(TIỂU LUẬN) báo cáo CHUYÊN đề đo LƯỜNG đề tài THIẾT kế hệ THỐNG đo và GIÁM sát KHỐI LƯỢNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đại lượng đo khối lượng1.1.1 Khái niệm khối lượng Khối lượng vừa là một đặc tính của cơ thể vật lý vừa là thước đo khả năngchống lại gia tốc của nó sự thay

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ ĐO LƯỜNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT KHỐI LƯỢNG

Giáo viên: TS Đoàn Thị Hương Giang

Lớp: CLC.D13CNTKDK

TẠ ĐÌNH THÀNH

NGUYỄN THỤ TUẤN LINH

NGUYỄN ANH QUÂN

MSV: 18810000020 MSV: 18810000017 MSV: 18810000028

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ ĐO LƯỜNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ GIÁM SÁT KHỐI LƯỢNG

Giáo viên: TS Đoàn Thị Hương Giang

Lớp: CLC.D13CNTKDK

TẠ ĐÌNH THÀNH

NGUYỄN THỤ TUẤN LINH

NGUYỄN ANH QUÂN

MSV: 18810000020MSV: 18810000017MSV: 18810000028

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 2

1.1 Đại lượng đo khối lượng 2

1.1.1 Khái niệm khối lượng 2

1.1.2 Đại lượng đo 2

1.2 Các phương pháp đo khối lượng 4

1.2.1 Đo khối lượng bằng lực tương tác 4

1.2.2 Đo lường bằng phép cân 6

1.3 Một số cảm biến đo khối lượng 8

1.3.1 Cảm biến loadcell biến dạng 8

1.3.2 Cảm biến loadcell áp điện 9

1.3.3 Cảm biến loadcell thủy lực 9

1.3.4 Cảm biến loadcell khí nén 10

1.4 Kết luận 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO VÀ HIỂN THỊ KHỐI LƯỢNG 11

2.1 Sơ đồ khối tổng thể 11

2.2 Giới thiệu phần cứng 11

2.2.1 Cảm biến loadcell 11

2.2.2 Giới thiệu module HX711 14

2.2.3 Tổng quan về ARM 18

2.2.4 Giới thiệu về ARM-Cortex-M3 STM32F1 20

2.2.5 Khối hiển thị 22

2.2.6 Kết nối hệ thống 23

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hình ảnh quả cân có khối lượng 2kg 2

Hình 1.2: Hình ảnh khối lượng trong hệ SI 4

Hình 1.3: Cân kỹ thuật một đĩa 6

Hình 1.4: Cân kỹ thuật hai đĩa 6

Hình 1.5: Thành phần lò xo của cảm biến tải trọng thanh đẩy-kéo 8

Hình 2.1: Loadcell HS000252 50kg 11

Hình 2.2: Loadcell HS000211 5kg 11

Hình 2.3: Mạch cầu điện trở Wheatstone 12

Hình 2.4: Sự thay đổi điện trở trên loadcell 12

Hình 2.5: Sơ đồ minh họa cách bố trí bàn cân 14

Hình 2.6: Sơ đồ mạch khuếch đại 14

Hình 2.7: Module HX711 15

Hình 2.8: Sơ đồ khối ứng dụng cân nặng 16

Hình 2.9: Sơ đồ chân trong module HX711 16

Hình 2.10: Dữ liệu đầu ra, đầu vào và thời gian lựa chọn và kiểm soát 17

Hình 2.11: Kiến trúc của vi xử lý ARM Cortex-M7 20

Hình 2.12: Kiến trúc của vi xử lí ARM Cortex-M3 21

Hình 2.13: Màn hình LCD 2.8 inch 23

Hình 2.14: Sơ đồ kết nối hệ thống 23

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của loadcell HS000252 50kg 13

Bảng 2.2: Mô tả sơ đồ chức năng các chân HX711 16

Bảng 2.3: Quá trình hoạt động của dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra 17

Bảng 2.4: Các chế độ BOOT của STM32F1 21

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của giáo viên giảng dạy môn Chuyên đề đo lường, sau

một thời gian học tập và tìm hiểu chúng em đã hoàn thành báo cáo môn học với

nội dung về “Nghiên cứu hệ thống đo và giám sát nhiệt độ” Để hoàn thành báo

cáo được giao, ngoài sự nỗ lực học hỏi vủa bản thân còn có sự hướng dẫn tận tìnhcủa giáo viên và bạn bè Vì vậy, trong lời đầu tiên của bài báo cáo, chúng emmuốn dành lời cảm ơn chân thành đến cô giáo Đoàn Thị Hương Giang và bạn bè

đã đồng hành và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt nhiệm

vụ được giao Nhóm em đã cố gắng trong quá trình tìm hiểu và thực hiện báo cáonhưng vì kiến thức còn hạn chế khiến bài báo cáo chưa được hoàn hảo Nhóm rấtmong được sự góp ý, nhận xét đánh giá về nội dung và hình thức trình bày từ cô

để nhóm có thể hoàn thiện bài báo cáo tốt hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội ngày… tháng 03 năm 2021

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đại lượng đo khối lượng

1.1.1 Khái niệm khối lượng

Khối lượng vừa là một đặc tính của cơ thể vật lý vừa là thước đo khả năngchống lại gia tốc của nó (sự thay đổi trạng thái chuyển động của nó) khi một lựcròng được áp dụng Khối lượng của một vật thể cũng xác định sức mạnh của lựchấp dẫn của nó đối với các vật thể khác

Trong vật lí, khối lượng khác trọng lượng Mặc dù, khối lượng thường được

đo bằng cách cân lò xo hơn là cân thằng bằng đòn bẩy so với một vật mẫu Mộtvật sẽ nhẹ hơn khi ở trên mặt trăng so với Trái Đất Tuy vậy, nó sẽ có cùng mộtlượng vật chất Điều này là do trọng lượng là một lực, còn khối lượng là một tínhchất (cùng với trọng lực) quyết định độ lớn của lực này

Trong cơ học cổ điển, khái niệm khối lượng có thể hiểu là số vật chất cótrong một vật Mặc dù vậy, trong trường hợp vật di chuyển rất nhanh, thuyếttương đối hẹp phát biểu rằng động năng sẽ trở thành một phần lớn khối lượng Do

đó, tất cả các vật ở trạng thái nghỉ sẽ có cùng một mức năng lượng và tất cả cáctrạng thái cản trở gia tốc và các lực hấp dẫn Trong vật lí hiện đại, vật chất khôngphải là một khái niệm cơ bản vì định nghĩa của nó khá khó nắm bắt

Hình 1.1: Hình ảnh quả cân có khối lượng 2kg

1.1.2 Đại lượng đo

Đơn vị khối lượng tiêu chuẩn của hệ thống quốc tế (SI-Standard International)

là kilogram (kg) Kilogram lần đầu được xác định vào năm 1795 là một mét khốinước tại điểm nóng chảy của băng Tuy nhiên, do việc đo chính xác của một métkhối nước ở nhiệt độ và áp suất phù hợp là khó khăn, năm 1889, kilogram được xácđịnh lại là khối lượng của nguyên mẫu quốc tế của kilogram được làm bằng gang và

do đó trở nên độc lập với đơn vị mét và tính chất của nước

Tuy nhiên, khối lượng của nguyên mẫu quốc tế và các bản sao quốc gia đượcphát hiện là đang giảm dần theo thời gian Việc định nghĩa lại kilogram và một sốđơn vị khác đã diễn ra vào ngày 20 tháng 5 năm 2019, sau cuộc bỏ phiếu cuốicùng của CGPM vào tháng 11 năm 2018 Định nghĩa mới sẽ chỉ sử dụng các địalượng bất biến của tự nhiên như: tốc độ ánh sáng, tần số siêu mịn Caesium vàhằng số Planck

Các đơn vị khác được chấp nhận để sử dụng trong SI:

lượng khối lượng, nó có thể dễ dàng được chuyển đồi thành đơn vị khối lượng và thườngđược sử dụng như một đơn vị khối lượng Trong bối cảnh này, khối lượng

có đơn vị eV / 2 (trong đó c là tốc độ ánh sáng) Electvolt và bội số của nó, như MeV (megaelectronvolt), thường được sử dụng trong vật lý hạt.

carbon-12, xấp xỉ 1.66 × 10−27 kg Đơn vị khối lượng nguyên tử và phân tử thuận tiện cho việc thể hiện khối lượng của các nguyên tử và phân tử.

Ngoài hệ thống SI, các đơn vị khối lượng khác bao gồm:

ở Hoa Kỳ (khoảng 0,45kg hoặc 4,5N) Trong bối cảnh khoa học, nơi phân biệt pound (lực) và pound (khối lượng), đơn vị SI thường được sử dụng thay thế

+ Khối lượng Planck ( ) là khối lượng tối đa của các hạt điểm (khoảng 2.18 × 10−8 kg) Nó được sử dụng trong vật lý hạt.

+ Khối lượng mặt trời (M ☉ ) được định nghĩa là khối lượng của Mặt Trời Nó chủ yếu được sử dụng trong thiên văn học để so sánh các khối lượng lớn như sao hoặc thiên hà ( ≈ 1.99 × 1030).

+ Khối lượng của một hạt rất nhỏ có thể được xác định bằng bước sóng Compton nghịch đảo của nó (1−1 ≈ 3.52 × 10−41 kg)

+ Khối lượng của một ngôi sao hoặc lỗ đen rất lơn có thể được xác định bằng bán kính Schwarschild của nó (1 cm ≈ 6.73 × 1024 kg).

Hình 1.2: Hình ảnh khối lượng trong hệ SI

1.2 Các phương pháp đo khối lượng

1.2.1 Đo khối lượng bằng lực tương tác

Định luật III Newton: lực tương tác giữa hai vật là hai lực trực đối, nghĩa làcùng độ lớn, cùng giá nhưng ngược chiều

Định luật III Newton cho ta một phương pháp đo khối lượng đó là: đo khối lượng bằng tương tác Muốn

đo khối lượng của một vật, trước hết phải chọn một vật có khối lượng bằng đơn vị gọi là khối lượng chuẩn Sau

đó ta cho vật cần đo khối lượng m tương tác với khối lượng chuẩn 0 Khối lượng chuẩn thu được gia tốc 0 , còn vật m thu được gia tốc a Ta sẽ có:

Phương pháp này được dùng để đo khối lượng của cá hạt vi mô(electron,proton,nortron), cũng như của các vật siêu vĩ mô (mặt trăng, trái đất…)

a Lý thuyết về cân kỹ thuật

Là loại cân cho phép cân chính xác đến 0.01g, đôi khi đến 0.001g Có nhiềuloại cân kỹ thuật: cân hai đòn, cân một đòn, cân kỹ thuật, cân kỹ thuật hóa học.Cân kỹ thuật hóa học chính xác hơn và có độ trọng tải từ 200g đến vài kilogramKhác các loại cân thô, cân kỹ thuật có khóa hãm và ốc điều chỉnh Nhờ khóahãm, những bộ phận quan trọng nhất như đòn cân và gối cân khi không làm việcthì tách khỏi nhau; không tỳ sát bề mặt Điều này giữ cho cân không bị mất độnhạy

Khi bắt đầu cân, người ta xoay khóa hãm để đưa cân trở lại vị trí làm việc.Khi làm việc, nếu mở khóa hãm mà cân chưa thăng bằng, thì chỉnh bằng ốc điềuchỉnh để đạt được thăng bằng Đối với những cân kỹ thuật (trừ cân tay), người tađặt cố định ở vị trí nhất định của phòng thí nghiệm Thường xuyên phải lau chùicân kỹ thuật hóa học

b Phương pháp cân bằng cân kỹ thuật Có 2 cách khác nhau để cân một vật:

+ Cách cân trực tiếp được thực hiện bằng cách đặt vật trực tiếp lên đĩa cân rồiđọc được khối lượng chỉ trên cân

là cách cân lặp (weighting by difference) Khi muốn cân một vật bằng cách cân lặp đầutiên ta cân vật chứa, sau đó đặt vật muốn cân vào vật chứa và vật muốn cân rồi cân cả vậtchứa và vật muốn cân Khối lượng của vật muốn cân là hiệu số giữa hai giá trị khối lượngđó

Sau khi cân bỏ vật cân ra khỏi cân Đóng khóa hãm lại Làm vệ sinh cân sạch

sẽ

c Cân phân tích

Cân dùng cho các thí nghiệm đòi hỏi độ chính xác cao thường là cân phântích Trước đây cân phân tích thường có hai loại: cân dao động tuần hoàn và cândao động không tuần hoàn

Cân phân tích dao động tuần hoàn: có nhược điểm là sự tắt dần dao động củađòn cân xảy ra rất chậm Vì vậy cân trên loại cân hay mất nhiều thời gian và rấtmệt

Cân phân tích dao động không tuần hoàn: hiện đại hơn, dao động không điềuhòa, cân nhanh, bời vì nó có bộ phận hãm đòn cân và kim cân bằng từ

Sau này, với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, loại cân phân tích dao động tuần hoàn bị loại bỏ, chỉ còn sử dụng cân dao động không tuần hoàn Đồng thời có một loại cân mới xuất hiện đó là cân phân tích điện tử Với loại cân này có thể cân nhanh, chính xác, ít bị ảnh

vi ứng dụng dùng để cân những chất gốc để pha những dung dịch tiêu chuẩn (từ lượng cân người ta tính trực tiếp ra nồng độ)

Bao giờ người ta cũng đặt cân phân tích trong hòm kín có cửa trước kéo lên

và hai cửa mở bên sườn Bên trái bàn cân phân tích (thấp hơn một chút) là chiếcbàn khác đặt bình hút ẩm chứa vật cân Để tránh ảnh hưởng rung động có hại khilàm việc trên cân phân tích, đặc biệt trên vi lượng, người ta thay miếng đệm dưới

chân cân bằng đĩa polyetylen đường kính 40mm và dày 6mm, ép giữa các đĩabằng chì, polyetylen ưu việt hơn các vật liệu khác có tác dụng khử rung động(nút, dạ, cao su…)

Khi không dùng cân, phải đóng tất cả các cửa cân lại Không để cho hơi axit

và cá chất độc khác lọt vào phòng cân Không khí phòng cân phải hoàn toàn trongsạch Phải thường xuyên chỉnh cân phân tích, không di chuyển cân từ chỗ này đếnchỗ khác Để tránh cho cân khỏi bụi, đậy hòm cân bằng bao vải dày

1.2.2 Đo lường bằng phép cân

Trong thực tế đời sống hằng ngày người ta thường dùng phép cân để đo khốilượng Nguyên tắc của phép cân là so sánh khối lượng m của một vật với khốilượng chuẩn thông qua so sánh trọng lực tác dụng lên chúng Phân loại cân theo

Trước hết phải kiểm tra độ sạch sẽ của cân Xem xét cân có làm việc tốtkhông Dùng núm hãm hạ đòn cân, quan sát sự dao động của kim Nếu kim cândao động lệch khỏi điểm không sang trái, sang phải cùng một giá trị độ chia, tức

là có thể dùng cân được

Hình 1.3: Cân kỹ thuật một đĩa Hình 1.4: Cân kỹ thuật hai đĩa

b Cách cân trên cân kỹ thuật điện tử

Cắm điện, khởi động cân (bấm nút on/off) trước 10 phút để cân có chế độlàm việc ổn định Kiểm tra độ sạch của chén cân Đưa chén cân lên bàn cân Ghikhối lượng chén cân (có thể dùng nút TARR để trừ bì) Cân khối lượng mẫu cầnthiết Nhớ là khối lượng mẫu + chén nhỏ hơn khối lượng cân cho phép Đưa chén

ra khỏi bàn cân và tắt cân bằng nút on/off không được rút trực tiếp từ ổ cắm

c Vị trí đặt cân phân tích

Nếu có điều kiện người ta đặt cân phân tích vào phòng riêng gọi là phòng cân

Ngoài ra khi chọn chỗ đặt cân nên tuân theo những qui tắc sau:

+ Mỗi cân phân tích đặt trên giá đỡ, giá được đính chặt vào tường kiên cố

bởi vì điều đó làm cho đòn cân nóng không đều, dẫn đến mất thăng bằng

nhiệt độ mùa hè, mùa đông làm ảnh hưởng đến độ chính xác của cân phân tích

đi lại…

d Cách cân trên cân phân tích điện tử

+ Cắm điện, khởi động cân (bấm bút on/off) trước 10 phút đẻ cân có chế độ làm việc ổn định

+ Bấm nút C (calibration) để cân tự hiệu chỉnh nút này mỗi ngày chỉ bấm 1 lần sau khi khởi động

+ Cân lần lượt khối lượng mẫu cần thiết trên cân kỹ thuật (nhớ là khối lượng mẫu + chén nhỏ hơn khối lượng cân cho phép)

+ Đưa chén cân có chứa mẫu lên cân phân tích, đọc khối lượng 1

+ Tính khối lượng mẫu đo chính xác (m = 1 - 0 )

+ Đưa chén ra khỏi bàn cân và tắt cân bằng nút on/off không được rút trực tiếp

từ ổ điện

1.3 Một số cảm biến đo khối lượng.

1.3.1 Cảm biến loadcell biến dạng

Cảm biến tải trọng kiểu biến dạng là loại được sử dụng phổ biến nhất trongcông nghiệp Cảm biến tải trọng loại này đặc biệt cứng, có giá trị cộng hưởng rấttốt và tuổi thọ sử dụng cao Cảm biến tải trọng kiểu biến dạng kế hoạt động theonguyên tắc: biến dạng kế (điện trở phẳng) sẽ bị biến dạng khi vật liệu của cảmbiến tải trọng bị biến dạng thích hợp Sự biến dạng của biến dạng kế khiến điệntrở của nó thay đổi tỷ lệ thuận Sự thay đổi điện trở của biến dạng kế làm thay đổigiá trị điện (đã được hiệu chuẩn cho tải) đặt trên cảm biến

Cảm biến loadcell biến dạng trong đó một tổ hợp máy đo biến dạng được đặtbên trong cảm biến để chuyển đổi tải trọng lên chúng thành tín hiệu điện Trọnglượng trên thực tế vào tải được đo bằng dao động điện áp gây ra trong máy đobiến dạng

Một cảm biến tải trọng thường bao gồm bốn biến dạng kế được mắc theo sơ

đồ Wheatstone Cảm biến tải trọng dùng một biến dạng kế (cầu một phần tư) hoặchai biến dạng kế (cầu một nửa) cũng có thể được sử dụng Đầu ra tín hiệu điệnthường có giá trị vài milivolt (mV) và cần được khuếch đại bởi một bộ khuếch đạitrước khi nó có thể được sử dụng Đầu ra của bộ chuyển đổi có thể được khuếchđại để tính toán lực tác dụng lên bộ chuyển đổi Đôi khi một bộ ADC có độ phângiải cao, thường là 24 bit, có thể được sử dụng trực tiếp

Hình 1.5: Thành phần lò xo của cảm biến tải trọng thanh đẩy-kéo

1.3.2 Cảm biến loadcell áp điện

Cảm biến tải trọng kiểu áp điện hoạt động trên nguyên tắc biến dạng giốngnhư các cảm biến tải trọng biến dạng kế, nhưng một đầu ra điện áp được tạo rabởi vật liệu áp điện cơ bản - tỷ lệ thuận với độ biến dạng của cảm biến tải trọng.Loại cảm biến này rất hữu dụng cho các phép đo lường lực động/thường xuyên.Hầu hết các ứng dụng của cảm biến tải trọng dựa trên nguyên lý áp điện đều ởtrong các điều kiện tải động, nơi các cảm biến tải trọng biến dạng kế có thể thấtbại với các chu kỳ tải động cao Phải nhớ rằng hiệu ứng áp điện là động, có nghĩa

là, đầu ra điện của một đồng hồ là một hàm xung và không phải là tĩnh Đầu rađiện áp chỉ hữu ích khi biến dạng đang thay đổi và không đo các giá trị tĩnh.Tuy nhiên, tùy thuộc vào hệ thống điều hòa được sử dụng, hoạt động "quasistatic" (bán tĩnh) có thể được thực hiện Sử dụng cái gọi là "Bộ khuếch đại Charge"với hằng số thời gian "Dài" cho phép phép đo chính xác kéo dài nhiều giờ cho các tảilớn cho tới nhiều phút cho các tải nhỏ Một ưu điểm khác của cảm biến tải trọng kiểu

áp điện, điều kiện đi kèm với bộ khuếch đại Charge, là có thể đạt được dải đo rộng.Người dùng có thể chọn một cảm biến tải trọng với dãi đo hàng trăm kN và sử dụng

nó để đo lực chỉ có vài N với cùng một tỷ lệ Tín hiệu/nhiễu, một lần nữa điều này chỉ

có thể với việc sử dụng bộ điều chỉnh "khuếch đại Charge"

1.3.3 Cảm biến loadcell thủy lực

Loadcell thủy lực là các thiết bị cân bằng lực, đo trọng lượng như một sựthay đổi áp suất chất lỏng làm đầy bên trong Khi lực tăng, áp suất của chất lỏngthủy lực tăng Áp suất này có thể được chỉ định cục bộ hoặc điều khiển từ xa Đầu

ra là tuyến tính và tương đối không bị ảnh hưởng bởi chất lỏng làm đầy hay nhiệt

độ của nó

Các cảm biến tải trọng thủy lực sử dụng một piston và xy-lanh thông thường vàphối hợp với piston được đặt trong một màng đàn hồi mỏng Piston không thực sựtiếp xúc với cảm biến tải trọng Các điểm dừng cơ học được đặt để ngăn chặn sựcăng quá tải của màng đàn hồi khi tải vượt quá giới hạn nhất định Cảm biến tảitrọng loại này được đồ đầy dầu Khi tải được đặt lên trên piston, chuyển động củapiston và màng dẫn đến sự gia tăng áp suất dầu Áp lực này sau đó được truyền đếnmột đồng hồ đo áp suất thủy lực thông qua một ống cao áp lực cao Ống Bourdoncủa đồng hồ cảm nhận áp lực và hiển thị lên trên mặt đồng hồ Bởi vì cảm biến nàykhông có các thành phần điện, nó trở thành lý tưởng để sử dụng trong các khu vựcnguy hiểm Các ứng dụng cảm biến tải trọng thủy lực điển hình bao gồm cân bình