Embed Size (px)
Citation preview
TÓM TẮT
Kỹ thuật vi xử lí và vi điều khiển với tốc độ phát triển nhanh đã và đang
mang đến những thay đổi to lớn trong khoa học và công nghệ cũng như trong
đời sống hàng ngày.nhờ kỹ thuật vi xử lí và vi điều khiển mà máy móc trở
nên thông minh hơn,thực hiện được những công việc đòi hỏi độ chính xác
cao,đem lại hiệu quả kinh tế cao…
Ngày nay trên thị trường có rất nhiều loại cân điện tử dùng để định lượng
khối lượng,nhưng các loại cân này thường có giá rất đắt và được dùng cho
việc kiểm tra là chủ yếu.Để ứng dụng các loại cân điện tử vào trong quá trình
sản xuất thì cần tự động hóa quá trình định lượng.
Được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa cơ khí & công nghệ trường
Đại Học Nông Lâm TP HCM tôi tiến hành thực hiện đề tài:”ỨNG DỤNG VI
ĐIỀU KHIỂN TRONG CÂN TỰ ĐỘNG”.
Những vấn đề trong đề tài cần giải quyết là:
Chọn loadcell.
Thiết kế mô hình máy (bàn cân)
Thiết kế bồn chứa liệu.
Thiết kế mạch nguồn.
Thiết kế mạch khuyếch đại tín hiệu.
Thiết kế mạch hiển thị giá trị đo.
Thiết kế mạch điều khiển động cơ.
Thực hiện viết chương trình điều khiển.
Các kết quả đạt được:
Bàn cân vững chắc,đảm bảo khi motor đang chạy để cấp liệu cũng
như xả liệu bàn cân không bị rung nhiều do đó kết qủa cũng
không bị ảnh hưởng bởi rung động.
Mạch khuyếch đại hoạt động tốt,khả năng chống nhiễu cao.
Mạch điều khiển motor chạy ổn định.
Mạch hiển thị giá trị đo chạy tương đối ổn định,khả năng chống
nhiễu cao.
Chương trình chạy ổn định.
Sinh viên thực hiện Giảng viên hướng dẫn
Phan Văn Thắng T.S Nguyễn Như Nam
Chương 1MỞ ĐẦU
Kỹ thuật vi xử lí với tốc độ phát triển nhanh đã và đang mang đến những
thay đổi to lớn trong khoa học & công nghệ cũng như trong đời sống hàng
ngày.Ngày nay,nhờ kỹ thuật vi xử lí và vi điều khiển mà máy móc trở nên
thông minh hơn,thực hiện được những công việc nặng nhọc và đòi hỏi độ
chính xác cao,đem lại hiệu quả kinh tế cao…
Các bộ vi điều khiển thường nhỏ gọn nhưng có khả năng xử lý chính xác
và nhanh các hoạt động phức tạp.Một hệ thống cơ khí thường phức tạp và
quá trình xử lý các hoạt động thường không có độ chính xác cao,nhưng nếu
hệ thống cơ khí đó kết hợp với vi xử lý sẽ giải quyết vấn đề đó tốt hơn với độ
chính xác cao hơn,có thể xử lý nhiều hoạt động phức tạp trong một lúc.
Được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa cơ khí & công nghệ trường
Đại Học Nông Lâm TP HCM,tôi tiến hành thực hiện đề tài:”ỨNG DỤNG VI
ĐIỀU KHIỂN TRONG CÂN TỰ ĐỘNG”.
Vì thời gian và kiến thức có hạn nên luận văn này không thể tránh khỏi
những sai sót,rất mong có nhữg ý kiến đóng góp của quí thầy cô và các bạn.
Sinh viên thực hiện đề tài
Phan văn Thắng
MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
Dựa trên các tài liệu liên quan đến định lượng về khối lượng,các tài liệu về
vi xử lý,vi điều khiển,đặc biệt là tính năng của chúng.
Tìm hiểu nguyên lý của loadcell.
