Thiết kế mô hình cảnh báo quá tải trọng lượng dùng cảm biến loadcell,hx711,led icdi2c,arduino r3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KỲ THI KẾT THÚC HỌC PHẦN HỌC KỲ I NĂM HỌC 2022-2023 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CẢNH BÁO QUÁ TẢI TRỌNG LƯỢNG DÙNG CẢM BIẾN LOADCELL,HX711,LED ICDI2C,ARDUINO R3 Giảng viên hướng dẫn: Phan Huy Anh Nhóm sinh viên: Nhóm Họ tên Mã sinh viên Lớp Trần Thành Long 21111060568 Dh11c2 Phạm Quang Huy 21111060471 Dh11c2 Ngơ Văn Hịa 21111060557 Dh11c2 Trịnh Đình khải 21111060445 Dh11c2 Lưu Tiến Hiếu 21111060453 Dh11c2 Dương Quang Tùng 21111060402 Dh11c2 HÀ NỘI - 2023 LỜI MỞ ĐẦU .3 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Lí chọn đề tài .4 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Các linh kiện cần thiết: Arduino uno R3 3.2 Lập trình nạp code .4 3.3 Kiểm tra sản phẩm đánh giá 3.4 Bảng kế hoạch thực CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT .6 Bài toán cần đặt Giới thiệu Arduino Uno R3 3.Modul cảm biến trọng lượng Giới thiệu module cảm biến trọng lượng 10 Mạch HX711,led ICD i2c .12 Thông số kỹ thuật .12 6.Dây cắm Board Test 13 Thông số kĩ thuật 13 CHƯƠNG 3.XÂY DỰNG HỆ THỐNG 14 Khảo sát hệ thống 14 Phân tích thiết kế hệ thống .14 2.1 Phân tích .14 2.2 Thiết kế 15 2.3 Lắp ráp thiết bị .16 CHƯƠNG KẾT LUẬN 23 Về ứng dụng: 23 Về phần hoàn thiện: 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 LỜI MỞ ĐẦU Đo Quá Tải Trọng Lượng: Quan Trọng Trong An Toàn Vận Tải Sử Dụng Vật Liệu Trong ngành công nghiệp vận chuyển, việc đo tải trọng lượng yếu tố bỏ qua Thiết bị đo không giúp xác định trọng lượng xác vật phẩm, mà cịn đảm bảo an tồn q trình di chuyển sử dụng Với vai trò quan trọng nhiều lĩnh vực khác nhau, thiết bị đo tải trọng lượng trở thành phần thiếu quy trình cơng nghiệp đại Các loại thiết bị đo tải trọng lượng đa dạng để phục vụ nhu cầu cụ thể ngành ứng dụng Một số thiết bị phổ biến bao gồm cảm biến tải trọng, cân điện tử, load cell, cân trục thiết bị đo tải trọng ô tô Mỗi loại thiết bị có chức riêng biệt để đo lường kiểm tra trọng lượng vật liệu, hàng hóa thiết bị Trong ngành vận chuyển, việc đo tải trọng lượng phương tiện di chuyển xe ô tô, xe tải, hay phương tiện vận tải hàng hóa quan trọng Thiết bị đo tải trọng ô tô giúp đảm bảo trọng lượng hàng hố vận chuyển khơng vượt giới hạn cho phép, từ giữ cho phương tiện di chuyển ổn định an toàn đường Trong lĩnh vực xây dựng cơng trình, cân trục load cell đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra trọng lượng vật liệu nâng di chuyển thiết bị nâng hạ cẩu trục Điều khơng đảm bảo an tồn cho người lao động mà ngăn chặn tai nạn không mong muốn tải Việc sử dụng thiết bị đo tải trọng lượng không giúp đảm bảo an tồn mà cịn tn thủ tiêu chuẩn, quy định an tồn ngành cơng nghiệp Bằng cách giảm thiểu rủi ro tải, chúng đóng vai trị quan trọng việc trì hiệu suất chất lượng trình sản xuất vận hành Tóm lại, thiết