bài tập môn học thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 10kg hiển thị trực tiếp

Báo cáo đề tài gồm các phần: Lời nói đầu Chương 1: Phân tích yêu cầu bài toán Chương 2: Linh kiện chính của mạch Chương 3: Thiết kế mạch đo và hiển thị trực tiếp Kết luận và hướng phát t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÀI TẬP MÔN HỌC Thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 10kg,

hiển thị trực tiếp

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Đào Đức Thịnh

Sinh viên thực hiện MSSV – Lớp

Nguyễn Minh Hiển 20181463_TĐH10 -K63

Chữ ký của GVHD

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN 6

1.1 Đề bài 6

1.2 Phân tích bài toán 6

CHƯƠNG 2 LINH KIỆN CHÍNH CỦA MẠCH 7

2.1 Cảm biến loadcell 7

Cảm biến điện trở lực căng 7

Mạch cầu wheatstone 8

2.2 Giới thiệu về loadcell sử dụng 9

2.3 Vi mạch ICL7107 10

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TRỰC TIẾP 14

3.1 Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của mạch 14

Sơ đồ khối của mạch: 14

Hoạt động của hệ thống: 14

3.2 Sơ đồ nguyên lí và lựa chọn linh kiện cho mạch 14

Khối nguồn và Vref 14

Loadcell và mạch khuếch đại 15

ADC ICL7107 17

Khối hiển thị 18

3.3 Yêu cầu kĩ thuật khi lắp đặt Loadcell 19

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH

Hình 2-1 Mạch cầu Wheatstone 8

Hình 2-2 Điện trở dán trên Loadcell 8

Hình 2-3 Loadcell 10kg YZC-133 9

Hình 2-4 Sơ đồ chân ADC ICL7107 dạng chân cắm 10

Hình 2-5 Dạng sóng đầu ra của bọ khuếch đại tích hợp 12

Hình 2-6 Vùng xử lí tín hiệu tương tự của ICL7107 12

Hình 2-7 Vùng xử lí tín hiệu số của ICL7107 13

Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch 14

Hình 3-2 Khối nguồn và Vref (±5V DC) 15

Hình 3-3 Chân tín hiệu của Loadcell 15

Hình 3-4 Mạch khuếch đại vi sai tín hiệu từ Loadcell 16

Hình 3-5 Mạch ADC 17

Hình 3-6 Sơ đồ kết nối Led 7 thanh 3 digit 1812 DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1 Phân loại điện trở lực căng 7

Bảng 3-1 Giá trị của điện trở và tụ điện trong mạch ADC 18

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công nghiệp, việc xác định khối lượng của vật một cách chính xác là vô cùng cần thiết Việc xác định khối lượng của vật thông qua các hệ thống đo khối lượng dùng đối trọng hay lò xo bằng các kết cấu cơ khí thường mang lại độ chính xác không cao, hơn nữa kết quả đo lại cần có sự quan sát trực tiếp của con người, vì vậy nên phương pháp này không thể ứng dụng trong các hệ thống công nghiệp lớn, các hệ thống vận hành tự động hóa Các hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có độ chính xác rất cao, kết quả đo có thể được sử dụng trực tiếp vào các mục tiêu điều khiển một cách hoàn toàn tự động Việc sử dụng công nghệ đo phù hợp, hiển thị chính xác các thông số đo lường là vấn đề được những kỹ sư đo lường và điều khiển quan tâm Qua những lý do trên, chúng em lựa chọn đề tài cho bài tập dài môn học Kĩ thuật cảm biến là: “Đo trọng lượng dải đo 10kg, hiển thị trực tiếp” Bài tập dài này giúp sinh viên thêm hiểu sâu và đánh giá kiến thức đã tiếp thu trong quá trình học Chúng em xin cám ơn sự hướng dẫn của thầy Đào Đức Thịnh giúp chúng

em hoàn thành bài tập dài này

Báo cáo đề tài gồm các phần:

Lời nói đầu

Chương 1: Phân tích yêu cầu bài toán

Chương 2: Linh kiện chính của mạch

Chương 3: Thiết kế mạch đo và hiển thị trực tiếp

Kết luận và hướng phát triển

Do sự hiểu biết còn hạn chế, mặc dù chúng em đã cố gắng thực hiện nhưng bài tập dài này khó tránh khỏi sai sót Chúng em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung từ phía thầy cô, bạn bè và những người quan tâm đến đề tài này

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN

1.1 Đề bài

“Thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 10kg, hiển thị trực tiếp.”

