Thiết kế và chế tạo cân điện tử hiển thị lên LCD và máy tính

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell ...9 Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản.. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ 1.1 Hệ thống cân sử dụng Loadc

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐH Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên nói chung, các thầy cô trong Khoa Công nghệ tự động hóa nói riêng đã dạy dỗ cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ

án

Thái Nguyên, Tháng 5 năm 2017 Sinh viên thực hiện

LỜI CAM ĐOAN

Tên em là: Lê Văn Vinh

Sinh viên lớp K11 ngành Kỹ thuật điện, điện tử, trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái nguyên – Đại học Thái nguyên

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung trong đồ án là do em làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích, các tài liệu tham khảo đã được chỉ rõ trong đồ án

Nếu có gì sai sót em hoàn toàn chịu trách nhiệm

Sinh viên

Lê Văn Vinh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

LỜI NÓI ĐẦU 8

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ 9

1.1 Hệ thống cân sử dụng Loadcell và ứng dụng 9

1.2 Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng 10

1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng 10

1.2.2 Các phương pháp đo khối lượng 11

1.3 Giới thiệu chung về Loadcell 15

1.4 Ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe 20

1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống 20

1.4.2 Cầu cân 21

1.4.3 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây 22

1.4.4 Thiết bị chỉ thị khối lượng 23

1.4.5 Quản lý trạm cân dùng máy tính 23

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO CÂN ĐIỆN TỬ 25

2.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống cân điện tử 25

2.2 Giới thiệu chung về Arduino Uno R3 26

2.3 Cảm biến Loadcell 31

2.4 Module HX-711 32

2.5 LCD 33

2.6 Module I2C 37

2.7 Keypad 4x4 38

2.8 Module thời gian thực RTC DS 1307 39

2.9 Lập trình Visual Basic 2012 40

2.9.1 Tổng quan về ngôn ngữ lập trình Visual Basic 40

2.9.2 Cấu trúc của một ứng dụng Visual Basic 41

CHƯƠNG III CHẾ TẠO CÂN ĐIỆN TỬ VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 45

3.1 Nhiệm vụ 45

3.2 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống 45

3.3 Lựa chọn thiết bị 46

3.3.1 Khối cảm biến Loadcell 46

3.3.2 Khối Hx711 47

3.3.3 Khối hiển thị 47

3.3.4 Khối keypad và RTC DS1307 48

3.3.5 Khối nguồn 49

3.3.6 Hiển thị khối lượng đo được lên Visual basic 49

3.4 Sơ đồ nguyên lý và giải thuật chương trình 50

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý 50

3.4.2 Chương trình 50

3.4.3 Kết quả và thử nghiệm 54

3.5 Hướng phát triển cho đề tài 57

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell 9

Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản 13

Hình1.3 Cách ghép các phần tử áp điện 14

Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên 14

Hình 1.5a Loadcell khi không có; Hình 1.5b Loadcell khi có lực tác động lực tác động 15 Hình 1.5c Sơ đồ điện cho cảm biến Loadcell 15

