Đề tài cân điện tử dành cho thực tập công nhân. Có code, sơ đồ mạch đầy đủ. Báo cáo được 9.510 điểm học phần. Hiện nay, cân điện tử đã trở thành 1 phần không thể thiếu trong đời sống hằng ngày của mọi người.
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BÁO CÁO THỰC TẬP CÔNG NHÂN 2 CDT
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN ĐIỆN TỬ
SỬ DỤNG 2 LOADCELL
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Thực tập công nhân 2 CĐT chính là môn học nằm trong chương trình năm 3của chuyên ngành kỹ thuật Cơ điện tử của trường Đại học Bách khoa – Đại học ĐàNẵng Trong 2 tuần thực tập sinh viên sẽ thực hiện một Project nhỏ liên quan đếnứng dụng Vi điều khiển PIC16F887 và các cảm biến đi kèm phụ thuộc vào đề tài mànhóm thực hiện
Hiện nay, ngành công nghiệp điện tử đang phát triển với tốc độ cực nhanh.Các thiết bị điện tử nói chung hay các thiết bị sử dụng Vi điều khiển nói riêng dườngnhư được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, giúp con người giảiquyết các vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả
Với kỳ thực tập này nhóm quyết định chọn đề tài “ Thiết kế cân điện tử sửdụng 2 con loadcell” để áp dụng các kiến thức đã học từ các môn như Kĩ thuật Viđiều khiển, Cảm biến công nghiệp,… làm ra một sản phẩm cụ thể Trong quá trìnhthực tập sinh viên còn có thể rèn luyện khả năng thiết kế mạch điện tử với phần mềmProteus, lập trình Vi điều khiển với CCS hay tự rửa mạch, hàn mạch, xây dựng môhình sản phẩm…cũng như khả năng làm việc nhóm
Vì trình độ còn hạn hẹp, chưa chuyên sâu nên quá trình thực tập nhóm sinhviên chắc chắn vẫn còn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và
sự cảm thông của giảng viên hướng dẫn
Nhóm sinh viên xin chân thành Cảm ơn thầy ThS Nguyễn Lê Minh đã giúp
đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình thực tập cũng như tạo ra sản phẩm
Nhóm sinh viên thực hiện
Trang 3MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
1 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 4
2.GIỚI THIỆU VỀ PIC VÀ CÁC LINH KIỆN CHÍNH 4
2.1 Giới thiệu về Vi điều khiển PIC16F887 4
a) Sơ lược về Vi điều khiển PIC16F887 4
b) Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887 5
c) Cấu trúc cơ bản của PIC16F887 6
d) Đặc điểm chính của PIC16F887 6
2.2 Giới thiệu về Loadcell thanh 10kg 8
a) Giới thiệu về Loadcell 8
b) Cấu tạo Loadcell 9
c) Nguyên lý hoạt động 9
c) Thông số kỹ thuật: 10
d) Sơ đồ đấu dây: 10
2.3.Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711: 10
2.4 LCD 16x2 11
3 GIỚI THIỆU VỀ CÂN ĐIỆN TỬ 13
3.1 Giới thiệu : 13
3.2 Hướng dẫn sử dụng 14
4 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ BẢN VẼ 3D 15
4.1 Mạch nguyên lý 15
4.2 Mạch PCB 16
4.3 Mô hình 3D 17
5 CODE 19
6 ĐÁNH GIÁ TÍNH CHÍNH XÁC VÀ 22
NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ 22
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23
Trang 41 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
Thiết kế cân điện tử với các yêu cầu như sau
Sử dụng Vi điều khiển PIC16F887
Sử dụng 2 Loadcell
Sử dụng Modul HX711
Hiển thị giá trị lên LCD
Ứng dụng : Dùng để cân các vật có khối lượng < 10kg và hiển trị giá trị đó lênmàn hình LCD
2.GIỚI THIỆU VỀ PIC VÀ CÁC LINH KIỆN CHÍNH
2.1 Giới thiệu về Vi điều khiển PIC16F887:
a) Sơ lược về Vi điều khiển PIC16F887:
Vi điều khiển PIC16F887 là vi điều khiển 8 bit được thiết kế theo công nghệCPU RSIC cho công suất tối đa với điện năng tiêu thụ thấp Có tổng cộng 40 chân và
có nhiều gói chân đáp ứng yêu cầu mạch nhỏ gọn và hiện đại
PIC16F887 hỗ trợ các giao thức dữ liệu hiện đại cho các nhà thiết kế và do cónhiều chân nên hầu hết các giao thức có thể được thực hiện cùng một lúc mà khôngảnh hưởng đến các giao thức khác PIC có nhiều chức năng do có nhiều kênh chuyểnđổi ADC và xung clock bên trong
Trang 5b) Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887:
Hình 2.1 Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887
Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộtimer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vectorngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART (RX,TX), SPI (SDO, SDI, SCK,SS), I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mởrộng tới 11 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độnguồn, có thể sử dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM)……
PIC 16F887 có package 40 chân và 44 chân với nhiều tính năng
- Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA, đủ điềukhiển 2 LED mắc song song Tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ
là 90mA mà thôi Do đó, khi thiết kế cần tính toán tránh quá tải cho từng chân(vượt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT (90mA)
Trang 6c) Cấu trúc cơ bản của PIC16F887:
Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của PIC16F887
d) Đặc điểm chính của PIC16F887:
PIC 16F887 có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản, có độ dài 14 bit
Trang 7 Số chân: 40 chân
Kiểu đóng gói: DIP40
Kiến trúc CPU: PIC 8 bit
Bộ dao động bên trong: 8MHz
Bộ tạo dao động bên ngoài: 20MHz
1 Bộ biến đổi Analog to Digital (ADC) 10 bit, 14 ngõ vào
1 Bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)
Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode)
5 Port xuất/nhập (A, B, C, D, E) tương ứng 35 chân ra
Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ( ICSP” – In–Circuit Serial
Programming”)
Một chu kỳ lệnh của vi điều khiển bao gồm bốn xung clock
Trang 8e) Đặc tính ngoại vi:
Có 3 bộ định thời:
Timer 0: là bộ timer/counter 8 bit, có bộ chia trước
Timer 1: là bộ timer/counter 16 bit, có bộ chia trước, có thể đếm khi CPU ởchế độ sleep với nguồn xung từ thạch anh hoặc nguồn xung từ bên ngoài
Timer 2: là bộ timer/counter 8 bit, có bộ chia trước và bộ chia sau
Có hai bộ CCP (Capture/Compare/PWM):
Capture (Bộ bắt sự kiện) có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5 ns
Compare (Bộ so sánh) có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200 ns
PWM (Bộ điều chế độ rộng xung) với độ phân giải lớn nhất là 10 bit
Các chuẩn giao tiếp nối tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port):
o Giao tiếp SPI
o Giao tiếp I2C
Bộ chuyển đổi ADC (Analog – Digital – Conversion): bộ chuyển đổi tín hiệutương tự sang tín hiệu số với 14 kênh có độ phân giải tối đa là 10 bit
2.2 Giới thiệu về Loadcell thanh 10kg:
a) Giới thiệu về Loadcell:
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tínhiệu điện
Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động củalực Tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này
Trang 9 Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn.
Tĩnh hay các lực biến thiên chậm Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đolực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell
b) Cấu tạo Loadcell.
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” vàthành phần còn lại là “Load“
Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay Có điện trở thay đổikhi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chếtlên “Load”
Load – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi
c) Nguyên lý hoạt động.
Khi cho khối lượng hoặc lực tác dụng thì cảm biến thì cảm biến trọng lượng sẽbiến đổi đại lượng đó thành đại lượng điện Đại lượng điện được khuếch đại lớnhơn sau khi điqua bộ phận khuếch đai và được đưa tới đầu vào của Vi Xử Lý Bộphận Vi Xử Lý sẽ xử lý thông tin đưa vào sau đó sẽ cho kết quả đưa tới bộ phậnhiển thị
Trang 10Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý của Loadcell ( Mạch Wheatstone )
Trang 11d) Sơ đồ đấu dây:
Hình 2.3 Sơ đồ dây của Loadcell
Trang 12Hình 2.4 Nguyên lí hoạt động của Loadcell
2.3.Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711:
Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711 module chuyển đổi analog sang digital 24-bit HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu
Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711 không chỉ có một vài chức năng
cơ bản, cũng có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu, và độ tin cậy cao
Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển / arduino
Điện áp hoạt động: 2.7~5VDC
Dòng điện tiêu thụ: <1.5 A
Độ phân giải: 24bit
Kích thước: 38x21x10 mm
Trang 13Hình 2.5 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711
Trang 142.4 LCD 16x2:
LCD (Liquid Crystal Display) – Màn hình tỉnh thể lỏng là một thiết bị ngoại vi
dùng để hiển thị dữ liệu một cách trực quan Dữ liệu được hiển thị có thể là các
ký tự, hình ảnh hoặc video
Module LCD 16 x 2 chuyên dùng để hiển thị các ký tự trong bảng ASCII Vì module này chỉ hiển thị được ký tự nên trong thực tế nó còn được gọi là Text LCD (LCD ký tự) Module LCD 16 x 2 (gọi tắt là module LCD) hoạt động ở điện
áp 5 VDC Module này gồm 32 “ô” được phân bổ trên 16 cột và 2 hàng Mỗi ô sẽhiển thị được một ký tự trong bảng ASCII
Bên trong LCD này nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển HD44780U của hãng hitachi và chỉ đưa ra các chân giao tiếp cần thiết
Trang 16 Nguyên lý cân: Cân điện tử sử dụng nguyên lý chuyển đổi cảm biến lực sang tínhiệu điện thông qua các cảm biến cân Bên trong, ngay bên dưới bàn cân được đặtloadcell, khi đặt vật cần cân lên đĩa cân, trọng lượng của chúng sẽ ép lênLoadcell, khiến thanh kim loại bên trong bị uốn cong Lúc này điện trở củaLoadcell thay đổi, làm thay đổi tín hiệu điện đầu ra Sau đó bộ xử lý trung tâm sẽtiến hành giải mã và đưa ra thông số hiển thị trên màn hình
Hình 3.1 Mô hình cân điện tử thực tế mà nhóm thiết kế.
