Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS

Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC 6

1.1 Khái niệm chung 6

1.2 Các phương pháp đo lực 6

1.2.1 Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng 6

1.2.2 Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển 14

1.3 Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế 17

1.3.1 Một số loadcell thông dụng 17

1.3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản 18

1.3.3 Ứng dụng của loadcell 19

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 21

2.1 Yêu cầu, nội dung 21

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo 21

2.2 Lựa chọn thiết bị 23

2.2.1 Vi xử lý trung tâm 23

2.2.2 Cảm biến Siwarex R 26

2.2.2.1 Giới thiệu chung 26

2.2.2.2 Một số họ của Siwarex R Loadcell 26

2.2.3 Sử dụng ADC nội của Atmega16 28

2.3.1 Khối nguồn 31

2.3.2 Khối khuếch đại (sử dụng INA125) 33

2.3.3 Khối hiển thị LCD 34

2.3.4 Khối giao tiếp máy tính 35

2.3.6 Bàn phím 38

2.3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in 39

2.4 Thiết kế phần mềm 40

2.4.1 Lập trình cho vi điều khiển AVR 40

2.4.1.1 Lưu đồ thuật toán 40

2.4.1.2 Giới thiệu phần mềm và ngôn ngữ lập trình Codevision 41

2.4.2 Lập trình giao diện trên máy tính 42

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 49

3.1 Kết quả thực nghiệm: 49

3.2 Đánh giá sai số 50

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N) 7

Hình 1.2 Ví dụ loadcell xuyến (cảm biến đo lực nhỏ) ( <103N ) 7

Hình 1.3 Một số loại tenzo 8

Hình 1.4 Thân cảm biến 12

Hình 1.5a Cảm biến tự do trọng lượng 14

Hình 1.5b Cảm ứng áp từ thay đổi đường dạng thể dưới tác dụng của biến dạng lực chính xác 14

Hình1.6 Lực kế bằng dẫn kéo 15

Hình 1.7 Lực kế bằng dẫn nén 15

Hình1.8 Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở 15

Hình1.9 Sơ đồ hỗ cảm vi sai 16

Hình1.10a Một số loại loadcell thông dụng 17

Hình1.10b Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli 18

Hình1.10c Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo 18

Hình 1.11 Cân kĩ thuật 19

Hình 1.12 Cân xe tải 20

Hình 1.13 Ứng dụng của loadcell trong cầu đường 20

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc Atmega16 23

Hình 2.2 Sơ đồ chân Atmega 16 25

Hình 2.3 Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell 26

Hình 2.4 Sơ đồ khối của ADC 29

Hình 2.5 Giản đồ thời gian chuyển đổi của ADC 30

Hình 2.6 Sai số offset 30

Hình 2.7 Sai số khuếch đại 31

Hình 2.8a Sơ đồ khối tạo nguồn +5V 32

Hình 2.8b Sơ đồ khối tạo nguồn -9V 32

Hình 2.9 Sơ đồ khối khuếch đại 33

Hình 2.10 Ví dụ LCD 34

Hình 2.11 Sơ đồ khối Max485 36

Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ USART 38

Hình 2.13 Sơ đồ bàn phím 4x4 39

Hình 2.14 Sơ đồ mạch in 39

Hình 2.15 Giới thiệu phần mềm lập trình codevision 42

Hình 2.16 Khởi tạo các Port vào ra, LCD, UART 42

Hình 2.17 Đăng nhập hệ thống 43

Hình 2.18 Giao diện chính 44

Hình 2.19 Form tìm kiếm 45

Hình 3.1 Mạch sau khi đã hoàn thiện 49

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sản xuất, dù là công nghiệp hay nông nghiệp để xác định được khối lượngcủa một vật là vô cùng cần thiết Từ xa xưa, ông cha ta đã biết so sánh khối lượng cầnbiết với một vật mẫu Trước kia chúng ta có các hệ thống đo khối lượng dùng đốitrọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng các loại cân này rất cồng kềnh

và độ chính xác không cao Ngày nay, các quá trình hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có

độ chính xác rất cao trong việc đo lường của thiết bị Vấn đề công nghệ đo phù hợp,hiển thị chính xác các thông số đo lường hiện là vấn đề đang được rất nhiều các kỹ sư

tích hợp đo lường và điều khiển quan tâm Lý do trên, TS Nguyễn Thị Lan Hương

đã giao cho chúng em đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế xây dựng hệ thống cânđịnh lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS”

Đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho mỗi sinh viên một lần nữa kiểm tra và đánh giá lạikiến thức mà mình đã học được sau những năm trên ghế nhà trường, trước khi bướcvào làm việc ngoài xã hội Trong quá trình thực tập và làm đồ án, chúng em đã được

cô TS Nguyễn Thị Lan Hương và KS Nguyễn Hoài Nam hướng dẫn, chỉ bảo tận

tình để chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình

Đồ án gồm các phần:

Lời nói đầu

Chương 1: Khái niệm chung về đo lực

Chương 2: Thiết kế hệ thống

Chương 3: Kết quả thực nghiệm và đánh giá sai số

Kết luận và hướng phát triển

Do sự eo hẹp về thời gian, do sự hiểu biết hạn chế của bản thân, mặc dù chúng

em đã rất cố gắng nhưng bản đồ án này còn nhiều thiếu sót Chúng em rất mong nhậnđược nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thày cô giáo, bạn bè và những ngườiquan tâm đến đề tài này

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC 1.1 Khái niệm chung

Phạm vi đo lực rất rộng, từ những giá trị rất nhỏ đến những giá trị lớn Từ phép

đo tĩnh mà các lực tác động là những đại lượng không đổi đến những xung lực tácdụng với tốc độ rất cao như sự va chạm sóng xung kích thực tế cho thấy có lực phải đo

có trị số từ 106 ÷108 N, nhưng có khi cần đo lực rất nhỏ 10-5 ÷10-12N, như vậy khoảng

đo có thể từ 10-12 ÷ 108 N, tức là phạm vi đo D = 1020 Không có một thiết bị nào có thể

đo được lực trong dải đo như vậy, ngay cả thiết bị đo hiện đại nhất, phạm vi đo cũngkhông vượt quá D=104

Người ta chia lực thành nhiều dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng cácphương pháp và các thiết bị khác nhau Đặc biệt ở dải đo thấp 10-5N trở xuống phảidùng các phương pháp đặc biệt để đảm bảo độ chính xác yêu cầu

Đo lực có thể dùng các loại chuyển đổi khác nhau với các phương pháp khácnhau, thông thường có hai phương pháp đo

Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có hai đạilượng vào tương ứng với các lực cần đo Đại lượng ra được biến thành các tín hiệuđiện các thông số điện Mạch đo và chỉ thị cho kết quả đo không thông qua hệ dẫntruyền trung gian Phương pháp đo gián tiếp, trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các

hệ dẫn truyền, biến lực thành di chuyển Các chuyển đổi đo các lượng di chuyển từ đósuy ra đại lượng cần đo

Hai phương pháp trên được sử dụng rộng rãi, sử dụng phương pháp nào là tuỳthuộc vào yêu cầu và nhiệm vụ thực hiện chúng

Mạch đo thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuyếch đại và chỉnh lưu.Chỉ thị là các dụng cụ chỉ thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số

1.2 Các phương pháp đo lực

1.2.1 Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng

Trong loại lực kế này, lực tác dụng F gây ra ứng suất và biến dạng, sau đó biếndạng được biến thành điện áp hoặc tần số

Đây là loại cảm biến biến đổi thẳng, như vậy đòi hỏi các khâu liên đới phải cótính ổn định cao Muốn vậy vật liệu làm phần tử đàn hồi phải thật ổn định, phải đượcnhiệt luyện để cho tính lặp lại thật ổn định, giảm đến tối thiểu đặc tính trễ của vật liệuvới quá trình kéo nén và tăng nhiệt độ

Hình dạng cấu tạo của phần tử đàn hồi phụ thuộc vào lực cân đo:

a) Đối với lực kế đo lực lớn, cấu tạo của lực kế như sau:

2 1

140 325

Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>10 5 N)

1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biếnPhần tử đàn hồi có dạng hình trụ Do đó biến dạng được tính:

E là module đàn hồi của lõi thép (với thép Crom: E = 180 ÷ 220 KN/mm2 1là biến dạng được chọn trong phạm vi đàn hồi

Để có cài 2 nhánh hoạt động, phải dán lên phần tử đàn hồi 2 cảm biến đo biếndạng dọc theo chiều chịu lực của lực kế và 2 cảm biến vuông góc với góc bù nhiệt độ.b) Đối với lực nhỏ ta thường dùng phần tử đàn hồi kiểu hình xuyến ống

2 1

90

114

Hình 1.2 Ví dụ locell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) ( <103N )

1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biến 1

E



 

(1.2)Với σ là ứng suất học xuất hiện trong phần tử biến dạng khi có lực nén

c) Cảm biến đo biến dạng thường dùng là điện trở lực căng (tenzo)

Hình 1.3 Một số loại tenzo

Phân loại tenzo

Tenzo chia ra làm ba loại:

- Tenzo dây mảnh: dây có đường kính 0,02 0,03 mm được chế tạo bằng các vậtliệu : Nicrom, Constantan, hợp kim Platim-Iridi

- Tenzo lá mỏng được chế tạo từ một lá kim loại mỏng có chiều dày 0,004

Hay R f( 1)

Mặt khác ta biết: Rp.s l

Trong đó: s- tiết diện dây

l- chiều dài dây

p- điện trở suất của dây dẫn làm tenzo

Do đó: R R l ls s





Figure 01

Độ nhạy của tenzo: R 1 2 P

R

(1.5)Ứng suất cơ của chi tiết và dây dẫn chế tạo chuyển đổi không được vượt quá giới hạnđàn hồi vì điều đó có thể dẫn đến sự thay đổi đặc tính của nó

Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để kích thước của chuyểnđổi nhỏ

Độ nhạy của các tenzo dây mảnh khác độ nhạy của vật liệu chế tạo ra vì trongquá trình chế tạo răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo làm

độ nhạy giảm 2530% Muốn vậy phải tăng chiều dài tác dụng lo, mặt khác các phầnuốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của tenzo gây sai số trong quá trình đo

Hệ số nhiệt độ của tenzo khác hệ số nhiệt độ của đối tượng đo, khi nhiệt độ thay đổi,gây biến dạng phụ trong quá trình đo Các tenzo được dán lên đối tượng đo bằng cácloại keo dán đặc biệt.

Mạch đo

Dùng mạch cầu đo với nguồn cung cấp là nguồn: 1 chiều, xoay chiều, hay phân

áp Mạch cầu đo có thể là mạch cầu 1 nhánh, 2 nhánh hay 4 nhánh hoạt động

Mạch cầu đo một nhánh hoạt động

Tức là chỉ có một tenzo hoạt động Mạch này có nguồn cung cấp là Uo, điện áp raUT:

RT - Điện trở tenzo

R

 - Độ biến thiên tương đối của điện trở tenzo khi bị biến dạng

R1, R2, R3 -Điện trở mắc vào cầu đo

k- Độ nhạy của vật liệu làm tenzo

Ta chọn R2 =R3 =R4 = RTO = R với RTO - Điện trở tenzo khi chưa bị biến dạng

Điện trở tenzo RT biến thiên một lượng R và khi đó:

Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động

Là mạch cầu đo trong đó hai nhánh cầu đều được dán tenzo và cùng hoạt động.Mạch này có nguồn cung cấp là Uo, điện áp ra UT Khi điện áp ra của mạch cầu đo tănggấp hai lần:

2

O T

Sai số do nhiệt độ bị loại trừ

Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động

Cả bốn nhánh đều được dán tenzo, khi đó điện áp ra của mạch cầu đo là lớn nhất

và tăng gấp 4 lần so với trường hợp một nhánh hoạt động

Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tenzo:

Sai số và phạm vi ứng dụng: Sai số của thiết bị đo dùng Tenzo chủ yếu do độchính xác khắc độ của Tenzo Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc mà chúng đượcchế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ

Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác Sai số vềđiều này có thể đạt tới 1 – 5%

Khi chuẩn trực tiếp cảm biến với mạch đo sai số có thể giảm đến 0,2 – 0,5% khi

đo biến dạng tĩnh và 1 – 1,5% khi đo biến dạng động Ngoài ra còn có sai số biến dạng

dư của keo dán khi sấy khô, do sự dãn nở khác nhau giữa cảm biến và chi tiết dán.Các cảm biến loại này dùng để đo lực, áp suất, momen quay, gia tốc và các đạilượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn(1÷2)107 N/m2

Sai số vì dán:

Cảm biến điện trở có thể được dán trực tiếp lên đối tượng cần đo hoặc lên phần

tử biến dạng của cảm biến đo cần chế tạo Kết quả của quá trình dán được gọi là hoànhảo khi và chỉ khi cảm biến đo tiếp bám trung thành mọi biến dạng của đối tượng cần

đo hoặc của phần tử biến dạng trong cảm biến đo Ngược lại, nếu cảm biến đo khôngtiếp bám được biến dạng của vật thể cần đo thì khi ấy hiện tượng bò (trượt) xuất hiện

và gây nên sai số đo

Bằng quy trình và công nghệ dán hợp lý có thể loại trừ được ảnh hưởng của sai

số vì dán Quy trình và công nghệ dán phụ thuộc vào kinh nghiệm và thực nghiệm củachuyên gia trong lĩnh vực này Song điều cốt lõi là phải chọn keo, xử lý bề mặt hợp lý,

đặt cảm biến chính xác và phải tuân thủ quy trình tẩm phủ, sấy khô Khi chọn keo dántem cần phải hết sức lưu ý các yêu cầu sau:

- Mô đun đàn hồi của keo phải gần trùng với mô đun đàn hồi của vật liệu đượcdán cảm biến

- Sau khi dán, keo không thay đổi thể tích, không nứt rỗ, không bọt, không có bất

Với tác động của đầu vào là biến đổi nhiệt độ và đầu ra là biến đổi điện trở thì độnhạy của chuyển đổi này được tính theo định nghĩa là:

hệ số  với số mũ là 10-5 /0C, để tiện so sánh hãy lấy điện trở gốc của cảm biến vẫn là

100 Ohm Vậy độ nhạy của chuyển đổi do biến đổi nhiệt tác động ST sẽ có độ lớn với

số mũ là 10-3 Điều đó nói lên rằng: Độ nhạy của cảm biến do tác động của gia số biếnđổi nhiệt 1oC gây ra lớn gấp mười lần so vơí độ nhạy của cảm biến do tác động củaứng suất 1kG/cm2 gây ra trên tổ hợp cảm biến đo với phần tử biến dạng

b) Biến dạng có thể đo bằng cảm biến dây căng

Cấu tạo của cảm biến dây căng:

274.0000

56.0625

10 1

8 9

8,9- Vít chỉnh lực dây căng

1

2

e s e

E f

E là mô đun đàn hồi dây căng

S = tiết diện dây căng

J = mô men quán tính của dây căng

Khi dao động từ trường, dây căng cảm ứng ra sức điện động, gây ra dao độngđiện áp ở đường chéo cầu, điện áp này được khuếch đại và cung cấp cho cầu do biếndạng Đấy là một mạch phát có tần số f1 phụ thuộc ɛ1 tức vào lực F tác dụng lên phần

tử đàn hồi

Do ∆f1 = f1 – fo ta suy ra được F

Với f1 = tần số khi có tác động của lực F

∆f1 = f(F) được xác định từ công thức thực nghiệm dung để khắc độ lực kế

Quan hệ này không tuyến tính, t có thể bù đặc tính phi tuyến của lực kế bằngphương pháp tuyến tính hóa từng đoạn

e) Lực kế áp điện và áp từ

Gốm áp điện có thể coi là hộp cộng hưởng dung trong các mạch phát tần số, có

độ ổn định cao

Tần số này thay đổi theo biến dạng hay theo lực tác động lên 2 mặt của điện cực

Ta có thể dung cảm biến này để đo lực (cụ thể là đo áp suất: F=PS)

P - áp suất ; S là diện tích bề mặt cảm biến áp điện

∆f = f(F)Trong trường hợp này, ta phải loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số cộnghưởng của tần cảm biến và phải có mạch bù nhiệt độ

Ta cũng có thể đo áp suất qua hiệu ứng ngược áp điện: q = d1F

Với: q = điện tích ở cực của cảm biến

d1 = hằng số áp điện của cảm biến, theo chiều trục cơ

F = lực tác động lên mặt của cảm biến

Đối với phần tử áp từ cũng vậy Dưới tác dụng của lực tác dụng, từ thẩm của vậtliệu áp từ thay đổi làm thay đổi điện cảm hoặc hỗ cảm của cuộn dây

Biến thiên điên cảm hoặc hỗ cảm có thể dung trong sơ đồ cầu hay biến áp vi saithành điện áp:

Cảm biến có đường đặc tính trễ lớn nên tính ổn định thấp

Bảng 1: Mô đun đàn hồi của một số vật liệu

1.2.2 Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển

Một phần tử hay một dầm đàn hồi, lúc chịu tác dụng của một lực, sẽ có biến dạng

Đây là một hình thức khác của sự biến dạng, nhưng có những thuận lợi hơn là cóthể nghiên cứu các kết cấu gây ra biến dạng ổn định và có giá trị lớn hơn bản thân biếndạng, nâng cao khả năng phân ly của thiết bị.

Hình1.8 Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở

b) Đo di chuyển:

Cơ cấu đàn hồi biến lực thành di chuyển bây giờ phải bố trí để đo di chuyển này,với độ chính xác cao Cảm biến thường dung ở đây là cảm biến điện cảm, có độ nhạycao, phân ly lớn, Cảm biến được gắn cuộn dây phần đỉnh lên điểm cố định ngoài dầm,lõi thép di chuyển được gắn vào dầm và có thể chuyển động trong cuộn dây phần tĩnh,

Hình1.9 Sơ đồ hỗ cảm vi sai

Ta có:

1 2 2

∆V = ∆MωJk (1.15)Trong đó: ∆M = biến thiên hỗ cảm lúc lõi thép di chuyển

ω = tần số nguồn cimh cấp

Ik = dòng kích từ sơ cấp

∆M = f(δ))

Như vậy ∆U = g(δ))

Quan hệ này không tuyến tính cho nên phải bố trí bù sai số phi tuyến

F

L1 L2

δ

1.3 Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế

Bản chất phần tử cân định lượng là đo lực đã được trình bày ở chương trên.Chương này chỉ trình bày những phần tử thương phẩm và ứng dụng trong thực tế

1.3.1 Một số loadcell thông dụng

Hình 1.100a Một số loại loadcell thông dụng

Hình 1.110b Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli

Hình 1.120c Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo

1.3.2 Thông số kỹ thuật cơ bản

- Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo Độ chính xác phụthuộc vào tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà loadcell có thể đo được

- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra loadcell được bù vào Nếu nằmngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kỹ thuật đãđược đưa ra

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP (Ví dụ: IP65: chống được độ ẩm vàbụi).

- Điện áp cung cấp: giá trị điện áp làm việc của loadcell (thông thường đưa ra giátrị nhỏ nhất và lớn nhất Ví dụ: 5÷15V)

- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả Thườngđược đưa ra dưới dạng % của tải trọng

- Trở kháng đầu vào

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V Giá trị cách điện giữalớp vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối dòng điện

- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng

- Giá trị đầu ra: kết quả đo được (đơn vị: mV)

- Trở kháng đầu ra: Cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và Ex- trongđiều kiện loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải

- Quá tải an toàn: là công suất mà loadcell có thể vượt qua

- Hệ số tác động của nhiệt độ: đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổicông suất của loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ (ví dụ: 0.01%/10oC: nghĩa là nếu nhiệt

độ tăng thêm 10oC thì công suất đầy tải của loadcell tăng thêm 0.01%)

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống hệ số tác động của nhiệt độ nhưng

Cân xe tải là cân động Để cân được một vật có trọng tải lớn và đang di chuyểnyêu cầu đầu đọc loadcell phải có độ chính xác và độ bền cao.

Hình 1.12 Cân xe tải

Một số ứng dụng khác:

- Trong ngành công nghệ cao:

Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại loadcell cỡ nhỏ cũng đượccải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn Như hình minh hoạ, loại loadcellnày được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác độngvào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên

- Ứng dụng trong cầu đường:

Các loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcellđược lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trongcác điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau Các dữ liệu thu được sẽ được gửiđến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bịtruy xuất như điện thoại, máy tính, LCD Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu

Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời

Hình 1.13 Ứng dụng của loadcell trong cầu đường

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Yêu cầu, nội dung

Thiết kế hệ thu thập số liệu đo, ghép nối và truyền thông với máy tính

Thông số kỹ thuật chính:

2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo

Hệ thống có sơ đồ như sau:

MẠCH CẦU

KHUẾCH ĐẠI

NGUỒN KÍCH CHO CẦU &Vref (5V DC)

NGUỒN VXL (5V DC)

VI XỬ LÝ

ADC 10bit

MẠCH GIAO TIẾP MÁY TÍNH (RS485)

PCPHÍM

CHỈNH 0

Hoạt động của hệ thống:

Cảm biến gồm 4 tenzo được nối với nhau thành một mạch cầu Khi không có lựctác động, mạch cầu này ở trạng thái cân bằng, điện áp ra bằng 0 Khi có đối đượng đođặt lên, lực sẽ tác động làm thay đổi chiều dài của tenzo Bên trong cảm biến lúc nàymạch cầu sẽ bị lệch và sẽ tạo ra điện áp Tuy nhiên, điện áp này rất nhỏ, ADC khôngthể đọc được Vì vậy cần phải đưa qua một khâu khuếch đại trước khi đưa vào ADC

Từ giá trị điện áp sau khi qua ADC10 bit sẽ chuyển thành giá trị số 0 ÷ 1024 Từ giátrị số này sẽ được quy đổi ra khối lượng, sau đó hiển thị lên LCD và truyền lên máytính

Nguồn cấp cho cầu đồng thời cũng là nguồn cấp cho Vref của ADC vì vậy sẽ giảmđược sai số

.

4

cc x

r

U N

RR

2.2 Lựa chọn thiết bị

2.2.1 Vi xử lý trung tâm

ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thực hiệnmỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz)

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc Atmega16

Tính năng của họ AVR :

- Giao tiếp SPI đồng bộ

- Các đường dẫn vào/ra (I/0) lập trình được

- Giao tiếp I2C

- Bộ biến đổi ADC 10 bit

- Các kênh băm xung PWM

- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv

- Giao tiếp USART vv

Atmelga 16 có đầy đủ tính năng của họ AVR:

- Giao tiếp SPI

- Giao tiếp I2C

- Có 8 kênh ADC 10 bit

- 1 bộ so sánh analog

- 4 kênh PWM

- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ Timer/counter 16 bit

- 1 bộ định thời Watchdog

- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được

Atmega16 là hệ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ năng lượng ít dựa trên kiến trúcRISC Bằng cách thực hiện các lệnh mạng trong 1 chu kỳ xung nhịp, Atemega16 đạtđược tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu lệnh / giây với tần số 1MHz cho phép ngườithiết kế hệ thống tối ưu mức tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý

Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng, tất cả 32thanh ghi này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanhghi độc lập được truy cập bằng 1 lệnh đơn lẻ trong 1 chu kì xung nhịp Kết quả là tốc

độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường

Hình 2.14 Sơ đồ chân Atmega 16

Mô tả các chân :

- Vcc và GND là 2 chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động

- Port A,B,C,D: là các cổng vào ra 8 bit, các chân của cổng có điện trở nối lênnguồn dương Các chân ra của cổng cho phép dòng đi qua Khi các chân là ngõ vào vàđược đặt xuống mức thấp ở bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lênnguồn dương được kích hoạt Các chân Port A,B,C,D là 3 trạng thái khi tín hiệu reset

ở mức tích cực ngay cả khi xung nhịp không hoạt động Riêng Port A còn có chứcnăng là các ngõ ra tương tự và đưa đến bộ chuyển đổi AD

- Reset đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống

- 2 chân Xtal1, Xtal2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân nàyđược nối với thạch anh, tụ gốm

- Chân Vref thường nối lên 5v(Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sửdụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định Có thể sửdụng diode zener

- Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này nốiqua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi

- ICP1 là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ timer/counter 1

- OC1B là chân ra PWM, ngõ so sánh của timer/counter1

- ALE là chân tín hiệu cho phép chứa địa chỉ được dùng để truy cập bộ nhớ ngoài

2.2.2 Cảm biến Siwarex R

(Trong phòng thí nghiệm đã có sẵn)

2.2.2.1 Giới thiệu chung

Siwarex R là loại cảm biến đo trọng lượng dùng điện trở lực căng (hay còn đượcgọi là Straingauges hoặc Piezoresistive) Chúng được dùng để đo các đại lượng đolường như: khối lượng động, khối lượng tĩnh