Yêu cầu:

Chọn cảm biến thương mại phù hợp với dải đo

Thiết kế mạch đo, chọn IC thực tế

Chọn ADC phù hợp

Thiết kế mạch kết nối mạch đo và ADC và nguồn, ref cho ADC

1.2 Phân tích bài toán

Đề bài yêu cầu chúng ta thiết kế một mạch đo, thiết bị đo có khả năng đo được 10kg, hiển thị trực tiếp qua 4 led 7 thanh với độ chính xác 3 ½

Để thực hiện được đề bài này, ta cần lên phương án thực hiện 1 cách có khoa học, từ chọn cảm biến, chọn adc đến thiết kế mạch đo và hiển thị

Đầu tiên, chọn cảm biến: để đo được trọng lượng, chúng ta có lựa chọn cơ bản nhất là cảm biến điện trở lực căng hay Loadcell Loadcell có khả năng chuyển đổi lực nén, kéo sang sự chênh lệch điện áp, từ sự sai khác điện áp này, ta có thể xác định được trọng lượng cần đo Với dải đo 10kg, Loadcell được chọn có tải trọng 10kg và mã hiệu YZC – 133

Tiếp theo, do điện áp vi sai từ cảm biến rất nhỏ, hơn nữa là tín hiệu tương tự, không thể hiển thị trực tiếp bằng các linh kiện số như Led 7 thanh hay màn hình LCD Vì vậy ta cần một mạch khuếch đại tín hiệu đưa vào một ADC để chuyển tín hiệu tương tự nhỏ thành tín hiệu số và hiển thị trọng lượng cần đo qua Led 7 thanh hay màn hình LCD

Để hiển thị một cách trực tiếp qua Led 7 thanh, ADC ICL7107 là một sự lựa chọn phù hợp ICL7107 là bộ chuyển đổi ADC 3 hiệu suất cao, công suất thấp Bao gồm bảy bộ giải mã phân đoạn, trình điều khiển hiển thị, tham chiếu và đồng hồ

Các linh kiện trong mạch sử dụng điện áp ±5V DC, chân GND 0V, vì vậy cần sử dụng LM7805 cho điện áp ra +5V DC và ICL7660 cho điện áp -5V DC

CHƯƠNG 2 LINH KIỆN CHÍNH CỦA MẠCH

2.1 Cảm biến loadcell

Cảm biến cân nặng loadcell là cảm biến có thể chuyển đổi một lực, trọng lượng thành một tín hiệu điện Giá trị tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở,

do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực – trở kháng Khi một tải trọng, một lực tác động lên cảm biến sẽ làm trở kháng thay đổi Sự thay đổi trở kháng này dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được cấp Loadcell được cấu tạo từ hai thành phần là strain gauge (cảm biến biến trở lực căng)

và load Các strain gauge thường được dán vào bề mặt của load Load là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo mục đích sử dụng khác nhau mà chất liệu tạo nên load lại khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ, )

Cảm biến điện trở lực căng

Cảm biến điện trở lực căng có hai loại chính là : kiểu dây mảnh và kiểu màng mỏng

có thể chế tạo kích thước lớn nhỏ nên chế tạo được hình dạng bất kỳ giá thành rẻ

tiếp xúc nhỏ nên truyền biến dạng kém tiếp xúc tốt nến truyền biến dạng và nhiệt

tốt tiếp xúc nhỏ nên truyền nhiệt kém

độ đồng đều cao

được làm bằng constantan, nicrom, platin-iridi:

được cố định trên load

đế mỏng bằng vật liệu cách điện có độ bền cao

Bảng 2-1 Phân loại điện trở lực căng Công thức tính toán

= Trong đó: : điện trở ; : điện trở suất ; : độ dài ; : thiết diện R p L A

Khi có lực tác động vào strain gauge thì sẽ gây ra sự thay đổi về mặt hình dạng của nó, dẫn đến sự thay đổi về điện trở:lực nén: điện trở giảm (do L giảm); lực kéo giãn: điện trở tăng (do L giảm)

Mạch cầu wheatstone

Hình 2-1 Mạch cầu Wheatstone

= +

Hình 2-2 Điện trở dán trên Loadcell

∆

Một điện áp được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), dẫn đến sự thay đổi về chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu ra

2.2 Giới thiệu về loadcell sử dụng

Model: YZC - 133

Tải trọng: 10kg

Giá trị ra: 1 ± 0.15 mV/V

Độ lệch tuyến tính: 0.05 %

Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy: 0.03 %/ độ C

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới điểm không 0.02 %/ độ C

Độ cân bằng điểm không: ± 0.1 %

Trở kháng đầu vào : 1066 ± 20 Ω

Trở kháng ngõ ra: 1000 ± 20 Ω

Trở kháng cách li 50V: 2000 MΩ

Điện áp hoạt động: 5V

Nhiệt độ hoạt động: -20 → 65oC

Quá tải an toàn: 120%

Quá tải tối đa: 150%

Dây tín hiệu: đỏ: ngõ vào + ; đen: ngõ vào - ; xanh lá: ngõ ra + ; trắng: ngõ ra –

Hình 2-3 Loadcell 10kg YZC-133

2.3 Vi mạch ICL7107

Hình 2-4 Sơ đồ chân ADC ICL7107 dạng chân cắm

ICL7107 của hãng Intersil là một bộ AD 31 2 digit công suất thấp, hiển thị tốt Bao gồm trong IC này là bộ giải mã LED 7 đoạn, bộ điều khiển hiện thị, bộ tạo chuẩn,và bộ tạo xung đồng hồ Các đặc tính của nó bao gồm: tự chỉnh “0” nhỏ hơn uV, điểm “0” trượt không quá 1uV/oC, độ dốc dòng ngõ vào tối đa là 10pA

Các giá trị định mức:

Điện áp nguồn:

V+→GND: 6V (Cụ thể đối với mạch thiết kế là 5V)

V-→GND: -9V (Cụ thể đối với mạch thiết kế là -5V)

Điện áp ngõ vào analog: V+→V-

Điện áp ngõ vào tham chiếu: V+→V-

Ngõ vào clock: GND→V+

Các điều kiện bên ngoài:

Phạm vi nhiệt độ: 0oC→70oC

Về nhiệt:

Nhiệt trở: 50ƟJA(oC/W)

Nhiệt độ định mức cho phép của các mối nối: 150oC

Phạm vi nhiệt độ lưu trữ định mức: -65oC→150oC

Tóm tắt thông tin thiết kế:

Tần số bộ dao động :

fOSC = 0.45/RC

COSC > 50pF; ROSC > 50kΩ

fOSC (typical) = 48kHz

Chu kỳ dao động:

tOSC = RC/0.45

Tần số đồng hồ tích hợp:

fCLOCK = fOSC/4

Chu kỳ tích hợp:

tINT = 1000x(4/ fOSC)

Chuẩn loại bỏ 60/50Hz:

tINT/t60Hz hay tINT/t60Hz = số nguyên

Dòng tích hợp tối ưu:

IINT = 4µA

Điện áp toàn giai ngõ vào analog:

VINFS (typical) =200mV hoặc 2V(Cụ thể trong đồ án này chọn thang đo 2V) Trở tích hợp:

RINT = VINFS/IINT

Tụ tích hợp:

CINT = (tINT IINT)/VINT

Độ lắc điện áp ngõ ra bộ tích hợp:

VINT = (tINT IINT)/CINT

Độ lắc tối đa VINT:

(V- +0.5V) < VINT < (V+ -0.5V), VINT (typical) = 2V

Bộ đếm hiện thị:

COUNT = 1000.VIN/VREF

Chu kỳ chuyển đổi:

tCYC = tCLOCK x 4000

tCYC = tOSC x 16000

khi fOSC = 48kHz thì tCYC =333ms

Điện áp ngõ vào trạng thái mode chung:

(V- +1V) < VIN < (V+ -0.5V)

Tụ tự chỉnh “0”