Kết hợp với phần cơ khí nhằm tạo ra một hệ thống cân trong đó sử dụng
loadcell và vi xử lý và bộ hiển thị nhằm mục đích:
Định lượng khối lượng một cách chính xác.
Tự động hóa quá trình sản xuất.
Dễ quan sát khối lượng khi đang thục hiện quá trình định
lượng
Dễ điều khiển.
Giới hạn đề tài.
Định lựơng được tất cả các sản phẩm có khối lượng nhỏ hơn hoặc bằng
tải trọng tối đa của loadcell.Tùy vào vật liệu cần định lượng mà thiết kế mô
hình cân và cách điều khiển cho phù hợp.
Giới hạn đề tài,thiết kế cân dùng để định lượng các nguyên liệu rời như:xi
măng,bột trát tường và các loại hạt nông sản có kích thước nhỏ.
Trong đề tài này,thiết kế cân chỉ là một bộ phận của hệ thống máy sản xuất
bột trát tường.Cân dùng để định lượng trước khi đóng bao.
Chương 2
TRA CỨU TÀI LIỆU
2.1 giới thiệu về loadcell.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất
như:KUBOTA(Nhật),Global(Hàn Quốc)…mỗi loại loadcell được chế tạo cho một
nhu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng(chịu kéo hay chịu nén).Tùy hãng sản
xuất mà các đầu dây ra có màu khác nhau,thường thì trên mỗi loadcell có dán
catologue về cách nối dây,hướng chịu lực tác dụng,điện áp ra…
Loadcell có rất nhiều hình dáng,tùy vào các ứng dụng khác nhau mà ta
chọn các loadcell có hình dáng khác nhau.
Thông số của loadcell thường được cho trong bảng Catologue của mỗi
loại,thường là các thông số về tải:tải trọng danh định,điện áp ra,điện áp danh
định,khoảng nhiệt độ hoạt động cho phép,….
Điện áp danh định của loadcell thường rất nhỏ,ví dụ với điện áp danh định
2mV/V nếu cung cấp nguồn 1V thì điện áp ra là 2mV tương ứng với tải trọng tối
đa.
Tùy vào các ứng dụng khác nhau mà chọn các loại loadcell có hình dạng và
thông số kỹ thuật khác nhau.Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell.
Hình 2.1 hinhg dáng của một số loại loadcell
Cấu tạo của loadcell:
Cấu trúc của một loadcell.
Loadcell thực chất là cầu Wheatstone.
Hình 2.2: Cầu Wheatstone
Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán.Tấm điện
trở dùng để biến đổi điện áp nhỏ tương ứng với những thay đổi của điện trở.
2.2 Tra cứu linh kiện điện tử.
2.2.1 Vi điều khiển ATMEGA32.
Atmega32 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel,có 40 chân trong đó
có 32 chân I/O,có 4 kênh điều xung PWM,sử dụng thạch anh ngoài 8MHz.
Nhân AVR kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng. Tất cả các
thanh ghi liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh
ghi độc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả
là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường.
Dưới đây là hình vẽ sơ đồ chân của VĐK At mega32:
Hình 2.3 :Sơ đồ chân Atmega32
At mega32 gồm có 4 port :port A,port B,port C và port D.
Port A gồm 8 chân từ PA0 đến PA7:là cổng vào tương tự cho chuyển đổi
tương tự sang số.Nó cũng là cổng vào/ra hai hướng 8 bít trong trường hợp
không sử sụng làm cổng chuyển đổi tương tự,có điện trở nối lên nguồn dương
bên trong.Port A cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vao/ra theo kiểu hợp kênh khi
dùng bộ nhớ bên ngoài.
Port B gồm 8 chân từ PB0 đến PB7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít,có điện
trở nối lên nguồn dương bên trong.Port B cung cấp các chức năng ứng với các
tính năng đặc biệt của Atmega32.
Port C gồm các chân từ PC0 đến PC7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bit,có điện
trở nối lên nguồn dương bên trong,Port C cung cấp các địa chỉ lối ra khi sử
dụng bộ nhớ bên ngoài và đồng thời cung cấp ứng với các tính năng đặc biệt
của Atmega32.
Port D gồm các chân từ PD0 đến PD7:là cổng vào/ra hai hướng 8 bít,có điện
trở nối lên nguồn dương bên trong. Port D cung cấp các chức năng ứng với các
tính năng đặc biệt của Atmega32.
Chân nguồn Vcc (chân số 10 à chân số 30):điện áp nguồn nuôi của
Atmega32 từ 4.5v đến 5.5v.
Chân Reset (chân số 9):lối vào đặt lại.
Chân GND (chân số 11 và chân 31):chân nối mas.
Chân XTAL1,XTAL2 là hai chân nối thạch anh ngoài (chân số 12 và
chân số 13).Atmega32 sử dụng thạch anh ngoài là 8MHz.
Chân ICP(chân số 20):là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu cho
bộ định thời/đếm 1.
Chân OC1B(chân số 18):là chân ra cho chức năng so sánh lối ra bộ
định thời/đếm 1.
Chân INT1(chân số 17):chân ngõ vào ngắt.
Hình 2.4:Sơ đồ cấu trúc bên trong của Atmega32.
ATmega32 có các đặc tính sau:
32Kbytes bộ nhớ ISP Flash với Read-While-Write capacities.
2Kbytes RAM.
1024 bytes EEPROM.
32 đường I/O đa năng.
32 thanh ghi đa năng.
JTAG interface.
On-chip Debug and Program.
3 bộ định thời phức hợp với chế độ so sánh.
Ngắt ngoài và trong.
Bộ truyền nhận nối tiếp USART lập trình được.
Bộ giao tiếp nối tiếp định hướng 2 dây.
8 kênh, 10bit ADC với ngưỡng vào lựa chọn khác nhau độ lợi
lập trình được.
Bộ WatchDog Timer khả trình với dao động nội.
Port SPI nối tiếp.
Hệ thống ngắt để tiếp tục hàm.
ATmega32 có các chế độ tiết kiệm năng lượng như sau:
Chế độ nghỉ (Idle) CPU trong khi cho phép bộ truyền tin nối tiếp đồng bộ
USART, giao tiếp 2 dây, chuyển đổi A/D, SRAM, bộ đếm bộ định thời, cổng
SPI và hệ thống các ngắt vẫn hoạt động.
Chế độ Power-down lưu giữ nội dung của các thanh ghi nhưng làm đông
lạnh bộ tạo dao động, thoát khỏi các chức năng của chip cho đến khi có
ngắt ngoài hoặc là reset phần cứng.
Chế độ Power-save đồng hồ đồng bộ tiếp tục chạy cho phép chương
trình sử dụng giữ được đồng bộ thời gian nhưng các thiết bị còn lại là ngủ.
Chế độ ADC Noise Reduction dừng CPU và tất cả các thiết bị còn lại
ngoại trừ đồng hồ đồng bộ và ADC, tối thiểu hoá switching noise trong khi
ADC đang hoạt động.
Chế độ standby, bộ tạo dao động (thuỷ tinh thể/bộ cộng hưởng) chạy
trong khi các thiết bị còn lại ngủ. Các điều này cho phép bộ vi điều khiển
khởi động rất nhanh trong chế độ tiêu thụ công suất thấp.
Thiết bị được sản xuất sử dụng công nghệ bộ nhớ cố định mật độ cao của
Atmel. Bộ nhớ On-chip ISP Flash cho phép lập trình lại vào hệ thống qua giao
diện SPI bởi bộ lập trình bộ nhớ cố định truyền thống hoặc bởi chương trình
On-chip Boot chạy trên nhân AVR. Chương trình boot có thể sử dụng bất cứ
giao điện nào để download chương trình ứng dụng trong bộ nhớ Flash ứng
dụng. Phần mềm trong vùng Boot Flash sẽ tiếp tục chạy trong khi vùng
Application Flash được cập nhật, cung cấp thao tác Read-While-Write thực sự.
Bằng việc kết hợp 1 bộ 8-bit RISC CPU với In-System Self-Programmable
Flash trong chỉ nguyên vẹn 1 chip ATmega32 là một bộ vi điều khiển mạnh có
thể cung cấp giải pháp có tính linh động cao, giá thành rẻ cho nhiều ứng dụng
điều khiển nhúng.
2.2.2 Tra cứu ic Opto (loại PC817C).
Opto là loại linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm một led và một photo diode
hay một photo transitor.Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch
nhau về điện hay công suất như khối công suất nhỏ (dòng nhỏ,điện áp 5V) với
khối điện áp lớn dòng lớn và áp lớn.
-Nguyên lý hoạt động của opto:
R 13 3 0
V c c
0
I S O 1
12
34
Hình 2.5 sơ đồ nguyên lý của opto
Khi có dòng nhỏ đi qua hai đầu của Led trong opto làm cho Led phát
sáng.Khi Led phát sáng làm thông hai cực của photo transitor hay photo diode.
2.2.3 Op07.
Đặc điểm : Kiểu chân :
Offset thấp : 10mV.
Độ trôi offset thấp : 0,2mV/°C.
Độ ổn định đối với thời gian cao :
0,2mV/tháng.
Ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu : 0,35mVp-p.
Tầm điện áp cung cấp rộng : ±3V ¸ ±18V.
Common Mode Input cao : ±14V.
Không cần linh kiện ráp thêm bên ngoài.
OP07 là một IC OPAMP có độ chính xác
cao, với offset thấp (tiêu chuẩn là 10mV, max là 25mV). Độ trôi offset
khoảng 0,2mV/°C và dòng phân cực đầu vào thấp (0,7nA), cộng thêm với
trở kháng đầu vào cao và độ lợi vòng hở lớn nên IC này rất thích hợp với
các ứng dụng đo lường đòi hỏi chính xác.
2.2.4 Lm358.
Tra cứu về vi mạch khuếch đại thuật toán LM358:
Sơ đồ chân:
Hình 2.6:Sơ đồ chân của lm358
Mạch LM358 là bộ khuếch đại tín hiệu vào bên trong chứa 2 khuếch đại toán
học:
Khoảng điện áp cung cấp -0.3V đến +32V
Dòng điện hoạt động ở +5V
Đây là mạch khuếch đại có hồi tiếp
Điện trở rất cao, cho nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến
Khả năng chống nhiễu cao.
2.2.5 L7805 và L7905.
78xx là loại linh kiện dùng để biến đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp tùy
thuộc vào đặc điểm của từng loại họ 78.
L7805 là loại linh kiện dùng để tạo ra điện áp 5V.
U 2
L 7 8 0 5 / TO 3
1
2
3V I N
GN
D V O U T
Sơ đồ chân của 7805: chân 1 là chân điện áp vào(V in),chân 2 (chân mass
GND),chân 3(chân điện áp ra V out).
Họ 79XX:khác với họ 78xx,họ 79 dùng để tạo ra điện áp âm.Điện áp ra tùy
thuộc vào từng loại như 7905 tạo ra -5V,7912 tạo ra điện áp -12V…
2.2.6 Bộ hiển thị LCD.
Trên thị trường trong nước cũng như nước ngoài hiện nay có rất nhiều bộ
hiển thị tinh thể lỏng từ nhiều hãng khác nhau,trong đó thường gặp là bộ hiển
thị LCD HD44780 của công ty Hitachi.
Hình 2.7:Sơ đồ LCD 20x4
Trong đề tài này sử dụng LCD loại 20x4.(bốn dòng mỗi dòng 20 kí tự).
Cách sắp xếp và vai trò các chân của các môđun khác nhau được
liệt kê trong bảng sau :
Chân số KÍ hiệu Mô tả
1 Vss Nối mas hoặc đất
2 Vcc Nguồn nuôi +5V
3 Vee Chỉnh độ tương phản (0 đến +5V)
4 RS Lựa chọn thanh ghi ( lệnh/dữ liệu )
5 RW Đọc /Ghi
6 E Cho phép
7 DB0 Đường dẫn dữ liệu 0
8 DB1 Đường dẫn dữ liệu 1
9 DB2 Đường dẫn dữ liệu 2
10 DB3 Đường dẫn dữ liệu 3
11 DB4 Đường dẫn dữ liệu 4
12 DB5 Đường dẫn dữ liệu 5
13 DB6 Đường dẫn dữ liệu 6
14 DB7 Đường dẫn dữ liệu 7
Điện áp ở chân vào Vee dùng để thiết lập độ tương phản của bộ hiển thị..
Ba đường dẫn điều khiển đóng vai trò điều khiển dòng dữ liệu tới và đi ra từ bộ
hiển thị .
Chức năng của các đường dẫn điều khiển trong bảng sau :
Đường dẫn điều khiển E (Enable) kích hoạt hoặc không kích hoạt bộ hiển
thị .Khi bộ hiển thị được kích hoạt , nó sẽ kiểm tra trạng thái của hai đường dẫn
điều khiển khác và sau đó đánh giá các đường dẫn từ các đường dẫn dữ liệu
cho phù hợp . Khi bộ hiển thị không được kích hoạt trạng thái của các đường
dẫn điều khiển khác bị bỏ qua và các đường dẫn dữ liệu được chuyển trạng
thái điện trở (ba trạng thái) . Khi đó , bus dữ liệu có thể có thể được sử dụng
cho các mục đích khác . Đường dẫn R/W ( đọc /ghi ) báo hiệu cho biết liệu các
dữ liệu đã được ghi vào bộ dữ liệu đã được ghi vào bộ hiển thị hay cần được
đọc ra từ bộ hiển thị .
Cuối cùng đường dẫn RS ( lựa chọn thanh ghi ) chỉ cho thấy các dữ liệu
được truyền có liên quan đến các lệnh dùng cho bộ điều khiển hiển thị hay liên
quan đến kí tự cần được ghi vào bộ hiển thị.
2.3 Tra cứu phần mềm.
2.3.1 Ngôn ngữ ASSEMBLY.
Đường dẫn điều
khiển
Mức lôgic Chức năng
E 0
1
Bộ hiển thị không được kích hoạt .
Bộ hiển thị được kích hoạt .
S/W 0
1
Ghi dữ liệu vào bộ hiển thị .
Đọc dữ liệu vào bộ hiển thị .
RS 0
1
Dữ liệu được dịch thành lệnh .
Dữ liệu được dịch ra thành kí tự .
ASSEMBLY là ngôn ngữ trung gian giữa ngôn ngữ cấp thấp(mã máy) và
ngôn ngữ cấp cao(pascal,visua C…)Ngôn ngữ assembly thay thế các mã
máy bằng các mã gợi nhớ giúp dễ nhớ và dễ lập trình.
Xuất dữ liệu(Data)ra cổng có địa chỉ address.
Mov dx,address
2.3.2 Ngôn ngữ C và visua C/9/
C và visua C là hai ngôn ngữ cấp cao được sử dụng rất rộng rãi trong các
kỹ nghệ lập trình phần mềm và phần cứng máy tính.
Xuất/nhập dữ liệu bằng lệnh OUT và INP hay(OUTPORT B,INPPORT B).
Trong visua C++ 6.0 có các hàm và thủ tục:
InP,OutP:đọc,xuất dữ liệu.
InPW,OutW:đọc,xuất một từ.
InPD,OutD:đoc,xuất một từ kép.
2.3.3 Ngôn ngữ Bascom.
Bascom là ngôn ngữ cấp cao được sử dụng rộng rãi.
Xuất dữ liệu ra.
Config Address = Output
Address = Data
Nhập dữ liệu vào.
Config Address = Input
Data = Address
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN
3.1 Phương pháp thực hiện phần cơ khí.
Qua tham khảo một số mẫu cân điện tử,cân công nghiệp,hình dạng một số
loại loadcell, kết hợp với loadcell và những vật liệu có sẵn để thiết kế ra mô
hình máy như sau:
Hình 3.1:mô hình khung bàn cân
Phương pháp thiết kế ra mô hình chủ yếu là phương pháp hàn, uốn,và
khoan.
3.2 Phương pháp thực hiện phần điện tử.
Thiết kế các mạch điện tử trên board mạch đa năng.
Thiết kế mạch khuyếch đại:Thiết kế mạch khuyếch đại trên bo mạch đa
năng,dùng đồng hồ đo các đầu vào,ra và một số chân cần thiết trên linh kiện.
Thiết kế mạch sử dụng vi điều khiển và hiển thị giá trị đo được ra LCD trên
board mạch đa năng.Đo các giá trị đầu ra cần thiết và test thử mạch.
Thiết kế mạch điều khiển động cơ.
Thiết kế,chế tạo và lắp ráp mạch.
Chạy thử mạch.
Chọn LCD hiển thị giá trị đo.
Viết chương trình, chạy thử và sửa chữa.
3.3 Phương pháp thực hiện phần mềm.
Vẽ lưu đồ giải thuật.
Thành lập công thức chung về tính khối lượng dựa trên điện áp ra
của loadcell.
Viết chương trình.
3.4 Phương tiện thực hiện đề tài.
Loadcell.
Máy vi tính cá nhân.
Board mạch đa năng.
Máy hàn chì.
Đồng hồ đo.
Cân đồng hồ dùng để kiểm tra lại giá trị đo.
Và một số dụng cụ cần thiết khác.
Chương 4KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 Thực hiên phần cơ khí.
4.1.1 khung bàn cân
Do loadcell có sẵn không phải mua,Dựa vào hình dạng và các thông số của
loadcell để thiết kế bàn cân.
Loại loadcell có sẵn thường được dùng trong cân bàn nên thiết kế bàn cân
như sau:
Khung bàn cân gồm có ba phần ghép lại,khung ở dưới cùng có gắn 4 chân
có điều chỉnh được độ cao nhờ vào 4 con bulong.
Hình 4.1:Bản vẽ lắp của cân
Khung bàn cân được thiết kế chủ yếu bằng thép ống hình vuông,riêng tấm
phẳng ở trên cùng được làm bằng tôn có độ dày 4mm,tấm phẳng này dùng để
gắn bồn chứa liệu và motor xả liệu.
Toàn bộ phần bồn chứa liệu và một phần khung bàn cân và cả motor xả liệu
đều được đặt trên bàn cân.Như vậy khi chưa cấp liệu vào bồn thì loadcell đã
bị đè tương ứng với một khối lượng bằng tổng khối lượng của khung bàn
cân,bồn chứa,motor xả.Khi viết chương trình phải trừ đi khối lượng trên.
Hai tấm khung của cân được gắn chặt vào hai mặt đối diện của loadcell.Khi
có khối lượng đè lên một mặt,loadcell chịu tác dụng lực (chịu uốn).Do đó các
điện trở của loadcell bị thay đổi dẫn đến điện áp ra của loadcell cũng thay đổi
theo.
Dưới đây là hình của khung bàn cân.
Hình 4.2: hình khung bàn cân
4.1.2 Bồn chứa liệu.
Vì vật liệu cần định lượng là vật liệu rời có kích thước hạt nhỏ nên chọn góc
nghiêng của bồn chứa liệu khoảng 30o đến 45o để đảm bảo vật liệu tự chảy
được.
Sau đây là hình vẽ bồn chứa liệu:
Hình 4.3 Bồn chứa liệu
Hình 4.4:Mô hình hoàn chỉnh
4.1.3 bộ phận xả liệu.
