2.2.1. Tổng quan về cảm biến cân nặng (Loadcell) 2.2.1.1. Cảm biến Loadcell là gì?
- Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Hiện tại Load cell bao gồm các loại Load cell thủy lực, Load cell khí nén,...
2.2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến Loadcell a. Cấu tạo
Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” và thành phần còn lại là “Load“.
- Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load”
- Load - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
Hình 2.8: Cấu tạo LOADCELL
Một loadcell thường bao gồm các strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế có hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau.
- Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác.
- Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.
- Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.
- Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân).
2.2.1.3. Thông số kĩ thuật cơ bản
- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm
- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi).
- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 – 15 V).
- Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng. - Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).
- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).
- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Load cell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.
2.2.2. Mạch chuyển đổi HX711
Mạch chuyển đổi ADC 24-bit loadcell HX711, module chuyển đổi analog sang digital 24-bit. HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu.
Hình 2.9: Cấu tạo mạch HX711
HX711 không chỉ có một vài chức năng cơ bản, cũng có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu, và độ tin cậy cao.
2.3. THIẾT BỊ HIỂN THỊ LCD2.3.1. Tổng quan về LCD 2.3.1. Tổng quan về LCD
dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẽ …
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, dưới đây là loại LCD thông dụng:
Hình 2.10: Màn hình LCD 16x2 Thông số kỹ thuật:
• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
• Chữ đen, nền xanh lá .
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.
2.3.2. các chân chức năng
Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:
• Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
• Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
• Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
3.1. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG3.1.1. Khối cảm biến LOADCELL 3.1.1. Khối cảm biến LOADCELL
LoadCell cảm biến khối lượng được sử dụng để đo chính xác khối lượng của vật thể. Vì module có độ chính xác cao nên nó được ứng dụng làm cân điện tử. Ngoài ra, Loadcell có thể tích hợp với module chuyển đổi ADC 24bit HX711để giao tiếp với các vi điều khiển: AVR, PIC,…
Độ lệch tuyển tính: 0.05 Số chân: 4 chân
Độ dài dây của Loadcell cảm biến: 18 cm
Kích thước Loadcell: 8x1.5x1.5 cm (Tất cả các loadcell có kích thước bằng nhau) Phạm vi đo:0-1/0-5/0/10-/0-20 kg
Chất liệu cảm biến: Nhôm
Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 65 độ C Số chân: 4 chân
Màu dây và kết nối:
Dây Đỏ: Dây vào Dương (+) Dây Đen: Dây vào Âm (-) Dây Xanh Lá: Dây ra (+) Dây Trắng: Dây Ra (-)
- Bộ chuyển đổi tương tự số 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số.
- Hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin
3.1.2. Khối nút nhấn
Gồm 3 nút nhấn dùng để điều khiển động cơ:
- Nút START_STOP có tác dụng cho bắt đầu hoặc kết thúc quá trình cân.
3.1.3. Khối hiển thị LCD
Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Hình 3.2 : Sơ đồ chân của LCD Thông số kỹ thuật
- Điện áp hoạt động là 5 V. - Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm - Chữ đen, nền xanh lá
- Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
PIC16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay, đầy đủ về tính năng, bộ nhớ đủ hầu hết các ứng dụng thông thường.
Hình 3.3: Vi điều khiển PIC 16F877A
3.1.4.1. Đặc điểm thực thi tốc độ cao của PIC:
- Có 35 lệnh đơn.
- Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh là 2. - Tốc độ hoạt động:
+ Ngõ vào xung clock có tần số 20MHz. + Chu kì lệnh thực hiện lệnh 200ns. - Có nhiều nguồn ngắt.
- Có 3 kiểu định địa chỉ trực tiếp, gián tiếp và tức thời.
Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệm công suất.
- Có chế độ ngủ để tiết kiệm công suất.
- Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5,5V. - Tầm nhiệt độ làm việc theo chuẩn công nghiệp. - Có mạch reset khi có điện (Power On Reset – POR).
- Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện (Power up Timer – PWRT) và bộ định thời chờ dao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện (Oscillator Startup Timer – OST).
- Có mạch tự động reset khi phát hiện nguồn điện cấp bị sụt giảm, cho phép lựa chọn bằng phần mềm (Brown out Reset – BOR).
- Có bộ định thời giám sát (Watchdog Timer – WDT) dùng dao động trong chip cho phép bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268 giây).
- Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên. - Có bảo vệ code đã lập trình.
- Bộ nhớ Flash cho phép xóa và lập trình 100,000 lần.
- Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1,000,000 lần và có thể tồn tại trên 40 năm.
- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động. - Có tích hợp mạch gỡ rối.
