THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CÂN ĐIỆN TỬ SỬ DỤNG CẢM BIẾN LOADCELL VÀ ĐƯA DỮ LIỆU LÊN GOOGLE SHEET

Tên đồ án môn học : Thiết kế và thi công cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell 3.. Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế mạch nguyên lý và thực hiện board mạch điện tử dùng mạch cân điện tử sử

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 11/2023

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT

NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HÀNG KHÔNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Ngành : Công nghệ kĩ thuật điện tử– viễn thông Chuyên ngành : Điện – điện tử

2 Tên đồ án môn học : Thiết kế và thi công cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell

3 Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế mạch nguyên lý và thực hiện board mạch điện tử

dùng mạch cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell , đồng thời phân tích các tác dụng linhkiện, đồng thời trình bày trình tự lắp ráp và hàn mạch

4 Các yêu cầu chủ yếu

Chủ nhiệm Bộ môn/ Khoa Giảng viên hướng dẫn chính

(Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên)

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ TRONG NHÓM

Kỹ năng: 4Đúng hạn: 1Tổng điểm: 10

mô phỏng và thực tế

Phối hợp: 2Kiến thức: 3

Kỹ năng: 4Đúng hạn: 1Tổng điểm: 10

*Ghi chú:

- Điểm phối hợp tối đa: …2,0….; điểm kiến thức (khả năng đưa ra các ý kiến giải quyết

vấn đề bài toán) tối đa: …3,0….; điểm kỹ năng (khả năng sử dụng phần mềm, làm báo cáo)

tối đa: …4,0….; điểm đúng hạn (làm đúng tiến độ do nhóm thống nhất) tối đa: …1,0…

điểm Điểm của nhóm trưởng sẽ do các thành viên trong nhóm thống nhất.

Ngày 17 tháng 3 năm 2024

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:

 Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

(Quy định về thang điểm và lấy điểm tròn theo quy định của trường)

T/p Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 3 Năm 2024

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá:

 Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

(Quy định về thang điểm và lấy điểm tròn theo quy định của trường)

T/p Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 3 Năm 2024

GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Mục Lục

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I: MỞ ĐẦU 2

1 Tổng quan về mạch điện 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả đạt được của đồ án 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÂN ĐIỆN TỬ 4

1.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài 4

1.2 Mô hình cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell 4

1.3 Google sheet 5

CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN THỰC HIỆN TRONG MẠCH 7

2.1 Điện trở 6

2.2 Tụ điện 8

2.2.1 Nguyên lý hoạt động của tụ điện 9

2.3 IC 7805 9

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của IC 7805 11

2.4 Vi điều khiển pic16F877A 11

2.5 Cảm biến cân nặng loadcell 19

2.5.1 Khái niệm về loadcell 19

2.5.2 Cấu tạo, thông số kỹ thuật và nguyên lý hoạt động loadcell 20

2.6 Màn hình led LCD 1602 23

2.6.1 Khái niệm về LCD 1602 23

2.7 Module ESP8266 26

2.7.1 Khái niệm của module ESP8266 26

2.7.2 Các tính năng của module ESP8266 26

2.7.3 Thông số kĩ thuật 26

2.8 Module HX711 27

2.9 Bộ nguồn 9V 28

PHẦN II: NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ 30

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 30

3.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của mạch 30

3.1.1 Sơ đồ khối và chức năng của các khối 30

3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 30

3.3 Lưu đồ thuật toán 31

3.4 Sơ đồ nguyên lý 31

CHƯƠNG 4: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ 32

4.1 Thi công mạch bằng phần mềm 32

4.1.1 Vẽ mạch in trên phần mềm 32

4.1.2 Đưa dữ liệu len google sheet 33

4.2 Thi công phần cứng 33

4.2.1 Các bước thi công phần cứng 33

4.2.2 Nạp code cho phần cứng 33

4.2.3 Kiểm tra hoạt động và độ chính xác của mạch 33

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 34

5.1 Kết luận 34

5.2 Kết quả đề tài báo cáo so với mục tiêu đề ra 34

5.3 Ưu điểm 34

5.4 Nhược điểm 34

5.5 Đề xuất giải pháp 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

Danh Mục Hình Ảnh

Hình 1.1 Mô hình cảm biến cân nặng loadcellHình 1.2 Hình ảnh logo của google sheetHình 2.1 Các linh kiện điện trở

