thiết kế mô hình cân điện tử từ 0kg đến 2kg hiển thị lcd

Để làm quen với công việc thiết kế, chế tạo và tìm hiểu các về các loạilinh kiện điện tử, em đã chọn đề tài đồ án vi xử lý trong điều khiển là : “THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ TỪ 0kg đến

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠ ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn : Thầy LẠI VĂN SONG

Sinh viên thực hiện : TRƯƠNG MẠNH DUY

Khóa : 57

Ngành : TỰ ĐỘNG HÓA

MSV : 576165

Hà Nội – 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công cuộccông nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang phát triển mạnh mẽ Trước tìnhhình đó đã có khá nhiều yêu cầu cấp bách và cũng là những thách thức được đặt

ra cho giới trí thức

Để tiếp tục dẫn dắt sự phát triển của đất nước ngày càng giàu mạnh, thì phảiđầu tư cho giáo dục, đào tạo thế hệ trẻ có đủ kiến thức để đáp ứng nhu cầu ngàycàng cao của xã hội Đòi hỏi phải nâng cao chất lượng đào tạo, thì phải đưa cácphương tiện dạy học hiện đại vào trong giảng đường, trường học có như vậy thìtrình độ con người ngày càng cao đáp ứng được yêu cầu của xã hội

Để làm quen với công việc thiết kế, chế tạo và tìm hiểu các về các loạilinh kiện điện tử, em đã chọn đề tài đồ án vi xử lý trong điều khiển là :

“THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ TỪ 0kg đến 2kg HIỂN THỊ LCD ’’ nhằm củng cố về kiến thức trong quá trình thực tế.

Sau khi nhận được đề tài, với sự hướng dẫn của Thầy LẠI VĂN SONGcùng với sự nỗ lực của bản thân, sự tìm tòi nghiên cứu tài liệu đến nay đồ

án của em về mặt cơ bản đã hoàn thành Trong quá trình thực hiện dù đã

có gắng nhưng do thời gian cũng như trình độ vẫn còn hạn chế nên khôngthể tránh khỏi sai sót Vậy em kính mong sự chỉ bảo giúp đỡ và đóng góp

ý kiến của các thầy để đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn thầy LẠI VĂN SONG cùng các thầy cô trong khoa đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.Cơ sở lựa chọn đề tài:

Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghiệp điện tử, kỹ thuật thì một

số các hệ thống điều khiển đã dần dần được tự động hóa Với những kỹ thuật tiên tiến như vi điều khiển, PLC … được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp, ít chính xác

đã được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Đối với vấn đề sử dụng cân điện tử thì trong các hệ thống điều khiển trong công nghiệp hiện nay luôn yêu cầu cần độ chính xác và thời gian đáp ứng , xử lý nhanh nhất bởi vậy trung tâm của chương trình điều khiển thường là những vi điều khiển

Để đáp ứng được theo yêu cầu thì có rất nhiều phương pháp để thực hiện,qua quá trình học và nghiên cứu khảo sát module vi điều khiển Arduinon thì thấy rằng vi điều khiển có ứng dụng rất tốt như yêu cầu của đề tài và muốn hệ thống chính xác đạt được hiệu quả nhanh nhất thì cần phải có bộ sử lý tín hiệu tốt Được sự đồng ý của Thầy LẠI VĂN SONG bộ môn Tự động hóa khoa Cơ-Điện Học viện Nông Nghiệp Việt Nam

Nhóm em tiến hành thực hiện đề tài:

“THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ TỪ 0kg đến 2kg HIỂN THỊ LCD ’’

Các hệ thống điều khiển khi thiết kế đều yêu cầu thỏa mãn chất lượng đặt

ra, các chỉ tiêu chất lượng phải tốt nhất theo một nghĩa nào đó Trong trường hợp tổng quát, các chỉ tiêu tối ưu của một hệ thống điều khiển thường được gọi

là tiêu chuẩn tối ưu, các tiêu chuẩn tối ưu đó là:

+ Thời gian hiệu chỉnh ngắn nhất

+ Tốc độ điều chỉnh nhanh nhất

+ Cấu trúc nhỏ nhất

+ Năng lượng tiêu thụ trong hệ thống ít nhất

Việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động luôn là chỉ tiêu quan tâm đầu tiên của các nhà thiết kế

2: Đối tượng nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là cân điện tử : Trong thực tế về cuộc sống và trong công nghiệp nhiều vị trí cần và thường dùngcảm biến trọng lượnghoặc điện trở tinh Khi điều khiển trọng lượng, đặc tính cần chú ý là nhận và sử

lý thông tin nhanh từ cảm biến tới bộ sử lý trung tâm

3: Nội dung và phạm vi nghiên cứu.

Nội dung chính của đồ án đề cập đến những vấn đề chính sau:

Toàn bộ nội dung đồ án được chia thành 4 chương:

Chương I: Tổng quan về đề tài

Chương II: Giới thiệu về công nghệ được sử dụng trong đề tài

Chương III: Chế tạo và thử nghiệm

Chương IV: Kết quả thảo luận

4 Nhiệm vụ nghiên cứu.

+ Thiết kế khối nguồn

+ Nghiên cứu về đối tượng điều khiển

+ Viết chương trình điều khiển

+ Nghiên cứu lý thuyết vi điều khiển Atmega

+ Xây dụng được sơ đồ, thuật toán và chương trình điều khiển

5 Phương pháp nghiên cứu.

- Nghiên cứu lí thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển

- Dùng mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết

- Dùng thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu

6 Ứng dụng:

Hệ thống cân băng định lượng(đã làm được mô hình)

CHƯƠNG II:

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG

TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Mô hình hệ thống cân điện tử:

2.2 Giới thiệu các thiết bị trong hệ thống cân điện tử:

Cân điện tử thực hiện công việc định lượng liệu theo một tỷ lệ nhất định đòi hỏi

sự chính xác, công việc này thực hiện được nhờ vào nhiều bộ phận cấu thành,

mà trong đó bao gồm một số phẩn tử đo lường và điều khiển sau:

Loadcell Khuếch đại

Bộ nhớ

ADC Xử lý

In ấn Nguồn

cung cấp

Nút nhấn

Hiển thị

- Máy tính:chức năng là để ứng dụng phần mềm viết chương trình cho Arduino Uno R3.

- Bộ vi điều khiển(Arduino uno r3):Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này xử lý tín hiệu từ module HX-711

- Cảm biến trọng lượng loadcell: Cảm biến đóng vai trò quan trọng, là đầu vào

của Arduino, mục đích là cân trọng lượng vật liệu

- Bộ biến đổi ADC(module chuyển đổi tín hiệu HX-711) : Là các thiết bị biến đổi tín hiệu tương tự- số, số- tương tự để giao tiếp giữa arduino với cảm biến loadcell

- LCD: hiển thị khối lượng

2.2.Giới thiệu chung về Arduino Uno R3.

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản nhưđiều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm mộttrạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụngkhác

Năng lượng

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng

• GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân nàyphải được nối với nhau

• 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

• 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

50mA

• Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

• IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể

được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải làcấp nguồn

• RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương

đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

• Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến

nó thành một miếng nhựa chặn giấy, nên dùng nguồn từ cổng USB nếu cóthể

• Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất

• Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của

Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

• Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

• Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của

Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

• 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong

bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader

• 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai

báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAMlại trở thành thứ mà ta phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ

bị mất

• 1KB cho

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có

2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ởmỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiểnATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết

bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm nachính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạnkhông nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp raở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V nhưnhững chân khác

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài

các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệubằng giao thức SPI với các thiết bị khác

• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi

bấm nút Reset, sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối vớichân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên

board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức

là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đođiện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếpI2C/TWI với các thiết bị khác

Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngônngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung VàWiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số

khác thì gọi là C hay C/C++ Riêng tôi thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội

ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm pháttriển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình

Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như

hình dưới đây

Đoạn mã nguồn như trong hình sẽ điều khiển một đèn LED nhấp nháy với chu

kì 1 giây

2.3 Cảm biến:

Cảm biến là thiết bị thực hiện một quan hệ đơn vị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định Là thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo (m) không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện ( như: điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng), ký hiệu là S Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m.

S=f(m)

Trong đó S là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc là đại lượng cần đo).Việc đo đạc S cho phép nhận biết giá trị của m.Biểu thức S= f(m) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vào vật liệu làm cảm biến, đôi khi cả vào môi trường và chế độ sử dụng

Cảm biến trọng lượng (Loadcell).

Cảm biến trọng lượng (cảm biến lực) dùng trong việc đo khối lượng được

sử dụng phổ biến là loadcell Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng Lực chưabiết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này :

Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỷ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone

 Nguyên lý:

Cầu Wheatstone là mạch đo được chọn dùng nhiều nhất cho việc đo những biếnthiên điện trở nhỏ (tối đa là 10%), chẳng hạn như việc dùng các miếng đo biến dạng Phần lớn các thiết bị đo đạc có sẵn trên thị trường đều không ít thì nhiều dùng phiên bản của cầu Wheatstone đã được sàng lọc Như vậy việc tìm hiểu nguyên lý cơ bản của loại mạch này là một điều cần thiết

Mạch cầu Wheatstone

Cho một mạch gồm bốn điện trở giống nhau R1, R2, R3, R4 tạo thành cầu Wheatstone như trên hình trên Đối với cầu Wheatstone này, bỏ qua những số hạng bậc cao, hiệu thế đầu ra Em thông qua thiết bị đo với trở kháng Zm sẽ là:

Em =

] 4

4 3

3 2

2 1

1 [ ) 1

(

R R

R R

R R

R Z

∆

−

∆ +

Với: Ri

Ri

∆

là biến đổi đơn vị của mỗi điện trở Ri

R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R, R4 (thường là 350Ω , nhưng có thể là 750Ω dành cho các bộ cảm biến )

V là hiệu thế nguồn

Điện thế nguồn có thể thuộc loại liên tục với điều kiện là dùng một nguồn năng lượng cung cấp thật ổn định Các thiết bị trên thị trường đôi khi lại dùng nguồn cung cấp xoay chiều Trong trường hợp đó phải tính đến việc sửa đổi mạch cơ bản để có thể giải điều chế thành phần xoay chiều của tín hiệu

Trong phần lớn các trường hợp, Zm rất lớn so với R (Ví dụ như Volt kế số, bộ khuếch đại với phần nối trực tiếp) nên biểu thức trên có thể viết lại là:

4 3

3 2

2 1

1

[

R R

R R

R R

R

V ∆ −∆ +∆ −∆

Phương trình trên cho thấy là sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, ví dụ là R1 và R3, sẽ là cộng lại với nhau trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau, ví dụ là R1 và R2, lại là trừ khử nhau Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt

 Giới thiệu một số loại Loadcell.

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea – Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra củaLoadcell có màu sắc khác nhau Có thể kể ra như sau:

Tên tín

hiệu