Ứng dụng cảm biến loadcell

Tóm tắt lý thuyếtI.1 Giơi thiệu Hiện nay cảm biến load cell dang được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào trong các thiết bị điện tử dùng để xác định lực, trọng lực, khối lượng như cân điện

LỜI CẢM ƠN

Để thực hiện bài thực hành môn cảm biến chuyển năng với đề tài đọc cảm biến load cell, nhóm 10 thực hiện đề tài xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Võ Minh Trí, trưởng bộ môn Tự Động Hóa, khoa Công Nghệ, trường Đại Học Cần Thơ vì sự nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ, cung cấp các kiến thức của thầy trong suốt quá trình nhóm thực hiện đề tài

Nhóm cũng xin gởi lời cảm ơn tới tất cả các bạn của các nhóm khác đã quan tâm, động viên và hỗ trợ nhóm thực hiện đồ án này

Kính chúc thầy công tác tốt!

Chúc các bạn thành công trong học tập và cuộc sống!

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Chí Linh

Lương Lê Ngọc Hiển

Phạm Ngọc Thạch

MỤC LỤC

Contents

I Tóm tắt lý thuyết 3

1.1 Giơi thiệu 3

1.2 Mục tiêu môn học 3

1.3 Các linh kiện sử dụng 4

1.3.1 Cảm biến lực load cell 4

1.3.2 Module HX711 6

1.2.3 Arduino Uno R3 7

1.4 Nguyên lý làm việc 8

II Thực hành 8

2.1 Thí nghiệm 1: Mô tả sơ đồ thực nghiệm 9

2.2 Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell trên cân điện tử 10

I Tóm tắt lý thuyết

I.1 Giơi thiệu

Hiện nay cảm biến load cell dang được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào trong các thiết bị điện tử dùng để xác định lực, trọng lực, khối lượng như cân điện tử đồi hỏi độ chính xác cao đến những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải

I.2 Mục tiêu môn học

Dùng vi điều khiển đọc và hiển thị chính xác giá trị vật nặng khi đạt lên cảm biến load cell

Dùng Arduino UNO R3 kết nối với module HX711 và cảm biến load cell được thể hiện như hình 1 Lập trình cho hiển thị ra màn hình máy tính hoặc LCD Tiến tới cho

ra đời cân điện tử đơn giản với độ chính xác tương đối

Hình 1 Sơ đồ kết nối Arduino với HX711 và cảm biến load cell

I.3 Các linh kiện sử dụng

I.3.1 Cảm biến lực load cell

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín

hiệuđiện thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm

 Cấu tạo

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gauge" và thành phần còn lại là "Load" [1]

 Strain gauge 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 lên

“Load” - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi được thể hiện như hình 2.

Hình 2 Cấu tạo cảm biến Loadcell và Wheatstone

Cấu tạo chính của Loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân Loadcell 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

 Nguyên lý hoạt động được thể hiện như hình 3 [2]

Hình 3 Nguyên lý hoạt động của load cell Điện trở của strain gauge đươc tính theo công thức như hình 4

Hình 4 R= Điện trở strain gauge (Ohm)

L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)

S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)

r= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge

Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở

Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống

Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên

Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

 Phân loại

Có thể phân loại Loadcells như sau: [3]

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (Shear Loadcell), chịu nén

(Compression Loadcell), dạng uốn (Bending), chịu xoắn (TensionLoadcell)

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ

S như hình 4

- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

Hình 4 Phân loại load cell theo hình dạng Hiện nay có 2 loại cảm biến lực thông dụng là Load cell tương tự và load cell số:

 Tín hiệu từ Loadcell số (digital Loadcell) truyền về bộ chỉ thị là dạng số

 Tín hiệu từ Loadcell tương tự (analog Loadcell) truyền về bộ chỉ thị là

dạng điện áp

 Ứng dụng của Loadcell.

Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các

loại Cân điện tử và chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân

có trọng tải lớn trong công nghiệp

I.3.2 Module HX711

HX711 là một modun chuyển đổi tín hiệu Analog sang Digital (hay Analog to Digital Converter “ADC”) 24-bit Dùng để chuyển đổi từ một đại lượng vật lí tương tự sang tín hiệu điện khi giao tiếp trực tiếp với một cảm biến load cell

Có khả năng chống nhiễu và độ tin cậy cao

Hinh 5 Module HX711 thực tế

 Cấu tạo được thể hiện như hình 6 [4]

Hình 6 Cấu tạo module HX711

 Nguyên lý hoạt động

Với cấu tạo chính là con HX711 đọc tín hiệu analog của load cell qua kênh gồm

4 dây: VCC (E+), GND (E-), INA+ và INA- rồi chyển đổi sang tín hiệu digital và truyền sang vi điều khiển khi có xung CK

1.2.3 Arduino Uno R3

Hình 7 Arduino

Arduino Uno là sử dụng chip Atmega328 Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz Một số thông số kỹ thuật như sau : [5]

Chip ATmega328

Điện áp cấp nguồn 5V

Điện áp đầu vào (input) (kiến

nghị )

7-12V

Điện áp đầu vào(giới hạn) 6-20V

Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ

rộng xung PWM)

Số chân Analog (Input ) 6

DC Current per I/O Pin 40 mA

DC Current for 3.3V Pin 50 mA

Flash Memory 32KB (ATmega328) với

0.5KB sử dụng bootloader SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Xung nhịp 16 MHz

I.4 Nguyên lý làm việc

Khi có vật nặng đặt lên cảm biến load cell thì tín hiệu analog sẽ truyền về Hx711 và chuyển đổi thành tín hiệu Digital và truyền về Arduino xử lý là xuất ra giá trị khối lượng ra màn hình LCD 16x2

II Thực hành

Để đọc được cảm biến load cell nhóm thực hiện 2 thí nghiệm chính như sau: Thí nghiệm 1: Mô tả sơ đồ thực nghiệm

Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell trên cân điện tử

Arduino

Tín hiệu

LCD Hx711

Load

cell

Tín hiệu

Digital Analog

2.1 Thí nghiệm 1: Mô tả sơ đồ thực nghiệm

 Xác định dây của load cell

Cấu trúc dây tín hiệu của Loadcell vẫn bao gồm 2 loại loại 5 dây và loại 7 dây trong đó có 1 dây tín hiệu chống nhiễu cho Loadcell [6]

Ở đây cảm biến của mình là loại 5 dây gồm 1 dây chống nhiễu, ExC+ (màu

đỏ), ExC- (màu đen), Sig+ (xanh), Sig- (trắng)

Cảm biến không có kí hiệu màu dây ta có thể dùng đồng hồ đo VOM để xác định Ta chọn thang đo điện trở 2k đo điện trở từng cặp dây ta sẽ có 6 kết quả đo trong đó có 2 giá trị đo là lớn hơn 4 giá trị đo còn lại Và lúc đó ta đã có thể xác định được 1 cặp dây tín hiệu có kết quả lớn nhất giá trị lớn hơn là điện trở giữa 2 dây +Exc

và –Exc còn giá trị nhỏ hơn là điện trở giữa 2 dây +Sig và –Sig Ta đấu nối Loadcell vơi bộ chỉ thị để xác định chính xác màu dây Loadcell Nếu càng đặt tải lên Loadcell

mà số lại càng giảm đi thì có 1 trong 2 cặp dây (+Exc và –Exc) và cặp dây (+Sig và – Sig) bị quy định ngược, ta chỉ cần đảo 1 trong 2 cặp dây là xong

Trường hợp 2 đối với Loadcell 6 dây tín hiệu

Cấu trúc của Loadcell 7 dây chính là ngoài các dây đã nên còn có thêm 2 dây tín hiệu dùng để bù tín hiệu điện áp và có tác dụng chống nhiễu cao Về cơ bản thì cũng tương tự Loadcell 4 dây vì trong Loadcell 6 dây, dây +Exc nối tắt với dây +Sen

và dây -Exc nối tắt với dây –Sen Xác định lúc này cũng tương tự như Loadcell 5 dây

Do đó, dùng đồng hồ đo ohm ở thang đo 2k

Khi xác định được 2 cặp dây ta cũng lắp Loadcell vào đầu cân và kiểm tra lặp lại trình tự như Loadcell 4 dây

 Lập trình thiết lập chuẩn (scale) cho cảm biến lực và hiển thị ra màn hình

Lập trình trên Arduino ta sử dụng thư viện Hx711 để lập trình đọc tín hiệu cảm biến Trong thư viện có bộ chuyển đổi đọc từ tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital sau

đó nhân với tỉ lệ thiết lập sẽ ra khối lượng Các bươc thiết lập tỉ lệ chuẩn như sau:

1 Gọi hàm set_scale không thông số

2 Dùng tiếp hàm tare() không có thông số

3 Đặt vật nặng có giá trị chuẩn lên trên cảm biến lực và dùng hàm

get_units(10) (đọc giá trị trung bình 10 lần) để đọc tín hiệu

4 Chia giá trị tín hiệu đọc được ở bước 3 cho giá trị chuẩn

5 Điều chỉnh giá trị thông số tới khi đọc được giá trị chính xác

 Thử nghiệm độ chính xác của cảm biến với các vật nặng khác nhau.

Sau khi thiết lập giá trị chuẩn xong ta cho thử nghiệm các vật nặng khác nhau

để kiểm tra và thiết lập giá trị chuẩn với độ sai số tối thiểu

2.2 Thí nghiệm 2: Ứng dụng thực tế Loadcell trên cân điện tử

 Kết nối thiết bị

Lắp và cố định Loadcell vào cân điện tử kết nối loadcel với modun HX711 và adruino theo sơ đồ như hình:

Hình 8: Sơ đồ kết nối Arduino với HX711 và cảm biến load cell Kết nối màn hình LCD với adruino theo sơ đồ như hình:

Hình 9: Sơ đồ kết nối Adruino với màn hình LCD

 Hình ảnh Loadcell và mô hình thực tế:

Hình 10: Loadcell

Hình 11: Thông số khi chưa thiết lập thông số chuẩn

Hình 12: Khi thiết lập thông số xong.

Hình 13: Khối lượng vật nặng cân được sau khi thiết lập thông số chuẩn

 Lập trình thiết lập thông số

Xác định thông số sau khi đã lắp và cố định giá cân với Loadcell Các bước thực hiện tương tự như ở thí nghiệm 1 như sau:

1 Gọi hàm set_scale không thông số

2 Dùng tiếp hàm tare() không có thông số

3 Đặt vật nặng có giá trị chuẩn lên trên cảm biến lực và dùng hàm

get_units(10) (đọc giá trị trung bình 10 lần) để đọc tín hiệu

4 Chia giá trị tín hiệu đọc được ở bước 3 cho giá trị chuẩn

5 Điều chỉnh giá trị thông số tới khi đọc được giá trị chính xác

 Thử nghiệm độ chính xác của cảm biến với các vật nặng khác nhau

Sau khi thiết lập thông số giá trị chuẩn thì ta nhận được kết quả cân với sai số 0.2

Bảng giá trị thực sau 3 lần đo:

Khối lượng vật chuẩn Cân lần 1 Cân lần 2 Cân lần 3

TÀI LIỆU THAM KHẢO

ngày truy cập 27/9/2016

http://text.123doc.org/document/3480852-do-an-co-dien-tu-lam-can-thong-minh.htm truy cập ngày 27/9//2016

[5] Nguyễn Trung Tín, năm 2014 Hướng dẫn sử dụng cơ bản Arduino, 59 trang

http://candientu360.com/huong-dan-dung-dong-ho-de-xac-dinh-day-tin-hieu-cua-Loadcell.html truy cập ngày 27/9/2016