Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực và ứng dụng nó trong máy xuyên tĩnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Thanh Tùng Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS.Lê Văn Tiến HÀ NỘI – 2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam doan Danh mục bảng đồ thị Lời mở đầu Giới thiệu tóm tắt đề tài LỜI MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI CHƯƠNG I : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐẦU ĐO I.1.Tính toán biến dạng để chọn loại sensor 15 I.3.Tính biến dạng đo lực ma sát FS 16 I.4.Tính biến dạng chiều dài 16 I.5 Tính màng để đo áp suất lỗ rỗng 17 I.6 Lấy đặc tuyến tĩnh mũi xuyên chịu tác dụng lực kháng đất Qc lực ma sát Fs 20 I.7 Thiết kế đồ gá lấy đặc tuyến tĩnh 23 CHƯƠNG II: CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ BIẾN DẠNG II.1 Khái niệm cảm biến II.1.1 Định nghĩa 25 II.1.2 Phân loại cảm biến 28 II.2 Cảm biến điện trở biến dạng II.2.1.Khái niệm 31 II.2.2.Nguyên lý làm việc 38 II.3 Mạch cầu Wheatstone II.3.1 Nguyên lý Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 42 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh II.3.2.Cân ban đầu 43 II.3.3 Các đặc tính cầu II.3.3.1.Bù nhiệt 44 II.3.3.2.Sự kết hợp miếng đo 44 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ III.1 Nhiệm vụ 46 III.2 Giới thiệu phần tử mạch điện tử III.2.1 Vi điều khiển AVR Atmega8535 47 III 2.2.1 Đặc trưng vi điều khiển AVR AT 90S8535 50 III.2.1.2.Các chế độ truy nhập địa AVR 52 III.2.1.3.Các ghi chức đặc biệt 58 III.2.2 MAX 232 61 III 2.3.IC AMP AD620 62 III.3 Thiết kế mạch hiển thị 63 III.4 Thiết kế mạch khuếch đại 64 III.5 Ứng dụng phần mềm Codevison mạch hiển thị chuyển đổi ADC 72 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM XỬ LÝ SỐ LIỆU IV.1 Giới thiệu ngôn ngữ C# 99 IV.2 Phầm mếm xử lý số liệu vài kết 106 Kết luận kiến nghị 109 Tài liệu tham khảo Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 110 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết đề tài hoàn toàn tự thực tính toán, chép Nếu sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Trần Thanh Tùng Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG BÀI TT Hình Nội dung 0.1 Các thành phần hệ thống đo 0.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống 0.3 Cấu tạo đầu đo 0.4 Nguyên lý hoạt động mạch cầu 0.5 Bộ khuếch đại 0.6 Bộ ADC 0.7 Vi điều khiển AVR 0.8 Màn hình LCD 0.9 Quá trình xử lý số liệu 10 1.1 Sơ đồ nguyên lý lấy đặc tuyến tĩnh lực 11 1.2 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc) 12 1.3 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Fs) 13 1.4 Đồ gá lấy đặc tuyến tính 14 2.1 Mô hình cảm biến 15 2.2 Mô hình mạch cảm biến 16 2.3 Hai dạng Strain gauge 17 2.4 Các kiểu tenzo dây dẫn 18 2.5 Tenzo đo kéo nén 19 2.6 Minh hoạ đo biến dạng 20 2.7 Mạch cầu Wheatstone 21 2.8 Mạch cầu cân ban đầu 22 2.9 Kết hợp miếng đo mạch cầu 23 3.1 Nhiệm vụ mạch điện tử hệ thống đo 24 3.2 Sơ đồ chân VĐK 8535 25 3.3 Cách nối chân Vref Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh 26 3.4 Sơ đồ cấu trúc VĐK 8538S 27 3.5 Thiết bị MAX232 28 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý chuyển đổi ADC hiển thị LCD 29 3.7 Sơ đồ khối biến đổi ADC 10 bit với lối vào 30 3.8 Các ghi điều khiển biến đổi ADC 31 3.9 Sắp xếp chân lối vào biến đổi ADC 32 3.10 Bộ khuếch đại đảo 33 3.11 Bộ khuếch đại không đảo 34 3.12 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại 35 3.13 Sơ đồ bố trí chân Atmega8535 36 4.1 Giao diện chương trình 37 4.2 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc) 38 4.3 Đường đặc tuyến tìm hệ số K (Qc) Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật việc tìm hiểu nghiên cứu thiết bị có tính ứng dụng cao đời sống kỹ thuật cần thiết Như thấy với phát triển kỹ thuật ngày thiết bị, máy móc đòi hỏi phải có độ xác cao hay điều khiển tự động cao nên việc kết hợp khí với điện tử tin học cần thiết Tìm hiểu đầy đủ điện tử, khí tin học phần kiến thức cần thiết để nghiên cứu khoa học Hiện yêu cầu thực tế khảo sát lòng đất số ngành xây dựng địa chất mà việc thiết kế máy đo đầu đo đạt tiêu chuẩn chất lượng yêu cầu thiết Ở Việt Nam khoảng 10 năm trở lại sử dụng số máy đo môn công nghệ chế tạo máy trường đại học bách khoa Hà Nội sản xuất Tuy máy hoạt động tốt sử dụng mũi xuyên tiêu chuẩn dùng thị áp kế lò xo chưa đo áp lực lỗ rỗng lòng đất, chưa tự động đo trình xuyên khoảng cách độ sâu lần đo lớn nên chưa xác định xác vị trí địa tầng đất Dựa nhu cầu thực tế nên đề tài tác giả nghiên cứu vấn đề sau:: + Tìm hiểu ứng dụng cảm biến điện trở biến dạng tenzô máy xuyên tĩnh + Tính toán thiết kế đầu đo xuyên tĩnh dùng cảm biến, thiết kế đồ gá lấy đặc tuyến tĩnh + Thiết kế chế tạo mạch điện tử phần mềm giao tiếp máy tính để xử lý tín hiệu thu từ xác định hình ảnh lớp địa tầng thay đổi thuộc tính đất chiều sâu thay đổi Mục đích đề tài trước hết tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu khoa học áp dụng kiến thức trang bị vào thực tế Mặt khác việc nghiên Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh cứu, thực đề tài góp phần nâng cao kiến thức, tiếp cận với vấn đề thực tế Tuy nhiên nội dung đề tài rộng nằm nhiều lĩnh vực khác đồng thời với trình độ hạn chế nên tác giả không sâu vào tất vấn đề cụ thể có liên quan đến đề tài Sau thời gian thực đề tài, đến hoàn thành, nhiều thiếu sót kết bước đầu cho thấy hướng nghiên cứu tác giả phù hợp có nhiều ứng dụng thực tế Qua tác giả xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS.Lê Văn Tiến tận tình bảo giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên: Trần Thanh Tùng Lớp CNCK 2008-2010 Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO LỰC, ÁP SUẤT VÀ ỨNG DỤNG NÓ TRONG MÁY XUYÊN TĨNH Mục tiêu đề tài: + Tìm hiểu ứng dụng cảm biến điện trở tenzo hệ thống đo lực + Tính toán thiết kế đầu đo xuyên tĩnh dùng cảm biến điện trở + Thiết kế chế tạo mạch điện tử để xử lý tín hiệu thu + Thiết kế hệ thống thủy lực Tóm tắt đề tài: Hệ thống đo có chức năng: chuyển đổi lực, áp suất thành tín hiệu điện dùng cảm biến điện trở ; khuếch đại đại tín hiệu nhận từ cảm biến; chuyển đổi tín hiệu sang dang digital; kết nối với máy tính có phần mềm xử lý số liệu để hiển thị kết đo, đồng thời vẽ biểu đồ: lực kháng xuyên qc [KG/cm2], hệ số ma sát fs [KG/cm2], áp suất lỗ rỗng po [KG/cm2], theo độ sâu Kết đạt được: + Tính toán thiết kế đầu đo xuyên tĩnh dùng cảm biến điện trở biến dạng tenzo + Thiết kế chế tạo mạch điện tử phục vụ thí nghiệm xuyên tĩnh + Thiết kế viết phần mềm kết nối xử lý kết Hướng phát triển: + Với kết tìm hiểu đạt tác giả hy vọng thời gian gần chế tạo máy xuyên tĩnh điện, tự động xử lý liệu + Ngoài ứng dụng tác giả đạt để phát triển hệ thống đo lực gia công khí nhiều lĩnh vực khác Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh Phân Tích Hệ Thống: Hệ thống gồm thành phần: + Máy thủy lực + Bộ ép thủy lực + Đầu đo + Mạch điện tử-kết nối máy tính giao tiếp RS232 Hình 0.1 Các thành phần hệ thống đo Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh // USART initialization // Communication Parameters: Data, Stop, No Parity // USART Receiver: On // USART Transmitter: On // USART Mode: Asynchronous // USART Baud Rate: 9600 UCSRA=0x00; UCSRB=0xD8; UCSRC=0x86; UBRRH=0x00; UBRRL=0x67; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 96 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin // ADC High Speed Mode: Off // ADC Auto Trigger Source: None ADMUX=FIRST_ADC_INPUT | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); ADCSRA=0xCC; SFIOR&=0xEF; // Global enable interrupts #asm("sei") LCDinit(); while (1) { // Place your code here lcd_gotoxy(0,0); lcd_putsf("Qc1"); lcd_gotoxy (4,0); low_pass_filter1(); lcd_gotoxy (10,0); Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 97 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh lcd_putsf("KG"); lcd_gotoxy(0,1); lcd_putsf("Qc2"); lcd_gotoxy (4,1); low_pass_filter2(); lcd_gotoxy (10,1); lcd_putsf("KG"); delay_ms(20); }; Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 98 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh CHƯƠNG IV PHẦN MỀM VẼ ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH IV.1 Nhiệm vụ: Phần mềm thí nghiệm xuyên tĩnh có nhiệm vụ: Nhận liệu từ mạch đo gửi lên qua cổng COM hiển thị kết đo tức thời Lưu diữ liệu file ảnh Mở liệu vẽ đồ thị IV.2 Giới thiệu ngôn ngữ Visual C#: Mục tiêu C# cung cấp ngôn ngữ lập trình đơn giản, an toàn, đại hướng đối tượng, đặt trọng tâm vào Internet, có khả thực thi cao cho môi trường NET C# ngôn ngữ mới, tích hợp tinh hoa ba thập kỹ phát triển ngôn ngữ lập trình Ta dễ dàng thấy C# có đặc trưng quen thuộc Java, C++, Visual Basic,… Net hỗ trợ tích hợp ngôn ngữ, tức ta kế thừa lớp, bắt biệt lệ, đa hình thông qua nhiều ngôn ngữ .NET Framework thực việc nhờ vào đặc tả Common Typre System – CTS (hệ thống kiểu chung) mà tất thành phần Net đề tuân theo Ví dụ, thứ Net đối tượng, thừa kế từ lớp gốc System.Object Ngoài ra, Net bao gồm Common Language Specification – CLS (đặc tả ngôn ngữ chung) Nó cung cấp qui tắc mà ngôn ngữ muốn tích hợp phải thỏa mãn CLS yêu cầu tối thiểu ngôn ngữ hỗ trợ Net Trình biên dịch tuân theo CLS tạo đối tượng tương hợp với đối tượng khác Bộ thư viện lớp khung ứng dụng (Framework Class Library – FCL) dùng ngôn ngữ tuân theo CLS Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 99 