Hình 1.6 Sơ đồ tính điện áp ra 16

Hình 1.7 Sơ đồ tương đương 17

Hình 1.8 Sơ đồ tính tổng trở 17

Hình 1.9 Đầu dây ra của loadcell 19

Hình 1.10 Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế 20

Hình1.11 Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe 21

Hình1.12 Bàn cân trạm cân xe 21

Hình 1.13 Cách bố trí Loadcell 22

Hình 1.14 Một số loại Loadcell có tải trọng lớn 22

Hình 1.15 Một số thiết bị chỉ thị khối lượng trong thực tế 23

Hình 2.1 Module Arduino Uno R3 26

Hình 2.2 Vi xử lý Atmega 328 27

Hình 2.3 Các cổng vào ra của Arduino Uno R3 29

Hình 2.4 Giao diện IDE dùng để lập trình Arduino 31

Hình 2.5 Loadcell 5kg 31

Hình 2.6 Module Hx 711 32

Hình 2.7 Cấu trúc bên trong của Hx 711 33

Hình 2.8 Module LCD 34

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD 37

Hình 2.10 Module I2C 37

Hình 2.11 Cấu tạo bên trong và hình ảnh thực tế của Keypad 38

Hình 2.12 Module thời gian thực RTC DS 1307 39

Hình 2.13 Giao diện của Visual basic 2012 42

Hình 2.14 Các đối tượng và các thông số “properties” điều chỉnh đối tượng 42

Hình 2.15 Môi trường làm việc của Visual Basic 2012 43

Hình 2.16 Form xuất hiện và tìm kiếm button trên thẻ toolbox 43

Hình 2.17 Thay đổi thuốc tính của đối tượng 44

Hình 2.18 Viết code chương đối tượng button “XPORT FILE TXT” 44

Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng quát cân điện tử 45

Hình 3.2 Kích thước và hình dạng cảm biến Loadcell 5Kg 46

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối giữa Loadcell, Hx 711 và Arduino 47

Hình 3.4 LCD 16x2 và sơ đồ kết nối giữa Arduino với LCD I2C 47

Hình 3.5 Keypad và RTC DS1307 48

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối giữa Arduino với keypad và RTC DS1307 48

Hình 3.7 Form hiển thị cân nặng và xuất file txt 50

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý cân điện tử hiển thị LCD và máy tính 50

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 51

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán biến đổi khối lượng sang điện áp trong Loadcell 52

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán của bộ ADC (Module Hx711) 53

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán cài đặt thông số cực đại của đối tượng cân 54

Hình 3.13 Mô hình cân điện tử sau khi hoàn thành 55

Hình 3.14 Cài đặt giá trị Max Weight cho cân điện tử 55

Hình 3.15 Thực nghiệm quá trình cân 56

Hình 3.16 Kết quả hiện thị lên Visual Basic 2012 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện 13

Bảng 1.2 Các màu thông dụng đầu ra của loadcell 19

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Arduno Uno R3 26

Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến Loadcell 5kg 32

Bảng 2.3 Mô các chân của LCD 35

Bảng 2.4 Các mã lệnh LCD 36

Bảng 2.5 Tóm tắt giữa RS và R/W theo mục đích sử dụng 36

Bảng 2.6 Các chân kết nối giữ I2C với LCD 38

Bảng 3.1 kết nối chân giữa Arduino với Keypad và RTC DS 1307 49

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang phát triển mạnh mẽ Trước tình hình đó

đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt ra cho giới trí thức

Để tiếp tục dẫn dắt sự phát triển của đất nước ngày càng giàu mạnh, thì phải đầu tư cho giáo dục, đào tạo thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo, thì phải đưa các phương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thì trình độ con người ngày càng cao đáp ứng được yêu cầu của xã hội

Để làm quen với công việc thiết kế, chế tạo và tìm hiểu các về các loại linh kiện

điện tử, em đã chọn đề tài đồ án vi xử lý trong điều khiển là: “Thiết kế và chế tạo cân điện tử hiển thị lên LCD và máy tính’’ nhằm củng cố về kiến thức trong quá

Em xin chân thành cám ơn thầy Th.s Trần Trung Dũng cùng các thầy cô trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ

1.1 Hệ thống cân sử dụng Loadcell và ứng dụng

Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng Loadcell

Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử lý hay máy tính … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm khối truyền dữ liệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không, tùy mục đích sử dụng

Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, Loadcell sẽ chuyển thành tín hiệu điện ở ngõ ra Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần sau đó chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được đưa về bộ xử lý Arduino để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị lên LCD Bộ xử lý Arduino cần thiết phải có thêm bộ nhớ để lưu trữ số liệu, ví dụ trong việc chỉnh 0 và trừ bì của cân …

Do tính linh hoạt của bộ xử lý Arduino, tùy theo mục đích cụ thể mà chương trình viết cho bộ xử lý khác nhau Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng Ngoài ứng dụng trong việc cân xe,

có thể kể ra các ví dụ khác mà dùng hệ thống cân điện tử sử dụng Loadcell như sau:

- Trong hệ thống bán hàng có sử dụng cân điện tử loại này, việc tính tiền có thể được tự động hoàn toàn Hàng ở đây là những loại có thể cân được, có thể là rau quả, thủy sản … Người sử dụng nhập vào bàn phím giá cả của một đơn vị cân và giá cả này có thể hiển thị ra màn hình hoặc Led 7 đoạn Khi người dùng nhấn nút tính tiền

Khối hiển thị

Nguồn cung cấp

Bộ nhớ

Xử lý

trên bàn phím, bộ xử lý sẽ nhân giá trị cân được với giá của một đơn vị cân này và hiển thị ra giá cả đã được tính toán cho số hàng ấy Sau khi để giá này hiển thị một khoảng thời gian vừa đủ cho người dùng đọc nó, hệ thống cân có thể sẽ hiển thị lại giá trị cân được Giá tiền này có thể được lưu lại và nếu được nối đến máy tính của quầy thu tiền, khách hàng có thể nhận được bảng báo cáo bao gồm trọng lượng cân được, giá cả của một đơn vị cân và tổng số tiền phải trả cho số hàng đó

- Cân cũng là một trong những biện pháp để phát hiện ra sản phẩm trong hệ thống đếm tự động Khi phát hiện có khối lượng quy định thì mới đếm Điều này sẽ tránh được việc đếm sai nếu cùng một lúc có hai sản phẩm hoặc vật thể khác không phải là sản phẩm che cảm biến quang

- Một ứng dụng khác của hệ thống cân này có thể kể ra là dùng trong bưu điện Sau khi cân kiện hàng và xác định nơi cần gửi Ngõ ra của hệ thống cân này thường được nối đến hệ thống in bưu phí lên nhãn dán vào kiện hàng gửi đi

- Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều trong các nhà máy ở nước ta là ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm Người dùng có thể nhập vào khối lượng cho một gói hàng hay bao gạo … khi đạt đến giá trị quy định này, ngõ ra của bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót hàng hay dây chuyền để đóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các relay để làm đóng, mở các valve selenoid dùng khí nén

Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển viết cho bộ

xử lý và cách giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Phần này thì khác nhau đối với các ứng dụng cụ thể khác nhau

Nội dung của đồ án này đề cập đến hệ thống cân điện tử dùng trong việc đóng gói sản phẩm

1.2 Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng

1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật II Newton, mà theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:

F = ma Trong đó: F: Lực tác dụng (N)

m: Khối lượng của vật(Kg)

a: Gia tốc của vật (m/s 2)

Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức hút Trái Đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực Các phương pháp đo khối lượng là dựa vào quan hệ này

Công thức II Newton không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không có gia tốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Hai lực cân bằng và đối nhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc

1.2.2 Các phương pháp đo khối lượng

a Cảm biến điện trở lực căng

Sức căng  được xác định bằng sự thay đổi chiều dài L của thanh đàn hồi L so với một đơn vị chiều dài:

 = L / L

Do tác động của lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tương ứng cũng làm thay đổi giá trị điện trở điện của thanh Cảm biến sức căng hoạt động dựa trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị  nhỏ thành sự thay đổi tương ứng giá trị điện trở điện của thanh

Có hai loại cảm biến sức căng:

- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần đo sức căng Khi lực tác động làm căng hoặc cong cần đàn hồi, cũng trực tiếp làm căng cảm biến

- Loại gián tiếp được liên kết cơ học với yếu tố đàn hồi, thường sử dụng để đo những độ lệch tổng cộng của yếu tố đàn hồi

Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỷ số của sự biến đổi đơn vị của điện trở so với sức căng:

G = (R / R) / (L / L) Trong đó: R = sự thay đổi của điện trở ()

R = điện trở của cảm biến sức căng ()

L = sự thay đổi chiều dài (m)

L = Chiều dài của cảm biến (m)

Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S = f/A (N/m2) Ở thanh đàn hồi, tỷ số của ứng suất S trên sức căng  là hằng số và được gọi là modun đàn hồi:

E = S /  = constant Đối với thanh đàn hồi có chiều dày là h và chiều rộng là b, có cảm biến sức căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất được xác định theo biểu thức :

Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do trọng lượng của vật trong các bài toán cân

b Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện Phần tử

cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể

Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 1.1

Vật liệu Độ thẩm

thấu

Điện trở suất (Ω.m)

Modun Young (109 N.m-2)

Ứng lực cực đại (107 N.m-2)