Hình 2.2 Điện trở 10k

Hình 2.3 Tụ điện và kí hiệu của tụ điệnHình 2.4 Tụ điện 22uF

Hình 2.5 Số chân của IC 7805

Hình 2.6 Sơ đồ khối của PIC16F877A

Hình 2.7 Sơ đồ chân của PIC16F877A

Hình 2.8 Loadcell ngoài thực tế

Hình 2.9 Thành phần cấu tạo của loadcellHình 2.10 Nguyên lý hoạt động của loadcellHình 2.11 LCD16X2

Hình 2.12 Hình ảnh module ESP8266

Hình 2.13 Sơ đồ chân của module ESP8266Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống điều khiểnHình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch cân điện tửHình 4.1 Mạch in được vẽ trên protues

Hình 4.2 Mạch 3D trên protues

Hình 4.3 Mạch sau mặt 3D

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người thì mọi thứ đều có thểtrở nên thông minh, bởi khi đó con người chỉ có 24h mỗi ngày nhưng lại cần làmnhiều việc cùng một lúc và không phải khi nào cũng có mặt để có thể theo dõi trựctiếp Như vậy sẽ có giải pháp nào để tối ưu hoá hết khả năng và làm tăng năng suấtlàm việc của con người, đó là nâng cao chất lượng của sản phẩm theo hướng có thểrút ngắn thời gian mà lại có thể đạt được kết quả chất lượng nhất

Cân điện tử là đề tài sử dụng tích hợp vừa để cân vừa có thể thông báo

khi quá tải và có thể theo dõi cân nặng của vật thông qua ứng dụng Google Sheets

Đề tài này được chọn dựa trên nền tảng sẵn có và từ đó có thể khai thác vàphát triển hơn, tạo ra nhiều tính năng hữu dụng và được tích hợp trong 1 sản phẩm

Đề tài là một sản phẩm có tính thực tế cao dựa trên nhu cầu công nghệ

hiện nay, được nghiên cứu, chế tạo dựa trên những kiến thức đã học, kế thừa vàphát huy những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình chỉ bảo để nhóm

tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Đặc biệt là sự hướng dẫn, góp ý tận tìnhcủa giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Khương

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài sẽ không tránh khỏi

những sai sót, mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn

PHẦN I : MỞ ĐẦU

1 Tổng quan về mạch điện

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật số các hệ thốngdần dần tự động hóa Với sự phát triển của vi xử lý, vi mạch số được áp dụng vàolĩnh vực điều khiển giúp việc xử lý thông tin nhanh hơn trước đây giúp phục vụ nhucầu trong công việc lẫn cuộc sống con người hiện nay Cân điện tử là một thiết bị đolường phổ biến, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn nhưthương mại, sản xuất, y tế , cụ thể hơn là trong hàng không Trong việc cân vali,hàng hóa của hàng khách trước khi lên máy bay là một việc cần thiết bắt buộc

Để hướng tới mục tiêu đáp ứng cân nặng tiêu chuẩn, thiết kế này sẽ có thêmtính năng báo động khi vượt quá cân nặng định mức 10kg, hiển thị lên LCD gửithông tin về khối lượng của vật lên google sheet

Như vậy, hiện nay ta có thể tối ưu hoá mọi vật, tích hợp nhiều chức năng để tạo

ra những sản phẩm chất lượng nhất Thông qua đề tài này, tôi hy vọng sẽ góp phầnmang lại những giá trị nhất định trong công trình phát triển các ứng dụng cũng như

mô hình có liên quan

2 Mục tiêu nghiên cứu

đặc tính cơ bản như sau:

Thiết bị đo có thể hiển thị kết quả đo trực quan ngay tại thiết bị

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Sử dụng cảm biến loadcell cùng với các thiết bị điện khác có thể làm cáicân để cân vật dụng thông thường có đặc điểm sau:

+ Cân vật nặng tối đa 10kg

Dựa trên kiến thức đã học kết hợp cùng với sự tìm tòi, kết hợp kiến thức

từ các nguồn khác để nghiên cứu, chọn lựa những cách thức ứng dụng phù hợp

để thực hiện cho đề tài

Nghiên cứu chức năng, nguyên lý các linh kiện, module, cách thức nốimạch, lắp mạch thông qua kiến thức đã học

5 Kết quả đạt được của đồ án

 Đề tài của chúng em bao gồm 5 chương:

+ Chương 1: Tổng quan về cân điện tử+ Chương 2: Các linh kiện thực hiện trong mạch + Chương 3: Tính toán và thiết kế

+ Chương 4: Thi công và kết quả (Thi công mạch phần cứng,mạch thực tế, kết quả kiểm thử mạch)

+ Chương 5: Kết luận và kiến nghị (Kết luận, kiến nghị)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ CÂN ĐIỆN TỬ

1.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về cân điện tử, đặc biệt là có nghiên cứu vềcảm biến loadcell do nắm bắt được tầm quan trọng của thiết bị phục vụ cho doanhnghiệp và trong đời sống con người

+ Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo

+ Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo

được

+ Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giátrịlớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V)

+ Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi

Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải

+ Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện

giữalớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện

+ Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).

1.2 Mô hình cân điện tử sử dụng cảm biến loadcell

Hình 1.1 Mô hình cảm biến cân nặng loadcell và khung bàn cân mica

 Giới thiệu đề xuất mô hình cảm biến cân nặng loadcell

Bộ cảm biến cân nặng Loadcell 10kg+ Khung Bàn Cân Mica thường được

sử dụng để làm cân điện tử , kết hợp với vi điều khiển để làm mô hình phân loại sảnphẩm, mô hình máy tính tiền tự động…, Cảm biến có thể đo khối lượng của vật thể tối đa 20kg, cảm biến làm bằng kim loại với thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, độ chính xác cao Khung bàn cân mica nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ dàng sử dụng và mang theo

1.3 Google sheet

Google Sheets (hay còn có tên gọi là Google SpreadSheet) là một chương trình bảng tính được cung cấp miễn phí được phát triển bởi Google nằm trong dịch

vụ của Google Drive

Hình 1.2 Hình ảnh logo của google sheet

Google Sheets cho phép người dùng tạo, chỉnh sửa và chia sẻ bảng tính trực tuyến Nó có nhiều tính năng mạnh mẽ, bao gồm:

• Tính năng nhập và xuất dữ liệu: Google Sheets cho phép nhập và xuất dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm các tệp Excel, tệp CSV và các cơ

sở dữ liệu

• Tính năng định dạng dữ liệu: Google Sheets cho phép định dạng dữ liệu trong bảng tính theo nhiều cách khác nhau, bao gồm định dạng số, định dạng ngày và định dạng thời gian

• Tính năng phân tích dữ liệu: Google Sheets cung cấp nhiều công cụ phân tích dữ liệu, bao gồm bảng tổng hợp, biểu đồ và đồ thị

• Tính năng cộng tác: Google Sheets cho phép nhiều người dùng cùng làm việc trên cùng một bảng tính, cùng một thời gian

CHƯƠNG 2: CÁC LINH KIỆN THỰC THIỆN TRONG MẠCH

2.1 Điện trở

Trong điện tử và điện từ học, điện trở của một vật là đặc trưng cho tính chất

cản trở dòng điện của vật đó Đại lượng nghịch đảo của điện trở là điện dẫn hay độ dẫn điện, và là đặc trưng cho khả năng cho dòng điện chạy qua

Hình 2.1: Các linh kiện điện trở

- Điện trở của một vật chủ yếu phụ thuộc vào chất liệu làm nên nó Nhữngvật làm từ chất cách điện như cao su thường có điện trở cao và điện dẫn thấp, trongkhi những vật làm từ chất dẫn điện như kim loại thì có điện trở thấp và điện dẫn cao

=> Chọn: Điện trở 10k Ώ.

Hình 2.2: Điện trở 10k

 Nguyên lý hoạt động của điện trở

Điện trở dùng để giảm dòng cho transistor ( điện trở 10k ôm )

2.2 Tụ điện

- Tụ điện là linh kiện có khả năng tích điện Tụ điện cách điện với dòng điện

một chiều và cho dòng điện xoay chiều truyền qua

- Tụ điện được chia làm hai loại chính: loại không phân cực và loại có phân

cực.

Ký hiệu của tụ điện:

Hình 2.3: Tụ điện và kí hiệu của tụ

Đơn vị của tụ điện

- Đơn vị của tụ điện là Fara, 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tếngười ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như

+ P ( Pico farad ) 1 Pico = 1/1000.000.000.000 Farad (viết gọn là l pF)

+ N ( Nano farad ) 1 Nano = 1/1000.000.000 Farad (viết gọn là l nF)

+ Micro farad 1 Micro = 1/1000.000 Farad (viết gọn là l uF)

+ Milli farad 1 Milli= 1/1000 Farad ( viết gọn là 1mF)

+ Hiện tượng tích điện và phóng điện : Tụ là lưu trữ năng lượng dưới

dạng điện trường, bằng cách lưu trữ các electron Khi 2 bản tụ được tích điện, chúng

sẽ tạo ra sự chênh lệch hiệu điện thế giữa 2 đầu bản cực Tụ cũng có thể phóng ra electron để tạo thành dòng điện Đây là đặc tính nạp và phóng điện của tụ, do vậy linh kiện này có thể dẫn dòng xoay chiều

+ Tụ điện thường được sử dụng trong các mạch điện tử như: mạch lọc

nguồn lọc nhiễu, mạch tạo dao động hay mạch truyền tín hiệu xoay chiều…

+ Tụ hóa dùng để kết nối với ic7805 để giảm dòng , tụ gốm dùng để

chống nhiễu

2.3 IC 7805

Ic 7805 ic ổn áp dùng ổn định điện áp 5v ngõ ra, với ngõ vào cực đại là 18v cực tiểu là 7v.

Ic 7805 hiện nay đều có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắn mạch và

giữ vùng hoạt động an toàn các Transistor công suất trong mạch, để bảo vệ cho nó

về cơ bản không thể phá hủy

Công suất cực đại 5W

2.3.1 Nguyên lý hoạt động IC 7805 trong mạch

- Ic 7805 có chức năng làm giảm dòng điện từ 12v xuống còn 5v để mạch có

thể hoạt động được

2.4 Vi điều khiển PIC16F877A

PIC16F877A là một dòng khá phổ biến, có đầy đủ tính năng phục vụ chohầu hết tất cả các ứng dụng trong thực tế Đây là dòng PIC khá dễ cho người

mới làm quen, có thể học tập và tạo nền tảng cho họ về vi điều khiển trong tương lai Một số đặc điểm của PIC16F877A:

- PIC 16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng microchip

- PIC 16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC

(Reduced Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản

- Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh

Hình 2.6 Sơ đồ khối của PIC16F877A

Cấu trúc tổng quát của PIC16F877A như sau:

 8K x 14 bits/word Flash ROM.

 368 x 8 Bytes RAM

 256 x 8 Bytes EEPROM

 5 Port xuất/nhập (A, B, C, D, E) tương ứng 33 chân ra

 2 Bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2

 1 Bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động ở chế độ tiết kiệm nănglượng (SLEEP MODE) với nguồn xung clock ngoài

 2 Bộ Capture/ Compare/ PWM (Bắt giữ/ So Sánh/ Điều biến xung)

 1 Bộ biến đổi Analog to Digital 10 bit, 8 ngõ vào 2 Bộ so sánh tương tự (Compartor)

 1 Bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)

 1 Cổng giao tiếp song song 8 bit

 1 Port nối tiếp

 15 Nguồn ngắt (Interrupt)

 Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).

 Nạp trương trình bằng cổng nối tiếp (ICSP™ ) (In-Circuit Serial Programming™ -)

 Tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit

 Tần số hoạt động tối đa 20 MHz

 Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân của PIC16F877A

Hình 2.7 Sơ đồ chấn của PIC16F877A

1 /MCLR/VPP – /MCLR: Hoạt động Reset ở mức

thấp– VPP: ngõ vào áp lập trình

2 RA0/AN0 – RA0: xuất/nhập số

– AN0: ngõ vào tương tự

3 RA1/AN1 – RA1: xuất/nhập số

– AN1: ngõ vào tương tự

4

RA2/AN2/VREF-/CVREF

– RA2: xuất/nhập số– AN2: ngõ vào tương tự– VREF -: ngõ vào điện áp chuẩn (thấp) của bộ A/D

5 RA3/AN3/VREF+

– RA3: xuất/nhập số– AN3: ngõ vào tương tự– VREF+: ngõ vào điện áp chuẩn (cao)của bộ A/D

6 RA4/TOCKI/C1OUT

– RA4: xuất/nhập số– TOCKI: ngõ vào xung clock bên ngoài cho timer0

– C1 OUT: Ngõ ra bộ so sánh 1

7 RA5/AN4//SS

/C2OUT

– RA5: xuất/nhập số– AN4: ngõ vào tương tự 4– SS: ngõ vào chọn lựa SPI phụ– C2 OUT: ngõ ra bộ so sánh 2

8 RE0//RD/AN5

– RE0: xuất nhập số– RD: điều khiển việc đọc ở port nhánh song song

– AN5: ngõ vào tương tự

– RE1: xuất/nhập số– WR: điều khiển việc ghi ở port nhánh song song

– AN6: ngõ vào tương tự

– RE2: xuất/nhập số– CS: Chip lựa chọn sự điều khiển ở port nhánh

song song– AN7: ngõ vào tương tự