Thiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn hiển thị trên LCD

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong
trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông Thái Nguyên nói chung và
các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ tự động hóa nói riêng đã tận tình giảng
dạy truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời
gian qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Lê Văn Chung đã chỉ bảo
tận tình giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này. Thầy trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn
em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy,
em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh
thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những
điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này.
Và nhân đây em cũng xin cảm ơn những anh chị, những người bạn đã
động viên, giúp đỡ em trong thời gian vừa qua.
Thái Nguyên, ngày … tháng … năm201
Sinh viên

Hoàng Trọng Nghĩa


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của đồ án tốt nghiệp này là do em tự
tìm hiểu nghiên cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn. Nội dung đồ
án tốt nghiệp này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình
nghiên cứu nào.
Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm trước nhà trường.

Thái Nguyên, ngày…..tháng…...năm 201
Sinh viên
Hoàng Trọng Nghĩa

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................... 2
MỤC LỤC.................................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................................. 5
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................................. 7
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI......................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề....................................................................................................................................... 1
2. Giới thiệu đề tài.............................................................................................................................. 1
3. Mục đích nghiên cứu của đề tài:...................................................................................................... 2

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ..............................................3

1.1. Hệ thống cân sử dụng loadcell và ứng dụng...............................................3
1.2. Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng
........................................................................................................................... 5
1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng......................................................................................................... 5
1.2.2. Các phương pháp đo khối lượng............................................................................................ 5

1.3. Giới thiệu chung về loadcell.......................................................................9
1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.............................................................................................. 9

1.4. Ví dụ về hệ thống ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe.......................16
1.4.1. Sơ đồ khối hệ thống............................................................................................................. 16
1.4.2. Cầu cân................................................................................................................................ 17
1.4.3. Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây..................................................................................... 17
1.4.4. Thiết bị chỉ thị khối lượng.................................................................................................... 18
1.4.5. Quản lý trạm cân dùng máy tính.......................................................................................... 19

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ LINH KIỆN DÙNG TRONG MẠCH............................................20

2.1. Vi điều khiển Atmega16...........................................................................20
2.1.1. Tính năng của Atmega16...................................................................................................... 20
2.1.2. Cấu hình chân của Atmega16............................................................................................... 21
2.1.3. Kiến trúc của Atmega16....................................................................................................... 22
2.1.4. Vào ra của vi điều khiển....................................................................................................... 23
2.1.5. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ với AVR (UART)..........................................................27
2.1.6. Bộ ADC trên Atmega16........................................................................................................ 32

2.2. LCD..........................................................................................................39


2.3 Mạch khuếch đại........................................................................................41
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH................................................................45
3.1. Sơ đồ khối và chức năng các khối của cân điện tử.......................................................................45
3.2 Sơ đồ nguyên lý........................................................................................................................... 49
3.3 Một số hình ảnh mô phỏng.......................................................................................................... 50
3.4. Lưu đồ thuật toán....................................................................................................................... 51
3.5 Chương trình............................................................................................................................... 51

PHỤ LỤC................................................................................................................................ 52
KẾT LUẬN.............................................................................................................................. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 60


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell.........................3
Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản......................................................................8

Hình1.3 Cách ghép các phần tử áp điện................................................................8
Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên...................................................................9
Hình 1.4a. LoadCell khi không có Hình 1.4b. LoadCell khi có..........................10
lực tác động lực tác động....................................................................................10
Hình 1.4c . Sơ đồ điện cho cảm biến Load Cell..................................................11
Hình 1.5. Sơ đồ tính điện áp ra............................................................................12
Hình 1.6. Sơ đồ tương đương..............................................................................12
Hình 1.7. Sơ đồ tính tổng trở...............................................................................13
Hình 1.8. Đầu dây ra của Loadcell.....................................................................15
Hình 1.9. Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế...........................16
Hình1.10. Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe...................................................16
Hình1.11. Bàn cân trạm cân xe............................................................................17
Hình 1.12. Cách bố trí Loadcell..........................................................................17
Hình 1.13. Một số loại Loadcell có tải trọng lớn.................................................18
Hình 1.14. Một số thiết bị chỉ thị khối lượng trong thực tế.................................19
Hình 2.1 Cấu hình chân Atmega16......................................................................21
Hình 2.2 Kiến trúc của Atmega16.......................................................................22
Hình 2.3 Tổ chức bộ nhớ của Atmega16.............................................................23
Hình 2.4 Thanh ghi DDRA.................................................................................24
Hình 2.5 Thanh ghi PORTA................................................................................25
Hình 2.6 Thanh ghi PINA...................................................................................25
Hình 2.7. Sơ đồ một cổng vào ra.........................................................................26
Hình 2.8. Thanh ghi SFIOR................................................................................27
Hình 2.9. Thanh ghi UDR...................................................................................28
Hình 2.10. Thanh ghi UCSRA............................................................................28
Hình 2.11. Thanh ghi UCSRB.............................................................................28
Hình 2.12. Thanh ghi UCSRC.............................................................................30


Hình 2.13. Thanh ghi UBRRL và UBRRH.........................................................31

Hình 2.14. Cách nối khi sử dụng bộ ADC...........................................................33
Hình 2.15. Thanh ghi ADMUX...........................................................................34
Hình 2.16. Thanh ghi ADCSRA..........................................................................36
Hình 2.17. Thanh ghi ADCH và ADCL..............................................................37
Hình 2.18. Thanh ghi ADCH và ADCL..............................................................37
Hình 2.19. Thanh ghi SFIOR..............................................................................38
Hình 2.20 Sơ đồ chân của LCD:..........................................................................40
Hình 2.21. Sơ đồ chân của INA125.....................................................................42
Hình 2.22. Kết nối với INA125...........................................................................43
Hình 3.1. Sơ đồ khối của cân điện tử..................................................................45
Hình 3.6 Hình dạng của LCD..............................................................................48
Hình 3.7. Hình ảnh loadcell sử dụng trong đề tài................................................48
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý....................................................................................49


DANH MỤC BẢNG
Bảng1.1.Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện................................................................................7
Bảng 1.2 Các mầu thông dụng đầu ra của Loadcell..................................................................................15
Bảng 2.1. Cấu hình cho các chân cổng..................................................................................................... 26
Bảng 2.2. Bảng chọn kiểm tra parity........................................................................................................ 30
Bảng 2.3. Bảng độ dài dữ liệu truyền...................................................................................................... 31
Bảng 2.4. Bảng tính tốc độ baud............................................................................................................. 32
Bảng 2.5. Bảng chọn điện áp tham chiếu................................................................................................ 34
Bảng 2.6. Bảng Chọn chế độ chuyển đổi................................................................................................. 35
Bảng 2.7. Bảng hệ số chia xung nhịp cho ADC.........................................................................................36
Bảng 2.8. Bảng nguồn kích ADC trong chế độ Auto Trigger......................................................................39
Bảng 2.9 Bảng mô tả chân của LCD......................................................................................................... 41
Bảng 3.1. Thông số của loadcell.............................................................................................................. 49

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1. Đặt vấn đề
Ngày nay với sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, kỹ thuật số các hệ
thống điều khiển dần dần được tự động hóa. Với những kỹ thuật tiên tiến của vi xử
lí, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển
cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính xác được thay thế bằng các hệ
thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước.
Cân xe cũng như việc cân những khối lượng lớn là một nhu cầu cần thiết
cho các nhà máy sản xuất muốn biết khối lượng hàng hoá, sản phẩm hay nguyên
vật liệu, và cả cho những lĩnh vực khác như bến cảng, trạm cân xe phát hiện quá
tải của cảnh sát giao thông... Tuy đã được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam nhưng
hầu hết các hệ thống cân xe đều lắp ráp từ các thiết bị có sẵn từ nước ngoài như
loadcell, bộ hiển thị (đầu cân)... Phần được chế tạo ở đây có thể là nền cầu cân,
hộp nối loadcell ( Junction Box) và viết chương trình quản lý trạm cân...
Vì các lí do trên và trên cơ sở lý thuyết đã học của môn đo lường và vi điều
khiển, đồng thời được sự giúp đỡ của khoa Công nghệ tự động hóa-Trường Đại
học Công nghệ thông tin và truyền thông, khi nhận đề tài làm đồ án tốt nghiệp em
đã tiến hành thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch cho hệ thống cân điện tử 20 tấn
hiển thị trên LCD”. Cụ thể em sẽ thiết kế một cân điện tử có thể cân được tối đa
20000 Kg
2. Giới thiệu đề tài
- Tóm tắt nội dung đề tài:
-Nghiên cứu về hệ thống cân điện tử.
-Nghiên cứu cấu trúc và tập lệch của AVR.
-Ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống cân điện tử
- Kết quả dự kiến:
-Xây dựng được sơ đồ nguyên lý chi tiết.
-Xây dựng được lưa đồ thuật toán và viết chương trình phần mềm.
-Mô phỏng được chương trình trên máy tính