Nhiệt độ làm việc

Bảng 1.1 Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng

Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện Trên hình 1.2 biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện

Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản

a.Theo chiều dọc, b.Theo chiều ngang, c.Cắt theo bề dày, d.Cắt theo bề mặt

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song

có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng từ đó có thể xác định được khối lượng của vật gây ra lực tác dụng Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch

Cảm biến dựa trên hiện tượng từ giảo:

- Cảm biến từ thẩm biến thiên

Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành một mạch từ kín (hình 1.4) Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm , làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của cuộn dây cũng thay đổi Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc  tỉ lệ với ứng lực , tức là với lực cần đo F:

= = = K

Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên

- Cảm biến từ dư biến thiên

Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dù < 0), Br tăng lên:

= - 1,5.10-9 .

.

Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ

lệ với dB/dt Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

Vm = K = KTrong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây

1.3 Giới thiệu chung về Loadcell

Trong cảm biến cân (Loadcell) thường sử dụng cảm biến sức căng mắc theo

sơ đồ cầu Trong đó sử dụng hai cảm biến sức căng R1 và R3 gắn ở mặt trên Hai cảm biến sức căng khác R2, R4 gắn ở mặt dưới (hình 1.5b) Sơ đồ nối điện cho trên hình 1.5c, trong đó các cảm biến sức căng được mắc theo sơ đồ cầu Wheatstone

Hình 1.5a Loadcell khi không có Hình 1.5b Loadcell khi có

R3 R4

AMPLIFIER OUT

Khi không có lực tác động vào cảm biến (hình 1.5a), các cảm biến sức căng

R1-4 ở trạng thái với sức căng cân bằng và điện thế ra bằng 0 Khi có lực tác động, làm uốn cong thanh đàn hồi, dẫn đến việc tăng sức căng các cảm biến R1-R3 và giảm sức căng các cảm biến R2-R4 Kết quả, điện trở R1-R3 tăng và R2-R4 giảm, dẫn đến lệch cầu và ở lối ra xuất hiện điện thế tỷ lệ với lực tác động Điện thế này sẽ được khuếch đại tới giá trị cần thiết

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 dãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ

co lại khi có lực tác dụng Do đó ta có quan hệ sau:

Hình 1.6 Sơ đồ tính điện áp ra

Ở đây R0 là tổng trở ra của Loadcell

I = Theo hình (a) ta có :

2

R

2 1

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này

Để tính tổng trở ra của loadcell ta ngắn mạch nguồn áp cung cấp V, khi đó mạch trở thành:

R+R

Io-I1+I2

+

- Vo

Io

I1 Io-I1

-(R - R).I 1 + (R 1 +R 2 ) I 2 –(R + R).(I 0 –I 1 )=0

(R+ R).(I 0 – I 1 ) + (R - R).(I 0 – I 1 + I 2 ) =V 0

 (R 1 + R 2 + R -R).I 2 + (R-R).I 0 = (*)

 (R - R).I 2 – (R +R).I 2 +2.R.I 0 =2.V 0

 - R.I 2 + R.I 0 =V 0

 R V I R I    0 0 2 Thay vào (*) ta suy ra:

0 0 2

1

)

R

V I R R R









 ( R1+ R2+ R - R).(R.I 0 –V 0 ) + R.( R - R).I 0 = R.V 0

 I 0 [( R1 +R2 + R + R -R).R + R.( R - R) ]= V 0 ( R +R1 + R2 +R

 I 0 [ (R1 +R2 +R ).R - R 2 ] = V 0 [R1+R2+R]

R R R

R R

R R R

R R R R R I

V

R



























2 1 2

2

2 2

1 0

0 0

1

Đây chính là tổng trở ra của Loadcell

Như vậy điện áp rơi trên tải RL là:

R R R

R R

R R R

R V R

R R

R V V

L

L

L

L L





















2 1

2 2 1 0

0

.

Từ biểu thức trên ta có thể nhận thấy là điện áp ra VL không thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở cảm biến Hệ thống làm tuyến tính hoá sự thay đổi này thì do nhà sản xuất thiết kế

b Một số Loadcell thực tế

Có nhiều loại Loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loại Loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của Loadcell có màu sắc khác nhau Có thể kể ra như sau:

Hình 1.9 Đầu dây ra của loadcell

Bảng 1.2 Các màu thông dụng đầu ra của loadcell

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại Loadcell Thông số kỹ thuật của từng loại Loadcell được cho trong catalogue của mỗi Loadcell và thường có các thông số như: tải trọng danh định, điện áp ra danh định (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 quá 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 sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa) Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại Loadcell có thông số và hình dạng khác nhau Hình dạng Loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng Sau đây là hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế

Exc+

Exc- Sig+

Sig- R4

R3

Hình 1.10 Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế

1.4 Ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe

1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống

Mặc dù hệ thống này đã được sử dụng khá phổ biến trong các trạm cân xe, nhưng việc lấy và xử lý số liệu từ Loadcell do một bộ phận thực hiện thường gọi là đầu cân, mà bộ phận này hầu hết là được mua từ nước ngoài Và như vậy sơ đồ khối của một hệ thống cân xe gồm những thành phần như sau:

Hình1.11 Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe

Tùy theo yêu cầu của từng trạm cân mà có thêm bộ hiển thị từ xa hay không

Sau đây là mô tả chi tiết các khối trong hệ thống trên

1.4.2 Cầu cân

Cầu cân bao gồm một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại chịu lực tốt, còn gọi là bàn cân Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4 Loadcell Số lượng Loadcell bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe, có thể là 6, 8 Loadcell Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng của trọng lực xe, mỗi Loadcell

bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp này được dẫn về hộp nối để cộng các tín hiệu từ các Loadcell này lại trước khi đưa về đầu cân xử lý Tùy theo yêu cầu và

vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân khác nhau

Phần lớn các trạm cân xe ở nước ta bàn cân được bố trí theo dạng sau:

Hình 1.12 Bàn cân trạm cân xe

1.4.3 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây

Trong hệ thống cân xe, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọng chịu đựng, chiều dài xe Loadcell có thể được lắp như hình sau:

Hình 1.13 Cách bố trí Loadcell

Do sử dụng nhiều Loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý Nếu đầu cân không có chức năng này ta phải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các Loadcell trên

Sau đây là hình dạng một số loại Loadcell có tải trọng lớn thường được sử dụng trong các trạm cân xe

Hình 1.14 Một số loại Loadcell có tải trọng lớn

Ngoài bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại Loadcell còn có thêm thiết bị bảo vệ quá tải có thể là các lò xo như những hình ở trên

1.4.4 Thiết bị chỉ thị khối lượng

Cũng như Loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do nhiều hãng sản xuất khác nhau Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà đầu cân có nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một đầu cân là lấy tín hiệu điện áp từ Loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối lượng cân được ra đèn led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ liệu về máy tính hoặc ra máy in Ngoài ra còn có các chức năng như “Auto Zero”, “Tare”, “Clear”

Hình 1.15 Một số thiết bị chỉ thị khối lượng trong thực tế

Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị từ xa hay không

1.4.5 Quản lý trạm cân dùng máy tính

Mặc dù một số đầu cân có chức năng in ấn, nhưng để in những bảng báo cáo

như phiếu xuất kho, tính giá tiền cho khối lượng hàng cân được một cách tự động, cũng như chức năng lưu trữ dữ liệu thành file … thì trang bị một máy tính cho trạm cân là một yêu cầu cần thiết

Số liệu cân được từ đầu cân được truyền về máy tính thường là mã ASCII theo chuẩn RS232 hoặc RS485 Dữ liệu truyền theo kiểu bất đồng bộ và tốc độ baud thay đổi được thường là 1200, 2400, 4800, 9600 bit/giây Chương trình viết cho máy tính thường để hiện giá trị này ra màn hình Tùy theo yêu cầu cụ thể của nhà máy hoặc trạm cân mà chương trình được viết cho in ra những bảng báo cáo khác nhau theo mẫu được quy định sẵn của nhà máy Các bảng báo cáo này có thể được lưu lại thành file trong máy tính để khi cần thiết có thể gọi ra được Ngoài ra chương trình máy tính có thể cho biết được số xe đã được cân trong ngày cùng với tên khách hàng hoặc biển số xe cũng như tổng lượng hàng đã xuất hay nhập trong ngày, tháng, năm…

thậm chí có thể phát hiện xe nào chở hàng quá tải Hơn thế nữa những dữ liệu này

có thể truyền về trung tâm xử lý nếu máy tính đó được nối mạng Tất cả các công việc này tùy theo yêu cầu của trạm cân mà viết chương trình cho máy tính phù hợp

