Do đó, thầy Đào Đức Thịnh đã giao cho chúng em bài tập lớn mônthiết kế thiết bị đo với đề tài: “Thiết kế thiết bị đo sử dụng nhiệt điện trở Pt-100,dải đo -, độ phân giải ”.Bài tập lớn là
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC
Giới thiệu về loacell
Thiết kế thiết bị đo lực sử dụng load cell
Loại 3mV/V Độ phân giải 0.05%
Chọn vi điều khiển, hiển thị LED 7 segment.
Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống
Bên trong Loadcell gồm 4 tenzo được nối với nhau tạo thành một mạch cầu. Khi không có lực tác động, mạch cầu này ở trạng thái cân bằng, điện áp ra � � 0 Khi có đối tượng đo đặt lên thì lực sẽ tác động làm thay đổi chiều dài của tenzo (tùy theo thiết kế hình dáng của loadcell) dẫn đến mạch cầu sẽ có sự thay đổi điện áp giữa các nhánh Ở đâu việc cho cả bốn nhánh hoạt động sẽ giúp triệt tiêu sai số phi tuyến và tăng độ nhạy, đồng thời với việc dán tenzo tại những vị trí phù hợp sẽ khử được sai số nhiệt độ Tuy nhiên, mặc dù vậy thì điện áp đầu ra vẫn rất nhỏ Vì vậy, trước khi đưa vào ADC sẽ phải qua một bộ khuếch đại, sau đó sẽ hiển thị lên bộ led 7 thanh.
Tính toán thông số thiết bị
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC SỬ DỤNG LOADCELL 11
Yêu cầu kĩ thuật
Thiết kế thiết bị đo lực sử dụng load cell
Loại 3mV/V Độ phân giải 0.05%
Chọn vi điều khiển, hiển thị LED 7 segment.
Tính toán thiết kế
Sơ đồ tổng quan của hệ thống
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống
Bên trong Loadcell gồm 4 tenzo được nối với nhau tạo thành một mạch cầu. Khi không có lực tác động, mạch cầu này ở trạng thái cân bằng, điện áp ra � � 0 Khi có đối tượng đo đặt lên thì lực sẽ tác động làm thay đổi chiều dài của tenzo (tùy theo thiết kế hình dáng của loadcell) dẫn đến mạch cầu sẽ có sự thay đổi điện áp giữa các nhánh Ở đâu việc cho cả bốn nhánh hoạt động sẽ giúp triệt tiêu sai số phi tuyến và tăng độ nhạy, đồng thời với việc dán tenzo tại những vị trí phù hợp sẽ khử được sai số nhiệt độ Tuy nhiên, mặc dù vậy thì điện áp đầu ra vẫn rất nhỏ Vì vậy, trước khi đưa vào ADC sẽ phải qua một bộ khuếch đại, sau đó sẽ hiển thị lên bộ led 7 thanh.
Tính toán thông số thiết bị
Hình 2.2 Loadcell + khuếch đại + ADC Nhật xét: khi chế tạo xong nhà chế tạo cho ta độ nhạy của loadcell là:
Ta chọn nguồn cấp cho cầu là nguồn DC → Điện áp cấp cho mạch khuếch đại sẽ là:
Giả sử G là hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại → Điện áp vào lớn nhất của ADC sẽ là:
Theo đề bài, độ phân giải thiết bị là 0.05% → Giá trị lớn nhất của đầu ra của
Lựa chọn thiết bị
STM32F103 là vi điều khiển 32-bit có lõi vi xử lý là Arm 32-bit Cortex- M3 với tần số xung nhịp tối đa là 72MHz Tốc độ thực hiện lệnh là 1.25 DMIPS/ MHz
Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ…
Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C… Ở đây mình sử dụng Keil C nên các bài viết sau mình chỉ đề cập đến Keil C.
Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như: STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core Mỗi thư viện đều có ưu và khuyết điểm riêng, ở đây mình xin phép sử dụng Standard Peripheral Libraries vì nó ra đời khá lâu và khá thông dụng, hỗ trợ nhiều ngoại vi và cũng dễ hiểu rõ bản chất của lập trình.
Mạch nạp: có khá nhiều loại mạch nạp như : ULINK, J-LINK , CMSIS-DAP, STLINK… ở đây mình sử dụng Stlink vì giá thành khá rả và debug lỗi cũng tốt.
Hình 2.4 cấu trúc của STM32F103C8T6 Đặc điểm của vi điều khiển STM32F103C8T6:
ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz.