Bộ phận xả liệu là một vít tải được gắn ở đáy bồn chứa liệu.Sau khi định
lượng xong,motor kéo vít tải để xả hết liệu trong bồn chứa.
4.2 Thực hiện phần điện tử.
4.2.1 Chọn loadcell.
Tùy vào mục đích việc cần định khối lượng bao nhiêu kg mà ta chọn loại
loadcell có hình dáng và tải trọng tối đa cho phù hợp.
Nếu chỉ định lượng khối lượng khoảng vài chục kg thì ta nên chọn lọai
loadcell có tải trọng tối đa khoảng 100kg hoặc chênh lệch với khối lượng cần
định lượng từ 10 đến 20 kg,như vậy sẽ giảm được sai số.
Do loadcell có sẵn nên không phải mua.Trong đề tài này em sử dụng loại
loadcell có tải trọng tối đa là 500kg,với loại loadcell có tải trọng lớn như vậy
hơn nữa điện áp ra của loadcell rất nhỏ nên khi đặt những vật có khối lượng
nhỏ và khoảng chênh lệch nhau một vài kilogam thì hầu như điện áp ra không
thay đổi.Nếu dùng để cân những vật có khối lượng vài kilogam hoặc vài chục
kg thì không thể tránh được sai số.
4.2.2 Thiết kế mạch nguồn.
R 43 3 0
-5 V
U 4
L 7 9 0 5 / TO 31
2 3
GN
D
V I N V O U T
+5 V
C 2
1 0 u F
D 7
L E D
0
C 3
1 0 0 0 u F
C 1
1 0 0 0 u F
C 5
1 0 0 u F
0
0
- +
D 1
B R I D G E
2
1
3
4
J 4
C O N 2
12
R 93 3 0
0
0
U 3
L 7 8 0 5 / TO 3
1
2
3V I N
GN
D
V O U T
J 5
C O N 2
12
C 61 0 0 0 u F
00
0
0 0
0 D 6
L E D
0
J 3
A C in p u t
123
0
C 4
1 0 0 0 u F
Hình 4.5 sơ đồ mạch nguồn
Để loadcell có thể làm việc được cần tạo ra một nguồn nuôi cho
loadcell,trong đề tài sử sụng nguồn 5V để nuôi loadcell.Ngoài ra mạch chính
cũng cần có nguồn nuôi cho vi điều khiển,các mạch nguồn này được tích
hợp trên từng mạch.
Nguồn vào là nguồn AC 9V,trong mạch sử dụng hai ic l7805và l7905 để tạo
ra điện áp +5V và -5V.
Diode cầu dùng để chỉnh lưu.
Các tụ điện dùng trong mạch có chức năng lọc để điện áp ra thẳng hơn.
4.2.3 thiết kế mạch khuyếch đại tín hiệu.
Vì điện áp đầu ra của loadcell rất nhỏ thường thì chỉ 1 mV/V đến 3 mV/V,để
vi điều khiển đọc được tín hiệu ra từ loadcell ta phải sử dụng mạch khuyếch
đại tín hiệu đó lên nhiều lần rồi mới đưa tín hiệu điện áp vào vi điều khiển.
Nhất là với những loại loadcell chịu tải trọng lớn từ 500kg trở lên nếu ta đặt
vật có khối lượng nhỏ lên thì điện áp ra đo được sẽ rất nhỏ,nếu đặt hai vật có
khối lượng chênh lệch nhau một vài kg thì hầu như điện áp ra thay đổi không
đáng kể.Vì vậy việc thiết kế mạch khuyếch đại là rất quan trọng,
Trong mạch bên dưới sử dụng ba ic opm(op07) dùng để khuyếch đại,một
biến trở có chức năng điều chỉnh để đạt hệ số khuyếch đại mong muốn.Các
điện trở dùng trong mạch phải là các điện trở có sai lệch nhỏ(0.1%).
