EE4252 thiết kế cân đo

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO ĐỀ TÀI Thiết kế mạch đo trọng lượng dải đo 50 kg độ phân giải 0 1%, độ chính xác.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO

ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đo trọng lượng dải

đo 50 kg độ phân giải 0.1%, độ chính xác 2mV/V

Giảng viên hướng dẫn:TS Đào Đức Thịnh

Hà Nội – 2022

MỤC LỤC

Danh sách hình ảnh 3

1 YÊU CẦU ĐỀ TÀI 4

2 CHỌN CẢM BIẾN 4

3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO 5

4 MẠCH LỌC RC 6

5 MẠCH KHUẾCH ĐẠI 7

5.1 Khối khuếch đại 7

5.2 IC INA128 8

6 ADC 10

7 MẠCH NGUỒN 10

8 Khối hiển thị 15

9 MẠCH TỔNG THỂ 17

10 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ 19

Tài liệu tham khảo 20

Danh sách hình ảnh

Hình 1: Sơ đồ khối 4

Hình 2: Cảm biến KERN CP 50-3P1 5

Hình 3: Mạch cầu trong cảm biến 6

Hình 4: Sơ đồ nguyên lí loadcell 6

Hình 5: Mạch lọc RC 7

Hình 6: Mạch khuếch đại 8

Hình 7: Ghép nối IC INA128 9

Hình 8: Mạch nguồn 11

Hình 9: IC ổn áp LM317EPM 12

Hình 10:Sơ đồ mạch nguyên lý hạ áp bằng IC LM317EMP 13

Hình 11: IC7660 15

Hình 12: Sơ đồ khối hiển thị LED 16

Hình 13: Mạch nguyên lí 18

Hình 14: Mạch PCB 19

1 YÊU CẦU ĐỀ TÀI

- Chọn cảm biến thương mại phù hợp dải đo và độ chính xác

- Thiết kế mạch đo, chọn IC thực tế

- Chọn ADC phù hợp (ADC của vđk) phù hợp với độ phần giải

- Thiết kế mạch ghép nối mạch đo và ADC có cả phần nguồn và phần Ref choADC (option)

Hình 1: Sơ đồ khối

Hình 2: Cảm biến KERN CP 50-3P1

 Kết nối cảm biến lực: 4 dây

 Độ nhạy danh nghĩa: 2.0 mV / V (+- 10%)

 Độ phân giải Load cell - Có thể xác minh: 3000 e

 Điện áp hoạt động: 5-12V

 Trọng lượng [Tối đa]: 50 kg

 Giá trị Y: 10000

+ Điều kiện môi trường

 Nhiệt độ hoạt động tối đa: 65 ° C

 Nhiệt độ môi trường tối đa: 40 ° C

 Nhiệt độ hoạt động tối thiểu: -35 ° C

 Nhiệt độ môi trường tối thiểu: -10 ° C

3 THIẾT KẾ MẠCH ĐO

Mạch cầu 4 dây, nối sẵn trong cảm biến:

Hình 3: Mạch cầu trong cảm biến

2 dây nhạy được nối đầu vào của khuyếch đại thuật toán có trở khángcao Với cách mắc này tối thiểu hoá được sai lệch do nguồn cấp Nguồn cấpluôn ổn định là Vb Chọn OP với các chỉ tiêu low offset, low drift và lownoise

Hình 4: Sơ đồ nguyên lí loadcell

Mạch cầu có độ dài dây ngắn (40 cm), sụt áp trên đường dây không đáng kể

4 MẠCH LỌC RC

Tín hiệu từ cảm biến cần đi qua mạch lọc trước khi đi vào mạchkhuyếch đại để tránh nhiễu và các sai số điện áp sau khi khuếch đại, trong đề

tài này, chúng em chọn mạch lọc thông thấp RC Đây là giản đồ bộ lọc thôngthấp được sử dụng nhiều nhất cho các mục đích đề xuất âm thanh và bộ lọcchỉnh lưu.

