Cân điện tử (electronic scale)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO
THỰC TẬP CÔNG NHÂN 2 CDT

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN ĐIỆN TỬ
SỬ DỤNG 2 LOADCELL

1

LỜI NÓI ĐẦU

Thực tập công nhân 2 CĐT chính là mơn học nằm trong chương trình năm 3
của chuyên ngành kỹ thuật Cơ điện tử của trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà
Nẵng. Trong 2 tuần thực tập sinh viên sẽ thực hiện một Project nhỏ liên quan đến
ứng dụng Vi điều khiển PIC16F887 và các cảm biến đi kèm phụ thuộc vào đề tài mà
nhóm thực hiện

Hiện nay, ngành công nghiệp điện tử đang phát triển với tốc độ cực nhanh.
Các thiết bị điện tử nói chung hay các thiết bị sử dụng Vi điều khiển nói riêng dường
như được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống, giúp con người giải
quyết các vấn đề một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Với kỳ thực tập này nhóm quyết định chọn đề tài “ Thiết kế cân điện tử sử
dụng 2 con loadcell” để áp dụng các kiến thức đã học từ các môn như Kĩ thuật Vi
điều khiển, Cảm biến công nghiệp,… làm ra một sản phẩm cụ thể. Trong q trình
thực tập sinh viên cịn có thể rèn luyện khả năng thiết kế mạch điện tử với phần mềm
Proteus, lập trình Vi điều khiển với CCS hay tự rửa mạch, hàn mạch, xây dựng mơ

hình sản phẩm…cũng như khả năng làm việc nhóm.

Vì trình độ cịn hạn hẹp, chưa chun sâu nên q trình thực tập nhóm sinh
viên chắc chắn vẫn cịn nhiều thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến và
sự cảm thơng của giảng viên hướng dẫn.

Nhóm sinh viên xin chân thành Cảm ơn thầy ThS. Nguyễn Lê Minh đã giúp
đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình thực tập cũng như tạo ra sản phẩm.

Nhóm sinh viên thực hiện

2

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU...........................................................................................................2
1. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI..............................................................................................4
2.GIỚI THIỆU VỀ PIC VÀ CÁC LINH KIỆN CHÍNH........................................4

2.1. Giới thiệu về Vi điều khiển PIC16F887...........................................................4
a) Sơ lược về Vi điều khiển PIC16F887.............................................................4
b) Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887............................................................5
c) Cấu trúc cơ bản của PIC16F887.....................................................................6
d) Đặc điểm chính của PIC16F887.....................................................................6

2.2. Giới thiệu về Loadcell thanh 10kg...................................................................8
a) Giới thiệu về Loadcell....................................................................................8
b) Cấu tạo Loadcell.............................................................................................9
c) Nguyên lý hoạt động.......................................................................................9
c) Thông số kỹ thuật:........................................................................................10

d) Sơ đồ đấu dây:..............................................................................................10

2.3.Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711:..............................................10
2.4. LCD 16x2.......................................................................................................11
3. GIỚI THIỆU VỀ CÂN ĐIỆN TỬ......................................................................13
3.1. Giới thiệu :.....................................................................................................13
3.2. Hướng dẫn sử dụng........................................................................................14
4. SƠ ĐỒ MẠCH VÀ BẢN VẼ 3D.........................................................................15
4.1. Mạch nguyên lý..............................................................................................15
4.2. Mạch PCB......................................................................................................16
4.3. Mơ hình 3D....................................................................................................17
5. CODE...................................................................................................................19
6. ĐÁNH GIÁ TÍNH CHÍNH XÁC VÀ.................................................................22
NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ.............................................................................22
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................23

3

1. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

 Thiết kế cân điện tử với các yêu cầu như sau
 Sử dụng Vi điều khiển PIC16F887.
 Sử dụng 2 Loadcell.
 Sử dụng Modul HX711.
 Hiển thị giá trị lên LCD.

 Ứng dụng : Dùng để cân các vật có khối lượng < 10kg và hiển trị giá trị đó lên
màn hình LCD.

2.GIỚI THIỆU VỀ PIC VÀ CÁC LINH KIỆN CHÍNH

2.1. Giới thiệu về Vi điều khiển PIC16F887:
a) Sơ lược về Vi điều khiển PIC16F887:
Vi điều khiển PIC16F887 là vi điều khiển 8 bit được thiết kế theo công nghệ

CPU RSIC cho công suất tối đa với điện năng tiêu thụ thấp. Có tổng cộng 40 chân và
có nhiều gói chân đáp ứng yêu cầu mạch nhỏ gọn và hiện đại.

PIC16F887 hỗ trợ các giao thức dữ liệu hiện đại cho các nhà thiết kế và do có
nhiều chân nên hầu hết các giao thức có thể được thực hiện cùng một lúc mà khơng
ảnh hưởng đến các giao thức khác. PIC có nhiều chức năng do có nhiều kênh chuyển
đổi ADC và xung clock bên trong.

4

b) Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887:

Hình 2.1. Sơ đồ chân Vi điều khiển PIC16F887
 Với 33 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ

timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector
ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART (RX,TX), SPI (SDO, SDI, SCK,
SS), I2C. Ngồi ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở
rộng tới 11 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ
nguồn, có thể sử dụng tới 2 kênh điều chế độ rộng xung (PWM)……
 PIC 16F887 có package 40 chân và 44 chân với nhiều tính năng.
- Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA, đủ điều

khiển 2 LED mắc song song. Tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ
là 90mA mà thơi. Do đó, khi thiết kế cần tính tốn tránh quá tải cho từng chân

(vượt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT (90mA).

5

c) Cấu trúc cơ bản của PIC16F887:

Hình 2.2. Cấu trúc cơ bản của PIC16F887
d) Đặc điểm chính của PIC16F887:

 PIC 16F887 có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced
Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản, có độ dài 14 bit.

 Bộ nhớ: Flash – 14Kb
 Kích thước bộ nhớ chương trình: 8KB
 Tốc độ CPU: 5 MIPS
 Bộ nhớ SRAM: 368 byte
 Bộ nhớ EEPROM: 256 byte
 Thiết bị ngoại vi giao tiếp: 1 cổng I2C, 1 cổng SPI, 1 cổng UART, 1 cổng

MSSP
 Capture/Compare/PWM: 2 input capture, 2 CCP (thanh điều rộng xung

PWM)
 Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 125ºC
 Điện áp hoạt động: 2 đến 5.5V

6

 Số chân: 40 chân
 Kiểu đóng gói: DIP40

 Kiến trúc CPU: PIC 8 bit
 Bộ dao động bên trong: 8MHz
 Bộ tạo dao động bên ngoài: 20MHz
 Phạm vi điện áp hoạt động: (2V – 5.5V)
 CỔNG GPIO: 36 chân I / O
 Ngắt: 15 Nguồn ngắt (Interrupt).
 Timer: 3 – (2 Timer 8 bit và 1 timer 16 bit): 2 bộ định thời 8 bit là Timer 0 và

Timer 2; 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động ở chế độ tiết kiệm
năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung clock ngoài.
 Bộ so sánh: 2 bộ so sánh tương tự (Comparator).
 ICP: 1 chân ICP
 USART: 1 kênh
 I2C: 1 kênh
 SPI / MSSP: 1 kênh
 ICSP / MSSP: Có
 ULPWU: Có
 Self – Programming: Có
 LAN: Khơng có
 CAN: Khơng có
 1 Bộ biến đổi Analog to Digital (ADC) 10 bit, 14 ngõ vào.
 1 Bộ định thời giám sát (Watch Dog Timer)
 Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode).
 5 Port xuất/nhập (A, B, C, D, E) tương ứng 35 chân ra.
 Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ( ICSP” – In–Circuit Serial
Programming”)
 Một chu kỳ lệnh của vi điều khiển bao gồm bốn xung clock

7

e) Đặc tính ngoại vi:
Có 3 bộ định thời:

 Timer 0: là bộ timer/counter 8 bit, có bộ chia trước
 Timer 1: là bộ timer/counter 16 bit, có bộ chia trước, có thể đếm khi CPU ở

chế độ sleep với nguồn xung từ thạch anh hoặc nguồn xung từ bên ngoài
 Timer 2: là bộ timer/counter 8 bit, có bộ chia trước và bộ chia sau
 Có hai bộ CCP (Capture/Compare/PWM):
 Capture (Bộ bắt sự kiện) có độ rộng 16 bit, độ phân giải 12,5 ns
 Compare (Bộ so sánh) có độ rộng 16 bit, độ phân giải 200 ns
 PWM (Bộ điều chế độ rộng xung) với độ phân giải lớn nhất là 10 bit
 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port):

o Giao tiếp SPI
o Giao tiếp I2C
 Bộ chuyển đổi ADC (Analog – Digital – Conversion): bộ chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số với 14 kênh có độ phân giải tối đa là 10 bit
f) Ứng dụng của PIC16F887:
 PIC 16F887 sử dụng trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp như một thiết bị
điều khiển.
 Thiết bị này có các chân giao tiếp đặc biệt, điều này làm cho nó trở thành một
trong những bộ vi điều khiển hiệu quả nhất trong họ vi điều khiển PIC.
 Là một bộ vi điều khiển lý tưởng do có nhiều kênh ADC ứng dụng trong các
hệ thống ô tô.
2.2. Giới thiệu về Loadcell thanh 10kg:
a) Giới thiệu về Loadcell:
 Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín
hiệu điện.
 Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của

lực. Tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.

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.
b) Cấu tạo Loadcell.
 Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là “Strain gage” và

thành phần còn lại là “Load“.
 Strain gage là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay. Có điện trở thay đổi

khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết
lên “Load”
 Load – một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi
c) Nguyên lý hoạt động.
 Khi cho khối lượng hoặc lực tác dụng thì cảm biến thì cảm biến trọng lượng sẽ
biến đổi đại lượng đó thành đại lượng điện. Đại lượng điện được khuếch đại lớn
hơn sau khi điqua bộ phận khuếch đai và được đưa tới đầu vào của Vi Xử Lý. Bộ
phận Vi Xử Lý sẽ xử lý thơng tin đưa vào sau đó sẽ cho kết quả đưa tới bộ phận
hiển thị.

9

Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý của Loadcell ( Mạch Wheatstone )
c) Thông số kỹ thuật:

 Điện áp kỹ thuật: 5V

 Nhiệt độ hoạt động : -20 đến 65℃
 Tải trọng 10Kg
 Độ dài dây: 180mm
 Chất liệu cảm biến: Nhôm.

Hình 2.2,. Loadcell thanh 10Kg

10

d) Sơ đồ đấu dây:
Hình 2.3. Sơ đồ dây của Loadcell

11

Hình 2.4. Ngun lí hoạt động của Loadcell
2.3.Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711:
 Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711 module chuyển đổi analog sang

digital 24-bit. HX711 được thiết kế để chuyển đối tín hiệu và ứng dụng điều
khiển công nghiệp để giao tiếp trực tiếp với một cảm biến cầu.
 Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711 khơng chỉ có một vài chức năng
cơ bản, cũng có tích hợp cao, phản ứng nhanh, khả năng chống nhiễu, và độ tin
cậy cao.
 Đây 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 vi điều khiển / arduino.
 Điện áp hoạt động: 2.7~5VDC
 Dòng điện tiêu thụ: <1.5 A
 Độ phân giải: 24bit
 Kích thước: 38x21x10 mm

12

Hình 2.5. Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711
13

2.4. LCD 16x2:
 LCD (Liquid Crystal Display) – Màn hình tỉnh thể lỏng là một thiết bị ngoại vi

dùng để hiển thị dữ liệu một cách trực quan..Dữ liệu được hiển thị có thể là các
ký tự, hình ảnh hoặc video.
 Module LCD 16 x 2 chuyên dùng để hiển thị các ký tự trong bảng ASCII. Vì
module này chỉ hiển thị được ký tự nên trong thực tế nó cịn được gọi là Text
LCD (LCD ký tự). Module LCD 16 x 2 (gọi tắt là module LCD) hoạt động ở điện
áp 5 VDC. Module này gồm 32 “ô” được phân bổ trên 16 cột và 2 hàng. Mỗi ô sẽ
hiển thị được một ký tự trong bảng ASCII.
 Bên trong LCD này nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển HD44780U của
hãng hitachi và chỉ đưa ra các chân giao tiếp cần thiết
 Thông số kỹ thuật:
 Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
 Điện áp MAX : 7V
 Điện áp MIN : - 0,3V
 Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V
 Điện áp ra mức cao : > 2.4
 Điện áp ra mức thấp : <0.4V
 Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA
 Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C

14

Hình 2.6. LCD 16x2

3. GIỚI THIỆU VỀ CÂN ĐIỆN TỬ

3.1. Giới thiệu :
 Cân điện tử là dòng cân chuyên dùng sử dụng bo mạch điện tử và cảm biến lực

(loadcell) nhằm mục đích xác định khối lượng của vật cần cân và chuyển đổi các
tín hiệu điện thành con số hiển thị trên đồng hồ của cân.

15

 Nguyên lý cân: Cân điện tử sử dụng nguyên lý chuyển đổi cảm biến lực sang tín
hiệu điện thông qua các cảm biến cân. Bên trong, ngay bên dưới bàn cân được đặt
loadcell, khi đặt vật cần cân lên đĩa cân, trọng lượng của chúng sẽ ép lên
Loadcell, khiến thanh kim loại bên trong bị uốn cong. Lúc này điện trở của
Loadcell thay đổi, làm thay đổi tín hiệu điện đầu ra. Sau đó bộ xử lý trung tâm sẽ
tiến hành giải mã và đưa ra thông số hiển thị trên màn hình

Hình 3.1. Mơ hình cân điện tử thực tế mà nhóm thiết kế.
16

3.2. Hướng dẫn sử dụng:
- Đầu tiên, chúng ta cấp nguồn 12VDC vào lỗ cắm jack phía bên của vỏ hộp
bàn cân.
- Sau đó, ta bật nút cơng tắc ngay bên cạnh đầu cắm nguồn để khởi động bàn
cân.
- Và chúng ta có thể sử dụng bàn cân sau đó.
- Bên trên công tắc là nút Reset, nếu gặp sự cố trong lúc đo thì chúng ta có thể
nhấn nút để khởi động lại bàn cân. Hoặc khi chúng ta cần đo 1 vật nào đó mà
phải cần có đế để cân bằng vật đó thì ta làm theo các bước như sau:

+ Đặt đế của vật cần đo lên bàn cân.
+ Nhấn nút Reset để cân quay về đơn vị đo là 0Kg.
+ Đặt vật cần đo lên cân để đo.

17

Hình 3.2. Mơ hình cân điện tử thực tế mà nhóm thiết kế.

4. SƠ ĐỒ MẠCH VÀ BẢN VẼ

18

4.1. Mạch nguyên lý:

Hình 4.1. Mạch nguyên lý.
4.2. Mạch PCB:

19

Hình 4.2. Mạch PCB.

4.3. Mơ hình 3D:
20