đồ án CÂN ĐIỆN TỬ LOADCELL 5KG

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN PH CÂN ĐIỆN TỬ 5KG CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN, ĐIỆN TỬ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS N TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020 MỤC LỤC 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH STT 10 Tên hình Hình 1: Arduino Nano Hình 2: Sơ đồ chân Arduino Nano Hình 3: Loadcell 5kg Hình 4: Cấu tạo Loadcell Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 Hình 6: LCD 1602 Hình 7: Sơ đồ khối Hình 8: Sơ đồ nguyên lý Hình 9: Lưu đồ giải thuật Hình 10: Hình ảnh thiết bị Trang 6 7 9 10 11 12 MỞ ĐẦU Mục tiêu đề tài: tạo hội tìm hiểu thực hành cách thiết thực nội dung lý thuyết môn học, 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 hình LCD xanh hiển thị cân nặng đơn vị gam - Có nút nhấn dùng để lấy lại mức không (reset zero) sử dụng thêm đĩa cân vật chứa cần cân trọng lượng Phương pháp nghiên cứu: Dựa kiến thức học kết hợp với tìm tịi, 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 Mặt khác, đề tài tài liệu tham khảo cho nghiên cứu có liên quan áp dụng cho thực tế Báo cáo chuyên đề gồm chương: Chương 1: Giới thiệu chung đề tài cân điện tử Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế thi công Chương 4: Kinh nghiệm rút 4 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ 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 Giao diện: Màn hình LCD đơn giản, dễ quan sát số liệu Có nút reset zero Mơ hình cân điện tử tạo kết nối mạch arduino, mạch cân loadcell, mạch nút nhấn - hiển thị Trong mạch ardruino làm nhân tố trung tâm để liên lạc thiết bị khác với 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 Arduino có chức xử lý tín tín hiệu đến từ nút nhấn loadcell gửi tín hiệu điều khiển đến mạch hiển thị CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong vật lý học, mối quan hệ lực khối lượng xác định định luật II Newton, mà theo lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m tích số khối lượng gia tốc nó, tức là: F = ma (1) Trọng lực trường hợp công thức Dưới tác dụng sức hút trái đất, vật có khối lượng chịu tác dụng trọng lực P = m.g với g gia tốc trọng trường số cố định khu vực Các phương pháp đo khối lượng dựa vào quan hệ 5 Cơng thức (1) khơng có nghĩa khơng có lực vật thể khơng có gia tốc mà có nghĩa khơng có lực cân thực Hai lực cân đối tác động lên vật thể cân bằng, không tạo nên gia tốc Có hai cách để tạo nên lực cân bằng: phương pháp cân phương pháp dịch chuyển Cân đòn cân ứng dụng cảm biến lực cân vào việc đo khối lượng Một khối lượng chưa biết đặt đĩa cân Các cân hiệu chỉnh xác có kích thước khác đặt đĩa bên cân Khối lượng chưa biết tổng khối lượng cân đặt lên Cánh tay cân dùng việc đo khối lượng chế tạo để chịu thay đổi nhiệt độ hai đầu tay đòn Thay đổi chiều dài l1 đến hệ thống cân Theo định luật moment hệ thống cân khi: P1.l1 = P2.l2 Suy m1gl1 = m2gl2 Với g không đổi m1.l1 = m2.l2 Theo biểu thức trên, khoảng cách chiều dài khối lượng chuẩn biết suy khối lượng cần tìm Cân đồng hồ lò xo thực tế ứng dụng đo khối lượng thông qua dịch chuyển tác dụng trọng lực vật khối lượng m gây Khối lượng chưa biết đặt giá cân treo lò xo hiệu chỉnh Lò xo di động lực đàn hồi lò xo cân với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết Lượng di động lò xo dùng để đo khối lượng chưa biết Ở cân đồng hồ thị kim, lượng di động lò xo làm kim quay thông qua cấu bánh với tỷ lệ hợp lý góc quay kim xác định khối lượng vật cần cân Một cách khác cân vật cấp nguồn DC cho biến trở xoay Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thơng qua cấu di chuyển thích hợp làm xoay biến trở điện áp 6 lấy thay đổi Điện áp đưa chuyển đổi A/D xử lý Tuy nhiên khó khăn lớn phương pháp khó tìm biến trở tuyến tính Ngồi cịn sử dụng Encoder đếm để đếm số xung phát encoder xoay di chuyển Sơ đồ hai hệ thống cân loại vẽ hình sau: Cảm biến lực dùng việc đo khối lượng sử dụng phổ biến loadcell Đây kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưa biết tác động vào phận đàn hồi, lượng di động phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết Sau giới thiệu loại cảm biến CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ 3.1 Giới thiệu thiết bị phân cứng sử dụng cho cân điện tử 3.1.1 Máy vi tính Máy vi tính thiết bị thiếu sống đại nghiên cứu, ngành điện tử có lập trình Trong nội dung đề tài này, sử dụng máy vi tính có cài sẵn số phần mềm cần thiết : - Phần mêm Arduino IDE dùng để rà soát lỗi biên dịch lệnh cho arduino Phần mềm Proteus : dùng để vẽ mạch nguyên lý mạch in để làm mạch hiển thịnút 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 3.1.2 Mạch Arduino Nano 3.1.2.1 Hình dáng cơng dụng mạch Arduino Nano Arduino board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi 7 Được giới thiệu vào năm 2005, nhà thiết kế Arduino cố gắng mang đến phương thức dễ dàng, khơng tốn cho người u thích, sinh viên giới chuyên nghiệp để tạo nhiết bị có khả tương tác với mơi trường thơng qua cảm biến cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho 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 thơng thường cho phép người dùng viết chương trình cho Aduino ngơn ngữ C C++ Hình : Arduino Nano Hình 2: Sơ đồ chân Aruino Nano 8 3.1.2.2 Những thông số kỹ thuật đặc điểm mạch Arduino Nano - IC: ATmega328P-AU Điện áp cấp: 5VDC cổng USB 6-9VDC chân RAW Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC Dòng GPIO: 40mA Số chân Digital: 14 chân, có chân PWM Số chân Analog: chân (hơn Arduino Uno chân A6,A7) Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader) SRAM: 2KB EEPROM: 1KB Clock Speed: 16MHz Tích hợp led báo nguồn, led chân D13, led TX, RX Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117 Kích thước: 18.542 x 43.18 mm 3.1.3 Loadcell mạch khuếch đại tín hiệu cân Hx711 3.1.3.1 Loadcell 5kg Hình 3: 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 9 Hình 4: Cấu 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 không gần không bốn điện trở gắn phù hợp giá trị Đó lý cầu điện trở Wheatstone gọi mạch cầu cân 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 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 cịn lại dây tín hiệu (có thể phát xác dây cịn lại dây dây tín hiệu dương dây dây tín hiệu âm cách mắc thử mạch tín hiệu cân âm đảo dây lại khơng cịn tượng Loadcell thực tế sử dụng có dây đỏ dây nguồn dương, dây đen dây trung tính, dây trắng dây tín hiệu dương dây xanh lục dây tín hiệu âm 10 10 3.1.3.2 Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu 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 arduino Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V Dòng điện tiêu thụ: