Bài Tập Lớn Đề Tài Thiết Kế Bàn Cân Sử Dụng Cảm Biến Loadcell.pdf

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.17 MB, 17 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I Ộ

KHOA CƠ ĐIỆN TỬ

BÀI T P L N ẬỚ

H c ph n: C m biọầảến và x lý tín hiệu Mã HP: ME4511 ửĐề tài: Thi t k bàn cân s d ng c m biế ếử ụảến Loadcell

HÀ N I, 12/2022 Ộ

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

L I MỜỞ ĐẦU

Trong thời đại công ngh phát triệ ển như hiện nay thì các thành t u c a khoa ự ủhọc công ngh ệ ngày càng được áp dụng phổ biến vào nhi u ngành ngh ề ề và lĩnh vực khác nhau. Trong cơng nghi p thì vi c thay th ệ ệ ế lao động th công b ng các ủ ằhệ thống thông minh, các dây chuy n t ề ự động hóa ngày càng ph ổ biến. Và trong quá trình xây d ng các h ự ệ thống t ự động đó thì cảm biến đóng một vai trị quan trọng. Thơng tin thu thập được từ cảm bi n s giúp chúng ta nh n dế ẽ ậ ạng, đánh giá và điều khi n m i bi n tr ng cể ọ ế ạ ủa đối tượng. Bên cạnh đó thơng tin được xử lý để rút ra tham s ố định tính hoặc định lượng của môi trường, phục v các nhu ụcầu nghiên c u khoa h c k thu t hay dân sinh. ứ ọ ỹ ậ

Nhận thức được vai trò quan tr ng c a c m bi n trong quá trình t ng hóa ọ ủ ả ế ự độvà trong các h ệ thống cơ điện t , bài t p l n h c ph n c m bi n và x lý tín hiử ậ ớ ọ ầ ả ế ử ệu với đề tài “Thiết kế bàn cân sử dụng cảm biến Loadcell” giúp chúng em học hỏi, làm quen và x lý tín hi u v i các lo i cử ệ ớ ạ ảm bi n thông d ng và ế ụ ứng dụng của chúng trong k ỹ thuật.

Thiết b c m bi n là mị ả ế ột lĩnh vực r ng lộ ớn cũng như thời gian hoàn thành bài t p l n có h n nên khơng th tránh kh i nh ng sai sót trong quá trình tìm ậ ớ ạ ể ỏ ữhiểu, vì v y chúng em mong nhậ ận được nhận xét và góp ý cùa thầy để bài tập lớn được hồn thiện.

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy!

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

M C L C ỤỤ

L I M ỜỞ ĐẦ ... 2 U

PHẦN 1: GIỚI THI U V CỆỀ ẢM BI N LOAD CELL ... 4 Ế

1.1. Định nghĩa và phân loại ... 4

1.3. Thông s k thuố ỹật và sơ đồ chân kết nối ... 7

1.3.1. Thông s k thuố ỹật cơ bả ... 7 n1.3.2. Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối ... 8

PHẦN 2: THI T K ... 9 ẾẾ2.1. L a ch n linh ki nựọệ ... 9

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

PHẦN 1: GIỚI THIỆU V CẢM BI N LOAD CELL ỀẾ

1.1. Định nghĩa và phân lo i ạ

1.1.1. Định nghĩa

C m bi n loadcell là m t lo i c m biả ế ộ ạ ả ến thực hi n vi c chuyệ ệ ển đổi l c ho c tự ặ ải trọng tác dụng lên nó thành tín hiệu điện. Cảm bi n loadcell có th dùng để đo ế ểlực, t i tr ng, momen xo n và áp suả ọ ắ ất.

1.1.2. Phân lo i ạ

Có th phân loể ại loadcells như sau:

- Phân lo i theo nguyên lý hoạ ạt động: d a vào t m Strain gauge, hiự ấ ện tượng điện dung, hiệu ứng áp điện, đầu dò dây rung, cảm biến lực Pressductor,..

- Phân lo i Loadcell theo lạ ực tác động: ch u kéo (shear loadcell), ch u ị ịnén (compression loadcell), d ng u n (bending), ch u xoạ ố ị ắn (TensionLoadcell).

- Phân lo i theo hình d ng: dạ ạ ạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, d ng c u, ạ ầdạng ch S ữ

1.1.3. M t s ộ ố ứng dụng

Loadcell được ứng d ng trong nhiụ ều lĩnh vực, ngành ngh : ề- Ngành xây d ng: S n xu t sự ả ấ ắt thép, xi măng.

- Ngành giao thơng v n t i: Ki m tra chính xác tr ng t c a xe. ậ ả ể ọ ải ủ

- Ngành khoáng s n: Xu t nh p kh u hàng hóa, ch ả ấ ậ ẩ ế biến khoáng s n, khai ảthác than, …

- Ngành nông nghi p: Ch ệ ế biến nông s n, xu t nh p nguyên li u nông s n, ả ấ ậ ệ ảkiểm tra khối lượng nguyên v t li u nông sậ ệ ản, …

- Ngành khách s n, nhà hàng, siêu thạ ị: Thường dùng cân điệ ửn t Loadcell nhằm mục đích cân nguyên vật liệu ra/vào chính xác.

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Hình 1.1. C u tấ ạo t m Strain Gauge ấ

- Load: đây là thanh kim loại chịu tải trong hệ thống load cell, có kh ảnăng đàn hồi cao. Về thiết kế, load có hình d ng tùy theo từng loại ạloadcell và mục đích sử ụng. Chúng thường đượ d c làm b ng các kim ằloại khác nhau. Ph ổ biến nh t là nhôm, h p kim thép, ... ấ ợ

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Hình 1.2. C u tấ ạo c m bi n loadcell ả ế1.2.2. Nguyên lý hoạt động

B n t m Strain Gauge (lố ấ ần lượt là R1, R2, R3, R4) được g n vào thanh kim ắloại (như hình 1.2) ồi đượ r c mắc thành mạch cầu Wheatstone.

Hình 1.3. M ch c u Wheatstone ạ ầTa có cơng th c cứ ủa điện áp đầu ra theo điện áp đầu vào:

𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.( 𝑅2𝑅1+𝑅2 −

𝑅3𝑅3+𝑅4 ) Khi có l c tác dự ụng làm các tấm Strain Gauge thay đổi giá trị:

𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.( 𝑅2+Δ𝑅2(𝑅1−Δ𝑅1)+ (𝑅2+Δ𝑅2)−

(𝑅 −Δ𝑅)+(𝑅 +Δ𝑅))

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Thông thường các điện trở của 4 t m Strain Gauge là gi ng nhau: ấ ố𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅4=𝑅

→𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.Δ𝑅𝑅Như vậy khi chưa có lực tác dụng thì Δ𝑅 =0 →𝑉𝑜𝑢𝑡=0

Hình 1.4. C m biả ến loadcell khi chưa chịu tải trọng Khi chưa có lực tác d ng thì ụ Δ𝑅≠0 →𝑉𝑜𝑢𝑡=𝑉 𝑖𝑛.Δ𝑅

Hình 1.5. C m bi n loadcell khi ch u t i trả ế ị ả ọng1.3. Thông s kố ỹ thu t ậ và sơ đồ chân k t n i ếố

1.3.1. Thông s k thuố ỹ ật cơ bản

Với mục tiêu là tìm hi u, làm quen và x lý tín hiể ử ệu đố ớ ải v i c m bi n nên ếtrong bài t p lậ ớn này chúng em s d ng c m bi n Micro Load Cell (0-1kg) ử ụ ả ế

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Hình 1.6. C m biả ến loadcell 1kg - Chất liệu: hợp kim nhôm

- Kích thước: 75.25x12.7x12.7mm - Phạm vi đo: 0 – 1kg

- Đầu ra định mức: 1,0 ± 0,1 mV/V - Điện áp kích thích: 5VDC - Độ l ch tuy n tính: 0,05% ệ ế1.3.2. Ký hiệu và sơ đồ chân kết nối

Hình 1.7. Sơ đồ các dây tín hi u c a loadcell ệ ủ

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Như mục đích của bài t p lậ ớn đã nêu trên, về bộ vi x lý chúng em l a chử ự ọn sử d ng v ụ ộ vi điều khi n Aduino uno R3. ể

Hình 2.1. Vi điều khiển Adruino Uno R3

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

2.1.3. Lựa chọn bộ chuyển đổi

Tín hi u cệ ảm biến Loadcell đưa ra là tín hiệu tương tự (điện áp) vì vậy để vi điều khi n có thể c d li u t cảm bi n thì c n m t b chuyể đọ ữ ệ ừ ế ầ ộ ộ ển đổi tương tự -số ADC. Đố ớ ải v i c m bi n c u (Bridge sensor) nói chung và các lo i c m biế ầ ạ ả ến loadcell nói riêng thì thường được sử dụng b chuyộ ển đổi ADC HX711-24bit.

Hình 2.2. B chuyộ ển đổi ADC 24 bit HX711 –2.1.4. Linh ki n khác ệ

Kết qu c a c m biả ủ ả ến sau khi được x ử lý qua vi điều khi n Adruino uno R3 s ể ẽđược hiển th ị lên LCD 16x2. Đi kèm theo LCD s là c ng giao ti p I2C. ẽ ổ ế

Hình 2.3. Màn hình LCD 16x2 và I2C

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

2.2. Sơ đồ kết nối

Hình 2.4 Sơ đồ đấu nối mạch điện 𝑉𝑖𝑛+ E+ 𝑉𝑖𝑛− E - 𝑉𝑜𝑢𝑡+ A+ 𝑉𝑜𝑢𝑡− A -

SDA A4/SDA SCL A5/SCL

Bảng 2.2. Đấu n i thi t b ố ế ị2.3. Nguyên lý k t nế ối tín hiệu

- Hai dây điện áp Vin được k t n i v i hai chân E+/E- c a b chuyế ố ớ ủ ộ ển đổi HX711 để ấp điện áp đầ c u vào cho loadcell, hai dây tín hiệu Vout được kết n i v i Chanel A+/A- ố ớ để đưa tín hiệu điện áp đầu ra cho b chuyộ ển đổi

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

- Hai chân c p nguấ ồn VCC và GND cho b chuyộ ển đổi được kết n i vố ới nguồn 5V trên vi điều khi n Adruino Uno R3. Chân d ể ữ liệu DT được kết nối v i chân digital sớ ố 3 dùng để đưa dữ liệu số t bừ ộ chuyển đổi vào vi điều khiển và chân xung clock được kết nối với chân digital số 2 của vi điều khi n và nhận xung đượể c cấp từ vi điều khiển để hoạt động. - Ngu n 5V c a vi xồ ủ ử lý được c p cho c ng giao tiấ ổ ếp I2C để giao ti p vi ế

điều khiển với màn LCD 16×2. Hai chân SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nh n d ậ ữ liệu và SCL (Serial Clock)- đường mang tín hi u xung nhệ ịp được kết nối với hai chân tương ứng trên bộ vi điều khi n Adruino. ể

3.1. Phương pháp xử lý tín hiệu

Hình 3.1. Sơ đồ xử lý tín hi u ệ

Tín hiệu do Load cell sinh ra V có giá tr r t nhout ị ấ ỏ (cỡ 1.0±0.15 mv/V) vì v y nh ng b khuậ ữ ộ ếch đại thông thường không đủ để dùng cho x lý tín ửhiệu c a Loadcell. Bộ chuyủ ển đổi tương tự ố HX711 được thiết kế riêng scho các c m biả ến đo tải trọng có tích h p s n b khuợ ẵ ộ ếch đại trong đó (Với tỉ lệ khuếch đại gain = 128, 64 ho c 32) ặ

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Tín hiệu điện áp sau khi được khuếch đạ ẽ đượi s c chuyển đổi qua tín hiệu số với độ phân gi i 24 bit ả và được truy n thông v i Adruino thông qua hai ề ớdây DT và SCK.

Hình 3.2 Biểu đồ timeline ki m sốt d u ra, vào và l a ch n ch ể ữ liệ ự ọ ế độ khuếch đại

Vi điều khiển Adruino sẽ cấp xung vào chân SCK c a b chuyủ ộ ển đổi HX711. Tùy theo chế độ ấ c p xung mà b chuyộ ển đổ ẽ hoạt đội s ng theo 3 chế khuđộ ếch đại khác nhau.

Trong kho ng th i gian l y dả ờ ấ ữ liệu, v i m i l n cớ ỗ ầ ấp xung cho chân SCK thì tín hi u s ệ ẽ được đưa ra chân DT theo kiểu bool. Mỗi giá tr này s ị ẽ tương ứng với m i ô nh trong 24-bit d ỗ ớ ữ liệu được điền từ trái qua phải.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

Các giá tr sị ố thu được sẽ tỉ lệ tuyến tính v i tín hiớ ệu điện áp ra c a củ ảm biến Loadcell. Để tìm được phương trình tuyến tính thì nhóm thực hiện đo các khối lượng tiêu chu n r i lẩ ồ ập đồ thị khối lượng – giá tr s c a b chuyị ố ủ ộ ển đổi.

Weight (gram) Digital Value 0 344800 75 405800 150 464500 225 525000 300 585700 375 646200 450 706300 525 766550 600 826800 675 886950 750 946800 825 1006400 900 1067300

Bảng 3.1. Giá tr s ị ố tương ứng v i khớ ối lượng tiêu chu n ẩ

y = 802.61x + 344911

02004006008001000Weight - Digital Value

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

Đồ thị 3.1. Đồ thị giá tr số - khối lượng ị

T chúng ta thu ừ đồ thị được phương trình đường thẳng hồi quy tuy n tính ế𝑦 =802 61, 𝑥 +344911

T ừ phương trình tuyến tính thu được chúng ta lập trình để chuyển đổi l i giá tr ạ ịsố v ề đại lượng cần đo (khối lượng).

3.2. Chương trình phần mềm

Chương trình lập trình trên Adruino: #include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

uint8_t dataPin = 3; uint8_t clockPin = 2; int lastRead = 0; float dt = 0; int w = 0;

void setup() {

pinMode(dataPin, INPUT); pinMode(clockPin, OUTPUT); digitalWrite(clockPin, LOW); digitalRead(dataPin) == LOW; lcd.init(); lcd.backlight(); }

// đọc dữ liệu số từ bộ chuyển đổi float read(){

while (digitalRead(dataPin) == HIGH) yield(); union {

long value = 0; uint8_t data[4]; } v;

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

v.data[1] = shiftIn(dataPin, clockPin, MSBFIRST); v.data[0] = shiftIn(dataPin, clockPin, MSBFIRST); uint8_t m = 1;

while (m > 0) {

digitalWrite(clockPin, HIGH); digitalWrite(clockPin, LOW); m ; --

} interrupts();

if (v.data[2] & 0x80) v.data[3] = 0xFF; lastRead = millis();

return 1.0* v.value; }

// Lấy giá trị số trung bình float read_average(uint8_t times) {

if (times < 1) times = 1; float sum = 0;

for (uint8_t i = 0; i < times; i++) {

sum += read(); yield(); }

return sum / times; }

void loop() {

dt = read_average(10); // Phương trình tuyến tính w = (dt-344911)/802.61; // in ra màn hình LCD lcd.setCursor(7,0); lcd.print(w); if(w<1) lcd.clear();

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Hệ thống bàn cân s d ng c m biử ụ ả ến loadcell được hoàn thành hoạt động một cách ổn định. M c dù v y thì hặ ậ ệ thống v n cịn sai s l n do nhẫ ố ớ ững khó khăn về dụng cụ để hiệu chu n. Tuy nhiên thông qua bài t p lẩ ậ ớn chúng em đã được tìm hi u, làm quen và x lý tín hiể ử ệu đố ới v i nh ng c m bi n có tín hiữ ả ế ệu đầu ra là tín hiệu tương tự. Hiểu được nguyên lý hoạt động c a các lo i c m bi n tủ ạ ả ế ải trọng nói riêng và các lo i c m bi n khác nói chung. Bên cạ ả ế ạnh đó tìm hiểu được cách x lý tín hiử ệu đố ới v i những lo ại c m bi n s dả ế ử ụng mạch c u Wheatstone. ầ

</div>