bị đo tải trọng lượng khơng cơng cụ đo lường mà cịn hệ thống an toàn quan trọng giúp ngăn ngừa tai nạn đảm bảo an toàn cho người lao động tài sản ngành công nghiệp vận chuyển khác Sự sử dụng xác hiệu chúng đóng vai trị khơng thể phủ nhận việc tạo môi trường làm việc vận hành an toàn hiệu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Lí chọn đề tài An toàn tuân thủ quy định:Việc đo tải trọng lượng đóng vai trị quan trọng bảo đảm an tồn ngành cơng nghiệp, vận chuyển xây dựng Việc nghiên cứu hiểu rõ thiết bị đo giúp tăng cường an toàn lao động tuân thủ quy định, tiêu chuẩn trọng lượng đề Hiệu suất tiết kiệm:Đo tải trọng lượng không liên quan đến an tồn mà cịn ảnh hưởng đến hiệu suất tiết kiệm tài nguyên Việc nghiên cứu cách thức đo kiểm tra trọng lượng giúp tối ưu hóa sử dụng vật liệu nguyên liệu, từ giảm thiểu lãng phí tăng cường hiệu suất Ngăn chặn tai nạn tổn thất: Quá tải trọng lượng gây tai nạn nghiêm trọng, gây tổn thất tài sản cảm giác an toàn Nghiên cứu cách thức đo ngăn chặn tải giúp giảm thiểu rủi ro tổn thất vấn đề liên quan đến trọng lượng Sự phát triển công nghệ:Công nghệ đo tải trọng liên tục cải tiến phát triển Nghiên cứu phương pháp, thiết bị đem lại tiến đáng kể ngành cung cấp giải pháp sáng tạo cho thách thức Ứng dụng rộng rãi:Kiến thức đo q tải trọng khơng hữu ích ngành cơng nghiệp cụ thể mà cịn áp dụng nhiều lĩnh vực khác vận chuyển, xây dựng, y tế, nghiên cứu khoa học, nhiều lĩnh vực khác Lựa chọn đề tài đến từ nhận thức tầm quan trọng việc đo tải trọng lượng hoạt động hàng ngày ảnh hưởng sâu rộng an toàn, hiệu suất phát triển nhiều ngành công nghiệp Mục tiêu nghiên cứu Tối ưu hóa phương pháp đo lường: Tập trung vào việc phát triển phương pháp đo lường trọng lượng hiệu hơn, đảm bảo độ xác đồng ngành cơng nghiệp khác nhau.Nâng cao độ xác:Nghiên cứu để cải thiện độ xác thiết bị đo, từ giảm thiểu sai số việc đo tải trọng lượng.Tăng cường an toàn:Đặt mục tiêu giảm thiểu rủi ro tai nạn tải trọng lượng thông qua việc sử dụng thiết bị đo hiệu quả, đảm bảo tuân thủ quy định an toàn.Nghiên cứu phát triển thiết bị mới:Tập trung vào việc phát triển thiết bị đo mới, tiên tiến hơn, có khả áp dụng rộng rãi cung cấp thơng tin xác trọng lượng Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện cơng nghệ đo lường, nâng cao an tồn hiệu suất, đặc biệt giúp cải thiện quy trình làm việc ngành công nghiệp khác Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Các linh kiện cần thiết: Arduino uno R3  Module cảm biến trọng lương loadcell 5kg  Mạch HX711  Led IcD i2c  Dây nối, dây cắm  Mơ hình cân tải trọng lượng 3.2 Lập trình nạp code  Kết nối máy tính, laptop với board Arduino để truyền tải code tạo nên não cho Arduino, tự động hoạt động cấp nguồn  Phần mềm mô mơ hình: Fritzing, ngơn ngữ Arduino  Phần mềm viết code: Arduino 3.3 Kiểm tra sản phẩm đánh giá Sau lắp ráp sản phẩm, đưa thử nghiệm đánh giá kết 3.4 Bảng kế hoạch thực Năm TT Nội dung 2023 27/09 05/10 10/10 15/10 18/1 19/10 29/10 31/10 Lựa chọn xây dựng đề tài tập x lớn Tìm kiếm thơng tin đề tài x x Thực hành vẽ chạy kiểm thử x x phần mềm Tìm kiếm, đặt mua linh kiện x x Thực hành trực tiếp phần cứng Viết báo cáo Báo cáo kết x x x x CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bài toán cần đặt Bài toán cửa tự động đóng mở khơng cịn q xa lạ với Cảm biến nhận tín hiệu giúp modul điểu khiển động mở cửa Giới thiệu Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino Uno R3 nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm Bài viết trình bày thơng số kỹ thuật quan trọng, sơ đồ chân chức chân bảng Arduino Uno R3 Ảnh 2.1 Mạch Arduino Uno R3 Thông số kĩ thuật Vi điều khiển Atmega328P họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân 30 mA I/O Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader Bộ nhớ flash SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Vi điều khiển Ảnh 2.2 Vi điều khiển Arduino Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí nh\ững tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… 10 Load cell khí: Sử dụng nguyên lý biến dạng học lực áp dụng lên load cell, làm thay đổi độ dài hình dạng load cell Load cell điện cực cường độ:sử dụng nguyên lý hiệu ứng piezoelectric hiệu ứng đàn hồi cực điện để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện Load cell điện trở chia áp: Dựa thay đổi điện trở có lực tác động, từ tạo tín hiệu điện tử thay đổi Load cell thường sử dụng cân điện tử, hệ thống kiểm soát tự động, ngành sản xuất, xây dựng, vận tải nhiều ứng dụng khác Chúng cung cấp thơng tin xác trọng lượng lực đóng vai trị quan trọng việc đảm bảo an toàn chất lượng quy trình cơng nghiệp Ảnh 2.4 Cảm biến loadcell Giới thiệu module HX711 HX711 IC (Integrated Circuit) chuyển đổi analog sang digital (ADC) sử dụng phổ biến cho ứng dụng cân trục, cân kỹ thuật số, cân thông minh thiết bị đo lường trọng lượng khác IC có khả chuyển đổi tín hiệu analog từ loadcell thành liệu số để xử lý vi xử lý vi điều khiển Thông thường, HX711 kết hợp với load cell để tạo thành hệ thống cân thông minh Nó cung cấp khả chuyển đổi tín hiệu nhỏ từ load cell thành tín hiệu số có độ xác cao, giúp đo lường trọng lượng cách xác đáng tin cậy 13 Để kết nối HX711 với Arduino, bạn cần kết nối chân HX711 với chân Arduino theo cách HX711 thường có chân dành cho liệu nguồn cấp:     VDD: Nguồn cấp, thường 5V từ Arduino VCC: Nguồn analog, kết nối với chân load cell DT (Data): Chân truyền liệu SCK (Clock): Chân xung đồng hồ Ảnh 2.5 Module hx711 LED ICD i2c LED LCD I2C loại hiển thị thông tin kỹ thuật số kết nối thông qua giao tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) Đây loại hình hiển thị dùng để hiển thị văn bản, số biểu đồ dựa loạt LED (Light-Emitting Diode) LCD (Liquid Crystal Display) Điều đặc biệt LED LCD I2C khả giao tiếp thông qua giao thức I2C Giao tiếp I2C cho phép bạn điều khiển hiển thị