Ứng dụng Loadcell cho mô hình nâng tải tự động 2 tầng (có code và giải thuật)

BỘ GIAO THÔNG VẬNTẢI TRƯỜNG ĐẠIHỌCGIAOTHÔNG VẬNTẢI TP.HCM KHOA ĐIỆN–ĐIỆN TỬ _ ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐO THIẾT KẾ MÔ HÌ NH THIẾT BI ̣ ĐO KHỐI LƯỢNG ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG NÂNG TẢI TỰ ĐỘNG GVHD: Lê Thi Ngo ̣ c̣ Quyên THÀNH VIÊN NHÓM 10 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời kỳ công nghiê ̣p hóa hiê ̣n đa ̣i hóa ngày nay, các thiế t bi, ̣ ̣ thố ng tự đô ̣ng hóa đóng mô ̣t vai trò rấ t quan tro ̣ng đă ̣c biê ̣t là quá triǹ h sản xuấ t ở các phân xưởng, nhà máy, dây chuyề n tự đô ̣ng cuñ g phu ̣c vu ̣, cải thiê ̣n chấ t lượng cuô ̣c số ng của mỗi gia điǹ h, Trong nhiều thiết bị kỹ thuật ứng dụng đời sống hàng ngày, tương tác điện tử cảm biến ngày đóng vai trò quan trọng Vì thế, kết hợp Điện tử Công nghệ Cảm biến xem ngành kỹ thuật phát triển với triển vọng lớn Công nghệ hệ thống cảm biến đóng vai trò chủ chốt phát kiến kỹ thuật Nó giúp cho mạch thông minh điện tử hệ thống (chẳng hạn thông qua vi xử lý) nhận biết môi trường phi điện tử (non-electronic) xung quanh Áp du ̣ng những kiế n thức mà chúng em đa ̃ đa ̣t được quá triǹ h ho ̣c môn Đo và kế t hợp với những kiế n thức bản từ những môn ho ̣c trước, và được sự phân công của giáo viên bô ̣ môn Em quyế t đinh ̣ cho ̣n đề tài: THIẾT KẾ MÔ HÌNH THIẾT BI ̣ĐO KHỐI LƯỢNG ỨNG DỤNG CHO HÊ ̣ THỐNG NÂNG TẢI TỰ ĐỘNG Với khả của bản thân còn ̣n chế và thời gian nghiên cứu đề tài chưa được nhiề u nên đề tài của chúng em không tránh khỏi những sai sót, khiế m khuyế t Đồ án được chia làm 03 chương: Chương 1: PHÂN TÍCH HÊ ̣ THÔNG Chương 2: THIẾT KẾ HÊ ̣ THỐNG Chương 3: KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: PHÂN TÍ CH HỆ THỐNG 1.1 MỤC ĐÍ CH YÊU CẦU CỦ A ĐỀ TÀ I - - Mu ̣c đić h đề tài: Đầ u vào là khố i lượng của mô ̣t vâ ̣t thông qua bô ̣ cảm biế n khố i lượng LOADCELL được tić h hợp vào sẵn buồ ng thang từ tầ ng 1, thông qua bô ̣ chuyể n đổ i mức chênh lê ̣ch điê ̣n áp thành khố i lượng, sau đó khố i xử lý se ̃ xữ lý tiń hiê ̣u và hiể n thi ̣ qua LED và cấ p tiń hiê ̣u hoa ̣t đô ̣ng cho khố i đô ̣ng lực để chuyể n vâ ̣t lên tầ ng Yêu cầ u đề tài: + Hiển thi ̣chinh ́ xác khố i lươ ̣ng của vâ ̣t cầ n chuyển lên tầ ng + Tố c đô ̣ đáp ứng của khố i lươ ̣ng + Cơ cấ u chấ p hành lênh ̣ của khố i đô ̣ng lư ̣c + Buồ ng thang dừng đúng tầ ng và tầ ng có tiń hiêụ điề u khiển 1.2 KHẢ O SÁT VÀ PHÂN TÍ CH ĐỀ TÀ I - Sơ đồ quy trinh ̀ của buồ ng thang máy hoa ̣t đô ̣ng start ̀ đo và Vật cân chuyê ̉n tầng Cảm biê ́n ADC Vi xử lý s Kg vật ≤ KGmax Đ s BUTTON = Đ Chuyê ̉n tầng 1.3 SƠ ĐỒ TỪNG KHỐI KHỐI CHUYỂN ĐỔI KHỐI XỬ LÝ KHỐI CHẤP HÀ NH ( RELAY, CTHT, NÚ T NHẤN ) KHỐI CÔNG SUẤT( MẠCH LM298, ĐỘNG CƠ ) KHỐI CẢ M BIẾN LOADCELL KHỐI CẤP NGUỒN CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI KHỐI CẢM BIẾN 1.1 Sơ lươ ̣c về các phương pháp đo, và cảm biến đươ ̣c dùng 1.1.1 Nguyên lý đo khố i lượng - Trong vâ ̣t lý ho ̣c, mố i quan ̣ giữa lực và khố i lượng được xác đinh ̣ bằ ng đinh ̣ luâ ̣t II Newton Theo đó lực tác du ̣ng vào vâ ̣t bằ ng tić h số giữa khố i lượng m và gia tố c a, công thức: F = m.a - Trong đó - + F : lực tác du ̣ng vào vâ ̣t ( N ) + m : khố i lượng của vâ ̣t (kg) + a : Gia tố c của vâ ̣t ( m/𝑠 ) Tro ̣ng lực là mô ̣t trường hợp đă ̣c biê ̣t của công thức này Dưới tác du ̣ng của lực hút trái đấ t, - vâ ̣t có khố i lượng m chiụ tác du ̣ng của tro ̣ng lực P = m.g ( với g = 𝑚/𝑠 : gia tố c ̣ trường ) Các phương pháp đo khố i lượng của vâ ̣t dựa mố i quan ̣ của biể u thức này 1.1.2 Cảm biế n điê ̣n trở lực căng (strain gauge ) Sức căng 𝜀 được xác đinh ̣ bằ ng sự thay đổ i chiề u dài ∆𝐿 của đàn hồ i L so với mô ̣t đơn vi ̣ chiề u dài: 𝜀= - - Do có lực F tác đô ̣ng vào L, làm xuấ t hiê ̣n sức căng 𝜀, 𝜀 thay đổ i dẫn đế n thay đổ i giá tri ̣ điê ̣n trở của thanh, điê ̣n trở thay đổ i dẫn đế n điê ̣n áp qua điê ̣n trở thay đổ i Cảm biế n sức căng hoa ̣t đô ̣ng dựa nguyên tắ c này Thừa số cảm biế n sức căng G được quy đinh ̣ là tỷ số của sự biế n đổ i đơn vi ̣ của điê ̣n trở so với sức căng : G= - - ∆𝐿 𝐿 Trong đó: • • • • ∆𝑅 𝑅 ∆𝐿 𝐿 ∆𝑅.𝐿 = ∆𝐿.𝑅 ∆𝑅 ∶ sự thay đổ i của điê ̣n trở (Ω) 𝑅 ∶ điê ̣n trở của cảm biế n sức căng Strai Gauge (Ω) ∆𝐿 : sự thay đổ i chiề u dài (m) 𝐿 : chiề u dài của cảm biế n (m) Khi tác du ̣ng mô ̣t lực F lên tiế t diê ̣n cắ t ngang A, lúc đó se ̃ xuấ t hiê ̣n mô ̣t ứng suấ t (N/𝑚2 ) ở đàn hồ i, đồ ng thời xuấ t hiê ̣n mô ̣t Module đàn hồ i - S= 𝑭 𝑨 𝑺 E = = const 𝑨 Đố i với đàn hồ i đô ̣ dày (chiề u cao) là h, và chiề u rô ̣ng là b, và có Strain Gauge dán trực tiế p lên bề mă ̣t ở vi ̣ trí cánh điể m lực tác đô ̣ng là 𝐿′, lúc đó ứng suấ t được xác đinh ̣ theo biể u thức S= 6.𝑭.𝐿′ 𝒃.𝒉𝟐 - Từ các biể u thức trên, suy : ∆𝑅 𝑅 - = 6.𝐺.𝐿′ 𝒃.𝒉𝟐 𝑬 F Từ biể u thức ta có mố i quan ̣ tuyế n tiń h giữa lực tác đô ̣ng và sự thay đổ i giá tri ̣ điê ̣n trở đơn vi ̣ của cảm biế n Từ phép đo ∆𝑅 ta có thể xác đinh ̣ đô ̣ lớn lực tác du ̣ng  Đó chiń h là nguyên tắ c hoa ̣t đô ̣ng của cảm biế n sức căng SG SG cho phép sử du ̣ng để đo lực tác đô ̣ng tro ̣ng lượng của vâ ̣t 1.2 Đo khối lươ ̣ng bằng Cảm biêń khối lươ ̣ng (LOADCELL) - 1.2.1 Cấ u tạo và nguyên lý hoạt động Trong LC thường sử du ̣ng SG mắ c theo ma ̣ch cầ u H (hiǹ h 1.2.1b) Trong đó sử du ̣ng SG 𝑅1 và 𝑅3 gắ n ở mă ̣t trên, SG khác 𝑅2 và 𝑅4 gắ n ở mă ̣t dưới (hiǹ h 1.2.1a) Hình 1.2.1a LOADCELL có lực tá c du ṇ g - - Khi không có lực tác du ̣ng vào cảm biế n các SG 𝑅1 và 𝑅4 ở tra ̣ng thái với sức căng cân bằ ng và điê ̣n thế bằ ng lúc đó ma ̣ch cầ u mạch cầu wheatstone cân bằ ng Khi có lực tác đô ̣ng, làm uố n cong đàn hồ i dẫn đế n viê ̣c tăng sức căng các cảm biế n 𝑅1 và 𝑅3 , và giảm hái cho nút nhấ n => lúc đó đông ̣ cha ̣y nghich ̣ (tức di chuyển lên tầ ng) => đông ̣ di chuyển lên tầ ng 26 dung ̣ 4.5 CTHT1 => dông ngưng Cứ thế nế u muố n xuố ng tầ ng dưới thì minh ̀ bấ m nút N hinh ̀ KHỐI ĐỘNG LỰC 5.1 Ma ̣ch điề u khiể n đô ̣ng L298N 5.1.1 Tổ n g quan về L298N - IC L298N là ma ̣ch tich ́ hơ ̣p đơn chiṕ có kiểu vỏ công suấ t 15 chân Là Ic ma ̣ch cầ u đôi, có khả hoa ̣t đông ̣ ở điê ̣n thế cao, đòng cao, đươ ̣c thiế t kế tương thić chuẩn TTL và lái tải cảm kháng relay, cuôṇ solenoid, đông ̣ Dc và đông ̣ bước - Có chân Enable (cho phép/không cho phép) IC hoa ̣t đông, ̣ đôc̣ lâ ̣p với chân tiń hiêụ vào Cư ̣c phát emitter của transistor dưới của mổi ma ̣ch cầ u H đươ ̣c nố i với và nố i chân ngoài để nố i với điêṇ trở cảm ứng dòng cầ n Nó có thêm mô ̣t chân cấ p nguồ n giúp ma ̣ch logic có thể hoa ̣t đô ̣ng ở điêṇ thế thấ p (hinh ̀ 5.1.2) 5.1.2 Sơ đồ khố i 27 Hình 5.1.2 Sơ đồ L298N 5.1.3 Cá c giá tri chi ̣ ̣u đựn g tố i đa Symbo l VS VSS VI,Ven IO Vsens P tot Paramet er Value Power Supply Logic Supply Voltage Input and Enable Voltage Peak Output Current (each Channel) – Non Repetitive (t = 100 s) –Repetitive (80% on –20% off; ton = 10ms) –DC Operation Sensing Voltage Total Power Dissipation (Tcase = 75 C) 28 50 –0.3 to Uni t V V V 2.5 –1 to 2.3 25 A A A V W Top Tstg, Tj –25 to 130 –40 to 150 Junction Operating Temperature Storage and Junction Temperature C C 5.1.4 Sơ đồ chân 5.1.5 Thông số về nhiê ̣t đô ̣ Sym bol Pow erSO20 Multiw att15 Unit Rth j-case Thermal Resistance Junction-case Param eter Max – C/W Rth j-amb Thermal Resistance Junction-ambient Max 13 (*) 35 C/W 5.1.6 Chức các chân Sym bol Param eter VS Supply Voltage (pin 4) V SS Logic Supply Voltage (pin 9) Test Conditions Min 4.5 V en = H; IL = Typ V IH +2.5 Operative Condition Max Unit 46 V V Vi = L Vi = H Vi = X 13 50 22 70 mA mA mA Vi = L Vi = H Vi = X 24 36 12 mA mA mA 1.5 V IS Quiescent Supply Current (pin 4) ISS Quiescent Current from V SS (pin 9) V iL Input Low Voltage (pins 5, 7, 10, 12) –0.3 V iH Input High Voltage (pins 5, 7, 10, 12) 2.3 VSS V –10 A 100 A –0.3 1.5 V 2.3 V SS V –10 A 30 100 A 0.95 1.35 1.7 2.7 V V 0.85 1.2 1.7 1.6 2.3 V V V en = L V en = H; IL = V en = L IiL Low Voltage Input Current (pins 5, 7, 10, 12) Vi = L IiH Vi = H  V SS –0.6V V en = L High Voltage Input Current (pins 5, 7, 10, 12) Enable Low Voltage (pins 6, 11) V en = H Enable High Voltage (pins 6, 11) Ien = L Low Voltage Enable Current (pins 6, 11) V en = L Ien = H High Voltage Enable Current (pins 6, 11) V en = H  V SS –0.6V IL IL IL IL V CEsat (H) Source Saturation Voltage V CEsat (L) Sink Saturation Voltage = = = = 1A 2A 1A (5) 2A (5) 29 30 V CEsat Total Drop V sens Sensing Voltage (pins 1, 15) IL = 1A (5) IL = 2A (5) 5.2 Sơ đồ đấ u nố i ma ̣ch chấ p hành và đô ̣ng lực 30 1.80 3.2 4.9 –1 (1) V V V ... từ Loadcell 17 3.4 Lâ ̣p trinh ̀ cho arduino 19 CHẤP HÀ NH LÊNH ̣ 22 4.1 Công tắ c hành trinh ̀ 22 4 .2 Relay điề u khiển 23 4.3... Voltage (pins 5, 7, 10, 12) –0.3 V iH Input High Voltage (pins 5, 7, 10, 12) 2. 3 VSS V –10 A 100 A –0.3 1.5 V 2. 3 V SS V –10 A 30 100 A 0.95 1.35 1.7 2. 7 V V 0.85 1 .2 1.7 1.6 2. 3 V V V en = L V... dòng cầ n Nó có thêm mô ̣t chân cấ p nguồ n giúp ma ̣ch logic có thể hoa ̣t đô ̣ng ở điêṇ thế thấ p (hinh ̀ 5.1 .2) 5.1 .2 Sơ đồ khố i 27 Hình 5.1 .2 Sơ đồ L298N 5.1.3 Cá c giá tri