Ứng dụng cảm biến loadcell

LỜI CẢM ƠN Để thực thực hành môn cảm biến chuyển với đề tài đọc cảm biến load cell, nhóm 10 thực đề tài xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Võ Minh Trí, trưởng mơn Tự Động Hóa, khoa Cơng Nghệ, trường Đại Học Cần Thơ nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ, cung cấp kiến thức thầy suốt q trình nhóm thực đề tài Nhóm xin gởi lời cảm ơn tới tất bạn nhóm khác quan tâm, động viên hỗ trợ nhóm thực đồ án Kính chúc thầy công tác tốt! Chúc bạn thành công học tập sống! Sinh viên thực hiện: Nguyễn Chí Linh Lương Lê Ngọc Hiển Phạm Ngọc Thạch CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 MỤC LỤC Contents I Tóm tắt lý thuyết 1.1 Giơi thiệu .3 1.2 Mục tiêu môn học 1.3 Các linh kiện sử dụng 1.3.1 Cảm biến lực load cell 1.3.2 Module HX711 .6 1.2.3 Arduino Uno R3 .7 1.4 II Nguyên lý làm việc Thực hành 2.1 Thí nghiệm 1: Mô tả sơ đồ thực nghiệm .9 2.2 Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell cân điện tử 10 CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 I Tóm tắt lý thuyết I.1 Giơi thiệu Hiện cảm biến load cell dang ứng dụng ngày rộng rãi vào thiết bị điện tử dùng để xác định lực, trọng lực, khối lượng cân điện tử đồi hỏi độ xác cao đến cân có trọng tải lớn cơng nghiệp cân xe tải I.2 Mục tiêu môn học Dùng vi điều khiển đọc hiển thị xác giá trị vật nặng đạt lên cảm biến load cell Dùng Arduino UNO R3 kết nối với module HX711 cảm biến load cell thể hình Lập trình cho hiển thị hình máy tính LCD Tiến tới cho đời cân điện tử đơn giản với độ xác tương đối Hình Sơ đồ kết nối Arduino với HX711 cảm biến load cell CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 I.3 Các linh kiện sử dụng I.3.1 Cảm biến lực load cell Loadcell thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực trọng lượng thành tín hiệu điện thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm  Cấu tạo Loadcell cấu tạo hai thành phần, thành phần thứ "Strain gauge" thành phần lại "Load" [1]  Strain gauge điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn điện ổn định, dán lên “Load” - kim loại chịu tải có tính đàn hồi thể hình Hình Cấu tạo cảm biến Loadcell Wheatstone Cấu tạo Loadcell gồm điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành cầu điện trở Wheatstone hình dán vào bề mặt thân Loadcell Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào Loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc khác CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10  Nguyên lý hoạt động thể hình [2] Hình Nguyên lý hoạt động load cell Điện trở strain gauge đươc tính theo cơng thức hình Hình R= Điện trở strain gauge (Ohm) L = Chiều dài sợi kim loại strain gauge (m) S = Tiết diện sợi kim loại strain gauge (m2) r= Điện trở suất vật liệu sợi kim loại strain gauge Khi dây kim loại bị lực tác động thay đổi điện trở Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở giảm xuống Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động  Phân loại Có thể phân loại Loadcells sau: [3] - Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (Shear Loadcell), chịu nén CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHÓM 10 (Compression Loadcell), dạng uốn (Bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) - Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S hình - Phân loại theo kích thước khả chịu tải: loại bé, vừa, lớn Hình Phân loại load cell theo hình dạng Hiện có loại cảm biến lực thông dụng Load cell tương tự load cell số:  Tín hiệu từ Loadcell số (digital Loadcell) truyền thị dạng số  Tín hiệu từ Loadcell tương tự (analog Loadcell) truyền thị dạng điện áp  Ứng dụng Loadcell Một ứng dụng phổ biến thường thấy Loadcell sử dụng loại Cân điện tử cân kĩ thuật đòi hỏi độ xác cao cân có trọng tải lớn công nghiệp I.3.2 Module HX711 HX711 modun chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital (hay Analog to Digital Converter “ADC”) 24-bit Dùng để chuyển đổi từ đại lượng vật lí tương tự sang tín hiệu điện giao tiếp trực tiếp với cảm biến load cell Có khả chống nhiễu độ tin cậy cao CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 Hinh Module HX711 thực tế  Cấu tạo thể hình [4] Hình Cấu tạo module HX711  Nguyên lý hoạt động Với cấu tạo HX711 đọc tín hiệu analog load cell qua kênh gồm dây: VCC (E+), GND (E-), INA+ INA- chyển đổi sang tín hiệu digital truyền sang vi điều khiển có xung CK 1.2.3 Arduino Uno R3 Hình Arduino CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 Arduino Uno sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz Một số thông số kỹ thuật sau : [5] Chip Điện áp cấp nguồn Điện áp đầu vào (input) (kiến nghị ) Điện áp đầu vào(giới hạn) Số chân Digital I/O Số chân Analog (Input ) DC Current per I/O Pin DC Current for 3.3V Pin Flash Memory SRAM EEPROM Xung nhịp I.4 ATmega328 5V 7-12V 6-20V 14 (có chân điều chế độ rộng xung PWM) 40 mA 50 mA 32KB (ATmega328) với 0.5KB sử dụng bootloader KB (ATmega328) KB (ATmega328) 16 MHz Nguyên lý làm việc Tín hiệu Load cell Tín hiệu Hx711 Analog Arduino LCD Digital Khi có vật nặng đặt lên cảm biến load cell tín hiệu analog truyền Hx711 chuyển đổi thành tín hiệu Digital truyền Arduino xử lý xuất giá trị khối lượng hình LCD 16x2 II Thực hành Để đọc cảm biến load cell nhóm thực thí nghiệm sau: Thí nghiệm 1: Mơ tả sơ đồ thực nghiệm Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell cân điện tử CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHĨM 10 2.1 Thí nghiệm 1: Mơ tả sơ đồ thực nghiệm Xác định dây load cell Cấu trúc dây tín hiệu Loadcell bao gồm loại loại dây loại dây có dây tín hiệu chống nhiễu cho Loadcell [6] Ở cảm biến loại dây gồm dây chống nhiễu, ExC+ (màu đỏ), ExC- (màu đen), Sig+ (xanh), Sig- (trắng) Cảm biến khơng có kí hiệu màu dây ta dùng đồng hồ đo VOM để xác định Ta chọn thang đo điện trở 2k đo điện trở cặp dây ta có kết đo có giá trị đo lớn giá trị đo lại Và lúc ta xác định cặp dây tín hiệu có kết lớn giá trị lớn điện trở dây +Exc –Exc giá trị nhỏ điện trở dây +Sig –Sig Ta đấu nối Loadcell vơi thị để xác định xác màu dây Loadcell Nếu đặt tải lên Loadcell mà số lại giảm có cặp dây (+Exc –Exc) cặp dây (+Sig – Sig) bị quy định ngược, ta cần đảo cặp dây xong  Trường hợp Loadcell dây tín hiệu Cấu trúc Loadcell dây ngồi dây nên cịn có thêm dây tín hiệu dùng để bù tín hiệu điện áp có tác dụng chống nhiễu cao Về tương tự Loadcell dây Loadcell dây, dây +Exc nối tắt với dây +Sen dây -Exc nối tắt với dây –Sen Xác định lúc tương tự Loadcell dây Do đó, dùng đồng hồ đo ohm thang đo 2k Khi xác định cặp dây ta lắp Loadcell vào đầu cân kiểm tra lặp lại trình tự Loadcell dây Lập trình thiết lập chuẩn (scale) cho cảm biến lực hiển thị hình Lập trình Arduino ta sử dụng thư viện Hx711 để lập trình đọc tín hiệu cảm biến Trong thư viện có chuyển đổi đọc từ tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital sau nhân với tỉ lệ thiết lập khối lượng Các bươc thiết lập tỉ lệ chuẩn sau: Gọi hàm set_scale không thông số Dùng tiếp hàm tare() khơng có thơng số Đặt vật nặng có giá trị chuẩn lên cảm biến lực dùng hàm get_units(10) (đọc giá trị trung bình 10 lần) để đọc tín hiệu Chia giá trị tín hiệu đọc bước cho giá trị chuẩn Điều chỉnh giá trị thông số tới đọc giá trị xác  Thử nghiệm độ xác cảm biến với vật nặng khác  Sau thiết lập giá trị chuẩn xong ta cho thử nghiệm vật nặng khác để kiểm tra thiết lập giá trị chuẩn với độ sai số tối thiểu 2.2 Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell cân điện tử CBHD: VO MINH TRÍ SVTH: NHÓM 10  Kết nối thiết bị Lắp cố định Loadcell vào cân điện tử kết nối loadcel với modun HX711 adruino theo sơ đồ hình: Hình 8: Sơ đồ kết nối Arduino với HX711 cảm biến load cell Kết nối hình LCD với adruino theo sơ đồ hình: Hình 9: Sơ đồ kết nối Adruino với hình LCD  Hình ảnh Loadcell mơ hình thực tế: CBHD: VO MINH TRÍ 10 SVTH: NHĨM 10 Hình 10: Loadcell Hình 11: Thông số chưa thiết lập thông số chuẩn CBHD: VO MINH TRÍ 11 SVTH: NHĨM 10 Hình 12: Khi thiết lập thơng số xong Hình 13: Khối lượng vật nặng cân sau thiết lập thông số chuẩn  Lập trình thiết lập thơng số Xác định thơng số sau lắp cố định giá cân với Loadcell Các bước thực tương tự thí nghiệm sau: Gọi hàm set_scale khơng thơng số CBHD: VO MINH TRÍ 12 SVTH: NHĨM 10 Dùng tiếp hàm tare() khơng có thơng số Đặt vật nặng có giá trị chuẩn lên cảm biến lực dùng hàm get_units(10) (đọc giá trị trung bình 10 lần) để đọc tín hiệu Chia giá trị tín hiệu đọc bước cho giá trị chuẩn Điều chỉnh giá trị thông số tới đọc giá trị xác  Thử nghiệm độ xác cảm biến với vật nặng khác Sau thiết lập thông số giá trị chuẩn ta nhận kết cân với sai số 0.2 Bảng giá trị thực sau lần đo: Khối lượng vật chuẩn 400g 145g 387g Cân lần 400.2 144.9 386.8 Cân lần 400.1 144.8 386.8 Cân lần 399.9 145.0 387.0 [1] TÀI LIỆU THAM KHẢO http://Loadcell.com.vn/tin-tuc/cac-loai-Loadcell.html ngày truy cập 27/9/2016 [2] http://canotodientu.vn/tu-van/Loadcell.html ngày truy cập 27/9/2016 [3] http://www.candientu.com.vn/tin-tuc/load-cell-la-gi-hoat-dong-nhu-the-nao ngày truy cập 27/9/2016 [4] http://text.123doc.org/document/3480852-do-an-co-dien-tu-lam-can-thongminh.htm truy cập ngày 27/9//2016 [5] Nguyễn Trung Tín, năm 2014 Hướng dẫn sử dụng Arduino, 59 trang [6] http://candientu360.com/huong-dan-dung-dong-ho-de-xac-dinh-day-tin-hieucua-Loadcell.html truy cập ngày 27/9/2016 [7] https://codebender.cc/library/HX711#HX711.cpp ngày truy cập 20/9/2016 CBHD: VO MINH TRÍ 13 SVTH: NHĨM 10