ĐẦU Mục tiêu đề tài
Thiết kế thành công hệ thống cân điện tử với số đo chính xácphục vụ cho việc tính toán, mua bán, trao đổi sản phẩm bằngkhối lương chính xác
Tìm hiểu về ứng dụng giao tiếp với máy tính thành thạo
Ý nghĩa đề tài
Công nghệ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thìcàng có nhiều loại cân điện tử mới ra đời với nhiều chức năngtiên tiến hơn, độ chính xác cao hơn và đáp ứng những nhu cầusản suất kinh doanh của nhiều ngành nghề khác nhau Các loạicân điện tử thường được phân loại theo khối lượng cân Ví dụnhư các loại cân điện tử, cân sàn điện tử, Cân bàn điện tử, cân
kỹ thuật… Mỗi loại cân thường được sử dụng cho một mục đíchđặc thù riêng Các loại cân điện tử thường được làm từ chất liệuthép chống gỉ với độ bền cao Hệ thống điện tử hiện đại với bộ
xử lý trung tâm sẽ hiện thị khối lượng cân với tốc độ rất nhanhlên màn hình hiển thị Hầu nhu không có độ trễ trong thao táccân
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu về Modul chuyển đổi tín hiệu tương tự - số, các
loại Ardunio R3, cảm biến Loadcell và các thiệt bị hiển thị vào
chuyển đổi,tương tác với chip Ameta8
Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2022
Xác nhận của GVHD
Trang 4Bùi Như Phong
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện tử
đã giảng dạy và truyền đạt những kiến thức chuyên ngành,cung cấp những kiến thức nền tảng để em có thể hoàn thành
đồ án tốt nghiệp một cách tốt nhất trong thời gian qua
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS BùiNhư Phong, giảng viên khoa Điện tử, người đã tận tình hướngdẫn, giúp đỡ cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để em
có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này
Với những kiến thức đã được học, những kiến thức thamkhảo trên internet em đã hoàn thành đồ án của mình Tuy nhiênvới hạn chế về kiến thức và nguồn tài liệu nghiên cứu, đề tàikhông tránh khỏi được những sai sót về lỗi kỹ thuật, vì vậy emmong nhận được những đóng góp, sự thông cảm của thầy cô vàcác bạn để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Trang 6Phạ
m Đức Tuấn
Trang 7MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
LỜI CẢM ƠN 4
Danh mục hình ảnh 7
Danh mục bảng biểu 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN ĐIỆN TỬ 1
1.1 Tìm hiểu các loại cân điện tử thường dùng 1
1.2 Lý do chọn đề tài 7
1.3 Tiến độ thực hiện 8
Kết luật chương 8
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI TOÁN CÂN ĐIỆN TỬ 9
2.1 Bài toán đạt ra: 9
2.2 Cảm biến Loadcell 9
2.2.1 Loadcell 9
2.2.2 Giới thiệu Loadcell sử dụng trong mạch 16
2.2.3 Thành phần cấu tạo cơ bản của cân điện tử 17
2.2.4 Nguyên lý đo khối lượng 18
2.2.5 Các phương pháp đo khối lượng 18
2.2.6 Module ADC HX711 21
2.2.7 Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711 23
2.3 LCD - Liquid Crystal Display 24
2.3.1 Thông số kĩ thuật của LCD: 25
2.3.2 Màn hình LCD16x02 giao tiếp I2C 27
2.4 Phím matrix 4x4 hiển thị lên LCD 16x2 28
2.4.1 Thông số kỹ thuật: 28
2.4.2 Cấu tạo của 1 ma trận phím 4x4 28
2.4.3 Mạch nguyên lý 29
2.5 Module HC05 30
2.5.1 Thông số ký thuật 30
2.5.2 Các tính năng của phần mềm 30
Trang 82.6 Arduino sử dụng 31
2.6.1 Arduino Uno R3 SMD 31
2.6.2 Lập trình cho Arduino Uno 37
2.7 Arduino Bluetooth Terminal 45
Kết luận chương 48
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 49
3.1 Yêu cầu bài toán 49
3.2 Lựa chọn phương án thi công 49
3.3 Sơ đồ khối 50
3.4 Sơ đồ nguyên lý 51
3.5 Sơ đồ thuật toán 52
3.5.1 Thuật toán cân điện tử cho Arduino 53
3.6 Nguyên lý hoạt động 54
3.7 Lắp ráp và hoàn thiện thi công 54
3.7.1 Danh sách linh kiện 54
3.7.2 Tiến hành thi công 55
3.8 Phương pháp tính tiền 55
3.8.1 Phương pháp tính giá trị khối lượng 55
3.8.2 Phương pháp tính giá trị khối lượng đổi ra tiền VNĐ .55 3.9 Phương pháp cân 56
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
PHỤ LỤC 60
Trang 9Danh mục hình ảnh
Hình 1.1 Cân bàn điện tử 2
Hình 1.2 Cân sàn điện tử 3
Hình 1.3 Cân phân tích điện tử 3
Hình 1.4 Cân đếm vật liệu 4
Hình 1.5 Cân vàng điện tử 5
Hình 1.6 Cân khối lượng và tính thành tiền 6
Hình 1.7 Cân dùng để đo khối lượng oto 7
Hình 1.8 Sơ đồ khối cơ bản của cân điện tử 8
Hình 2.1 Loadcell kiểu điện trở 9
Hình 2.2 Strain gauge 10
Hình 2.3 Điện trở tỉ lệ với lực tác động 11
Hình 2.4 Các strain gauge được bố trí trên loadcell 11
Hình 2.5 Strain gauge biến dạng theo thân loadcell 12
Hình 2.6 Loadcell và strain gauge 12
Hình 2.7 Cầu điện trở Wheatstone 13
Hình 2.8 Loadcell cân bằng 14
Hình 2.9 Loadcell thay đổi 14
Hình 2.10 Loadcell dạng kéo chữ S 14
Hình 2.11 Loadcell dạng uốn 14
Hình 2.12 Loadcell dạng nén bề mặt thấp 15
Hình 2.13 Loadcell dạng nén hình thanh 15
Hình 2.14 Module HX711 17
Hình 2.15 Sơ đồ chân Module HX711 18
Hình 2.16 Sơ đồ chân Wheatstone (loadcell) 18
Hình 2.17 LCD 1604 19
Hình 2.18 LCD 12864 19
Trang 10Hình 2.19 LCD 2004 19
Hình 2.20 LCD 1602 19
Hình 2.21 Màn hình LCD 1602 xanh lá 19
Hình 2.22 Sơ đồ chân LCD 1602 20
Hình 2.23 Vùng nhớ DDRAM 21
Hình 2.24 Vùng nhớ CGROM 22
Hình 2.25 Hoạt động chân RS 23
Hình 2.26 hình ảnh phím ma trận 4x4 25
Hình 2.27 Arduino Due 25
Hình 2.28 Hoạt động chân RS 26
Hình 2.29 Mạch nguyên lý ma trận phím 4x4 26
Hình 2.30 Arduino Mega 2560 R3 25
Hình 2.31 Arduino UNO R3 26
Hinh 2.32 Arduino Leonardo 26
Hình 2.33 Arduino Uno R3 SMD 27
Hình 2.34 Arduino Nano 27
Hình 2.35 Arduino Pro Micro 28
Hình 2.36 Arduino Pro Mini 28
Hình 2.37 Board USB-UART 28
Hình 2.38 Sơ đồ cấu trúc board Arduino Uno 30
Hình 2.39 Sơ đồ chân của Arduino Uno 31
Hình 2.40 Các chân Analog và Digital trên board 32
Hình 2.41 Một số linh kiện sử dụng cho board Arduino Uno 33
Hình 2.42 Atmega328 34
Hình 2.43 Sơ đồ chân Atmega328 34
Hình 2.44 Chức năng các bit trong thanh ghi SREG 36
Hình 2.45 Giao diện Arduino IDE 37
Hình 2.46 Một số ký hiệu và chức năng trong Arduino IDE 38
Trang 11Hình 2.47 Vùng thông báo trong Arduino IDE 38
Hình 2.48 Menu File trong Arduino IDE 39
Hình 2.49 Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính 41
Hình 2.50 Arduino Uno R3 được kết nối với COM3 42
Hình 2.51 Chọn board Arduino Uno trong IDE 42
Hình 2.52 Chọn cổng COM cho Arduino IDE 43
Hình 2.53 Xác nhận cổng COM 43
Hình 2.54 Cửa sổ thiết kế các dòng lệnh 44
Hình 2.55 Nạp chương trình xuống Arduino Uno R3 44
Hình 3.1.Sơ đồ khối tổng quát 47
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch 47
Hình 3.3 Mô phỏng mạch 49
Hình 3.4 Chỉnh sửa giao diện 50
Hình 3.5 Hoàn thành giao diện 50
Hình 3.6 Hoàn thành thi công mạch 51
Trang 12Danh mục bảng biểu.
Bảng 1.1 Thông số cơ bản của cân bàn điện tử 2
Bảng 1.2 Thông số cơ bản của cân sàn điện tử 3
Bảng 1.3 Thông số cơ bản của cân phân tích điện tử 4
Bảng 1.4 Thông số cơ bản của cân đếm vật liệu 4
Bảng 1.5 Thông số cơ bản của cân vàng điện tử 5
Bảng 1.6 Thông số cơ bản của cân khối lượng tính tiền 6
Bảng 1.7 Thông số cơ bản của cân khối lượng oto 7
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật Loadcell 40Kg 15
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của module HX711 17
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của LCD 1602 19
Bảng 2.4 Chức năng chân của LCD 20
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật board Arduino Uno 29
Bảng 2.6 Thông số chính của Atmega328 34
Bảng 2.7 Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp 40
Bảng 2.8 Bảng so sánh với cân thực tế 51
Trang 14CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÂN ĐIỆN TỬ
1.1 Tìm hiểu các loại cân điện tử thường dùng.
Cân bàn điện tử: So với cân bàn cơ, nhỏ gọn hơn và tínhchính xác cao Thường được thiết kế từ nhiều chất liệu nhưnhôm, thép chống gỉ có tuổi thọ cao, sử dụng cho cả mục đíchthương mại và áp dụng trong sản xuất hàng hóa với khối lượngvừa phải Cân bàn có kích thước đa dạng và mức cân khác nhau
để phục vụ cân được nhiều sản phẩm Cân bàn điện tử ngày nay
đa phần là sử dụng nguồn năng lượng lấy từ pin, dễ dàng sửdụng, màn hình LCD hiển thị kết quả dễ đọc, bộ xử lý cho ra kếtquả nhanh sau vài giây Cân bàn trọng tải lớn hay được sử dụngtrong các ngành công nghiệp nặng, các hãng hàng không,ngành cơ khí, hãng chuyển phát nhanh …
Trang 15Quá tải an
toàn 125% tải trọng cân
Màn hình Màn hình LED số sáng rõ
Kết nối Cổng truy xuất RS-232C
Nguồn điện Sử dụng pin sạc DC 9V hoặc
Trang 16Kết nối Cổng truy xuất RS-232C, có thể
kết nối máy tính, máy in, …
Nguồn điện Pin sạc DC 6V/ 3.2Ah hoặc nguồn
điện AC 230VĐơn vị Ib, Kg, Oz, …
Hình 1.3 Cân phân tích điện tửBảng 1.3 Thông số cơ bản của cân phân tích điện tử
Trang 17Cân đếm: Là loại cân điện tử chuyên đếm số lượng hànghóa, sản phẩm Sản phẩm cân đếm điện tử ra đời hỗ trợ đếmđược chính xác tiết kiệm thời gian đếm thủ công và độ chínhxác cao Quá trình đếm chỉ mất vài phút.
toàn 150% trọng tải cân
Trang 18Cân vàng điện tử: Là loại cân điện tử sử dụng trong ngànhsản xuất và mua bán vàng, trang sức, kim loại quý Cân có độsai số cực kỳ nhỏ, giúp cân chính xác trọng lượng của sảnphẩm.