thông qua số chân I2C 14 vi điều khiển mạch điều khiển tương thích, giúp giảm thiểu số lượng chân kết nối cần thiết dễ dàng tích hợp vào dự án điện tử Thơng thường, hình LED LCD I2C bao gồm số kích thước khác nhau, từ nhỏ đến lớn, cho phép hiển thị thông tin chí biểu đồ phức tạp Thơng số kỹ thuật Thơng số kỹ thuật hình LED LCD I2C khác tùy thuộc vào loại hình cụ thể nhà sản xuất Tuy nhiên, số thông số thường gặp hình LED LCD I2C: Số lượng dịng cột: Thơng số xác định số lượng dịng cột hiển thị hình, ví dụ: 16x2 có nghĩa 16 dịng cột Điện áp hoạt động:Điện áp cung cấp cho hình, thường 5VDC 3.3VDC Giao diện: I2C (Inter-Integrated Circuit) - giao thức giao tiếp thông dụng Cổng giao tiếp:Số lượng chân cần kết nối với vi điều khiển mạch điều khiển, thường bao gồm chân nguồn, chân đất, chân liệu (Data), chân xung đồng hồ (Clock) chân khác cho giao tiếp I2C Độ phân giải:Xác định số lượng ký tự pixel mà hình hiển thị Cơng suất tiêu thụ:Số lượng điện mà hình tiêu thụ q trình hoạt động Kích thước hình: Kích thước vật lý hình, thường đo theo 15 đường chéo theo kích thước dài x rộng Cách sử dụng lập trình:Thơng tin việc sử dụng lập trình hình, bao gồm thư viện phần mềm mã mẫu để điều khiển hình từ vi điều khiển Arduino Thơng số kỹ thuật cụ thể thay đổi tùy thuộc vào loại hình nhà sản xuất Khi bạn mua hình LED LCD I2C, ln kiểm tra tài liệu kỹ thuật thông tin từ nhà sản xuất để có thơng tin chi tiết xác Ảnh 2.6.LED ICD I2c 16 Dây cắm Board Test Dây cắm test board sử dụng nhiều kỹ thuật đặc biệt mạch điện tử mạch điện tử với board test loại, kit module Ảnh 2.7 Dây cắm Thông số kĩ thuật Dây cắm Chức Chiều dài dây 10cm- Đầu cắm Màu đen Loại kết nối Đực-Cái, Đực-Đực, Cái Cái Màu dây Nhiều màu Phạm vi điện áp 250 V.AC/DC Dòng điện tối đa 3A 17 Nhiệt độ làm việc -25oC ~85oC CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG Khảo sát hệ thống Trung tâm điều khiển arduino điều khiển module cảm biến hồng ngoại, modul điều khiển động dựa code người dùng Phân tích thiết kế hệ thống 2.1 Phân tích Phát vật: Mục tiêu sử dụng cảm biến loadcell đo trọng lượng Kết nối với Mạch Arduino: Kết nối cảm biến loadcell với mạch Arduino để đọc liệu từ cảm biến, truyền liệu hiển thị thơng tin qua hình hiển thị icd i2c Điều đòi hỏi việc chọn loại cảm biến tương thích với mạch Arduino Xác định tín hiệu nhận vào: Một tín hiệu nhận vào dựa giá trị từ cảm biến Khi giá trị nhận vào, hệ thống truyền liệu tới modul điều khiển động hx711 để đọc liệu từ loadcell Liên Tục Theo Dõi: Hệ thống cần tiếp tục theo dõi tình trạng cảm biến trạng thái hệ thống, cập nhật liên tục giúp mơ hình cảm biến tải trọng lượng hoạt động liên tục không bị gián đoạn 18 2.2 Thiết kế Ảnh 3.1 Sơ đồ mô 19 2.3 Lắp ráp thiết bị Bước 1: Lấy thiết bị Ảnh 3.2 Các thiết bị 20 Bước : Lắp ráp thiết bị  Ta lắp ráp thiết bị theo chân thiết bị vào mạch arduino Ảnh 3.3 Lắp ráp linh kiện 21 XÂY DỰNG CODE CHO HỆ THỐNG TRÊN ỨNG DỤNG