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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

BÀI T P L N ẬỚ

H c ph n: C m biọầảến và x lý tín hiệu Mã HP: ME4511 ửĐề tài: Thi t k bàn cân s d ng c m biế ếử ụảến Loadcell

HÀ N I, 12/2022 Ộ

L I MỜỞ ĐẦU

Trong thời đại công ngh phát triệ ển như hiện nay thì các thành t u c a khoa ự ủhọc 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 ằhệ 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 ụcầu 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 độvà 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 ữhiểu, 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 ỤỤ

L I M ỜỞ ĐẦ 2 U

PHẦN 1: GIỚI THI U V CỆỀ ẢM BI N LOAD CELL 4 Ế

1.1 Định nghĩa và phân loại 4

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

1.3.1 Thông s k thuố ỹật cơ bả 7 n1.3.2 Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối 8

PHẦN 2: THI T K 9 ẾẾ2.1 L a ch n linh ki nựọệ 9

PHẦN 1: GIỚI THIỆU V CẢM BI N LOAD CELL ỀẾ

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 ểlực, 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 ịnén (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 ầdạng 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 ảthác 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 ảkiểm 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

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 ảnăng đàn hồi cao Về thiết kế, load có hình d ng tùy theo từng loại ạloadcell và mục đích sử ụng Chúng thường đượ d c làm b ng các kim ằloại 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 ế1.2.2 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 ắloại (như hình 1.2) ồi đượ r c mắc thành mạch cầu Wheatstone

Hình 1.3 M ch c u Wheatstone ạ ầTa có công th c cứ ủa điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:

𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.( 𝑅2𝑅1+𝑅2 −

𝑅3𝑅3+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)−

(𝑅 −Δ𝑅)+(𝑅 +Δ𝑅))

Thông thường các điện trở của 4 t m Strain Gauge là gi ng nhau: ấ ố𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅4=𝑅

→𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.Δ𝑅𝑅Như 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

Hình 1.5 C m bi n loadcell khi ch u t i trả ế ị ả ọng1.3 Thông s kố ỹ thu t ậ và sơ đồ chân k t n i ếố

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 ếtrong 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 ế1.3.2 Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối

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

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 ẽđược 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 ị2.3 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 ửhiệu c a Loadcell Bộ chuyủ ển đổi tương tự ố HX711 được thiết kế riêng scho 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 ớdây 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

02004006008001000Weight - 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 ế𝑦 =802 61, 𝑥 +344911

T ừ phương trình tuyến tính thu được chúng ta lập trình để chuyển đổi l i giá tr ạ ịsố 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();

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