Cân điện tử dùng loadcell
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐIỆN TỬ CÂN ĐIỆN TỬ DÙNG LOADCELL GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: NGUYỄN THỊ THU HÀ THÁNG 01/2018MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Để tạo hội thực hành nắm rõ kiến thức ngành học, tác giả chọn nghiên cứu thực đề tài: Cân điện tử sử dụng mạch arduino có kết nối với giao diện máy tính Trong khn khổ đề tài, tác giả thực làm mạch phần cứng, phần mềm giao diện sau: Mục tiêu đề tài: tạo hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, đặc biệt mơn Cấu trúc máy tính giao diện mơn Đo lường va điều khiển máy tính Và kế đó, áp dụng nghiên cứu vào thực hành cụ thể để hiểu rõ lý thuyết thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế Đối tượng phạm vi đề tài: Sử dụng mạch arduino, loadcell với thiết bị điện khác để làm cân cân số vật dụng thơng thường có đặc điểm sau: - Cân vật nặng tối đa 5kg - Sử dụng led đơn led đoạn hiển thị cân nặng đơn vị lạng (100 gam) - Có nút nhấn dùng để lấy lại mức không (reset zero) sử dụng thêm đĩa cân vật chứa cần cân trọng lượng - Có thể kết nối với máy tính để theo dõi cân nặng, lấy lại mức không cho cân gửi tín hiệu điều khiển xuống cấu chấp hành cân Phương pháp nghiên cứu: Dựa kiến thức học kết hợp với kiến thức mơn học cấu trúc máy tính giao diện mạch arduino giao diện máy tính với tìm tòi, tổng hợp kiến thức từ nguồn khác để phân tích chọn lựa cách thức ứng dụng phù hợp phục vụ cho thực đề tài Ý nghĩa đề tài: Đề tài cầu gắn kết lý thuyết học với việc thực hiện, tạo sản phẩm thực tế để tăng kiến thức tay nghề học viên Mặt khác, đề tài tài liệu tham khảo cho nghiên cứu co liên quan áp dụng cho thực tế Bố cục đề tài chia làm phần sau: Chương 1: Giới thiệu chung đề tài cân điện tử Chương 2: Viết giao diện máy tính cho cân Chương 3: Thiết kế, thực phần cứng lập trình cho arduino Chương 4: Bài học kinh nghiệm kết luận 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI CÂN ĐIỆN TỬ 1.1 Giới thiệu sơ lược đề tài cân điện tử Đề tài cân điện tử thực dựa số tiêu chí sau: Phần cứng: - Tận dụng linh kiện, chất liệu có sẵn để giảm thiểu chi phí - Sản phẩm cần gọn, nhẹ, dễ kết nối sử dụng - Thiết kế đơn giản bắt mắt Phần mềm: - Dùng kiến thức lập trình học kế thừa liệu, đoạn lệnh người trước, kết hợp phát triển thành phần mềm phù hợp cho phần cứng - Dễ hiểu dễ nghiên cứu - Thời gian đáp ứng nhỏ, có tín hiệu thơng báo reset zero Giao diện: - Đơn giản, bắt mắt, dễ quan sát số liệu - Có nút reset zero Với tiêu chí đó, cân kết nối hình sau: (5) Hình 1: Sơ đồ kế nối cân điện tử Mơ hình cân điện tử tạo kết nối mạch arduino (2) với máy tính (1), mạch cân loadcell (3), mạch nút nhấn - hiển thị (4) động servo (5) Trong mạch ardruino làm nhân tố trung tâm để liên lạc thiết bị khác với Máy tính với giao diện có khả đọc thông tin số mà arduino gửi lên gửi tín hiệu điều khiển đến arduino Mạch cân loadcell có chức đọc giá trị cân nặng gửi cho arduino Mạch hiển thị- nút nhấn có chức hiển thị số tín hiệu từ arduino gửi tín hiệu trạng thái nút nhấn cho arduino Động servo có chức đóng mở van theo tín hiệu điều khiển từ arduino Arduino có chức xử lý tín tín hiệu đến từ máy tính, nút nhấn loadcell gửi tín hiệu tín hiệu cho máy tính tín hiệu điều khiển đến mạch hiển thị động servo 1.2 Giới thiệu thiết bị phân cứng sử dụng cho cân điện tử 1.2.1 Máy vi tính Máy vi tính thiết bị thiếu sống đại nghiên cứu, ngành điện tử có lập trình (4) Trong nội dung đề tài này, tác giả sử dụng máy vi tính có cấu hình trung (1) (2) 2GB) có cài sẵn số phần mềm cần thiết: bình (chíp sử lý core duo- ram (3) - Phần mêm Arduino IDE dùng để rà soát lỗi biên dịch lệnh cho arduino - Phần mềm hỗ trợ lập trình giao diện - Phần