Khảo sát và thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng

THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Lý Anh Tú

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,

Ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

1

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

ĐHBK TPHCM-2009

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2009

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN QUANG TRƯỞNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20-03-1979

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
MSHV: 01206275
1- TÊN ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ MỘT SỐ HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
1. Khảo sát tổng quan về cảm biến trong đo lường, cơ sở lý thuyết về đo lường khối
lượng, các hệ cân điện tử.
2. Phân tích và đề xuất các linh kiện sử dụng, thiết kế phần cứng, các chương trình
điều khiển cũng như xây dựng phần mềm giao tiếp với máy tính.
3. Đo và phân tích các kết quả đạt được trên hệ cân bằng cảm biến khối lượng đã thiết
kế.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20-12-2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Lý Anh Tú
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

2

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã truyền đạt kiến thức chuyên ngành, làm

nền tảng cho tơi hồn thành đề tài trong suốt thời gian tôi theo học Cao học tại Đại
học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Tơi cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang
Linh đã tạo tiền đề cho tôi thực hiện luận văn này. Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến
Thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi gửi những lời cảm ơn và những lời chúc tốt đẹp nhất đến tập thể các anh chị,
các bạn học viên cao học đã từng học chung với tôi trong những năm qua.
Tơi gửi lời tri ân đến gia đình, là những người luôn cận kề, động viên và tạo những
điều kiện thuận lợi nhất để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009

Nguyễn Quang Trưởng

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

3

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Từ giữa sau thế kỷ XX, sự phát triển của công nghệ cảm biến cùng với các bộ vi xử
lý đã mang lại nhiều ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau của nhân loại.
Cảm biến trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng của khoa học, công
nghiệp và tiêu dùng. Các hệ thống số tuy phức tạp và thông minh, nhưng chúng chỉ có

thể nhận thơng tin từ thế giới bên ngoài nhờ các cảm biến. Các cảm biến là thiết bị giao
tiếp giữa các tín hiệu vật lý khác nhau và các mạch điện tử. Nói một cách khác, các bộ
cảm biến là mắt, tai và mũi của các bộ xử lý, robot công nghiệp, người máy, thiết bị
máy móc…. Trong đo lường, các cảm biến biến đổi các tín hiệu vật lý cần đo như nhiệt
độ, áp suất, lực,… thành tín hiệu điện để xử lý và tính toán bởi mạch điện tử. Với sự ra
đời của cảm biến khối lượng (load cells) kết hợp với mạch điện tử đã làm thay đổi lớn
trong việc xác định khối lượng so với các phương pháp cơ học trước kia. Nhờ tính linh
hoạt của vi mạch điện tử: bộ vi xử lý, ngày nay việc xác định khối lượng của một vật
không chỉ đơn giản là xác định khối lượng như các phương pháp cơ học mà nó cịn có
thể giao tiếp với máy tính, điều khiển các thiết bị khác,… Tuy nhiên, ở nước ta chưa tự
thiết kế và sản xuất được một sản phẩm thương mại nào. Đứng trước nhu cầu đó, việc
khảo sát và thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng là một việc làm rất cần
thiết. Khảo sát và thiết kế này là bước khởi đầu để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và
hoàn thiện để cho ra đời các sản phẩm thương mại sản xuất tại Việt Nam.

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

4

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

ABSTRACT
From latter haft of the 20th century, the growing of sensor technology along with
microprocessors has brought in many applications in verious fields of humankind.
Sensors have become an essential part of scientific, industrial and consumer

applications. Digital systems, however complex and intelligent they might be, must
receive information from the outside world by sensors. Sensors are interface devices
between various physical signals and electronic circuits. In other words, sensors are the
eyes, ears and noses of microprocessors, industry robot, high technology equipments…
In measurement, sensor transforms physical variable of interest (the measurand) such
as temperature, pressure, force… into electric signals for processing and computting.
With the invention of strain gage load cells and electronic circuit made the great
change of weight determined compare with mechanical balance method before. By the
flexibility of micro-chip: microprocessor, today the weight measurement of an object
is not only simple measure like mechanical methods but also connected with computer,
control other devices,… However, in our country we haven’t designed and
manufactured any weighing scale yet. Grasping the importance of that, we have studied
and designed some weighing scales which are necessary to do. This studying and
designing is the first base to the further research, develope and complete for trading
products which made in Vietnam.

