thiết kế và thi công cân điện tử

Chương 1:Dẫn nhập
CHƯƠNG 1 : DẪN NHẬP
1.1 Lý do chọn đề tài:
Gần nửa thế kỷ qua, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật,
lĩnh vực điện tử cũng đã có những tiến bộ vượt bậc góp phần không nhỏ phục vụ
vào mọi mặt của đời sống trong công nghiệp cũng như trong dân dụng. Sự phát
triển của công nghệ mạch tích hợp (chế tạo các IC) cùng với sự ra đời của kỹ thuật
số càng làm tăng tầm ảnh hưởng của kỹ thuật điện tử.
Năm 1971, với sự ra đời của vi xử lý đã làm cho kỹ thuật số phát triển nhảy vọt
đồng thời những ứng dụng của nó trong cuộc sống cũng ngày càng đa dạng hơn. Sự
ra đời của các vi mạch lập trình như Vi điều khiển, Vi xử lý, Vi mạch số lập trình
…. đã tạo ra một bước ngoặt trong lĩnh vực điều khiển. Chúng làm cho lĩnh vực
điều khiển bằng cơ khí thô sơ có độ chính xác và an toàn kém được thế bằng những
thiết bị điều khiển tự động với độ chính xác cao hơn, an toàn hơn. Nhờ đó, năng
suất lao động cũng không ngừng được nâng cao. Trong đời sống hằng ngày, Vi xử
lý điều khiển được ứng dụng vào các thiết bị dân dụng như ti vi, máy điều hòa nhiệt
độ, lò vi ba, máy giặt … Qua đó làm các thiết bị này trở nên đa chức năng hơn, dễ
dàng sử dụng hơn, tiện nghi hơn .
Với những ứng dụng rộng rãi như trên, thiết nghĩ việc tìm hiểu về Vi điều khiển
và những ứng dụng của nó là rất cần thiết. Trong khuôn khổ hạn hẹp của đề tài,
nhóm sinh viên chỉ tìm hiểu một ứng dụng nhỏ của Vi điều khiển đó là thiết kế và
thi công cân điện tử.
1.2 Mục đích nghiên cứu :
Mục đich trước hết khi thực hiện đè tai này là hoàn tất chương trình môn
học, đủ điều kiệ ra trường.
• Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài này là chúng em muốn phát huy thành
quả ứng dụng của vi điều khiển nhằm tạo ra sản phẩm. Những thiết bị ứng
dụng bị tiên tiến hơn và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 1:Dẫn nhập
• Mặt khác tập luận văn này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho ngững

sinh viên khóa sau.Giúp họ hiểu rõ hơn về nhữ ứng dụng của vi điều khiển.
• Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đè tài là một cơ hội để chúng em tự
kiểm tra lại những kiến thức đã học ở trường, đòng thời phát huy tính sáng
tạo, khả năng giải quyết một vấn đè theo yêu cầu đặt ra. Và đây cũng là dịp
để chúng em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các
hoạt động sản xuất của xã hội.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:
Đồ án tốt nghiệp thực chất là quá trình tổng kết những kiến thức mà sinh viên
đã tích lũy được trong suốt quá trình học tập tại trường để từ đó có sự đánh giá
chính xác nhất. Do đó việc xác định rõ đối tượng cần nghiên cứu của đề tài là một
việc làm hết sức quan trọng.
Vì vậy nhóm sinh viên xác định đối tượng nghiên cứu chủ yếu của đề tài này
là:
Vi điều khiển AT89S52, loadcell, ADC, LCD và viết chương trình.
Mạch khuếch đại tín hiệu từ loadcell sử dụng Opamp.
Mạch giao tiếp ADC, LCD với vi điều khiển.
Mạch nguồn cung cấp ±5V, ±12V.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:
Do điều kiện và thời gian có hạn nên nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết một
số vấn đề sau:
Tìm hiểu cơ bản về vi điều khiển pic 16f877a.
Tìm hiểu cơ bản về loadcell, ADC 7109, LCD 16*2
Thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng Opamp.
Hiển thị trên LCD.
Đề tài không giải quyết được những vấn đề sau:
Chưa giao tiếp với cái thiết bị khác như máy vi tính.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 1:Dẫn nhập
1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài :

1.4.1 Ý nghĩa khoa học :
Qua đề tài này, nhóm thực hiện nắm được các vấn đề sau:
Hiểu được phần nào vi điều khiển pic 16f877a
Hiểu được phương thức hoạt động của ADC , loadcell.
Hiểu được cách xử lý tín hiệu tương tự, tín hiệu số.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài sau khi thi công xong có thể;
Cân được khối lượng vật tối đa 5kg, sai số 1gram.
Làm mô hình học tập
1.5 Tình hình nghiên cứu:
Hiện nay trong thực tế các cân điện tử sử dụng EPROM, có khả năng giao tiếp
với máy vi tính.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 1 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ LOADCELL
2.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT 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 để cảm biến lực dịch chuyển: loại liên kết
(bonded) và loại không liên kết (unbonded).
Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định 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 làm nó thay
đổi giá trị 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 dịch chuyển của bộ
phận đàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định trên bề

mặt của bộ phận đàn hồi.
Từ biểu thức:
S
L
R
ρ
=
Lấy vi phân hai vế ta được :
S
dS
L
dLd
R
dR
−+=
ρ
ρ
Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 4 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
(D là đường kính dây) suy ra:
4
2
D
S
π
=
L là chiều dài của dây. Như vậy :
D
dD

S
dS
2
=
L
Ld
R
R
∆
++=
∆
)21(
ν
ρ
ρ
Trong đó
R
R∆
là tỷ số thay đổi điện trở,
L
L∆
là sự thay đổi chiều dài trên chiều
dài của tấm điện trở , ν là hằng số Poisson được tính bởi:
L
L
D
D
∆
∆
−=

ν
Dấu trừ “-“ ở đây mang ý nghĩa là một vật khi bị 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 nghĩa về so sánh phẩm chất, người ta còn định nghĩa 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 trị trên nằm trong khoảng G = 2÷4; L = 0,5÷4 cm;
R= 50÷1000 Ω
L
L
R
R
G
∆
∆
=
Dựa vào các công thức tính ứng suất của bộ phận đàn hồi được xác định bằng
tỷ lệ giữa lực (P) trên một đơn vị diện tích (A) :
( )
2
/ mN
A
P
=
σ
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 5 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
Modul đàn hồi là một hằng số xác định bởi tỷ số của ứng suất trên một lượng
biến dạng
( )

2
/ mNE
ε
σ
=
(với ε là biến dạng
L
L∆
) ta có thể xác định 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 trị 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 định từ giá
trị ba điện trở đã biết trước. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm
biến từ một giá trị 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.
Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone
không cân bằng như sau:
Hình 2.1 Mạch cầu Wheatstone không cân bằng
Các trị số điện trở R
1
, R
2
, R
3
là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm

cảm biến R
X
ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là R
bal
(balance). Liên hệ
giữa giá trị R
1
, R
2
, R
3
và R
bal
khi cầu cân bằng là:
1
32
.
R
RR
R
bal
=
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 6 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch
giữa R
X
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 thị sự sai lệch giữa R
X
và R
bal
được định nghĩa là :
bal
balX
R
RR
−
=
ε
(Phần trăm sai lệch giữa R
X
và R
bal
)
Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R
3
được định nghĩa bởi:
13
3
RR
R
+
=
α
Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là:
dc

X
a
V
RR
R
×








+
=
2
2
ϑ
;
dcb
V
RR
R
×









+
=
13
1
ϑ
Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu:
dc
X
baab
V
RR
R
RR
R
×








+
−
+
=−=

2
2
13
1
ϑϑϑ
Hay :
( ) ( )
dc
X
X
ab
V
RRRR
RRRRRRRR
×
++
−−+
=
213
123.21.21
.
ϑ
(2)
Thay R
2
.R
3
= R
bal
.R

1
(từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được :
( )
( )








×
++
−
=−=
3
1
13
1
R
RR
RRR
RRR
bal
X
balX
abab
ϑϑϑ
(3)

Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng một
biểu thức sau :
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 7 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
( )
dc
bal
V
R
RRR
×
+
133
Khi đó (3) trở thành :
( )
( )
( )
( )
dc
bal
bal
bal
X
balX
abab
V
R
RRR
R
RRR

