BÁO cáo bài tập lớn cơ sở kỹ THUẬT đo LƯỜNG đề tài đo KHỐI LƯỢNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
***** ^Q^ *****

BÁO CÁO

BÀI TẬP LỚN CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
Đề tài:

ĐO KHÔI LƯỢNG
Lớp: CTTN - ĐTTT K64
Lớp LT & BT: 128206
Nhóm:8
Nguyễn Ngọc Khánh
Dương Thành Trung
Lê Văn Huy

20190032
20192119
20192912

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Thúy Anh
Hà Nội, 1 /2022
UC LỤ



C
PHẦN

1.

Nguyên

lý

hoạt

động

................................................................3
1. Loadcell.....................................................................................................5
1.1 Khái niệm...........................................................................................7
1.2 Các thông số của loadcell..................................................................9
1.3 Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động.....................................................10
2. HX711.....................................................................................................10
2.1 Khái niệm..........................................................................................7
2.2 Thông số kỹ thuật..............................................................................9
3. Aduno UNO R3.......................................................................................10
3.1 Khái niệm..........................................................................................7
3.2 Thông số kỹ thuật..............................................................................9
PHẦN 2. Lắp mạch và hiệu chỉnh....................................................................10
PHẦN 3. Đo đạc và xử lý sai số.......................................................................12
3.1 Kết quả đo.............................................................................................12
3.2 Xử lý sai số đo theo tính tốn................................................................12
3.3 Ngun nhân sai số...............................................................................13
3.3.1 Sai số hệ thống................................................................................13
3.3.2 Sai số ngẫu nhiên............................................................................13
3.4 Hướng hạn chế sai số............................................................................13
TÀI LIỆU THAM KHẢO 14
KẾT LUẬN 15

1


LỜI NÓI ĐẦU
Báo cáo bài tập lớn Cơ sở kỹ thuật đo lường về đề tài: ĐO KHỐI LƯỢNG SỬ
DỤNG CẢM BIẾN LOADCELL và XỬ LÝ SAI SỐ mà nhóm chúng em làm có thể
cịn nhiều sai sót, mong thầy cơ góp ý thêm. Chúng em xin cảm ơn!

2


Phần 1: Ngun lí hoạt động
1. Load cell

1.1. Khái niệm:
• Cảm biến cân nặng loadcell là cảm biến có thể chuyển đổi một lực, trọng lượng
thành một tín hiệu điện, Loadcell điện trở làm việc dựa vào nguyên lý áp lực - trở
kháng. Khi một tải trọng, một lực tác động lên cảm biến sẽ làm trở kháng thay đổi. Sự
thay đổi trở kháng này dẫn đến dự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được
cấp.

1.2. Các thơng số của load cell 5kg:
• Điện áp điều khiển: 5-10V
• Tín hiệu đầu ra: tín hiệu điện áp
• Khối lượng đo lớn nhất: 5Kg
•

Nhiệt độ hoạt động: -20 - 65 °C

1.3. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:


• Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần là: Strain gage và Load. Một

loadcell thường bao gồm các strain gage được dán vào bề mặt của thân loadcell.
Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục
đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế nhiều hình dạng khác nhau,
chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ...)
Strain gage là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén
hay kéo dãn và được ni bằng một nguồn ổn định.
• Load là một thanh kim loại có tính đàn hồi.
•

R= PL
R = Điện trở strain gauge (Ohm)
L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m)
A = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2)
p = Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge


Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở
Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống.
Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên
Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động.

Công thức tính Vo:


Loadcell có bốn dây lần lượt là đen, đỏ, trắng, xanh, trong đó có hai dây cấp

nguồn và hai dây là tín hiệu ra
2. Hx711

2.1.

Khái niệm:
Hx711 là module chuyển đổi ADC (Analog to digital converter) với
độ phân giải 24bit HX711 được sử dụng để đọc giá trị điện trở thay đổi
từ cảm biến Loadcell Hx711 đóng vai trị chuyển đổi tín hiệu tương tự từ
loadcell sang tín hiệu số sẽ được đọc bởi vi xử lí.

