thiết kế và thi công cân điện tử

Chương 1:Dẫn nhập CHƯƠNG 1 : DẪN NHẬP 1.1 Lý do chọn đề tài: Gần nửa thế kỷ qua, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực điện tử cũng đã có những tiến bộ vượt bậc góp phần không nhỏ phục vụ vào mọi mặt của đời sống trong công nghiệp cũng như trong dân dụng. Sự phát triển của công nghệ mạch tích hợp (chế tạo các IC) cùng với sự ra đời của kỹ thuật số càng làm tăng tầm ảnh hưởng của kỹ thuật điện tử. Năm 1971, với sự ra đời của vi xử lý đã làm cho kỹ thuật số phát triển nhảy vọt đồng thời những ứng dụng của nó trong cuộc sống cũng ngày càng đa dạng hơn. Sự ra đời của các vi mạch lập trình như Vi điều khiển, Vi xử lý, Vi mạch số lập trình …. đã tạo ra một bước ngoặt trong lĩnh vực điều khiển. Chúng làm cho lĩnh vực điều khiển bằng cơ khí thô sơ có độ chính xác và an toàn kém được thế bằng những thiết bị điều khiển tự động với độ chính xác cao hơn, an toàn hơn. Nhờ đó, năng suất lao động cũng không ngừng được nâng cao. Trong đời sống hằng ngày, Vi xử lý điều khiển được ứng dụng vào các thiết bị dân dụng như ti vi, máy điều hòa nhiệt độ, lò vi ba, máy giặt … Qua đó làm các thiết bị này trở nên đa chức năng hơn, dễ dàng sử dụng hơn, tiện nghi hơn . Với những ứng dụng rộng rãi như trên, thiết nghĩ việc tìm hiểu về Vi điều khiển và những ứng dụng của nó là rất cần thiết. Trong khuôn khổ hạn hẹp của đề tài, nhóm sinh viên chỉ tìm hiểu một ứng dụng nhỏ của Vi điều khiển đó là thiết kế và thi công cân điện tử. 1.2 Mục đích nghiên cứu : Mục đich trước hết khi thực hiện đè tai này là hoàn tất chương trình môn học, đủ điều kiệ ra trường. • Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài này là chúng em muốn phát huy thành quả ứng dụng của vi điều khiển nhằm tạo ra sản phẩm. Những thiết bị ứng dụng bị tiên tiến hơn và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn. GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 1:Dẫn nhập • Mặt khác tập luận văn này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho ngững sinh viên khóa sau.Giúp họ hiểu rõ hơn về nhữ ứng dụng của vi điều khiển. • Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đè tài là một cơ hội để chúng em tự kiểm tra lại những kiến thức đã học ở trường, đòng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn đè theo yêu cầu đặt ra. Và đây cũng là dịp để chúng em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sản xuất của xã hội. 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: Đồ án tốt nghiệp thực chất là quá trình tổng kết những kiến thức mà sinh viên đã tích lũy được trong suốt quá trình học tập tại trường để từ đó có sự đánh giá chính xác nhất. Do đó việc xác định rõ đối tượng cần nghiên cứu của đề tài là một việc làm hết sức quan trọng. Vì vậy nhóm sinh viên xác định đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài này là: Vi điều khiển AT89S52, loadcell, ADC, LCD và viết chương trình. Mạch khuếch đại tín hiệu từ loadcell sử dụng Opamp. Mạch giao tiếp ADC, LCD với vi điều khiển. Mạch nguồn cung cấp ±5V, ±12V. 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện và thời gian có hạn nên nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết một số vấn đề sau: Tìm hiểu cơ bản về vi điều khiển pic 16f877a. Tìm hiểu cơ bản về loadcell, ADC 7109, LCD 16*2 Thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng Opamp. Hiển thị trên LCD. Đề tài không giải quyết được những vấn đề sau: Chưa giao tiếp với cái thiết bị khác như máy vi tính. GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 1:Dẫn nhập 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài : 1.4.1 Ý nghĩa khoa học : Qua đề tài này, nhóm thực hiện nắm được các vấn đề sau: Hiểu được phần nào vi điều khiển pic 16f877a Hiểu được phương thức hoạt động của ADC , loadcell. Hiểu được cách xử lý tín hiệu tương tự, tín hiệu số. 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài sau khi thi công xong có thể; Cân được khối lượng vật tối đa 5kg, sai số 1gram. Làm mô hình học tập 1.5 Tình hình nghiên cứu: Hiện nay trong thực tế các cân điện tử sử dụng EPROM, có khả năng giao tiếp với máy vi tính. GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL 2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT LOADCELL: Bộ phận chính của Loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Có hai loại điện trở dán dùng để cảm biến lực dịch chuyển: loại liên kết (bonded) và loại không liên kết (unbonded). Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định trên bề mặt của bộ phận đàn hồi. Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm cần đo biến dạng của vật đàn hồi. Biến dạng này được truyền trực tiếp vào tấm điện trở và làm nó thay đổi giá trị điện trở tương ứng. Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di động nhỏ. Một lượng di động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay đổi điện trở làm cảm biến. Lượng di động cũng thường được tạo nên bằng lực tác động vào một bộ phận đàn hồi. Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của bộ phận đàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định trên bề mặt của bộ phận đàn hồi. Từ biểu thức: S L R ρ = Lấy vi phân hai vế ta được : S dS L dLd R dR −+= ρ ρ Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở GVHD: Đỗ Đức Tuấn 4 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell (D là đường kính dây) suy ra: 4 2 D S π = L là chiều dài của dây. Như vậy : D dD S dS 2 = L Ld R R ∆ ++= ∆ )21( ν ρ ρ Trong đó R R∆ là tỷ số thay đổi điện trở, L L∆ là sự thay đổi chiều dài trên chiều dài của tấm điện trở , ν là hằng số Poisson được tính bởi: L L D D ∆ ∆ −= ν Dấu trừ “-“ ở đây mang ý nghĩa là một vật khi bị biến dạng nếu tăng theo chiều dài thì sẽ giảm đi chiều ngang (ở đây là đường kính) và ngược lại. Để có được ý nghĩa về so sánh phẩm chất, người ta còn định nghĩa độ nhạy của ứng suất là gage factor được tính bằng tỷ số của thay đổi điện trở và biến dạng như sau: Thông thường các giá trị trên nằm trong khoảng G = 2÷4; L = 0,5÷4 cm; R= 50÷1000 Ω L L R R G ∆ ∆ = Dựa vào các công thức tính ứng suất của bộ phận đàn hồi được xác định bằng tỷ lệ giữa lực (P) trên một đơn vị diện tích (A) : ( ) 2 / mN A P = σ GVHD: Đỗ Đức Tuấn 5 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell Modul đàn hồi là một hằng số xác định bởi tỷ số của ứng suất trên một lượng biến dạng ( ) 2 / mNE ε σ = (với ε là biến dạng L L∆ ) ta có thể xác định được quan hệ giữa sự thay đổi điện trở dưới tác dụng của lực P. Quan hệ này sẽ thay đổi tùy theo cách bố trí điện trở và hình dạng của bộ phận đàn hồi. Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở, mạch lấy tín hiệu ra tối ưu nhất là mạch cầu. Đây là một phương pháp để đo sự thay đổi nhỏ trong điện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với sự thay đổi của điện trở khi có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến. Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp: mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trước. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này lên để dễ dàng xử lý. Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone không cân bằng như sau: Hình 2.1 Mạch cầu Wheatstone không cân bằng Các trị số điện trở R 1 , R 2 , R 3 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảm biến R X ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là R bal (balance). Liên hệ giữa giá trị R 1 , R 2 , R 3 và R bal khi cầu cân bằng là: 1 32 . R RR R bal = GVHD: Đỗ Đức Tuấn 6 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa R X và R bal . Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệ số ε và α như sau: Hệ số ε là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa R X và R bal được định nghĩa là : bal balX R RR − = ε (Phần trăm sai lệch giữa R X và R bal ) Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R 3 được định nghĩa bởi: 13 3 RR R + = α Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là: dc X a V RR R ×         + = 2 2 ϑ ; dcb V RR R ×         + = 13 1 ϑ Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu: dc X baab V RR R RR R ×         + − + =−= 2 2 13 1 ϑϑϑ Hay : ( ) ( ) dc X X ab V RRRR RRRRRRRR × ++ −−+ = 213 123.21.21 . ϑ (2) Thay R 2 .R 3 = R bal .R 1 (từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được : ( ) ( )         × ++ − =−= 3 1 13 1 R RR RRR RRR bal X balX abab ϑϑϑ (3) Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng một biểu thức sau : GVHD: Đỗ Đức Tuấn 7 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell ( ) dc bal V R RRR × + 133 Khi đó (3) trở thành : ( ) ( ) ( ) ( ) dc bal bal bal X balX abab V R RRR R RRR R RR RRR RRR × + + ×         × ++ − =−= 133 133 3 1 13 1 ϑϑϑ (4) ( ) ( ) dc bal balX bal balX ab V RRR RRRR R RR RR R RR R ×             + + −       +       + = 13 13 13 1 13 3 ϑ ( ) dcab V. 1 .1. α ε ε ααϑ + −= (5) Do αα −= + ⇒ + = 1 13 1 13 3 RR R RR R Và bal balX R RR − = ε Để biểu thị biểu thức ϑ ab theo tỷ lệ R X - R bal mà không còn R X , ta cộng và trừ ở mẫu số của phân số cuối cho R bal .R 3 (ở cùng tử số) bal balX R RR − = ε Thay tất cả vào (4) ta được: GVHD: Đỗ Đức Tuấn 8 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) αε += + −++ = + −++ = + + 1 13 313 13 3313 13 13 bal balXbal bal balbalbalX bal balX RRR RRRRRR RRR RRRRRRRR RRR RRRR Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là: ( ) dcab V 1. εααϑ −= Hay dc bal ab V R R RR R RR R ⋅ ∆ ⋅ + ⋅ + = 43 4 43 3 ϑ Trong đó: balS RRR −=∆ Như vậy điện áp ngõ ra ϑ ab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi khối lượng (hay lực) tác dụng lên. Ngoài ra nếu nguồn V dc cung cấp có nhiễu một lượng ∆ϑ thì theo nguyên lý xếp chồng và cách tính tượng tự như trên, ta được biểu thức: ( ) ( ) ( ) RRRR RRR V V S balS dc dcab ++ − ⋅         ∆ += 2 4 1 ϑ ϑ Trong đó có phụ thuộc vào tích ∆ϑ.(R S – R bal ) = ∆ϑ.∆R là thành phần rất nhỏ so với ∆R. Do đó có thể bỏ qua được nhiễu ∆ϑ. Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãi trong các loadcell thực tế. Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặt của loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị giãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ co lại khi có lực tác dụng. Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được tính như sau: GVHD: Đỗ Đức Tuấn 9 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân Chương 2: Giới thiệu về Loadcell Hình 2.2a : Sơ đồ mạch tương đương Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín hiệu từ các loadcell lại với nhau. R1 là tải. Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau: Hình 2.2b : Sơ đồ tương đương Thevenin Với R 0 là tổng trở ra của loadcell: 4 4 2 2 3 3 1 1 S S S S S S S S R R R R R R R R ∆ −= ∆ −= ∆ = ∆ Theo hình (a) ta có: V a = I.R 2 + (R + ∆R).I/2 V b = I.R 2 + (R - ∆R).I/2 Điện áp ra sẽ là: V 0 = V a – V b = ∆R.I Hay : V RRR R V ⋅ ++ ∆ = 21 0 Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này. GVHD: Đỗ Đức Tuấn 10 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân [...]