Báo cáo đề tài: " Cân điện tử" doc

LỜI MỞ ĐẦU  Cân trọng lượng là một nhu cầu cần thiết và không thể thiếu trong đời sống xã hội , từ người nông dân làm ra hạt thóc cho đến các khu chế xuất , các nhà máy xi măng sản xuất ra hàng trăm tấn sản phẩm trong 1 ngày Xuất phát từ nhu cầu thực tế và ứng dụng công nghệ vi điều khiển các nhà khoa học đã nghiên cứu ra các loại cân điện tử hiện thị số có thể cân được trọng lượng từ mg cho đến hàng trăm tấn mà các loại cân cơ bình thường không thể thực hiện được. Trên thực tế các nhà máy sản xuất muốn biết khối lượng hàng hoá, sản phẩm hay nguyên vật liệu, và cả cho những lĩnh vực khác như bến cảng, trạm cân xe phát hiện quá tải của cảnh sát giao thông đều được sử dụng cân điện tử . Trong thời đại ngày nay các hệ thống điều khiển tự động ngày càng có vai trò quan trọng trong việc phát triển, sự tiến bộ của kĩ thuật công nghệ và văn minh hiện đại. Xuất phát từ thực tế đó em đã được phân công thực hiện đề tài “ Cân điện tử “. Đây là một loại đề tài khá mới mẻ đối với chúng em nhưng nhờ sự giúp đỡ tận tình của cô giáo NGUYỄN THỊ HOÀ cùng các thầy giáo trong khoa Điện- Điện tử đã giúp chúng em hoàn thành đồ án đúng với thời gian quy định. Nam Định, ngày 18 tháng 6 năm 2009 Em xin chân thành cảm ơn! §å ¸n m«n häc: Vi xö lý GVHD: Th.s NguyÔn ThÞ Hßa Phần I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI I. Lý do chọn đề tài: Ngày nay khoa học CN phát triển nhu cầu của con người ngày càng cao. Việc nghiên cứu khoa học ngày càng được đầu tư để đáp ứng nhu cầu đó, các ngành công nghệ kỹ thuật điện tử đã có sự phát triển vượt bậc đưa khoa hoc vào kỷ nguyên mới. Kỹ thuật vi xử lý vi điều khiển là một ứng dụng lớn của khoa học kỹ thuật vào cuộc sống phục vụ trực tiếp cho con người. Ví dụ: Lập trình cho vi xử lý vi điều khiển điều khiển mạch đèn giao thông, hệ thống quản lý mạng, các thiết bị điện tử dân dụng… Ở nhóm ngành Điện tử dân dụng thì vi xử lý vi điều khiển đã thâm nhập khá nhiều vào lĩnh vực này. Cân điện tử là một ứng dụng điển hình của vi xử lý vi điều khiển trong cuộc sống của con người: trong kinh doanh, trong chăm sóc sức khoẻ… Ban đầu cân chỉ đơn giản là những quả cân cơ học sau này khoa học dã phát triển cân không chỉ dừng lại ở đó mà nó đã được cải tiến thành những chiếc cân đa dạng có thể cân được khối lượng rất lớn hay những chiếc cân cân được những vật rất nhỏ như cân vàng…với độ chính xác cao. Với mong muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực này em dã chọn đề tài cân điện tử làm đề tài nghiên cứu đồ án. II. Mục đích: Tìm hiểu nguyên lý làm việc của cân điện tử. ứng dụng viết chương trình và giao tiếp với máy tính thành thạo. III. Đối tượng nghiên cứu: IC chuyển đổi tín hiệu tương tự – số, bộ khuếch đại thuật toán OP, Họ vi điều khiển 89C51, một số cảm biến trọng lượng Loadcell và các thiết bị hiển thị Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 2 §å ¸n m«n häc: Vi xö lý GVHD: Th.s NguyÔn ThÞ Hßa IV. Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống cấu trúc của vi điều khiển 89C51 vầ tập lệnh của nó, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Load cell, Phần II: NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Ban đầu cân chỉ là đôi bàn tay của con người dựa vào cảm giác để phân biệt vậy này và vật kia. Sau này cân phát triển lên nhờ nguyên tắc thăng bằng vật, một bên đặt vật lấy làm vật chuẩn và một bên đặt vật cần cân để so sánh lấy ra khối lượng vật cần cân. Và khi khoa học công nghệ phát triển đã đi sâu vào trong cuộc sống đem lại rất nhiều thành quả lớn trong việc phát triển cân một dụng cụ đo lường bước sang một trang mới. Cân điện tử ra đời thay thế hoàn toàn những chiếc cân cơ học thô sơ trước kia với tính năng sử dụng rộng rãi trong cuộc sống của con người, nó có thể cân được những vật hết sức nhỏ bé tới tận hàng mg, và cũng có thể cân được những vật có khối lượng rất lớn hàng tấn, trăm tấn mà trước kia không thể cân đo chính xác được. Trọng lượng là đại diện cho lực hút của trái đất với cơ thể con người và với các vật tồn tại xung quanh chúng ta. Trọng lượng là cơ sở cho sự phát triển ngành đo lường của thế giới, theo hệ SI đơn vị của trọng lượng hay khối lượng là: Gam, Kg, pound, … Hiện nay cân điện tử đã được sử dụng rộng rãi trong đời sống nhưng ít ai biết được rằng cân điện tử hoạt động dựa trên nguyên tắc nào? Chủ yếu các loại cân hiện nay đang được sử dụng là dựa trên sức căng của lò xo khi ta đặt cật cần cân lên bàn cân thì lò xo sẽ bị nén xuống và lấy ra sự thay đổi chiều dài hay sức căng của lò xo đưa vào bộ khuếch đại tín hiệu tương tự và đưa đến bộ chuyển đổi tín hiệu để ghép vói khối vi điều khiển trung tâm để xử lý lấy ra kết quả cuối cùng. Vậy sức căng là gì? Tính như thế nào? Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 3 §å ¸n m«n häc: Vi xư lý GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa Sửực caờng ε ủửụùc xaực ủũnh baống sửù thay ủoồi chiều daứi ∆L cuỷa thanh ủaứn hồi L so vụựi moọt ủụn vũ chiều daứi : ε = ∆L / L. Do taực ủoọng cuỷa lửùc vaứo thanh L, laứm xuaỏt hieọn sửực caờng, tửụng ửựng cuừng laứm thay ủoồi giaự trũ ủieọn trụỷ ủieọn cuỷa thanh. Caỷm bieỏn sửực caờng hoát ủoọng dửùa trẽn nguyẽn taộc naứy, cho pheựp bieỏn ủoồi giaự trũ ε nhoỷ thaứnh sửù thay ủoồi tửụng ửựng giaự trũ ủieọn trụỷ ủieọn cuỷa thanh. Để nhận biết được sự thay đổi rất nhỏ này của lò xo người ta sử dụng cảm biến sức căng. Thơng thường có 2 loại cảm biến về sức căng đó là: • Loái gaộn trửùc tieỏp trẽn cần ủaứn hồi cuỷa boọ ủo lửùc, ụỷ vũ trớ cần ủo sửực caờng. Khi lửùc taực ủoọng laứm caờng hoaởc cong cần ủaứn hồi , cuừng trửùc tieỏp laứm caờng caỷm bieỏn. Caỷm bieỏn gaộn trửùc tieỏp thửụứng ủửụùc sửỷ dúng ủeồ ủo sửực caờng tái nhửừng vũ trớ danh ủũnh trẽn bề maởùt cuỷa yeỏu toỏ ủaứn hồi. Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 4 §å ¸n m«n häc: Vi xư lý GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa • Loái giaựn tieỏp ủửụùc liẽn keỏt cụ hóc vụựi yeỏu toỏ ủaứn hồi, thửụứng sửỷ dúng ủeồ ủo nhửừng ủoọ leọch toồng coọng cuỷa yeỏu toỏ ủaứn hồi. Thửứa soỏ caỷm bieỏn sửực caờng G ủửụùc quy ủũnh laứ tyỷ soỏ cuỷa sửù bieỏn ủoồi ủụn vũ cuỷa ủieọn trụỷ so vụựi sửực caờng : G = (∆R / R) / (∆L / L) , trong ủoự : ∆R = sửù thay ủoồi cuỷa ủieọn trụỷ (Ω). R = ủieọn trụỷ cuỷa caỷm bieỏn sửực caờng (Ω). ∆L = sửù thay ủoồi chiều daứi (m) L = Chiều daứi cuỷa caỷm bieỏn (m) Vụựi caực caỷm bieỏn thõng dúng, caực ủái lửụùng trẽn coự giaự trũ nhử sau : - G = (2 - 4) , - Chiều daứi hieọu dúng L = (0.5 - 4) cm. - R = (50-5000) Ω Khi taực dúng moọt lửùc f lẽn tieỏt dieọn caột ngang A , ửựng suaỏt S = f/A (N/m 2 ). ễÛ thanh ủaứn hồi , tyỷ soỏ cuỷa ửựng suaỏt S trẽn sửực caờng ε laứ haống soỏ vaứ ủửụùc gói laứ modun ủaứn hồi: E = S / ε = constant. ẹoỏi vụựi thanh ủaứn hồi coự chiều daứy laứ h vaứ chiều roọng laứ b , coự caỷm bieỏn sửực caờng gaộn trửùc tieỏp trẽn bề maởt ụỷ vũ trớ caựch ủieồm lửùc taực ủoọng laứ L, ệựng suaỏt ủửụùc xaực ủũnh theo bieồu thửực : S = 6f.L / b.h 2 . Tửứ caực bieồu thửực trẽn, suy ra : ∆R/R = (6G.L / b.h 2 E).f Tửứ bieồu thửực roừ raứng coự moỏi quan heọ tuyeỏn tớnh giửừa lửùc taực ủoọng vaứ sửù thay ủoồi giaự trũ ủieọn trụỷ ủụn vũ cuỷa caỷm bieỏn. Baống pheựp ủo ∆R ta coự theồ xaực ủũnh ủoọ lụựn lửùc taực dúng. ẹoự chớnh laứ nguyẽn taộc hoát ủoọng cuỷa caỷm bieỏn sửực caờng. Caỷm bieỏn sửực caờng cho pheựp sửỷ dúng ủeồ ủo lửùc taực ủoọng do tróng lửụùng cuỷa vaọt trong caực baứi toaựn cãn. Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 5 §å ¸n m«n häc: Vi xö lý GVHD: Th.s NguyÔn ThÞ Hßa Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 6 Đồ án môn học: Vi xử lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Hòa Chng 2: S KHI 2.1. S khi cõn in t: Hỡnh 2.1: S khi cõn in t 2.2. Nhim v cỏc khi: 2.2.1 Khi cm bin trng lng: Cm bin trng lng (Load Cell) thng s duựng cam bien sc cang mac theo s o cau. Trong o s duựng hai cam bien sc cang R 1 va R 3 gan mat treừn. Hai cam bien sc cang khac R 2 , R 4 gan mat di. Khi khoừng co lực tac ong vao cam Sinh viên: Hoàng Thị Thu Hà Lớp: ĐL - ĐĐT2 7 Cm bin trng lng Khi K tớn hiu Phớm bm Khi chuyn i tớn hiu tng t s Khi x lý trung tõm Kh i hin th Khi ngun Đồ án môn học: Vi xử lý GVHD: Th.s Nguyễn Thị Hòa bien cac cam bien sc cang R 1-3 traựng thai vi sc cang caừn bang va ien the ra bang 0. Khi co lực tac ong, lam uon cong thanh an hoi, daún en viec tang sc cang cac cam bien R 1- 3 va giam sc cang cac cam bien R 2-4 Ket qua, ien tr R 1- 3 tang va R 2-4 giam, daún en lech cau va loi ra xuat hien ien the ty le vi lực tac ong. ien the nay se ực khuech aựi ti gia tr can thiet a vo khi K tớn hiu tng t s. 2.2.2. Khi khuch i tớn hiu: Cú nhim v khuch i tớn hiu tng t cú ln phự hp vi u vo ca b bin i tng t s. 2.2.3 Khi chuyn i tớn hiu tng t s (ADC): Cú nhim v chuyn i tớn hiu tng t cú ln phự hp mch khuch i tớn hiu a ti, ly tớn hiu u ra l tớn hiu s a vo khi x lý trung tõm. Mch bin i ADC gm b phn trung tõm l mt mch so sỏnh. in th tng t cha bit V(a) ỏp vo mt ngó vo ca mch so sỏnh, cũn ngó vo kia ni vi mt in th tham chiu thay i theo thi gian Vr(t). Khi chuyn i in th tham chiu tng theo thi gian cho n khi bng hoc gn bng vi in th tng t. Lỳc ú mch to mó s ra cú giỏ tr ng vi in th vo cha bit. Thụng thng chỳng ta thng s dng IC chuyn i 0809 2.2.4. Khi x lý trung tõm: Trung tõm x lý tớn hiu s, x lớ tớn hiu t ADC chuyn n ng vi chng trỡnh c vit bờn trong ca vi iu khin. Thụng thng s dng 8051. Sinh viên: Hoàng Thị Thu Hà Lớp: ĐL - ĐĐT2 8 §å ¸n m«n häc: Vi xö lý GVHD: Th.s NguyÔn ThÞ Hßa 2.2.5. Khối hiển thị: Hiển thị tín hiệu đầu ra cho ta biết trọng lượng của vật cần cân, thường người ta hay sử dụng LCD, Led 2.2.6. Khối nguồn: Cung cấp nguồi nuôi cho toàn máy, thường sử dụng các bộ biến đổi nguồn từ nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều. Bao gồm nguồn 5V,12,V…. 2.2.7. Hệ thống phim bấm: Hệ thống phím bấm để giao tiếp với bộ xử lý trung tâm và bên ngoài. Thông thường cân có 4 phím bấm như: Call, on/off, print dể giao tiếp với bên ngoài. Call: gọi và so sánh khi cần đưa giá trị khác vào để cân . ON/OFF: bắt đầu và kết thúc quá trình cân. Print: in kết quả Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 9 §å ¸n m«n häc: Vi xö lý GVHD: Th.s NguyÔn ThÞ Hßa Chương 3. GIỚI THIỆU VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN 3.1 Tổng quan về họ 8051. Trong mục này chúng ta xem xét một số thành viên khác nhau của họ bộ vi điều khiển 8051 và các đặc điểm bên trong của chúng. Đồng thời ta điểm qua một số nhà sản xuất khác nhau và các sản phẩm của họ có trên thị trường. 3.1.1 Tóm tắt về lịch sử của 8051. Vào năm 1981. Hãng Intel giới thiệu một số bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit (xem hình 1.2). Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp. Điều này sẽ được bàn chi tiết hơn sau này. 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã lại tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ Líp: §L - §§T2 10 [...]... phận trung tâm là một mạch so sánh Điện thế tương tự chưa biết V(a) áp vào một ngã vào của mạch so sánh, còn ngã vào kia nối với một điện thế tham chiếu thay đổi theo thời gian Vr(t) Khi chuyển đổi điện thế tham chiếu tăng theo thời gian cho đến khi bằng hoặc gần bằng với điện thế tương tự Lúc đó mạch tạo mã số ra có giá trị ứng với điện thế vào chưa biết Mạch đổi dùng điện thế tham chiếu nấc thang Sinh... danh định, điện áp ra danh định Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 35 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý (giá trị này có thể là từ 2 miliVolt/ Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được q tải (Với giá trị điện áp ra danh định là 2mili Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra... nhau Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo u cầu ứng dụng riêng Ngồi bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại loadcell còn có thêm thiết bị bảo vệ q tải có thể là các lò xo Chương 4: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 4.1 Tính chọn linh kiện: u cầu: - Thiết kế cân điện tử có phạm vi cân (0-3)kg - Hiển thị trên LCD 4.1.1.Khối vi xử lý: Trong mạch này chúng ta chọn họ 8051.Để cho vi điều khiển... lập điện áp tham chiếu Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 24 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý Hình 3.4: Cấu trúc bên trong Vref/2 (V) Hở 2 1.5 1.28 1 0.5 Vref+/Vref- (V) 0-5 0-4 0-3 0-2.56 0-2 0-1 Kích thước bước (mv) 19.53 15.62 11.71 10 7.81 3.90 Bảng 3.8: Bảng quan hệ điện áp giữa Vref(+) và Vref (-)(Mass) *Ý nghĩa : Khi chân Vref- nối xuống mass còn chân Vref+ được nối với điện. .. nên mặc dù ADC 0804 là linh kiện có những ưu điểm hơn so với ADC 0809 như : Có bộ dao động riêng bên trong do vậy chỉ cần nối thêm điện trở khoảng 10 khz, và tụ điện khoảng 150 pF là sẽ tạo nên bộ dao động có tần số khoảng 600 KHz, và thời gian chuyển đổi là 110 us Trong đề tài chỉ sử dụng 1 đầu vào cảm biến nên rõ ràng ADC 0804 sẽ tiết kiệm hơn vì nó chỉ có 1 đầu vào cảm biến còn ADC 0809 có những... tháI đầu ra Các trường hợp còn lại tương tự * Kích thước bước (độ phân giải ) là sự thay đổi nhỏ nhất của đầu vào mà ADC có thể phân biệt được * Vref+/Vref- : Điện áp tham chiếu thường thì Vref- được nối xuống mass còn Vref+ thì được đấu vào một mức điện áp tham chiếu nào đó Chân 13 : Chân GND ( mass ) Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 25 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý Chân 2.1... tiếp Nguồn ngắt 2 32 3 32 2 32 1 6 1 8 1 6 Bảng 3.3: So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051 Như nhìn thấy từ bảng 1.4 thì 8051 là tập con của 8052 Do vậy tất cả mọi chương trình viết cho 8051 đều chạy trên 8052 nhưng điều ngược lại là khơng đúng b- Bộ vi điều khiển 8031: Một thành viên khác nữa của 8051 là chíp 8031 Chíp này thường được coi như là 8051 khơng có ROM trên chíp vì nó có OK byte... giá trị ứng với điện thế vào chưa biết Mạch đổi dùng điện thế tham chiếu nấc thang Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 26 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý Hình 3.5: Mạch đổi dùng điện thế tham chiếu nấc thang Mạch đổi gần đúng kế tiếp Hình 3.6: Mạch đổi gần đúng kế tiếp Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 27 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý Mạch đổi dùng tín... sự chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số của ADC Hình 3.10: Giản đồ thời gian Sơ đồ chuyển hóa tín hiệu Mạch đổi lấy tích phân Mạch kiểm tra ADC 0809 ở chế độ chạy tự do ( các nhà sản xuất thường khuyến cáo người sử dụng nên sử dụng mạch này trước khi lắp mạch chạy thực tế) Sinh viªn: Hoµng ThÞ Thu Hµ 30 Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý Hình 3.11: Q trình chuyển hố tín hiệu... H Ị U L Ư ÏC 34 T R U ÏC T R U Y E ÀN L Ư ÏC Líp: §L - §§T2 GVHD: Th.s Ngun ThÞ Hßa §å ¸n m«n häc: Vi xư lý lửùc taực ủoọng lửùc taực ủoọng R1 +V R2 LOAD CELL R4 -V A M P L IF IE R OUT R3 Hình: Sơ đồ điện của cảm biến Loadcell Khi khõng coự lửùc taực ủoọng vaứo caỷm bieỏn, caực caỷm bieỏn sửực caờng R1-4 ụỷ tráng thaựi vụựi sửực caờng cãn baống vaứ ủieọn theỏ ra baống 0 Khi coự lửùc taực ủoọng, laứm . rất lớn hay những chiếc cân cân được những vật rất nhỏ như cân vàng…với độ chính xác cao. Với mong muốn góp phần nhỏ vào lĩnh vực này em dã chọn đề tài cân điện tử làm đề tài nghiên cứu đồ án. II thực hiện đề tài “ Cân điện tử “. Đây là một loại đề tài khá mới mẻ đối với chúng em nhưng nhờ sự giúp đỡ tận tình của cô giáo NGUYỄN THỊ HOÀ cùng các thầy giáo trong khoa Điện- Điện tử đã. sức khoẻ… Ban đầu cân chỉ đơn giản là những quả cân cơ học sau này khoa học dã phát triển cân không chỉ dừng lại ở đó mà nó đã được cải tiến thành những chiếc cân đa dạng có thể cân được khối lượng