2.2.

Thơng số kĩ thuật:
• Điện áp hoạt động: 2.7-5.5V
• Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ +85C
• Dịng tiêu thụ : < 1.5 mA
• Kích thước : 38 * 21 * 10 mm
• Độ phân giải : 24 bit ADC

Sơ đồ kết nối hx711 với loadcell:


3. Arduino UNO R3:

3.1. Khái niệm:
Là một vi xử lí rất thơng dụng hiện nay có tác dụng đọc và xử lí dữ liệu từ
Hx711 đưa kết quả ra màn hình Lcd
3.2. Thơng số kĩ thuật:
•

Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).

•

Số chân PWM Digital I/O: 6

•

Số chân Analog Input: 6

•

Dịng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA


• Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA
• Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc

trịn DC

Phần 2: Lắp và hiệu chỉnh
Như đã trình bày ở trên, mạch sẽ gồm 1 loadcell, 1 hx711, 1 chip
arduino, 1 màn hình lcd lắp theo sơ đồ :

Khi có áp lực đè lên loadcell sẽ làm thay đổi điện áp Hx711 sẽ đọc điện áp đó và
gửi về vi xử lí cuối cùng hiện kết quả ra Lcd
Mạch sau khi lắp:

Tuy nhiên muốn có kết quả chính xác trước hết chúng ta cần hiệu chỉnh cân:

B1: Đọc giá trị đầu ra của Hx711 khi cân không chịu áp lực: A0
B2: đặt một vật đã biết trước khối lượng m (càng chính xác càng tốt) lên cân rồi
đọc giá trị đầu ra của hx711: A1, gọi k là hệ số hiệu chỉnh.
K=(A1-A0)/m
B3: sau khi tính ra hệ số hiệu chỉnh, khối lượng của vật bất kì đặt lên cân sẽ
được tính bằng biểu thức M=(An-A0)/k với An là giá trị đọc từ Hx711 khi đặt
vật bất kì lên
Muốn đọc giá trị đầu ra của hx711, ta dùng thư viện HX711.h
Code:
#define DOUT 3
#define CLK 2

HX711 scale;
void setup() {
scale.begin(DOUT,CLK);
Serial.begin(9600);
Serial.println("HX711 Calibration");
Serial.println("Remove all weight from scale");
scale.set_scale();
scale.tare();


long zero_factor = scale.read_average();///đọc đầu ra của hx711
Serial.print("Zero factor: ");
Serial .println(zero_factor);

Sau khi đặt vật nặng 0.077kg lên
ideíine DOUT 3

ídeíine CLK 2
HX711 scale;

© COM3

-

□

íloat calibration_factor = 386125;

void Setup 0 {
scale.begin(DOUT,CLK);
Sezial.begin(9600);
Serial.println("HX711 Calibration");
Serial.println("Remove all weight from scale");
scale.set_scale();
scale.tare 0;

HX711 Calibration
Remove all weight from scale
Zero íactor: 198376

long zero_factor = scale.read_average0;///đọc đầu ra
Serial.print("Zero íactor: ");
Serial.println(zero_factor);

void loop() {
Q Autoscroll
timestamp

I 1 show

Từ cơng thức ở trên ta tính được hệ số hiệu chỉnh: k=369428


Code đưa cân nặng ra LCD:
#include "HX711.h"


#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
#define DOUT 3
#define CLK 2
HX711 scale;
float weight;
float calibration_factor = 369428; // giá trị này lấy từ code hiệu chỉnh
void setup()
{
scale.begin(DOUT,CLK);
Serial.begin(9600);
scale.set_scale();
scale.tare(); //Reset giá trị về 0
long zero_factor = scale.read_average(); //đọc thông tin
}
void loop()
{

scale.set_scale(calibration_factor); //điều chỉnh theo hệ số hiệu chỉnh

weight = scale.get_units(5);
if(weight<0) {
weight=- 1*weight;
}
lcd.init();
//lcd.backlight();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Trong luong:");
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print(weight,4);//in ra 4 số sau dấu phẩy
lcd.print(" KG ");
Serial.print("Weight: ");
Serial .print(weight,4);
Serial.println(" KG");
Serial.println();
delay(1000);}
Nạp code và chạy thử:


Ă

T-x -t-

A •>

1r'k

Phần 3: Đo đạc và xử lí sai sồ

Đo cân nặng của điện thoại
3.1 Kết quả đo
Đo khồi lượng của điện thoại, kết quả đo 20 lần
Lần đo
1
2
3
4
5
Khồi
151. 151. 150. 150. 151.
lượng (g) 0
1
8
9
1

Lần đo
11
Khồi
150.
lượng (g) 8

12
150.
9

13
151.
0

14
151.
0

15
150.
9

6
151.
0

7
151.
0

8
150.
9

9
151.
0

10
151.
1

16

151.
0

17
150.
8

18
151.
1

19
151.
2

20
150.
9


3.2 Xử lý sai số đo theo tính tốn
Số lần đo: n = 20.
Nhiệt độ của mỗi lần đo là mi với i = R20
n

Khối lượng trung bình : m = E

mi

150.975 (kg)

- Sai số dư : £i = mi - m

Bảng 3.2 Bảng sai số dư
Lần đo
Sai số dư
(g)

Lần đo
Sai số dư
(g)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-0.025 -0.125 0.175 0.075 -0.125 -0.025 -0.025 0.075 -0.025 -0.125

11
0.17
5

12
0.07
5

13

14

-0.025

0.025

15
0.07
5

16

17
0.17
-0.025 5

y 1 i|
-

Sai số trung bình : d= i=i - 0.0923
7n(n — 1)
- Ta thấy: |ei vó < 6*d => khơng có phép đo sai.
Sai số trung bình bình phương của trị số trung bình cộng:
n
ơ

tb

^(

) = 0.0250
1\

£i

I n. (n—
1)

18

19

-0.125

0.225

20
0.07
5


Suy ra kết quả khối lượng: m = m± txơịb = 150.975 ± 3.1x0.025 - 150.975±
0.0775 (chọn t theo bảng số liệu chuẩn 2.2)
Băng 2-2 biếu diỀn sự biến đói của t phụ thuộc theo stí lán do 11. khi đơ tĩn cây đa
cho là P=0;&Ọ7.
Báĩĩễ2-2\ Khi P=0;9í?7
5

6

7

t

5.2

4^

4,2

10
ÙJ
'ơi

n

13

20

□c

3.2

3.1

3

Hình 3. 1. Bảng số liệu chuẩn 2.2 theo sách

*) Nhận xét:
3.3 Nguyên nhân sai số:
3.3.1 Sai số hệ thống
Các sai số hệ thống như cảm biến loadcell có sai số từ 2 - 5%
3.3.2 Sai số ngẫu nhiên
Sai số ngẫu nhiên do ảnh hưởng của mơi trường bên ngồi tác động tại
mỗi lần đo là khác nhau dẫn đến sự sai khác
Sai số do điện áp cung cấp không ổn định
Mặt phẳng dặt cân không nằm ngang
3.4 Hướng dẫn hạn chế sai số
- Đo nhiều lần, tìm mặt phẳng thích hợp để đặt cân
- Hàn các mối nối cẩn thận


Kết luận:

Sau khi hồn thành bài tập lớn mơn cơ sở kĩ thuật đo
lường đề tài “Đo khối lượng” nhóm em đã có thêm nhiều kiến
thức về arduino và nguyên lí hoạt động của loadcell cũng như
cách xử lí sai số trong một bài tốn đo lường. Qua đó giúp
chúng em hồn thiện kĩ năng giúp ích cho cơng việc sau này.