luận văn tốt nghiệp cảm biến lực

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu5 LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp tại trường, chúng tôi ñã nhận ñược sự chỉ dẫn nhiệt tình của cá

Trang 1

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

TS Trần Thanh Hùng Nguyễn Minh Hải - 1041388

Võ Hiếu Thảo - 1041423

Cần Thơ, tháng 12 năm 2008

Trang 2

2

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ðẠI HỌC

CẢM BIẾN LỰC

Nguyễn Minh Hải

MSSV: 1041423

Luận văn ñược bảo vệ tại: Hội ñồng chấm luận văn tốt nghiệp Bộ môn

………, Khoa Công nghệ, Trường ðại học Cần Thơ vào ngày tháng năm …

TRƯỜNG ðẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN TỰ ðỘNG HÓA

Trang 3

3

BẢN NHẬN XÉT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

Trang 4

4

BẢN NHẬN XÉT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Nhận xét của giáo viên phản biện:

Trang 5

5

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp tại trường, chúng tôi ñã nhận ñược

sự chỉ dẫn nhiệt tình của các thầy cô trong Bộ môn Tự ðộng Hóa – Khoa Công Nghệ - Trường ðại Học Cần Thơ và sự hợp tác, giúp ñỡ nhiệt tình của các thầy cô trong phân xưởng Cơ Khí – Trường ðại học Cần Thơ

Chúng tôi vô cùng biết ơn gia ñình ñã tạo ñiều kiện, chăm sóc, ñộng viên chúng tôi trong cuộc sống nói chung, ñặc biệt là trong suốt thời gian thực hiện luận văn nói riêng

Chúng tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến quý thầy cô ñã tận tình dạy

dỗ và truyền thụ những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian chúng tôi cắp sách ñến trường Trân trọng biết ơn quý thầy cô!

ðặc biệt, chúng tôi vô cùng biết ơn thầy Trần Thanh Hùng ñã tận tình giúp ñỡ,

tạo ñiều kiện tốt nhất cũng như ñã ñọc và chỉnh sửa bài luận ñể chúng tôi hoàn thành

ñề tài của mình

Do thời gian thực hiện ñề tài và kiến thức bản thân còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện ñề tài không tránh khỏi nhiều sai sót, kết quả ñạt ñược khá tốt nhưng chưa ñến mức tối ưu

Chúng tôi rất mong ñược sự thông cảm, ñóng góp của quý thầy cô Chúng tôi mong rằng các sinh viên các khóa sau sẽ kế thừa, phát huy và hoàn thiện ñề tài này một cách xuất sắc ñể có thể cho ra sản phẩm xuất sắc, có cơ hội ñến với người tiêu dùng hoặc phát triển thành nhiều dạng ứng dụng sử dụng nguyên tắc của mô hình trên (cân

ñiện tử, ño lực chính với ñộ chính xác cao, hồi tiếp lực cho tay robot,…)

Xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 29 tháng 11 năm 2008

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Minh Hải

Võ Hiếu Thảo

Trang 6

6

TÓM TẮT 1

Abstract 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 ðẶT VẤN ðỀ 3

1.2 GIẢI QUYẾT VẤN ðỀ 3

1.3 PHẠM VI CỦA ðỀ TÀI 4

1.4 PHƯƠNG HƯỚNG GIẢI QUYẾT 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 STRAINGAUGE 6

2.1.1 ðịnh nghĩa strain gauge 6

2.1.2 Nguyên tắc hoạt ñộng và ứng dụng 6

2.1.3 Cấu tạo 7

2.1.4 Chất keo dán 7

2.1.5 Các mạch cầu gauge 8

2.1.6 Hoạt ñộng của cầu 9

2.1.7 Bù nhiệt 12

2.2 LOADCELL 12

2.3 KHẢO SÁT BỘ CHUYỂN ðỔI ADC 14

2.3.1 Sơ ñồ bộ chuyển ñổi ADC 14

2.3.2 Các thanh ghi quan trọng trong ADC 15

2.3.3 Yêu cầu của bộ ADC 16

2.3.4 Vận hành bộ chuyển ñổi ADC 17

2.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC LINH KIỆN QUAN TRỌNG 18

2.4.1 Vi mạch LM741 18

2.4.2 LCD 16x2 Họ HD44780 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THI CÔNG 23

3.1 THIẾT KẾ LOADCELL 23

3.1.1 Yêu cầu 23

Trang 7

7

3.1.2 Vật liệu 24

3.1.3 Hình dạng 24

3.2 TÍNH TOÁN BỘ KHUẾCH ðẠI 31

3.2.1 Lựa chọn linh kiện khuếch 31

3.2.2 Tính toán ñiện áp ra của cầu Wheatstone 32

3.2.3 Tính toán mạch khuếch ñại 33

3.3 MẠCH CHUYỂN ðỔI ADC VÀ HIỂN THỊ 35

3.3.1 Lựa chọn vi ñiều khiển 35

3.3.2 Hiển thị 36

3.4 THIẾT KẾ BỘ NGUỒN 36

3.5 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 36

3.5.1 Lưu ñồ 36

3.5.2 Source code 37

3.6 TEST MẠCH 39

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 46

Trang 8

8

TÓM TẮT

Bài luận này sẽ giới thiệu những kiến thức cơ bản về strain gauge, Loadcell và hướng thiết kế một loadcell ñơn giản Phần tìm hiểu về strain gauge và loadcell sẽ thực hiện bằng cách tìm tài liệu trên mạng internet (datasheet và các bài luận nghiên cứu) Phần thiết kế một loadcell ñơn giản sẽ ñược tiến hành bằng thực nghiệm (chế tạo mô hình) Kết quả về phần tìm hiểu strain gauge và loadcell nhóm ñã khái quát ñược cấu tạo cũng như phương thức hoạt

ñộng Về phần chế tạo mô hình, nhóm ñã làm ñược một mô hình hệ thống cảm biến lực với ñầy ñủ loadcell, bộ khuếch ñại, bộ ñọc dữ liệu và hiển thị

Tuy nhiên mô hình hoạt ñộng với chính xác chưa ñược cao (sai số bộ khuếch ñại + giải thuật lập trình chưa tối ưu) Nếu các lỗi này ñược khắc phục trong tương lai, có thể phát triển thành nhiều dạng ứng dụng sử dụng nguyên tắc của mô hình trên (cân ñiện tử, ño lực chính với ñộ chính xác cao, hồi tiếp lực cho tay robot,…)

Abstract

In this thesis, the basic knowledge of straingauge, loadcell and the method of design a simple loadcell are discussed To learn about strain gauges and loadcells, we search on internet for their datasheets and reports From the theory, we develop a simple loadcell, and use computer to simulate its responses, such as strain-stress property Then an amplifier is designed for conditioning the loadcell signal Finally, a microcontroller is used to read results

by an ADC and display to an LCD Experimental results so that the system works, but not very accurate because of errors from amplifier, ADC and algorithm By fixing these errors, this model can be employed for many kind of applications such as electric scale, high accurate force sensor, feedback force control,…)

Keywork: Loadcell, khuếch ñại, force sensor (cảm biến lực)

Trang 9

9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

ñề này, tuy nhiên hầu hết là ở dạng tiếng Anh Tài liệu tiếng Việt thì không phổ biến, theo

chúng tôi ñược biết thì ñề tài “ðO LỰC VÀ ỨNG SUẤT” của sinh viên Hà Thanh Lâm và Phạm Trọng Quỳnh ñã trình bày khá rõ ràng, tuy nhiên họ chỉ tập trung vào phần ño lực và

ứng suất mà không ñi sâu vào thiết kế một loadcell Ở ñây ñể tiện việc theo dõi chúng tôi trình

bày một số kiến thức cơ bản về strain gauge, loadcell, và ñề ra hướng thiết kế một loadcell ñơn giản ñồng thời dùng mô hình này làm nền ñể phát triển các mô hình khác cao hơn

ðề tài ñặt ra là thiết kế loadcell, sau ñó xây dựng ñược một mô hình có cả phần cứng

và phần mềm tương ñối ñơn giản

ðề tài là cơ sở ñể những người nghiên cứu khác vận dụng và phát triển thành những

sản phẩm có giá trị sử dụng trong thực tế Chúng tôi hy vọng các sinh viên các khóa sau sẽ kế thừa ñề tài này ñể cho ra một cái cân ñiện tử khá chính xác ñể ñưa vào cuộc sống hoặc có thể phát triển thành nhiều dạng ứng dụng sử dụng nguyên tắc của mô hình trên (ño lực chính với

ñộ chính xác cao, hồi tiếp lực cho tay robot,…)

ðề tài là cơ sở ñể những người thực hiện luận văn tốt nghiệp các khóa sau tham khảo

và phát triển

1.3 PHẠM VI CỦA ðỀ TÀI

Yêu cầu của ñề tài ñặt ra là tìm hiểu strain gauge, loadcell; thiết kế load cell ñơn giản

và hiển thị ra LCD Do trong ñề tài có rất nhiều kiến thức mới (sử dụng các phần mềm mô phỏng, ngôn ngữ lập trình…) nên chúng tôi ñặt ra phạm vi:

Trang 10

10

Tìm hiểu về strain gauge và loadcell ( kiến thức cơ bản )

Thiết kế mơ hình loadcell đơn giản:

Thiết kế một mơ hình hệ thống cảm biến lực với đầy đủ loadcell, bộ khuếch

đại, bộ đọc dữ liệu và hiển thị Chia ra làm phần cứng và phần mềm với phân cơng cơng việc

cụ thể:

o Phần cứng Võ Hiếu Thảo

o Phần mềm Nguyễn Minh Hải

Tuy nhiên, để đề tài được tiến hành thuận lợi và cĩ một hệ thống hoạt động tốt nhất thì phần cứng và phần mềm khơng thể tách rời, điều này địi hỏi các thành viên phải hợp tác chặt chẻ với nhau, khơng xem nhẹ phần nào (phần cứng, phần mềm), phải đồn kết,

Trang 11

2.1 Sơ lược về strain gauge

2.2 Giới thiệu loadcell

2.3 Khảo sát bộ chuyển ñổi ADC

2.4 Giới thiệu sơ lược các linh kiện quan trọng

2.1 STRAIN GAUGE

2.1.1 ðịnh nghĩa strain gauge

Strain - gauge ( Miếng ño biến dạng ) là một cấu kiện ñiện trở ñược dùng ñể dán lên một bộ phận bị biến dạng Sự biến dạng của bộ phận này thông qua lớp keo dán truyền sang Strain - gauge và làm thay ñổi ñiện trở của nó

Cách ñịnh nghĩa khác: Strain Gauge là một ñiện trở ñặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có ñiện trở thay ñổi khi bị nén hay kéo dãn và ñược nuôi bằng một nguồn ñiện ổn ñịnh, ñược dán lên tải

2.1.2 Nguyên tắc hoạt ñộng và ứng dụng

Dây dẫn bị kéo căng sẽ trở nên mỏng và dài kết quả là ñiện trở giữa 2 ñầu dây dẫn tăng lên Ngược lại, khi dây dẫn bị nén lại nó cũng trở

nên dầy và ngắn và ñiện trở giữa 2 ñầu dây sẽ

giảm xuống Như vậy dây dẫn này có thể dùng

làm thiết bị ño lực vật lý, giá trị lực tác dụng có

thể suy ra từ việc ño giá trị ñiện trở giữa 2 ñầu

dây dẫn

Strain gauge thường ñược sử dụng trong

nghiên cứu kỹ thuật cơ khí và ñược phát triển ñể

ño ñạc ứng lực gây ra bởi máy móc Kiểm tra

thiết bị bay là một lĩnh vực ứng dụng của strain

gauge, cụ thể strain gauge sẽ ñược dán lên một bộ

phận quan trọng bất kỳ của khung máy ñể ño ứng

lực Hầu hết strain gauge hiện nay ñều rất nhỏ

Strain gauge dùng trong cơ khí ñược chế tạo

như hình H2.1

Hiện nay, strain - gauge ñã ñược sản xuất

khá nhiều với nhiều thương hiệu khác nhau, trong ñó nỗi tiếng có các hãng như: Hottinger Baldwin, Messttechnik, Micromesures Vishay

2.1.3 Cấu tạo

Dây dẫn của strain gauge rất mỏng, nếu là dây tròn thì ñường kính vào khoảng 1 inch, thường dùng băng kim loại mỏng cố ñịnh trên nền làm bằng vật liệu cách ñiện Dạng strain gauge mới nhất ñược thể hiện ở hình trên, có tên là “bonded gauge”

mili-Thông thường ñiện trở strain gauge khi chưa chịu ứng lực là từ 30 Ohms ñến 30 kOhms Giá trị ñiện trở này chỉ thay ñổi khoảng 1% khi chịu ứng lực tối ña ( full force ) Giới hạn này

H 2.1

Trang 12

12

ựược ựưa ra do giới hạn ựàn hồi của vật liệu làm strain gauge cũng như vật liệu làm mẫu kiểm

tra Lực ựủ lớn làm cho ựiện trở strain gauge thay ựổi lớn hơn 1% giá trị ựiện trở strain gauge

sẽ làm biến dạng vĩnh viễn vật mẫu hay strain gauge Vì vậy trong sử dụng strain gauge như một dụng cụ thực hành thì phải ựo ựạc sự thay ựổi ựặc biệt nhỏ với ựộ chắnh xác rất cao

đáp ứng yêu cầu khắt khe ựó, người ta ựã ựưa ra một mạch ựo cầu strain gauge Không

giống cầu Wheatone, mạch cầu strain gauge không dùng máy dò cân bằng không balance) và cần người vận hành bảo trì trạng thái cân bằng cho mạch, mà dựa trên ựộ không cân bằng ựể ựo ựược biến dạng Một miếng ựo lý tưởng phải có một ựiện trở rất lớn, một hệ số

(null-ựo cực ựại và một mức giới hạn ựàn hồi cao, ựồng thời lại không bị ảnh hưởng nhiệt ựộ cao tác ựộng Thêm vào ựó, hệ số miếng ựo luôn luôn bất biến cho dù mức biến dạng có lớn ựến ựâu

ựi chăng nữa

để miếng ựo có thể hoạt ựộng một cách thắch hợp theo sức căng cũng như sức nén, sợi ựiện trở phải càng mỏng càng tốt ựể cho lớp keo có thể truyền hoàn toàn mức biến dạng của

bộ phận sang miếng ựo

2.1.4 Chất keo dán

Keo cyanoacrylate: Rất thực dụng cho việc áp dụng bình thường trong thời gian ngắn,

nhiệt ựộ áp dụng dưới 1000C Sẽ khô cứng trong vài giây dưới tác dụng của sức ép

Keo gốm: Khó áp dụng hơn vì cần thiết bị ựặt biệt có vẻ mong manh yếu ớt, không cho

phép dùng ựược những biến dạng lớn.,sử dụng ựược ựến 600oc

Hàn: đây là cách thức thực tế nhất ựể dùng ở nhiệt ựộ cao cho các miếng ựo trong vỏ

bọc kim loại rất ựặc

Cần chú ý là bề mặt ựể dán phải ựược tẩy sạch dầu mỡ và sau ựó ựược trung hòa bằng hóa chất để tạo ra bề mặt có tắnh chất lý tưởng ựối ựược loại keo này, bề mặt phải ựược làm sạch vết rỉ ựể tạo ra bề mặt nhẵn nhưng không quá bóng

2.1.5 Các mạch cầu strain gauge

Vì ựiện trở của train Ờ gauge thay ựổi rất nhỏ nên ựể ựo ựược

nó ta phải mắc mạch thành dạng cầu Wheatstone Có 3 kiểu mắc cầu Wheatstone: Full bridge, Haft bridge, quarter bridge

Full bridge : Gồm 4 Strain - gauge tắch cực

Trang 13

Vout: ñiện thế ra ñơn vị microVolt

E: biến dạng dài tương ñối ñơn vị là micro strain

V: ñiện thế áp vào cầu

2.1.6 Hoạt ñộng của cầu

Bình thường cầu sẽ cân bằng, ñiện áp ño ñược bằng 0, khi có lực tác dụng làm thay ñổi hình dạng strain gauge thì ñiện trở gauge thay ñổi, cầu mất cân bằng khi ñó áp ño ñược sẽ khác 0 Tuy nhiên giá trị này là rất nhỏ (vào khoảng vài miliVolts) vì vậy cần khuếch ñại giá trị này lên khoảng 5-10 V nhằm phù hợp với các hệ thống thu nhận và phân tích dữ liệu số như máy vi tính Có nhiều dạng mạch mạch khuếch ñại tín hiệu xuất ra từ cầu strain gauge nhưng phổ biến là dùng IC với mã sản phẩm là RS stock no.846-171 và mạch khuếch ñại dùng opam

741

Mạch khuếch ñại sử dụng IC với mã sản phẩm RS stock no.846-171:

H 2.5

H 2.4

Trang 14

Trang 15

Trang 16

16

R1,R2 cho phép ñịnh giá trị ñộ khuếch ñại theo công thức: 1 1

2

R A

ðộ khuếch ñại ñược tính bằng công thức: 1 3

2

R A

R

= + , biến trở R1 cho phép chuẩn ngỏ ra

về giá trị 0 khi cầu không cân bằng

Modul ADC của vi ñiều khiển PIC 16F887

Modul ADC (Analog Digital Converter) của vi ñiều khiển Pic 16F887 có 2 chế ñộ chuyển

ñổi ñó là 8bit va 10bit, có 14 ngõ vào Analog Ngoài ra các chân 4 và 5 còn lần lượt là chân diện

thế tham chiếu âm dương (Vref- , Vref+) của bộ chuyển ñổi

Phần lớn các strain gauge hiện nay ñều có khả năng tự ñộng cân bằng Thí dụ, một strain gauge ñược cân bằng nhiệt về lý thuyết sẽ không cho thấy sự thay ñổi ñiện trở nào khi miếng thép mà miếng ño ñược dán lên sẽ giãn nở khi nhiệt ñộ thay ñổi ðặc tính tự cân bằng này có

H 2.8

Trang 17

17

ñược là nhờ việc xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại dùng ñể chế tạo ra miếng ño Cách xử lý nhiệt

này chỉ có hiệu quả trong một tầm nhiệt ñộ giới hạn nào ñó

Bằng cách dùng cầu Wheatstone ta cũng có thể chế tạo mạch cân bằng nhiệt ñộ Như ñã biết, sự thay ñổi nhiệt ñộ của 2 nhánh cầu kề nhau sẽ tự triệt tiêu nên miếng ño cân bằng ñược nối vào mạch cầu Wheatstone cùng nhánh với miếng ño hữu công A

Một cầu strain gauge ñược mắc theo một trong các dạng trên và ñược dán vào nơi bị biến

dạng nhiều nhất của một khối kim loại ñược thiết kế ñặc biệt ñể ño biến dạng ñược gọi là loadcell Một số loadcell có thể tích hợp bộ khuếch ñại bên trong Loadcell ñược sử dụng phổ biến ñể trọng lượng

Loadcell có nhiều hình dạng và tải trọng khác nhau, mỗi hình dạng ñược thiết kế cho phù hợp với mục ñích ứng dụng Ví dụ:

Dùng cho cân ñóng bao, cân băng tải, cân xe nâng…

Dùng cho cân ñóng bao, cân băng tải, cân phối liệu

Dùng cho các ứng dụng chịu sự tác ñộng của gas, nước biển, hoặc dùng trong công nghiệp thực phẩm

H 2.9

H

Trang 18

18

Chuyên dùng cho các loại cân móc, cân treo…

Chuyên dùng cho cân ôtô, cân xe tải

H

Trang 19

19

Tải trọng của loadcell ñược quyết ñịnh bởi vật liệu chế tạo, vật liệu có ñộ cứng càng cao thì tải trong của loadcell càng lớn

Trong ñó VCFG1, VCFG0, GO/DONE, ADON là các bít ñiều khiển bộ ADC

Thanh ghi ADCON0

Bit7-6 (ADCS1 – ADCS0): Chọn tốc ñộ làm việc cho bộ chuyển ñổi

• 00 – Fosc/2

• 01 – Fosc/4

H

Trang 20

20

• 10 – Fosc/8

• 11 – Frc (dao ñộng nội max = 500KHz)

Bảng minh họa:

Bit 5-2 (CHS 3-0): chọn ngõ vào Analog

• 0000-1101 tương ứng với AN0 – AN13

• 1110 là CVRef

• 1111 fixed Ref

Bit 1 (GO/DONE) :

• Giá trị 1: bộ ADC cho phép bắt ñầu chuyển ñổi

• Giá trị 0: bộ ADC cho phép ngưng bắt ñầu chuyển ñổi

Bit 0 (ADON):

• Giá trị 1: cho phép bộ ADC hoạt ñộng

• Giá trị 0: cấm bộ ADC hoạt ñộng

Thanh ghi ADCON1

Bit 7 (ADFM): chọn ñịnh dạng lưu kết quả:

• Giá trị 1: lưu về bên phải

• Giá trị 0: lưu về bên trái

Trang 21

Thời gian lấy mẫu TCAQ = 4,67 Sµ ( theo datasheet ứng với ñiện trở ngoài RS = 10K, nhiệt

ñộ 500C, VDD = 5V )

Sơ ñồ lấy mẫu:

H

Trang 22

22

2.3.4 Vận hành bộ chuyển ñổi ADC

Thiết lập cổng:

o Cấm xuất trên port A

o Thiết lập chân trở thành chân Analog (ANx)

Thiết lập modul ADC:

o Chọn tốc ñộ xung ñồng hồ

o Thiết lập ñiện thế tham chiếu

o Chọn ngõ vào Analog (ANx)

Trang 23

23

Chờ thời gian lầy mẫu (4,67 micro giây)

Set bit GO/DONE

Chờ bộ ADC chuyển ñổi hoàn tất bằng cách:

o Chờ bit GO/DONE bị xóa (tự ñộng)

Chân 3 : ngõ vào không ñảo

Chân 4: chân cấp nguồn âm phân cực cho 741

Chân 7: chân cấp nguồn dương phân cực cho 741

Một số thông số của chip 741:

ðiện thế cung cấp (phân cực) tối ña: 22V±

Công suất tiêu thụ 0,5W

Khoảng nhiệt ñộ làm việc -55 ñến 1250C

ðiện thế offset ngõ vào: 1mV

Dòng ngắn mạch ở ngỏ ra : 25mA

H

Trang 24

Thứ tư chân Tên chân Chức năng

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1 MB