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) vi xử lý nhiều người biết đến nhiều thành phần khác máy tính có vi xử lý riêng nó, ví dụ card hình (video card) có vi xử lý Trước xuất vi xử lý, CPU xây dựng từ mạch tích hợp cỡ nhỏ riêng biệt, mạch tích hợp chứa khoảng vào chục tranzito Do đó, CPU bảng mạch gồm hàng ngàn hay hàng triệu vi mạch tích hợp Ngày nay, cơng nghệ tích hợp phát triển, CPU tích hợp lên vài vi mạch tích hợp cỡ lớn, vi mạch tích hợp cỡ lớn chứa hàng ngàn hàng triệu tranzito Nhờ cơng suất tiêu thụ giá thành vi xử lý giảm đáng kể Sự tiến hóa vi xử lý phần nhờ vào việc chạy theo Định luật Moore hiệu suất tăng lên cách ổn định sau hàng năm Định luật phát biểu phức tạp mạch tích hợp tăng lên gấp đơi sau chu kỳ 18 tháng Và thực tế, phát triển vi xử lý bám sát định luật từ năm 1970 Nhờ đó, từ máy tính mẹ (mainframe computer) lớn máy tính xách tay sử dụng vi xử lý nhỏ nhắn trung tâm chúng Các vi xử lý thiết bị số điều khiển mã nhị phân từ tín hiệu điện Tuy nhiên, sống giới, nơi mà chức năng, thiết bị, đối tượng số Hơn nữa, giới nhìn chung khơng phải là điện (một phần từ mức phân tử, nguyên tử) Các hệ thống số phức tạp HVTH: Nguyễn Quang Trưởng GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐHBK TPHCM-2009 thơng minh, chúng nhận thơng tin từ giới bên 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 “chip silicon “: robot cơng nghiệp, người máy, thiết bị máy móc … Cảm biến trở thành phần giới, nhân loại Hầu hết tín hiệu vật lý phát cảm nhận cảm biến, giám sát khuếch đại, mạch điện sau hiển thị ghi lại Trong lĩnh vực đo lường, cảm biến phận quan trọng thiếu thiết bị đo Các tín hiệu vật lý ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, lực, gia tốc, … chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ cảm biến Từ có nhiều cảm biến khác chúng phân thành hai loại cảm biến tích cực cảm biến thụ động Cảm biến tích cực cảm biến tạo tín hiệu mà không cần nguồn cung cấp bên ngồi Ví dụ tế bào quang điện, cặp nhiệt điện thiết bị áp điện (piezoelectric) Còn lại cảm biến thụ động cần nguồn cung cấp bên Chúng hoạt động cách điều chế điện áp dòng điện cung cấp Phân loại khác cảm biến thụ động thường gọi chỉnh sửa, sử dụng dạng lượng đầu đầu vào Khối lượng thước đo lượng (nhiều hay ít) vật chất chứa vật thể Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lượng Việt Nam, tuân theo hệ đo lường quốc tế, kilôgam Các quốc gia khác giới sử dụng đơn vị đo khác Khối lượng vật đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ qn tính vật Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn cần có lực lớn để làm thay đổi chuyển động Mối liên hệ quán tính với khối lượng Isaac Newton phát biểu định luật Newton Khối lượng vật đặc trưng cho mức độ vật hấp dẫn vật thể khác, theo định luật vạn vật hấp dẫn Newton Vật có khối lượng lớn tạo xung quanh trường hấp dẫn lớn Theo thuyết tương đối rộng Albert Einstein hai khối lượng Khối lượng đại lượng vật lý hệ đo lường quốc tế SI việc xác định khối lượng vật quan trọng Trước việc xác định khối lượng vật thực phương pháp học sở xác định độ HVTH: Nguyễn Quang Trưởng 10 GVHD: TS Lý Anh Tú THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG sbit P36 = P3^6; /* SFR for P1.1 */ sbit P35 = P3^5; /* SFR for P1.1 kled*/ ĐHBK TPHCM-2009 void delay() { unsigned short i; for(i=1;i