ARDUINO Bước 1: Kết nối Arduino UNO R3 vào máy tính Ảnh 3.5 Chọn rduino Uno Bước 2:Viết mã điều khiển: Sử dụng Arduino IDE, viết mã điều khiển cho hệ thống bạn Sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ để điều khiển linh kiện cảm biến Mã điều khiển xử lý liệu từ cảm biến thực chức hệ thống 22 Ảnh 3.6 Viết code Bước 3: Kiểm tra code Ảnh 3.7 Kiểm tra code Bước 4: Tải chương trình vào board Arduino: Khi bạn hồn thành viết mã điều khiển, nhấn nút "Upload" Arduino IDE để tải chương trình vào 23 board Arduino Ảnh 3.8 Chọn upload Bước 5: Thử nghiệm hệ thống: Sau tải chương trình vào board Arduino, thử nghiệm hệ thống bạn Đảm bảo chức hoạt động mong đợi kết thử nghiệm với yêu cầu ban đầu 24 Ảnh 3.9 Chương trình code nap vào Ardunio Bước 6: Đánh giá kết quả: Dựa kết thử nghiệm, đánh giá phân tích hiệu suất hệ thống Nếu cần thiết, điều chỉnh mã điều khiển thiết kế để cải thiện tối ưu hóa hệ thống 25 CHƯƠNG KẾT LUẬN Sau thực dự án em rút kết luận quan trọng chế tạo hệ thống cửa tự động:  Nắm rõ nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo tải trọng lượng sử dụng cảm biến  Tìm hiểu Arduino  Thiết kế mạch điện cho hệ thống Về phần cứng: Tìm hiểu Arduino linh kiện từ thiết kế làm mạch thủ cơng Về ứng dụng:  An tồn công nghiệp xây dựng: Trong môi trường làm việc công trường xây dựng, nhà máy, nhà kho, quảnh báo lượng đảm bảo thiết bị, cấu trúc máy móc khơng vượt q trọng lượng tối đa thiết kế để chịu đựng, giúp ngăn ngừa cố tai nạn  Vận chuyển Logistics: Trong ngành vận chuyển, quảnh báo lượng sử dụng để đảm bảo phương tiện vận chuyển không chở trọng lượng quy định, giúp tránh rủi ro an toàn giảm thiểu hao hụt lượng  Cân trọng lượng bảo quản:Trong thiết bị cân, quảnh báo lượng sử dụng để cảnh báo đối tượng cần cân vượt không đạt chuẩn trọng lượng định  Y tế chăm sóc sức khỏe:Trong thiết bị y tế, việc theo dõi trọng lượng đóng vai trị quan trọng việc theo dõi sức khỏe bệnh nhân, đặc biệt việc quản lý béo phì kiểm sốt trọng lượng q 26 trình chăm sóc sức khỏe  Sản xuất chế biến: Trong trình sản xuất chế biến, quảnh báo lượng giúp đảm bảo vật liệu sản phẩm không vượt trọng lượng quy định, đảm bảo chất lượng tiết kiệm nguyên vật liệu  Thiết bị đo lường xác:Trong thiết bị đo lường, cân, cảm biến lượng cung cấp thơng tin cần thiết để đảm bảo độ xác chuẩn xác việc đo lường  Quảnh báo lượng chơi vai trò quan trọng việc trì an tồn, chất lượng hiệu suất nhiều lĩnh vực khác Về phần hoàn thiện: - Hệ thống cảnh báo tải tích hợp nhiều chức cho người dùng phản ánh xác khối lượng cho phép  Những mặt hạn chế gian đoạn làm bài, em cố gắng nghiên cứu, thiết kế để có kết nêu Tuy nhiên thời gian kiến thức chúng em có hạn, mặt khác số điều kiện thiết bị không cho phép nên độ hồn thiện sản phẩm cịn chưa tốt TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Lê Hồng Việt, Tài liệu: Hệ thống điều khiển Nhúng, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 27