Khảo sát và thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng

THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS Lý Anh Tú Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày tháng năm HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐHBK TPHCM-2009 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG TRƯỞNG Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20-03-1979 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật MSHV: 01206275 1- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ MỘT SỐ HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Khảo sát tổng quan cảm biến đo lường, sở lý thuyết đo lường khối lượng, hệ cân điện tử Phân tích đề xuất linh kiện sử dụng, thiết kế phần cứng, chương trình điều khiển xây dựng phần mềm giao tiếp với máy tính Đo phân tích kết đạt hệ cân cảm biến khối lượng thiết kế 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2009 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20-12-2009 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lý Anh Tú Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô truyền đạt kiến thức chuyên ngành, làm tảng cho hồn thành đề tài suốt thời gian tơi theo học Cao học Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Tơi xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang Linh tạo tiền đề cho thực luận văn Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy Lý Anh Tú, động viên, cung cấp kiến thức tận tâm hướng dẫn suốt thời gian thực luận văn Tôi gửi lời cảm ơn lời chúc tốt đẹp đến tập thể anh chị, bạn học viên cao học học chung với năm qua Tôi gửi lời tri ân đến gia đình, người ln cận kề, động viên tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành tốt luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009 Nguyễn Quang Trưởng HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 TÓM TẮT LUẬN VĂN Từ sau kỷ XX, phát triển công nghệ cảm biến với vi xử lý mang lại nhiều ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhân loại Cảm biến trở thành phần thiếu ứng dụng khoa học, công nghiệp tiêu dùng Các hệ thống số phức tạp thơng minh, chúng nhận thơng tin từ giới bên ngồi nhờ cảm biến Các cảm biến thiết bị giao tiếp tín hiệu vật lý khác mạch điện tử Nói cách khác, cảm biến mắt, tai mũi xử lý, robot cơng nghiệp, người máy, thiết bị máy móc… Trong đo lường, cảm biến biến đổi tín hiệu vật lý cần đo nhiệt độ, áp suất, lực,… thành tín hiệu điện để xử lý tính toán mạch điện tử Với đời cảm biến khối lượng (load cells) kết hợp với mạch điện tử làm thay đổi lớn việc xác định khối lượng so với phương pháp học trước Nhờ tính linh hoạt vi mạch điện tử: vi xử lý, ngày việc xác định khối lượng vật không đơn giản xác định khối lượng phương pháp học mà cịn giao tiếp với máy tính, điều khiển thiết bị khác,… Tuy nhiên, nước ta chưa tự thiết kế sản xuất sản phẩm thương mại Đứng trước nhu cầu đó, việc khảo sát thiết kế số hệ cân cảm biến khối lượng việc làm cần thiết Khảo sát thiết kế bước khởi đầu để tiếp tục nghiên cứu, phát triển hoàn thiện đời sản phẩm thương mại sản xuất Việt Nam HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 ABSTRACT From latter haft of the 20th century, the growing of sensor technology along with microprocessors has brought in many applications in verious fields of humankind Sensors have become an essential part of scientific, industrial and consumer applications Digital systems, however complex and intelligent they might be, must receive information from the outside world by sensors Sensors are interface devices between various physical signals and electronic circuits In other words, sensors are the eyes, ears and noses of microprocessors, industry robot, high technology equipments… In measurement, sensor transforms physical variable of interest (the measurand) such as temperature, pressure, force… into electric signals for processing and computting With the invention of strain gage load cells and electronic circuit made the great change of weight determined compare with mechanical balance method before By the flexibility of micro-chip: microprocessor, today the weight measurement of an object is not only simple measure like mechanical methods but also connected with computer, control other devices,… However, in our country we haven’t designed and manufactured any weighing scale yet Grasping the importance of that, we have studied and designed some weighing scales which are necessary to This studying and designing is the first base to the further research, develope and complete for trading products which made in Vietnam HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 MỤC LỤC Trang Đề mục Trang bìa Thơng tin luận văn .1 Nhiệm vụ luận văn .2 Lời cảm ơn Tóm tắt Mục lục PHẦN 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 12 PHẦN 2: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG 13 Cảm biến, tín hiệu hệ thống .13 Phân loại cảm biến 15 Đơn vị đo 17 Các đặc tính cảm biến 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG KHỐI LƯỢNG 33 Đo lường xác .33 Khối lượng trọng trượng 36 Sự thay đổi gia tốc trọng trường 37 Các tiêu chuẩn đo lường khối lượng 37 Cảm biến khối lượng strain gage 38 Các dụng cụ, thiết bị đo khối lượng 48 CHƯƠNG 3: CÁC HỆ CÂN ĐIỆN TỬ 51 Hệ cân phân tích 51 Hệ cân công nghiệp .52 Hệ cân định lượng đóng gói sản phẩm 54 Các thông số kỹ thuật cân điện tử 55 HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC HÀNH CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ 57 Họ vi điều khiển MCS-5 .57 Bộ chuyển đổi tương tự - số CS5513 77 Bộ khuếch đại thuật toán OPA2277 82 Cảm biến tải (load cells) .85 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 86 Sơ đồ khối .86 Chức khối .87 Thiết kế chi tiết .88 3.1 Khối nguồn .88 3.2 Khối bàn phím 89 3.3 Khối xử lý điều khiển 90 3.4 Khối hiển thị LED 91 3.5 Khối cảm biến tải .93 3.6 Khối giao tiếp liệu nối tiếp 95 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 96 Giải thuật chương trình .96 Giải thuật chương trình qt phím 98 Giải thuật chương trình đọc liệu ADC 100 Giải thuật chương trình tính tốn khối lượng hành 101 Giải thuật chương trình hiệu chuẩn 102 Giải thuật chương trình quét LED 104 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH 105 Giải thuật chương trình truyền liệu nối tiếp 105 Chương trình truyền liệu máy tính 106 Giao diện chương trình .113 HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 CHƯƠNG 5: ĐO VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRÊN HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐÃ THIẾT KẾ 114 Mơ hình thiết kế 114 Sai số hiệu chuẩn 115 Độ lặp lại 115 Sai số góc 117 Độ hồi sai tuyến tính 117 PHẦN 4: KẾT LUẬN 119 Kết đạt .119 Hướng phát triển .120 Tài liệu tham khảo 121 Phụ lục 123 Mã nguồn chương trình Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết kế Sơ đồ mạch in Lý lịch trích ngang 138 HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 PHẦN 1: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG Ngày với phát triển nhanh chóng ngành điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu… đặc biệt vi xử lý, cảm biến sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác Theo thời gian, công nghệ cảm biến đạt phát triển vượt bậc Độ nhạy cảm biến ngày cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn, kích thước trở nên nhỏ hơn, tính lựa chọn tốt giá thấp Phần lớn ứng dụng điều khiển máy tính mà vi xử lý thành phần Vi xử lý , đơi gọi vi xử lý, linh kiện điện tử máy tính chế tạo từ tranzito thu nhỏ tích hợp lên vi mạch tích hợp đơn Khối xử lý trung tâm (CPU) m� LM2675/SO OPA2277 R9 10u R3 10k 10k U2 J12 C2 562 C3 1k 104 0.02u R4 540 C6 474 vref Ain+ Ain- R10 330 R11 330 Cs Cs Sdo Sclk D2 D1N4007 U1B R21 6.8v Bat 1k R22 R13 R20 Q3 Q4 100k 100k U3 11 VC 12 cs5513 R12 R15 Sclk OPA2277 C8 R7 101 100k C5 104 0.02u +5v Q2SA1015 100k R25 1k 1k led xanh IN- R24 10k VREF D4 IN+ Q2 1k 330 R5 10k ILIM R23 Q2SC1815 100 R17 ISENSE C4 R19 V+ R14 3.8k 200 10 VOUT VZ R2 Q2SA1015 D1 + R16 0.80 /2W - Q1 TIP31C D Sdo Bat J3 BR805D VOUT V+ Input VIN V- U6 1 F1 + - CB J11 GND J2 FB D6 2 C10 V- R18 13 COMP led 101 3.3k D5 10k LM723 C L4 L3 L2 L1 L0 L[0:5] lg lkg lgt lkgt L5 Ql6 L4 L3 Ql5 Ql4 Q2SA1015 Q2SA1015 R47 B R48 R47t L2 Ql3 L1 Ql2 Gross Tare Unit On /Off On /Zero Mode lg lkg L0 Ql1 Q2SA1015 Q2SA1015 Q2SA1015 Q2SA1015 R48t 470 470 470 470 lg lkg lgt lkgt LED LED LED LED +5v Rk6 Rk5 4.7k J5 Rk4 4.7k J4 Rk3 4.7k J3 Rk2 4.7k J2 Cd1 33p Rk1 4.7k J1 +5v 4.7k Y1 Cd2 J0 J[0:5] 19 18 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 VCC A0 A1 A2 WP AT89C51 16k SDA SCL 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 J0 J1 J2 J3 J4 J5 lgt J[0:5] Rxd Txd Sdo CS Sclk SDA SCL lkgt 29 B 30 +5v Rs1 GND 16k SDA SCL PSEN ALE/PROG RST Rr2 Un1 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD XTAL1 XTAL2 11.059 33p Rr1 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 31 Uv1 39 38 37 36 35 34 33 32 EA/VPP B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 +5v Rm1 R01 a b c d e f g DP Ro2 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 R01 a b c d e f g DP Ro2 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 R01 a b c d e f g DP Ro2 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 R01 a b c d e f g DP Ro2 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 R01 Ro2 L5 a b c d e f g DP R01 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 10 a b c d e f g DP B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 40 seg VCC LED7D1 seg GND LED7D2 seg 20 LED7D3 seg LED7D4 seg Ro2 LED7D5 seg 10k RL~=330-390 R29 R30 R31 1k R32 1k R33 1k R34 1k R35 1k R36 1k 1k 330 B[0:7] LED7D6 C Cs1 100 Rs2 +5v 10k +5v +5v +5v +5v +5v +5v R37 R38 R39 R26 R27 R37t 100k 100k 100k 100k 100k 100k Tout 13 Txd 11 10 Ct2 1u RS232 Gross Tare Unit On /Off Zero Mode Ct3 1u A SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 nn nn nn nn nn nn R1IN R2IN Ct6 16 1n VCC Ct1 1u Ux1 Cong noi tiep R1OUT R2OUT T1IN T2IN T1OUT T2OUT C1+ C2+ C1- C2- V+ MAX232 GND Reset reset V- Rxd 12 Tout 14 Ct4 1u Ct5 15 10u AT24C64 1u A ... 01206275 1- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ MỘT SỐ HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Khảo sát tổng quan cảm biến đo lường, sở lý thuyết đo lường khối lượng, hệ cân điện tử Phân... Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 CHƯƠNG 5: ĐO VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRÊN HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐÃ THIẾT KẾ 114 Mơ hình thiết kế ... sản xuất sản phẩm thương mại Đứng trước nhu cầu đó, việc khảo sát thiết kế số hệ cân cảm biến khối lượng việc làm cần thiết Khảo sát thiết kế bước khởi đầu để tiếp tục nghiên cứu, phát triển hoàn