- Siwarex R Loadcell rất đa dạng về chủng loại với dải đo từ 0 ÷ 280 tấn Với dải

đo này Siwarex R cho phép đo hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp

- Đối với mỗi họ Siwarex R có một dải đo nhất định

- Sử dụng thành phần thép tinh khiết có mật độ chống oxy hóa cao

- Dễ dàng kết hợp với các module, dễ dàng lắp ghép và tháo rời

- Các họ chính của Loadcell Siwarex R gồm: CC, K, RN, BB, SB

2.2.2.2 Một số họ của Siwarex R Loadcell

Hình 2.15 Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell

Nhóm CC, K, RN: Điện trở Straingauges dán trên thanh giá đỡ là một thanh dánđặc biệt, có khả năng đàn hồi, tức là có khả năng trả lại vị trí cũ khi không chịu tácdụng của lực (Self-aligning bearing).

Các thông số của họ Siwarex R:

Cảm biến tại phòng thí nghiệm thuộc họ BB

Nguyên lý của Siwarex R BB serials:

Nguyên lý: Khi lực tác dụng vào phần động của cầu làm cho lõi thép biến dạng,các điện trở Tenzo phía trên bị giãn ra làm cho điện trở của chúng tăng lên, các điện

trở Tenzo phía dưới co lại làm cho điện trở của chúng giảm đi Với các đấu các tenzotrong cầu theo kiểu không đối xứng làm cho độ nhạy của cầu tăng lên.

Lợi dụng đặc tính này mà trong hệ truyền lực sửa dụng loadcell, ta có thể tínhtheo bài toán lực tĩnh, toàn bộ lực sẽ đặt lên các loadcell không bị tản mát, tạo nên độchính xác cao của phép đo

Nếu như ta đưa một điện áp chuẩn, không đổi vào hai đầu của một nhánh cầu, thì

ở hai đầu nhánh cầu còn lại ra sẽ thu được một điện áp ra tỷ lệ với lực tác dụng cần đo

Cảm biến có các thông số sau:

- Điện trở đầu vào: 460Ω ± 50Ω

- Điện trở đầu ra: 350Ω ± 35Ω

- Điện trở cách điện ≥ 5000 MΩ

- Điện trở của cảm biến: 350Ω

2.2.3 Sử dụng ADC nội của Atmega16

Tính năng của ADC:

- Độ phân giải 10 bit

- Mức độ lượng tử 0.5 LSB

- Sai số tuyệt đối 2 LSB

- Thời gian chuyển đổi 13 ÷ 260ns

- Lên đến 15kSPS ở độ phân giải tối đa

- 8 kênh vào đơn cực

- 7 kênh vào vi sai

- 2 kênh vào vi sai với hệ khuếch đại có thể lựa chọn 10x và 20x

- Tầm điện áp vào 0 ÷ Vcc

- Điện áp chuẩn 2.56V cho ADC sẵn để lựa chọn

Atmega16 có ADC xấp xỉ liên tiếp 10 bit ADC được nối với bộ dồn kênh 8 ngõ vào,

nó cho phép 8 điện áp ngõ vào đơn cực từ các chân Port A Các ngõ vào đơn cực được

so sánh với 0V (GND)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của ADC

Hoạt động:

ADC chuyển giá trị điện áp Analog vào sang giá trị số 10 bit bằng phương thứcxấp xỉ liên tiếp Giá trị nhỏ nhất tương ứng với GND và giá trị lớn nhất tương ứng vớiđiện áp trên AREF trừ đi 1 LSB Bằng việc thay đổi giá trị các bit REFSn trong thanhghi ADMUX, ta có thể chọn AVCC hay điện nguồn chuẩn 2.56V bên trong hoặc điện

áp tham chiếu bên ngoài nối đến AREF của ADC

Hình 2.5 Giản đồ thời gian chuyển đổi của ADC

Độ chính xác của ADC:

ADC chuyển đổi điện áp trong tầm từ GND đến VREF trong 2n bước Giá trịchuyển đổi nhỏ nhất là 0 và lớn nhất là 2n - 1

Một vài thông số mô tả sự sai lệch so với giá trị lý tưởng:

- Offset: Độ lệch của lần chuyển đổi đầu tiên (0x0000 ÷ 0x0001) là 0.5 LSB

Hình 2.6 Sai số offset