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh NET Framework nằm tầng hệ điều hành (bất kỳ hệ điều hành không Windows) .NET Framework bao gồm: - Bốn ngôn ngữ thức: C#, VB Net, C++, Jscript.NET - Common Language Runtime – CLR, tảng hướng đối tượng cho phát triển ứng dụng Windows web mà ngôn ngữ chia sẻ sử dụng - Bộ thư viện Framework Class Library – FCL Thành phần quan trọng Net Framework CLR, cung cấp môi trường cho ứng dụng thực thi, CLR máy ảo, tương tự máy ảo Java CLR kích hoạt đối tượng, thực kiểm tra bảo mật, cấp phát nhớ, thực thi thu dọn chúng Tầng CLR bao gồm: - Các lớp sở - Các lớp liệu XML - Các lớp cho dịch vụ web, web form, Windows form Các lớp gọi chung FCL, Framework Class Library, cung cấp API hướng đối tượng cho tất chức NET Framework (hơn 5000 lớp) Các lớp sở tương tự với lớp Java Các lớp hỗ trợ thao tác nhập xuất, thao tác chuỗi, văn bản, quản lý bảo mật, truyền thống mạng, quản lý tiểu trình chức tổng hợp khác … Trên mức lớp liệu XML lớp liệu hỗ trợ việc thao tác liệu Các lớp bao gồm lớp SQL (Structure Query Language: ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc) cho phép ta thao tác liệu thông qua giao tiếp SQL chuẩn Ngoài tập lớp gọi ADO.net cho phép thao tác liệu Lớp XML hỗ trợ thao tác liệu XML, tìm kiếm diễn dịch XML Trên lớp liệu XML lớp hỗ trợ xây dựng ứng dụng Windows (Windows forms), ứng dụng Web (Web forms) dịch vụ Web (Web services) Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 100 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh C# ngôn ngữ đơn giản, với khoảng 80 từ khóa mười kiểu liệu dựng sẵn, C# có tính diễn đạt cao C# hỗ trợ lập trình có cấu trúc, hướng đối tượng, hướng thành phần (component oriented) Trọng tâm ngôn ngữ hướng đối tượng lớp Lớp định nghĩa kiểu liệu mới, cho phép mở rộng ngôn ngữ theo hướng cần giải C# có nhữn từ khóa dành cho việc khai báo lớp, phương thức, thuộc tính (property) C# hỗ trợ đầy đủ khái niệm trụ cột lập trình hướng đối tượng: đóng gói, thừa kế, đa hình Định nghĩa lớp C# không đòi hỏi tách rời tập tin tiêu đề với tập tin cài đặt C++ Hơn thế, C# hỗ trợ kiểu sưu liệu mới, cho phép sưu liệu trực tiếp tập tin mã nguồn Đến biên dịch tạo tập tin sưu liệu theo định dạng XML C# hỗ trợ khái niệm giao diện, interfaces (tương tự java) Một lớp kế thừa lớp cha cài đặt nhiều giao diện C# có kiểu cấu trúc, struct (không giống C++) Cấu trúc kiểu hạng nhẹ bị giới hạn Cấu trúc kế thừa lớp hay kế thừa cài đặt giao diện C# cung cấp đặc trưng lập trnhf hướng thành phần property, kiện dẫn hướng khai báo (được gọi attribute) Lập trình hướng component hỗ trợ CLR thông qua siêu liệu (metadata0 Siêu liệu mô tả lớp bao gồm phương thức thuộc tính, thông tin bảo mật … Assembly tập hợp tập tin mà theo cách nhìn lập trình viên thư viện liên kết động (DLL) hay tập tin thực thi (EXE) Trong NET assembly đơn vị việc tái sử dụng, xác định phiên bản, bảo mật, phân phối C:R cung cấp số lớp để thao tác với assembly C# chp truy cập trực tiếp nhớ dùng trỏ kiểu C++, vùng mã xem không an toàn CLR không thực thi việc thu dọn rác tự động đối tượng tham chiếu trỏ lập trình viên tự giải phóng Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 101 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh Giới thiệu số câu lệnh dùng chương trình a Các lệnh rẽ nhánh không điều kiện Có hai loại câu lệnh rẽ nhánh không điều kiện Một lệnh gọi phương thức: trình biên dịch thấy có lời gọi phương thức tạm dừng phương thức hành nhảy đến phương thức gọi hết phương thức trở phương thức cũ Ví dụ Gọi phương thức Using System; Class Functions { Static void Main( ) { Console.WroteLine(“in Main! Calling SomeMethod( )…”); SomeMethod( ); Console WriteLine(“Back in Main( ).”); { Console.WriteLine(“Greetings from SomeMethod!”); } } Kết quả; In Main! Calling ComeMethod( )… Greetings from SomeMethod b Lệnh rẽ nhánh có điều kiện Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 102 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh Các từ khóa if-else, while, do-white, for, switch-case, dùng để điều khiển dòng chảy chương trình C# giữ lại tất cú pháp C++, ngoại trừ switch có vài cải tiến lệnh If else … Cú pháp: if (biểu thức logic) khối lệnh; if (biểu thức logic) khối lệnh 1; else khối lệnh 2; Ghi chú: Khối lệnh tập câu lệnh cặp dấu “{…}” Bất kỳ nơi đâu có câu lệnh viết khối lệnh Biểu thức logic biểu thức cho giá trị sai (true false) Nếu “biểu thức logic” cho giá trị “khối lệnh” hay “khối lệnh 1” thực thi, ngược lại “khối lệnh 2” thực thi Một điểm khác biệt với C++ biểu thức câu lệnh if phải biểu thức logic, biểu thức số Lệnh switch Cú pháp: Switch ( biểu_thức_lựa_chọn ) { Case biểu_thức_hằng : khối lệnh; Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 103 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh lệnh nhảy; [ default : khối lệnh; lệnh nhảy; ] } Biểu thức lựa chọn biểu thức sinh trị nguyen hay chuỗi Switch so sánh biểu_thức_lựa_chọn với biểu_thức_hằng để biết phải thực với khối lệnh Lệnh nhảy break, goto … để thoát khỏi câu switch bắt buộc phải có Switch (sQuyenTruyCap ) { Case “Administrator”: nQuyen = 1; break; case “Admin”: goto case “Administrator”; default: nQuyen = 2; break; } c Lệnh lặp C# cung cấp lệnh lặp giống C++ for, while, do-while lệnh lặp foreach Nó hỗ trợ câu lệnh nhảy như: goto, break, continue, return Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 104 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh lệnh goto Lệnh goto dùng để tạo lệnh nhảy nhiều nhà lập trình chuyên nghiệp khuyên không nên dùng câu lệnh phá vỡ tính cấu trúc chương trình Cách dùng câu lệnh sau: (giống C++) Tạo nhãn goto đến nhãn Vòng lặp while Cú pháp: while ( biểu_thức_logic ) khối_lệnh; Khối_lệnh thực biểu thức Nếu từ đầu biểu thức sai, khối lệnh không thực thi Vòng lặp … while Cú pháp: khối_lệnh while ( biểu_thức_logic ) Khác với while khối lệnh thực trước, sau biểu thức kiểm tra Nếu biểu thức khối lệnh lại thực Vòng lặp for Cú pháp: for ( [khởi_tạo_biến_đếm]; [biểu_thức]; [gia_tăng_biến_đếm] ) khối lệnh; Ví dụ Tính tổng số nguyên tố từ a đến b Trần Thanh Tùng - Lớp CNCK 2008-2010 105 Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống đo lực ứng dụng máy xuyên tĩnh int a = 10; int b = 100; int nTong = 0; for ( int i = a; i