luận văn tốt nghiệp dùng plc s7-200 điều khiển hệ thống cân tải bê tông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT TP HCM
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI :
DÙNG PLC S7-200 ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG CÂN TẢI BÊ TÔNG
GVHD : BÙI THANH HUYỀN
SVTH : TRƯƠNG QUANG PHÚ
MSSV : 49601676
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Mục lục
Phần một
Chương 0 Tổng quan hệ thống cân trộn bê tông
1. Khái niệm chung về bê tông 2
2. Các thành phần cấu tạo bê tông 2
3. Tỷ lệ pha trộn hổn hợp trong bê tông 3
4. Mô hình trạm trộn trong luận văn 4
5. Sơ lược trình tự điều khiển mô hình 5
Chương 1 Hệ thống cân sử dụng loadcell
1. Tổng quan hệ thống cân 6
2. Các phương pháp cảm biến dùng trong đo lường
khối lượng 7
3. Một số loadcell trong thực tế 10
4. Giới thiệu đặt tính của loadcell 12
5. Cách bố trí loadcell và đấu dây cho hệ thống nhiều
loadcell 19
Chương 2 Thiết bò chỉ thò khối lượng
1. Giới thiệu bộ hiển thò khối lượng cụ thể và cách cân chỉnh
cho đầu cân thực tế 23

2. Các thông số kỹ thuật 25
3. Các thông số khác 25
4. Giải thích cách chỉnh đầu cân 26
Chương 3 Giới thiệu bộ điều khiển lập trình PLC
1. PLC là gì ? 29
2. Đặt điểm bộ điều khiển lập trình 29
3. Sơ lược về lòch sử phát triển 33
4. Cấu trúc và nghiên cứu hoạt động của một PLC 34
5. Ưu nhược điểm của PLC 39
6. Một vài lónh vực ứng dụng tiêu biểu của PLC 39
Chương 4 PLC Siemens S7-200 và tập lệnh
1. Giới thiệu về phần cứng và cấu trúc PLC 41
2. Giới thiệu tập lệnh PLC S7-200 49
Chương 5 Truyền thông nối tiếp
1. Thanh ghi điều khiển đường truyền (LCR) 79
2. Thanh ghi điều khiển MODEM 80
3. Thanh ghi trạng thái đường dây (LSR) 80
4. Chuẩn RS-232 81
SVTH : Trương Quang Phú 2 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
5. Chuẩn RS-449, RS-423A 83
6. Chuẩn RS-422A 84
7. Chuẩn RS-485 84
8. PLC S7-200 và mạng 86
Chương 6 Sơ lược MCU AT89C51
1. Giới thiệu khái quát về họ IC MCS-51
TM
98
2. Giới thiệu AT89C51 99
3. Tổ chức bộ nhớ 104

4. Các thanh ghi đặc biệt 109
5. Bảo vệ bộ nhớ 115
6. Hoạt động port nối tiếp 115
Chương 7 Hệ thống khí nén
1. Cấu trúc hệ thống truyền động bằng khí nén 128
2. Ưu nhược điểm của hệ thống truyển động bằng khí nén
128
3. Các van khí nén 129
4. Các bộ phận dẫn động 130
Phần hai
Chương 1 Các mạch thi công và lưu đồ giải thuật
1. Mạch vi xử lý AT89C51 133
2. Cáp chuyển đổi RS-232 sang RS-485 136
3. Thiết kế bộ nguồn 138
4. Bộ khuếch đại và bộ lọc tín hiệu 142
5. Bộ cảm biến quang 147
6. Lưu đồ giải thuật điều khiển các ngỏ ra 148
Chương 2 Chương trình điều khiển
1. Chương trình PLC
2. Chương trình máy tính
3. Chương trình vi xử lý
Chương 3 Kết quả thi công
1. Kết quả thi công và hướng phát triển
2. Một số giao diện trên máy tính

SVTH : Trương Quang Phú 3 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Tài liệu tham khảo:
SIMATIC S7-200 Prpgrammable Controller.
Tự động hóa với SIMATIC S7-200.

Bộ điều khiển lập trình vận hành và ứng dụng.
The 8051 Microcontroller.
RS-232, RS-485 converter.
Lập trình kết nối máy tính trong windows.
Visual Basic cơ sở và dữ liệu.
Sữa chữa bảo trì các thiết bò hệ thống khí nén.
Cấu trúc vật liệu xây dựng.
Đo lường và điều khiển bằng máy tính.
Một số website :
www.atmel.com
www.maxim-ic.com
www.loadcellsystems.com
www.toledo.com
www.siemens.com
SVTH : Trương Quang Phú 4 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chương
Trong lónh vực xây dựng bê tông là một nguyên vật liệu cô cùng quang trọng, chất
lượng của bê tông có thể đánh giá được chất lượng của toàn bộ công trình. Do đó việc
xác đònh chính xác khối lượng từng nguyên liệu có trong thành phần bê tông cũng
chính là việc xác đònh chất lượng của nó. Vì vậy nhiệm vụ cân trộn bê tông được đề
ra. Trong luận văn này chỉ mô tả một hệ thống cân xi măng, cát, đá hoạt động theo
hai phương pháp. Đó là hoàn toàn tự động hoặc điều khiển bằng tay. Nhiệm vụ chủ
yếu là khối lượng nguyên liệu cân cần phải chính xác với khối lượng đặt, cảm biến
được sử dụng xác đònh trọng lượng là loadcell.
Trong một hệ thống trộn bê tông thực tế có rất nhiều yếu tố đầu vào lẫn đầu ra cần phải
xác đònh, đó là:
• Xác đònh ứng dụng của bê tông:
Những công trình xây dựng khác nhau cần có những loại bê tông khác nhau để
thích ứng với môi trường xung quanh. Ví dụ như bê tông dùng để xây dựng nhà cao

tầng yêu cầu chất lượng cao, khả năng chòu nén tốt. Bê tông dùng để đúc các trụ
cầu cần phải có chất phụ gia chóng đông và phải có độ bền cao trong môi trường
nước. Do đó bê tông sẽ có những loại khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Loại bê tông được xác đònh dựa vào tỉ lệ pha trộn các thành phần.
• Xác đònh loại xi măng.
• Xác đònh thành phần các,đá.
• Xác đònh tỉ lệ nước.
Vì vậy để điều khiển một hệ thống trộn thực tế cần phải kết hợp nhiều vấn đề từ cơ khí, kỹ
thuật xây dựng đến điều khiển tự động.
SVTH : Trương Quang Phú 5 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trạm trộn bê tông
1. Khái niệm chung về bê tông.
Bê tông là một hỗn hợp được tạo thành từ cát, đá, xi măng, nước. Trong đó cát và
đá chiếm 80%-85%, xi măng chiếm 8%-15%, còn lại là khối lượng của nước.Ngòai
ra còn có phụ gia thêm vào để thỏa mãn yê cầu đặt ra.
Có nhiều loại bê tông tùy thuộc vào thành phần cát, đá, xi măng, nước. Mỗi thành
phần cát, đá, xi măng khác nhau sẻ tạo thành nhiều loại mác bê tông khác nhau.
2. Các thành phần cấu tạo bê tông.
2.1 . Xi măng.
Việc lựa chọn xi măng là đặc biệt quan trọng trong việc thiết kế bê tông. Có nhiều
loại mác xi măng,xi măng mác càng cao thì độ kết dính càng tốt, tuy nhiên giá
thành của xi măng củng tăng theo mác của nó. Vì vậy khi thiết kế bê tông ta phải
vừa bảo đảm yêu cầu kó thuật, vừa bảo đảm yêu cầu kinh tế.
2.2. Cát.
Cát dùng chế tạo bê tông có thể là cát thiên nhiên hay cát nhân tạo. Kích thước hạt
cát từ 0.4 – 5mm. Chất lượng cát phụ thuộc vào thành phần khoáng, thành phần tạp
chất, thành phần hạt, …. Trong thành phần của bê tông cát chiếm khoảng 29%.
SVTH : Trương Quang Phú 6 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2.3. Đá dăm.
Đá dăm có nhiều loại, tùy thuộc vào kích cỡ của đá. Do đó tùy thuộc vào mác của
bê tông mà ta chọn cỡ đá cho phù hợp. Trong thành phần bê tông đá dăm chiếm
khoảng 52%
2.4. Nước.
Nước để chế tạo bê tông là nước phải có đủ phẩm chất để không ảnh hưởng xấu
đến thời gian ninh kết của bê tông vàkhông ăn mòn sắt thép.
2.5. Phụ gia.
Phụ gia sử dụng có dạng bột, thường có hai loại phụ gia :
• Loại phụ gia hoạt động bề mặt.
Loại phụ gia hoạt động bề mặt mặc dù được sử dụng một lượng nhỏ nhưng có
khả năng cải thiện đáng kể tính chất của hỗn hợp bê tông và tăng cường nhiều
tính chất khác của bê tông.
• Loại phụ gia rắn nhanh.
Loại phụ gia rắn nhanh có khả năng rút ngắn quá trình rắn chắc của bê tông trong
điều kiện tự nhiên, cũng như nâng cao cường độ bê tông.
Hiện nay trong công nghệ bê tông người ta còn sử dụng phụ gia đa chức năng.
3. Tỷ lệ pha trộn các thành phần trong bê tông.
3.1. Ximăng P400, đá dăm 10*20, cát vàng : tính cho 1m3 bê tông.
Thành
phần
Đơn vò
Mác bê tông
100 150 200 250 300
Xi măng Kg 225.2 268.7 325.2 368.8 410.1
Cát Kg 820.8 792.3 782.8 769.5 756.2
Đá Kg 1668.2 1639.7 1628.3 1580.8 1571.3
Nước Lít 146.4 174.7 208.2 228.7 246.1
SVTH : Trương Quang Phú 7 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

