Thiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCD

Thiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCDThiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCD

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo trongtrường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên nói chung vàcác thầy cô giáo trong khoa Công nghệ tự động hóa nói riêng đã tận tình giảngdạy truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thờigian qua

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Lê Văn Chung đã chỉ bảotận tình giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này Thầy trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn

em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy,

em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinhthần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là nhữngđiều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này

Và nhân đây em cũng xin cảm ơn những anh chị, những người bạn đãđộng viên, giúp đỡ em trong thời gian vừa qua

Thái Nguyên, ngày … tháng … năm201

Sinh viên

Hoàng Trọng Nghĩa

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của đồ án tốt nghiệp này là do em tựtìm hiểu nghiên cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn Nội dung đồ

án tốt nghiệp này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trìnhnghiên cứu nào

Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn tráchnhiệm trước nhà trường

Thái Nguyên, ngày… tháng… năm 201 Sinh viên

Hoàng Trọng Nghĩa

MỤC LỤC

L I C M Ờ Ả N Ơ 1

L I CAM ĐOAN Ờ 2

M C L C Ụ Ụ 3

DANH M C HÌNH VẼ Ụ 5

DANH M C B NG Ụ Ả 7

T NG QUAN V Đ TÀI Ổ Ề Ề 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Giới thiệu đề tài 1