1


-Mạch cho hệ thống cân điện tử.
3. Mục đích nghiên cứu của đề tài:
- Mục đích trước hết khi thực hiện đề tài này là để hoàn tất chương trình
môn học để đủ điều kiện ra trường .
- Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện đề tài là em muốn phát huy những thành
quả ứng dụng của tự động hóa nhằm tạo ra những sản phẩm, những thiết bị tiên
tiến hơn, và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn.
- Mặt khác đồ án này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho những sinh
viên khóa sau, giúp họ hiểu rõ hơn về những ứng dụng của vi điều khiển .
- Ngoài ra quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài là một cơ hội để em tự
kiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường, đồng thời phát huy tính sáng
tạo, khả năng giải quyết một vấn đề theo yêu cầu đặt ra. Và đây cũng là dịp để
em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sản
xuất của xã hội.

2


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐIỆN TỬ
1.1. Hệ thống cân sử dụng loadcell và ứng dụng
Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell như sau :

Bộ nhớ

Loadcell

Khuếch đại

A/D

Xử lý
Hiển thị

Nguồn
cung
cấp

Nút nhấn

In ấn

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một hệ thống cân điện tử dùng loadcell
Tùy theo yêu cầu và mục đích ứng dụng, khối xử lý được dùng là vi xử lý
hay máy tính … Nếu bộ xử lý sử dụng vi xử lý thì có thể có thêm khối truyền dữ
liệu về máy tính, có thể có khối in ấn hoặc không tùy mục đích sử dụng.
Dưới tác dụng của khối lượng đặt bên trên, loadcell sẽ chuyển thành tín
hiệu điện ở ngõ ra. Tín hiệu điện rất nhỏ này được khuếch đại lên nhiều lần trước
khi đưa vào bộ chuyển đổi A/D để chuyển thành tín hiệu số và được đưa về bộ
xử lý để xử lý theo chương trình có sẵn và hiển thị hoặc có thêm việc in ấn. Bộ
xử lý cần thiết phải có thêm bộ nhớ để lưu trữ số liệu, ví dụ trong việc chỉnh 0 và
trừ bì của cân …
Do tính linh hoạt của bộ xử lý, 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 lĩnh vực có liên quan đến việc đo khối lượng . Ngoài ứng dụng trong việc
cân xe, có thể kể ra các ví dụ khác mà dùng hệ thống cân điện tử sử dụng loadcell
như sau:

3


- Trong hệ thống bán hàng có sử dụng cân điện tử loại này, việc tính tiền có
thể được tự động hoàn toàn. Hàng ở đây là những loại có thể cân được, có thể là
rau quả, thủy sản … Người sử dụng nhập vào bàn phím giá cả của một đơn vị
cân và giá cả này có thể hiển thị ra màn hình hoặc Led 7 đoạn. Khi người dùng
nhấn nút tính tiền trên bàn phím, bộ xử lý sẽ nhân giá trị cân được với giá của
một đơn vị cân này và hiển thị ra giá cả đã được tính toán cho số hàng ấy. Sau
khi để giá này hiển thị một khoảng thời gian vừa đủ cho người dùng đọc nó, hệ
thống cân có thể sẽ hiển thị lại giá trị cân được. Giá tiền này có thể được lưu lại
và nếu được nối đến máy tính của quầy thu tiền, khách hàng có thể nhận được
bảng báo cáo bao gồm trọng lượng cân được, giá cả của một đơn vị cân và tổng
số tiền phải trả cho số hàng đó
- Cân cũng là một trong những biện pháp để phát hiện ra sản phẩm trong
hệ thống đếm tự động. Khi phát hiện có khối lượng quy định thì mới đếm. Điều
này sẽ tránh được việc đếm sai nếu cùng một lúc có hai sản phẩm hoặc vật thể
khác không phải là sản phẩm che cảm biến quang .
- Một ứng dụng khác của hệ thống cân này có thể kể ra là dùng trong bưu
điện. Sau khi cân kiện hàng và xác định nơi cần gửi. Ngõ ra của hệ thống cân này
thường được nối đến hệ thống in bưu phí lên nhãn dán vào kiện hàng gửi đi.
- Ngoài ra ứng dụng phổ biến của cân điện tử đã được sử dụng nhiều trong
các nhà máy ở nước ta là ứng dụng 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 trị
quy định 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 bị bên ngoài. Phần này thì khác nhau đối
với các ứng dụng cụ thể khác nhau.

4


1.2. Sơ lược các phương pháp và cảm biến được dùng trong việc đo khối lượng
1.2.1 Nguyên lý đo khối lượng
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định
bằng định luật II Newton, mà 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

(1.1)

Trong đó:- F: Lực tác dụng (N).
- m: Khối lượng của vật(Kg)
-a: Gia tốc của vật (m/s 2 )
Trọng lực là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút
trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lực P = m.g với g là gia tốc
trọng trường là một số cố định ở từng khu vực. Các phương pháp đo khối lượng
là dựa vào quan hệ này.
Công thức (1) không có nghĩa là không có lực trên vật thể nếu không có gia
tốc mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực. Hai lực cân bằng và đối
nhau tác động lên một vật thể sẽ cân bằng, không tạo nên gia tốc.
1.2.2. Các phương pháp đo khối lượng.
a. Cảm biến điện trở lực căng.
Sức căng ε được xác định bằng sự thay đổi chiều dài ∆L của thanh đàn hồi
L so với một đơn vị chiều dài :
ε = ∆L / L.

(1.2)

Do tác động của lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tương ứng cũng
làm thay đổi giá trị điện trở điện của thanh. Cảm biến sức căng hoạt động dựa
trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị ε nhỏ thành sự thay đổi tương ứng
giá trị điện trở điện của thanh.
Có hai loại cảm biến sức căng :
- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần đo sức căng.
Khi lực tác động làm căng hoặc cong cần đàn hồi , cũng trực tiếp làm căng cảm
biến.

5


- Loại gián tiếp được liên kết cơ học với yếu tố đàn hồi, thường sử dụng để
đo những độ lệch tổng cộng của yếu tố đàn hồi.
Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỷ số của sự biến đổi đơn vị
của điện trở so với sức căng :
G = (∆R / R) / (∆L / L)
trong đó :

(1.3)

∆R = sự thay đổi của điện trở (Ω).

R = điện trở của cảm biến sức căng (Ω).
∆L = sự thay đổi chiều dài (m)
L = Chiều dài của cảm biến (m)
Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S = f/A (N/m 2).
ở thanh đàn hồi, tỷ số của ứng suất S trên sức căng ε là hằng số và được gọi là
modun đàn hồi:

E = S / ε = constant.

(1.4)

Đối với thanh đàn hồi có chiều dày là h và chiều rộng là b, có cảm biến sức
căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất được
xác định theo biểu thức :
S = 6f.L / b.h2 .

(1.5)

Từ các biểu thức trên, suy ra :
∆R/R = (6G.L / b.h2 E).f

(1.6)

Từ biểu thức rõ ràng có mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động và sự thay
đổi giá trị điện trở đơn vị của cảm biến. Bằng phép đo ∆R ta có thể xác định độ
lớn lực tác dụng. Đó chính là nguyên tắc hoạt động của cảm biến sức căng.
Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do trọng lượng của
vật trong các bài toán cân.
b. Cảm biến áp điện
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.
Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện
được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật
liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn
định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu
6

điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký
sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể.
Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 1.1
Bảng1.1.Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên
hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ
với lực tác dụng.
Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện.
Trên hình 1.2 biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện.

7


Hình1.2 Các dạng biến dạng cơ bản.
a.Theo chiều dọc, b.Theo chiều ngang, c.Cắt theo bề dày, d.Cắt theo bề mặt
Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép
nối tiếp hoặc song song.

Hình1.3 Cách ghép các phần tử áp điện
a.Hai phần tử song song, b.Hai phần tử nối tiếp, c.Nhiều phần tử song song.
 Hiệu ứng từ giảo
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình
học hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ
giảo. Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay
đổi đường cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm
hoặc từ dư có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng từ đó có thể xác định
được khối lượng của vật gây ra lực tác dụng . Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.
 Cảm biến dựa trên hiện tượng từ giảo
- Cảm biến từ thẩm biến thiên

Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ
tạo thành một mạch từ kín (hình 1.4). Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng
kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm µ, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự
cảm của cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc µ tỉ lệ với
ứng lực σ , tức là với lực cần đo F:

8


Hình 1.4 Cảm biến từ thẩm biến thiên
- Cảm biến từ dư biến thiên
Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh
khiết cao, có từ dư B r. Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dù <
0), Br tăng
lên:

Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất
điện động tỉ lệ với dB/dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây.

1.3. Giới thiệu chung về loadcell.
1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Trong cảm biến cân (Load Cell) thường sử dụng cảm biến sức căng mắc
theo sơ đồ cầu. Trong đó sử dụng hai cảm biến sức căng R1 và R3 gắn ở mặt trên
. Hai cảm biến sức căng khác R2, R4 gắn ở mặt dưới (hình 1.5b). Sơ đồ nối điện
cho trên hình 1.5c, trong đó các cảm biến sức căng được mắc theo sơ đồ cầu
Wheatstone.

R1

R1

R3

R3

R2

R2

R4

R4
T R U ÏC
T R U Y E ÀN
L Ö ÏC

T R U ÏC
T R U Y E ÀN
L Ö ÏC

M A ËT C H ÒU L Ö ÏC

9


Hình 1.4a. LoadCell khi không có

Hình 1.4b. LoadCell khi có

lực tác động

lực tác động

10


R1
+V

R2
LOAD CE LL

-V

A M P L IF IE R

OUT

R3

R4

Hình 1.4c . Sơ đồ điện cho cảm biến Load Cell
Khi không có lực tác động vào cảm biến (hình 1.5a), các cảm biến sức căng
R1-4 ở trạng thái với sức căng cân bằng và điện thế ra bằng 0. Khi có lực tác
động, làm uốn cong thanh đàn hồi, dẫn đến việc tăng sức căng các cảm biến R 1R3 và giảm sức căng các cảm biến R2-R4. Kết quả, điện trở R1-R3 tăng và R2-R4
giảm, dẫn đến lệch cầu và ở lối ra xuất hiện điện thế tỷ lệ với lực tác động. Điện
thế này sẽ được khuếch đại tới giá trị cần thiết.

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 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 :
I
R1

R-∆R
V+∆v

+
-

R+∆R

Va
R+∆
R

Vb

R-∆R
RL
R2

11

Hình 1.5. Sơ đồ tính điện áp ra
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:
R o

+
-

Vo

R L

VL

Hình 1.6. Sơ đồ tương đương
Va = I .R2 + ( R + ∆R ).

Theo hình (a) ta có :

I
2

(1.12)

V B = I .R2 + ( R − ∆R ).

I
2

(1.13)

V0 = Va – Vb = ∆R. I

(1.14)

∆R
.V
R1 + R + R2

(1.15)

Hay:

V0 =

Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở
này.
Để tính tổng trở ra của loadcell ta ngắn mạch nguồn áp cung cấp V, khi đó
mạch trở thành:

Io-I1

Io
I1
R-∆R

R+∆R
I2

-

Io-I1+I2
R-∆R

+

I1-I2
R+∆R

12

Vo


Hình 1.7. Sơ đồ tính tổng trở

13


Áp dụng định luật kierhoff cho ba vòng kín như hình vẽ,ta có:
( R-∆R).I1 + (R +∆R).( I1 – I2) = V0

(1.16)

(R - ∆R).I1 + (R1+R2) I2 –(R + ∆R).(I0 –I1)=0

(1.17)

(R+ ∆R).(I0 – I1) + (R - ∆R).(I0 – I1 + I2) =V0

(1.18)

(1.17) + (1.18) ⇒ (R1 + R2 + R -∆R).I2 + (R-∆R).I0 =

(1.19)

(1.16)+ (1.18) ⇒ (R - ∆R).I2 – (R +∆R).I2 +2.R.I0 =2.V0

(1.20)

⇔ - ∆R.I2 + R.I0 =V0

(1.21)

⇔ I2 =

R.I 0 − V0
∆R

(1.22)

Thay vào (1.19) ta suy ra
( R1 + R2 + R).

R.I 0 − V0
+ ( R − ∆R ) I 0 = V0
∆R

⇔ ( R1+ R2+ R - ∆R).(R.I0 –V0) + ∆R.( R - ∆R).I0 = ∆R.V0
⇔ I0 .[( R1 +R2 + R + R -∆R).R + ∆R.( R - ∆R) ]= V0 ( ∆R +R1 + R2 +R
-∆R)
⇔ I0. [ (R1 +R2 +R ).R - ∆R2 ] = V0. [R1+R2+R]
R0 =

V0 ( R1 + R2 + R ).R − ∆R 2
∆R 2
=
= R−
I0
R 1 + R2 + R
R1 + R2 + R

(1.23)

Đây chính là tổng trở ra của loadcell.
Như vậy điện áp rơi trên tải RL là:
∆R.V .R L
V .R
R1 + R2 + R
VL = 0 L =
R0 + R L
∆R 2
RL +
R1 + R2 + R

(1.24)

Từ biểu thức trên ta có thể nhận thấy là điện áp ra V L không thay đổi tuyến

tính theo sự thay đổi của điện trở cảm biến . Hệ thống làm tuyến tính hoá sự thay
đổi này thì do nhà sản xuất thiết kế.
b. 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 –
14


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. Có thể kể ra như sau:
R1

R2

Exc+
Sig+

R3

R4

ExcSig-

Hình 1.8. Đầu dây ra của Loadcell
Bảng 1.2 Các mầu thông dụng đầu ra của Loadcell
Đầu ra
Exc+
Exc+

Đỏ
Đen

Vàng
Nâu

Exc+
Sig-

Xanh
Trắng

Xanh
Trắng

Mầu
Xanh
Đen
Đen
Đỏ

Đỏ
Trắng
Xanh lá cây
Xanh dương

Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng
loại loadcell .
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 định , điện áp ra danh

định ( giá trị này có thể là từ 2 miliVolt / Volt đến 3 miliVolt/Volt hoặc hơn tuỳ
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 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).
Tuỳ 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.

15


Hình 1.9. Hình dạng của một số loại Loadcell có trong thực tế.

1.4. Ví dụ về hệ thống ứng dụng cân điện tử: Hệ thống cân xe
1.4.1. Sơ đồ khối hệ thống
Mặc dù hệ thống này đã được sử dụng khá phổ biến trong các trạm cân xe,
nhưng việc lấy và xử lý số liệu từ Loadcell do một bộ phận thực hiện thường gọi
là đầu cân, mà bộ phận này hầu hết là được mua từ nước ngoài. Và như vậy sơ đồ
khối của một hệ thống cân xe gồm những thành phần như sau :
Xe tải

Hộp
nối

Đầu
cân

Máy

tính

Máy in

Nguồn

Hình1.10. Sơ đồ khối của một hệ thống cân xe
Tùy theo yêu cầu của từng trạm cân mà có thêm bộ hiển thị từ xa hay
không. Sau đây là mô tả chi tiết các khối trong hệ thống trên.
16


1.4.2. Cầu cân
Cầu cân bao gồm một bộ phận thường làm bằng sắt hay những loại chịu lực
tốt, còn gọi là bàn cân. Bên dưới bàn cân này được bố trí thường là 4 Loadcell.
Số lượng Loadcell bố trí này tuỳ thuộc vào tải trọng xe, chiều dài xe, có thể là 6 ,
8 Loadcell ... . Khi xe tải chạy lên bàn cân, dưới tác dụng của trọng lực xe, mỗi
Loadcell bị nén và sinh ra một điện áp sai lệch, điện áp này được dẫn về hộp nối
để cộng các tín hiệu từ các Loadcell này lại trước khi đưa về đầu cân xử lý. Tùy
theo yêu cầu và vị trí cụ thể mà có các dạng cầu cân khác nhau.
Phần lớn các trạm cân xe ở nước ta bàn cân được bố trí theo dạng sau :

Hình1.11. Bàn cân trạm cân xe
1.4.3. Cách bố trí Loadcell và trạm nối dây
Trong hệ thống cân xe, số lượng Loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọng
chịu đựng, chiều dài xe. Loadcell có thể được lắp như hình sau :

Hình 1.12. Cách bố trí Loadcell

17

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.
Sau đây là hình dạng một số loại Loadcell có tải trọng lớn thường được sử
dụng trong các trạm cân xe :

Hình 1.13. Một số loại Loadcell có tải trọng lớn
Ngoài bộ phận chính là những tấm điện trở dán, một số loại Loadcell còn có
thêm thiết bị bảo vệ quá tải có thể là các lò xo như những hình ở trên.
1.4.4. Thiết bị chỉ thị khối lượng
Cũng như Loadcell, thiết bị chỉ thị khối lượng (đầu cân) có nhiều loại, do
nhiều hãng sản xuất khác nhau. Tùy mỗi loại và yêu cầu cho từng công việc mà
đầu cân có nhiều chức năng khác nhau. Tuy nhiên các chức năng cơ bản của một
đầu cân là lấy tín hiệu điện áp từ Loadcell, biến đổi A/D, xử lý và hiển thị khối
lượng cân được ra đèn led 7 đoạn hoặc màn hình tinh thể lỏng, có thể truyền dữ
liệu về máy tính hoặc ra máy in.

18