đồ án CÂN ĐIỆN TỬ LOADCELL 5KG

ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

PH

CÂN ĐIỆN TỬ 5KG

CHUYÊN ĐỀ ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS. N

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2020

MỤC LỤC


2

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
STT
1
2
3
4
5

6
7
8
9
10

3

Tên hình
Hình 1: Arduino Nano
Hình 2: Sơ đồ chân Arduino Nano
Hình 3: Loadcell 5kg
Hình 4: Cấu tạo Loadcell
Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711
Hình 6: LCD 1602
Hình 7: Sơ đồ khối
Hình 8: Sơ đồ nguyên lý
Hình 9: Lưu đồ giải thuật
Hình 10: Hình ảnh thiết bị

3

Trang
6
6
7
7
8
9
9

10
11
12


MỞ ĐẦU
Mục tiêu của đề tài: tạo cơ hội tìm hiểu và thực hành một cách thiết thực những nội
dung lý thuyết trong các môn đã học, áp dụng những nghiên cứu này vào một bài thực
hành cụ thể để hiểu rõ hơn lý thuyết và thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế.
Đối tượng và phạm vi đề tài: Sử dụng mạch arduino, loadcell cùng với các thiết bị
điện khác để làm một cái cân có thể cân được một số vật dụng thông thường có những đặc
điểm sau:
- Cân được vật nặng tối đa 5kg.
- Sử dụng màn hình LCD xanh lá hiển thị cân nặng đơn vị gam.
- Có nút nhấn dùng để lấy lại mức không (reset zero) khi sử dụng thêm đĩa cân hoặc
vật chứa những gì cần cân trọng lượng.
Phương pháp nghiên cứu: Dựa trên những kiến thức đã học kết hợp cùng với sự tìm
tòi, tổng hợp kiến thức từ các nguồn khác để phân tích và chọn lựa những cách thức ứng
dụng phù hợp phục vụ cho thực hiện đề tài.
Ý nghĩa của đề tài: Đề tài là một cây cầu gắn kết giữa lý thuyết học được và với việc
thực hiện, tạo ra các sản phẩm thực tế để tăng kiến thức. Mặt khác, đề tài cũng là tài liệu
tham khảo cho những nghiên cứu có liên quan hoặc áp dụng cho thực tế.
Báo cáo chuyên đề gồm 3 chương:
Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài cân điện tử.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Thiết kế và thi công.
Chương 4: Kinh nghiệm rút ra.

4

4


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI CÂN ĐIỆN TỬ
Đề tài cân điện tử được thực hiện dựa trên một số tiêu chí như sau:
-

Phần cứng:
Tận dụng những linh kiện, chất liệu có sẵn để giảm thiểu chi phí.
Sản phẩm cần gọn, nhẹ, dễ kết nối và sử dụng.
Thiết kế đơn giản và bắt mắt.
Phần mềm:
Dùng những kiến thức về lập trình đã được học và kế thừa những dữ liệu, đoạn
lệnh của những người đi trước, kết hợp và phát triển thành một phần mềm phù hợp

-

cho phần cứng.
Dễ hiểu và dễ nghiên cứu.
Thời gian đáp ứng nhỏ.
Giao diện:
Màn hình LCD đơn giản, dễ quan sát các số liệu.
Có nút reset zero.

Mô hình cân điện tử được tạo ra bởi sự kết nối giữa mạch arduino, mạch cân loadcell,
mạch nút nhấn - hiển thị. Trong đó thì mạch ardruino làm nhân tố trung tâm để liên lạc
giữa các thiết bị khác với nhau. Mạch cân loadcell có chức năng đọc giá trị cân nặng và gửi
cho arduino. Mạch hiển thị- nút nhấn có chức năng hiển thị số bằng tín hiệu từ arduino và
gửi tín hiệu trạng thái nút nhấn cho arduino. Arduino có chức năng xử lý tín các tín hiệu
đến từ nút nhấn và loadcell cùng gửi tín hiệu điều khiển đến mạch hiển thị.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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)
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.

5

5


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. Có hai cách để tạo nên lực cân bằng: phương pháp
cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển.
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 đĩa cân. Các quả cân được hiệu chỉnh chính xác có
kích thước khác nhau được đặt trên đĩa 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 chịu sự
thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn.
Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cân bằng. Theo định luật moment hệ thống sẽ cân
bằng khi: P1.l1 = P2.l2
Suy ra m1gl1 = m2gl2
Với g không đổi thì m1.l1 = m2.l2
Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy

ra khối lượng cần tìm.
Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch 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
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 thị 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
định 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
6

6


lấy ra cũng thay đổi. Điện áp này được đưa về bộ chuyển đổi A/D 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:
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 biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết. Sau đây là
giới thiệu về loại cảm biến này.

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THIẾT KẾ

3.1 Giới thiệu các thiết bị phân cứng sử dụng cho cân điện tử
3.1.1 Máy vi tính
Máy vi tính là một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại và cả trong nghiên
cứu, nhất là trong ngành điện tử có lập trình.

Trong nội dung đề tài này, sử dụng một máy vi tính có cài sẵn một số phần mềm cần thiết :
-

Phần mêm Arduino IDE dùng để rà soát lỗi và biên dịch lệnh cho arduino.
Phần mềm Proteus : dùng để vẽ mạch nguyên lý và mạch in để làm mạch hiển thịnút nhấn.

Internet cũng là một yếu tố quan trọng hỗ trợ cho việc viết chương trình nạp cho arduino
thông qua các thư viện, các đoạn code mẫu và hướng dẫn khác.
Máy vi tính được kết nối với arduino qua cổng usb bằng cáp phụ kiện của arduino.
3.1.2 Mạch Arduino Nano
3.1.2.1 Hình dáng và công dụng của mạch Arduino Nano
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc
với môi trường được thuận lợi hơn.
7

7


Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một
phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên
nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm
biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt
đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng
với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông
thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc
C++.

Hình 1 : Arduino Nano.

Hình 2: Sơ đồ chân Aruino Nano.

8

8


3.1.2.2 Những thông số kỹ thuật và đặc điểm của mạch Arduino Nano
-

IC: ATmega328P-AU.
Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân RAW.
Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.
Dòng GPIO: 40mA.
Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.
Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân A6,A7).
Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).
SRAM: 2KB.
EEPROM: 1KB.
Clock Speed: 16MHz.
Tích hợp led báo nguồn, led chân D13, led TX, RX.
Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.
Kích thước: 18.542 x 43.18 mm.

3.1.3 Loadcell và mạch khuếch đại tín hiệu cân Hx711
3.1.3.1 Loadcell 5kg

Hình 3: Loadcell 5kg.
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1
cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell.

9

9


Hình 4: Cấu tạo Loadcell.
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện
trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc.
Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng
không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.
Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng.
Loadcell có khả năng cân nặng 5kg có những thông số như sau:
-

Điện áp điều khiển: 5-10v
Tín hiệu đầu ra: tín hiệu điện áp
Kích thước: 12,7 x 12.7 x 75mm

Loadcell có 4 dây có màu lần lượt là đen, đỏ, trắng và xanh, trong đó có 2 dây để cấp
nguồn và 2 dây cấp tín hiệu ra. Tùy loại loadcell và nhà sản xuất mà các dây này có chức
năng khác nhau nhưng thường thì cặp dây đỏ - đen là dây cấp nguồn, dây đỏ cấp nguồn
dương và dây đen nối mass, 2 dây còn lại là dây tín hiệu (có thể phát hiện chính xác 2 dây
còn lại dây nào là dây tín hiệu dương và dây nào là dây tín hiệu âm bằng cách mắc thử
mạch và nếu tín hiệu cân ra là âm thì đảo 2 dây này lại thì sẽ không còn hiện tượng này
nữa.
Loadcell thực tế sử dụng có dây đỏ là dây nguồn dương, dây đen là dây trung tính, dây
trắng là dây tín hiệu dương và dây xanh lục là dây tín hiệu âm.
10

10

3.1.3.2 Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711

Hình 5: Mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711.
HX711 là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao
tiếp 2 dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho arduino.
Thông số kỹ thuật:
-

Điện áp hoạt động: 2.7 – 5V.
Dòng điện tiêu thụ: <1.5mA.
Tốc độ lấy mẫu: 10-80 mẫu trên một giây (Samples Per Second).
Độ phân giải mẫu: 24bit ADC.
Độ phân giải điện áp: 40mV.
Kích thước: 38x21x10 mm.

3.1.4 Mạch hiển thị - nút nhấn
Mạch hiển thị và nút nhấn được tạo ra từ các linh kiện điện tử thông thường như LCD xanh
lá, nút nhấn, biến trở và điện trở. Board được thiết kế phù hợp để gắn trực tiếp vào board
arduino và có tạo các cổng phụ để dễ dàng kết nối với nguồn điện hay làm trung gian để
mạch loadcell kết nối với mạch arduino.

11

11


Hình 6 : LCD1602.
3.2 Sơ đồ khối

Hình 7: Sơ đồ khối.
Khối nguồn: Sử dụng nguồn DC 5V.
Khối nhận tín hiệu: Loadcell 10kg.
Khối xử lý: bao gồm mạch khuếch đại tín hiệu cân nặng HX711 và Arduino nano.
Khối hiển thị: LCD1602.
3.3 Lưu đồ giải thuật

12

12


Hình 8: Lưu đồ giải thuật.

3.4 Sơ đồ nguyên lý

13

13


Hình 9: Sơ đồ nguyên lý.
3.5 Nguyên lý hoạt động
Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng
(giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của
điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở
strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra.
Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi
đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân).
HX7111 đọc giá trị cảm biến của loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2

dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho arduino.
Arduino xử lý dữ liệu và hiển thị qua màn hình LCD.
14

14


3.6 Hình ảnh thực tế

Hình 10: Hình ảnh thiết bị.

CHƯƠNG 4: KINH NGHIỆM RÚT RA
4.1 Những kinh nghiệm thu thập được trong quá trình thực hiện đề tài
Trong quá trình thực hiện đề tài, có nhiều khó khăn và những bất cập xảy ra. Chính những
lúc đó mới làm cho em học hỏi thêm được nhiều kinh nghiệm và lối giải quyết vấn đề cũng
như nhận thức được sự yếu kém của chính mình. Vì thế cũng xin được nêu ra những kinh
nghiệm học được trước hết là để lưu giữ lại, sau là để làm tài liệu tham khảo cho những
người muốn tìm hiểu về những vấn đề tương tự.
4.2 Những kinh nghiệm về sử dụng arduino
4.2.1 Cảm nhận được khả năng ứng dụng rất lớn từ việc áp dụng arduino
Arduino là một môi trường mới có khả năng phát triển rất mạnh nhờ sự đơn giản trong
cách lập trình của nó. Những thư viện có sẵn và những đoạn code mẫu giúp cho những
15

15


người thực hiện đề tài cảm thấy họ không thực hiện đề tài một mình, mà luôn được hỗ trợ
bởi một cộng đồng đông đảo. Lập trình trên arduino chủ yếu sử dụng ngôn ngữ C++ vì thế
rất dễ hiểu và sử dụng biến đổi code mẫu làm việc theo ý của mình.

4.2.2 Có thể mở rộng số chân của arduino bằng những con chíp rẻ tiền
Các bạn hoàn toàn có thể mở rộng số chân của arduino chỉ bằng 2 chân sẵn có của nó bằng
một hay nhiều con chíp ghi dịch 74595. Việc lập trình để điều khiển những chân mở rộng
này không khó khăn. Bạn chỉ cần tạo ra một mảng chứa các biến logic ứng với các chân đã
mở rộng, viết một chương trình con để xuất nội dung các chân ra và bạn có thể sử dụng
được các chân đó bằng cách điều chỉnh trạng thái chân đó bằng cách thay đổi bit tương ứng
của chân đó và gọi hàm xuất.
4.2.3 Arduino có các thư viện chuyên dụng cho mỗi chức năng cá biệt
Khi cần làm việc gì đó hơi cá biệt thì các bạn nên tìm hiểu các thư viện của arduino xem có
ai đã phát triển thư viện cho việc đó chưa. Nếu có rồi thì công việc của bạn đơn giản chỉ là
thêm thư viện đó vào Arduino IDE và tìm hiểu các hàm của thư viện đó và sử dụng.
4.3 Kinh nghiệm về truyền dữ liệu
Hiểu hơn về việc truyền thông tin thông qua cổng com và việc mã hóa cũng như tách đoạn
code để lấy thông tin từ chuỗi nhận được.
4.3.1 Nối tắt chân TX và RX
Có kinh nghiệm trong việc thiết lập trình truyền nhận bằng cách nối chân truyền và chân
nhận để biết được tình trạng làm việc của cổng. Sau đó mới phát triển liên kết với đối
tượng khác.
4.3.2 Mạch USB to COM miễn phí
Có thể dùng mạch arduino làm một mạch biến đổi cổng USB thành cổng COM với giá 0
đồng bằng cách gỡ chíp vi điều khiển của arduino ra và sử dụng chân 0 và 1 của mạch làm
chân truyền và nhận nối tiếp.
16

16


KẾT LUẬN
Trên đây là tất cả phần thiết kế của đề tài. Kết quả tính toán, thiết kế là sự tổng

hợp toàn bộ kiến thức mà em đã học được trong quá trình học tập, quá trình tìm
hiểu, khảo sát thực tế. Trong quá trình tính toán thiết kế, em hoàn toàn tuân thủ
theo các bước quy định của công việc thiết kế, tích cực tìm tòi, sưu tầm
tài liệu đồng thời kết hợp với tham khảo ý kiến của nhiều người.
Ưu điểm:
-

Giải quyết được yêu cầu đã đặt ra.
Phần cứng hoạt động tốt và độ chính xác khá cao.
Có chức năng đếm số lượng sản phẩm cùng trọng lượng.
Giao diện hiển thị đơn giản, dễ sử dụng.

Khuyết điểm:
-

Tốc độ xử lý ở mức khá.
Mô hình chưa được gọn gàng, khá sơ sài ở các nút nhấn.
Đôi khi còn xảy ra sai số.

Kết luận: Với những gì đã tìm hiểu và thực hiện được, em cảm thấy rất phấn
chấn vì đề tài này là lần đầu tiên mở đường cho những nghiên cứu áp dụng thực
tiễn trong ngành điện - điện tử. Xin chân thành cảm ơn sự đồng hành và hỗ trợ
rất tâm huyết của thầy Nguyễn Hữu Phúc. Tuy nhiên, bài báo cáo còn sơ sài và
chắc chắn còn nhiều thiếu xót, mong thầy đọc góp ý chỉnh sửa để bài báo cáo
này thiết thực hơn. Cuối cùng, xin cảm ơn thầy đã đọc bài báo cáo này.

17

17

TÀI LIỆU THAM KHẢO
/> />
18

18