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài: 2

CH ƯƠ NG 1 : T NG QUAN V H TH NG CÂN ĐI N T Ổ Ề Ệ Ố Ệ Ử 3

1.1 Hệ thống cân sử dụng loadcell và ứng dụng 3

1.2 Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng 5

1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng 5

1.2.2 Các phương pháp đo khối lượng 5

1.3 Giới thiệu chung về loadcell 9

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 9

1.4 Ví dụ về hệ thống ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe 16

1.4.1 Sơ đồ khối hệ thống 16

1.4.2 Cầu cân 17

1.4.3 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây 17

1.4.4 Thiết bị chỉ thị khối lượng 18

1.4.5 Quản lý trạm cân dùng máy tính 19

CH ƯƠ NG 2: M T S LINH KI N DÙNG TRONG M CH Ộ Ố Ệ Ạ 20

2.1 Vi điều khiển Atmega16 20

2.1.1 Tính năng của Atmega16 20

2.1.2 Cấu hình chân của Atmega16 21

2.1.3 Kiến trúc của Atmega16 22

2.1.4 Vào ra của vi điều khiển 23

2.1.5 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ với AVR (UART) 27

2.1.6 Bộ ADC trên Atmega16 32

2.2 LCD 39

2.3 Mạch khuếch đại 41

CH ƯƠ NG 3: THI T K VÀ THI CÔNG M CH Ế Ế Ạ 45

3.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của cân điện tử 45

3.2 Sơ đồ nguyên lý 49

3.3 Một số hình ảnh mô phỏng 50

3.4 Lưu đồ thuật toán 51

3.5 Chương trình 51

PH L C Ụ Ụ 52

K T LU N Ế Ậ 59

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 60

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell 3

Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản 8

Hình1.3 Cách ghép các phần tử áp điện 8

Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên 9

Hình 1.4a LoadCell khi không có Hình 1.4b LoadCell khi có 10

lực tác động lực tác động 10

Hình 1.4c Sơ đồ điện cho cảm biến Load Cell 11

Hình 1.5 Sơ đồ tính điện áp ra 12

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương 12

Hình 1.7 Sơ đồ tính tổng trở 13

Hình 1.8 Đầu dây ra của Loadcell 15

Hình 1.9 Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế 16

Hình1.10 Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe 16

Hình1.11 Bàn cân trạm cân xe 17

Hình 1.12 Cách bố trí Loadcell 17

Hình 1.13 Một số loại Loadcell có tải trọng lớn 18

Hình 1.14 Một số thiết bị chỉ thị khối lượng trong thực tế 19

Hình 2.1 Cấu hình chân Atmega16 21

Hình 2.2 Kiến trúc của Atmega16 22

Hình 2.3 Tổ chức bộ nhớ của Atmega16 23

Hình 2.4 Thanh ghi DDRA 24

Hình 2.5 Thanh ghi PORTA 25

Hình 2.6 Thanh ghi PINA 25

Hình 2.7 Sơ đồ một cổng vào ra 26

Hình 2.8 Thanh ghi SFIOR 27

Hình 2.9 Thanh ghi UDR 28

Hình 2.10 Thanh ghi UCSRA 28

Hình 2.11 Thanh ghi UCSRB 28

Hình 2.12 Thanh ghi UCSRC 30

Hình 2.13 Thanh ghi UBRRL và UBRRH 31

Hình 2.14 Cách nối khi sử dụng bộ ADC 33

Hình 2.15 Thanh ghi ADMUX 34

Hình 2.16 Thanh ghi ADCSRA 36

Hình 2.17 Thanh ghi ADCH và ADCL 37

Hình 2.18 Thanh ghi ADCH và ADCL 37

Hình 2.19 Thanh ghi SFIOR 38

Hình 2.20 Sơ đồ chân của LCD: 40

Hình 2.21 Sơ đồ chân của INA125 42

Hình 2.22 Kết nối với INA125 43

Hình 3.1 Sơ đồ khối của cân điện tử 45

Hình 3.6 Hình dạng của LCD 48

Hình 3.7 Hình ảnh loadcell sử dụng trong đề tài 48

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý 49

DANH MỤC BẢNG

Bảng1.1.Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện 7

Bảng 1.2 Các mầu thông dụng đầu ra của Loadcell 15

Bảng 2.1 Cấu hình cho các chân cổng 26

Bảng 2.2 Bảng chọn kiểm tra parity 30

Bảng 2.3 Bảng độ dài dữ liệu truyền 31

Bảng 2.4 Bảng tính tốc độ baud 32

Bảng 2.5 Bảng chọn điện áp tham chiếu 34

Bảng 2.6 Bảng Chọn chế độ chuyển đổi 35

Bảng 2.7 Bảng hệ số chia xung nhịp cho ADC 36

Bảng 2.8 Bảng nguồn kích ADC trong chế độ Auto Trigger 39

Bảng 2.9 Bảng mô tả chân của LCD 41

Bảng 3.1 Thông số của loadcell 49

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệthống điều khiển dần dần được tự động hóa Với những kỹ thuật tiên tiến của vi xử

lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển

cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệthống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Cân xe cũng như việc cân những khối lượng lớn là một nhu cầu cần thiết

cho các nhà máy sản xuất muốn biết khối lượng hàng hoá, sản phẩm hay nguyênvật liệu, và cả cho những lĩnh vực khác như bến cảng, trạm cân xe phát hiện quátải của cảnh sát giao thông Tuy đã được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam nhưnghầu hết các hệ thống cân xe đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngoài nhưloadcell, bộ hiển thị (đầu cân) Phần được chế tạo ở đây có thể là nền cầu cân,hộp nối loadcell ( Junction Box) và viết chương trình quản lý trạm cân

Vì các lí do trên và trên cơ sở lý thuyết đã học của môn đo lường và vi điềukhiển, đồng thời được sự giúp đỡ của khoa Công nghệ tự động hóa-Trường Đạihọc Công nghệ thông tin và truyền thông, khi nhận đề tài làm đồ án tốt nghiệp em

đã tiến hành thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCD” Cụ thể em sẽ thiết kế một cân điện tử có thể cân được tối đa

20000 Kg

2 Giới thiệu đề tài

- Tóm tắt nội dung đề tài:

-Nghiên cứu về hệ thống cân điện tử

-Nghiên cứu cấu trúc và tập lệch của AVR

-Ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống cân điện tử

- Kết quả dự kiến:

-Xây dựng được sơ đồ nguyên lý chi tiết

-Xây dựng được lưa đồ thuật toán và viết chương trình phần mềm

-Mô phỏng được chương trình trên máy tính

-Mạch cho hệ thống cân điện tử.

3 Mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài này là để hoàn tất chương trìnhmôn học để đủ điều kiện ra trường

- Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài là em muốn phát huy những thànhquả ứng dụng của tự động hóa nhằm tạo ra những sản phẩm, những thiết bị tiêntiến hơn, và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn

- Mặt khác đồ án này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinhviên khóa sau, giúp họ hiểu rõ hơn về những ứng dụng của vi điều khiển

- Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để em tựkiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường, đồng thời phát huy tính sángtạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặt ra Và đây cũng là dịp để

em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sảnxuất của xã hội

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ

1.1 Hệ thống cân sử dụng loadcell và ứng dụng

Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell như sau :

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell

Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử lýhay máy tính … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm khối truyền dữliệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không tùy mục đích sử dụng

Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển thành tínhiệu điện ở ngõ ra Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần trướckhi đưa vào bộ chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được đưa về bộ

xử lý để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị hoặc có thêm việc in ấn Bộ

xử lý cần thiết phải có thêm bộ nhớ để lưu trữ số liệu, ví dụ trong việc chỉnh 0 vàtrừ bì của cân …

Do tính linh hoạt của bộ xử lý, tùy theo mục đích cụ thể mà chương trìnhviết cho bộ xử lý khác nhau Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng trongnhiều lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng Ngoài ứng dụng trong việccân xe, có thể kể ra các ví dụ khác mà dùng hệ thống cân điện tử sử dụng loadcellnhư sau:

Loadcell Khuếch đại

Nguồn cung cấp

- Trong hệ thống bán hàng có sử dụng cân điện tử loại này, việc tính tiền cóthể được tự động hoàn toàn Hàng ở đây là những loại có thể cân được, có thể làrau quả, thủy sản … Người sử dụng nhập vào bàn phím giá cả của một đơn vịcân và giá cả này có thể hiển thị ra màn hình hoặc Led 7 đoạn Khi người dùngnhấn nút tính tiền trên bàn phím, bộ xử lý sẽ nhân giá trị cân được với giá củamột đơn vị cân này và hiển thị ra giá cả đã được tính toán cho số hàng ấy Saukhi để giá này hiển thị một khoảng thời gian vừa đủ cho người dùng đọc nó, hệthống cân có thể sẽ hiển thị lại giá trị cân được Giá tiền này có thể được lưu lại

và nếu được nối đến máy tính của quầy thu tiền, khách hàng có thể nhận đượcbảng báo cáo bao gồm trọng lượng cân được, giá cả của một đơn vị cân và tổng

số tiền phải trả cho số hàng đó

- Cân cũng là một trong những biện pháp để phát hiện ra sản phẩm trong

hệ thống đếm tự động Khi phát hiện có khối lượng quy định thì mới đếm Điềunày sẽ tránh được việc đếm sai nếu cùng một lúc có hai sản phẩm hoặc vật thểkhác không phải là sản phẩm che cảm biến quang

- Một ứng dụng khác của hệ thống cân này có thể kể ra là dùng trong bưuđiện Sau khi cân kiện hàng và xác định nơi cần gửi Ngõ ra của hệ thống cân nàythường được nối đến hệ thống in bưu phí lên nhãn dán vào kiện hàng gửi đi

- Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều trongcác nhà máy ở nước ta là ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm Người dùng

có thể nhập vào khối lượng cho một gói hàng hay bao gạo … khi đạt đến giá trịquy định này, ngõ ra của bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót hànghay dây chuyền để đóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các relay để làmđóng, mở các valve selenoid dùng khí nén

Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển viết cho

bộ xử lý và cách giao tiếp với các thiết bị bên ngoài Phần này thì khác nhau đốivới các ứng dụng cụ thể khác nhau

1.2 Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng

1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác địnhbằng định luật II Newton, mà theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m

sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là:

F = ma (1.1)

Trong đó:- F: Lực tác dụng (N)

- m: Khối lượng của vật(Kg)

-a: Gia tốc của vật (m/s 2 )

Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức húttrái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là gia tốctrọng trường là một số cố định ở từng khu vực Các phương pháp đo khối lượng

là dựa vào quan hệ này

Công thức (1) không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không có giatốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Hai lực cân bằng và đốinhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc

1.2.2 Các phương pháp đo khối lượng.

a Cảm biến điện trở lực căng.