R
RR
RRR
RRR
×
+
+
×








×
++
−
=−=
133
133
3
1
13
1
ϑϑϑ
(4)
( )
( )

dc
bal
balX
bal
balX
ab
V
RRR
RRRR
R
RR
RR
R
RR
R
×












+
+

−






+






+
=
13
13
13
1
13
3
ϑ
( )
dcab
V.
1
.1.
α ε
ε

ααϑ
+
−=
(5)
Do
αα
−=
+
⇒
+
=
1
13
1
13
3
RR
R
RR
R
Và
bal
balX
R
RR
−
=
ε
Để biểu thị biểu thức ϑ
ab

theo tỷ lệ R
X
- R
bal
mà không còn R
X
, ta cộng và trừ ở
mẫu số của phân số cuối cho R
bal
.R
3
(ở cùng tử số)
bal
balX
R
RR
−
=
ε
Thay tất cả vào (4) ta được:
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 8 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
( ) ( )
( ) ( )
( )
αε
+=
+
−++
=

+
−++
=
+
+
1
13
313
13
3313
13
13
bal
balXbal
bal
balbalbalX
bal
balX
RRR
RRRRRR
RRR
RRRRRRRR
RRR
RRRR
Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là:
( )
dcab
V 1.
εααϑ
−=

Hay
dc
bal
ab
V
R
R
RR
R
RR
R
⋅
∆
⋅
+
⋅
+
=
43
4
43
3
ϑ
Trong đó:
balS
RRR
−=∆
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 tượng tự như trên, ta được biểu thức:
( )
( ) ( )
RRRR
RRR
V
V
S
balS
dc
dcab
++
−
⋅








∆
+=
2
4

1
ϑ
ϑ
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.
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 bị giãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ
co lại khi có lực tác dụng.
Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được tính
như sau:
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 9 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
Hình 2.2a : Sơ đồ mạch tương đương
Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín hiệu từ
các loadcell lại với nhau. R1 là tải.
Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau:
Hình 2.2b : Sơ đồ tương đương Thevenin
Với R
0
là tổng trở ra của loadcell:
4
4
2
2
3

3
1
1
S
S
S
S
S
S
S
S
R
R
R
R
R
R
R
R
∆
−=
∆
−=
∆
=
∆
Theo hình (a) ta có:
V
a
= I.R

2
+ (R + ∆R).I/2
V
b
= I.R
2
+ (R - ∆R).I/2
Điện áp ra sẽ là:
V
0
= V
a
– V
b
= ∆R.I
Hay :
V
RRR
R
V
⋅
++
∆
=
21
0
Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 10 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
2.2 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 chịu
đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có
màu sắc khác nhau. 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 sau: tải trọng danh định, điện áp ra danh
định (giá trị này có thể là từ 2mV/V đến 3mV/V hoặc hơn tùy loại loadcell), tầm
nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải …
(Với giá trị điện áp ra danh định là 2mV/V thì với nguồn cung cấp là 10V thì điện
áp ra sẽ là 20mV 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.
Hình 2.3: Một số loại loadcell thực tế
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 11 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
2.2.1. Ưu và khuyết điểm của loadcell:
Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng Load Cell cảm
biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là Load Cell tương tự). Tín hiệu này
được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm
một hoặc một vài Load Cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box)
như hình vẽ.
Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình
Mỗi Load Cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp

được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng Load Cell. Các thiết bị đo lường
hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý
với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được
lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp
với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in.
Những Load Cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone.
Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do
đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ. Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu
cầu thực tế, với những tham số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp
cho từng ứng dụng của người dùng. Ở đó các phần tử cảm ứng có kích thước và
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 12 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Các dạng phổ biến: dạng
kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression)…
Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín
hiệu điện áp đầu ra của load cell rất nhỏ (thường không quá 30mV). Những tín hiệu
nhỏ như vậy dễ bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:
Nhiễu điện từ: Sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi
trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian
hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…
Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: Do thay đổi thất thường của nhiệt
độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn.
Do đó, để hệ thống chính xác thì càng giảm sai lệch giữa Load Cell với thiết bị
đo lường càng thấp càng tốt. Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu
dung sai đầu ra của Load Cell. Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép
vượt quá con số mong muốn quá nhỏ. Trong khi nối song song nhiều Load Cell với
nhau, mỗi Load Cell tải với một đầu ra độc lập với các Load Cell khác trong hệ
thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị
trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra với từng Load Cell riêng biệt. Công việc này
đòi hỏi tốn kém về thời gian, đặc biệt với những hệ thống yêu cầu độ chính xác cao

hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô…
Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều Load Cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu
ra trung bình của từng Load Cell. Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có Load
Cell bị lỗi mà không được nhận biết. Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong
việc xác định Load Cell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra,
hay yêu cầu sử dụng các thiết bị đo lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác
cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục.
Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống cân
như:
- Quá trình chỉnh định hệ thống.
- Nhiễu rung và ồn.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 13 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
- Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.
- Quá trình phân tích dò tìm lỗi.
- Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên
quan.
- Đi dây cáp tín hiệu dài.
- Môi trường hoạt động quá kín.
…
Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa
trong quá trình phân tích và thiết kế. Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất
khác nhau, thiết bị đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và
nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà
máy và xí nghiệp. Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực
giá trị thực tế.
Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp,
năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các
số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản. Do các bộ hiển thị sử dụng
với nhiều loại Load Cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính

tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai
lệch do nhiệt độ. Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị
này còn rất kém. Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng
trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống
cân băng liên tục,….
Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo Load Cell đã khám phá
khả năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ
bản, và khái niệm Load Cell số ra đời. Ban đầu, khi khái niệm Load Cell số mới ra
đời, nhiều người hiểu lầm là các Load Cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có
thể được sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên một Load Cell
chất lượng cao. Thực tế thì ngược lại, mỗi Load Cell số đơn giản cũng mang trong
nó một cấu trúc khá phức tạp. Thứ nhất, phải có một load cell cơ bản với độ chính
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 14 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc. Thứ hai,
phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển
đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số. Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực
hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu
số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin.
Tham khảo cấu trúc một load cell số trên hình 2 .5
Hình 2.5 Cấu trúc một loadcell số
Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu
vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một
ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số. Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử
dụng để đo nhiệt độ thực của Load Cell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ. Dữ
liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số
phần cứng bổ sung tích hợp sẵn có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không
tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của
nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý. Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa
qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định. Các module điện tử này có thể

GVHD: Đỗ Đức Tuấn 15 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
được đặt ngay trong Load Cell, Load Cell cable hoặc trong hộp junction box. Các
đặc tính tới hạn của từng Load Cell được đặt trong EEPROM nằm trong module của
Load Cell đó, điều đó cũng có nghĩa là mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay
tại Load Cell, với chính Load Cell đó, cũng có nghĩa là phép bù các sai số được
thực hiện khá triệt để.
Một hệ thống số điển hình bao gồm một số các load cell số nối với máy tính,
PLC hoặc thiết bị đo như bộ hiển thị. Bên trong hệ thống, mỗi Load Cell độc lập có
thể được nhận dạng bằng địa chỉ làm việc của nó. Địa chỉ làm việc đó có thể được
cài đặt do người lập trình thông qua một hoặc nhiều địa chỉ cung cấp bởi nhà máy.
Thông thường địa chỉ “0” được sử dụng như là một địa chỉ làm cho tất cả các Load
Cell trả lời, trong khi các số nối tiếp của load cell có thể được sử dụng để yêu cầu
một địa chỉ xác định.
Các Load Cell số hoạt động trên một chương trình điều khiển kiểu
Master/Slave, ở đó định nghĩa một thiết bị (thường là PC hoặc indicator) là master
trên mạng. Có hai chế độ hoạt động chính: Master giám sát tất cả các quá trình
truyền phát bằng cách giao tiếp với từng slave một cách tuần tự, hoặc master gửi dữ
liệu yêu cầu các slave trả lời theo địa chỉ tuần tự. Chế độ thứ nhất có ưu điểm trong
sự mềm dẻo và nắm bắt lỗi, trong khi chế độ hai hướng đến tốc độ giao tiếp. Hầu
hết các load cell số kết nối theo chuẩn RS485 hoặc RS422. Cả hai kiểu giao thức
đều có các đặc tính tương tự nhau và cung cấp một môi trường multi-drop. Việc
giao tiếp giữa các thiết bị nối trên mạng dựa trên giao thức quy định bởi nhà sản
xuất.
Có lẽ điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hệ thống Load Cell tương tự và số
là mặc dù nối với nhau nhưng mỗi load cell số hoạt động như là một thiết bị độc
lập.
Load Cell số cho phép với trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là 4 mô
hình ứng dụng điển hình.
Khái quát lại, hệ thống cân dùng Load Cell số có một số ưu điểm nổi bật sau:

- Với đầu ra số, hệ thống có được:
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 16 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 2: Giới thiệu về Loadcell
- Tín hiệu ra số “khỏe”, rất ít bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ hoặc thay
đổi nhiệt độ thất thường trên đường dây cable dẫn.
- Khoảng cách dây cáp dẫn có thể kéo dài đến 1200m.
- Dễ dàng thay thế Load Cell.
- Dữ liệu số có thể xử lý trực tiếp bằng máy tính, PLC hoặc trên bộ hiển
thị khi cần.
- Mỗi Load Cell là một thiết bị hoạt động độc lập trong hệ thống, do đó
- Có thể mở rộng cấu trúc dễ dàng.
- Có thể thực hiện tối ưu hóa hệ thống dễ dàng qua phân tích từng thành
phần tích hợp.
- Cân bằng các góc cân có thể thực hiện bằng thiết bị. Thay đổi, sửa lỗi
một Load Cell không ảnh hưởng đến các Load Cell khác. Công việc
thực hiện dễ dàng và đơn giản, tiết kiệm thời gian.
2.2.2 Một số ưu điểm khác :
- Với hệ thống yêu cầu độ chính xác vừa và thấp có thể tự động chỉnh định
mà không cần tải chết.
- Load Cell có thể thay thế mà không cần chỉnh định lại.
- Các thiết bị theo chuẩn RS485/422 đều có thể tham gia vào hệ thống.
- Nhiều hệ thống có thể kết nối và điều khiển bởi một trạm. Chỉ đơn giản là
mở rộng đường dây cable. Tiết kiệm phần cứng. Phần mềm dễ dàng phát
triển.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 17 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN PIC
16F877A
3. Vi điều khiển pic 16F877a
3.Vi điều khiển pic 16F877a

Hình 3.1:Chân vi điều khiển PIC 16F877A

Hình 3.2: PIC16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ 16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
14 bit. Mỗi lệnh được thực thi trong một chu kỳ xung clock. Tốc độ hoạt động tối
đa cho phép là 20MHz với một chu kỳ lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình là
8Kx14bit, bộ nhớ dữ liệu là 368x8byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256x8byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau: Timer 0: bộ đếm 8
bit bộ chia tần 8 bit. Timer 1: bộ đếm 16 bit bộ chia tần số, có thể thực hiện chức
năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ
sleep. Timer 2: bộ đếm 8 bit bộ chia tần số, bộ postcaler. Hai bộ Capture/so
sánh/điều chế độ xung. Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SPP (Synchronouns Serial
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 18 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
Port), SPI và I2C. Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ. Cổng giao tiếp
song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên
ngoài.
Các đặc tính Analog: 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit, hai bộ so sánh.
Bên cạnh đó có vài đặc tính khác của vi điều khiển như: Bộ nhớ flash với khả
năng ghi xóa được 100.000 lần. Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được
1.000.000 lần. Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm. Khả năng tự
nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm. Nạp được chương trình ngay
trên mạch điện ICSP (In Cỉcuit Serial Programming) thông qua 2 chân. Watchdog
Timer với bộ dao động trong. Chức năng bảo mật mã chương trình. Chế độ Sleep,
có thể hoạt động nhiều dạng Oscillator khác nhau.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 19 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
3.1. Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A:
Hình 3.3: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

GVHD: Đỗ Đức Tuấn 20 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
3.2. Tổ chức bộ nhớ:
Hình 3.4: Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình: Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC
16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1word =14 bit) và được
phân thành nhiều trang. Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được
8*1024=8192 lệnh. Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ
đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>). Khi vi điều khiển được reset,
bộ đếm sẽ chỉ địa chỉ 0000h (Resetvector). Khi ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ
chỉ đến địa chỉ 0004h (Interrupvector). Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ
stack và không được địa chỉ hóa bới bộ đếm chương trình.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 21 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
Bộ nhớ dữ liệu: bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia làm
nhiều bank. Đối với PIC 16F877A bộ nhớ dữ liệu chia làm 4 bank. Mỗi bank có
dung lượng 128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFR (Special
Function Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung
GPR (General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại của bank. Các thanh
ghi SFR thương xuyên được sử dụng sẽ được đặt ở tất cả các bank của bộ nhớ dữ
liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm giảm bớt lệnh chương trình.
Hình 3.5: Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu
3.3. Thanh ghi, Port :
Các thanh ghi chức năng đặc biệt:
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 22 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
Thanh ghi STATUS (03h,83h,103h,183h) :thanh ghi chứa kết quả thực hiện
phép toán của khối ALU, trạng thái reset và các bit chọn bank truy xuất trong bộ
nhớ dữ liệu.
Thanh ghi OPTION_REG (81h,181h) :thanh ghi này cho phép đọc, ghi và

điều khiển chức năng pull_up của các chân trong Port B, xác lập các tham số về
xung tác động của ngắt ngoại vi và bộ đếm Timer 0.
Thanh ghi INCON (0Bh,8Bh,10Bh,18Bh) :thanh ghi cho phép đọc, ghi, chứa
các bit điều khiển và các bit cờ hiệu khi timer 0 bị tràn, ngắt ngoại vi RB0/INT và
ngắt interrup_on_change tại các chân của Port B.
Thanh ghi PIE1 (8Ch) :chứa các bit điều khiển chi tiết các ngắt của khối
chức năng ngoại vi.
Thanh ghi PIR1 (0Ch) :chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các
ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE1.
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 23 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
Thanh ghi PIE2 (8Dh) :chứa các bít điều khiển các ngắt của các khối chức
năng CCP2, SSP bus, ngắt của bộ so sánh và ngắt ghi vào bộ nhớ EEPROM.
Thanh ghi PIR2 (0Dh) : chứa cờ ngắt của các khối chức năng ngoại vi, các
ngắt này được cho phép bởi các bit điều khiển chứa trong thanh ghi PIE2.
Thanh ghi PCON (8Eh) :chứa các cờ hiệu cho biết trạng thái các chế độ reset
của vi điều khiển.
Các Port của Pic :
* PORTA :
PortA bao gồm 6 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisA sẽ
quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output). Riêng chân RA4
được tích hợp chức năng là chân cung cấp xung clock cho timer 0. Những chân
khác đa hợp với ngõ vào analog của ADC và chân vào điện thế so sánh của bộ so
sánh Comparator.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PortA :
PortA (05h) :chứa các pin trong PortA.
TrisA (85h) :điều khiển xuất nhập.
Cmcon (9Ch) :thanh ghi điều khiển bộ so sánh.
Cvrcon (9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện áp.
Adcon1 (9Fh) : thanh ghi điều khiển bộ ADC.

* PORTB :
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 24 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân
Chương 3: Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F877A
PortB bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisB sẽ
quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output). Một số chân sử dụng
trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển. PortB liên quan tới ngắt ngoại
vi và bộ timer 0. PortB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều
khiển bởi chương trình.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PortB :
PortB (06h, 106h) :chứa các pin trong PortB.
TrisB (86h, 186h) :điều khiển xuất nhập.
Option_reg (82h, 181h) :điều khiển ngắt ngoại vi và bộ timer 0.
* PORTC :
PortC bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisC sẽ
quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output). PortC chứa các chân
chức năng của bộ so sánh, bộ timer 1, bộ PWM, các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C,
SPI, SSP, USART.
Các thanh ghi SFR liên quan đến PortC :
PortC (07h) :chứa các pin trong PortC.
TrisB (87h) :điều khiển xuất nhập.
* PORTD :
PortD bao gồm 8 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisD sẽ
quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output). PortD còn là cổng
xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port).
Các thanh ghi SFR liên quan đến PortD :
PortD (08h) :chứa các pin trong PortD.
TrisB (88h) :điều khiển xuất nhập.
* PORTE :
PortE bao gồm 3 chân I/O, để là input thì ghi giá trị vào thanh ghi TrisE sẽ
quy định các chân của Port (nếu là 1 thì input, là 0 thì output). PortE chứa các chân

ngõ vào analog, còn có các chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave
Port).
GVHD: Đỗ Đức Tuấn 25 Đặng Ngọc An - Huỳnh Trọng Ân