3.2. Xi măng P500, đá dăm 10*20, cát vàng : tính cho 1m3 bê tông.
Thành
phần
Đơn vò
Mác bê tông
100 150 200 250 300
Xi măng Kg 273.4 283.8 327.2 373.7 424.2
Cát Kg 818.9 799.9 782.8 775.2 765.7
Đá Kg 1649.2 1634 1628.3 1615 1607.4
Nước Lít 177.7 184.5 209.4 231.7 254.5
Từ bảng thành phần bê tông này, ta có thể tính toán giá trò khối lượng của cát, đá, xi măng,
nước cho từng mẻ trộn. Sau đó lấy các giá trò này để nhập vào máy tính, để điều khiển
trạm trộn bê tông.
4. Mô hình trạm trộn trong luận văn.
SVTH : Trương Quang Phú 8 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
5. Sơ lược trình tự điều khiển.
Nguyên liệu được đưa vào bồn sơ cấp gọi là bồn chứa nguyên liệu vào sau đó nguyên liệu
được tải vào hai cilo A và cilo B một bên tượng trưng cho xi măng, một bên tượng trưng
cho các và đá nhờ một động cơ gọi là động cơ tải nguyên liệu vào. Trong khi đó sẽ có một
nguyên liệu được cân khi cân đạt đến khối lượng đặt thì nguyên liệu được xả ra ngoài cilo
cân và được một động cơ tải ra ngoài gọi là động cơ xả. Trong khi đó nguyên liệu còn lại
được đổ vào cilo cân để xác đònh khối lượng. Quá trình thực hiện một cách tuần tự như
vậy nếu đặt ở chế độ tự động, nếu đặt ở chế độ manual thì có thể điều khiển từng van và
động cơ
Do nhiệm vụ chính của luận văn là cần phải cân chính xác khối lượng nguyên liệu dựa vào
khối lượng đặt nên quá trình hoạt động của hệ thống không được hoàn thiện so với thực tế.
SVTH : Trương Quang Phú 9 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Chương

