Thiết kế máy kiểm tra độ bền kéo của vật liệu sử dụng cảm biến khối lượng load cell và cảm biến biến áp vi sai LVDT

Từ xưa đến nay, con người luôn có nhu cầu để xác định độ bền của các loại vật liệu để có thể sử dụng trong cuộc sống hằng ngày như chế tạo các công cụ, xây dựng nhà cửa,… Ngày nay, công việc kiểm tra độ bền, đặc biệt là độ bền dẻo của các loại vật liệu trong các lĩnh vực như xây dựng, hàng không vũ trụ,.. là cực kì quan trọng. Với những ứng dụng quan trọng như vậy nên trong Đồ án môn học Kỹ thuật Vi điều khiển, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài Thiết kế máy kiểm tra độ bền kéo của vật liệu sử dụng cảm biến khối lượng Load cell và cảm biến biến áp vi sai LVDT. Thông qua đây, chúng tôi cũng hiểu rõ bản chất và cách hoạt động của các loại cảm biến trên. Ngoài ra, còn giúp chúng tôi nâng cao khả năng sử dụng ngôn ngữ lập trình C, giao tiếp UART với vi điều khiển PIC. Mặt khác, chúng tôi cũng được sử dụng phần mềm Visual Studio với ngôn ngữ lập trình C# để có thể lập trình được giao diện với người dùng.

Trang 1

Đồ án Vi Điều Khiển GVHD: TS Đặng Phước Vinh

1 SVTH: NGUYỄN VĂN TRỌNG BẰNG

NGÔ ĐỨC THÀNH

LỜI NÓI ĐẦU

Từ xưa đến nay, con người luôn có nhu cầu để xác định độ bền của các loại vật liệu để có thể sử dụng trong cuộc sống hằng ngày như chế tạo các công cụ, xây dựng nhà cửa,… Ngày nay, công việc kiểm tra độ bền, đặc biệt là độ bền dẻo của các loại vật liệu trong các lĩnh vực như xây dựng, hàng không vũ trụ, là cực kì quan trọng

Với những ứng dụng quan trọng như vậy nên trong Đồ án môn học Kỹ thuật Vi điều khiển, nhóm chúng tôi đã quyết định chọn đề tài Thiết kế máy kiểm tra độ bền kéo của vật liệu sử dụng cảm biến khối lượng Load cell và cảm biến biến áp vi sai LVDT Thông qua đây, chúng tôi cũng hiểu rõ bản chất và cách hoạt động của các loại cảm biến trên Ngoài ra, còn giúp chúng tôi nâng cao khả năng sử dụng ngôn ngữ lập trình C, giao tiếp UART với vi điều khiển PIC Mặt khác, chúng tôi cũng được sử dụng phần mềm Visual Studio với ngôn ngữ lập trình C# để có thể lập trình được giao diện với người dùng

Nhóm chúng tôi xin được chân thành cám ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của Thầy Đặng Phước Vinh đã giúp chúng tôi hoàn thành tốt đồ án môn học này Trong quá trình hoàn thiện mô hình và viết báo cáo còn nhiều sai sót, nhóm mong nhận được sự góp ý từ Thầy để giúp

đồ án được hoàn thiện hơn nữa

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trọng Bằng Ngô Đức Thành

Đà Nẵng, tháng 12 năm 2019

Trang 2

NGÔ ĐỨC THÀNH

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI KHẢO SÁT ĐỘ BỀN KÉO CỦA VẬT LIỆU 4 1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống khảo sát sức bền vật liệu 4

1.2 Giới thiệu về đề tài khảo sát độ bền kéo trong đồ án môn học: 4

1.2.1 Tiêu chí: 4

1.2.2 Hình ảnh sản phẩm hệ thống: 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC 6

2.1 Sơ đồ cấu trúc chung: 6

2.1.1 Sơ đồ mô tả cấu trúc chung: 6

2.1.2 Sơ đồ mạch kết nối chi tiết: 7

2.2 Cảm Biến lực Loadcell: 8

2.2.1 Khái niệm Loadcell: 8

2.2.2 Cấu tạo Loadcell và nguyên lý hoạt động: 8

2.3 Module ADC HX711: 10

2.3.1 Định nghĩa: 10

2.3.2 Thông số kỹ thuật: 10

2.4 Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A: 12

2.4.1 Kiến trúc PIC: 12

2.4.2 Sơ đồ khối và chức năng các chân của PIC 16F877A: 14

2.4.3 Các bộ nhớ: 16

2.5 Cảm biến LVDT: 17

2.5.1 Khái niệm: 17

2.5.2 Nguyên lý hoạt động: 17

2.5.3 Thông số kỹ thuật: 18

2.6 Giao thức truyền thông nối tiếp UART 19

2.6.1 Khái niệm: 19

2.6.2 Đặc điểm: 19

2.6.3 Chuẩn RS232( Recommended Standard 232): 20

Trang 3

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.7 Phân tích các khối chức năng trong hệ thống 22