Lý do đằng sau điều này rất đơn giản vì giá rẻ và do đó là lựa chọn hàng đầu

5.1 Khối khuếch đại

Do tín hiệu ra của loadcell rất bé nên ta phải dùng khuếch đại trước khiđưa vào xử lý Mạch khuếch đại cần phải đảm bảo những yếu tố sau:

- Khuếch đại tuyến tính

- Có khả năng khuếch đại điện áp sai biệt của 2 ngõ vào

- Có khả năng chống nhiễu tần số công nghiệp

Vì vậy ta dùng bộ khuếch đại đo lường vi sai Bộ khuếch đại vi saicũng có một số tính năng hữu ích như điện áp bù thấp, CMRR cao (tỷ lệ loại

bỏ chế độ chung), điện trở đầu vào cao, độ lợi cao, …Sơ đồ mạch của bộkhuếch đại thiết bị điển hình sử dụng opamp được thể hiện bên dưới

Hình 6: Mạch khuếch đại

V1 và V2 là 2 điện áp đầu vào khác nhau Trong sơ đồ mạch, opampA1 và A2 là bộ đệm đầu vào Hệ số khuếch đại của các phần đệm này khônggiống nhau vì sự có mặt của R1 và Rg Op-amp A3 được nối thành một bộkhuếch đại vi sai R3 được nối từ đầu ra của A3 đến đầu vào không đảo của nó

là điện trở hồi tiếp R2 là điện trở đầu vào Hệ số khuếch đại điện áp của bộkhuếch đại thiết bị được tính theo phương trình dưới đây:

 điện áp bù thấp: tối đa 50uV

 độ trôi thấp: tối đa 0.5uV/oC

 dòng bias vào thấp: tối đa 5nA

 tỉ lệ loại bỏ chế độ chung (CMR) cao: tối đa 120 dB

 đầu vào được bảo vệ lên đến ±40 V

 phạm vi cung cấp rộng: từ ±2.25 V đến ±18 V

Chọn IC INA128, ta có sơ đồ mạch như sau:

Hình 7: Ghép nối IC INA128

- Tụ điện 0.1uF dùng để lọc nhiễu tần số cao nếu nguồn cấp không ổn định

- chân REF thường được nối đất Nó phải kết nối với trở kháng thấp để đảmbảo loại bỏ chế độ chung tốt

Tính toán hệ số khuếch đại:

Do: nguồn cấp cho cảm biến là 5 V

Độ nhạy của cảm biến là 2 mV/V

Nên áp ra tối đa của cảm biến là: 5V*2mV/V = 10mV

i e

V ADC

G

k G

R



 

6 ADC

Cần đảm bảo nguồn ADC ổn định và độ chính xác ADC 0.1%

Sử dụng ADC nội của Atmega328

Tính năng của ADC:

 Độ phân giải 10bit

 Mức độ lượng tử 0.5 LSB

 Sai số tuyệt đối 2 LSB

 Thời gian chuyển đổi: 65 – 260us

 Lên đến 15kSPS ở độ phân giải tối đa

 8 kênh vào đơn cực

 2 kênh vào vi sai có thể khuếch đại

 Khoảng điện áp vào 0 – Vcc

ADC trên AVR cần được “nuôi” bằng nguồn điện áp riêng ở chânAVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip(VCC) quá +/-0.3V Nhiễu (noise) là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng các bộADC, để giảm thiểu sai số chuyển đổi do nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phảicung cấp ổn định

i e

V ADC

kiện sử dụng trong mạch đo.

Các linh kiện sử dụng điện áp 5V

Bảng 1: Các linh kiện sử dụng trong mạch đo:

STT Tên linh kiện Điện áp Dòng nghỉ Dòng

định mức lượngSố Tổng dòngđiện

 Thiết kế bộ nguồn với 2 cấp điện áp đầu ra là 5V với dòng tải

khoảng 1A lấy từ pin Lithium.

Chọn Pin cụ thể: 4 Pin Lithium 3.7V 18650 loại pin sạc.

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Hình 8: Mạch nguồn

- Lý do chọn IC ổn áp LM317EMP:

 IC LM317EMP cung cấp dòng điện đầu ra phù hợp với bài toán ( Io =1A)

 Trở kháng đầu vào IC cao cỡ �Ω nên ko làm ảnh hưởng tới

dòng điện cung cấp cho mạch đo

 Dung sai điện áp đầu ra nhỏ khoảng 1%

 Có kích thước nhỏ và giá thành rẻ

 Dễ triển khai mạch điều chỉnh điện áp

 Mức tiêu thụ công suất từ 1.2W đến 2W

Hình 9: IC ổn áp LM317EPM

 LM317 là IC điều chỉnh điện áp dương Chân đầu vào nơi có thể cungcấp tới đa 40 VDC Chân đầu ra cung cấp điện áp đầu ra trong phạm vi

từ 1.25 V đến 37 V Chân điều chỉnh được sử dụng để thay đổi điện ápđầu ra tương ứng đến điện áp đầu vào được áp dụng Đối với đầu vàolên đến 40 V, đầu ra có thể thay đổi từ 1.25 V đến 37 V

 Có một Op Amp (bộ khuếch đại) tích hợp trên IC có đầu vào đảo ngượcđược kết nối với chân điều chỉnh Đầu vào không đảo được thiết lập bởitham chiếu điện áp

LM317 cung cấp điên áp tham chiếu ổn định 1.25 V trên chân điềuchỉnh của nó Điện áp tham chiếu có thể từ 1.2 V đến 1.3 V Điện áp đầu racủa LM317 có thể được điều chỉnh trong một phạm vi cài đặt bằng cách sửdụng mạch phân chia điện trường giữa đầu ra và đất Để thiết lập điện ápmong muốn ở đầu ra của LM317, mạch phân áp điện trở được sử dụng giữachân đầu ra và đất Giá trị của bộ phân áp điện trở cần phải được chọn sao cho

nó có thể cung cấp dải điện áp yêu cầu ở đầu ra Mạch phân áp có một điệntrở lập trình có điện trở cố định và một điện trở khác là biển trở Bằng cáchthiết lập một tỷ lệ hoàn hảo của điện trở phản hồi (điện trở cổ định) và biểntrở có thể thu được điện áp đầu ra mong muốn tương ứng với điện áp đầu vào.Dòng tại chân điều chỉnh cũng không đổi và trong khoảng từ 50 � đên 100

� Do đó dòng điện không đổi chạy qua R1 cũng như R2 Do đó, tổng điện

áp rơi trên Rl và R2 cho Vout như sau:

2 2 1

Một số lượng dòng điện tĩnh cũng chạy từ chân điều chỉnh, thêm một

số lỗi trong phương trình trên làm cho đầu ra không ổn định Do đó ta cầnhiệu chỉnh phương trình :

2 1

- Tính toán chọn điện trở và tụ lọc nhiễu cho mạch hạ áp:

- Chọn điện trở R1 và R2 Mạch nguồn hạ từ 14.8VDC, 1A xuống

5V, 1A

3 1

2 2

Trong đó dV : độ lệch điện áp cho phép lớn nhất

Coi dV = 100 �� , dt = 100 �

Trong đoạn mạch này, một tụ điện có cường độ 1  � được sử dụng, C= 1 �

Ta chọn tụ �1 = 10 �� ; �3 = 0.1 � và tụ �2 = 1 �

- Chọn ICL7660: tạo điện áp -5 V cho mạch khuếch đại

ICL7660 thực hiện chuyển đổi điện áp cung cấp từ điện

áp dương sang điện áp âm với phạm vi đầu vào từ +1,5V đến +10,0Vvới điện áp đầu ra từ -1,5V đến -10,0V và thực hiện các chuyển đổi tương

tự với phạm vi đầu vào là +1,5V đến +12,0V với điện áp đầu ra từ -1,5Vđến -12,0V Chỉ có 2 tụ điện bên ngoài cần thiết cho các chức năng kíchđiện và tích điện

Hình 11: IC7660

Thông số kĩ thuật:

 Điện áp hoạt động: 10.5V

 Dòng điện hoạt động: 170µA

 Dải điện áp cung cấp mức thấp: 1.5V - 3.5V

 Dải điện áp cung cấp mức cao: 3V - 10V

 Nguồn trở kháng đầu ra: 55Ω

 Tần số dao động: 10KHz

 Nhiệt độ hoạt động: -40°C to 85°C

8 Khối hiển thị

Hình 12: Sơ đồ khối hiển thị LED

Để ghép nhiều LED 7 thanh thay vì phải dùng 8 chân riêng rẽ cho mỗiLED, để hiện thị được 5 chữ số lên LED 7 khi đó ta sẽ mất 5x8 = 40 chân dữliệu điều khiển để hiện thị được 5 chữ số Như vậy sẽ rất tốn chân vi xử lý, dovậy người ta dùng chung các đường dữ liệu cho các LED 7 thanh và thiết kếthêm các tín hiệu điều khiển cấp nguồn riêng rẽ cho từng LED 7 một hay làcấp nguồn cho các chân Anot chung hay Katot chung Nhìn trên sơ đồ trên tathấy được kiểu ghép nối giữa các LED Các đường dữ liệu vào của 5 LED

được chung với nhau và các chân điều khiển nguồn cho các LED được riêng

rẽ và được điều khiển bằng transitor ( khuếch đại dòng)

Như vậy đối với mạch trên chúng ta tiếp kiệm được nhiều chân vi xử

lý Đối với mạch trên và cách ghép nối như trên thì mất tối đa chỉ có 13 chân

vi xử lý.8 chân dữ liệu của LED 7 được chung nhau và chung được ghép nốitrực tiếp các chân vi xử lý

Như vậy đối với phương pháp này chúng ta tiếp kiệm được một sốlượng lớn chân vi xử lý và đồng thời tiếp kiệm được năng lượng tiêu thụ dophương pháp quét LED trong thời gian ngắn Khi đó tối đa trong 1 thời điểm

 Dòng tối đa chạy qua mỗi LED là 25mA

Dòng chạy bình thường: 10mA Nguồn 5V thì mỗi Led phải nối với 1 điện trở:(dòng chạy qua mỗi led 13mA)

R=(5-2,2)/0.013=215,3  Chọn R=220Ω

(dòng chạy qua mỗi led 13mA)

9 MẠCH TỔNG THỂ

Hình 13: Mạch nguyên lí

Sai số cảm biến thường do nhiệt độ gây ra Sự thay đổi về nhiệt độ sẽlàm điện trở cảm biến thay đổi và gây ra sai số Ngoài ra, còn sai lệch điểm 0,giá trị điện trở đầu vào và ra không đồng nhất giữa các thiết bị, điểm đặtloadcell bị nghiêng lệch đều gây ra sai số.

- Mạch so sánh:

Khoảng chuyển tiếp tín hiệu là một yếu tố gây ra sai số bởi vì 2 tín hiệuphải sai lệch một giá trị nhất định thì điện thế ra của mạch mới chuyển trạngthái Ngoài ra, ở một mức điện áp khác nhau có một mức chuyển tiếp khácnhau tạo ra sự không tuyến tính của mạch so sánh Bộ so sánh cũng bị tácđộng của nhiệt độ

- Độ phân giải: Độ phân giải càng cao thì sai số càng thấp

Ảnh hưởng của bộ dao động: khi xung nhịp đặt vào thay đổi thì độ chính xáckém đi

Sai số tổng của ADC: 1 / (2^10) = 0.097%

Theo datasheet của nhà sản xuất, với độ khuếch đại là 500, nhiệt độ là

25 độ C thì sai số khuếch đại là 0.5%

Vậy sai số hệ thống là a 2.32 0.09720.52 =2.55% Giá trị sai số này có thểđiều chỉnh để giảm sai số bằng cách lập trình cho vi điều khiển chỉnh offsetadc và khuếch đại, bù hệ số phi tuyến và sai số khuếch đại của INA128 vớiGain = 500 bằng cách tra bảng Tuy nhiên rất khó để kiểm tra sai số loadcell

do sự không đồng đều trong việc thiết kế, nên sai số nhỏ nhất bằng sai sốloadcell, 2,3% toàn dải đo

Tài liệu tham khảo

[1] Slide bài giảng Thiết kế thiết bị đo

[3] Datasheet