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO CÂN ĐIỆN TỬ 2.1 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống cân điện tử

Cân điện tử thực hiện công việc định lượng vật liệu theo một tỷ lệ nhất định đòi hỏi sự chính xác, công việc này thực hiện được nhờ vào nhiều bộ phận cấu thành, mà trong đó bao gồm một số phẩn tử đo lường và điều khiển sau:

- Máy tính: chức năng là để ứng dụng phần mềm viết chương trình cho Arduino Uno R3 và sử dụng phần mềm Visual Basic 2012 để hiển thị khối lượng lên màn hình máy tính

- Bộ vi điều khiển (Arduino UNO R3): Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này xử lý tín hiệu từ module HX-711

- Cảm biến trọng lượng Loadcell: Cảm biến đóng vai trò quan trọng, là đầu vào

của Arduino, mục đích là cân trọng lượng vật liệu

- Bộ biến đổi ADC (module chuyển đổi tín hiệu HX-711): Là các thiết bị biến đổi tín hiệu tương tự- số, số- tương tự để giao tiếp giữa Arduino với cảm biến Loadcell

- LCD: hiển thị khối lượng và khối lượng max cài đặt của người sử dụng

- Module RTC DS 1307 là module thời gian thực giúp hỗ trợ việc in ấn xuất file

để kiểm tra, xem xét khi cần gọi ra

- Module I2C: Thông thường, để sử dụng màn hình LCD, ta sẽ phải mất rất nhiều chân trên Arduino để điều khiển Do vậy, để đơn giản hóa công việc, người ta

đã tạo ra một loại mạch điều khiển màn hình LCD sử dụng giao tiếp I2C Nói một cách đơn giản, ta chỉ tốn 2 dây để điều khiển màn hình, thay vì 8 dây như cách thông thường

- Bộ nút bấm keypad: là bàn phím 4x4 dùng để nhập dữ liệu vào cho arduino, nhập giá trị khối lượng Max

2.2 Giới thiệu chung về Arduino Uno R3

Hình 2.1 Module Arduino Uno R3

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Năng lượng: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng

- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

- Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy, nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

- Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

 Bộ nhớ: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà ta phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra



Hình 2.3 Các cổng vào ra của Arduino Uno R3

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có

2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Lập trình cho Arduino: Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring,

một số khác thì gọi là C hay C/C++ Riêng tôi thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và

đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển

dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây

Hình 2.4 Giao diện IDE dùng để lập trình Arduino

Đoạn mã nguồn như trong hình sẽ điều khiển một đèn LED nhấp nháy với chu

kì 1 giây

2.3 Cảm biến Loadcell

Hiện nay có nhiều loại Loadcell do nhiều hãng khác nhau chế tạo Chúng phân biệt với nhau ở phạm vi hoạt động, dải đo, độ chính xác và nhiều thông số khác Việc lựa chọn loại Loadcell phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể Dưới đây giới thiệu về Loadcell thí nghiệp 5kg

Hình 2.5 Loadcell 5kg

Bảng các thông số kỹ thuật chính của loadcell 5kg

Đây là mạch đọc giá trị cảm biến Loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho Arduino

Hình 2.7 Cấu trúc bên trong của Hx 711

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V

- Dòng tiêu thụ: <1.5Ma

- Tốc độ lấy mẫu: 10 – 80sps(tùy chỉnh)

- Độ phân giải: 24 bit ADC

- Độ phân giải điện áp: 40mV

- Kích thước: 38 x 21 x 10 mm

2.5 LCD

Trong những năm gần đây LCD đang ngày càng được sử dụng rộng rãi thay thế dần cho các đèn LED (các đèn LED 7 đoạn hay nhiều đoạn) Đó là vì các nguyên nhân sau: