Bài Tập Lớn Đề Tài Thiết Kế Bàn Cân Sử Dụng Cảm Biến Loadcell.pdf

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!... Phương pháp xử lý tín hiệu ..... Phân lo i ạ Có th phân loể ại loadcells như sau: - Phân lo i theo nguyên lý hoạ ạt động: d a vào t m Strain gauge

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

BÀI T P L N Ậ Ớ

H c ph n: C m bi ọ ầ ả ế n và x lý tín hiệu Mã HP: ME4511 ử

Đề tài: Thi t k bàn cân s d ng c m bi ế ế ử ụ ả ến Loadcell

HÀ N I, 12/2022 Ộ

L I M Ờ Ở ĐẦ U Trong thời đại công ngh phát triệ ển như hiện nay thì các thành t u c a khoa ự ủ học công ngh ệ ngày càng được áp dụng phổ biến vào nhi u ngành ngh ề ề và lĩnh vực khác nhau Trong công nghi p thì vi c thay th ệ ệ ế lao động th công b ng các ủ ằ

hệ thống thông minh, các dây chuy n t ề ự động hóa ngày càng ph ổ biến Và trong quá trình xây d ng các h ự ệ thống t ự động đó thì cảm biến đóng một vai trò quan trọng Thông tin thu thập được từ cảm bi n s giúp chúng ta nh n dế ẽ ậ ạng, đánh giá và điều khi n m i bi n tr ng cể ọ ế ạ ủa đối tượng Bên cạnh đó thông tin được xử

lý để rút ra tham s ố định tính hoặc định lượng của môi trường, phục v các nhu ụ cầu nghiên c u khoa h c k thu t hay dân sinh ứ ọ ỹ ậ

Nhận thức được vai trò quan tr ng c a c m bi n trong quá trình t ng hóa ọ ủ ả ế ự độ

và trong các h ệ thống cơ điện t , bài t p l n h c ph n c m bi n và x lý tín hiử ậ ớ ọ ầ ả ế ử ệu với đề tài “Thiết kế bàn cân sử dụng cảm biến Loadcell” giúp chúng em học hỏi, làm quen và x lý tín hi u v i các lo i cử ệ ớ ạ ảm bi n thông d ng và ế ụ ứng dụng của chúng trong k ỹ thuật

Thiết b c m bi n là mị ả ế ột lĩnh vực r ng lộ ớn cũng như thời gian hoàn thành bài t p l n có h n nên không th tránh kh i nh ng sai sót trong quá trình tìm ậ ớ ạ ể ỏ ữ hiểu, vì v y chúng em mong nhậ ận được nhận xét và góp ý cùa thầy để bài tập lớn được hoàn thiện

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

M C L C Ụ Ụ

L I M Ờ Ở ĐẦ 2 U

PHẦN 1: GIỚI THI U V C Ệ Ề ẢM BI N LOAD CELL 4 Ế

1.1 Định nghĩa và phân loại 4

1.1.1 Định nghĩa 4

1.1.2 Phân lo i ạ 4

1.1.3 M t s ng d ng ộ ố ứ ụ 4

1.2 C u t o và nguyên lý hoấ ạ ạt động 5

1.2.1 C u t o ấ ạ 5

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 6

1.3 Thông s k thuố ỹ ật và sơ đồ chân kết nối 7

1.3.1 Thông s k thu ố ỹ ật cơ bả 7 n 1.3.2 Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối 8

PHẦN 2: THI T K 9 Ế Ế 2.1 L a ch n linh ki nự ọ ệ 9

2.1.1 L a ch n c m bi n ự ọ ả ế 9

2.1.2 L a ch ự ọn vi điều khiển 9

2.1.3 L a ch n b chuy ự ọ ộ ển đổi 10

2.1.4 Linh ki n khác ệ 10

2.2 Sơ đồ ế k t nối 11

2.3 Nguyên lý kết n i tín hi u ố ệ 11

PHẦ N 3: X LÝ TÍN HIỆU ĐO VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 12 Ử 3.1 Phương pháp xử lý tín hiệu 12

3.2 Chương trình phần m m ề 15

3.3 Đánh giá độ chính xác c a h ủ ệ thống 17 PHẦN 4 K T LU N 17 Ế Ậ

PHẦ N 1: GIỚ I THI Ệ U V CẢM BI N LOAD CELL Ề Ế

1.1 Định nghĩa và phân lo i ạ

1.1.1 Định nghĩa

C m bi n loadcell là m t lo i c m biả ế ộ ạ ả ến thực hi n vi c chuyệ ệ ển đổi l c ho c tự ặ ải trọng tác dụng lên nó thành tín hiệu điện Cảm bi n loadcell có th dùng để đo ế ể lực, t i tr ng, momen xo n và áp suả ọ ắ ất

1.1.2 Phân lo i ạ

Có th phân loể ại loadcells như sau:

- Phân lo i theo nguyên lý hoạ ạt động: d a vào t m Strain gauge, hiự ấ ện tượng điện dung, hiệu ứng áp điện, đầu dò dây rung, cảm biến lực Pressductor,

- Phân lo i Loadcell theo lạ ực tác động: ch u kéo (shear loadcell), ch u ị ị nén (compression loadcell), d ng u n (bending), ch u xoạ ố ị ắn (TensionLoadcell)

- Phân lo i theo hình d ng: dạ ạ ạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, d ng c u, ạ ầ dạng ch S ữ

1.1.3 M t s ộ ố ứng dụng

Loadcell được ứng d ng trong nhiụ ều lĩnh vực, ngành ngh : ề

- Ngành xây d ng: S n xu t sự ả ấ ắt thép, xi măng

- Ngành giao thông v n t i: Ki m tra chính xác tr ng t c a xe ậ ả ể ọ ải ủ

- Ngành khoáng s n: Xu t nh p kh u hàng hóa, ch ả ấ ậ ẩ ế biến khoáng s n, khai ả thác than, …

- Ngành nông nghi p: Ch ệ ế biến nông s n, xu t nh p nguyên li u nông s n, ả ấ ậ ệ ả kiểm tra khối lượng nguyên v t li u nông sậ ệ ản, …

- Ngành khách s n, nhà hàng, siêu thạ ị: Thường dùng cân điệ ửn t Loadcell nhằm mục đích cân nguyên vật liệu ra/vào chính xác

1.2 C u t o và nguyên lý hoấ ạ ạt động

1.2.1 C u t o ấ ạ

C u tấ ạo c a loadcell g m hai phủ ồ ần: “Strain ga ge” và “Load”, cụu thể như sau:

- Strain gauge: là thành ph n chính c a hầ ủ ệ thống loadcell, được dán vào thân loadcell Strain gauge là c m biả ến đặc biệt có kích thước nhỏ Bộ phận này gồm một s i dây kim lo i mợ ạ ảnh đặt trên m t tộ ấm cách điện đàn hồi Nó có điện trở thay đổi với lực tác dụng Khi bị nén, điện trở của nó s ẽ giảm xu ng Khi dây kim lo i c a strain gauge b ố ạ ủ ị kéo dài, điện trở s ẽ tăng lên Điện trở thi t b ế ị thay đổi t l v i lỷ ệ ớ ực tác động

Hình 1.1 C u tấ ạo t m Strain Gauge ấ

- Load: đây là thanh kim loại chịu tải trong hệ thống load cell, có kh ả năng đàn hồi cao Về thiết kế, load có hình d ng tùy theo từng loại ạ loadcell và mục đích sử ụng Chúng thường đượ d c làm b ng các kim ằ loại khác nhau Ph ổ biến nh t là nhôm, h p kim thép, ấ ợ

Hình 1.2 C u tấ ạo c m bi n loadcell ả ế 1.2.2 Nguyên lý hoạt động

B n t m Strain Gauge (lố ấ ần lượt là R1, R2, R3, R4) được g n vào thanh kim ắ loại (như hình 1.2) ồi đượ r c mắc thành mạch cầu Wheatstone

Hình 1.3 M ch c u Wheatstone ạ ầ

Ta có công th c cứ ủa điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:

𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.( 𝑅2

𝑅1+𝑅2 −

𝑅3

𝑅3+𝑅4 ) Khi có l c tác dự ụng làm các tấm Strain Gauge thay đổi giá trị:

𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.( 𝑅2+Δ𝑅2

(𝑅1−Δ𝑅1)+ (𝑅2+Δ𝑅2)−

𝑅3−Δ𝑅3

(𝑅 −Δ𝑅)+(𝑅 +Δ𝑅))

Thông thường các điện trở của 4 t m Strain Gauge là gi ng nhau: ấ ố

𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅4=𝑅

→𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.Δ𝑅

𝑅 Như vậy khi chưa có lực tác dụng thì Δ𝑅 =0 →𝑉𝑜𝑢𝑡=0

Hình 1.4 C m biả ến loadcell khi chưa chịu tải trọng

Khi chưa có lực tác d ng thì ụ Δ𝑅≠0 →𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.Δ𝑅

𝑅

Hình 1.5 C m bi n loadcell khi ch u t i trả ế ị ả ọng

1.3 Thông s kố ỹ thu t ậ và sơ đồ chân k t n i ế ố

1.3.1 Thông s k thuố ỹ ật cơ bản

Với mục tiêu là tìm hi u, làm quen và x lý tín hiể ử ệu đố ớ ải v i c m bi n nên ế trong bài t p lậ ớn này chúng em s d ng c m bi n Micro Load Cell (0-1kg) ử ụ ả ế

Hình 1.6 C m biả ến loadcell 1kg

- Chất liệu: hợp kim nhôm

- Kích thước: 75.25x12.7x12.7mm

- Phạm vi đo: 0 – 1kg

- Đầu ra định mức: 1,0 ± 0,1 mV/V

- Điện áp kích thích: 5VDC

- Độ l ch tuy n tính: 0,05% ệ ế

1.3.2 Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối

Hình 1.7 Sơ đồ các dây tín hi u c a loadcell ệ ủ

Bảng ký hi u các dây tín hi u c a cệ ệ ủ ảm bi n loadcell ế

PHẦ N 2: THI T K Ế Ế

2.1 L a ch n linh ki n ự ọ ệ

2.1.1 L a ch n c m bi n ự ọ ả ế

Trong ph m vi c a bài t p l n nh m ph c v cho hoạ ủ ậ ớ ằ ụ ụ ạt động tìm hi u, làm ể quen và x lý tín hi u c a c m biử ệ ủ ả ến nên trong đề tài đã chọn chúng em s dử ụng cảm biến Micro Load cell có phạm vi đo 0 – 1kg (hình 1.6) đảm bảo nh g n, ỏ ọ kết nối đơn giản, giá thành thấp và vẫn đáp ứng được mục tiêu c a bài tủ ập l n ớ 2.1.2 L a chự ọn vi điều khiển

Như mục đích của bài t p lậ ớn đã nêu trên, về bộ vi x lý chúng em l a chử ự ọn

sử d ng v ụ ộ vi điều khi n Aduino uno R3 ể

Hình 2.1 Vi điều khiển Adruino Uno R3

2.1.3 Lựa chọn bộ chuyển đổi

Tín hi u cệ ảm biến Loadcell đưa ra là tín hiệu tương tự (điện áp) vì vậy để vi

điều khi n có thể c d li u t cảm bi n thì c n m t b chuyể đọ ữ ệ ừ ế ầ ộ ộ ển đổi tương tự

-số ADC Đố ớ ải v i c m bi n c u (Bridge sensor) nói chung và các lo i c m biế ầ ạ ả ến loadcell nói riêng thì thường được sử dụng b chuyộ ển đổi ADC HX711-24bit

Hình 2.2 B chuyộ ển đổi ADC 24 bit HX711 –

2.1.4 Linh ki n khác ệ

Kết qu c a c m biả ủ ả ến sau khi được x ử lý qua vi điều khi n Adruino uno R3 s ể ẽ được hiển th ị lên LCD 16x2 Đi kèm theo LCD s là c ng giao ti p I2C ẽ ổ ế

Hình 2.3 Màn hình LCD 16x2 và I2C

2.2 Sơ đồ kết nối

Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối mạch điện

𝑉𝑖𝑛+ E+

𝑉𝑖𝑛− E -

𝑉𝑜𝑢𝑡+ A+

𝑉𝑜𝑢𝑡− A -

SDA A4/SDA SCL A5/SCL

Bảng 2.2 Đấu n i thi t b ố ế ị 2.3 Nguyên lý k t nế ối tín hiệu

- Hai dây điện áp Vin được k t n i v i hai chân E+/E- c a b chuyế ố ớ ủ ộ ển đổi HX711 để ấp điện áp đầ c u vào cho loadcell, hai dây tín hiệu Vout được kết n i v i Chanel A+/A- ố ớ để đưa tín hiệu điện áp đầu ra cho b chuyộ ển đổi

- Hai chân c p nguấ ồn VCC và GND cho b chuyộ ển đổi được kết n i vố ới nguồn 5V trên vi điều khi n Adruino Uno R3 Chân d ể ữ liệu DT được kết nối v i chân digital sớ ố 3 dùng để đưa dữ liệu số t bừ ộ chuyển đổi vào vi điều khiển và chân xung clock được kết nối với chân digital số 2 của vi điều khi n và nhận xung đượể c cấp từ vi điều khiển để hoạt động

- Ngu n 5V c a vi xồ ủ ử lý được c p cho c ng giao tiấ ổ ếp I2C để giao ti p vi ế

điều khiển với màn LCD 16×2 Hai chân SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nh n d ậ ữ liệu và SCL (Serial Clock)- đường mang tín hi u xung nhệ ịp được kết nối với hai chân tương ứng trên

bộ vi điều khi n Adruino ể

3.1 Phương pháp xử lý tín hiệu

Hình 3.1 Sơ đồ xử lý tín hi u ệ Tín hiệu do Load cell sinh ra V có giá tr r t nhout ị ấ ỏ (cỡ 1.0±0.15 mv/V)

vì v y nh ng b khuậ ữ ộ ếch đại thông thường không đủ để dùng cho x lý tín ử hiệu c a Loadcell Bộ chuyủ ển đổi tương tự ố HX711 được thiết kế riêng s cho các c m biả ến đo tải trọng có tích h p s n b khuợ ẵ ộ ếch đại trong đó (Với tỉ

lệ khuếch đại gain = 128, 64 ho c 32) ặ

Tín hiệu điện áp sau khi được khuếch đạ ẽ đượi s c chuyển đổi qua tín hiệu

số với độ phân gi i 24 bit ả và được truy n thông v i Adruino thông qua hai ề ớ dây DT và SCK

Hình 3.2 Biểu đồ timeline ki m soát d u ra, vào và l a ch n ch ể ữ liệ ự ọ ế độ

khuếch đại

Vi điều khiển Adruino sẽ cấp xung vào chân SCK c a b chuyủ ộ ển đổi HX711 Tùy theo chế độ ấ c p xung mà b chuyộ ển đổ ẽ hoạt đội s ng theo 3 chế khuđộ ếch đại khác nhau

Trong kho ng th i gian l y dả ờ ấ ữ liệu, v i m i l n cớ ỗ ầ ấp xung cho chân SCK thì tín hi u s ệ ẽ được đưa ra chân DT theo kiểu bool Mỗi giá tr này s ị ẽ tương

ứng với m i ô nh trong 24-bit d ỗ ớ ữ liệu được điền từ trái qua phải

Các giá tr sị ố thu được sẽ tỉ lệ tuyến tính v i tín hiớ ệu điện áp ra c a củ ảm biến Loadcell Để tìm được phương trình tuyến tính thì nhóm thực hiện đo các khối lượng tiêu chu n r i lẩ ồ ập đồ thị khối lượng – giá tr s c a b chuyị ố ủ ộ ển đổi

Weight (gram) Digital Value

0 344800

75 405800

150 464500

225 525000

300 585700

375 646200

450 706300

525 766550

600 826800

675 886950

750 946800

825 1006400

900 1067300

Bảng 3.1 Giá tr s ị ố tương ứng v i khớ ối lượng tiêu chu n ẩ

y = 802.61x + 344911

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

0 200 400 600 800 1000

Weight - Digital Value

Đồ thị 3.1 Đồ thị giá tr số - khối lượng ị

T chúng ta thu ừ đồ thị được phương trình đường thẳng hồi quy tuy n tính ế

𝑦 =802 61, 𝑥 +344911

T ừ phương trình tuyến tính thu được chúng ta lập trình để chuyển đổi l i giá tr ạ ị

số v ề đại lượng cần đo (khối lượng)

3.2 Chương trình phần mềm

Chương trình lập trình trên Adruino:

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

LiquidCrystal_I2C lcd (0x27,16,2);

uint8_t dataPin = 3;

uint8_t clockPin = 2;

int lastRead = 0;

float dt = 0;

int w = 0;

void setup () {

pinMode (dataPin, INPUT);

pinMode (clockPin, OUTPUT);

digitalWrite(clockPin, LOW);

digitalRead(dataPin) == LOW;

lcd init ();

lcd.backlight();

}

// đọc dữ liệu số từ bộ chuyển đổi

float read(){

while (digitalRead(dataPin) == HIGH) yield();

union {

long value = 0;

uint8_t data[4];

} v;

v.data[1] = shiftIn (dataPin, clockPin, MSBFIRST); v.data[0] = shiftIn (dataPin, clockPin, MSBFIRST); uint8_t m = 1;

while (m > 0)

{

digitalWrite(clockPin, HIGH);

digitalWrite(clockPin, LOW);

m ;

}

interrupts();

if (v.data[2] & 0x80) v.data[3] = 0xFF;

lastRead = millis();

return 1.0* v.value;

}

// Lấy giá trị số trung bình

float read_average(uint8_t times)

{

if (times < 1) times = 1;

float sum = 0;

for (uint8_t i = 0; i < times; i++)

{

sum += read();

yield();

}

return sum / times;

}

void loop () {

dt = read_average(10);

// Phương trình tuyến tính

w = (dt-344911)/802.61;

// in ra màn hình LCD

lcd setCursor (7,0);

lcd print (w);

if(w<1)

lcd clear();

3.3 Đánh giá độ chính xác của hệ thống

Tiến hành đo một số s n ph m có khả ẩ ối lượng tiêu chuẩn ta thu được bảng sau Giá tr tiêu chu n (gramị ẩ Giá tr ị đo được (gram) Sai s ố

Từ b ng s ả ố liệu ta có th ể thấy sai s tố ối đa của h ệ thống 0,625% Do điều kiện khó khăn khi tìm những vật có khối lượng chuẩn, bên cạnh đó là quá trình x lý tín hiử ệu còn chưa đượ ối ưu nên hệ thốc t ng v n cho sai s ẫ ố tương

đối lớn M c dù v y v i nh ng v t có khặ ậ ớ ữ ậ ối lượng nh ỏ (cơ gram) thì hệ thống vẫn cho một k t qu t t và hoế ả ố ạt động ổn định

Hệ thống bàn cân s d ng c m biử ụ ả ến loadcell được hoàn thành hoạt động một cách ổn định M c dù v y thì hặ ậ ệ thống v n còn sai s l n do nhẫ ố ớ ững khó khăn

về dụng cụ để hiệu chu n Tuy nhiên thông qua bài t p lẩ ậ ớn chúng em đã được tìm hi u, làm quen và x lý tín hiể ử ệu đố ới v i nh ng c m bi n có tín hiữ ả ế ệu đầu ra

là tín hiệu tương tự Hiểu được nguyên lý hoạt động c a các lo i c m bi n tủ ạ ả ế ải trọng nói riêng và các lo i c m bi n khác nói chung Bên cạ ả ế ạnh đó tìm hiểu được cách x lý tín hiử ệu đố ới v i những lo ại c m bi n s dả ế ử ụng mạch c u Wheatstone ầ