Sức căng ε được xác định bằng sự thay đổi chiều dài ∆L của thanh đàn hồi

L so với một đơn vị chiều dài :

ε = ∆L / L (1.2)

Do tác động của lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tương ứng cũnglàm thay đổi giá trị điện trở điện của thanh Cảm biến sức căng hoạt động dựatrên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị ε nhỏ thành sự thay đổi tương ứnggiá trị điện trở điện của thanh

Có hai loại cảm biến sức căng :

- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần đo sức căng.Khi lực tác động làm căng hoặc cong cần đàn hồi , cũng trực tiếp làm căng cảmbiến

- Loại gián tiếp được liên kết cơ học với yếu tố đàn hồi, thường sử dụng để

đo những độ lệch tổng cộng của yếu tố đàn hồi

Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỷ số của sự biến đổi đơn vịcủa điện trở so với sức căng :

G = (∆R / R) / (∆L / L) (1.3)

trong đó : ∆R = sự thay đổi của điện trở (Ω)

R = điện trở của cảm biến sức căng (Ω)

∆L = sự thay đổi chiều dài (m)

L = Chiều dài của cảm biến (m)Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S = f/A (N/m2)

ở thanh đàn hồi, tỷ số của ứng suất S trên sức căng ε là hằng số và được gọi làmodun đàn hồi:

E = S / ε = constant (1.4)

Đối với thanh đàn hồi có chiều dày là h và chiều rộng là b, có cảm biến sứccăng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất đượcxác định theo biểu thức :

Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do trọng lượng củavật trong các bài toán cân

b Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện

Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điệnđược chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vậtliệu áp điện mỏng Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổnđịnh và độ cứng cao Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu

điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường kýsinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể.

Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 1.1

Bảng1.1.Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trênhai bản cực các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng

Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện

Trên hình 1.2 biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện

Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản.

a.Theo chiều dọc, b.Theo chiều ngang, c.Cắt theo bề dày, d.Cắt theo bề mặt

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghépnối tiếp hoặc song song

 Cảm biến dựa trên hiện tượng từ giảo

- Cảm biến từ thẩm biến thiên

Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từtạo thành một mạch từ kín (hình 1.4) Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạngkéo theo sự thay đổi độ từ thẩm µ, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tựcảm của cuộn dây cũng thay đổi Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc µ tỉ lệ vớiứng lực σ, tức là với lực cần đo F:

Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên

- Cảm biến từ dư biến thiên

Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinhkhiết cao, có từ dư Br Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dù <0), Br tăng

lên:

Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suấtđiện động tỉ lệ với dB/dt Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây

1.3 Giới thiệu chung về loadcell.

1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Trong cảm biến cân (Load Cell) thường sử dụng cảm biến sức căng mắctheo sơ đồ cầu Trong đó sử dụng hai cảm biến sức căng R1 và R3 gắn ở mặt trên Hai cảm biến sức căng khác R2, R4 gắn ở mặt dưới (hình 1.5b) Sơ đồ nối điệncho trên hình 1.5c, trong đó các cảm biến sức căng được mắc theo sơ đồ cầuWheatstone

Hình 1.4a LoadCell khi không có Hình 1.4b LoadCell khi có

lực tác động lực tác động

Hình 1.4c Sơ đồ điện cho cảm biến Load Cell

Khi không có lực tác động vào cảm biến (hình 1.5a), các cảm biến sức căngR1-4 ở trạng thái với sức căng cân bằng và điện thế ra bằng 0 Khi có lực tácđộng, làm uốn cong thanh đàn hồi, dẫn đến việc tăng sức căng các cảm biến R1-R3 và giảm sức căng các cảm biến R2-R4 Kết quả, điện trở R1-R3 tăng và R2-R4giảm, dẫn đến lệch cầu và ở lối ra xuất hiện điện thế tỷ lệ với lực tác động Điệnthế này sẽ được khuếch đại tới giá trị cần thiết

Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãitrong các loadcell thực tế Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặtcủa loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2 cảm biến điệntrở sẽ co lại khi có lực tác dụng Do đó ta có quan hệ sau :

Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể đượctính như sau :

Hình 1.5 Sơ đồ tính điện áp ra

Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín hiệu

từ các loadcell lại với nhau, Rl là tải

Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ tương đương

Theo hình (a) ta có : ( )

2 R2 R R I I

V a = + +∆ (1.12)

2 R2 R R I I

V B = + −∆ (1.13) V0 = Va – Vb = ∆R I (1.14)

Hay: R R R V

R

2 1

-Hình 1.7 Sơ đồ tính tổng trở

Áp dụng định luật kierhoff cho ba vòng kín như hình vẽ,ta có:

( R-∆R).I1 + (R +∆R).( I1 – I2) = V0 (1.16)

(R - ∆R).I1 + (R1+R2) I2 –(R + ∆R).(I0 –I1)=0 (1.17)

(R+ ∆R).(I0 – I1) + (R - ∆R).(I0 – I1 + I2) =V0 (1.18)

0 0 2

1

.)

R

V I R R R

∆

−+

⇔ ( R1+ R2+ R - ∆R).(R.I0 –V0) + ∆R.( R - ∆R).I0 = ∆R.V0

⇔ I0 [( R1 +R2 + R + R -∆R).R + ∆R.( R - ∆R) ]= V0 ( ∆R +R1 + R2 +R-∆R)

⇔ I0 [ (R1 +R2 +R ).R - ∆R2 ] = V0 [R1+R2+R]

R R R

R R

R R R

R R R R R I

V

R

++

∆

−

=+

+

∆

−++

=

=

2 1

2

2

2 2

Như vậy điện áp rơi trên tải RL là:

R R R

R R

R R R

R V R R

R

R V

++

∆+

++

∆

=+

=

2 1

2 2 1

0

0

(1.24)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận thấy là điện áp ra VL không thay đổi tuyếntính theo sự thay đổi của điện trở cảm biến Hệ thống làm tuyến tính hoá sự thayđổi này thì do nhà sản xuất thiết kế

b Một số Loadcell thực tế

Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (củaNhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques Inc, Tedea –

Huntleigh Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tảitrọng 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:

Hình 1.8 Đầu dây ra của Loadcell

Bảng 1.2 Các mầu thông dụng đầu ra của Loadcell

độ chịu được quá tải (Với giá trị điện áp ra danh định là 2mili Volt / Volt thì vớinguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tốiđa)

Tuỳ ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạngkhác nhau Hình dạng Loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứngdụng riêng

Sau đây là hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế

Exc+

Sig+

Exc-R4

Sig-R1 R2

R3

Hình 1.9 Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế.

1.4 Ví dụ về hệ thống ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe

Hình1.10 Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe

Tùy theo yêu cầu của từng trạm cân mà có thêm bộ hiển thị từ xa hay

không Sau đây là mô tả chi tiết các khối trong hệ thống trên

Hộp nối

Xe tải

Máy tính

Nguồn

Máy inĐầu

cân

1.4.2 Cầu cân

Cầu cân bao gồm một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại chịu lựctốt, còn gọi là bàn cân Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4 Loadcell

Số lượng Loadcell bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe, có thể là 6 ,

8 Loadcell Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng của trọng lực xe, mỗiLoadcell bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp này được dẫn về hộp nối

để cộng các tín hiệu từ các Loadcell này lại trước khi đưa về đầu cân xử lý Tùytheo yêu cầu và vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân khác nhau

Phần lớn các trạm cân xe ở nước ta bàn cân được bố trí theo dạng sau :

Hình1.11 Bàn cân trạm cân xe

1.4.3 Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây

Trong hệ thống cân xe, số lượng Loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọngchịu đựng, chiều dài xe Loadcell có thể được lắp như hình sau :

Hình 1.12 Cách bố trí Loadcell

Do sử dụng nhiều Loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tínhiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý Nếu đầu cân không có chức năng này

ta phải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các Loadcell trên

Sau đây là hình dạng một số loại Loadcell có tải trọng lớn thường được sửdụng trong các trạm cân xe :

Hình 1.13 Một số loại Loadcell có tải trọng lớn

Ngoài bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại Loadcell còn cóthêm thiết bị bảo vệ quá tải có thể là các lò xo như những hình ở trên

1.4.4 Thiết bị chỉ thị khối lượng

Cũng như Loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, donhiều hãng sản xuất khác nhau Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc màđầu cân có nhiều chức năng khác nhau Tuy nhiên các chức năng cơ bản của mộtđầu cân là lấy tín hiệu điện áp từ Loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khốilượng cân được ra đèn led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữliệu về máy tính hoặc ra máy in

Hình 1.14 Một số thiết bị chỉ thị khối lượng trong thực tế

Ngoài ra tuỳ theo yêu cầu của trạm cân mà có thể có thêm thiết bị hiển thị

từ xa hay không

1.4.5 Quản lý trạm cân dùng máy tính

Mặc dù một số đầu cân có chức năng in ấn , nhưng để in những bảng báocáo như phiếu xuất kho, tính giá tiền cho khối lượng hàng cân được một cách tựđộng, cũng như chức năng lưu trữ dữ liệu thành file … thì trang bị một máy tínhcho trạm cân là một yêu cầu cần thiết

Số liệu cân được từ đầu cân được truyền về máy tính thường là mã ASCIItheo chuẩn RS232 hoặc RS485 Dữ liệu truyền theo kiểu bất đồng bộ và tốc độbaud thay đổi được thường là 1200, 2400, 4800, 9600 bit/giây Chương trình viếtcho máy tính thường để hiện giá trị này ra màn hình Tùy theo yêu cầu cụ thể củanhà máy hoặc trạm cân mà chương trình được viết cho in ra những bảng báo cáokhác nhau theo mẫu được quy định sẵn của nhà máy Các bảng báo cáo này cóthể được lưu lại thành file trong máy tính để khi cần thiết có thể gọi ra được.Ngoài ra chương trình máy tính có thể cho biết được số xe đã được cân trongngày cùng với tên khách hàng hoặc biển số xe cũng như tổng lượng hàng đã xuấthay nhập trong ngày, tháng, năm… thậm chí có thể phát hiện xe nào chở hàngquá tải Hơn thế nữa những dữ liệu này có thể truyền về trung tâm xử lý nếumáy tính đó được nối mạng Tất cả các công việc này tùy theo yêu cầu của trạmcân mà viết chương trình cho máy tính phù hợp

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH

2.1 Vi điều khiển Atmega16

2.1.1 Tính năng của Atmega16

Atmelga16L có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới

vi điều khiển

Các tính năng của Atmega16 :

•Hiệu xuất cao ( high performance ), là loại vi điều khiển AVR 8 bit côngsuất thấp

•Cấu trúc lệnh đơn giản, thời gian thực thi lệnh như nhau ( thật ra la Advanced RISC Architecture )

 130 lệnh thực thi trong vong 1 chu ki chip

 32 x 8 thanh ghi công dụng chung

 Hỗ trợ 16 MIPS khi hoạt động ở tần số 16 MHz

•Bộ nhớ chương trình va dữ liệu không bay hơi ( nonvolatile )

 16k byte trong hệ thống flash khả trình có thể nạp và xóa 1,000 lần

 512 byte EEPROM co thể ghi và xóa 100,000 lần

 1k byte ram nhớ tĩnh trong ( internal SRAM )

•Tinh năng ngoại vi

 2 bộ định thời/bộ đếm ( timers/counters ) 8 bit với cac chế độ đếm riêng rẽ và kiểu so sánh

 1 bộ định thời/bộ đếm ( timer/counter ) 16 bit với các chế độ đếm riêng rẽ, kiểu so sánh và kiểu bắt sự kiện

 Bộ đếm thời gian thực với máy giao động riêng rẽ

 4 kênh băm xung PWM

 8 kênh ADC 10 bit

 Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp

 Giao tiếp USART nối tiếp khả trình

 Giao tiếp SPI nối tiếp chủ/tớ ( master/slave )

 Bộ định thời khả trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ

 Tich hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự

•Giao tiếp JTAG

•Vào/ra và các gói dữ liệu

 32 chân vào ra khả trình

 40-pin PDIP and 44-lead TQFP

2.1.2 Cấu hình chân của Atmega16

Sơ đồ chân của atmega16:

Hình 2.1 Cấu hình chân Atmega16

•Atmega16 gồm co 40 chan:

 Chân 1 đến 8 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song B ( PORTB ) nó

có thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vi nhập xuất dữ liệu

 Chân 9 : RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu

 Chân 10 : VCC cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển

 Chân 11,31 : GND 2 chân này được nối với nhau và nối đất

 Chân 12,13 : 2 chan XTAL2 va XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bên ngoài vào chip

 Chân 14 đến 21 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song D ( PORTD )

nó có thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

 Chân 22 đến 29 : Cổng nhập xuất dữ liệu song song C ( PORTC )

nó có thể được sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

 Chân 30 : AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC

 Chân 32 : AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

 Chân 33 đến 40 : Cổng vao ra dữ liệu song song A ( PORTA ) ngoai

ra nó còn được tích hợp bộ chuyển đổi tin hiệu tương tự sang tin hiệu số ADC ( analog to digital converter)

2.1.3 Kiến trúc của Atmega16

Hình 2.2 Kiến trúc của Atmega16

AVR có kiến trúc kiểu Harvard là kiến trúc có đường Bus riêng cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ AVR chia làm hai phần chính:bộ nhớ chương trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (data memory)

•Bộ nhớ chương trình (Program memory):

Là bộ nhớ Flash lập trình được, Ở vi điều khiển Atmega16 thì bộ nhớchuơng trình được chia làm hai phần : phần boot loader (boot loader programsection) và phần ứng dụng (application program section) Thực chất, applicationsection bao gồm 2 phần: phần chứa các instruction (mã lệnh cho hoạt động củachip) và phần chứa các vector ngắt Các vector ngắt nằm ở phần đầu củaapplication section, Phần chứa instruction nằm liền sau đó, chương trình viết chochip phải được load vào phần này

Phần boot loader chứa chương trình boot loader, chương trình boot loader làmột chương trình nhỏ nạp trong vi đều khiển và được chạy lúc khởi động Phầnmềm này có thể được tải vào vi điều khiển chương trình của người sử dụng vàsau đó thực thi chương trình này Mỗi khi reset vi điều khiển CPU sẽ nhảy đếnthực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem cóchương trình nào cần nạp vào vi điều khiển không, nếu có chương trình cần nạpboot loader sẽ nạp vào vùng nhớ ứng dụng, rồi thực thi chương trình này Ngược

lại, boot loader sẽ chuyển đến chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứngdụng để thực thi chương trình này.

Hình 2.3 Tổ chức bộ nhớ của Atmega16

2.1.4 Vào ra của vi điều khiển

Các PORTA, PORTB, PORTAC, PORTD là các cổng vào ra 8 bit, vậy cótất cả là 32 đường vào ra Các cổng vào ra của AVR là các cổng vào ra hai chiều

có thể định hướng, tức có thể chọn hướng của cổng là hướng vào(input) hayhướng ra(output) Tất cả các cổng vào ra của AVR đều có tính năng Đọc – Chỉnhsữa – Ghi (Read – Modify - Write) khi sử dụng chúng như là các cổng vào ra số.Điều này có nghĩa là khi thay đổi hướng của một chân nào đó sẽ không làm thayđổi hướng của các chân còn khác Tất cả các chân của các cổng(port) đều có điệntrở kéo lên ( pull – up ), ta có thể cho phép điện trở kéo lên này hoạt động haykhông hoạt động

Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thiết kế các mạch điện tử

logic Nó có một đầu được nối với nguồn điện áp dương (thường là Vcc hoặcVdd) và đầu còn lại được nối với tín hiệu lối vào/ra của một mạch logic chức

năng Điện trở kéo lên có thể được lắp đặt tại các lối vào của các khối mạch logic

để thiết lập mức logic lối vào của khối mạch khi không có thiết bị ngoài nối vớilối vào

Cách hoạt động

Khi khảo sát các cổng như là các cổng vào ra số thông thường thì tính chất của các cổng ( PortA, PortB, Port,PortD ) là tương tự nhau, nên ta chỉ cần khảo sát một cổng nào đó trong số 4 cổng của vi điều khiển là đủ.

Mỗi một cổng vào ra của vi điều khiển được liên kết với 3 thanh ghi : PORTx,

DDRx, PINx ( ở đây x là để thay thế cho A, B,C,D ) Ba thanh ghi này sẽđược phối hợp với nhau để điều khiển hoạt động của cổng, chẳn hạn thiết lậpcổng thành lối vào có sử dụng điện trở pull-up, v.v Sau đây là diễn tả cụ thểvai trò của 3 thanh ghi trên

•Thanh Ghi DDRx.

Đây là thanh ghi 8 bit ( có thể đọc ghi ) có chức năng điều khiển hướng của cổng (là lối ra hay lối vào ) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chântương ứng với nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại, nếu bit của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng với nó được thiết lập thành ngõ vào Lấy ví dụ: Khi ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRA đều là 1, thì 8 chân tương ứng của portA là PA0 PA1, PA2, … PA7 được thiết lập thành ngõ ra

Hình 2.4 Thanh ghi DDRA

•Thanh Ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu củaPORTx, Nếu thanh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghiPORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi taghi một giá trị logic lên 1 bit của thanh ghi này thì chân tương ứng với bit đócũng có cùng mức logic Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thìthanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thề , nếumột bit của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo ( pull-up resistor ) ởchân tương ứng với nó sẽ được kích hoạt, ngược lại nếu bit được ghi thành 0 thì

điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái cao trở( Hi-Z ).

Hình 2.5 Thanh ghi PORTA

‘

•Thanh Ghi PINx

PINx không phải là một thanh ghi thực sự, đây là địa chỉ trong bộ nhớ I/O kết nối trực tiếp tới các chân của cổng Khi ta đọc PORTx tức ta đọc dữ liệu đượcchốt trong PORTx, còn khi đọc PINx thì giá trị logic hiện thời ở chân của cổng tương ứng được đọc Vì thế đối với thanh ghi PINx ta chỉ có thể đọc mà không thể ghi Bảng 25 thể hiện các các thiết lập cách hoạt có thể có của cổng

Hình 2.6 Thanh ghi PINA

Bảng 2.1 Cấu hình cho các chân cổng

DDRxn là bit thứ n của thanh ghi DDRx

PORTxn là bit thứ n của thanh ghi PORTx

Dấu “x” ở cột thứ 3 để chỉ giá trị logic là tùy ý

Hình 2.7 Sơ đồ một cổng vào ra

Hình 2.7 thể hiện sơ đồ của một chân của cổng vào ra Ở sơ đồ trên ta thấy

ngoài 2 bit của các thanh ghi DDRx và PORTx tham gia điều khiển điện trở treo