3.2. CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN3.2.1. phần code điều khiển 3.2.1. phần code điều khiển
#use delay (crystal = 20000000) #include <math.h>
#include <LCD.c>
#define DOUT input(pin_b0) #define START INPUT(PIN_B2) #define STOP INPUT(PIN_B3) unsigned int32 ReadCount(void) { int32 Count; unsigned char i; delay_ms(10); output_low(pin_b1); Count=0; while(DOUT); for (i=0;i<24;i++) { output_high(pin_b1); Count = Count<<1; output_low(pin_b1); if(DOUT) Count++; }
Count = Count + 51; }
else {
if (Count >= 50 && Count <= 100) Count = Count - 50; else Count = 0; } return Count; } void main() { int IN = 0; lcd_init(); while(TRUE) { if (!START) IN = 0; if (!STOP) IN = 1; if (IN == 0) { int16 i = ReadCount(); int16 k = 255 - pow(2,i/20); output_c(k);
}
lcd_gotoxy(1,1);
printf(lcd_putc," HE THONG NHUNG"); lcd_gotoxy(1,2);
printf(lcd_putc,"CAN NANG:%3ld", i); delay_ms(100);
} } }
Sau khi kết nối đúng sơ đồ và nguyên lý mạch, Chúng ta sẽ bắt đầu nạp code CCS cho phần mô phỏng của hệ thống sẽ hoạt động như sau:
HX711 sẽ lấy tín hiệu analog chuyển vào bộ ADC được tích hợp trong PIC16F877A, sau khi đọc giá trị và tính toán sẽ hiển thị giá trị lên LCD.
Kết quả sẽ báo qua màn hình LCD và LED
Giá trị sẽ được báo cụ thể qua màn hình LCD
Màu 5 đèn LED sẽ được báo hiệu tượng trương cho khoảng khối lượng được đặt lên cân (trắng,xanh dương, xanh lá, vàng, đỏ), khoảng giá trị tương ứng được chia 20g/1kg.
- PIC nhận dữ liệu từ HX711.
- Bước 4: PIC nhận dữ liệu và xuất dữ liệu . - Xuất dữ liệu ra màn hình LCD
- Xuất dữ liệu ra đèn LED khoảng cách 20g sẽ thay đổi 1 màu. - Bước 5: tính toán và hiển thị khối lượng.
- Bước 6: tiếp tục chương trình? - TRUE: tiếp tục cân..
- FALE: kết thúc chương trình.
CHƯƠNG 5 : THỰC NGHIỆM
5.1. Các bước tiến hành thực nghiệm
Bước 1: cấp nguồn cho mạch, lấy nguồn từ pin 5v.
Bước 2: nạp code cho PIC16F877A bằng phần mềm pickit3 và bộ chân đế và bộ nạp code.
Bước 3: nối mạch như sơ đồ nguyên lý.
Bước 4: kết nối mạch PIC với module để điều khiển LOADCELL
Bước 5: khối lượng cân nặng được đọc từ cảm biến HX711 sẽ được hiển thị trên LCD và báo qua đèn LED.
Bước 6:dựa vào khối lượng trên LCD và tín hiệu từ đèn LED ta có thể điều chỉnh khối lượng sao cho phù hợp.
Hình 5.1: Mô hình
5.2. kết quả thực nghiệm
Sau khi cấp nguồn , ta lấy nguồn 5v cấp cho PIC, LCD và module HX711 để mạch được hoạt động
Sau khi nạp chương trình và lắp ráp mạch thì các thiết bị được liên kết với nối với nhau và hoạt động theo chương trình ta mong muốn.
CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN
6.1. Ưu điểm:
- Chương trình khá thiết thực, gần gũi có thể ứng dụng với nhiều ứng dụng trong cuộc sống.
- Chương trình đơn giản, dễ sử dụng.
- Kích thước nhỏ khá nhỏ gọn, giá thành rẻ, nguyên vật liệu dễ tìm. - Hoạt động ổn định , dễ dàng lắp đặt bảo hành hoặc sửa chữa.
6.2. Nhược điểm
- Chương trình còn quá thô sơ, chưa đáp ứng được với độ khắt khe của thị trường cũng như nhu cầu của người dung hiện nay.
- Còn phải điều khiển bằng tay khá nhiều, chưa tự động hóa được quá trình.
6.3. Hướng phát triển
Thiết kế code, xây dựng chương trình và phần cứng một cách khoa học hơn để có thể phù hợp với nhiều yêu cầu hơn, có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng cũng như nhiều mục đích hơn.
Tài liệu tham khảo
eABfA4&ab_channel=FatihAlparslan - https://github.com/Fatihalparslan/HX711-WITH-CCS-C-FOR-PIC16F877A - https://www.youtube.com/watch? v=B9c6kzIHgfY&t=781s&ab_channel=AAA - https://mobitool.net/bo-chuyen-doi-adc-la-gi.html - https://dientunhattung.com/product/loadcell-5kg-la-cam-bien-khoi-luong-can- nang/