0.1uF < CREF < 1uF

VCOM V+ -2.8V

Tổn thất điều chỉnh khi V+ → V- < 6.8V

Nếu VCOM bị kéo tụt xuống (V+ → V-)/2 thì mạch VCOM sẽ ngắt

Dạng sóng ngõ ra khuếch đại tích hợp điển hình (chân 27 – INT)

Hình 2-5 Dạng sóng đầu ra của bọ khuếch đại tích hợp

Hình 2-6 Vùng xử lí tín hiệu tương tự của ICL7107

Hình 2-7 Vùng xử lí tín hiệu số của ICL7107

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO VÀ HIỂN THỊ TRỰC TIẾP 3.1 Sơ đồ khối và nguyên lí hoạt động của mạch

Sơ đồ khối của mạch:

Để hoạt động, cả cảm biến Loadcell, ADC và khối hiển thị LED 7 thanh đều cần cấp nguồn 5V DC

Hoạt động của hệ thống:

Khi không có lực tác động, đầu ra của Loadcell bằng 0 Khi có đối tượng đo đặt lên, lực sẽ tác động vào cảm biến làm cho đầu ra thay đổi điện áp Giá trị điện áp này được ADC đọc và khối lượng được hiển thị trực tiếp lên Led 7 thanh Tùy vào sự cấu hình ta sẽ

có được giá trị khối lượng chính xác với yêu cầu của bài toán

3.2 Sơ đồ nguyên lí và lựa chọn linh kiện cho mạch

Khối nguồn và Vref

Điện áp lưới 220V qua adapter tạo nguồn 12V DC, đưa qua IC ổn áp chuyên dụng cung cấp nguồn 5V cho các thiết bị ngoại vi trong mạch và cung cấp nguồn ±5V cho ADC Do công suất cần có để cấp cho các thiết bị trong mạch là không lớn nên ta sử dụng IC ổn áp

3 chân 7805 cấp nguồn +5V và ICL7660 để cấp nguồn -5V

Việc lựa chọn các tụ cho khối nguồn không ảnh hưởng đến giá trị đầu ra ta cần Do

đó chỉ cần lựa chọn tụ thỏa mãn điều kiện hoạt động yêu cầu của mạch

Sơ đồ mạch nguồn được vẽ như sau:

Nguồn cung cấp cho hệ thống & V ref

(±5V DC)

ADC ICL7107

Khối hiển thị

Cảm biến

Loadcell

Đối tượng

đo

Hình 3-1 Sơ đồ khối của mạch

Hình 3-2 Khối nguồn và Vref (±5V DC) Loadcell và mạch khuếch đại

3.2.2.1 Cảm biến Loadcell

Loadcell được sử dụng trong mạch có 4 chân tín hiệu tương ứng với 4 màu được nhà sản xuất quy định sẵn:

Dây đỏ: VCC +5V DC

Dây đen: GND 0V

Dây xanh lá: tín hiệu ra mức cao

Dây trắng: tín hiệu ra mức thấp

Hình 3-3 Chân tín hiệu của Loadcell

3.2.2.2 Mạch khuếch đại điện áp vi sai

Tín hiệu ra từ Loadcell là điện áp vi sai có giá trị rất nhỏ (cỡ mV) nên để đo được bằng ADC ta cần dùng một mạch khuếch đại tăng giá trị điện áp đầu ra của cảm biến Để kết quả cân phản ánh chính xác nhất thì mạch khuếch đại phải đảm bảo các yếu tố sau:

Khuếch đại tuyến tính

Có khả năng khuếch đại điện áp vi sai giữa hai ngõ vào

Do những yếu tố trên, ta sử dụng IC khuếch đại INA128 để khuếch đại tín hiệu cảm biến Các điện trở và tụ điện tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất trong datasheet của INA128

Tính toán hệ số khuếch đại:

Nguồn cung cấp 5V DC

Độ nhạy của cảm biến là 1±0.15mV/V

Nên điện áp ra tối đa của cảm biến là 5V*1mV/V = 5mV

Chọn Vref = 5V

Dải đo 10kg được hiển thị 3 digit

Điện áp ra lớn nhất của mạch khuếch đại là 1V

⇒ Cần khuếch đại tín hiệu đầu ra của Loadcell là 5mV lên 1V

Vậy hệ số khuếch đại là: = = 200

Với INA128 thì = 1 + ⇒ = 251

Hình 3-4 Mạch khuếch đại vi sai tín hiệu từ Loadcell

ADC ICL7107

3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lí

Điện áp từ Loadcell đã được khuếch đại qua INA128, giá trị lớn nhất là 1V DC tương ứng với 10kg

Công thức hiển thị trên Led 7 thanh:

= 1000 ×

Để hiển thị khối lượng cân được, ta cần tỉ lệ thích hợp Ở đây = 1

Các giá trị của điện trở và tụ điện được đề xuất trong datasheet của ADC với

= 2 nên có thể sử dụng trong mạch này

Hình 3-5 Mạch ADC

3.2.3.4 Giá trị của điện trở và tụ điện

Các điện trở và tụ điện được sử dụng trong mạch:

Biến trở VR1 25kΩ Điện trở R2 24kΩ Điện trở R3 1MΩ Điện trở R4 470kΩ Điện trở R5 100kΩ

Tụ điện C5 0.01µF

Tụ điện C6 0.047µF

Tụ điện C7 0.22µf

Tụ điện C8 100pF

Tụ điện C11 0.1µF Bảng 3-1 Giá trị của điện trở và tụ điện trong mạch ADC

Ghi chú: Nếu không sử dụng biến trở VR1 để điều chỉnh Vref, ta có thể sử dụng điện trở R1 thay vào đó Khi đó, để có điện áp = 1 , chọn 1 = 3 và 2 = 12 Khối hiển thị

ICD7107 là ADC độ hiển thị trực tiếp, độ phân giải 3 digit Để hiển thị giá trị khối lượng đo được, ta sử dụng 4 Led 7 thanh chung anode Do Led đầu tiên được dùng để hiển thị dấu (-), dải đo được thiết kế là 10kg nên dấu “.” được hiện ở led thứ 2 Ta nối chân h của Led thứ 2 với GND

Hình 3-6 Sơ đồ kết nối Led 7 thanh 3 digit

3.3 Yêu cầu kĩ thuật khi lắp đặt Loadcell

Cần chú ý sự tiếp xúc và chất lượng dây tín hiệu khi thi công mạch Không nối sai chân dẫn đến hư hỏng linh kiện Một số yêu cầu khi lắp đặt:

Tấm đỡ cảm biến phải phẳng và cố định, không bị biến dạng và đặt đúng hướng chịu tải của Loadcell

Tuân thủ bề mặt lắp ráp của cảm biến điểm đơn, tuân thủ diện tích chịu tải Chiều dài dây cáp nối 4 dây không quá dài ảnh hưởng đến độ chính xác điện áp ra Tránh gây nhiễu với cảm biến Điện áp ra cảm biến rất nhỏ (cỡ mV) nên cần tránh đặt dây tín hiệu gần dây nguồn hay nơi gây nhiễu mạnh

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong thời gian làm việc, chúng em đã cố gắng hoàn thành bài tập giữa kỳ đúng thời hạn Kết quả mà chúng em đạt được như sau:

Hiểu được cách hoạt động của cảm biến điện trở lực căng

Hiểu được cách sử dụng loadcell, mạch khuếch đại và tính toán ADC

Thiết kế được mạch nguyên lý đo và hiển thị khối lượng

Áp dụng kiến thức môn học vào thực tế, bước đầu tiếp cận công nghệ chế tạo cảm biến đơn giản

Để hệ thống hoạt động hiệu quả hơn thì ta có thể bổ sung thêm một vài khả năng như sau: Khả năng đưa dữ liệu đo được vào database

Khả năng phân tích, hiệu chỉnh dữ liệu

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, do không có điều kiện làm mạch kiểm tra thực

tế, chúng em có tìm hiểu một số vấn đề liên quan đến mạch thật, thầy cô và các bạn quan tâm có thể tham khảo qua những đường dẫn sau:

Thắc mắc về INA128 nhờ các bạn giúp đỡ - Dien Tu Viet Nam

operational amplifier - Vacillating display with ICL7107 - Electrical Engineering Stack Exchange