Nguồn điện AC adapter 9V hoặc pin
4AAĐơn vị G, Oz, Ib, …
Một số tính năng
Thay đổi đơn vị cânĐếm số lượng
Tự động về khôngCân tính tiền: Là loại cân điện tử dùng trong các siêu thị,cửa hàng với chức năng chính là cân trọng lượng đồ dùng, thựcphẩm và tính giá thành
Trang 19Hình 1.6 Cân khối lượng và tính thành tiền.
Bảng 1.6 Thông số cơ bản của cân khối lượng tính tiềnMức cân 3kg, 5kg, 10 kg, 15 kg, …
Kích thước 410x483x585 mm,
375x397x128 mm, …Màn hình Màn hình LCD sáng rõ
Kết nối Cổng truy xuất RS-232A
Trang 20hàng hóa trên xe, có thể cân được trọng lượng lớn 100 - 800tấn Cân thường được dùng trong các công ty chuyên sản xuất
và vận chuyển hàng hóa Cân còn được dùng tại các trạm kiểmsoát giao thông
Hình 1.7 Cân dùng để đo khối lượng oto
Bảng 1.7 Thông số cơ bản của cân khối lượng oto
Kết nối Chuẩn giao tiếp RS-485
hoặc RS-232Nguồn điện AC 220V, 50 HzMột số tính
năng
Chống nước, chống rỉ sét
1.2 Lý do chọn đề tài
Trang 21Từ những tìm hiểu trên em xin tìm hiểu và lựa chọn đề tài
“ Thiết kế mô hình cân điện tử sử dụng Arduino ” làm đồ án tốtnghiệp vì việc phát minh và chế tạo ra các thiết bị thông minh
có khả năng cân đo khối lượng chính xác sẽ rất được quan tâm
và rất hữu ích cho cuộc sống hàng ngày
Em muốn học hỏi tìm hiểu thêm về cảm biến Loadcell vềchuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
1.3 Tiến độ thực hiện
Tuần 1
(4/7 – 10/7)
Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm
đồ án, tiến hành chọn đề tài, GVHD tiến
Trang 22Tuần 7
(15/8 – 21/8) Hoàn thiện và viết báo cáo đồ án
Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện
Kết luật chương
Đã tìm hiểu được về các loại cân điện tử thường dùng, lý
do, mục tiêu, ý nghĩa của đề tài cân điện tử và hướng đến xây dựng bài toán cân điện tử
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG BÀI TOÁN CÂN ĐIỆN TỬ.
2.1 Bài toán đạt ra:
Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý của cân điện tử loadcell cho arduino gồm các khối gì, lựa chọn các linh kiện và năng lực và thông tin của linh kiện
Li
nh kiện của các khối
1.khối cảm biến, lực tác động :cảm biến loadcell, phím matrix 4x4
2.Khối xử lí: Module HC05, Arduino, Module ADC HX711.3.Khối hiển thị: App mobi, LCD
2.2 Cảm biến Loadcell.
2.2.1 Loadcell
Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử dụngphổ biến là loadcell, là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lựcchưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của
Trang 23bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưabiết.
Loadcell là một cảm biến hay đầu dò có thể chuyển đổimột tải trọng hay lực tác dụng vào nó thành một tín hiệu điện.Tín hiệu điện này có thể là một sự thay đổi điện áp, dòng điệnhay tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch đo được sử dụng
Có nhiều loại loadcell khác nhau:
Loadcell kiểu điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áplực - trở kháng Khi một tải trọng, lực, lực căng tác độnglên cảm biến, trở kháng của nó sẽ thay đổi Sự thay đổi trởkháng này sẽ đẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra khi mộtđiện áp đầu vào được cấp
Loadcell kiểu điện dung làm việc dựa trên sự thay đổicủa dung kháng Đối với tụ điện phẳng có hai bản cựcphẳng song song, điện dung sẽ tỉ lệ thuận với tiết diện bảncực và hằng số điện môi của chất điện môi nằm giữa haibản cực và tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai bản cực.Trong thực tế, phổ biến nhất là các loadcell có sẵn dựatrên nguyên tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với một tải ápdụng Do đó, trong bài viết này sẽ nói về loadcell sử dụng điệntrở (strain gauge)
Hình 2.1 Loadcell kiểu điện trở
Trang 24“Strain gauge” là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móngtay, được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán cố địnhtrên “Load” Strain gage có cấu trúc có thể biến dạng đàn hồikhi chịu tác động của lực, tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sựbiến dạng này.
Strain gauge là thành phần cấu tạo chính của loadcell, baogồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đànhồi
Để tăng chiều dài của dây điện trở strain gauge, cần đặttheo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi bị lực tácdụng qua đó và tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụngstrain gauge
Hình 2.2 Strain gauge
Ta có công thức:
R= ρ L
S
Trong đó: R là điện trở strain gauge (Ω))
L là chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
S là tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)
ρ là điện trở suất vật liệu của sợi kim loại straingauge
Từ đó, ta rút ra tính chất:
- Khi dây kim loại (S) bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở (R)
Trang 25- Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽgiảm xuống.
- Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽtăng lên
- Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động
Hình 2.3: Điện trở tỉ lệ với lực tác động
Một loadcell thường bao gồm các strain gauges được dánvào bề mặt của thân loadcell Thân loadcell là một khối kim loạiđàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụngloadcell mà thân loadcell được thiết kế có hình dạng đặc biệtkhác nhau và chế tạo bằng các vật liệu kim loại khác nhau(nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim)
Hình 2.4: Các strain gauge được bố trí trên loadcell
Trang 26Các bộ phận tạo nên một loadcell được hiển thị như hìnhtrên Ở đây có 4 strain gauges được gắn vào các mặt trên vàdưới của load cell.
Hình 2.5: Strain gauge biến dạng theo thân loadcell
Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm chothân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén) Làm cho hai trong số
4 điện trở strain gauges là nén, trong khi hai strain gauges cònlại đang bị căng ra Điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài (L) vàtiết diện (S) của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dántrên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điệntrở strain gauges (R)
Trang 27Hình 2.6: Loadcell và strain gaugeMỗi loadcell (cảm biến tải) có một đầu ra độc lập, thường
từ 1-3 mV/V Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quảcủa đầu ra từng cảm biến tải - load cell Các thiết bị đo lườnghoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyểnđổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán
và đưa kết quả đọc được lên màn hình Đa phần các thiết bị hay
bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoàikhác như máy tính hoặc máy in
Loadcell dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng(Wheatstone) gọi là cảm biến tải cầu điện trở để chuyển đổi sựthay đổi tỉ lệ giữa lực căng và điện trở thành điện áp tỷ lệ vớitải Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được
đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộchỉ thị cân điện tử (đầu cân)
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gaugesR1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như
Trang 28hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell như hình2.4 và 2.5.
Hình 2.7: Cầu điện trở Wheatstone
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell(góc (1) và (4)) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai ngõ khác(góc (2) và (3))
Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tínhiệu ra là số 0 hoặc 0 khi bốn điện trở được gắn phù hợp vềgiá trị Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làmcho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới
sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điệntrở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thayđổi giá trị của các điện trở strain gauges Sự thay đổi này dẫntới sự thay đổi trong điện áp đầu ra Sự thay đổi điện áp đầu rathường rất bé (khoảng 20mV khi đầy tải), để có thể đo được và
số hóa để tính toán thì cần phải khuếch đại tín hiện mV này lên0- 5V hay 0- 10V
Trang 29Hình 2.8: Loadcell cân bằng.
Hình 2.9: Loadcell thay đổi
Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứngtrong cầu điện trở, do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Ưu điểmchính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, vớinhững tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phùhợp cho từng ứng dụng của người dùng Ở đó các phần tử cảmứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầucủa ứng dụng Các dạng cảm biến phổ biến: cảm biến tải dạngkéo (shear), cảm biến tải dạng uốn (bending), cảm biến tảidạng nén (compression) và cảm biến tải dạng xoắn (tension), …
Trang 30Các loadcell thường được làm từ các kim loại như nhôm,sắt và thép không gỉ Nếu không bị quá tải trọng cho phép vàđược thường xuyên bảo trì tốt, loadcell có thể sử dụng đượctrong rất nhiều năm.
Trang 312.2.2 Giới thiệu Loadcell sử dụng trong mạch.
Bảng 2.1:Thông số kĩ thuật Loadcell 40Kg
Mức quá tải cho phép 120 %RO
Mức quá tải phá hủy 150 %RO
Chất liệu cảm biến Nhôm (Al)
2.2.3 Thành phần cấu tạo cơ bản của cân điện tử
Thành phần cấu tạo cơ bản của cân điện tử bao gồm hai
bộ phận chính: Bộ phận thứ nhất là đòn cân và bộ phận thứ hai
Trang 32là mạch xử lý tín hiệu điện tử Ở phần này chỉ phân tích cấu tạocủa đòn cân mà không đi sâu vào phần mạch điện tử.
Đòn cân tên tiếng anh là “Strain Gauge Loadcell” hay gọitắt là “Loadcell” cảm biến tải Như tên gọi phản ánh, đòn cânđược cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “StrainGauge” và thành phần còn lại là “Load” Strain Gauge là mộtđiện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi
bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định,chỉ nhỏ bằng móng tay, được dán chết lên Load, nghĩa là mộtthanh kim loại chịu tải
Thanh kim loại này một đầu được gắn cố định, đầu còn lại
tự do và gắn với mặt bàn cân (Đĩa cân) Khi ta bỏ một khốilượng lên đĩa , thanh kim loại này sẽ bị uốn cong do trọng lượngcủa khối lượng cân gây ra Khi thanh kim loại bị uốn, điện trởStrain Gauge sẽ bị kéo dãn ra và thay đổi điện trở
Như vậy, khi đặt vật cân lên bàn cân, tùy theo khối lượngvật mà Load, thanh kim loại sẽ bị uốn đi một lượng tương ứng
và lượng này được đo lường qua sự thay đổi điện trở của StrainGauge Thông thường, thanh kim loại sẽ được cấu tạo sao chobất chấp vị trí ta đặt vật cân lên bàn/ đĩa, nó đều cho cùng mộtmức độ bị uốn như nhau
Khoảng uốn cong của thanh kim loại vào khoảng 1/500
cm Tuy giá trị uốn cong rất nhỏ nhưng đủ để Strain Gauge pháthiện và đo lường khối lượng trong khoảng nhất định tùy theoloại cân điện tử Thông thường Strain Gauge chỉ phát hiện và đolường trên một khoảng nhỏ, hẹp, cân điện tử nào đo khối lượngcàng lớn và càng chính xác đòi hỏi khoảng Strain Gauge pháthiện càng rộng và độ nhạy càng lớn
Trang 332.2.4 Nguyên lý đo khối lượng
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật II Newtơn, theo đó lực có tác dụng vào vật có khối lượng m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó:
cố định tùy từng khu vực Các phương pháp đo khối lượng
thường được dựa vào quan hệ này
2.2.5 Các phương pháp đo khối lượng
Cảm biến điện trở lực căng
Sức căng ɛ được xác định bằng sự thay đổi chiều dài ∆L
của thanh đàn hồi L so với một đơn vị chiều dài:
ε= ∆ L
Do tác động lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng,
tương ứng cũng làm thay đổi giá trị điện trở của thanh Cảm biến sức căng dựa trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị ε nhỏ thành sự thay đổi tương ứng giá trị điện trở của thanh
Có hai loại cảm biến sức căng:
- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần
đo sức căng
Trang 34- Loại gián tiếp được liên kết trên cơ học với yếu tố đàn hồi.Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỷ số của sựbiến đổi đơn vị điện trở so với sức căng:
- ∆R = sự thay đổi của điện trở (Ω))
- R = điện trở của cảm biến sức căng (Ω))
- ∆L = sự thay đổi chiều dài (m)
- L = chiều dài của cảm biến (m)
Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S
= f/A (N /m2) Ở thanh đàn hồi, tỷ số của ứng suất S trên sức căng ɛ là hằng số và được gọi là modun đàn hồi:
E= S
ε=constant
(1.4)Đối với thanh đàn hồi có chiều dài là h và chiều rộng là b,
có cảm biến sức căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất được xác định theo biểu thức:
Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do
trọng lượng của vật Cảm biến áp điện
Trang 35Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.
Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương
tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm do có ưu điểm độ bền và
độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường
ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể
Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu.Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng
Cảm biến áp từ
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổitính chất hình học hoặc tính chất cơ học (hệ số Young) Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo Khi có tác dụng của lực
cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch
Cảm biến từ thẩm biến thiên:
Cấu tạo của một cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành một mạch kín Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi từ thẩm µ, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của cuộn dây cũng thay đổi Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc µ tỉ lệ với ứng lực
σ, tức là với lực cần đo F:
Trang 36 Cảm biến từ dư biến thiên:
Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br Dưới tác dụng của lực cần
đo, thí dụ lực nén (dσ < 0), Br tăng lên:
(1.8)2.2.6 Module ADC HX711
Hình 2.14: Module HX711Module HX711 là module chuyển đổi tín hiệu tương tự(Analog) sang tín hiệu số (Digital): ADC - Analog Digital Convert.HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điềukhiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu
Độ phân giải 24bit và giao tiếp hai dây (chân) với vi điềukhiển là chân SCK (Clock) và chân DT (Data), tương ứng vớichân số 5 và chân số 3 ở hình 2.15 Sơ đồ chân Module HX711
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của module HX711
Điện áp hoạt động 2.7V – 5V
Trang 37Dòng điện tiêu thụ <1.5mADòng điện ngắt hoạt
Do output của loadcell có điện áp rất nhỏ, cỡ khoảng: 3mV Vì vậy cần những bộ ADC có độ phân giải cao để có thểđọc được mức điện áp mV trên Ví dụ: ta sử dụng các bộ ADC8bit, độ phân giải Analog = 5V/256 = 19.53mV lớn hơn 1-3mVcủa output loadcell nên kết quả đọc sẽ toàn là 0
1-Cách kết nối loadcell với module HX711:
Red – E+ Green – Black – E- White – A+
Trang 38A-Hình 2.15 Sơ đồ
chân ModuleHX711
Hình 2.16 Sơ đồ chân Wheatstone
(loadcell)
Module HX711 đọc tín hiệu analog của loadcell qua kênhgồm 4 dây: VCC (E+), GND (E-), INA+ và INA- rồi chyển đổi sangtín hiệu digital và truyền sang vi điều khiển khi có xung CK
2.2.7 Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711
Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 được sử dụng
để đọc giá trị điện trở thay đổi từ cảm biến Loadcell (thường rấtnhỏ không thể đọc trực tiếp bằng VĐK) với độ phân giải ADC24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (Clock và Data) để gửi dữliệu về Vi điều khiển, thích hợp để sử dụng với Loadcell trongcác ứng dụng đo cân nặng
Hình 1 1 Sơ đồ mạch nguyên lý module HX711
Thông số kỹ thuật :
- Điện áp hoạt động : 2.7~5VDC
- Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA
- Tốc độ lấy mẫu : 10 - 80 SPS ( tùy chỉnh )
- Độ phân giải : 24 bit ADC
- Độ phân giải điện áp : 40mV
- Kích thước : 38 x 21 x 10 mm
Sơ đồ kết nối:
Trang 39Hình 1 2 Sơ đồ kết nối HX711 với cảm biến loadcell
2.3 LCD - Liquid Crystal Display.
LCD được sử dụng nhiều trong các ứng dụng của vi điềukhiển Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số
và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiềugiao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống vàgiá thành rẻ LCD loại nhỏ hay còn gọi là TEXT LCD (để phânbiệt với graphic LCD - hiển thị hình ảnh)
Hình 2.17 LCD 1604 Hình 2.18 LCD 12864
Hình 2.19 LCD 2004 Hình 2.20 LCD 1602
Trang 402.3.1 Thông số kĩ thuật của LCD:
Hình 2.22 LCD 1602 xanh lamBảng 2.3 Thông số kĩ thuật của LCD 1602
Điện áp MIN -0,3VHoạt động ổn định 2.7-5.5V
Điện áp ra mức cao > 2.4VĐiện áp ra mức
Dòng điện cấp
Nhiệt độ hoạt động -30 - 75 độ CKích thước 80 x 36 x 12.5 mmHiển thị Tối đa 16 ký tự trên 2
dòng