XÂY DỰNG CÂN ĐIỆN TỬ

HỌC VIỆN KỸ THUẬT MẬT MÃ KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Đề tài: XÂY DỰNG CÂN ĐIỆN TỬ Giảng viên hƣớng dẫn: Ths Lê Đức Thuận Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Minh CT030335 Nguyễn Văn Minh CT030237 Trần Thị Phƣơng CT030341 Nhóm Hà Nội, 2021 MỤC LỤC CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cân điện tử Loadcell 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Mục tiêu 1.1.3 Khái niệm cân điện tử 1.1.4 Nguyên lý cấu tạo cân điện tử 1.2 Tổng quan Arduino 1.2.1 Giới thiệu Arduino 1.2.2 Ứng dụng Arduino 1.2.3 Arduino Uno R3 1.3 Tổng quan I2C 1.3.1 Giới thiệu giao tiếp I2C 1.3.2 Đặc điểm giao tiếp I2C 1.3.3 Module I2C 1.4 Load Cell 10 1.4.1 Giới thiệu Load Cell 10 1.4.2 Cấu tạo 10 1.4.3 Nguyên lý hoạt động 11 1.4.4 Phân loại 11 1.4.5 Ứng dụng load cell 12 1.4.6 Thông số load cell (5kg) 12 1.5 Module HX711 12 1.5.1 Giới thiệu HX711 12 1.5.2 Sơ đồ chân chức 13 1.5.3 Thông số kỹ thuật 14 1.5.4 Nguyên lý hoạt động 15 ii 1.5.5 Ứng dụng 16 1.6 LCD 1602 16 1.6.1 Giới thiệu LCD 16 1.6.2 Chức chân 16 1.6.3 Thông số kỹ thuật 17 CHƢƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 18 2.1 Nắm bắt yêu cầu 18 2.1.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 18 2.1.2 Đặc tả ca sử dụng 18 2.1.3 Đặc tả bổ sung 20 2.2 Phân tích 20 2.2.1 Phân tích kiến trúc 20 2.2.2 Phân tích ca sử dụng 21 2.3 Thiết kế mạch 23 2.4 Lƣu đồ giải thuật 24 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 25 iii LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng thiết bị điện tử vào đời sống trở nên phổ biến hơn, với thời đại mà hệ thống nhúng lên Từ ứng dụng đơn nhƣ đồng hồ kỹ thuật số, máy chơi nhạc MP3, đến ứng dụng cho xã hội nhƣ đèn giao thông, kiểm soát nhà máy, cửa tự động, ứng dụng mang tính quy mơ, tầm cỡ nhƣ Robot, nhà thông minh, Trong khu công nghiệp, quan, trƣờng học, lĩnh vực y tế, dân dụng, nông nghiệp,… thiết bị cân điện tử có vai trị quan trọng Khơng cân điện tử có quan trọng sản xuất nơng nghiệp hay bn bán cân điện tử hỗ trợ nhiều cho ngƣời việc trao đổi bn bán với Chính vậy, lấy ý tƣởng từ thực tế nhóm xem đề tài: “Xây dựng hệ thống cân điện tử” Khi chọn đề tài, em mong muốn mục tiêu có hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt cơng nghệ phần mềm nhúng Và kế đó, áp dụng nguyên cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế Với mục tiêu này, báo cáo nhóm em đƣợc trình bày gồm chƣơng bố cục sau: Chƣơng 1: Cơ sở lý thuyết Chƣơng 2: Phân tích thiết kế Chƣơng 3: Kết thực nghiệm Tuy nhiên, thời gian thực đồ án có hạn kiến thức cịn nhiều hạn chế, nên đề tài nhiều thiếu sót, điểm bất cập vấn đề chƣa thể xử lý triệt để Nhóm em mong nhận đƣợc góp ý q thầy bạn để báo cáo hồn thiện Nhóm em xin chân thành cảm ơn! iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Arduino Uno R3 Hình 1.2 Các cổng vào/ra Arduino Uno R3 Hình 1.3 Sơ đồ bus I2C Hình 1.4 I2C 10 Hình 1.5 Load Cell 10 Hình 1.6 Mạch wheatstone 11 Hình 1.7 HX711 13 Hình 1.8 Sơ đồ chân HX711 13 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý HX711 15 Hình 1.10 LCD 1602 16 Hình 2.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 18 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 20 Hình 2.3 Biểu đồ trình đặt vật mẫu lên cân 21 Hình 2.4 Biểu đồ trình bỏ vật mẫu khỏi cân 22 Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế hệ thống 23 Hình 2.6 Lƣu đồ giải thuật cân điện tử loadcell 24 Hình 3.1 Mạch thực tế 25 Hình 3.2 Mặt bàn cân 26 Hình 3.3 Màn hình hiển thị cân điện tử 26 Hình 3.4 Mơ hình cân điện tử 27 Hình 3.5 Khi đặt vật lên cân 28 Hình 3.6 Khi bỏ vật khỏi cân 29 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Bảng 1.2 Miêu tả chức chân HX711 13 Bảng 2.1 Đặc tả đặt vật mẫu lên cân 18 Bảng 2.2 Đặc tả vật mẫu khỏi cân 19 Bảng 3.1 Kết thực nghiệm đo vật có khối lƣợng < 10g 30 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm đo vật có 10g < khối lƣợng < 100g 30 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm đo vật có 100g < khối lƣợng < 1kg 30 Bảng 3.4 Kết thực nghiệm đo vật có 1kg < khối lƣợng < 5kg 30 vi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Ý nghĩa A/D Analog/Digital Tƣơng tự/Số ADC Analog-to-Digital Converter Mạch chuyển đổi tƣơng tự số IDE Integrated Development Environment I2C Inter-Integrated Circuit Chú thích Mơi trƣờng phát triển tích hợp Integrated Circuit IC Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng LCD SDA Serial Data SCL Serial Clock Line VDK Vi điều khiển Xung nhịp đồng hồ vii CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cân điện tử Loadcell 1.1.1 Đặt vấn đề Ngày khu công nghiệp, quan, trƣờng học, lĩnh vực y tế, dân dụng, nông nghiệp,… thiết bị cân điện tử có vai trị quan trọng Cân điện tử có quan trọng sản xuất nông nghiệp hay buôn bán cân điện tử hỗ trợ nhiều cho ngƣời việc trao đổi buôn bán với 1.1.2 Mục tiêu Đo đƣợc cân nặng loadcell kết nối với module HX711 để chuyển tín hiệu điện thành điện áp sang số Tạo hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt lập trình Arduino Bên cạnh áp dụng ngun cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế 1.1.3 Khái niệm cân điện tử Cân điện tử thiết bị điện tử dùng để đo trọng lƣợng vật mẫu Nhƣ biết vật trái đất có trọng lƣợng, lực hấp dẫn nên muốn biết trọng lƣợng vật ta việc đặt lên bàn cân Một cảm biến nhận diện trọng lƣợng mẫu vật sau chuyển tiếp vào mạch trung tâm xử lý tín hiệu trả kết lên hình hiển thị, ngƣời sử dụng quan sát biết giá trị tham chiếu với mẫu vật Cân điện tử đời thay hồn tồn cho cân thơ sơ hay gọi cân cơ, cân treo, cân lò xo, cân thăng trƣớc độ xác cao, nhiều tính đại, đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực hoạt động hoạt động sản xuất, kinh doanh đời sống ngƣời Ngày nay, cân điện tử cân đƣợc mẫu vật nhỏ tới hàng mg với mức cân sai lệch từ 0.00001g đến vật có khối lƣợng lớn lên đến hàng trăm Ta dễ dàng thấy đƣợc thuận lợi sử dụng cân điện tử: - Độ xác cao - nhận diện xử lý số Dễ dàng in tem, in nhãn, in bill, in mã vạch - Tiết kiệm không gian sử dụng - Tiết kiệm thời gian xử lý - Tiêu thụ điện ( công suất từ 0.7 ~ 15 W) - Gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển vận hành - Tiết kiệm chi phí lao động, chi phí quản lý, - Có chƣơng trình phần mềm hoạt động riêng cân, dễ dàng thay đổi, tùy chọn - Một số cân cho khả kết nối với máy tính mạng Lan, giúp cho việc quản lý dễ dàng, quản lý từ xa, Cân điện tử đƣợc ứng dụng rộng rãi kho tàu, bến cảng, nhà hàng, bệnh viện, công ty lƣơng thực - thực phẩm, siêu thị, cơng ty, nhà máy, xí nghiệp, trung tâm nghiên cứu, chợ truyền thống, cân oto, cân nông sản vựa, cân thủy sản, cân sắt thép, cân hàng phế liệu … - Cân điện tử thông dụng: Những sản phẩm cân điện tử nhƣ cân bàn điện tử, cân tính tiền, cân in mã vạch, in tem nhãn, hay gọi chung cân siêu thị mà thƣờng thấy để cân loại hàng hóa, thực phẩm nhƣ thủy sản, nông sản, loại vật dụng…tại cửa hàng bách hóa siêu thị, chợ - Cân cơng nghiệp: Các dịng cân điện tử dùng để cân khối lƣợng hàng hóa lớn nhƣ cân ô tô – xe tải, cân điện tử xe nâng, cân treo điện tử, cân bồn, cân silo, cân toa tàu hỏa, cân container nhà ga, bến cảng, kho, nhà máy hay tới sản phẩm cân điện tử công nghiệp dùng sản xuất kinh doanh nhƣ cân bàn, cân sàn điện tử, cân đếm số lƣợng, cân đóng bao, cân chiết rót, cân kiểm tra trọng lƣợng thƣờng dùng nhà máy sản xuất,… - Cân phịng thí nghiệm: Các dịng cân phân tích, cân kỹ thuật, cân phân tích độ ẩm, dùng phịng thí nghiệm dùng để cân mẫu vật, phân tích hàm lƣợng, tỷ trọng nguyên liệu - Cân điện tử chuyên dụng: Các loại cân điện tử sử dụng cho mục đích chuyên biệt nhƣ cân pha chế sơn, cân tính tỷ trọng tinh bột, cân động vật, cân đo lực kéo, 1.1.4 Nguyên lý cấu tạo cân điện tử Đầu dò hay cảm biến tải loadcell có độ nhạy cao, đặc trƣng cho nhà sản xuất (Cas, Mettler Toledo, Dibal, A&D, Ohaus, Digi…), có độ bên cao khoảng nhiệt độ hoạt động rộng Ngƣời sử dụng không trực tiếp can thiệp tới đầu dò Thƣờng nhà máy sản xuất khuyến cáo khơng nên cân vật có q trọng cân quy định, đa số trƣờng hợp làm loadcell hƣ hỏng 1.1.4.1 Cấu tạo Cấu tạo cân điện tử gồm phận là: - - Bộ phận địn cân đƣợc cấu tạo bởi: Strain Gauge Load, Strain Gauge loại điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, điện trở thay đổi bị nén hay bị kéo dãn đƣợc mồi nguồn điện ổn định, phận đƣợc dán chết lên Thanh kim lại đầu đƣợc gắn cố định đầu đƣợc gắn lên đĩa cân Mạch xử lý tín hiệu điện tử 1.1.4.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động cân điện tử: - - Khi đặt khối lƣợng lên đĩa cân, loadcell bị uốn cong trọng lƣợng khối lƣợng cân gây Khi kim loại bị uốn làm cho điện trở bị kéo dãn điện trở bị thay đổi Tín hiệu điện từ đƣợc tạo Tín hiệu chuyển đổi thu A/D để xử lý, kết hợp với phần mềm tích hợp bo mạch chủ sau hiển thị hình LCD Mỗi loại cân đƣợc thiết kế theo tải trọng khác nhau, tùy ứng dụng mà chọn lựa tải trọng sai số tuyến tính, bƣớc nhảy Nhà sản xuất khuyến cáo không nên cân vật không phù hợp với cân, cân tải, mặt phẳng đặt cân không phẳng, chấn động, nhiễu điện từ … Cuối cùng, bảo vệ bên cân điện tử thƣờng đƣợc chế tạo từ nhựa ABS, tổng hợp, tái chế có mẫu kim loại CHƢƠNG PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 2.1 Nắm bắt yêu cầu 2.1.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống Hình 2.1 Biểu đồ ca sử dụng hệ thống 2.1.2 Đặc tả ca sử dụng Bảng 2.1 Đặc tả đặt vật mẫu lên cân Ca sử dụng Đặt vật mẫu lên cân Tác nhân Ngƣời dùng 18 Mô tả Ngƣời dùng đặt vật mẫu lên cân sau nhận biết đƣợc khối lƣợng cân qua hình hiển thị Tiền điều kiện Hệ thống đƣợc lắp ghép hoàn chỉnh Luồng kiện Ngƣời dùng đặt vật mẫu lên cân Loadcell - cảm biến cân nặng: xác định trọng lƣợng vật Module HX711 khuếch đại tín hiệu nhận đƣợc từ loadcell, chuyển đổi tƣơng tự sang số sau gửi tín hiệu cho arduino Arduino nhận tín hiệu từ HX711 sau điều khiển LCD hiển thị khối lƣợng vật LCD hiển thị khối lƣợng vật Luồng kiện phụ - Ngƣời dùng sử dụng vật mẫu tải trọng loadcell Ngƣời dùng khơng đặt cân vị trí cân Bảng 2.2 Đặc tả vật mẫu khỏi cân Ca sử dụng Bỏ vật mẫu khỏi cân Ngƣời dùng Tác nhân Mô tả Ngƣời dùng bỏ vật mẫu khỏi cân sau cân trở mức Tiền điều kiện Hệ thống đƣợc lắp ghép hoàn chỉnh Luồng kiện Ngƣời dùng bỏ vật mẫu khỏi cân Loadcell - cảm biến cân nặng: xác định trọng lƣợng vật Module HX711 khuếch đại tín hiệu nhận đƣợc từ loadcell, chuyển đổi tƣơng tự sang số sau gửi tín hiệu cho arduino Arduino nhận tín hiệu từ HX711 sau điều khiển LCD hiển thị khối lƣợng vật LCD hiển thị mức cân Luồng kiện phụ - Ngƣời dùng sử dụng vật mẫu tải trọng loadcell Ngƣời dùng khơng đặt cân vị trí cân 19 2.1.3 Đặc tả bổ sung Những yêu cầu phi chức hệ thống: - Độ xác cao - Thời gian phản hồi nhanh - Phục vụ 24/7 - Mở rộng thêm nhiều chức - Dễ bảo trì 2.2 Phân tích 2.2.1 Phân tích kiến trúc Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống cân điện tử Loadcell gồm khối nhƣ sau: - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động - Khối cảm biến: Loadcell - Tín hiệu đầu loadcell tín hiệu đƣa vào khối A/D để chuyển đổi - Khối A/D: Module HX711 chuyển đổi tín hiệu tƣơng tự từ loadcell thành tín hiệu số - Khối điều khiển: Arduino Uno xử lý tín hiệu nhận từ module HX711, điều khiển hiển thị giá trị khối lƣợng tƣơng ứng loadcell - Khối hiển thị: LCD hiển thị giá trị khối lƣợng tƣơng ứng loadcell thời điểm mà loadcell có thay đổi 20 2.2.2 Phân tích ca sử dụng 2.2.2.1 Biểu đồ trình đặt vật mẫu lên cân Hình 2.3 Biểu đồ trình đặt vật mẫu lên cân 21 2.2.2.2 Biểu đồ trình bỏ vật mẫu khỏi cân Hình 2.4 Biểu đồ trình bỏ vật mẫu khỏi cân 22 2.3 Thiết kế mạch Hình 2.5 Sơ đồ thiết kế hệ thống Đầu tiên, cảm biến lực đƣợc kết nối với mô-đun HX711 Cảm biến lực có bốn dây, phải đƣợc kết nối với bốn chân mô-đun HX711: dây màu đỏ đến E +, dây màu đen với E-, dây màu trắng với A- dây màu xanh với A + Các chân cịn lại, B- B +, đƣợc sử dụng phải kết nối cảm biến lực thứ hai với mô-đun HX711 Tiếp theo, mô-đun HX711 đƣợc kết nối với Arduino Uno Chân GND mô-đun phải đƣợc kết nối với chân GND Arduino DT SCK phải đƣợc kết nối với chân kỹ thuật số Arduino Trong giai thừa này, DT đƣợc kết nối với chân số SCK đƣợc kết nối với chân số Chân VCC lại phải đƣợc kết nối với chân 5V Arduino Vì mơ-đun LCM1602 yêu cầu kết nối với chân 5V, bảng mạch đƣợc sử dụng để chia tín hiệu 5V Arduino Bƣớc cuối cùng, chân SDA SCL mô-đun LCM1602 phải đƣợc kết nối với chân SDA SCL tƣơng ứng Arduino Uno Hơn nữa, chân GND phải đƣợc kết nối với chân GND Arduino chân VCC phải đƣợc kết nối với tín hiệu 5V bảng mạch 23 2.4 Lƣu đồ giải thuật Lƣu đồ giải thuật cân điện tử loadcell: Hình 2.6 Lƣu đồ giải thuật cân điện tử loadcell Mô tả : - Đầu tiên khởi tạo tham số, sau hiển thị thơng tin hình Tiếp theo đọc liệu từ HX711 đồng thời đếm số lần đọc Nếu số lần đọc khơng đủ n lần quay lại đọc Nếu đủ n lần tính trung bình số lần đọc Quy đổi hiển thị khối lƣợng lên hình 24 CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Mơ hình cân điện tử 3.1.1 Mạch thực tế Hình 3.1 Mạch thực tế Mạch xử lý trung tâm gồm Arduino đƣợc kết nối với module để điều khiển hoạt động cân đồng thời cịn có nhiệm vụ cấp nguồn ni cho khối cịn lại 25 3.1.2 Mơ hình tổng quan 3.1.2.1 Mặt bàn cân Hình 3.2 Mặt bàn cân Mặt bàn cân đƣợc gắn cố định cảm biến, cho tạo khoảng cách cảm biến bàn cân Ngƣời dùng dễ dàng đặt vật lên cân 3.1.2.2 Màn hình hiển thị cân điện tử Hình 3.3 Màn hình hiển thị cân điện tử Tồn thơng tin đo đƣợc hiển thị LCD 1602 để giúp ngƣời đo dễ dàng quan sát kết đo 26 3.1.2.3 Mơ hình hồn chỉnh Hình 3.4 Mơ hình cân điện tử Mơ hình cân điện tử gồm : - Hộp nhựa chống nƣớc Mặt bàn cân Loadcell Mạch điện tử Màn hình hiển thị 27 3.2 Kết thực nghiệm 3.2.1 Quá trình đo  Đặt vật lên cân: Hình 3.5 Khi đặt vật lên cân Sau ngƣời dùng hoàn thành q trình đo, thơng số cân nặng đƣợc tất LCD 28  Bỏ vật khỏi cân: Hình 3.6 Khi bỏ vật khỏi cân Khi bỏ vật khỏi cân hình LCD tự động hiển thị gam 29 3.2.2 Đánh giá nhận xét kết đo Sau tiến hành phép đo, cân điện tử cho thấy hoạt động ổn định độ xác cao, thực đo hiển thị thông số cách trực quan Dƣới bảng thống kê sau nhóm thực đo phép đo lần Bảng 3.1 Kết thực nghiệm đo vật có khối lƣợng < 10g Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 83,33 83.33 99,99 Bảng 3.2 Kết thực nghiệm đo vật có 10g < khối lƣợng < 100g Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 65 99,99 64 98.5 65 99,99 Bảng 3.3 Kết thực nghiệm đo vật có 100g < khối lƣợng < 1kg Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 452 99,99 453 99,78 452 99,99 Bảng 3.4 Kết thực nghiệm đo vật có 1kg < khối lƣợng < 5kg Số lần đo Khối lƣợng (g) Chính xác (%) 1413 99,92 1412 99,99 1412 99,99 Nhận xét: - Khối lƣợng lớn đo đƣợc: 5kg Khối lƣợng nhỏ đo đƣợc : 1g 30 - Sai số: ±1g Một số yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả: o Độ ổn định chƣa hết mức loadcell o Mơi trƣờng có nhiệt độ thay đổi đột ngột, môi trƣờng khô hay ẩm ƣớt o Bất ngờ thả, đặt mạnh vật cần cân lên mặt cân 31 KẾT LUẬN Kết đạt đƣợc Sau thời gian tìm hiểu thực đề tài “Xây dựng cân điện tử loadcell” chúng em đạt đƣợc kết sau:  Chế tạo thành công mơ hình cân điện tử sử dụng Arduino loadcell  Hệ thống hoạt động trơn chu, ổn định  Kết đo hồn tồn xác  Đối với nhóm áp dụng đƣợc nhiều kiến thức bổ ích nhƣ:  Nguyên tắc hoạt động mạch  Hiểu rõ linh kiện vi điều khiển  Cấu tạo, nguyên lý hoạt động loadcell  Có thêm kiến thức lập trình arduino Hạn chế Bên cạnh đố không tránh khỏi khuyết điểm cần khắc phục nhƣ:  Sai số kết nhiều lần đo khác  Tốc độ xử lý chậm Hƣớng phát triển Với mặt hạn chế đề tài, để đề tài đƣợc mở rộng áp dụng vào đời sống sau nhớm đƣa số hƣớng phát triển đề tài: Tích hợp thêm nhiều chức năng:    Chức chuyển đổi đơn vị đo; Chức tính theo cơng thức có sẵn hay cơng thức đƣợc cài; Chức cộng dồn, chức trừ trọng lƣợng vật chứa,… 32