Trang 17+ Đặt đế của vật cần đo lên bàn cân.
+ Nhấn nút Reset để cân quay về đơn vị đo là 0Kg.
+ Đặt vật cần đo lên cân để đo.
Trang 18Hình 3.2 Mô hình cân điện tử thực tế mà nhóm thiết kế.
4 SƠ ĐỒ MẠCH VÀ BẢN VẼ
Trang 194.1 Mạch nguyên lý:
Hình 4.1 Mạch nguyên lý.
4.2 Mạch PCB:
Trang 20Hình 4.2 Mạch PCB.
4.3 Mô hình 3D:
Trang 21Hình 4.3 Mô hình 3D mặt trên.
Trang 22Hình 4.4 Mô hình 3D mặt dưới.
Trang 23Hình 4.5 Mô hình in 3D.
Trang 245 CODE
#include <MAIN_THI-QUANG.h>
#FUSES NOWDT, NOBROWNOUT, NOLVP
#use delay(crystal = 4MHz)
#define LCD_ENABLE_PIN PIN_C5
#define LCD_RS_PIN PIN_D3
#define LCD_RW_PIN PIN_C4
#define LCD_DATA4_PIN PIN_D4
#define LCD_DATA5_PIN PIN_D5
#define LCD_DATA6_PIN PIN_D6
#define LCD_DATA7_PIN PIN_D7
#include <lcd.c>
#define DOUT PIN_C3
#define PD_SCK PIN_D0
unsigned int32 ReadCount(){
unsigned int32 Count = 0;
unsigned int8 i, convert_1, convert_2, convert_3; output_high(DOUT);
Trang 25unsigned int donvi, chuc, tram, nghin; unsigned int16 KHOI_LUONG, weigh;
Trang 26 Về độ chính xác :
Trang 27 Qua quá trình thực nghiệm, nhóm nhận thấy khi cân các vật nặng từ 30% đến50% giá trị tối đa của cân (10kg) thì sẽ cho độ chính xác tốt hơn cân các vật
có khối lượng nhỏ, nguyên nhân là do nhóm sử dụng 2 loadcell có khối lượng10kg
Về tỷ lệ giữa cân 1 vật và 2,3… vật, nhóm nhận thấy có sự chênh lệch sai số
cỡ 0.002-0.018 kg Nguyên nhân gây ra sai số này có thể do tín hiệu cộng lạigiữa 2 loadcell chưa hết
Nguyên nhân gây sai số :
Sai số do quá trình gá đặt 2 thanh loadcell: có thể do vặn vít quá chặt hoặc do
đế cân không bằng phẳng
Sai số do nhiễu: các tín hiệu nhiễu từ LCD hoặc các linh kiện điện tử nằm gần
vi điều khiển có thể gây ra sai số trong quá trình cân Hoặc do dây tín hiệu đo
từ loadcell đến mạch bị gập hoặc cong dẫn đến tín hiệu truyền về không đượcchính xác
Sai số do chất lượng của 2 thanh loadcell chưa tốt vì đây là các cảm biến đượcmua với giá thành rẻ và chỉ sử dụng cho mục đích học tập của sinh viên
Sai số trong quá trình hiệu chuẩn hệ số k: các vật nặng hoặc thiết bị cân dùnglàm chuẩn chưa thực sự chuẩn làm ảnh hưởng đến quá trình xác định hệ số k
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Giáo trình Vi điều khiển PIC – TS Đặng Phước Vinh ( Chủ biên ), TS Võ Như
Thành Nhà xuất bản Xây Dựng
Trang 282 Lập trình Vi điều khiển PIC và thiết bị ngoại vi – TS Đặng Phước Vinh
(Chủ biên) Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
3 Giáo trình Cảm biến công nghiệp ( Dành cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện
tử) – TS Đặng Phước Vinh