1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino

86 75 0

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Thiết Kế Mô Hình Cân Điện Tử Sử Dụng Arduino
Tác giả Phạm Đức Tuấn
Người hướng dẫn ThS. Bùi Như Phong
Trường học Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Viễn Thông
Thể loại Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản 2022
Thành phố Hà Nội
Định dạng
Số trang 86
Dung lượng 9,69 MB

Nội dung

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 2

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

CBHD : ThS BÙI NHƯ PHONG Sinh viên : PHẠM ĐỨC TUẤN

Mã số sinh viên : 2017600146

Hà Nội – 2022

Trang 3

MỞ 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 4

Bùi Như Phong

Trang 5

LỜI 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 6

Phạ

m Đức Tuấn

Trang 7

MỤC 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 8

2.6 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 9

Danh 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 10

Hình 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 11

Hình 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 12

Danh 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 14

CHƯƠNG 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 15

Quá 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 16

Kết 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 17

Cân 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 18

Cân 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 19

Hình 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 20

hàng 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 21

Từ 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 22

Tuần 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 23

bộ 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 26

Các 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 27

Hình 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 28

hình 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 29

Hình 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 30

Các 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 31

2.2.2 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 32

là 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 33

2.2.4 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 35

Cảm 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 37

Dòng 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 38

A-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 39

Hình 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 40

2.3.1 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

Ngày đăng: 21/09/2022, 22:19

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG ARDUINO - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG ARDUINO (Trang 2)
Màn hình Màn hình LED số sáng rõ - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
n hình Màn hình LED số sáng rõ (Trang 13)
Hình 1.2. Cân sàn điện tử. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 1.2. Cân sàn điện tử (Trang 13)
Hình 1.4. Cân đếm vật liệu. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 1.4. Cân đếm vật liệu (Trang 15)
Hình 1.6. Cân khối lượng và tính thành tiền. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 1.6. Cân khối lượng và tính thành tiền (Trang 17)
Hình 1.7. Cân dùng để đo khối lượng oto. Bảng 1.7. Thông số cơ bản của cân khối lượng oto - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 1.7. Cân dùng để đo khối lượng oto. Bảng 1.7. Thông số cơ bản của cân khối lượng oto (Trang 18)
Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện (Trang 19)
Hình 2.5: Strain gauge biến dạng theo thân loadcell - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.5 Strain gauge biến dạng theo thân loadcell (Trang 24)
Hình 2.6: Loadcell và strain gauge - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.6 Loadcell và strain gauge (Trang 25)
Hình 2.7: Cầu điện trở Wheatstone. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.7 Cầu điện trở Wheatstone (Trang 26)
Hình 2.9: Loadcell thay đổi. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.9 Loadcell thay đổi (Trang 27)
Hình 2.12: Loadcell dạng nén - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.12 Loadcell dạng nén (Trang 28)
Hình 2.15. Sơ đồ chân Module - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.15. Sơ đồ chân Module (Trang 35)
Bảng 2.4: Chức năng chân của LCD. Chức năngthứSố - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Bảng 2.4 Chức năng chân của LCD. Chức năngthứSố (Trang 38)
Hình 2.21: Sơ đồ chân LCD 1602. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.21 Sơ đồ chân LCD 1602 (Trang 38)
Hình 2.3 Màn hình LCD16x02 giao tiếp I2C Thông số kĩ thuật: - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.3 Màn hình LCD16x02 giao tiếp I2C Thông số kĩ thuật: (Trang 39)
Hình 2.28. Mạch nguyên lý ma trận phím 4x4 - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.28. Mạch nguyên lý ma trận phím 4x4 (Trang 41)
Hình 2.27. Hoạt động chân RS. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.27. Hoạt động chân RS (Trang 41)
Hình 2.33. Arduino Uno R3 SMD - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.33. Arduino Uno R3 SMD (Trang 45)
Hình 2.38. Sơ đồ cấu trúc board Arduino Uno - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.38. Sơ đồ cấu trúc board Arduino Uno (Trang 47)
Hình 2.39. Sơ đồ chân của Arduino Uno - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.39. Sơ đồ chân của Arduino Uno (Trang 48)
Hình 2.40. Các chân Analog và Digital trên board Một số chân Digital có chức năng đặc biệt như sau: - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.40. Các chân Analog và Digital trên board Một số chân Digital có chức năng đặc biệt như sau: (Trang 49)
Hình 2.46. Vùng thông báo trong Arduino IDE - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.46. Vùng thông báo trong Arduino IDE (Trang 53)
Hình 2.48. Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.48. Kết nối Arduino Uno R3 với máy tính (Trang 56)
Hình 2.51. Chọn cổng COM cho Arduino IDE - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.51. Chọn cổng COM cho Arduino IDE (Trang 58)
Hình 2.6.2 Giao diện app - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 2.6.2 Giao diện app (Trang 61)
Hình 3.1.Sơ đồ khối tổng quát - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 3.1. Sơ đồ khối tổng quát (Trang 65)
Hình 3.5 lắp đặt thực tế - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 3.5 lắp đặt thực tế (Trang 70)
Hình 3.6. Hồn thành thi công mạch. Bảng 2.8. Bảng so sánh với cân thực tế. - Đồ án thiết kế mô hình cân điện tử bằng arduino
Hình 3.6. Hồn thành thi công mạch. Bảng 2.8. Bảng so sánh với cân thực tế (Trang 71)

TRÍCH ĐOẠN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w