2.7.1 Khối cảm biến Loadcell: 22

2.7.2 ModuleHX711: 22

2.7.3 Cảm biến LVDT: 22

2.7.4 Khối PIC 16F877A: 22

2.7.5 Khối máy tính: 22

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển: 23

3.2 Thiết kế mạch điều khiển: 23

3.2.1 Mạch nguồn: 23

3.2.2 Mạch điều khiển động cơ: 24

3.2.3 Mạch PIC: 25

CHƯƠNG 4: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH 27

4.1 Code CCS: 27

4.1.1 Lưu đồ thuật toán: 27

4.1.2 Chương trình chính: 27

4.2 Code giao diện người dùng: 27

4.2.1 Chương trình chính: 27

4.2.2 Xuất dữ liệu ra file Excel: 27

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 28

5.1 Đánh giá chung về đề tài: 28

5.2 Ưu điểm và nhược điểm của sản phẩm: 28

5.2.1 Ưu điểm: 28

5.2.2 Nhược điểm: 28

5.3 Hướng phát triển đề tài 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Trang 4

NGÔ ĐỨC THÀNH

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

KHẢO SÁT ĐỘ BỀN KÉO CỦA VẬT LIỆU

1.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống khảo sát sức bền vật liệu

Là một hệ thống dùng để khảo sát độ bền kéo của vật liệu Càng hiện đại, nhu cầu của con người cần tạo ra những vật liệu mới, nhẹ hơn, mỏng hơn nhưng vẫn đảm bảo được sức bền trong các ứng dụng hiện đại như các chi tiết trong các máy

1.2 Giới thiệu về đề tài khảo sát độ bền kéo trong đồ án môn học:

- Sử dụng những phần mềm đơn giản, phổ biến

- Dễ viết chương trình, giao diện phần mền trực quan, hỗ trợ nhiều thư viện

- Vận dụng được các ngôn ngữ lập trình phổ biến C++, C Sharp

Giao diện

- Đơn giản, bắt mắt, dễ quan sát được các số liệu

Trang 5

NGÔ ĐỨC THÀNH

1.2.2 Hình ảnh sản phẩm hệ thống:

Trang 6

NGÔ ĐỨC THÀNH

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC

2.1 Sơ đồ cấu trúc chung:

2.1.1 Sơ đồ mô tả cấu trúc chung:

Mô hình thí nghiệm độ bền kéo của vật liệu được kết hợp giữa Loadcell với mạch ADC HX711, khối xử lý trung tâm PIC 16F877A và giao tiếp với máy tính

Trong đó khối xử lý trung tâm PIC 16F877A có tác dụng xử lý số liệu và kết nối các thiết bị khác với nhau Máy tính cùng với giao diện đọc những thông tin do PIC gửi lên và xử lý chúng Mạch ADC HX711 chuyển giá trị analog điện áp từ Loadcell sang digital và truyền đến PIC sau khi đã khuếch đại chúng lên Cảm biến LVDT gửi thông tin độ giãn dài của thí nghiệm về để cho PIC xử lý

Trang 7

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.1.2 Sơ đồ mạch kết nối chi tiết:

Hình: Sơ đồ nối dây của Loadcell

Trang 8

- Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên

chậm Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc

vào thiết kế của Loadcell

2.2.2 Cấu tạo Loadcell và nguyên lý hoạt động:

Trang 9

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động:

- Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện

trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác

dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm

ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về

Trang 10

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.3 Module ADC HX711:

2.3.1 Định nghĩa:

- HX711 là một bộ ADC 24 bit được thiết kế để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến khối lượng

và trong các ứng dụng kiểm soát công nghiệp

- HX711 có 2 kênh đầu vào là A và B, bộ khuếch đại có thể lập trình được

- Kênh A có thể được lập trình với hệ số khuếch đại là 64 hoặc 128 tương ứng với độ phân giải là ±20mV và ±40mV khi cấp nguồn 5V vào chân AVDD

- Kênh B chỉ có hệ số khuếch đại là 32

- HX711 giao tiếp với MCU qua 2 dây là data và clock

Hình : Sơ đồ nguyên lý của module HX711

2.3.2 Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động : 2.7 - 5V

- Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA

- Tốc độ lấy mẫu : 10 - 80 SPS ( tùy chỉnh ) (SPS: sample/second)

- Độ phân giải : 24 bit ADC

- Độ phân giải điện áp : 40mV

- Kích thước : 38 x 21 x 10 mm

Trang 11

NGÔ ĐỨC THÀNH

Hình: Sơ đồ và chức năng các chân của module HX711

Trang 12

Hình: Hình ảnh thực tế của một vi điều khiển PIC 16F877A

- Cấu trúc tổng quát của vi điều khiển PIC 16F877A như sau:

 8/16 bit CPU, xây dựng theo kiến trúc Havard có sửa đổi

 Bộ nhớ Flash và ROM có thể tùy chọn từ 256 byte đến 256Kbyte

 Các chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp đồng bộ/ không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs

 Các cổng xuất/nhập với mức logic thường từ 0V đến 5.5V ứng với

mức logic 0 và logic 1

 Có thể hoạt động với nhiều tần số giao động khác nhau( Xem hình )

 Bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải 10/12 bit

 Có bộ so sánh điện áp( Voltage Comparators)

 Có hai module CCP: Capture/ Copare/ PWM

 Thuộc họ PIC 16F87xxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit

 Tất cả các lệnh là 1 chu kì máy, ngoại trừ chương trình con là 2 chương trình máy

 Một chu kì lệnh của vi điều khiển bao gồm 4 xung clock Nếu sử dụng thạch anh 4 MHz cho vi điều khiển thì xung lệnh sẽ có tần số 1 MHz, tương ứng chu kì là 1μs

 Bộ nhớ chương trình Flash với dung lượng 8Kx14 bit với khả năng ghi/xóa lên đến 100.000 lần

 Bộ nhớ dữ liệu RAM với dung lượng 368 byte

Trang 13

NGÔ ĐỨC THÀNH

 Bộ nhớ EEPROM với dung lượng 256 byte, với khả năng ghi/xóa lên đến 1.000.000 lần và có thể lưu trữ dữ liệu hơn 40 năm

 Sử dụng nguồn 4.0 ÷ 5.5 VDC( Xem hình )

 Có chế độ Sleep( ngủ) để tiết kiệm năng lượng

 Có 5 cổng xuất nhập( được đặt tên là A, B, C, D, E) với 3 chân

 Hỗ trợ giao tiếp USB, Ethernet, CAN, LIN, IrDA

Hình : Kiến trúc của PIC

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

 Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

 Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

 Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler ai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD,

WR, CS ở bên ngoài

Trang 14

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.4.2 Sơ đồ khối và chức năng các chân của PIC 16F877A:

Hình : Sơ đồ khối PIC 16F877A

Trang 15

NGÔ ĐỨC THÀNH

Hình : Sơ đồ chân của PIC16F87XA

Hình : Phạm vi hoạt động của PIC 16F877A

Trang 16

- Các thanh ghi SFR thường xuyên được sử dụng như STATUS, INTCON, FSR được bố trí trên tất cả các bank giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất

Trang 17

Đầu dò (1) có nhiệm vụ tiếp xúc với vật thể, dùng để phát hiện dịch chuyển và đo

độ dịch chuyển của vật Lò xo (2) có nhiệm vụ tạo thế năng đàn hồi, giúp đầu dò có thể quay lại vị trí ban đầu sau khi đo Chốt cố định (3) dùng để cố định cảm biến vào mặt chuẩn dùng để xác định vị trí chính xác của vật thể khác trong một hệ thống Thân cảm biến (4) chứa cuộn dây (đối với loại sử dụng điện xoay chiều AC) hoặc chứa biến trở (đối với loại sử dụng điện một chiều DC) là nơi tín hiệu ra là giá trị điện áp về bộ điều khiển (vi điều khiển, PLC, …) từ đó suy ra được giá trị dịch chuyển cần đo

Bên trong thân cảm biến LVDT ta đang xét là một biến trở mà giá trị của nó thay đổi

từ 0 kΩ đến 5 kΩ (đối với loại 50mm – 100mm) Khi có một dịch chuyển, con chạy của biến trở thay đổi vị trí làm điện trở thay đổi Do đó, điện áp ra thay đổi phụ thuộc vào vị trí con chạy

Trang 18

Uin (V): giá trị điện áp ngõ vào

x(mm) : vị trí con chạy

L(mm) : chiều dài biến trở

2.5.3 Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào : tối đa 14V (đối với loại 10mm), tối đa 25V (đối với loại 25mm),

tối đa 60V (đối với loại 50mm, 75mm, 100mm)

- Tốc độ dịch chuyển của đầu đo cho phép : ≤ 10m/s

- Lực tác động lên đầu đo cho phép : ≤ 4N

- Tuổi thọ : 25 x 108m , 100 x 106 chu kỳ hoạt động

- Dung sai điện trở : ± 20%

- Điện trở : 1 kΩ (đối với loại 10mm, 25mm), 5 kΩ (đối với loại 50mm, 75mm,

100mm)

- Nhiệt độ làm việc : -300C đến 1000C

Trang 19

Khung truyền dữ liệu của giao thức UART:

 Bit Start luôn ở mức thấp

 8 bit dữ liệu

 Bit chẵn lẻ Có thể theo quy tắc chẵn hoặc lẻ

 Stop bit luôn ở mức cao

 IDLE: không có gì được chuyển đi trên đường dây giao tiếp Đường IDLE phải ở mức cao

Trang 20

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.6.3 Chuẩn RS232( Recommended Standard 232):

2.6.3.1 Định nghĩa Chuẩn RS232 là một trong những kĩ thuật được sử dụng rộng rãi hiện nay để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo nhận dữ liệu là 15m, tốc độ 20Kbit/s

2.6.3.2 Đặc điểm:

Khoảng cách truyền thông cực đại 15m( với tốc độ baud = 9600)

Tốc độ truyền dữ liệu cực đại 20Kbps

Trang 21

NGÔ ĐỨC THÀNH

Một số khái niệm trong giao thức UART-TTL:

 Tốc độ baud: là số gói dữ liệu( ký tự) được truyền đi trong một giây Một gói

dữ liệu có thể một hoặc nhiều hơn một bit Các tốc độ baud thường dùng trong thực tế là 1200, 2400, 4800, 9600, 19200,…

 Parity bit: Bit chẵn lẻ là bit kiểm tra lỗi trong quá trình truyền/nhận dữ liệu và

là phương án đơn giản nhất, được áp dụng rộng rãi Thực chất quá trình này là

bổ sung thêm một bit phụ trợ vào dữ liệu được truyền đi để tìm ra hoặc sửa một số lỗi trong quá trình truyền Tùy thuộc vào tổng số các bit “1” trong dữ liệu được truyền đi là chẵn hay lẻ mà người ta dùng thêm vào một bit “0” hoặc

“1” Giá trị của bit chẵn lẻ này có thể được chọn như sau:

- Nếu chọn bit chẵn thì bit thêm vào là “0” khi tổng số bit “1” của gói dữ liệu truyền đi là chẵn

- Nếu chọn bit lẻ thì bit thêm vào là “0” khi tổng số bit “1” của gói

dữ liệu truyền đi là lẻ

Trang 22

NGÔ ĐỨC THÀNH

2.7 Phân tích các khối chức năng trong hệ thống

2.7.1 Khối cảm biến Loadcell:

a) Chức năng:

Cảm biến phát hiện khối lượng và cho ra các tín hiệu điện áp tương ứng

b) Thông số loại Loadcell sử dụng:

b) Nguyên lý hoạt động trong hệ thống:

Điện áp so sánh sẽ được lấy từ 2 chân E+ và E- Sau khi có sự thay đổi về trọng lượng sẽ có sự thay đổi giá trị điện áp trên hai chân A+ và A- HX711 sẽ đo và trả về giá trị ADC24 bits Người dùng đọc giá trị này và chuyển sang trọng lượng theo một

tỉ lệ với từng cảm biến

2.7.3 Cảm biến LVDT:

Chức năng:

Ghi nhận độ biến dạng dài của vật liệu được thí nghiệm và gửi tín hiệu analog

về cho vi điều khiển

2.7.4 Khối PIC 16F877A:

Trang 23

NGÔ ĐỨC THÀNH

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu chung về mạch điều khiển:

Để hệ thống có thể hoạt động được, chúng ta cần một mạch gốm các khối sau:

- Khối nguồn: Dùng để cung cấp điện áp và dòng cho cả mạch điều khiển

- Khối điều khiển động cơ: dùng để điều khiển hoạt động của động cơ cung cấp lực kéo cho hệ thống

- Khối PIC: để PIC có thể giao tiếp với máy tính và liên kết các khối khác với nhau

3.2 Thiết kế mạch điều khiển:

3.2.1 Mạch nguồn:

- Điện áp cung cấp cho mạch nguồn được lấy từ biến áp, có dạng U 12 2 sint

qua cầu diode trở thành điện áp một chiều Diode D1 có tác dụng chống ngược dòng cho mạch

- Điện áp khi qua 2 tụ C2 và C3 thì dạng sóng sẽ được làm phẳng Điện áp này được cấp vào IC7805 để cho đầu ra điện áp 5V cung cấp cho hoạt động của mạch điều khiển

- Tác dụng của tụ điện C1 là làm ổn định điện áp đầu ra một lần nữa Sau khi qua mạch nguồn, ta thu được nguồn điện 1 chiều 5V ổn định để cung cấp cho mạch điều khiển

Định dạng
Số trang	29
Dung lượng	1,41 MB