ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP DCDL21 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài CÂN ĐIỆN TỬ Sinh viên thực hiện Giảng viên hướng dẫn SVTH Phạm Minh Thế THS Đào Minh Đức[.]
ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài: CÂN ĐIỆN TỬ Sinh viên thực Giảng viên hướng dẫn SVTH: Phạm Minh Thế THS : Đào Minh Đức Quảng ngãi tháng 12 năm 2022 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 PHẦN MỞ ĐẦU 1.Đặt vấn đề Ngày khu công nghiệp, quan, trường 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 nơng nghiệp hay bn bán cân điện tử hổ trợ nhiều cho người việc trao đổi buôn bán với Lý chọn đề tài 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 đồng hồ kĩ thuật số, máy chơi nhạc MP3, đến ứng dụng cho xã hội đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy, cửa tự động, ứng dụng mang tính quy mơ, tầm cỡ Robot, ngơi nhà thơng minh, Trong sản xuất, dù công nghiệp hay nông nghiệp để xác định khối lượng vật vô cần thiết Từ xa xưa, ông cha ta biết so sánh khối lượng cần biết với vật mẫu Trước có hệ thống đo khối lượng dùng đối trọng lò xo kết cấu khí, việc sử dụng loại cân cồng kềnh độ xác khơng cao Ngày nay, q trình hệ thống đại địi hỏi phải có độ xác cao việc đo lường thiết bị Vấn đề cơng nghệ đo phù hợp, hiển thị xác thông số đo lường vấn đề nhiều kỹ sư tích hợp đo lường điều khiển quan tâm Trong đời sống sinh hoạt việc xác đinh khối lượng quan trọng không kém, đặc biệt việc xác định khối lượng hàng hóa mua bán, khâu quan trọng việc xác định giá trị hàng hóa Nhận thấy yêu cầu cấp thiết em xin thực đề tài: “Thiết kế, xây dựng hệ thống cân điện tử sử dụng Loadcell Arduino” Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu:Tạo hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt lập trình Arduino Và kế đó, áp dụng ngun cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế Nhiệm vụ nghiên cứu: Em nghiên cứu lập trình Arduino module chuyển đổi giá trị bit, cách thức thu thập liệu để hiển thị LCD Em thiết kế phần cứng module kết hợp với để chuyển đổi giá trị bit Kết mang lại đề tài hệ thống hoàn thiện gồm phần mềm phần cứng sử dụng hộ gia đình nông nghiệp Đối tượng phạm vi nghiên cứu SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Sau tìm hiểu thơng tin đề tài,cùng với hiểu biết sẵn có tìm kiếm thơng tin liên quan, em xác định đối tượng phạm vị cần nghiên cứu Sử dụng mạch Arduino, loadcell với khác thiết bị điện khác để làm cân cân số vận dụng thơng thường có đặc điểm sau: + Mơ hình cân điện tử có chức đo đạc thông số khối lượng vật cần đo + Khối lượng tối đa hệ thống cân 5kg + Sử dụng Arduino để lập trình + Trên mơ hình có hình LCD để hiển thị kết đo + Thết kế mơ hình nhỏ gọn, chi phí thấp + Có thể hoạt động hệ thống cân thật Phương pháp nghiên cứu Dựa kiến thức học kết hợp với kiến thức học môn học chuyên đề lập trình Arduino với tìm tịi, nghiên cứu, tổng hợp kiến thức từ nguồn khác để phân tích lựa chọn cách thức ứng dụng phù hợp phục vụ cho thực đề tài Tìm hiểu nguyên tắc chuyển đổi giá trị bit module Giới thiệu linh kiện dung mạch Tính tốn thiết kế Mô mạch dung phần mềm Proteus 8.10 Thi công mạch Ý nghĩa đề tài Đề tài cầu gắn kết lý thuyết học với việc thực hiện, tạo sản phẩm thực tế để tăng kiến thức tay nghề sinh viên Mặc khác, đề tài tài liệu tham khảo cho nghiên cứu có liên quan áp dụng cho thực tế Phương pháp thực Để thực sản phẩm, thực trình tự gồm phần sau: Phân khí: Do để tiết kiệm chi phí, để dễ thi công thiết kế nên em chọn miếng mica để làm mơ hình để làm sản phẩm Phân mơ hình: SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Phân mạch điện: Phân chương trình: CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát cân điện tử SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Cân điện tử loại thiết bị điện tử để đo khối lượng vật mẫu Mọi vật trái đất có khối lượng riêng biệt để cân chúng lí mà cân điện tử đời Một cảm biến nhận diện trọng lượng vật mẫu sau chuyển tiếp vào mạch trung tâm lý tín hiệu hiển thị kết trả khối lượng vật Hình 1.1 Cân điện tử 1.2 Cấu tạo cân điện tử Hiện thị trường, cân điện tử chế tạo với đa dạng kích thước, hình dạng, với khả nâng hạ từ vài gam hàng chục Các loại cân có ứng dụng khác từ cân hàng tiêu dùng, cân oto, xe tải, xe nâng hàng,… Tuy chúng có cấu tạo giống Vậy cấu tạo chung cân điện tử gì? Cấu tạo cân điện tử STT Bộ phận Chức Khung Khung vỏ cân điện tử phận lớn cân điện tử Chúng có tác dụng tạo hình SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 vỏ cân bảo vệc chi tiết bên cân điện tử Các loại khung vỏ cân điện tử làm thép, nhựa tuỳ vào loại cân Bàn cân (đĩa cân) Bàn cân điện tử hay đĩa cân mặt phẳng đắt phía cân điện tử Đây nơi để đặt vận cần cân Chúng thường chế tạo từ vật liệu không gỉ, với độ bền khả chịu lực cao Hình dáng bàn cân khác nhau, tuỳ theo loại hàng hoá mà nhà sản xuất muốn hướng tới Bộ phận cảm biến lực Bộ phận cảm biến cân điện tử hay mạch khuếch đại cân nơi tiếp nhận tác động vật lý từ hàng hố, sau tiến hành giải mã tín hiệu, truyền tới phận hiển thị – Mỗi loại cân điện tử khác nhau, phận cảm biến lực có hình dạng khác Loadcell – Đơi người ta thường gọi phận cảm biết Loadcell Đây thiết bị cấu tạo bao gồm điện trở, chúng ni nguồn điện cấp ngồi ổn định – Khi phận bị nén kéo giãn điện trở đầu bị thay đổi tương ứng Vật thể cần cân nặng làm biến dạng thay Loadcell lớn dẫn đến thay đổi điện trở nhiều Mạch chuyển đổi tín hiệu Mạch chuyển đổi tín hiệu phận làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện (giải mã tín hiện) từ Loadcell sang mạch digital (a/d) Sau chúng tiến hành xử lý đưa kết hiển thị Màn hình hiển thị – Là phận thiết kế để hiển thị thơng số sau cân Chúng thiết kế để hiển thị thông số khác giá bán, Đầu hiển thị cân (Indicato r) Đầu hiển thị cân điện tử hay phận điều khiển trung tâm Đây phận riêng biệt thiết kế nhằm tiếp nhận xử lý thơng tin đầu vào, đầu cân Chúng có khả kết nối với máy tính, máy in, phần mềm quản lý chuyên dung Từ cho phép người dùng tính tốn đưa thơng tin người dùng mong muốn CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan arduino 2.1.1 Khái niệm Arduino SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Arduino board mạch Vi Điều Khiển sử dụng chip AVR 8bit ATmega328, Atmega168, ATmega8 Atmel Board mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel với hai chip phổ biến ATmega328 ATmega2560 Các dòng vi xử lý cho phép lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp trang bị cấu hình mạnh với loại nhớ ROM, RAM Flash, ngõ vào digital I/O có nhiều ngõ có khả xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog chuẩn giao tiếp đa dạng UART, SPI, TWI (I2C) Sức mạnh xử lý + Xung nhịp: 16MHz + EEPROM: 1KB (ATmega328) 4KB (ATmega2560) + SRAM: 2KB (Atmega328) 8KB (Atmega2560) + Flash: 32KB (Atmega328) 256KB (Atmega2560) - Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: 2.2 Giới thiệu mô đun linh kiện có m 2.2.1 Arduino Nano Arduino nano bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm – 4,5cm Arduino Nano board mạch thiết kế nhỏ gọn với chức năng, sức mạnh, phần cứng cách sử dụng hoàn toàn tương đương với Arduino Uno, bạn thích nhỏ gọn thiết kế lựa chọn hồn toàn tối ưu dành cho bạn Arduino Nano sử dụng chip dán ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Atmega168 (Arduino Nano 2.x) Nó có chức tương tự Arduino Duemilanove, khác pakage(gói) Nó thiếu jack cắm điện DC, làm việc với cáp USB Mini-B Nano thiết kế sản xuất rộng khắp SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 2.1 Sơ đồ chân hình ảnh thực tế Arduino nano 2.2 Màn hình LCD 16x02 Hình 2.2.Màn hình LCD 16×2 Thơng số kỹ thuật LCD 16×2 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 LCD 16×2 sử dụng để hiển thị trạng thái thông số LCD 16×2 có 16 chân chân liệu (D0 – D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16×2 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu Chúng cịn giúp ta cấu hình chế độ đọc ghi LCD 16×2 sử dụng chế độ bit bit tùy theo ứng dụng ta làm 2.2.3 Module I2C Arduino Hình 2.3.Module I2C LCD 16×2 LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn trình đấu nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Module I2C LCD đời giải vấn để cho bạn Thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 bạn cần tốn chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) tương thích với hầu hết vi điều khiển Ưu điểm Tiết kiệm chân cho vi điều khiển Dễ dàng kết nối với LCD Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC Hỗ trợ hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD 2.2.4 Module HX711: Hình 2.4 Modul hx711 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711: module chuyển đổi analog sang digital 24-bit HX711 thiết kế để chuyển đối tín hiệu ứng dụng điều khiển cơng nghiệp để giao tiếp trực tiếp với cảm biến cầu Mạch chuyển đổi ADC HX711 khơng có vài chức bản, có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả chống nhiễu, độ tin cậy cao Đây mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit chuyển sang giao tiếp dây ( clock data ) để gửi liệu cho vi điều khiển / arduino THÔNG SỐ KỸ THUẬT Điện áp hoạt động : 2.7 – 5V 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 2.2.5 Cảm biến Loadcell SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 2.5 Hình loadcell Loadcell gì? Cảm biến cân nặng loadcell cảm biến chuyển đổi lực, trọng lượng thành tín hiệu điện Giá trị tác dụng tỉ lệ với thay đổi điện trở cảm ứng cầu điện trở, trả tín hiệu điện áp tỉ lệ Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực – trở kháng Khi tải trọng, lực tác động lên cảm biến làm trở kháng thay đổi Sự thay đổi trở kháng dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu điện áp đầu vào cấp Cảm biến loadcell ứng dụng rộng rãi đời sống như: đo khối lượng vật, phân phối trọng lượng sản phẩm dây truyền tự động hóa, đo trọng lượng xe tải… Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo Loadcell cấu tạo hai thành phần là: Strain gage Load Một loadcell thường bao gồm strain gage dán vào bề mặt thân loadcell Thân loadcell khối kim loại đàn hồi tùy theo loại loadcell mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell thiết kế nhiều hình dạng khác nhau, chế tạo nhiều vật liệu khác (nhôm hợp kim, thép không gỉ…) Strain gage điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn ổn định Load kim loại có tính đàn hồi Hình 2.6 Mơ tả cấu tạo loadcell 10 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 R = Điện trở strain gauge (Ohm) L = Chiều dài sợi kim loại strain gauge (m) A = 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 Hình 2.7 Mơ tả hoạt động loadcell Thơng số kĩ thuật bản: – Độ xác: cho biết phần trăm xác phép đo Độ xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp – Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn mà Loadcell đo – Dải bù nhiệt độ: khoảng nhiệt độ mà đầu Loadcell bù vào, nằm khoảng này, đầu không đảm bảo thực theo chi tiết kĩ thuật đưa – Cấp bảo vệ: đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống độ ẩm bụi) – Điện áp: giá trị điện áp làm việc Loadcell (thông thường đưa giá trị lớn giá trị nhỏ – 15 V) – Độ trễ:hiện tượng trễ hiển thị kết dẫn tới sai số kết Thường đưa dạng % tải trọng – Trở kháng đầu vào: trở kháng xác định thông qua S- S+ Loadcell chưa kết nối vào hệ thống chế độ không tải – Điện trở cách điện: thơng thường đo dịng DC 50V Giá trị cách điện lớp vỏ kim loại củaLoadcell thiết bị kết nối dòng điện – Phá hủy học: giá trị tải trọng mà Loadcell bị phá vỡ biến dạng 11 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 – Giá trị ra: kết đo (đơn vị: mV) – Trở kháng đầu ra: cho dạng trở kháng đo Ex+ EX- điều kiện load cell chưa kết nối hoạt động chế độ khơng tải – Q tải an tồn: cơng suất mà Loadcell vượt q (ví dụ: 125% công suất) – Hệ số tác động nhiệt độ: Đại lượng đo chế độ có tải, thay đổi công suất củaLoadcell thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa nhiệt dộ tăng thêm 10°C cơng suất đầy tải Loadcell tăng thêm 0.01%) – Hệ số tác động nhiệt độ điểm 0: giống đo chế độ không tải Nguyên lý hoạt động: Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động loadcell Một điện áp cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc khác Tại trạng thái cân (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu số khơng gần không bốn điện trở gắn phù hợp giá trị Khi có tải trọng lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), dẫn đến thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu 12 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 3.1 Thiết kế phần mền 3.1.1 Sơ đồ khối Chức năng: Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn mạch Khối xử lý: Điều khiển trình giao tiếp, truyền nhận module Nhận tín hiệu khối điều khiển để truyền đến khối khác, để đọc liệu từ module, xuất hình ảnh khỏi khối hiển thị Khối hiển thị: thị tín hiệu đo khối xử 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý 3.2 Nguyên lý hoạt động 13 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Khi bạn đặt vật để cân lên, khối lượng vật tác động lên mặt cân tạo thành lực uốn cong Loadcell Khi đó, điện trở dán thành nãy, sinh thay đổi điện trở Vật nặng độ biến dạng Loadcell lớn, dẫn tới điện trở thay đổi nhiều Bộ phận xử lý tín hiệu điện tử cân điện tử có nhiệm vụ quy đổi tín hiệu nhận thành kết quả, báo khối lượng vật cụ thể 3.3 Lưu đồ thuật toán Hình 3.2 sơ đồ thuật tốn 3.4 Lựa chọn phần mền 3.4.1 Phần mềm Proteus 14 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 3.3 Phần mềm proteus Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … 3.4.2 Phần mềm Arduino IDE Hình 3.4 Phần mềm Arduino IDE Arduino IDE mơi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code tải lên bo mạch Mơi trường phát triển viết Java dựa ngôn ngữ lập trình xử lý phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm sử dụng với bo mạch Arduino 15 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 3.5 Thư viện được tích hợp phần mềm lập trình Arduino 3.5 Thiết kế phần cứng Lựa chọn vật liệu mica 3mm làm vật liệu thiết kế khung cho mô hình Hình 3.6 Mica 3mm 16 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 3.7 Bản vẽ thiết kế phần đế CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH 4.1 Danh sách mơ đun linh kiện có mạch 17 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN Tên linh kiện Arduino HX711 Loadcell I2C Màn hình LỚP : DCDL21 Số lượng kích thước 1 1 Trị số loại nano HX1 5Kg 16x2 4.2 Thi cơng mơ hình sản phẩm Hình 4.1 Tổng quan mơ hình 18 SVTH: PHẠM MINH THẾ ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN LỚP : DCDL21 Hình 4.2 Cấp nguồn cho mơ hình 4.3 Chương trình cân: //Program code for digital weighing scale using Arduino and HX711 with load cell #include #include "HX711.h" #define DEBUG_HX711 // calibration parameter from calibrating code with known values #define CALIBRATION_FACTOR 448246.00 19 SVTH: PHẠM MINH THẾ