1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
3.1.4 Thông tin trong thiết kế
3.1.4.1 Chi phí
Mục tiêu của việc thiết kế là nhằm giảm chi phí và có thể tự định hƣớng sản xuất thiết bị, tránh việc phụ thuộc vào thiết bị nƣớc ngoài. Chi phí còn có thể giảm hơn nữa nhờ: Giảm lƣợng nguyên liệu đầu vào, giảm số nhân công cần cho sản xuất, hoặc giảm chi phí phân phối (nhờ tăng sản lƣợng sản xuất).
71
3.1.4.2 Tốc độ thiết kế sản phẩm
Trong nhiều trƣờng hợp, tốc độ thiết kế và sản xuất một sản phẩm là chìa khóa cạnh tranh. Do tự chủ về mọi mặt, từ thiết kế cơ khí tới thiết kế mạch điều khiển nên có thể giảm thời gian sản xuất xuống còn rất ngắn. Do vậy, có thể đẩy nhanh việc ứng dụng, hoàn chỉnh sản phầm vào thị trƣờng tiêu thụ. Việc nâng cấp sản phẩm trở nên dễ dàng, đáp ứng các nhu cầu phát sinh trong quá trình thử nghiệm của khách hàng.
3.1.4.3 Chất lƣợng
Do tự chủ đƣợc công nghệ nên có thể áp dụng nhiều công nghệ khác nhau để cải thiện chất lƣợng của sản phẩm, từ đó giúp gia tăng doanh số bán hàng và giảm chi phí. Đáp ứng nhanh các yêu cầu về chất lƣợng của khách hàng.
3.1.4.4 Tính linh hoạt và sản xuất theo yêu cầu của khách hàng
Do không phụ thuộc vào sản phẩm của nƣớc ngoài nên việc mở rộng sản xuất theo yêu cầu của khách hàng là rất chủ động. Tính linh hoạt của sản phầm cũng đƣợc thể hiện, có thể áp dụng vào các mục đích khác nhƣ: Cân cho bệnh nhân là ngƣời lớn, độ chính xác cực cao (cỡ 1g) có thể dùng để cân, đo các nguồn nguyên liệu quý hiếm.
3.2. Thiết kế điện tử3.2.1. Mục tiêu đặt ra 3.2.1. Mục tiêu đặt ra
Chức năng trong mạch cần có:
- Hiển thị rõ ràng khối lƣợng theo gram. - Nhấn phím SET để đƣa cân về mốc 0 gram.
- Nhấn phím PRINT để in thông số cân nặng, ngày giờ cân ra giấy in nhiệt. - Các phím SET, UP, DOWN để cài đặt thời gian.
Thiết kế mạch điện tử cần đạt đƣợc những yêu cầu sau: - Phù hợp với hộp điều khiển.
- Độ sai lệch nhỏ hơn 1%. - Dễ sử dụng.
72
3.2.2. Sơ đồ khối của cân điện tử.
Hình 3.7 Sơ đồ khối của cân điện tử.
- Khối cảm biến trọng lƣợng - loadcell: Thực hiện đo khối lƣợng, chuyển đổi tín hiệu lực đầu vào thành tín hiệu điện áp vi sai ở đầu ra để đƣa vào bộ ADC. - Khối ADC: Thực hiện khuếch đại tín hiệu rồi chuyển đổi tín hiệu vào dạng
tƣơng tự (điện áp) thành tín hiệu số.
- Khối vi điều khiển: Điều hành mọi hoạt động của hệ thống: đọc dữ liệu từ ADC, xử lý và đƣa ra khối hiển thị, khối phím điều khiển , thực hiện giao tiếp máy tính.
- Khối hiển thị: Hiển thị giá trị khối lƣợng can đƣợc, thời gian cân.
- Khối thời gian thực: Chạy thời gian thực gồm có Giờ, Phút, Giây, Thứ, Ngày, Tháng, Năm.
- Khối EEPROM: Lƣu giữ thông tin ngay cả khi không có nguồn cung cấp. - Máy in nhiệt: Thực hiện in ra trọng lƣợng cân đƣợc đã qua xử lý.
- Khối phím bấm: Thực hiện các chức năng SET, UP, DOWN, PRINT/ESC, ON/OFF nhƣ yêu cầu.
73
3.2.3. Lựa chọn các linh kiện 3.2.3.1. Cảm biến trọng lƣợng 3.2.3.1. Cảm biến trọng lƣợng
Mạch này sử dụng loadcell dạng uốn LP7165 có các thông số nhƣ sau: - Giá trị ra: 2mV/V FS.
- Độ chính xác: 0.02% FS.
- Trọng lƣợng tải lớn nhất-FS: 20kg.
Hiện nay trên thị trƣờng có bán rất nhiều loại Loadcell với hình dạng và kích thƣớc khác nhau, tuy nhiên chọn loại Loadcell này vì:
Dễ dàng tìm kiếm và mua đƣợc tại thị trƣờng Việt Nam.
Hình dáng, kích thƣớc của loadcell thiết kế vừa với loại lồng ấp Ohmeda và dễ dàng cho việc gá, vít loadcell với mặt trên và mặt đế. Việc mua loadcell đã đƣợc tính tóa và lựa chọn khá cẩn thận và cho thấy chỉ có kích thƣớc của loadcell này mới phù hợp với kích thƣớc loại lồng ấp Ohmeda đang sử dụng để tích hợp cân.
Tải trọng yêu cần max là 20 kg đặt lên hệ thống này do đó khả năng chịu tải lớn nhất của ba loadcell là 60kg lơn hơn tải trọng yêu cầu do đó vẫn đảm bảo không bị quá tải.
74
3.2.3.2. Bộ biến đổi tƣơng tự - số ADC.
Loadcell đƣa ra tín hiệu là điện áp tƣơng tự mà vi điều khiển hoạt động với tín hiệu số nên cần phải có bộ chuyển đồi tín hiệu tƣơng tự sang tín hiệu số. Sơ đồ dƣới đây là sơ đồ điển hình về cách kết nối Loadcell với ADC và Vi điều khiển.
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối ADC với Loadcell và Vi điều khiển.
Loadcell đã chọn ở trên điện áp đầu ra rất nhỏ là 2mV/V FS. Điện áp đầu ra của Loadcell với trọng lƣợng tải đặt lên là 20 kg đƣợc tính theo công thức sau:
Vout = Vcc x 2mV
Nếu điện áp cấp cho Loadcell Vcc = 5V thì điện áp vi sai ở đầu ra max theo công thức trên chỉ là 10mV. Do vậy để cân đƣợc vật nặng chỉ 1g thì yêu cầu 1 mức của ADC phải nhỏ hơn hoặc bằng 10mV/20 000 = 0.5uV.
Với điện áp so sánh là 5V nên độ phân giải của bộ ADC là: ADCresolution = 2x 5 / (0.5 uV) =2x107 (Mức)
Độ phân giải yêu cầu trên lớn hơn độ phân giải của ADC 24 bits. Do vậy cần phải khuếch đại tín hiệu lên ít nhất 2 lần. Việc khuếch đại điện áp ra Loadcell trên trở nên rất khó khăn vì điện áp ra rất nhỏ. Giải pháp cho vấn đề này là buộc phải tìm IC ADC 24 bits và có tích hợp bộ khuếch đại vi sai ở đầu vào.
IC ADC 24 bits ADS1234 của Texas Instrument là một trong ít IC có các tính năng phù hợp với yêu cầu trên. Hơn nữa IC ADC 24 bit này đƣợc chọn vì những lí do sau:
75
- Bộ ADC 8 bit, 10 bit có độ phân giả thấp dẫn đến đầu ra của ADC biến đổi liên tục nên rất khó để lấy đƣợc đúng giá trị đầu ra của ADC. Vì vậy không thể sử dụng loại này trong hệ thống này đƣợc.
- Bộ ADC 32 bits có độ phân giải rất cao tuy nhiên giá thành quá cao dẫn đến không đáp ứng đƣợc yêu cầu kinh tế của ngƣời dùng.
- Bộ ADC 24 bist này có độ phân giải cao do đó dễ dàng lấy đƣợc giá trị đầu ra của ADC, giá cả hợp lý đáp ứng đƣợc yêu cầu của ngƣời dùng.
- Hơn nữa ADS1234 còn đƣợc tích hợp bộ khuếch đại vi sai có thể chọn đƣợc hệ số khuếch đại ở đầu và hệ số khuếch đại khá chính xác.
Hình 3.10 Sơ đồ khối của bộ ADC 24 bits ADS1234.
ADC 24 bits ADS1234 có các thông số nhƣ sau:
- Là đầu cuối hoàn chỉnh cho các cảm biến cầu (Bridge Sensors). - Độ phân giải tới 23.5 Bits.
- Tích hợp bộ khuếch đại tạp nhiễu thấp lập trình đƣợc. - Nhiễu trung bình:
17nV tại 10 mẫu/s (Khuếch đại đầu vào là 128).
44nV tại 80mẫu/s (Khuếch đại đầu vào là 128). - Độ phân giải 19.2 Bit không nhiễu tại khuếch đại là 64. - Lọc nhiễu trên 100dB nhiễu 50Hz và 60Hz cùng một lúc.
Biến động tần số dao động : Bộ dao động tích hợp trôi ít (±3%).
Lựa chọn đƣợc dao động thạch anh ngoài.
76 - Dễ dàng thay đổi tỉ lệ đo
Điện áp tham chiếu ngoài lên tới 5V.
- Lựa chọn đƣợc tốc độ dữ liệu 10 mẫu/s hoặc 80 mẫu/s. - 4 kênh vi sai đầu vào.
- Giao tiếp nối tiếp số đơn giản.
- Dải điện áp cung cấp: 2.7V tới 5.3V.
- Khoảng nhiệt độ hoạt động 40°C to +105°C.
Bảng 3.1 Dải điện áp vào và giá trị ra của ADS1234.
Bộ khuếch đại tích hợp trong ADS1234 là bộ khuếch đại tạp nhiễu thấp lựa chọn đƣợc hệ số khuếch đại.
Hình 3.11 Sơ đồ của khối khuếch đại trong ADS1234.
3.2.3.3. Màn hình hiển thị
Nhƣ đã phân tích ở mục 2.3.3.2 nên hệ thống này sử dụng màn hình Text LCD 16x2 với 2 dòng mỗi dòng 16 kí tự để hiển thị thông số đo đƣợc nhƣ: cân nặng, thời gian
Tín hiệu vào Vin (AINP – AINN) Mã ở đầu ra
>= +0.5Vref/Gain 7FFFFFh
(+0.5Vref/Gain)/(223-1) 000001h
0 000000h
(-0.5Vref/Gain)/(223-1) FFFFFFh
77
cân. Do LCD 16x2 khá phổ biến và rất nhỏ gọn phù hợp cho việc hiển thị cả chữ cái và chữ số.
Hình 3.12 Text LCD 16x2.
3.2.3.4. Vi điều khiển
Mạch này sử dụng vi điều khiển dòng AVR ATmega32A. Lựa chọn ATmega32A vì dòng này có tốc độ xử lý cao, nhiều ngoại vi nhƣ UART, ADC và giá rẻ.
Thông số của ATmega32A:
- Dòng vi điều khiển 8 bit có hiệu suất cao và tiết kiệm điện. - Kiến trúc RISC hoàn thiện.
131 Lệnh – Hầu hết đƣợc thực thi trong 1 chu kỳ đồng hồ.
32 x 8 Thanh ghi đa năng.
Đầy đủ quá trình điều khiển tĩnh.
Lên tới 16 MIPS tại 16 MHz.
Bộ nhân 2 chu kỳ đồng hồ trên chip. - Các đoạn bộ nhớ cố định có độ bền cao.
32K Bytes bộ nhớ Flash có thế lập trình đƣợc trong hệ thống.
1024 Bytes EEPROM.
2K Bytes SRAM nội.
78
Khả năng lƣu giữ: 20 năm ở 85°C/100 năm ở 25°C.
Lựa chọn đƣợc đoạn mã khởi động với các Lock Bit độc lập. - Các tính năng ngoại vi.
2 bộ Timer/Couters 8 bit với bộ chia tần tách riêng và các chế độ so sánh.
1 bộ Timer/Counter 16 bit với bộ chia tần tách riêng, chế độ so sánh và chế độ bắt xung.
Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động tách riêng.
4 kênh PWM.
8 kênh ADC 10 bit. - 8 kênh đơn độc lập.
- 7 kênh vi sai ở kiểu đóng gói TQFP.
- 2 kênh vi sai với hệ số khuếch đại lập trình đƣợc tại 1x, 10x, or 200x.
Giao diện 2 dây nối tiếp định hƣớng byte.
USART nối tiếp lập trình đƣợc.
Giao tiếp Master/Slave SPI nối tiếp.
Watchdog Timer lập trình đƣợc với bộ dao động trên chip tách riêng.
Bộ so sánh tƣơng tự tích hợp.
- Các tính năng đặc biệt của vi điều khiển
Reset khi cấp nguồn và phát hiện nguồn yếu.
Bộ dao động nội RC đã đƣợc cân chỉnh.
Các nguồn ngắt trong và ngắt ngoài.
6 chế độ nghỉ: Idle, ADC giảm nhiễu, Tiết kiệm điện, Tụt điện áp, Chờ và Chờ mở rộng.
- Các cổng ra vào và đóng gói
32 đƣờng ra vào lập trình đƣợc.
40-pin PDIP, 44-lead TQFP, and 44-pad QFN/MLF - Điện áp hoạt động
2.7 - 5.5V cho ATmega32A - Mức tốc độ xung nhịp
79
- Điện áp tiêu thụ @ 1 MHz, 3V, and 25 C cho ATmega32A
Hoạt động: 0.6 mA
Chế độ nghỉ: 0.2 mA
Chế độ giảm điện áp: < 1µA
80
81
3.2.3.5. Máy in nhiệt
Hình 3.15 Máy in nhiệt khổ giấy 58mm.
Với yêu cầu cần phải in đƣợc kết quả sau khi cân nên cần sử dụng máy in nhiệt CSN - A2. Máy in nhiệt này có đặc điểm nổi bật là giao tiếp theo chuẩn UART. Đây là chuẩn rất phổ biến và dễ giao tiếp với các loại vi điều khiển.
Máy in nhiệt CSN – A2 của hãng CASHINO có tác dụng in thông số cân nặng và thời gian cân ra giấy in khổ 58mm.
Dƣới đây là một số tính năng của máy in nhiệt:
Tốc độ in: 50-80mm/s.
Độ phân giải: 8 dots/mm, 384 dots/dòng.
Độ rộng in đƣợc: 48mm.
Bộ kí tự sử dụng: ASCII, GB2312-80 (Trung Quốc).
Font in: ANK:(8x16,9x17,9x24,12×24), Chinese: 24×24.
Thông số cuộn giấy: max = 39mm.
Giao tiếp: RS-232/TTL/Parallel/USB.
82
3.2.3.6. IC RTC DS1307
Do khi in ra kết quả sau khi cân cần phải in cả thời gian để tiện cho việc theo dõi bệnh nhân nên sẽ cần phải có một IC thời gian thực luôn báo chính xác thời gian ngay cả khi mạch không còn nguồn cung cấp. IC DS1307 là một trong rất ít loại IC thời gian thực đáp ứng đƣợc yêu cầu này. Hơn nữa DS1307 còn khá phổ biến và giá thành cũng khá rẻ.
DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây đƣợc dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con ngƣời đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ…DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng nhƣ RAM. DS1307 đƣợc đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C (TWI của AVR) nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân nhƣ trong hình sau đây.
Hình 3.16 Chân của DS1307.
Các chân của DS1307 đƣợc mô tả nhƣ sau:
- X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip.
- VBAT: cực dƣơng của một nguồn pin 3V nuôi chip. - GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
- Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thƣờng là 5V và dùng chung với vi điều khiển. Chú ý là nếu Vcc không đƣợc cấp nguồn nhƣng VBAT đƣợc cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhƣng không ghi và đọc đƣợc).
- SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung đƣợc tạo có thể đƣợc lập trình. Nhƣ vậy chân này hầu nhƣ không
83
liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
- SCL và SDA là 2 đƣờng giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C mà chúng ta đã tìm hiểu trong bài TWI của AVR.
3.2.3.6. EEPROM AT24C04
Trên mạch này cần dự trữ sẵn một EEPROM để lƣu trữ bất cứ thông tin gì cho các yêu cầu sau này. Do vậy AT24C04 đã đƣợc lựa chọn để thêm vào mạch.
Hình 3.17 Chân của EEPROM AT24C04.
AT24C04 là EEPROM có thế xóa và lập trình bằng điện. AT24C04 có chứa 4096 bit liên tiếp nhau tổ chức thành 512 word với mỗi word 8 bit.
Các thông số của AT24C04:
- Có chân chống ghi để bảo vệ dữ liệu. - Điện áp hoạt động từ 2V7 đến 5V5. - Tổ chức bộ nhớ 512 x 8 (4K). - Giao tiếp 2 dây nối tiếp (I2C). - Giao thức truyền dữ liệu 2 hƣớng. - Tốc độ xung 400 kHz.
- Chế độ ghi trang 16 byte. - Chu kì ghi 1 triệu lần. - Khả năng lƣu trữ 100 năm.
3.2.3.7. Phím nhấn
84
Hình 3.18 Nút nhấn.
Nút nhấn loại ấn nhả trên hoàn toàn phù hợp với yêu cầu đƣa ra và dễ dàng kết hợp với vi điều khiển.
3.2.3.8. Nguồn cung cấp
Trong tất cả các mạch điện tử không thể thiếu khối nguồn, chính vì thế việc tạo ra đƣợc một nguồn mong muốn và ổn định là rất cần thiết. Trong mạch này chúng em sử dụng IC 7805 để tạo nguồn ra 5V cung cấp cho vi điều khiển, LCD, cảm biến, nút bấm... hoạt động. Đây là IC ổn áp đƣợc LDO ( Low Drop Out) nên sẽ không gây nhiễu cho các tín hiệu khác trong mạch nhƣ IC nguồn xung LM2576, LM2596.
Hình 3.19 IC 78M05 dạng chân dán.
3.2.4. Thiết kê mạch nguyên lý
Sau khi đã lựa chọn đƣợc linh kiện cần thiết cho mạch ta tiến hành thiết kế mạch nguyên lý theo sơ đồ khối dƣới đây: