Đồ án 1 Điều khiển tầm với và trọng lượng cần cẩu tháp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa Điện - Điện Tử
⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕⁕

ĐỒ ÁN 1
Đề tài: ĐIỀU KHIỂN TẦM VỚI VÀ TRỌNG LƯỢNG
CẦN CẨU THÁP
GVHD: Nguyễn Chí Nghĩa
STT
1
2

Sinh viên thực hiện
Trần Thị Thùy An
Nguyễn Thanh Dương

MSSV
2010106
2012888

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6, 2023


MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI: .............................................................................4
II. LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN: .......................... 5
1. Vi điều khiển Arduino nano: .............................................................5
1.1 Giới thiệu tổng quan.................................................................5
1.2 Nguyên lý hoạt động của arduino trong bộ điều khiển..........11
2. Raspberry pi3: ................................................................................. 11

2.1 Tổng quan về Raspberry pi3...................................................11
2.2 Nguyên lý hoạt động của Raspberry trong bộ điều khiển.....16
3. Encoder HN3806-AB-400N: .......................................................... 16
3.1 Tổng quan về encoder: ............................................................ 16
3.2 Nguyên lý hoạt động của encoder: ..........................................17
4. Loadcell 5kg: ................................................................................... 19
4.1 Tổng quan về loadcell............................................................19
4.2 Nguyên lý hoạt động của loadcell trong bộ điều khiển.........22
5. Mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh .................................................. 24
6. Mạch khuếch đại điện áp AD620 ................................................... 25
6.1. Các chân tín hiệu: ...................................................................26
6.2 Hiệu chỉnh điểu Zero ............................................................... 26
6.3 Các kiểu đấu nối ...................................................................... 27
III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: ............................................................27
1. Nguyên lý hoạt động của cần cẩu tháp...........................................27
2. Nguyên lý hoạt động của đề tài: Arduino nano + Raspberry pi điều
khiển tầm với và trọng lượng cần cẩu tháp........................................28
IV GIAO TIẾP GIỮA CÁC LINH KIỆN: ............................................... 29
1. Giao tiếp giữa encoder và arduino..................................................29
1.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển tốc độ.....29


1.2 Chương trình code Arduino để đọc xung Encoder và giải thích
chương trình............................................................................... 30
2. Giao tiếp giữa Arduino và Raspberry (Raspberry truyền số liệu qua
arduino bằng đường Uart)........................................................................32
2.1 Giới thiệu Uart trên Raspberry Pi3........................................32
2.2 Giao tiếp Uart với Raspberry Pi3..........................................32
2.3 Kết nối phần cứng.................................................................33
2.4 Lập Trình giao tiếp Uart......................................................33

2.5 Sử dụng cổng USB để kết nối...............................................33
V PHẦN CỨNG: ...................................................................................... 34
1. Thiết kế phần cứng.........................................................................34
2. Giao diện phần mềm Arduino IDE kiểm tra hoạt động Encoder...35
3. Giao diện Thonny Python IDE điều khiển tầm với và trọng lượng40
4. Kết Luận...........................................................................................49
5. Hướng phát triển trong tương lai....................................................50
VI TỔNG KẾT ĐỀ TÀI: ...........................................................................51
VII LỜI CẢM ƠN .....................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................54


I. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI:
Trong cuộc sống hiện tại, với mức phát triển của các cơng trình xây
dựng có độ cao lớn, khối lượng công việc lớn, thời gian thi cơng dài thì cần
trục tháp thường được sử dụng để thi cơng những cơng trình như nhà cao
tầng, trụ cầu lớn, cơng trình thuỷ điện... Cần cẩu tháp có cơng dụng đưa vật
liệu xây dựng, cấu kiện xây dựng từ dưới lên cao một cách nhanh chóng,
cẩu thiết bị, máy móc, vật nặng ở độ cao lớn trong xây dựng nhà cao tầng,
các cơng trình trên cao. Nó được lắp ráp từ các đoạn tháp rời tăng dần theo
chiều cao của cơng trình, có tầm với rất lớn. Cần cẩu tháp rất quan trọng
trong nghành xây dựng, nhờ có nó mà việc vận chuyển, cung cấp nguyên
vật liệu trong quá trình xây trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. Cơng dụng tuyệt
vời của cần cẩu tháp đã giúp cho con người làm việc nhẹ nhàng hơn, tiết
kiệm thời gian và chi phí, hơn nữa, sức lực của con người cũng được giảm
đảng kể.
Tuy nhiên, khi sử dụng cần cẩu tháp, đặc biệt là khi xây dựng các nhà
nhiều tầng trong khu dân cư tại khu vực nội thành, do điều kiện thi công
chật hẹp, các đơn vị thi công thường sử dụng cần cẩu tháp không đúng quy
định nên vươn qua các cơng trình lân cận hoặc vươn ra ngồi đường, đó là

những hiểm họa khơn lường. Nguy cơ mất an toàn do các cần trục tháp gây
ra thường là rơi tải trọng do nâng quá tải làm đứt cáp nâng tải, nâng cần,
móc buộc tải; do phanh của cơ cấu nâng bị hỏng, má phanh mòn quá mức
quy định, mơ men phanh q bé, dây cáp bị mịn hoặc bị đứt,… sập cần
cũng là sự cố thường xảy ra và gây chết người do nối cáp không đúng kỹ
thuật, cẩu quá tải ở tầm với xa nhất làm đứt cáp…Nhưng nguyên nhân lớn
nhất vẫn là nâng vật quá tải trọng làm lật cần cẩu.
Vậy nên nhóm chúng em đã chọn đề tài này để nghiên cứu, dưới sự
hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Chí Nghĩa nhóm em đã thiết kế ra một
4


bộ điều khiển tự động để điều chỉnh tầm hoạt động và trọng lượng nâng của
cần cẩu tháp. Đề tài này nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong việc
vận hành cần cẩu tháp, giúp tăng tính an tồn và hiệu quả của cơng trình xây
dựng.
II. LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN:
1. Vi điều khiển Arduino nano:
1.1 Giới thiệu tổng quan:
Arduino Nano là một board vi điều khiển nhỏ gọn và thân thiện với
breadboard, dựa trên vi điều khiển ATmega328P. Nó là một trong những
board Arduino phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các dự án nhờ
kích thước nhỏ, dễ sử dụng và giá thành thấp. Arduino Nano có 14 chân
digital input/output (IO), 8 chân analog input, 16 MHz bộ xung clock, 32
KB bộ nhớ flash cho lưu trữ chương trình và 2 KB bộ nhớ SRAM để lưu trữ
dữ liệu trong quá trình chạy chương trình. Nó cũng có thể được cấu hình để
hoạt động như một bộ chuyển đổi USB-to-serial để giao tiếp với máy tính
thơng qua cổng USB.
Đặc điểm kĩ thuật của Arduino nano:

5


Hình 1: Đặc điểm kĩ thuật của Arduino
Sơ đồ chân:

Hình 2: Sơ đồ chân của Arduino

6


Hình 3: Sơ đồ chân của Arduino

7


8


Chân ICSP:

- Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16
Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngo vào/ra digital. Các
chân làm việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận
dịng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể
được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (),
digitalWrite () và digitalRead ().
Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một
số chức năng bổ sung.
- Chân 1, 2: Chân nối tiếp

9


Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu
nối tiếp TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của
chip nối tiếp USB tới TTL.
- Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM
Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit. Tín
hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().
- Chân 5, 6: Ngắt
Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều
khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được
sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm
attachInterrupt (). Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt
như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.
- Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI
Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi khơng đồng bộ, bạn có
thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp
đồng bộ với SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm
Arduino lại khơng có. Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng
tính năng này.
- Chân 16: Led
Khi bạn sử dụng chân 16, đen led trên bo mạch se sáng.
- Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngo vào/ra tương tự.
Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng
Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7.
Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý.
Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó se
cho giá trị 1024). Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V. Nếu

bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V
cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference

10


(). Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một
số chức năng khác.
- Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C.
Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân
và giới hạn trong một thiết bị. Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng
giao thức I2C. I2C hỗ trợ chỉ với hai dây. Một cho xung (SCL) và một cho
dữ liệu (SDA). Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một
thư viện có tên là Thư viện Wire.
- Chân 18: AREF
Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC.
- Chân 28 : RESET
Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút rên bo. Thường được sử
dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset.
1.2 Nguyên lý hoạt động của arduino trong bộ điều khiển:
Trong hệ thống này, Arduino Nano se được sử dụng để giao tiếp với
các cảm biến và thực hiện các thuật tốn điều khiển. Nó se nhận dữ liệu từ
các cảm biến và tính tốn các giá trị điều khiển để điều chỉnh tầm và trọng
lượng của cần cẩu sau đó xuất ra raspberry pi3.
2. Raspberry pi3:
2.1 Tổng quan về raspberry pi3:
Raspberry Pi 3 là một board máy tính đơn nhỏ, giá rẻ, kích thước chỉ
bằng một thẻ tín dụng, tiết kiệm điện năng (vì nguồn điện cung cấp cho RPi
chỉ có 5V) được giới thiệu bởi Raspberry Pi Foundation, đi kem với CPU,
GPU, cổng USB và các chân I/O và có khả năng thực hiện một số chức

năng đơn giản như một máy tính thơng thường.
Máy tính nhỏ bé này được phát triển với mục đích làm cho q trình
học máy tính trở nên dễ dàng để một học sinh trung bình có thể nhận được
lợi ích và dự đốn những gì một máy tính tiên tiến có thể làm.

11


Được giới thiệu vào năm 2016, Raspberry Pi 3 Model B đi kem với
bộ xử lý loi tứ cho thấy hiệu năng mạnh me gấp 10 lần Raspberry Pi 1. Và
tốc độ của Raspberry Pi 3 cao hơn 80% so với Raspberry Pi 2.
Phần cứng Raspberry đã trải qua một số biến thể về hỗ trợ thiết bị
ngoại vi và dung lượng bộ nhớ. Mỗi bổ sung mới đều đi kem với một chút
cải tiến về mặt thiết kế trong đó các tính năng nâng cao được thêm vào trong
thiết bị để nó có thể thực hiện càng nhiều chức năng càng tốt như một máy
tính thơng thường.
WiFi và Bluetooth khơng có trong các phiên bản cũ hơn (Pi 1 và Pi 2),
được thêm vào trong phần bổ sung mới của thiết bị này (Pi 3), cho phép duy
trì kết nối với các thiết bị ngoại vi mà không cần sự tham gia của bất kỳ kết
nối vật lý nào.
Raspberry Pi Foundation gần đây đã ra mắt Raspberry Pi 3 Model B +
vào ngày 14 tháng 3 năm 2018, đây là phiên bản gần đây nhất của
Raspberry Pi 3 trưng bày tất cả các thông số kỹ thuật được giới thiệu trong
Pi 3 Model B, với cải tiến bổ sung bao gồm khởi động mạng, khởi động
USB và nguồn qua Ethernet, điều này làm cho thiết bị trở nên hữu ích ở
những nơi khó tiếp cận.
Sơ đồ chân:
Đây là 40 chân GPIO được sử dụng để kết nối với các thiết bị khác:

12

Hình 4: Sơ đồ chân của Raspberry pi3

Hình 5: Cấu trúc phần cứng
- Raspberry Pi 3 Model B đi kem với bộ xử lý loi tứ 64 bit, trên một board
mạch với các tính năng WiFi và Bluetooth và USB.

13


- Nó có tốc độ xử lý từ 700 MHz đến 1,4 GHz trong đó bộ nhớ RAM dao
động từ 256 đến 1GB.
- CPU của thiết bị này được coi là bộ não của thiết bị chịu trách nhiệm thực
thi các câu lệnh dựa trên hoạt động toán học và logic.
- GPU (bộ xử lý đồ họa) là một chip tiên tiến khác được tích hợp trong
board mạch có chức năng tính tốn hình ảnh. Board mạch được trang bị cáp
loi video Broadcam chủ yếu được sử dụng để chơi các trị chơi video thơng
qua thiết bị.
- Pi 3 đi kem với các chân GPIO (General Purpose Input Output) rất cần
thiết để duy trì kết nối với các thiết bị điện tử khác. Các chân đầu ra đầu vào
này nhận lệnh và hoạt động dựa trên chương trình của thiết bị.
- Cổng Ethernet được tích hợp trên thiết bị này để thiết lập một đường giao
tiếp với các thiết bị khác. Bạn có thể kết nối cổng Ethernet với bộ định
tuyến để duy trì kết nối cho internet.
- Board có bốn cổng USB được sử dụng có thể sử dụng để kết nối với bàn
phím, chuột hoặc có thể kết nối USB 3G để truy cập internet và thẻ SD
được thêm vào để lưu trữ hệ điều hành.
- Đầu nối nguồn điện là một phần cơ bản của board mạch được sử dụng để
cung cấp nguồn 5 V cho bo mạch. Bạn có thể sử dụng bất kỳ nguồn nào để

thiết lập nguồn cho board mạch, tuy nhiên, bạn ưu tiên kết nối cáp nguồn
qua cổng USB của máy tính xách tay để cung cấp 5 V.
- Pi 3 hỗ trợ hai tùy chọn kết nối bao gồm HDMI và RCA Video. Cổng
HDMI được sử dụng để kết nối LCD hoặc TV, có thể hỗ trợ cáp phiên bản
1.3 và 1.4. Cổng RCA Video được sử dụng để kết nối các màn hình TV đời
cũ sử dụng jack cắm 3,5mm mà không hỗ trợ cổng HDMI.
14


- Cổng USB được tích hợp trên board mạch được sử dụng để khởi động
thiết bị. Vì RPi chạy hệ điều hành Linux, nên chỉ cần cắm bàn phím và
chuột vào là có thể sử dụng mà khơng cần cài thêm driver.
Thơng số kĩ thuật chính:
- 1,4 GHz 64 bit, Bộ xử lý loi tứ Broadcom BCM2387 ARM Cortex-A53,
nhanh hơn 10 lần so với Raspberry Pi 1.
- RAM 1GB (LPDDR2 SDRAM) cho phép bạn chạy các ứng dụng nâng cao
- 802.11 b/g/n Wireless LAN
- On-board Bluetooth 4.1
- 4 cổng USB 2.0
- Ethernet 300Mbit/s
- 40 chân GPIO
- HDMI hỗ trợ phiên bản 1.3/1.4 và Composite RCA (PAL and NTSC)
- 10/100 BaseT Ethernet socket
- Camera interface (CSI), để kết nối với camera
- Display interface (DSI): được sử dụng để kết nối Raspberry Pi với màn
hình cảm ứng
- Khe cắm thẻ microSD: đễ lưu trữ dữ liệu
- Micro USB power source
- VideoCore IV multimedia/3D graphics core @ 400MHz/300MHz

15


2.2 Nguyên lý hoạt động của Raspberry trong bộ điều khiển:
Raspberry Pi 3 là một máy tính nhúng mạnh me có khả năng xử lý dữ
liệu cao và giao tiếp mạng. Trong hệ thống này, Raspberry Pi 3 có thể được
sử dụng để lưu trữ dữ liệu, xử lý thông tin phức tạp hơn và giao tiếp với các
thiết bị khác trong mạng, chẳng hạn như máy tính cá nhân hoặc hệ thống
giám sát từ xa.
3. Encoder HN3806-AB-400N:
3.1 Tổng quan về encoder:
Encoder HN3806-AB là cảm biến phát xung thông qua hai pha A và B
lệch nhau. Sản phẩm được sử dụng để đo tốc độ quay của đối tượng, đo góc,
gia tốc, chiều dài đo lường chiều quay.
Thơng số kỹ thuật của Encoder 400 xung 8-24VDC :
 Điện áp cấp: 5-24VDC
 Dòng tiêu thụ: < 60mA
 Đầu ra: 2 xung A,B
 Sơ đồ chân
 VCC: màu đỏ
 GND: màu đen
 Xung A: màu trắng
 Xung B: màu xanh lá
 Loại ngo ra: NPN cực thu hở (cần mắc trở kéo lên VCC để tạo mức
cao High)
 Đường kính trục: 6mm
 Tần số đáp ứng: 100 KHz.
 Tiêu chuẩn: IEC 60529 IP50
 Là loại: tương đối
 Chiều dài cable: 2m

16


 Trọng Lượng: 195g
 Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 70 độ C

Hình 6: Encoder loại HN3806-AB-400N
Encoder cịn được gọi là bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một
thiết bị cơ điện có chức năng chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của
trục hoặc trục thành tín hiệu đầu ra tương tự hoặc kỹ thuật số. Bộ mã hóa
được sử dụng để phát hiện vị trí động cơ, hướng di chuyển, tốc độ… bằng
cách đếm số vòng quay của trục.
Cấu tạo Encoder cũng khá đơn giản bao gồm :
Một đĩa trịn có các lỗ (rãnh) như hình xoay quay quanh trục cố định. Khi
đĩa này bắt đầu quay và chiếu đen LED trên mặt đĩa thì se xảy ra hiện tượng
ngắt quãng. Các rãnh se chia đĩa trịn này thành các góc bằng nhau. Trên
một đĩa có thể có nhiều dãy rãnh được tính từ tâm tròn.
Nguồn sáng.
Bộ cảm biến thu.
3.2 Nguyên lý hoạt động của encoder:
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh
trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đen led để chiếu lên mặt
đĩa. Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đen led không chiếu xuyên qua
17


được, chỗ có lỗ (rãnh), đen led se chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia
của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc khơng có
ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đen led có chiếu qua lỗ hay

khơng. Số xung đếm được và tăng lên nó tính bằng số lần ánh sáng bị cắt.
Như vậy là encoder se tạo ra các tín hiệu xung vng và các tín hiệu xung
vng này được cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ. Nên tần số của xung đầu ra se
phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm trịn đó.
Encoder có cặp thu phát được đặt trên cùng đường tròn với kênh A
nhưng lệch một chút (lệch M+0,5 rãnh), đây là kênh B của encoder. Tín
hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90o. Bằng
cách phối hợp kênh A và B người đọc se biết chiều quay của động cơ.

Hình 7: Mơ tả cấu tạo Encoder

18


Hình trên thể hiện sự bố trí của 2 cảm biến kênh A và B lệch pha nhau.
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì cảm biến B hồn toàn nhận được hồng
ngoại xuyên qua, và ngược lại. Xét trường hợp motor quay cùng chiều kim
đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Bạn hãy quan sát lúc tín hiệu A
chuyển từ mức cao xuống thấp (cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp.
Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải
qua trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh A thì kênh B đang ở mức cao.
Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B chúng ta khơng những xác định
được góc quay (thơng qua số xung) mà cịn biết được chiều quay của động
cơ (thơng qua mức của kênh B ở cạnh xuống của kênh A).
Và trong bộ điều khiển này, Encoder là một cảm biến vị trí được sử dụng để
đo góc quay hoặc vị trí của cần cẩu tháp. Nó có thể được gắn trực tiếp vào
động cơ của cần cẩu và gửi tín hiệu về Arduino Nano. Arduino se đọc tín
hiệu từ encoder và xử lý nó để xác định tầm hoạt động hiện tại của cần cẩu
và điều chỉnh vị trí của nó.
4. Loadcell 5kg:

4.1 Tổng quan về loadcell:
Có thể hiểu đơn giản nhất rằng loadcell là một loại cân điện tử chuyên
dùng để đo trọng lượng trong nhà máy. Nó là một loại cảm biến trọng lượng
có chức năng biến đổi trọng lượng (như kg, tấn, tạ, yến, mg,….) thành dạng
tín hiệu điện (dạng mV/V).
Là loại cảm biến loadcell 5kg chuyên dùng đo chính xác khối lượng,
thường ứng dụng trong làm cân điện tử.
Cảm biến thường được dùng chung với module chuyển đổi ADC
24bit HX711
Thông số kỹ thuật của cảm biến Loadcell 5kg:

19


Ứng dụng

Cân điện tử

Model

YZC – 133

Tải trọng

5Kg

Rated Output ( mV/V)

1.0 +- 0.15

Độ lệch tuyến tính (%)

0.05

Creep (5min) %

0.1

Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ độ C

0.003

Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ độ
C

0.02

Độ cân bằng điểm không %RO

+-0.1

Trở kháng đầu vào (Ω )

1066 +- 20

Trở kháng ngo ra (Ω )

1000 +- 20

Trở kháng cách li (MΩ) 50V

2000

Điện áp hoạt động

5V

Nhiệt độ hoạt động

-20 ~ 65 độ C

Safe Overload %RO

120

Ultimate overload %RO

150

Chất liệu cảm biến

Nhôm

Độ dài dây

180mm

Dây đỏ

Ngo vào ( + )

Dây đen

Ngo vào ( – )

Dây xanh Lá

Ngo ra ( + )

Dây trắng

Ngo ra ( – )

20


Hình 8 : Cảm biến Loadcell 5 kg
Thành phần cấu tạo cơ bản của loadcell bao gồm hai bộ phận chính là
địn cân và mạch xử lý tín hiệu điện tử.
Đối với địn cân, ta se có 2 phần chính là Strain Gauge và Load.

Hình 9: Cấu tạo Loadcell
Trong đó thì Strain Gauge là một loại điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng
móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng

21


một nguồn điện.

Hình 10: Điện trở Strain Gauge
Loại điện trở Strain GaugeCòn phần Load (hay còn gọi là tải) là một
thanh kim loại được cố định 1 đầu, 1 đầu còn lại se nối với bàn cân là nơi
mà ta se dùng để cân.
4.2 Nguyên lý hoạt động của loadcell trong bộ điều khiển:
Thơng thường ta se có 4 cái điện trở strain gauge được nối vòng với
nhau tạo thành mạch cầu Wheatstone (Wheatstone Bridge) như hình bên
dưới.

22


Hình 11: Mạch cầu điện trở Wheatstone
Theo sơ đồ trên, một điện áp kích thích (Excitation V) được cung
cấp cho ngo vào loadcell (R1 và R4 của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp
tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác (R2 và R3).
Ở trạng thái khơng tải, điện áp tín hiệu ra se bằng 0 hoặc gần bằng
khơng.
Khi ta đặt vật có khối lượng lên trên dĩa cân, phần thân loadcell bị
kéo-nén se làm cho điện trở của các điện trở strain gauge cũng se thay đổi
theo do sự thay đổi độ dài và tiết diện của các dây kim loại trong điện trở.
Tuy nhiên, độ biến dạng của thanh kim loại chỉ là phần trọng lượng mà
loadcell đo được. Để tìm khối lượng của vật, ta cần phải chia cho gia tốc
trọng trường.

23


Mà gia tốc này thì khơng phải là một hằng số ở mọi nơi trên trái đất.
Do đó, khi sản xuất cân, nhà sản xuất se xây dựng một bộ hiệu chỉnh bên

trong cân điện tử để hiệu chỉnh lại cân tại nơi cần sử dụng. Điều này giúp
cân luôn đạt được độ chính xác mong muốn.
Trong bộ điều khiển này loadcell được sử dụng để đo lực nén hoặc
căng khi cần cẩu thực hiện hoạt động nâng. Nó có thể được gắn vào phần tải
của cần cẩu và gửi tín hiệu về Arduino Nano. Arduino se đọc tín hiệu từ
Load Cell và xử lý nó để xác định trọng lượng nâng hiện tại của cần cẩu và
điều chỉnh công suất nâng để đảm bảo trọng lượng nâng không vượt quá
giới hạn cho phép.
5. Mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh
Mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh 3.3V/5V IIC UART SPI có thể
chuyển đổi hai chiều mức điện áp 3.3V <=> 5V, dùng cho các vi điều khiển
khác mức điện áp giao tiếp được với nhau
Thông số kỹ thuật của mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh :
 Nguồn cấp : bên HV: 5V, bên LV: 3.3V
 Dòng max: 150mA (tổng 4 kênh)
 Có thể dung cho các chuẩn tín hiệu như UART, IIC, 1-wire I/O và
SPI.
 Trọng lượng: ~1g
 Kích thước: 15×12.5×2.5mm (dài x rộng x cao)
 Chuẩn chân cắm: 2.54mm

24


Hình 12 : Mạch chuyển mức tín hiệu 4 kênh
6. Mạch khuếch đại điện áp AD620
AD620 là một mạch khuếch đại điện áp chuyên dụng được sản xuất
bởi Analog Devices. Nó là một mạch khuếch đại chính xác, được sử dụng
để khuếch đại tín hiệu điện Analog siêu nhỏ AC hoặc DC (mV, µV) thành
tín hiệu lớn hơn để có thể đọc và xử lý được bằng Vi điều khiển, mạch có

khả năng khuếch đại lên đến 1000 lần, thích hợp cho cách ứng dụng khuếch
đại tín hiệu từ cảm biến,....
Thông số kỹ thuật của mạch khuếch đại điện áp AD620:
 Điện áp đầu vào : 3 - 12 V DC . ( Có thể được tùy chỉnh )
 Độ phóng đại: 1,5-1000 lần điều chỉnh, khơng điều chỉnh
 Điện áp đầu vào tín hiệu: 100uV - 300 mV
 Phạm vi đầu ra tín hiệu: ± ( Vin-2V )
 Điện áp bù: 50μV .
 Dòng điện đầu vào : 1.0nA (tối đa).
 Tỷ lệ loại bỏ chế độ phổ biến: 100dB
 Độ lệch điện áp lệch : 0,6μV / ° C (tối đa).
 Ổn định, thời gian: tối đa 2μV / tháng

25