... ngõ vào và được nối trực tiếp (nối DC) từ ngõ vào đến ngõ ra Nó có độ lợi điện áp khoảng 100.000, có trở kháng vào khoảng 1M mỗi đầu vào và có trở kháng ra cỡ vài trăm Ohm  Một đầu có ký hiệu bằng dấu (-) gọi là đầu vào đảo  Một đầu có ký hiệu bằng dấu (+) gọi là đầu vào không đảo  Nếu đặt một điện áp dương vào đầu đảo, còn đầu kia nối mass thì đầu ra sẽ có điện áp âm Ngược lại, nếu đặt một điện. .. phép giao tiếp với các thi t bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in Những Load Cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thi t kế phù hợp cho từng ứng... đặt một điện áp dương vào đầu vào không đảo, còn đầu kia nối mass thì đầu ra sẽ có điện áp dương Nếu cả hai đầu vào đặt cùng một điện áp thì tín hiệu ra sẽ bằng không do hai tín hiệu vào bù trừ nhau vì tác dụng vi sai của mạch khuếch đại  Độ lợi điện áp vòng hở A0 : là số đo độ lợi điện áp xảy ra giữa đầu vào và đầu ra của OPAMP và có thể được biểu diễn bằng đơn vị dB  Trở kháng vào ZIN : là số đo trở... Còn nếu điện áp cung cấp quá thấp OPAMP sẽ hoạt động kém, không thực hiện đầy đủ và chính xác các chức năng của nó Thường OPAMP được cung cấp mức điện áp từ ±3V đến ±15V  Tầm điện áp vào Vi Chương 4: Khuếch đại thuật toán (OPAMP)  Điện áp vào không được phép vượt quá điện áp cung cấp vì nó sẽ làm cho OPAMP dễ bị hư Điện áp vào tối đa thường nhỏ hơn 1V đến 2V so với điện áp cung cấp  Tầm điện áp... tín hiệu vào quá lớn thì đầu ra sẽ ở trạng thái bão hòa (+ hoặc -) Điện áp ra tối đa thường nhỏ hơn 1V đến 2V so với điện áp cung cấp  Điện áp lệch đầu vào vi sai Vio Trong trường hợp OPAMP lý tưởng, nếu cả hai đầu vào đều nối mass thì đầu ra phải ở mức 0V Nhưng thực tế cho thấy sự mất cân bằng giữa các đầu vào không thể tránh khỏi Vì vậy sẽ xuất hiện điện áp lệch đầu vào Điện áp lệch đầu vào vi sai... đồ hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình Mỗi Load Cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng Load Cell Các thi t bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình Đa phần các thi t bị hay... thi u về Loadcell 2.2.1 Ưu và khuyết điểm của loadcell: Trước đây, hầu hết các thi t bị cân trong công nghiệp sử dụng Load Cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là Load Cell tương tự) Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thi t bị đo lường như bộ chỉ thị Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc một vài Load Cell nối song song... trực tiếp từ các đầu vào của OPAMP Thường được biểu diễn theo đơn vị điện trở  Trở kháng ra ZOUT : là số đo trở kháng ra của OPAMP và cũng được biểu diễn theo đơn vị điện trở  Dòng phân cực ngõ vào Ib  Hầu hết các OPAMP ở tầng vào dùng transistor lưỡng cực Do đó sẽ hình thành một dòng phân cực Ib  Tầm điện áp cung cấp VS : OPAMP hoạt động nhờ hai nguồn điện áp cung cấp Nếu điện áp cung cấp quá... thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan - Đi dây cáp tín hiệu dài - Môi trường hoạt động quá kín … Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa trong quá trình phân tích và thi t kế Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khác nhau, thi t bị đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc... chưa có thi t bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thi t bị này còn rất kém Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,… Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo Load Cell đã khám phá khả năng có thể kết hợp . thi t nghĩ việc tìm hiểu về Vi điều khiển và những ứng dụng của nó là rất cần thi t. Trong khuôn khổ hạn hẹp của đề tài, nhóm sinh viên chỉ tìm hiểu một ứng dụng nhỏ của Vi điều khiển đó là thi t. đề tài, nhóm sinh viên chỉ tìm hiểu một ứng dụng nhỏ của Vi điều khiển đó là thi t kế và thi công cân điện tử. 1.2 Mục đích nghiên cứu : Mục đich trước hết khi thực hiện đè tai này là hoàn tất. thay đổi tương ứng trong điện trở. Có hai loại điện trở dán dùng để cảm biến lực dịch chuyển: loại liên kết (bonded) và loại không liên kết (unbonded). Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến