Xây dựng hệ thống quản lý cân động ứng dụng trong hệ thống cân tàu hỏa

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

LUẬN VĂN CAO HỌC
Đề tài

Xây dựng hệ thống quản lý cân động
ứng dụng trong hệ thống cân tàu hỏa

Chuyên ngành
Người hướng dẫn
Học viên thực hiện
Mã số

:
:
:
:

Khoa học máy tính
PGS.TS. Đồn Văn Ban
Nguyễn Tuấn Anh
60.48.01

Thái nguyên, tháng 8 năm 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Mục lục

1 Khảo sát hiện trạng hệ thống cân động vật thể
1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV
1.2 Mô tả nghiệp vụ của hệ thống hiện hành . . . . . . . . .
1.3 Mô tả, xác định mục tiêu và yêu cầu của hệ thống mới .
1.4 Tổng kết chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Thiết kế tổng thể hệ thống cân
2.1 Thiết kế phần cứng . . . . . .
2.1.1 Các phương án thiết kế
2.1.2 Sơ đồ tổng thể . . . .
2.2

2.3

động vật thể
. . . . . . . . . . . . . . .
phần cứng hệ thống . . .
. . . . . . . . . . . . . . .

2.1.3 Ý nghĩa và yêu cầu kỹ thuật của từng khối .
Thiết kế phần mềm . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Xác định các yêu cầu và phân tích hệ thống
2.2.2 Phân tích hệ thống hướng đối tượng . . . .
2.2.3 Thiết kế hệ thống hướng đối tượng . . . . .
2.2.4 Lập trình hướng đối tượng . . . . . . . . . .
Tổng kết chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Thiết kế chi tiết hệ thống cân động vật thể
3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Khối cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Khối chuyển đổi ADC . . . . . . . . . . .
3.1.3 Khối truyền thông . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 Khối nguồn . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Thiết kế hướng đối tượng phần mềm hệ thống [2]
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

1
1
4
4
5
6
6
7
10

.
.

.
.
.
.
.

10
12
13
14
15
16
17

.
.
.
.
.
.

18
18
21
23
27
30
30

Nguyễn Tuấn Anh

MỤC LỤC

3.3

3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
Tổng

ii

Khảo sát, xác định các yêu cầu
Phân tích hệ thống . . . . . . .
Thiết kế hệ thống . . . . . . . .
Lập trình và kiểm tra hệ thống
Vận hành và bảo trì hệ thống .
kết chương . . . . . . . . . . . .

4 Xây dựng hệ thống cân động vật
4.1 Giới thiệu về ngơn ngữ lập trình
4.2 Giới thiệu về ngơn ngữ lập trình
4.3 Các chức năng của chương trình
4.4 Màn hình giao diện chức năng .
4.5 Lập kế hoạch triển khai thực tế

4.6 Xác định rủi ro . . . . . . . . .
4.7 Đánh giá kết quả thử nghiệm .
A Vi điều khiển PIC
A.1 Từ Vi xử lý đến Vi điều khiển
A.2 Vi điều khiển họ PIC . . . . .
A.3 Lập trình cho PIC . . . . . .
A.4 Một vài đặc tính của PIC . .

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

thể
cho phần cứng nhúng
phần mềm: C# . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . .

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

32
33
33
40
47
47

.
.
.
.
.
.
.

48
48
49
51
51
55
58
59

.
.
.
.

67
67
68
69
69

B Ứng dụng mạch khuếch đại thuật tốn

71

B.1 Ứng dụng mạch tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . .
B.2 Các ứng dụng phi tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

71
76

Nguyễn Tuấn Anh

Chương 1

Khảo sát hiện trạng hệ thống cân
động vật thể
Giới thiệu về Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam, giới
thiệu về phương pháp cân than trên tàu hỏa, đưa ra tính năng cần có của
hệ thống cân động mới.

1.1

Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV

Chặng đường phát triển của Tập đồn Cơng nghiệp Than –
Khống sản Việt Nam
Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam (trước đây là
Tổng công ty Than việt Nam) được thành lập ngày 10/10/1994 theo
quyết định số 563/QĐ.TTg của Thủ tướng Chính phủ. Thực hiện nhiệm
vụ quan trọng mà Đảng và Nhà nước giao, ngay từ khi mới đi vào hoạt
động, Tập đoàn đã xây dựng đề án “Đổi mới tổ chức, quản lý, nâng
cao hiệu quả sản xuất kinh doanh”, lựa chọn chiến lược “phát triển kinh
doanh đa ngành trên nền công nghiệp than” và phương châm “cùng phát
triển với bạn hàng”. Từ mục tiêu chiến lược đã đề ra, Tập đồn Cơng
nghiệp Than – Khống sản Việt Nam (TKV) đã thay đổi hẳn về cơ chế
quản lý, về mơ hình tổ chức sản xuất và tiêu thụ sản phẩm, về cơ chế
quản lý tài chính, tích cực đầu tư, đổi mới công nghệ trong khai thác
than, đầu tư cải tạo hồn thiện dây chuyền cơng nghệ trong khai thác
than, sàng tuyển, bến rót tiêu thụ.
Trên nền sản xuất than, Tập đoàn TKV đã mạnh dạn sử dụng nguồn
nhân lực sẵn có được tạo ra từ than để đầu tư các ngành nghề khác như

phát triển mạnh mẽ ngành cơ khí mỏ theo hướng hiện đại hóa cơ khí sửa
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV

2

Hình 1.1: Cơng ty than khống sản Việt Nam - TKV

chữa, phát triển cơ khí chế tạo, lắp ráp, sản xuất xe tải, đóng tàu thủy;
xây dựng các nhà máy nhiệt điện; tích cực đầu tư nâng cao sản lượng
khai thác khống sản; sản xuất vật liệu nổ cơng nghiệp, xi măng, vật
liệu xây dựng; công tác nghiên cứu, ứng dụng khoa học công nghệ, bảo
vệ môi trường được chú trọng; thương mại dịch vụ và các ngành nghề
khác đều được đầu tư phát triển.
Trong suốt chặng đường 12 năm hoạt động, cơng nhân, cán bộ Tập
đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản Việt Nam đã khơng ngừng nỗ
lực, chủ động, sáng tạo, đã khẳng định sức mạnh của mình bằng tinh
thần đồn kết, quyết tâm vượt khó, phấn đấu vươn lên, liên tiếp hoàn
thành toàn diện các chỉ tiêu kế hoạch, năm sau cao hơn năm trước.
Năm 2003 đã khai thác và tiêu thụ 18 triệu tấn than, là đơn vị kinh tế
đầu tiên của cả nước đã hoàn thành và vượt kế hoạch trước 2 năm trong
mục tiêu kế hoạch 5 năm (2001 – 2005) mà Đại hội Đảng toàn quốc lần

thứ IX đã đề ra (Từ 14-16 triệu tấn).
Năm 2006, năm kỷ niệm 70 năm Truyền thống cơng nhân vùng mỏ Truyền thống Ngành Than, Tập đồn Cơng nghiệp Than – Khống sản
Việt Nam tiếp tục chuyển đổi cơ chế quản lý mới, với mục tiêu chiến
lược “Từ tài nguyên khoáng sản và nguồn nhân lực đi lên giàu mạnh”
với phương châm “Phát triển hài hòa và thân thiện với môi trường, với
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




1.1 Thực trạng tập đồn than - khống sản Việt Nam-TKV

3

địa phương và cộng đồng; với đối tác và bạn hàng và hài hịa trong nội
bộ”, Tập đồn cùng các công ty thành viên đã tập trung các nguồn lực,
đã sản xuất và tiêu thụ 37 triệu tấn than, vượt mục tiêu quy hoạch đến
năm 2010 (là 23 – 24 triệu tấn) do Thủ tướng Chính phủ phê duyệt.
12 năm, một hành trình đầy gian nan thử thách, song trong mỗi bước
đi của mình, Ngành Than – Khống sản Việt Nam luôn luôn được sự
quan tâm của Đảng, Nhà nước, Chính phủ, các cấp ủy Đảng, chính
quyền và nhân dân các địa phương. Sự quan tâm đó chính là nguồn cổ
vũ lớn lao, tiếp thêm sức mạnh để công nhân, cán bộ ngành Than –
Khoáng sản Việt Nam vững bước đi lên, lao động sáng tạo, trong khó
khăn, bản lĩnh người thợ mỏ càng được thể hiện và khẳng định, ln
hăng hái đi đầu và hồn thành xuất sắc mọi nhiệm vụ được giao. Phẩm

chất và sức sống của thợ mỏ trong suốt chặng đường hình thành và phát
triển là tinh thần “Kỷ luật và đồng tâm”, là bề dày truyền thống đã được
các thế hệ cán bộ, công nhân thợ mỏ kế tiếp giữ gìn và phát huy, lập
nhiều thành tích vẻ vang, xây dựng Tập đồn phát triển nhanh, mạnh,
hiệu quả, vị thế ngày càng được nâng cao (theo [13]).
Cơng ty than ng Bí là thành viên của tập đồn than khống
sản TKV, chun cung cấp than cho nhà máy nhiệt điện ng Bí, và
một số đơn vị khác. Hàng ngày, than được chở từ công ty than ng Bí
đến nhà máy nhiệt điện để sản xuất điện năng cung cấp cho lưới điện
quốc gia.
Mỗi ngày, công ty than ng Bí cung cấp cho nhà máy nhiệt điện phả
lại khoảng 4 chuyến tàu chở than, mỗi chuyến dài khoảng 5 đến 30 toa,
chất đầy than.
Có rất nhiều cách để xác định khối lượng than trên toa tàu, nhưng
thực tế, cho đến nay, tất cả vẫn là ước lượng, tính tốn trọng lượng than
bán ra thị trường theo cách xác định khối lượng chứ không phải là trọng
lượng.
Phương pháp họ đang sử dụng là lấy mẫu than (Do KCS làm), xác
định khối lượng riêng, rồi đưa ra tỷ trọng của than. Nhân viên cân than
chỉ việc đo khối lượng rồi nhân với tỷ trọng sẽ được khối lượng ước tính
Trên thực tế, có rất nhiều vấn đề nảy sinh trong quá trình xác định
khối lượng, như khi KCS lấy mẫu, độ ẩm của than khác với độ ẩm khi
bán, điều đó có nghĩa là nếu trời mưa hoặc nắng thì than sẽ có khối
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh

1.2 Mô tả nghiệp vụ của hệ thống hiện hành

4

lượng khác đi so với ước tính. Do vậy bên bán và bên mua sẽ tính khối
lượng một chuyến hàng thường khác nhau.
1.2

Mô tả nghiệp vụ của hệ thống hiện hành

Phương pháp xác định khối lượng, hiện nay quy trình tính tốn
khối lượng của cơng ty than theo các bước sau đây, giả sử q trình
xuất hàng của cơng ty:
• Than sẵn sàng xuất khỏi công ty, được KCS kiểm tra đánh giá về
chất lượng than, bao gồm khối lượng riêng, độ ẩm, độ bột (than
viên/cám),...
• KCS đưa ra cơng thức tính khối lượng than theo thể tích. Với V
(m3 ) than, với tỷ trọng k. Như vậy, khối lượng là m = V ∗ k(kg).
• Các bên liên quan đến mua bán than chứng kiến việc xác định thể
tích của tàu than, và ký kết vào phiếu cân.
• Phiếu cân được sao thành nhiều bản, mỗi bên liên quan giữ một
bản.
• Căn cứ vào phiếu cân, bên nhận than sẽ kiểm tra lại thể tích thực
của than mà mình được nhận, sau đó xác định lại tỷ trọng k của
than tại thời điểm nhận than, rồi tính ra khối lượng thực mà mình
nhận được.
• Hai bên thỏa thuận lại sai lệch rồi chấp nhận khối lượng thực theo
thỏa thuận.

1.3

Mô tả, xác định mục tiêu và yêu cầu của hệ thống mới

Phân tích ưu - nhược điểm của hệ thống hiện tại:
Hệ thống hiện tại hoàn toàn do con người chủ động, nên khơng thể chính
xác được. Đơi khi nắng mưa ảnh hưởng đến độ ẩm của than, làm cho tỷ
trọng khác với khi lấy mẫu, dẫn đến khi than bắt đầu xuất kho bên bán
có một khối lượng, khi than nhập kho của bên mua, sẽ có khối lượng
khác. Do hai bên mua và bán than đều muốn mình có lợi, cho nên xảy
ra mâu thuẫn và tranh chấp.

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




1.4 Tổng kết chương

5

Mục tiêu của hệ thống mới:
Hệ thống mới phải khắc phục được các nhược điểm của hệ thống hiện
hành, và có các tính năng:
• Cân bằng thiết bị điện tử và máy tính.
• Xác định chính xác trọng lượng thực của than.

• Cân trong khi tàu đang chạy với vận tốc từ 3-15Km/h.
• Dải cân chính xác cho mỗi toa có khối lượng từ 100kg đến 120 tấn.
• Sai số cho phép nằm trong khoảng 0.5%
• Mất điện trong một khoảng thời gian nhất định, vẫn cân bình
thường.
• Lưu trữ được kết quả mỗi lần cân trong khoảng thời gian theo ý
muốn.
• Phân biệt và loại bỏ được đầu tàu.
• Phát hiện và cảnh báo toa rỗng (Toa khơng có hàng)
• Khối lượng khơng phụ thuộc KCS.
• Không phải trải qua các cuộc đàm phán về triết khấu khối lượng
theo thời tiết.
• Giao diện trên máy tính thân thiện.
• In trực tiếp phiếu cân từ phần mềm cho mỗi lần cân.
• Tống hợp được lượng than bán ra trong tháng / quý / năm.
1.4

Tổng kết chương

Khảo sát hiện trạng của hệ thống cũ là điều rất cần thiết, qua đó ta xác
định được hệ thống đang hoạt động như thế nào, quá trình vận hành hệ
thống ra sao, có những ưu nhược điểm gì,...
Từ đó, ta xây dựng lên hệ thống mới, có tính hiệu quả cao hơn so với
hệ thống cũ, và phương pháp vận hành hệ thống có tính thừa kế.
Trong chương này, tất cả các đặc điểm của hệ thống mới đã được xác
lập, từ đó, làm nền tảng để thiết kế ở các chương tiếp theo.

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




Chương 2

Thiết kế tổng thể hệ thống cân
động vật thể
Thiết kế tổng thể cả hệ thống dưới dạng sơ đồ khối: thiết kế phần cứng và
phần mềm, nêu đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật của mỗi khối, phương pháp
giao tiếp, mức tín hiệu vào ra,...

2.1

Thiết kế phần cứng

Có rất nhiều cách thiết kế phần cứng, mục tiêu là làm sao phải đạt được
các tiêu chí sau:
• Hiệu quả, chính xác: Mỗi toa tàu, có thể nặng đến 120 tấn, (hoạt
động bình thường tại cơng ty than ng bí là 50-60 tấn), với sai số
yêu cầu là không quá 0.5%, tức là: sai số m ≤ 0.0005∗120, 000(kg) =
60(kg)cho mỗi toa. Yêu cầu Loadcell (Cảm biến đo khối lượng) phải
chịu được sức nặng lên đến 120 tấn, bộ khuếch đại nằm trong dải
0 − 10v hoặc 4 − 20mA (Tín hiệu theo chuẩn cơng nghiệp) và bộ
chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) phải thỏa mãn yêu cầu
theo sai số như trên.
• Nhanh chóng: Tốc độ tàu u cầu khi cân là 3 − 15km/h, có nghĩa
là trong thời gian đó, phải thu thập đủ dữ liệu để có thể tính tốn.

Tính tốn được khối lượng của mỗi toa bằng cách tính tổng khối
lượng trên 2 trục bánh. Muốn tính được khối lượng, ta phải dùng
thuật tốn như lọc, FFT, xác định đỉnh ,... Tất cả các thuật toán
trên đều cần nhiều mẫu mới có thể làm được. Tiêu chí đặt ra là ít
nhất, cần có khoảng ≥ 100 mẫu/một cụm bánh.
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.1 Thiết kế phần cứng

7

• Ổn định: Trong mơi trường cân, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
hệ thống, như mưa gió, sấm sét, mất điện, nhiễu,... Các yếu tố đó
trực tiếp hoặc gián tiếp gây mất ổn định cho hệ thống. Yêu cầu cần
phải hạn chế tối đa sự tác động của ngoại cảnh đến hệ thống,...
Vậy có những phương pháp nào có thể xây dựng phần cứng mà có thể
đạt được các yêu cầu trên?
2.1.1

Các phương án thiết kế phần cứng hệ thống

Sơ đồ khối của hệ thống như hình 2.1. Trong đó, phần quan trọng nhất
là modul điều khiển trung tâm, có rất nhiều phương án thiết kế modul

điều khiển trung tâm, mỗi phương án đó, sẽ phải thiết kế các modul còn
lại sao cho phù hợp.
Dưới đây, chúng ta thiết kế và lựa chọn modul điều khiển trung tâm
(như trong hình 2.1), khi chọn được phương án hợp lý, sẽ đi thiết kế hệ
thống.

Hiển thị

Điều khiển
trung tâm

Phím điều khiển

Máy tính

Khuếch đại

Cảm biến khối lượng

Nguồn ni

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng thể

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh

2.1 Thiết kế phần cứng

8

Phương án 1:

Sử dụng card chuyển đổi ghép nối máy tính qua khe cắm PCI làm bộ
chuyển đổi tín hiệu: Card chuyển đổi vào ra số, tương tự của Advantech
có các tính năng sau:
• Vào/ra số 16 bit với mức logic 1 là 5v, mức logic 0 là 0v.
• 16 kênh vào tương tự 12 bit vi ngng vo in ỏp l 0 ữ5v.
ã 2 kờnh ra tương tự 12 bit.
• Tốc độ chuyển đổi ADC tối đa của card là 200kbps (Kilobit Per
Second).
• Có tính năng khuếch đại mềm
• Lựa chọn đọc 1 kênh hoặc nhiều kênh từ bộ đệm chuyển đổi.
• Card ghép nối sử dụng driver khi đọc tín hiệu từ Windows, khi đọc
trong DOS thì khơng cần driver.
Phương án 2:

Sử dụng PLC làm modul điều khiển trung tâm Phương án này rất được
sự tin tưởng bởi đã được kiểm nghiệm của công ty danh tiếng, các sản
phẩm của họ đã trải qua sự kiểm tra khắc nghiệt khi làm việc với môi
trường cơng nghiệp. Có thể kể ra đây các tính năng của PLC như sau:
• Ổn định
• Số lượng tín hiệu vào/ra tùy chọn
• Tín hiệu số ra được điều khiển trực tiếp qua rơle nội.
• Tín hiệu số vào: +24v

• Tín hiệu vào tương tự: 0 − 10v hoặc 4 − 20mA
• Tín hiệu ra tương tự: 0 − 10v
• Truyền thông với PC bằng cáp MPI hoặc PPI chuyên dụng, giao
thức RS232, RS485, ProfiBus, USB
• Phần mềm lập trình nhúng và phần mềm lập trình điều khiển được
hỗ trợ bởi hãng sản xuất.
• Giá thành tùy từng chủng loại, số lượng modul.
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.1 Thiết kế phần cứng

9

Phương án 3:

Tự thiết kế card chuyển đổi ADC ghép nối USB. Tất cả các tính năng
được thiết kế phù hợp nhất với hệ thống.
• Độ phân dải chuyển đổi ADC
• Tốc độ chuyển đổi
• Số lượng tín hiệu vào/ra
• Mức tín hiệu vào/ra
• Khả năng chống nhiễu
• Khả năng khuếch đại tín hiệu

• Tốc độ xử lý
• Giao diện ghép nối
• Phương thức truyền thơng
Phương án lựa chọn: Phương án 3

Phân tích:
Tốc độ tàu đi tối đa là 15(km/h) ≈ 4.12(m/s). Khoảng cách giữa hai
điểm gần nhất trên 2 cụm trục liên tiếp là 2.27m, khoảng cách giữa 2
điểm tiếp xúc ray là 2.27m. Như vậy, thời gian mỗi cụm trục đi qua
khoảng 0.5s, trong thời gian này, ta phải lấy được ít nhất khoảng 300
mẫu khối lượng. Đối với phương án 1, độ phân dải chuyển đổi là 12 bit
4096 mức. Nếu dùng để cân, thì bước nhảy sẽ là: 120 tấn 4096 mức, hay
1 bước nhảy = 120,000(kg)
= 29.296875(kg). Nếu tín hiệu đọc về khơng có
4096(mức)
bit lỗi, nếu 1 bit hàng đơn vị bị lỗi thì sai số tăng lên gấp 10 lần. Đó
là sai số tính trên 1 toa nếu tính tổng cả đồn tàu thì sai số sẽ lớn hơn
nữa.
Đối với phương án 2, dùng PLC với ADC 16 bit, phương án này hoàn
toàn khả thi, nhưng những modul ADC 16 bit tại Việt Nam rất khó
kiếm, giá thành rất cao.
Nếu ta tự thiết kế một modul theo phương án 3 thì giá thành sẽ hạ
xuống rất nhiều, mặt khác ta lại làm chủ cơng nghệ, bảo hành bảo trì
thuận tiện, và thiết kế sẽ bám sát các yêu cầu cụ thể của bài toán.

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh

2.1 Thiết kế phần cứng

2.1.2

10

Sơ đồ tổng thể

Hiển thị

Bàn phím

2
Cảm biến

1
Khuếch ñại

Lọc & Chuyển ñổi ADC

Embedded
Microcontroller
Vi ñiều khiển nhúng
Communication
interface

Power system
4
5

Nguồn ni

3

Phần mềm quản lý

Truyền thơng

Hình 2.2: Sơ đồ khối tổng thể được chọn

Trong sơ đồ khối tổng thể cả hệ thống (hình 2.2)bao gồm các modul
sau:
Bộ cảm biến khối lượng (Loadcell), Bộ lọc (Fillter), Khuếch đại (Ampli
Gain), Chuyển đổi ADC, Bộ vi điều khiển nhúng, Hiển thị, Truyền thông,
Nguồn nuôi.
2.1.3

Ý nghĩa và yêu cầu kỹ thuật của từng khối

1. Khối cảm biến khối lượng (Loadcell): Khối này là khối quan
trọng nhất trong phần cảm biến. Nó quyết định vai trị chịu lực của
vật đặt lên cân. Cần phải chọn loại Loadcell sao khả năng chịu lực
của bàn cân phải lớn hơn (thường là gấp rưỡi) tổng khối lượng lớn
nhất đặt lên bàn cân.
Về bản chất, khối này là một bộ, tập hợp của nhiều Loadcell, bố trí
trên bàn cân sao cho tổng khối lượng phân bố đều nhất.

Tín hiệu vào là: +10v, tín hiệu ra là vi sai cầu trở, tạo điện áp lệnh
giữa hai đầu ra để đưa đến bộ khuếch đại.
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.1 Thiết kế phần cứng

11

2. Bộ lọc (Fillter): Khi được cấp điện áp, Modul cảm biến sẽ đưa tín
hiệu về tỉ lệ với khối lượng đặt lên đầu cân. Tín hiệu có ích rất yếu,
điều đó có nghĩa là ảnh hưởng của mơi trường rất lớn lên tín hiệu,
hay nói cách khác, nhiễu sẽ rất cao.
Để giảm thiểu nhiễu, cần có một bộ lọc, lọc bỏ hết tất cả các tần số
nhiễu nằm ngồi dải, chỉ giữ lại tín hiệu thuộc tần số cần thiết.
3. Khuếch đại: Tín hiệu đầu cân là tín hiệu vi sai, tùy theo loại cảm
biến, nhưng trong cơng nghiệp, các loại loadcell thường có các tham
số như: 20mV/V, có nghĩa là khi chịu tải tối đa, khối cảm biến đưa
tín hiệu về là 20mV. Chúng ta cần khuếch đại tín hiệu đó lên đến
giá trị max của bộ chuyển đổi ADC, thường thì bộ chuyển đổi chấp
nhận dải 0..10v, có nghĩa là nhiệm vụ của bộ khuếch đại làm tăng
hệ số khuếch đại lên 500 lần
4. Bộ chuyển đổi ADC: Khi có tín hiệu đầu vào sau bộ khuếch đại,
trong modul này, cũng có thể thiết kế thêm bộ khuếch đại lặp, nhằm

đảm bảo tín hiệu đưa vào chuyển đổi là chuẩn nhất.
Xét về độ chính xác, modul này rất quan trọng, nó quyết định sai
số của hệ thống. Nếu chúng ta chọn độ phân dải thấp thì bước nhảy
của kết quả sẽ rất lớn, tức là sai số nhiều, và ngược lại, độ phân dải
của hệ thống càng cao thì càng cho kết quả chính xác [10].
Ví dụ: Nếu chúng ta cần cân 900kg
• Nếu chọn đọ phân dải là 2 bit, thì chúng ta có các giá trị số: 0,
1, 2, 3 và các giá trị khối lượng tương ứng là: 0, 300, 600, 900
(kg). Bước nhảy và cũng là sai số có thể xảy ra là ≈ 300(kg).
• Nếu chúng ta chọn độ phân dải là 3 bit,thì bước nhảy sẽ là: 0,
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 và giá trị bước nhảy của cân tương ứng sẽ là:
900/7 ≈ 128.57(kg). Có nghĩa là nếu độ phân dải là 3 bit, thì sẽ
chính xác hơn nhiều so với dùng độ phân dải 2 bit.
Từ đó, theo sai số cho phép là 0.5% của 120 tấn:
Sai số = 0.5% ∗ 120(tấn) = 0.6(tấn)
chúng ta sẽ tính tốn được độ phân dải cần thiết sẽ là:
600(kg) ∗ X(bước nhảy) = 120.000(kg)
X=

120.000
= 200 = 2n
600

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh

2.2 Thiết kế phần mềm

12

n = log2 (200)

8(bit)

Trong đó: X: Số bước nhảy, n: Số bit (độ phân dải).
Để tăng độ chính xác, ta nâng cao độ phân dải lên 12 bit, thì sai số
phép cân sẽ là:
212 = 4096(Bước nhảy)
120.000
Sai số =
= 29.296875(kg)
4096
Tương tự, nếu dùng độ phân dải là 13 bit, thì sai số sẽ là: 14.6484375(kg);
nếu dùng độ phân dải 14bit, sai số sẽ là: 7.32421875(kg)
Với độ phân dải 14bit, ta thấy sai số là rất nhỏ, và hoàn toàn khả
thi, vậy ta chọn độ phân dải chuyển đổi ADC là 14 bit.
Một điều rất quan trọng nữa là tốc độ chuyển đổi. Nếu thời gian
chuyển đổi q lâu thì lượng mẫu lấy được sẽ ít, dẫn tới việc tính
tốn khơng được chính xác. Như vậy, cần phải chọn được bộ chuyển
đổi sao cho phải đảm bảo lượng mẫu có ích thu được là hơn 100
mẫu/s (theo thuật tốn tính khối lượng) mới đảm bảo cân chính
xác.
5. Bộ vi điều khiển nhúng: là một hệ vi xử lý, có khả năng điều
khiển q trình chuyển đổi AD, truyền thông với PC và giao tiếp

với các modul mở rộng như bàn phím (dùng để chỉnh zero, calib
động,...) và modul hiển thị trực tiếp (không thông qua PC). Một
phần rất quan trọng nữa, đó là giao tiếp được với máy tính, để giao
tiếp với máy tính, có thể tùy chọn các chuẩn truyền thông: USB,
RS232, RS485, ProfiBus,...
6. Hiển thị: Hiển thị giá trị đọc được theo thời gian thực của giá trị
cân, nhằm xác định được trạng thái hoạt động của hệ thống.
7. Truyền thông: Là một modul riêng, kết nối giữa máy tính với
PC, tuân thủ theo chuẩn truyền thông giữa PC và Bộ vi điều khiển
nhúng.
8. Nguồn ni: Cung cấp nguồn cho tồn bộ hệ thống: 220v, 0v, 5v,
10v, 12v, 24v,...
2.2

Thiết kế phần mềm

UML là ngôn ngữ mơ hình hố, trước hết nó mơ tả ký pháp thống nhất,
ngữ nghĩa các định nghĩa trực quan tất cả các thành phần của mơ hình.
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.2 Thiết kế phần mềm

13

UML được sử dụng để hiển thị, đặc tả, tổ chức, xây dựng và làm tài liệu
các vật phẩm (artifacts) của tất cả các giai đoạn trong quá trình phát
triển phần mềm hướng đối tượng, đặc biệt là hai giai đoạn chính phân
tích, thiết kế dưới dạng các báo cáo, biểu đồ, bản mẫu hay các trang
web, v.v. UML là ngơn ngữ mơ hình hố độc lập với các cơng nghệ phát
triển phần mềm [2]
Nói cách khác, UML là ngơn ngữ mơ hình hố, ngơn ngữ đặc tả và
ngơn ngữ xây dựng mơ hình trong q trình phát triển phần mềm, đặc
biệt là trong phân tích và thiết kế hệ thống hướng đối tượng. UML là
ngôn ngữ hình thức, thống nhất và chuẩn hố mơ hình hệ thống một
cách trực quan. Nghĩa là các thành phần trong mơ hình được thể hiện
bởi các ký hiệu đồ hoạ, biểu đồ và thể hiện đầy đủ mối quan hệ giữa các
chúng một cách thống nhất và có logic chặt chẽ.

2.2.1

Xác định các yêu cầu và phân tích hệ thống

Từ các yêu cầu của khách hàng, chúng ta xác định được các mục tiêu
của phần mềm cần phát triển. Thường đó là các u cầu chức năng về
những gì mà hệ thống phải thực hiện, nhưng chưa cần chỉ ra các chức
năng đó thực hiện như thế nào. Việc xác định đúng và đầy đủ các yêu
cầu của bài tốn là nhiệm vụ rất quan trọng, nó làm cơ sở cho tất cả các
bước tiếp theo trong dự án phát triển phần mềm. Muốn vậy, thì phải
thực hiện đặc tả chi tiết các yêu cầu của hệ thống. UML cung cấp biểu
đồ ca sử dụng để đặc tả các yêu cầu của hệ thống. Tài liệu đặc tả các
yêu cầu được sử dụng để:
• Làm cơ sở để trao đổi với người sử dụng, để thảo luận giữa các
nhóm thành viên trong dự án phát triển phần mềm về những gì mà

hệ thống sẽ phải thực hiện (và cả những gì nó khơng cần thực hiện).
• Làm căn cứ cơ bản để kiểm tra, thử nghiệm trong các bước tiếp theo
của quá trình phát triển phần mềm.
Muốn đạt được các mục tiêu trên thì q trình phải thực hiện:
• Xác định và hiểu rõ miền, phạm vi của bài toán: Những người phát
triển sẽ xây dựng hệ thống theo sự hiểu biết của họ như thế nào về
những yêu cầu của khách hàng và những khái niệm cơ sở của bài
tốn ứng dụng.
• Nắm bắt các u cầu: Người phân tích phải nắm bắt được tất cả các
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.2 Thiết kế phần mềm

14

nhu cầu của khách hàng bằng cách phải trao đổi với mọi người có
liên quan đến dự án, tham khảo các tài liệu liên quan. Thông qua
việc thảo luận, trao đổi với khách hàng, các chuyên gia của lĩnh vực
ứng dụng và những người đã, đang sử dụng những hệ thống có sẵn,
ta có thể phát hiện và nắm bắt được các yêu cầu của họ. Phương
pháp trừu tượng hoá giúp ta dễ dàng nắm bắt được các yêu cầu của
hệ thống.
• Phân loại: Vấn đề quan trọng nhất trong giai đoạn này là phải hiểu

rõ các yêu cầu đã được xác định. Muốn vậy, ta phải tìm cách phân
loại chúng theo tầm quan trọng, hay chức năng chính của những
người sử dụng và của khách hàng.
• Thẩm định: Kiểm tra xem các u cầu có thống nhất với nhau và
đầy đủ khơng, đồng thời tìm cách giải quyết các mối mâu thuẫn giữa
các yêu cầu nếu có.
• Nghiên cứu tính khả thi: Tính khả thi của một dự án tin học phải
được thực hiện dựa trên các yếu tố bao gồm các khía cạnh tài chính,
chiến lược, thị trường, con người, đối tác, kỹ thuật, cơng nghệ và
phương pháp mơ hình hố, v.v. Nói chung, khơng có một qui tắc
hướng dẫn cụ thể để biết khi nào cơng việc phân tích các u cầu
sẽ kết thúc và q trình phát triển có thể chuyển sang bước tiếp
theo. Nhưng có thể dựa vào các câu trả lời cho những câu hỏi sau
để chuyển sang bước tiếp theo.
• Khách hàng, người sử dụng (NSD) và những người phát triển đã
hiểu hồn tồn hệ thống chưa?
• Đã nêu được đầy đủ các yêu cầu về chức năng (dịch vụ), đầu vào /
ra và những dữ liệu cần thiết chưa?
Bức tranh chung trong pha phân tích các yêu cầu của hệ thống có thể
mơ tả như trong hình 2.3 Vấn đề xác định đúng và đầy đủ các yêu cầu
của hệ thống là rất quan trọng, nó ảnh hưởng rất lớn tới chất lượng của
sản phẩn sau này.
2.2.2

Phân tích hệ thống hướng đối tượng

Phân tích hướng đối tượng (OOA): là một giai đoạn của quá trình phát
triển phần mềm, trong đó mơ hình khái niệm được mơ tả chính xác
thông qua các đối tượng thực và các khái niệm của bài toán ứng dụng.
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.2 Thiết kế phần mềm

15

Người phát
triển hệ thống

Hiểu rõ
các yêu cầu

Nắm bắt
các u cầu
Nghiên cứu
tính khả thi

Mơ tả
các u cầu

Khách hàng,
Các chuyên gia

Thẩm

ñịnh

Phân loại

hệ thống

Người sử dụng
(NSD)

Tài liệu ñặc tả yêu cầu
và bước tiếp theo

Hình 2.3: Mối quan hệ giữa các cơng việc trong pha phân tích các u cầu

Phân tích hướng đối tượng tập trung vào việc tìm kiếm các đối tượng,
khái niệm trong lĩnh vực bài toán và xác định mối quan hệ của chúng
trong hệ thống.
Nhiệm vụ của khâu phân tích là nghiên cứu kỹ các yêu cầu của hệ
thống và phân tích các thành phần của hệ thống cùng các mối quan hệ
của chúng. Trong khâu phân tích hệ thống chủ yếu trả lời câu hỏi:
• Hệ thống gồm những thành phần, bộ phận nào?
• Hệ thống cần thực hiện những cái gì?
Kết quả chính của pha phân tích hệ thống hướng đối tượng là biểu
đồ lớp, biểu đồ trạng thái, biểu đồ trình tự, biểu đồ cộng tác và biểu đồ
thành phần.
2.2.3

Thiết kế hệ thống hướng đối tượng

Dựa vào các đặc tả yêu cầu và các kết quả phân tích (các biểu đồ nêu

trên) để thiết kế hệ thống. Thiết kế hướng đối tượng (OOD) là một giai
đoạn trong quá trình phát triển phần mềm, trong đó hệ thống được tổ
chức thành tập các đối tượng tương tác với nhau và mô tả được cách để
hệ thống thực thi nhiệm vụ của bài toán ứng dụng. Trong khâu thiết kế
hệ thống hướng đối tượng chủ yếu trả lời câu hỏi:
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




2.2 Thiết kế phần mềm

16

• Làm như thế nào?
• Trong hệ thống có những lớp đối tượng nào, trách nhiệm của chúng
là gì?
• Các đối tượng tương tác với nhau như thế nào?
• Các nhiệm vụ mà mỗi lớp đối tượng phải thực hiện là gì?
• Dữ liệu nghiệp vụ và các giao diện được xây dựng như thế nào?
• Kiến trúc và cấu hình của hệ thống?
Nhiệm vụ chính của thiết kế hệ thống là:
• Xây dựng các thiết kế chi tiết mô tả các thành phần của hệ thống ở
mức cao hơn khâu phân tích, thiết kế giao diện để phục vụ cho việc
cài đặt. Nghĩa là, các lớp đối tượng được định nghĩa chi tiết gồm
đầy đủ các thuộc tính, các thao tác phục vụ cho việc cài đặt bằng

ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng được lựa chọn ở các bước sau.
• Đồng thời đưa ra được kiến trúc (là trọng tâm) của hệ thống để đảm
bảo cho hệ thống có thể thay đổi, có tính mở, dễ bảo trì, thân thiện
với NSD, v.v. Nghĩa là tổ chức các lớp thành các gói hoặc các hệ
thống con theo một kiến trúc phù hợp với nhu cầu phát triển của
công nghệ (mạng, phân tán, v.v.) đồng thời phù hợp với xu thế phát
triển của lĩnh vực ứng dụng.
• Thiết kế CSDL, có thể chọn mơ hình quan hệ hay mơ hình đối tượng.
Bởi vì tồn tại nhiều mơ hình dữ liệu khác nhau, nên khi xây dựng hệ
thống phần mềm lớn chúng ta phải thiết kế các phương án tích hợp
dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, nghĩa là những khả năng chuyển
đổi, kết hợp các mô hình dữ liệu đó với nhau.
Những kết quả trên được thể hiện trong các biểu đồ: biểu đồ lớp (chi
tiết), biểu đồ hành động, biểu đồ thành phần và biểu đồ triển khai.
Tất cả các kết quả thiết kế phải được ghi lại thành các hồ sơ, tài liệu
cho hệ thống. Trong các tài liệu thiết kế phải mô tả cụ thể những thành
phần nào, làm những gì và làm như thế nào.
2.2.4

Lập trình hướng đối tượng

Trong giai đoạn này, mỗi thành phần đã được thiết kế sẽ được lập trình
bằng ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng được lựa chọn thành những
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh

2.3 Tổng kết chương

17

Mơ hình khái niệm,
Đặc tả các u cầu

Thiết kế logic:
Phân chia các thành phần,
Nhiệm vụ các thành phần
Quan hệ giữa các thành phần

Kiến trúc chi tiết, cụ thể và
phụ thuộc vào vài đặt:
khung của hệ thống

Kiến trúc
tổng quát và
trừu tượng hoá

Thiết kế chi tiết:
Làm mịn dần các thành phần,
Cách thực hiện của mỗi thành phần
Thiết kế các mối quan hệ

Hình 2.4: Thiết kế logic và thiết kế chi tiết

mơ đun chương trình (chương trình con). Mỗi mơ đun này sẽ được kiểm

định hoặc thử nghiệm theo các tài liệu đặc tả của giai đoạn thiết kế.
Công việc này được mơ tả như sau:
Đặc tả thiết kế

Lập trình
(Xây dựng các lớp)

Tập các mơ đun
chương trình

Hình 2.5: Lập trình tập trung xây dựng lớp

Hiện nay có một số cơng cụ hỗ trợ cho q trình phân tích, thiết kế
và có thể sinh mã tự động cho những thành phần chính của mơ hình
như: Rose [4], hay Visual Studio .NET của Microsoft, v.v.
2.3

Tổng kết chương

Khâu thiết kế tổng thể là khâu rất quan trọng, ta phải thiết kế ở dạng
sơ đồ khối, chia bài toán thành nhiều module, mỗi module đảm nhận
một chức năng.
Ở chương này, ta chỉ xét đến chức năng các module, các yêu cầu đầu
vào/ra, sự liên kết giữa các module, phân chia công việc giữa phần mềm
và phần cứng, yêu cầu kỹ thuật,các điều kiện giới hạn của module,...

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




Chương 3

Thiết kế chi tiết hệ thống cân động
vật thể
Thiết kế chi tiết cả hệ thống, dựa vào yêu cầu được đưa ra từ phần thiết
kế tổng thể, chương này triển khai chi tiết :
Về phần cứng: triển khai thiết kế mạch, đưa ra sơ đồ nguyên lý, phân
tích sự hoạt động của mạch, đưa ra thuật toán điều khiển, mã nguồn
điều khiển, và mã nguồn dùng để kiểm tra sự hoạt động của mạch
Về phần mềm: phân tích, thiết kế hướng đối tượng phần mềm cần có.
3.1

Thiết kế phần cứng hệ thống

Sau khi đã nghiên cứu ký lưỡng, chi tiết, tỉ mỉ về yêu cầu của hệ thống
mới, chúng ta có thể đưa ra được sơ đồ nguyên lý dạng chi tiết đến từng
linh kiện. Như hình 3.3, đó là phần mạch nguyên lý hệ thống. Chưa có
phần ngoại vi như: bộ biến đổi điện áp, cơ cấu gá lắp Loadcell, cáp và
cách chọn cáp tín hiệu,...
Để chi tiết hơn, dưới đây tơi xin trình bày về phần cơ khí trước.
Xem hình 3.1, trong đó: Ray tàu là hai đường thẳng song song, được
gá lên các tà vẹt. Tuy ngành đường sắt cũng đã rất cố gắng để trong
quá trình tàu chạy, các tà vẹt khơng nún, nhưng chỉ bằng phương pháp
trải đá 34 thì khơng thể tránh khỏi hiện tượng là các tà vẹt vẫn nún khi
có tàu chạy qua, đặc biệt là tàu chở đầy hàng.Để không bị nún khi cân,

chúng ta cần thiết kế một bàn cân. Bàn cân được thiết kế bằng bê tông,
đúc dày đặc khoảng 50cm, rộng gấp đôi khoảng cách giữa 2 tà vẹt, và
dài gấp đôi khoảng cách tiếp đất của 2 bánh tàu trên cùng một trục.
Bánh tàu cho mỗi toa được chia làm hai cụm, (xem hình 3.2), trong
Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống

19

Chiều dài bàn cân

Hình 3.1: Thiết kế cơ khí gá lắp Loadcell

L

Hình 3.2: Khoảng cách 2 bánh tàu trên một trục

đó L là khoảng cách giữa hai bánh trên một cụm, L = 2.27m. Như vậy,
chiều dài bàn cân, tối thiểu phải là 4.54m. Để đảm bảo an toàn, ta chọn
chiều dài bàn cân là 6m. Do khoảng cách giữa hai điểm gần nhất của
hai bánh tàu là 9.5m, nên hoàn toàn yên tâm.
Độ dày của khối bê tông, phải đủ lớn để đảm bảo đặt toa tàu có khối

lượng 120 tấn lên thường xun mà khơng bị hỏng. Vấn đề sức bền cơ
khí, sẽ có một kỹ sư cơ khí thiết kế theo ý tưởng trên.
Từ thiết kế sơ đồ khối tổng thể, ta xác định đầu vào/ra và thiết kế
được sơ đồ chi tiết như hình 3.3.
Trong sơ đồ này, ta xác định được đầu vào/ra, mạch nguồn vào, bàn
phím chỉnh định, module khuếch đại, hai module hiển thị, giao tiếp với
PC,...

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh






PID5901

Nguyễn Tuấn Anh

CO22p5
CO22p6
COXtal12M5

1

PISW3502

PISW3602

PISW3702

PISW3501

PISW3601

PISW3701

1

VCC

R R R R

PIR60 2 PIR6102 PIR6202 PIR6302

PIXtal12M501

PI22p602

PIXtal12M502

PI22p502

PIR6801

COR68

R68

PIR6701

COR67
R67

PIR6601

PIR6501
R66
COR66

COR65
R65

Tang
POTang
POChe
Che dodo

POGiam
Giam

POXong
Xong

PI22p601

PI22p501

POGIAM
Giam

2

P18f2550

VUSB

SDO - RX - RC7
TX - RC6
D+ - RC5
D- - RC4

VSS

VDD

PGD - RB7
PGC - RB6
PGM - RB5
AN11 - RB4
AN9 - RB3
INT2 - AN8 - RB2
SCL/K - INT1 - AN10 - RB1
SDA/I - INT0 - AN12 - RB0

Speed to PIC

To Main ADDA

To PIC display

104

COC11
C11

PIC1202

A4

VCC

PIC801
PIC802

4.7u

COC8
C8

3PIU203

VIN

COU2
U2

DO

GND

VCC

DI
SH_CP
ST_CP

DO

GND

VCC

DI
SH_CP
ST_CP

PIwr501

PIwr502

PIwr503

PIU201

Number: *

Revision:

*

2

PIR2301

PIR2302

3

100u

240

R23
COR23

Speed display.SchDoc

PIC701
PIC702

Weight Display.SchDoc

PIU202

D3

D

4

COC7
C7

PIC601
PIC602

+10V

224

COC6
C6

PID102

PID101

PIR2102

PIR2101

D1
COD1

4K7

R21
COR21

Cao hoc K6
DH KTCN
Thai Nguyen

4

Designed by Tuấn Anh. Website:

5K

wr5
COwr5

VOUT

LM317

Tên sản phẩm: CB090504

+12V

VCC

POST0CP
ST_CP

POSH0CP

SH_CP

PODO
DO

PODO
DO

VCC

SH_CP
ST_CP

PODI
DI

Date: 7/28/2009
Time: 11:43:53 AM Sheet * of *
File: E:\Products\CB090504 Design\Imported CB090504.PRJPCB\KD & HT.SchDoc

Size:

*

104

COC12
C12

PIR6402

10k

PIC1201

Title

HEADER 4

18
4
17 PIJ6603
3
PIMCU017
16 PIJ6602
2
PIMCU016
15 PIJ6601
1
PIMCU015

PIC1COJ66
02
J66

PIC1 01

PIMCU018
PIJ6604

19
PIMCU019

20

PIMCU020

PIR6401

COR64
R64

POSpeed
PIC
Speed 22PIC

POMain
ADDA
Main ADDA

POWeight
disp
Weight disp

NLB7
28
B7
PIMCU028
27
NLB6

B6
PIMCU027
26
PIMCU026
25
PIMCU025
24
PIMCU024
23 POST0CP
PIMCU023
ST_CP
22
PIMCU022POSH0CP
SH_CP
21
PIMCU021PODI
DI

Khuech dai.SchDoc

B1

3

Hình 3.3: Thiết kế chi tiết phần cứng hệ thống

POXONG
Xong

PIR6802

470

14
PIMCU014

11
PIMCU011 RC0
12
PIMCU012 RC1
13
PIMCU013 RC2

POTANG
Tang

PIR6702

470

OSC2

PIMCU010

10

OSC1

PIMCU09

9

8

POCHE
Che do DO

PIR6602

470

PIR6502

470

VSS

PIMCU08

PIMCU06

6
7
PIMCU07

PIMCU03
4
PIMCU04
5
PIMCU05

RA0-AN0
RA1-AN1
RA2-AN2
RA3-AN3
RA4
RA5-AN4

MCLR

COMCU
MCU

PIMCU02

2
3

1
PIMCU01

Speed in

S-

POS0
S-

+12V
GND

-12V
+10V

S+

2

POS0
S+

-12V
+10V

+12V

POSpeed
fromINV
INV
Speed from

POMCLR
MCLR

POWEIGHT
DISP
Weight disp
POSPEED
PIC
Speed 22PIC

PIR60 1 PIR61COR60
01 PIR62R61
01 PIR6COR62
3R62
01 R63
COR63
R60COR61

POMCLR
MCLR

PISW3402

PILK10 PILK201 PILK301 PILK401 PILK501 PILK601

1

VCC

PISW3401

1N4148

PID5902

COD59
D59

COLK1 COLK2 COLK3 COLK4 COLK5 COLK6

LK1

COSW34
COSW35
COSW36
COSW37

D

LK3

10k

1

C

PIR5902

CON 1

R59
COR59

LK4

PIR5901

CON 1

VCC

CON 1

ICSP

1
B6
PIJ5601
2
B7
PIJ5602
COJ56
J56
3
PIJ5603
4
PIJ5604
5
NLMCLR
MCLR
PIJ5605

LK5

1

B

HEADER 11

PIJ6505

PIJ6504

PIJ6503

3
POS0
S+
4
S5
POMAIN
ADDA
Main ADDA
6
PIJ6506
7
POSPEED
FROM
PIJ6507
Speed from
INVINV
8
PIJ6508
-12V
9
PIJ6509
VCC
10

PIJ65010
+12V
11
PIJ65011

+10V

CON 1

A

LK2

1

PIJ6501
2
PIJ6502

LK6

1

2

COJ65
J65

CON 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

CON 1

ADJ
1
3
1

1

D

C

B

A

3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống
20


3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống

3.1.1

21

Khối cảm biến

Sơ đồ khối cảm biến, không được thể hiện đầy đủ trong hình 3.3, thiết
kế đầy đủ khối cảm biến bao gồm: Loadcell, khuếch đại. Tín hiệu ra phải
ở dạng chuẩn cơng nghiệp: 0..10v [11]
+10v
GND
R

S+

R

R

S-

R

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý Loadcell

Hình 3.4 là sơ đồ nguyên lý của hầu hết các loại Loadcell. Bản chất
vấn đề chính là mạch cầu trở, theo sơ đồ đó, khi có một lực kéo hay nén
tác động lên Loadcell, cầu trở sẽ mất cân bằng, làm cho điện áp chảy
qua mạch thay đổi.
S+ và S- là hai đầu ra của mạch. Nếu cầu trở cân bằng thì VS+ = VS− ,
khi cầu khơng cân bằng thì VS+ = VS−

Tín hiệu ra S+ và S- tùy thuộc vào mỗi lại Loadcell nhưng hầu hết trong
công nghiệp thường chọn loại 20mV/V, hoặc 4 ÷ 20mA. Có nghĩa là nếu
chúng ta dùng Loadcell loại 15 tấn, và chúng ta đặt khối lượng là 15 tấn
lên Loadcell thì đầu ra (vi sai) giữa S+ và S- là 20mv hoặc 20mA, cịn
khi bỏ lửng Loadcell thì đầu ra là 0mV hay 4mA.
Theo những đặc tính trên thì ta thiết kế được một bộ khuếch đại, như
hình 3.5.
Trong sơ đồ 3.5, có đầy đủ các thành phần sao cho kết quả đầu ra
là 0..10V hoặc 0..5v, vì một số dịng chuyển đổi ADC mới hiện nay chỉ
chấp nhận tín hiệu đầu vào trước khi chuyển đổi là 0..5v.
Phân tích nguyên lý hoạt động của mạch: Chân S+ và S- là hai
tín hiệu vào từ Loadcell, trong q trình truyền dẫn, có thể tín hiệu về
đến bộ khuếch đại khơng thực sự cân bằng, hoặc do khối lượng bì,... làm
cho tín hiệu về lệch sẵn một khoảng, vậy ta cần phải chỉnh cân bằng1
bởi WR1. Tín hiệu sau đó được lọc nhiễu sơ bộ rồi qua mạch khuếch đại
âm, lọc và khuếch đại đảo lại để lấy tín hiệu (+) tại đầu ra. Tín hiệu ra
1 chỉnh

cân bằng, hay cịn gọi là chỉnh không, chỉnh zero

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Nguyễn Tuấn Anh




D

C

B

+10V

S+

S-

3

1

1

R2

WR1

R1

-12V

GND

R4

C1

R3

Speed in

-12V

+12V

Max 10v

3

2
+

-

-12V

11

R5

R15

R6

U1A

+12V

4

+10V

1


2

-

2

1

+

3

wr4

-12V

2

+12V

C2

R9

3

6

Sp1

R10

5

6
+

-

2

wr2

7

wr5

C3

U1B

3

R11

*

R14

+
-

12
13

-

9

U1D

U1C

Number: *

14

8

Revision: *

Khuếch đại

Speed to PIC

C4

WR3

+

10

3

Date: 7/31/2009
Time: 10:52:00 PM Sheet * of *
File: D:\Cao hoc\LVTN\Pictures\CB090504\Khuech dai.SchDoc

Size: A4

Title

T3

R12

R13

T4

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại Loadcell

C5

R16

R7

R8

1

11
4

+12V

1

3

2

+10V

7
1
4
5

1
3

4
11
4

A

2

2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
3

Luận văn: Thiết kế hệ thống cân động.
11

1

4

Designed by TuÊn Anh. Website:

HOLIA
No 103, Ga luu xa street
Phu xa
Thai Nguyen
Viet Nam

To PIC display

To Main ADDA

4

D

C

B

A

3.1 Thiết kế phần cứng hệ thống
22

Nguyễn Tuấn Anh

2