mềm Proteus: dùng để vẽ mạch nguyên lý mạch in để làm mạch hiển thị-nút nhấn Internet yếu tố quan trọng hỗ trợ cho việc viết chương trình nạp cho arduino thơng qua thư viện, đoạn code mẫu hướng dẫn khác Máy vi tính kết nối với arduino qua cổng usb cáp phụ kiện arduino 1.2.2 Mạch Arduino Uno R3 1.2.2.1 Hình dáng cơng dụng mạch Arduino Uno R3 Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM Atmel 32bit Những Model trang bị gồm cổng giao tiếp USB, chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, không tốn cho người yêu thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo nhiết bị có khả tương tác với môi trường thông qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho Hình 1: Mạch Arduino Uno R3 người yêu thích bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ phát chuyển động Đi với mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy máy tính cá nhân thông thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngơn ngữ C C++ Hình 1: Các chân kết nối arduino R3 Hình 2: Các chân kết nối chíp Atmega328 chân tương ứng arduino Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch phát triển tới hệ thứ (R3) Dựa vào hình hình 3, hồn tồn thiết kế bo mạch rời với arduino chạy chíp Atmega328 nạp code Arduino Trong đề tài này, tác giả thực thi công bo mạch rời sử dụng chíp arduino Mạch hoạt động độc lập mà không cần sử dụng đến bo arduino để tiết kiệm chi phí Khi cần kết nối với máy tính, cần sử dụng mạch chuyển đổi serial – Usb để kết nối với máy tính Trong trường hợp giao tiếp với chíp vi điều khiển khác, giao tiếp trực tiếp cổng serial 1.2.2.2 Những thông số kỹ thuật đặc điểm mạch Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 1.2.3 Loadcell mạch khuếch đại tín hiệu cân Hx711 1.2.3.1 Loadcell 5kg Cấu tạo loadcell gồm điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành cầu điện trở Wheatstone hình dán vào bề mặt thân loadcell Hình 3: Sơ đồc ấu tạo loadcell Một điện áp kích thích cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) (4) cầu điện trở Wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc Tại trạng thái cân (trạng thái khơng tải), điện áp tín hiệu số khơng gần không bốn điện trở gắn phù hợp giá trị Đó lý cầu điện trở Wheatstone gọi mạch cầu cân Khi có tải trọng lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn nén), điều dẫn tới thay đổi chiều dài tiết diện sợi kim loại điện trở strain gauges dán thân loadcell dẫn đến thay đổi giá trị điện trở strain gauges Sự thay đổi dẫn tới thay đổi điện áp đầu Sự thay đổi điện áp nhỏ, đo chuyển thành số sau qua khuếch đại thị cân điện tử (đầu cân) Trong khuôn khổ đề tài, tác giả chọn sử dụng loại loadcell có khả cân nặng 5kg có thơng số sau: Điện áp điều khiển: 5-10v Tín hiệu đầu ra: tín hiệu điện áp Kích thước: 12,7 x 12.7 x 75mm Hình 4: Loadcell 5Kg Loadcell có dây có màu đen, đỏ, trắng xanh, có dây để cấp nguồn dây cấp tín hiệu Tùy loại loadcell nhà sản xuất mà dây có chức khác thường cặp dây đỏ - đen dây cấp nguồn, dây đỏ cấp nguồn dương dây đen nối mass, dây lại dây tín hiệu (có thể phát xác dây lại dây dây tín hiệu dương dây dây tín hiệu âm cách mắc thử mạch tín hiệu cân âm đảo dây lại khơng tượng Loadcell thực tế nhóm sử dụng có dây dây nguồn dương, dây đen dây trung dây trắng dây tín hiệu dương dây xanh dây tín hiệu âm đỏ tính, lục 1.2.3.2 Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng Hx711 Hình 5: Mạch khuếch đại cân nặng Hx711 Hx711 mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit chuyển sang giao tiếp dây (clock data) để gửi liệu cho vi điều khiển /arduino Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V Dòng điện tiêu thụ: 500 Void setup Nhập giá trị đặt (4) Kiểm tra thời gian nhấn nút (3) Hình 4: Các