1. Tổng quan về hệ thống cân.
Sơ đồ khối của một hệ thống cân dùng loadcell trong luận văn như sau :


Dưới tác dụng của khối lượng vật đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển tín hiệu ứng
suất lực thành tín hiệu điện ở ngõ ra. Tín hiệu điện này rất nhỏ được khuếch đại lên
nhiều lần trước khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D do modul A/D của PLC thực hiện để
chuyển thành tín hiệu số và được đưa về bộ xử lý trung tâm của PLC để xử lý theo
chương trình có sẵn và hiển thò, có thể hiển thò trên máy tính hoặc trên bộ TD 200
của hãng SIEMENS (do không có bộ TD 200 nên thay thế bằng bộ bộ hiển thò LED
7 đoạn dùng vi xử lý).
SVTH : Trương Quang Phú 10 GVHD : Bùi Thanh Huyền
ù
Hiển thò
Loadcell
đại Khuếch
Nguồn cung cấp
Modul A/D
PLC
RS 232-485
Máy tính
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Do tính linh hoạt của bộ xử lý PLC, tùy theo mục đích cụ thể mà chương trình viết
cho bộ xử lý khác nhau. Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng trong nhiều lónh
vực có liên quan đến việc đo khối lượng. Một số ứng dụng có sử dụng cân điện tử
như sau:
Trong một trạm đăng kiểm xe có một hệ thống cân xe nhằm xác đònh tải trọng xe,
hệ thống cân xe này cần phải sử dụng loadcell và thiết bò hiển thò gọi là đầu cân
(weight indicator).

Trong bưu điện ở khâu cân bưu phẩm thì cần phải xác đònh khối lượng kiện hàng
chính xác đến từng gam cho nên cần phải sử dụng cân điện tử.
Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều trong các nhà
máy ở nước ta làø dùng trong việc đóng gói sản phẩm. Người dùng có thể nhập vào
khối lượng cho một gói hàng hay bao gạo … khi đạt đến giá trò quy đònh này, ngõ ra
của bộ xử lý có thể được dùng để điều khiển việc rót hàng hay dây chuyền để
đóng gói sản phẩm, có thể là bằng cách kích các relay để làm đóng, mở các valve
selenoid dùng khí nén
Điều quan trọng trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển viết cho bộ xử
lý và cách giao tiếp với các thiết bò bên ngoài. Phần này thì khác nhau đối với các
ứng dụng cụ thể khác nhau.
Nội dung của luận văn này là sử dụng loadcell làm cảm biến khối lượng trong hệ
thống cân tải bê tông theo mô hình đã được xây dựng sẵn.
2. Các phương pháp và cảm biến được dùng trong đo lường khối lượng.
2.1 . Các phương pháp đo khối lượng.
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác đònh bằng đònh luật
II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khối
lượng và gia tốc của nó, tức là:
F = ma (1)
Trọng lực là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút trái đất,
vật có khối lượng sẽ chòu tác dụng của trọng lực
P = m.g
với g(m/s
2
) là gia tốc trọng trường là một số cố đònh ở từng khu vực. Tất cả các
phương pháp đo khối lượng đều dựa vào quan hệ này.
Tuy nhiên công thức (1) không có nghóa là nếu không có lực tác dụng lên vật thể nếu
không có gia tốc, mà nó chỉ có nghóa là không có lực cân bằng thực. Khi hai lực cân
SVTH : Trương Quang Phú 11 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hướng ngược nhau thì làm cho vật thể cân, không
tạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động. Có hai phương pháp để tạo nên lực cân
bằng. Đó là phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dòch chuyển.
2.1.1. Phương pháp cân bằng 0.
Phương pháp cân bằng 0 là phương pháp xác đònh khối lượng một vật chưa biết dựa
trên khối lượng một vật đã biết gọi là quả chuẩn.
Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khối
lượng. Một khối lượng chưa biết được đặt trên đóa cân. Các quả cân được hiệu chỉnh
chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đóa bên kia cho đến khi cân bằng.
Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng các quả cân đặt lên.
Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được chế tạo để ít chòu
sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn. Thay đổi chiều dài l
1
đến khi hệ thống cân
bằng. Theo đònh luật moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P
1
.l
1
= P
2
.l
2
Suy ra m
1
gl
1
= m
2
gl
2

với g không đổi thì m
1
.l
1
= m
2
.l
2
Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ
suy ra khối lượng cần tìm.
2.1.2. Phương pháp cân dòch chuyển.
Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dòch chuyển dưới
tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra. Khối lượng chưa biết đặt trên giá cân
treo trên lò xo đã được hiệu chỉnh. Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân
SVTH : Trương Quang Phú 12 GVHD : Bùi Thanh Huyền
M1
M2
l
l
m1
m2
l
1
l
2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết. Lượng di động của lò xo được
dùng để đo khối lượng chưa biết. Ở các cân đồng hồ chỉ thò kim, lượng di động của lò xo sẽ
làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xác
đònh khối lượng của vật cần cân.

Một cách khác có thể cân được vật là
cấp nguồn DC cho biến trở xoay. Khi
có khối lượng đè lên bàn cân, thông
qua cơ cấu di chuyển thích hợp sẽ làm
xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra
cũng thay đổi. Điện áp này được đưa về
bộ chuyển đổi AD và xử lý. Tuy nhiên
khó khăn lớn nhất của phương pháp
này là rất khó tìm biến trở tuyến tính.
Ngoài ra còn có thể sử dụng một
encoder và bộ đếm để đếm số xung
phát ra của encoder khi xoay bởi sự di
chuyển này. Sơ đồ hai hệ thống cân loại
này được vẽ như trong hình sau.
SVTH : Trương Quang Phú 13 GVHD : Bùi Thanh Huyền
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Cảm biến lực dùng trong việc đo khối lượng được sử
dụng phổ biến là loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực
biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn
hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi làm biến đổi sự
phân cực giữa các phân tử sự thay đổi này với lực tác
dụng. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này.
3. Một số Loadcell thực tế.
Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật),
Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh
Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chòu đựng,
chòu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu
sắc khác nhau. Có thể kể ra như sau :
SVTH : Trương Quang Phú 14 GVHD : Bùi Thanh Huyền
Exc+

Exc-
Sig+
Sig-
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Exc+ Đỏ Vàng Xanh Đỏ
Exc- Đen Nâu Đen Trắng
Sig+ Xanh Xanh Trắng Xanh(green)
Sig- Trắng Trắng Đỏ Xanh(blue)
Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại
loadcell .
Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách kết
nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp.
Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell
và thường có các thông số như : tải trọng danh đònh, điện áp ra danh đònh (giá trò
này có thể là từ 2mV/V đến 3mV/V hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt
động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chòu được quá tải
(Với giá trò điện áp ra danh đònh là 2mili Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10
Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa.)
Tùy ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác
nhau. Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng.
Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế.

SVTH : Trương Quang Phú 15 GVHD : Bùi Thanh Huyền
S
L
R
ρ
=
4
2

D
S
Π
=
D
dD
S
dS
2=
( )
L
L
d
R
R
∆
++=
∆
ν
ρ
ρ
21
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
4. Giới thiệu đặt tính của loadcell.
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là một
phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở.
Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dòch chuyển : loại liên kết (bonded)
và loại không liên kết (unbonded).
Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vò trí xác đònh trên bề mặt của bộ
phận đàn hồi. Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm cần đo biến dạng của vật đàn hồi.

Biến dạng này được truyền trực tiếp vào tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trò điện trở
tương ứng.
Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di động nhỏ. Một lượng di
động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay đổi điện trở làm cảm biến. Lượng di
động cũng thường được tạo nên bằng lực tác động vào một bộ phận đàn hồi.
Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dòch chuyển của bộ phận đàn hồi
còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác đònh trên bề mặt của bộ phận đàn
hồi.
Từ biểu thức :
Lấy vi phân hai vế ta được :
Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở
(D là đường kính dây) suy ra :
L là chiều dài của dây. Như vậy:
SVTH : Trương Quang Phú 16 GVHD : Bùi Thanh Huyền
S
dS
L
dL
d
R
dR
−+=
ρ
ρ
L
L∆
R
R∆
( )
2

/ mN
A
P
=
σ
( )
2
/ mN
A
P
=
σ
( )
2
/ mNE
ε
σ
=
( )
2
/ mN
A
P
=
σ
L
L∆
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trong đó là tỷ số thay đổi điện trở, là sự thay đổi chiều dài trên
chiều dài của tấm điện trở, ν là hằng số Poisson được tính bởi :

Dấu trừ “-” ở đây mang ý nghóa là một vật khi bò biến dạng nếu tăng theo chiều
dài thì sẽ giảm đi chiều ngang (ở đây là đường kính) và ngược lại.
Để có được ý nghóa về so sánh phẩm chất, người ta còn đònh nghóa độ nhạy của ứng
suất là gage factor được tính bằng tỷ số của thay đổi điện trở và biến dạng như sau :
Thông thường các giá trò trên nằm trong khoảng G = 2 ÷ 4 ; L=0,5 ÷ 4cm; R= 50 ÷
1000Ω.
Dựa vào các công thức tính ứng suất của bộ phận đàn hồi được xác đònh bằng tỷ lệ
giữa lực (P) trên một đơn vò diện tích (A)
Modul đàn hồi là một hằng số xác đònh bởi tỷ số của ứng suất trên một lượng biến
dạng (với ε là biến dạng ) ta có thể xác đònh được quan hệ
giữa sự thay đổi điện trở dưới tác dụng của lực P. Quan hệ này sẽ thay đổi tùy theo
cách bố trí điện trở và hình dạng của bộ phận đàn hồi.
Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở, mạch lấy tín hiệu
ra tối ưu nhất là mạch cầu. Đây là một phương pháp để đo sự thay đổi nhỏ trong
điện trở của một phần tử mà giá trò điện áp ra tỷ lệ với sự thay đổi của điện trở khi
có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến.
Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp : mạch cầu cân bằng và mạch cầu
không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được xác đònh từ giá
trò ba điện trở đã biết trước. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm
biến từ một giá trò cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ra
mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này lên để dễ dàng xử lý.
SVTH : Trương Quang Phú 17 GVHD : Bùi Thanh Huyền
L
L
D
D
∆
∆
−=
ν

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone không
cân bằng như sau:
Các trò số điện trở R
2
, R
3
, R
4
là cố đònh nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảm
biến là R
S
ở một trò số cơ sở xác đònh, ta gọi giá trò này là R
bal
(balance). Liên hệ
giữa giá trò R
2
, R
3
, R
4
và R
bal
khi cầu

cân bằng là :
Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa
R
S
và R

bal
. Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệ
số ε và α như sau :
Hệ số ε là một phân số biểu thò sự sai lệch giữa R
S
và R
bal
được đònh nghóa là :
Hệ số thứ hai là α biểu thò tỷ lệ phân áp trên điện trở R
3
được đònh nghóa bởi :
Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là :
Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu :
hay
SVTH : Trương Quang Phú 18 GVHD : Bùi Thanh Huyền
(Phần trăm sai lệch giữa R
S
và R
bal
)
4
32
.
R
RR
R
bal
=
bal
balS

R
RR −
=
ε
43
3
RR
R
+
=
α
dcbdc
S
a
V
RR
R
V
RR
R
×








+

=×








+
=
43
4
2
2
;
ϑϑ
V
dc
R2
R
S
R4
R3
U
a
U
b
a
b

dc
S
abab
V
RR
R
RR
R
×








+
−
+
=−=
2
2
43
4
ϑϑϑ
( )( )
dc
S
S

ab
V
RRRR
RRRRRRRR
×
++
−−+
=
243
4232424
ϑ
(2)
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
thay R
2
R
3
= R
bal
x R
4
(từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được :
Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng mộbiểu
thức sau :
khi đó (3) trở thành :
Do
Và
SVTH : Trương Quang Phú 19 GVHD : Bùi Thanh Huyền
( )
bal

R
RRR
433
+
( )
( )
( )
( )
dc
bal
bal
bal
S
balS
abab
V
R
RRR
R
RRR
R
RR
RRR
RRR
×
+
+
×









×
++
−
=−=
433
433
3
4
43
4
ϑϑϑ
( )
( )
dc
bal
balS
bal
balS
ab
V
RRR
RRRR
R
RR

RR
R
RR
R
×






















+
+
−







+






+
=
43
43
43
4
43
3
ϑ
(4)
αα
−=
+
⇒
+
=
1

43
4
43
3
RR
R
RR
R
( )
( )








×
++
−
=−=
3
4
43
4
R
RR
RRR
RRR

bal
S
balS
abab
ϑϑϑ
(3)
x V
dc
bal
balS
R
RR
−
=
ε
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Để biểu thò biểu thức ϑ
ab
theo tỷ lệ với R
S
- R
bal
mà không còn R
S
, ta cộng và trừ ở
mẫu số của phân số cuối cho R
bal
.R
3
(ở cùng tử số)

Thay tất cả vào (4), ta được :
Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là :

Hay
Trong đó:
Như vậy điện áp ngõ ra ϑ
ab
thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi
khối lượng (hay lực) tác dụng lên.
Ngoài ra nếu nguồn V
dc
cung cấp có nhiễu một lượng ∆ϑ thì theo nguyên lý xếp
chồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức :
SVTH : Trương Quang Phú 20 GVHD : Bùi Thanh Huyền
bal
balS
R
RR
−
=
ε
( ) ( )
bal
balbalbalS
bal
balS
RRR
RRRRRRRR
RRR
RRRR

43
3343
43
43
+
−++
=
+
+
( ) ( )
( )
αε
+=
+
−++
= 1
43
343
bal
balSbal
RRR
RRRRRR
(5)
dc
bal
ab
V
R
R
RR

R
RR
R
⋅
∆
⋅
+
⋅
+
=
43
4
43
3
ϑ
balS
RRR
−=∆
( )
( )( )
RRRR
RRR
V
V
S
bal
dc
dcab
++
−

⋅








∆
+=
2
s
4
1
ϑ
ϑ

( )
dcab
V
αε
ε
ααϑ
+
−=
1
1
ϑ
ab

= α(1-α).ε.V
dc
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trong đó có phụ thuộc vào tích ∆ϑ.(R
S
– R
bal
) = ∆ϑ.∆R là thành phần rất nhỏ so với
∆R. Do đó có thể bỏ qua được nhiễu ∆ϑ.
Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau (Rs là điện
trở cảm biến) :
Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãi trong các
loadcell thực tế. Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặt của loadcell,
và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bò dãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ co lại
khi có lực tác dụng. Do đó ta có quan hệ sau :
Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được tính như
sau :
SVTH : Trương Quang Phú 21 GVHD : Bùi Thanh Huyền
4
4
2
2
3
3
1
1
S
S
S
S

S
S
S
S
R
R
R
R
R
R
R
R
∆
−=
∆
−=
∆
∆
=
∆
R
S1
U
Rs
2
R
4
R
3
U

a
U
b
R
S1
U
R
s2
R
s4
R
s3
U
a
U
b
Hình a
I
R+∆R
R L
V+∆v
R-∆R
R+∆R
R-∆R
Va
Vb
R 1
R 2
+
-

Hình b
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín hiệu từ các
loadcell lại với nhau, Rl là tải.
Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau

Với R
0
là tổng trở ra của loadcell.
Theo hình (a) ta có :
Va= I.R2 + (R + ∆R).I/2
Vb= I.R2 + (R - ∆R).I/2
Điện áp ra sẽ là :
V
0
= Va – Vb = ∆R. I
Hay:

V
0
= . V
Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trò của các điện trở này.
5. Cách bố trí Loadcell và nối dây cho hệ thống nhiều loadcell.
SVTH : Trương Quang Phú 22 GVHD : Bùi Thanh Huyền
RRR
V
I
++
=
21

∆R
R1 + R + R2
R o
R L
V LV o
+
-
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Trong hệ thống cân với khối lượng lớn, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải
trọng chòu đựng, chiều dài xe Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell.
Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu ra
trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Nếu đầu cân không có chức năng này ta phải
dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên.
Vì mỗi loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên Junction box
có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch điện áp đối với cùng
một tải trọng. Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho loadcell vì thay
đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra. Ngoài ra để có thể cộng
các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một biến trở mắc ở ngõ ra của các
loadcell. Sơ đồ nguyên lý kết nối như sau:
SVTH : Trương Quang Phú 23 GVHD : Bùi Thanh Huyền
Exc
+
Sig-
Loadcell
Loadcell
Loadcell
R
RRRR
V
R

Exc
-
Sig+
Loadcell
V
R
V
R
V
R
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Với cách kết nối như vậy thì mạch tương đương của bộ cộng tín hiệu cho 4 loadcell
có thể được vẽ như sau :
Esig = Sig(+) – Sig(-)
Z
in
: là tổng trở nhập của bộ khuếch đại.
Gọi U là điện áp ngõ vào bộ khuếch đại. Ta có :
Thông thường R
1
=R
2
=R
4
=R
5
=R và rất lớn hơn so với r
i
nên:
SVTH : Trương Quang Phú 24 GVHD : Bùi Thanh Huyền

44
4
33
3
22
2
11
1
rR
EU
rR
EU
rR
EU
rR
EU
Z
U
SIGSIGSIGSIG
in
+
−
+
+
−
+
+
−
+
+

−
=
4
4
3
3
2
2
1
1
4321
11111
R
E
R
E
R
E
R
E
ZRRRR
U
SIGSIGSIGSIG
in
+++=









−+++⋅
R1 R2 R3 R4
Zin
Esig1 Esig2 Esig3 Esig4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
hay
Và như vậy tín hiệu ra của 4 loadcell đã được cộng trước khi vào đầu cân.
2. Các phương pháp và cảm biến được dùng trong đo lường khối lượng.
2.1 . Các phương pháp đo khối lượng :
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác đònh bằng đònh luật
II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khối
lượng và gia tốc của nó, tức là:
F = ma (1)
Trọng lực là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút trái đất,
vật có khối lượng sẽ chòu tác dụng của trọng lực
P = m.g
với g(m/s
2
) là gia tốc trọng trường là một số cố đònh ở từng khu vực. Tất cả các
phương pháp đo khối lượng đều dựa vào quan hệ này.
Tuy nhiên công thức (1) không có nghóa là nếu không có lực tác dụng lên vật thể nếu
không có gia tốc, mà nó chỉ có nghóa là không có lực cân bằng thực. Khi hai lực cân
bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hướng ngược nhau thì làm cho vật thể cân, không
tạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động. Có hai phương pháp để tạo nên lực cân
bằng. Đó là : phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dòch chuyển.
2.1.1. Phương pháp cân bằng 0.
Phương pháp cân bằng 0 là phương pháp xác đònh khối lượng một vật chưa biết dựa

trên khối lượng một vật đã biết gọi là quả chuẩn.
Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khối
lượng. Một khối lượng chưa biết được đặt trên đóa cân. Các quả cân được hiệu chỉnh
chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đóa bên kia cho đến khi cân bằng.
Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng các quả cân đặt lên.
SVTH : Trương Quang Phú 25 GVHD : Bùi Thanh Huyền
( )
( )
4321
4321
4
114
SIGSIGSIGSIG
in
in
SIGSIGSIGSIG
in
EEEE
RZ
Z
U
EEEE
RZR
U
+++
−
=⇒
+++=









−⋅