Bộ nhớ: o 64 kbytes bộ nhớ Flash (bộ nhớ lập trình). o 20 kbytes SRAM.
Clock, reset và quản lý nguồn. o Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V. o Power on reset (POR), Power down reset (PDR) và programmable voltage detector (PVD). o Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz → 20Mhz. o Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz. o Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC.
Trong trường hợp điện áp thấp: o Có các mode: ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ. o Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấp chính.
ADC 12-bit với 12 kênh o Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V. o Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh. o Có cảm biến nhiệt độ nội.
DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu của CPU. o 7 kênh DMA. o Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART.
7 timer. o 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM. o 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input, dead-time o 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi. o 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay….
Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm: o 2 bộ I2C(SMBus/PMBus). o 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control). o 2 SPIs (18 Mbit/s). o 1 bộ CAN interface (2.0B Active) o USB 2.0 full-speed interface
Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID.
Sai số 0.023% Điện áp biến đổi: 3 mv/V.
Nguồn cấp 5 ÷ 12 V Điện trở đầu vào: (350 ± 3.5) Ω. Điện trở đầu ra: (350 ± 3.5) Ω. Điện trở cách điện: ≥ 5000 (ở 50VDC) MΩ. Đạt chuẩn bảo vệ IP67.
Chất liệu: hợp kim thép mạ Nickel (Nickel plated Alloy steel). Ứng dụng: cân bàn, cân sàn, cân bồn.
Chiều dài dây tín hiệu: 4m.
Màu sắc dây: Màu Đỏ E+, Màu Đen E -, Màu xanh S+, Màu Trắng S-.
Hình 2.6 Thông số kỹ thuật của LoadCell
trong STM32F103C8T6
Đánh giá sai số
Từ sơ đồ khối ta thấy: sai số của hệ thống bao gồm sai số của cảm biến, sai số của bộ khuếch đại, sai số của ADC, sai số của vi điều khiển, nhưng sai số của vi điều khiển là rất nhỏ có thể bỏ qua, vì vậy ta còn 3 thành phần sai số:
Sai số của hệ thống: � = √√√√√√√√√√√√√√√ 2 + � 2 + � 2
Trong đó: �1là sai số của cảm biến
�2 là sai số của ADC
�3 là sai số của bộ khuếch đại
Sai số của cảm biến thường do nhiệt độ gây ra Khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm điện trở cảm biến thay đổi gây ra sai số, nhiệt độ làm việc là 0°c tới 50° C Sai số của nhà sản xuất: �1 = 0.023%
2.4.2.1 Sai số lượng tử Đây là sai số hệ thống Giá trị của sai số lượng tử bằng một nửa của giá trị điện áp đặt vào để làm thay đổi một đơn vị của mã đầu ra
2.4.2.2 Sai số do điện áp Uref
Sai số này sinh ra do nguồn tham chiếu bị thay đổi (sai số này đã bị triệt tiêu khi điện áp cấp cho Uref cũng là điện áp cấp cho cầu) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ADC
Khoảng chuyển tiếp của tín hiệu là một yếu tố gây ra sai số bởi vì hai tín hiệu phải sai lệch một giá trị nhất định thì điện thế ra của mạch mới chuyển trạng thái Ngoài ra ở một mức điện áp khác nhau có một mức chuyển tiếp khác nhau tạo ra sự không tuyến tính của mạch so sánh Bộ so sánh cũng bị tác động của nhiệt độ.
2.4.2.4 Độ phân giải Độ phân giải càng cao thì sai số càng thấp ảnh hưởng của bộ dao động: khi xung nhịp đặt vào thay đổi thì độ chính xác bị kém đi sai số tổng của ADC: 1
Mạch khuếch đại sử dụng INA128 có sai số là: �3 = 0.01
Sai số của toàn bộ hệ thống
Sơ đồ nguyên lý
Chức năng: cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý nguồn
Chức năng: xử lý tín hiệu đầu vào qua bộ ADC trong vi điều khiển và tính toán cho ra kết quả đầu ra
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý MCU
Chức năng: hiển thị khối lượng đo được cho người dùng
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý phần hiển thị
Vẽ PCB mạch in
Hình 2.23 Top layer của PCB
Hình 2.24 Bottom layer của PCB
Thiết kế vỏ hộp
Hình 2.25 Vỏ thiết bị bên ngoài
Hình 2.26 Vỏ thiết bị (bên trong)
