đồ án CÂN ĐIỆN TỬ LOADCELL 5KG

MỞ ĐẦUMục tiêu của đề tài: tạo cơ hội tìm hiểu và thực hành một cách thiết thực những nội dung lý thuyết trong các môn đã học, áp dụng những nghiên cứu này vào một bài thực hành cụ thể đ

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

PH

CÂN ĐIỆN TỬ 5KG

CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS N

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 1

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI CÂN ĐIỆN TỬ 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ 4

3.1 Giới thiệu các thiết bị phân cứng sử dụng cho cân điện tử 5

3.1.1 Máy vi tính 5

3.1.2 Mạch Arduino Nano 5

3.1.2.1 Hình dáng và công dụng của mạch Arduino Nano 5

3.1.2.2 Những thông số kỹ thuật và đặc điểm của mạch Arduino Nano 6

3.1.3 Loadcell và mạch khuếch đại tín hiệu cân Hx711 7

3.1.3.1 Loadcell 5kg 7

3.1.3.2 Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 8

3.1.4 Mạch hiển thị - nút nhấn 9

3.2 Sơ đồ khối 9

3.3 Lưu đồ giải thuật 10

3.4 Sơ đồ nguyên lý 10

3.5 Nguyên lý hoạt động 10

3.6 Hình ảnh thực tế 11

CHƯƠNG 4: KINH NGHIỆM RÚT RA 11

4.1 Những kinh nghiệm thu thập được trong quá trình thực hiện đề tài 11

4.2 Những kinh nghiệm về sử dụng arduino 11

4.2.1 Cảm nhận được khả năng ứng dụng rất lớn từ việc áp dụng arduino.11 4.2.2 Có thể mở rộng số chân của arduino bằng những con chíp rẻ tiền 11

4.2.3 Arduino có các thư viện chuyên dụng cho mỗi chức năng cá biệt 11

4.3 Kinh nghiệm về truyền dữ liệu 12

4.3.1 Nối tắt chân TX và RX 12

4.3.2 Mạch USB to COM miễn phí 12

KẾT LUẬN 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 14

DANH MỤC HÌNH ẢNH

5 Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 8

MỞ ĐẦU

Mục tiêu của đề tài: tạo cơ hội tìm hiểu và thực hành một cách thiết thực những

nội dung lý thuyết trong các môn đã học, áp dụng những nghiên cứu này vào một bài thực hành cụ thể để hiểu rõ hơn lý thuyết và thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế

Đối tượng và phạm vi đề tài: Sử dụng mạch arduino, loadcell cùng với các thiết

bị điện khác để làm một cái cân có thể cân được một số vật dụng thông thường có những đặc điểm sau:

- Cân được vật nặng tối đa 5kg

- Sử dụng màn hình LCD xanh lá hiển thị cân nặng đơn vị gam

- Có nút nhấn dùng để lấy lại mức không (reset zero) khi sử dụng thêm đĩa cân hoặc vật chứa những gì cần cân trọng lượng

Phương pháp nghiên cứu: Dựa trên những kiến thức đã học kết hợp cùng với sự

tìm tòi, tổng hợp kiến thức từ các nguồn khác để phân tích và chọn lựa những cách thức ứng dụng phù hợp phục vụ cho thực hiện đề tài

Ý nghĩa của đề tài: Đề tài là một cây cầu gắn kết giữa lý thuyết học được và với

việc thực hiện, tạo ra các sản phẩm thực tế để tăng kiến thức Mặt khác, đề tài cũng là tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu có liên quan hoặc áp dụng cho thực tế

Báo cáo chuyên đề gồm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài cân điện tử

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương 4: Kinh nghiệm rút ra

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI CÂN ĐIỆN TỬ

Đề tài cân điện tử được thực hiện dựa trên một số tiêu chí như sau:

Phần cứng:

- Tận dụng những linh kiện, chất liệu có sẵn để giảm thiểu chi phí

- Sản phẩm cần gọn, nhẹ, dễ kết nối và sử dụng

- Thiết kế đơn giản và bắt mắt

Phần mềm:

- Dùng những kiến thức về lập trình đã được học và kế thừa những dữ liệu, đoạn lệnh của những người đi trước, kết hợp và phát triển thành một phần mềm phù hợp cho phần cứng

- Dễ hiểu và dễ nghiên cứu

- Thời gian đáp ứng nhỏ

Giao diện:

- Màn hình LCD đơn giản, dễ quan sát các số liệu

- Có nút reset zero

Mô hình cân điện tử được tạo ra bởi sự kết nối giữa mạch arduino, mạch cân loadcell, mạch nút nhấn - hiển thị Trong đó thì mạch ardruino làm nhân tố trung tâm để liên lạc giữa các thiết bị khác với nhau Mạch cân loadcell có chức năng đọc giá trị cân nặng và gửi cho arduino Mạch hiển thị- nút nhấn có chức năng hiển thị số bằng tín hiệu từ arduino và gửi tín hiệu trạng thái nút nhấn cho arduino Arduino có chức năng xử lý tín các tín hiệu đến từ nút nhấn và loadcell cùng gửi tín hiệu điều khiển đến mạch hiển thị

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng 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)

Trọng lực là một trường hợp của công thức này Dưới tác dụng của sức hút trái đất, vật

có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là gia tốc trọng 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 gia tốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực Hai lực cân bằng và đối nhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc Có hai cách để tạo nên lực cân bằng: phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển

Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khối lượng Một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân Các quả cân được hiệu chỉnh chính xác

có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia cho đến khi cân bằng Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng các quả cân đặt lên

Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được chế tạo để ít chịu

sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn

Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cân bằng Theo định luật moment hệ thống sẽ cân bằng khi: P1.l1 = P2.l2

Suy ra m1gl1 = m2gl2

Với g không đổi thì m1.l1 = m2.l2

Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy ra khối lượng cần tìm

Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra Khối lượng chưa biết đặt trên giá cân treo trên lò xo đã được hiệu chỉnh Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi của lò

xo cân bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết Lượng di động của lò

xo được dùng để đo khối lượng chưa biết Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân

Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở xoay Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thông qua cơ cấu di chuyển thích hợp sẽ làm xoay biến trở và do

đó điện áp lấy ra cũng thay đổi Điện áp này được đưa về bộ chuyển đổi A/D và xử lý Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương pháp này là rất khó tìm biến trở tuyến tính Ngoài ra còn có thể sử dụng một Encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di chuyển này Sơ đồ hai hệ thống cân loại này được vẽ như trong hình sau:

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 chưa biết 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

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ

3.1 Giới thiệu các thiết bị phân cứng sử dụng cho cân điện tử

3.1.1 Máy vi tính

Máy vi tính là một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và cả trong nghiên cứu, nhất là trong ngành điện tử có lập trình

Trong nội dung đề tài này, sử dụng một máy vi tính có cài sẵn một số phần mềm cần thiết :

- Phần mêm Arduino IDE dùng để rà soát lỗi và biên dịch lệnh cho arduino

- Phần mềm Proteus : dùng để vẽ mạch nguyên lý và mạch in để làm mạch hiển thị-nút nhấn

Internet cũng là một yếu tố quan trọng hỗ trợ cho việc viết chương trình nạp cho arduino thông qua các thư viện, các đoạn code mẫu và hướng dẫn khác

Máy vi tính được kết nối với arduino qua cổng usb bằng cáp phụ kiện của arduino

3.1.2 Mạch Arduino Nano

3.1.2.1 Hình dáng và công dụng của mạch Arduino Nano

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn

Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Hình 1 : Arduino Nano.

Hình 2: Sơ đồ chân Aruino Nano

3.1.2.2 Những thông số kỹ thuật và đặc điểm của mạch Arduino Nano

- IC: ATmega328P-AU

- Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân RAW

- Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC

- Dòng GPIO: 40mA

- Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

- Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân A6,A7)

- Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)

- SRAM: 2KB

- EEPROM: 1KB

- Clock Speed: 16MHz.

- Tích hợp led báo nguồn, led chân D13, led TX, RX

- Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117

- Kích thước: 18.542 x 43.18 mm

3.1.3 Loadcell và mạch khuếch đại tín hiệu cân Hx711

3.1.3.1 Loadcell 5kg

Hình 3: Loadcell 5kg

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

Hình 4: Cấu tạo 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

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng Loadcell có khả năng cân nặng 5kg có những thông số như sau:

- Điện áp điều khiển: 5-10v

- Tín hiệu đầu ra: tín hiệu điện áp

- Kích thước: 12,7 x 12.7 x 75mm

Loadcell có 4 dây có màu lần lượt là đen, đỏ, trắng và xanh, trong đó có 2 dây để cấp nguồn và 2 dây cấp tín hiệu ra Tùy loại loadcell và nhà sản xuất mà các dây này có chức năng khác nhau nhưng thường thì cặp dây đỏ - đen là dây cấp nguồn, dây đỏ cấp nguồn dương và dây đen nối mass, 2 dây còn lại là dây tín hiệu (có thể phát hiện chính xác 2 dây còn lại dây nào là dây tín hiệu dương và dây nào là dây tín hiệu âm bằng cách mắc thử mạch và nếu tín hiệu cân ra là âm thì đảo 2 dây này lại thì sẽ không còn hiện tượng này nữa

Loadcell thực tế sử dụng có dây đỏ là dây nguồn dương, dây đen là dây trung tính, dây trắng là dây tín hiệu dương và dây xanh lục là dây tín hiệu âm

3.1.3.2 Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711

Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711

HX711 là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho arduino

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V

- Dòng điện tiêu thụ: <1.5mA

- Tốc độ lấy mẫu: 10-80 mẫu trên một giây (Samples Per Second)

- Độ phân giải mẫu: 24bit ADC

- Độ phân giải điện áp: 40mV

- Kích thước: 38x21x10 mm

3.1.4 Mạch hiển thị - nút nhấn

Mạch hiển thị và nút nhấn được tạo ra từ các linh kiện điện tử thông thường như LCD xanh lá, nút nhấn, biến trở và điện trở Board được thiết kế phù hợp để gắn trực tiếp vào board arduino và có tạo các cổng phụ để dễ dàng kết nối với nguồn điện hay làm trung gian để mạch loadcell kết nối với mạch arduino

Hình 6 : LCD1602

3.2 Sơ đồ khối

Hình 7: Sơ đồ khối.

Khối nguồn: Sử dụng nguồn DC 5V

Khối nhận tín hiệu: Loadcell 10kg

Khối xử lý: bao gồm mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 và Arduino nano Khối hiển thị: LCD1602

3.3 Lưu đồ giải thuật

Hình 8: Lưu đồ giải thuật

3.4 Sơ đồ nguyên lý

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý

3.5 Nguyên lý hoạt động

Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra

Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân)

HX7111 đọc giá trị cảm biến của loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho arduino

Arduino xử lý dữ liệu và hiển thị qua màn hình LCD

3.6 Hình ảnh thực tế

Hình 10: Hình ảnh thiết bị

CHƯƠNG 4: KINH NGHIỆM RÚT RA

4.1 Những kinh nghiệm thu thập được trong quá trình thực hiện đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài, có nhiều khó khăn và những bất cập xảy ra Chính những lúc đó mới làm cho em học hỏi thêm được nhiều kinh nghiệm và lối giải quyết vấn đề cũng như nhận thức được sự yếu kém của chính mình Vì thế cũng xin được nêu

ra những kinh nghiệm học được trước hết là để lưu giữ lại, sau là để làm tài liệu tham khảo cho những người muốn tìm hiểu về những vấn đề tương tự

4.2 Những kinh nghiệm về sử dụng arduino

4.2.1 Cảm nhận được khả năng ứng dụng rất lớn từ việc áp dụng arduino

Arduino là một môi trường mới có khả năng phát triển rất mạnh nhờ sự đơn giản trong cách lập trình của nó Những thư viện có sẵn và những đoạn code mẫu giúp cho những người thực hiện đề tài cảm thấy họ không thực hiện đề tài một mình, mà luôn được hỗ trợ bởi một cộng đồng đông đảo Lập trình trên arduino chủ yếu sử dụng ngôn ngữ C++

vì thế rất dễ hiểu và sử dụng biến đổi code mẫu làm việc theo ý của mình

4.2.2 Có thể mở rộng số chân của arduino bằng những con chíp rẻ tiền

Các bạn hoàn toàn có thể mở rộng số chân của arduino chỉ bằng 2 chân sẵn có của nó bằng một hay nhiều con chíp ghi dịch 74595 Việc lập trình để điều khiển những chân

mở rộng này không khó khăn Bạn chỉ cần tạo ra một mảng chứa các biến logic ứng với các chân đã mở rộng, viết một chương trình con để xuất nội dung các chân ra và bạn có thể sử dụng được các chân đó bằng cách điều chỉnh trạng thái chân đó bằng cách thay đổi bit tương ứng của chân đó và gọi hàm xuất

4.2.3 Arduino có các thư viện chuyên dụng cho mỗi chức năng cá biệt

Khi cần làm việc gì đó hơi cá biệt thì các bạn nên tìm hiểu các thư viện của arduino xem

có ai đã phát triển thư viện cho việc đó chưa Nếu có rồi thì công việc của bạn đơn giản chỉ là thêm thư viện đó vào Arduino IDE và tìm hiểu các hàm của thư viện đó và sử dụng

4.3 Kinh nghiệm về truyền dữ liệu

Hiểu hơn về việc truyền thông tin thông qua cổng com và việc mã hóa cũng như tách đoạn code để lấy thông tin từ chuỗi nhận được

4.3.1 Nối tắt chân TX và RX

Có kinh nghiệm trong việc thiết lập trình truyền nhận bằng cách nối chân truyền và chân nhận để biết được tình trạng làm việc của cổng Sau đó mới phát triển liên kết với đối tượng khác

4.3.2 Mạch USB to COM miễn phí

Có thể dùng mạch arduino làm một mạch biến đổi cổng USB thành cổng COM với giá

0 đồng bằng cách gỡ chíp vi điều khiển của arduino ra và sử dụng chân 0 và 1 của mạch làm chân truyền và nhận nối tiếp

KẾT LUẬN

Trên đây là tất cả phần thiết kế của đề tài Kết quả tính toán, thiết kế là sự tổng hợp toàn bộ kiến thức mà em đã học được trong quá trình học tập, quá trình tìm hiểu, khảo sát thực tế Trong quá trình tính toán thiết kế, em hoàn toàn tuân thủ theo các bước quy định của công việc thiết kế, tích cực tìm tòi, sưu tầm tài liệu đồng thời kết hợp với tham khảo ý kiến của nhiều người

Ưu điểm:

- Giải quyết được yêu cầu đã đặt ra

- Phần cứng hoạt động tốt và độ chính xác khá cao

- Có chức năng đếm số lượng sản phẩm cùng trọng lượng

- Giao diện hiển thị đơn giản, dễ sử dụng

Khuyết điểm:

- Tốc độ xử lý ở mức khá

- Mô hình chưa được gọn gàng, khá sơ sài ở các nút nhấn

- Đôi khi còn xảy ra sai số

Kết luận: Với những gì đã tìm hiểu và thực hiện được, em cảm thấy rất phấn

chấn vì đề tài này là lần đầu tiên mở đường cho những nghiên cứu áp dụng thực tiễn trong ngành điện - điện tử Xin chân thành cảm ơn sự đồng hành và

hỗ trợ rất tâm huyết của thầy Nguyễn Hữu Phúc Tuy nhiên, bài báo cáo còn

sơ sài và chắc chắn còn nhiều thiếu xót, mong thầy đọc góp ý chỉnh sửa để bài báo cáo này thiết thực hơn Cuối cùng, xin cảm ơn thầy đã đọc bài báo cáo này