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

5

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

MỤC LỤC
Trang

Đề mục
Trang bìa

Thơng tin luận văn.................................................................................................1
Nhiệm vụ luận văn.................................................................................................2
Lời cảm ơn..............................................................................................................3
Tóm tắt ...................................................................................................................4
Mục lục ...................................................................................................................6
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................9
CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ..............................12
PHẦN 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG ............................................13
1. Cảm biến, tín hiệu và hệ thống .....................................................................13
2. Phân loại cảm biến ........................................................................................15
3. Đơn vị đo ......................................................................................................17
4. Các đặc tính của cảm biến ............................................................................19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG KHỐI LƯỢNG .........33
1. Đo lường chính xác.......................................................................................33
2. Khối lượng và trọng trượng ..........................................................................36
3. Sự thay đổi trong gia tốc trọng trường..........................................................37
4. Các tiêu chuẩn trong đo lường khối lượng ...................................................37
5. Cảm biến khối lượng strain gage ..................................................................38
6. Các dụng cụ, thiết bị đo khối lượng..............................................................48
CHƯƠNG 3: CÁC HỆ CÂN ĐIỆN TỬ ............................................................51
1. Hệ cân phân tích............................................................................................51
2. Hệ cân cơng nghiệp.......................................................................................52
3. Hệ cân định lượng và đóng gói sản phẩm.....................................................54
4. Các thơng số kỹ thuật của cân điện tử ..........................................................55

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

6

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC HÀNH
CHƯƠNG 1. CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ .................57
1. Họ vi điều khiển MCS-5 ...............................................................................57
2. Bộ chuyển đổi tương tự - số CS5513............................................................77
3. Bộ khuếch đại thuật toán OPA2277..............................................................82
4. Cảm biến tải (load cells) ...............................................................................85
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG...........................................................86
1. Sơ đồ khối .....................................................................................................86
2. Chức năng các khối.......................................................................................87
3. Thiết kế chi tiết .............................................................................................88
3.1. Khối nguồn.................................................................................................88
3.2. Khối bàn phím............................................................................................89
3.3. Khối xử lý và điều khiển............................................................................90
3.4. Khối hiển thị LED......................................................................................91
3.5. Khối cảm biến tải .......................................................................................93
3.6. Khối giao tiếp dữ liệu nối tiếp ...................................................................95
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH...................................................96
1. Giải thuật chương trình chính .......................................................................96
2. Giải thuật chương trình qt phím ................................................................98

3. Giải thuật chương trình đọc dữ liệu ADC...................................................100
4. Giải thuật chương trình tính tốn khối lượng hiện hành.............................101
5. Giải thuật chương trình hiệu chuẩn.............................................................102
6. Giải thuật chương trình quét LED ..............................................................104
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH ..105
1. Giải thuật chương trình truyền dữ liệu nối tiếp...........................................105
2. Chương trình truyền dữ liệu ra máy tính ....................................................106
3. Giao diện chương trình ...............................................................................113

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

7

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

CHƯƠNG 5: ĐO VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRÊN
HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐÃ THIẾT KẾ..............114
1. Mơ hình thiết kế ..........................................................................................114
2. Sai số hiệu chuẩn. .......................................................................................115
3. Độ lặp lại.....................................................................................................115
4. Sai số góc ....................................................................................................117
5. Độ hồi sai và tuyến tính ..............................................................................117
PHẦN 4: KẾT LUẬN ............................................................................................119
1. Kết quả đạt được .............................................................................................119
2. Hướng phát triển .............................................................................................120

Tài liệu tham khảo .................................................................................................121
Phụ lục ....................................................................................................................123
Mã nguồn chương trình
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết kế
Sơ đồ mạch in
Lý lịch trích ngang .................................................................................................138

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

8

GVHD: TS Lý Anh Tú


THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của các ngành điện tử viễn thông,
công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu… đặc biệt của các bộ vi xử lý, các cảm biến
được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Theo thời gian, công nghệ
cảm biến đã đạt được sự phát triển vượt bậc. Độ nhạy của các bộ cảm biến ngày càng
cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn, kích thước trở nên nhỏ hơn, tính lựa chọn tốt
hơn và giá cả thấp hơn.
Phần lớn các ứng dụng được điều khiển bằng máy tính mà các bộ vi xử lý là một
thành phần chính. Vi xử lý , đơi khi cịn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện điện
tử máy tính được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp
đơn. Khối xử lý trung tâm (CPU) là m�

6

3

LM2675/SO

OPA2277

R9
10u

R3
10k

10k
U2

J12
C2

562

C3

1k

104

0.02u

R4
540

C6
474

vref
Ain+
Ain-

R10

330

R11

330

Cs
4
8
5

Cs
Sdo
Sclk

2

D2

D1N4007

U1B

R21

6.8v

4

Bat

1k

6

1

R22

R13
R20

Q3

Q4
100k

100k

U3
11

VC

12

cs5513

R12

R15

Sclk

OPA2277

C8
R7

101

7
100k

C5

104

0.02u

+5v

Q2SA1015
100k
R25

1k

1k

led xanh

4

IN-

R24
10k

3

VREF

D4

IN+

7

Q2

1k

330

R5
10k

2

ILIM

5

R23

Q2SC1815

100

R17

ISENSE

6

5
C4

R19

V+

R14
3.8k

200

10
9

VOUT
VZ

R2

Q2SA1015

8

D1

+

R16 0.80 /2W

-

Q1 TIP31C

D

Sdo

7

Bat

1
2
3

6

J3
BR805D

VOUT

V+

1
2

Input

VIN

V-

7

8

U6

1

1

F1
+

-

4

CB

J11

GND

J2

FB

D6

4

2

1
2
3
4

C10

V-

R18

13

COMP

led do

101

3.3k

D5

10k

LM723

C

L4

L3

L2

L1

L0
L[0:5]

lg

lkg

lgt

lkgt

L5

Ql6

L4

L3

Ql5

Ql4

Q2SA1015 Q2SA1015
R47

B

R48

R47t

L2

Ql3

L1

Ql2

Gross
Tare
Unit
On /Off
On /Zero
Mode
lg
lkg

L0 Ql1

Q2SA1015 Q2SA1015 Q2SA1015 Q2SA1015

R48t

470

470

470

470

lg

lkg

lgt

lkgt

LED

LED

LED

LED

+5v

Rk6

Rk5

4.7k
J5

Rk4

4.7k
J4

Rk3

4.7k
J3

Rk2

4.7k
J2

Cd1
33p

Rk1

4.7k
J1

+5v

4.7k

Y1

Cd2

J0

J[0:5]

19
18

P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7

9

8

VCC

A0
A1
A2
WP

5
6

AT89C51

16k
SDA
SCL

21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15

16
17

J0
J1
J2
J3
J4
J5
lgt
J[0:5]
Rxd
Txd
Sdo
CS
Sclk
SDA
SCL
lkgt

29

B

30

+5v
Rs1

GND

1
2
3
7

16k
SDA
SCL

PSEN
ALE/PROG

RST

Rr2
Un1

P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15

P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0

P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD

XTAL1
XTAL2

11.059

33p

Rr1

1
2
3
4
5
6
7
8

P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5

P0.6/AD6
P0.7/AD7

31

Uv1
39
38
37
36
35
34
33
32

EA/VPP

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7

9
10
2
4

5
7
6
1

+5v
Rm1

3

R01

a
b
c
d
e
f
g
DP

Ro2

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6

B7

9
10
2
4
5
7
6
1

8

R01

a
b
c
d
e
f
g
DP

Ro2

B0
B1
B2
B3

B4
B5
B6
B7

3

9
10
2
4
5
7
6
1

8

R01

a
b
c
d
e
f
g
DP

Ro2

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7

3

9
10
2
4
5
7
6
1

8

R01

a
b
c
d
e

f
g
DP

Ro2

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7

3

9
10
2
4
5
7
6
1

8

R01

Ro2

L5

a
b
c
d
e
f
g
DP
3

8

R01

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7

3

8

9
10
2
4
5
7
6
1

a
b
c
d
e
f
g
DP

B0
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B7

40

7 seg

VCC

LED7D1

7 seg

GND

LED7D2

7 seg

20

LED7D3

7 seg

9
8
7
6
5
4
3
2

LED7D4

7 seg

Ro2

LED7D5

7 seg

10k

RL~=330-390
R29
R30
R31
1k
R32
1k
R33
1k
R34
1k
R35
1k
R36
1k
1k
330

B[0:7]

LED7D6

1

C

Cs1

100
Rs2

+5v

10k

+5v

+5v

+5v

+5v

+5v

1
6
2
7
3

8
4
9
5

+5v

R37

R38

R39

R26

R27

R37t

100k

100k

100k

100k

100k

100k

Tout

13
8

Txd

11
10
1
Ct2
1u 3

RS232
Gross

Tare

Unit

On /Off

Zero

Mode
Ct3
1u

A

5

SW1

SW2

SW3

SW4

SW5

SW6

nn

nn

nn

nn

nn

nn

4

2

3

2

R1IN
R2IN

Ct6
16

1n

VCC

Ct1
1u
Ux1

Cong noi tiep

R1OUT
R2OUT

T1IN
T2IN

T1OUT
T2OUT

C1+

C2+

C1-

C2-

V+
MAX232

GND

Reset reset

V-

Rxd

12
9

Tout

14
7
4

Ct4
1u

5
6
Ct5

15

4

10u
AT24C64

1u

1

A



THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG

ĐHBK TPHCM-2009

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: NGUYỄN QUANG TRƯỞNG
Ngày tháng năm sinh: 20-03-1979

Nơi sinh: Bình Định

Địa chỉ liên lạc: 481/7 Thống Nhất, P.13, Q.Gị Vấp, Tp. Hồ Chí Minh.

Q TRÌNH ĐÀO TẠO

1998 – 2003: Sinh viên ngành Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội.
2006 – 2009: Học viên cao học ngành Vật lý Kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh.

Q TRÌNH CƠNG TÁC
2004 – nay: Làm việc tại Công ty TNHH TM & DV Đồng Nhân.

HVTH: Nguyễn Quang Trưởng

138

GVHD: TS Lý Anh Tú