-5 v
V 1
R 7 1 0 0 k
R 31 0 0 k
J 2
C O N 2
12
0
+5 v
R 6
1 0 0 k
R 8
V o u t
J 1
1234
+
-
U 6
O P -0 7
3
26
74
18
LOADCELL
-5 v
RED
0
R 51 0 0 k
+
-
U 8
O P -0 73
26
74
18
+5 v
yellow
blue
R 2 1 0 0 k
-5 v
GReeN V 2
R 1 1 0 0 k
+
-
U 7
O P -0 7
3
26
74
18
+5 v
0
+5 v
a(mV)
Hình 4.6 sơ đồ mạch khuyếch đại
Trong sơ đồ mạch trên các điện trở R1 = R2 = R6 = R7 = 100k
Điện áp ngõ ra được tính bởi công thức:
Trong đó :V1,V2 là các giá trị điện áp từ loadcell .
+Rgain :giá trị của biến trở.
+Vout là điện áp sau khi đã khuyếch đại.Muốn giá trị điện áp bằng bao
nhiêu ta chỉ cần chỉnh biến trở để thay đổi Rgain.
Mạch khuyếch đại có thể khuyếch đại tín hiệu điện áp ngõ ra của loadcell
lên nhiều lần nhưng gía trị khuyếch đại này không vượt quá giá trị điện áp
nguồn nuôi cho loadcell.Ví dụ:điện áp nguồn nuôi cho loadcell là 5V thì giá trị
khuyếch đại tối đa phải nhỏ hơn hoặc bằng 5V.
Sau khi cắm thử mạch khuyếch đại trên board đa năng,sử dụng loadcell để
thử mạch,dùng đồng hồ đo điện áp sau khuyếch đại thấy mạch chạy tốt.Ta
tiến hành chạy mạch in và làm mạch.
Hình 4.7:Hình mạch in của mạch khuyếch đại
Sau khi hàn linh kiện xong ta thử lại lần nũa để kiểm tra mạch chạy đúng và
ổn định hay không,trong quá trình làm mạch ta nên làm đến đâu kiểm tra đến
đó để dễ phát hiện và sửa chữa.
4.2.4 Thiết kế mạch kết nối với LCD.(mạch chính)
Giá trị định lượng được hiển thị ra LCD là giá trị số,trong khi đó tín điện áp
ra từ loadcell là tín hiệu tương tự (analog).Do đó để hiển thị được giá trị kết
quả định lượng được ra LCD bắt buộc phải qua quá trình chuyển đổi từ tín
hiệu tương tự sang tín hiệu số.Có nhiều cách để làm được việc này như:dùng
mạch chuyển đổi A/D trong đó sử dụng các loại ic có chức năng chuyển đổi
A/D.Trong đề tài khhông thiết kế mạch chuyển đổi A/D mà dùng vi điều khiển
Atmega32.Vì Atmega32 là một trong những vi điều khiển có tích hợp sẵn bộ
chuyển đổi A/D.Trong Atmega32,port A gồm các chân từ 33 đến chân 40 là
các chân nhận tín hiệu dạng analog vào để thực hiện chuyển đổi A/D.
Nên việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số chỉ vấn đề viết
chương trình chuyển đổi cho nó.
5 V
C 2
3 3
C 2 01 u F
R 8
5 K
C 1 91 u F
J 9
C O N 8
12345678
J 6
CON8
12345678
J 7
C O N 8
12345678
5 V
C 61 u F
5 V
5 V
+9 VR 1 0
5 k
-
+
U 4 AL M 3 5 8
3
21
84
5 VJ 2
C O N 3
123
J 3
LCD Dis
lay 20x4
1234567891 01 11 21 31 4
C 1
3 3
J 4
Programm
er
123456
C 1 41 0 u F
R 61 0 0 k
5 V
5 VC 1 51 u F
U 1
A TM E G A 3 2
9
1 81 92 0
2 9
3 03 1
4 0
2 12 22 32 42 52 62 72 8
1 01 1
1 2
1 3
1 41 51 61 7
12345678
3 93 83 73 63 53 43 3
3 2R S T
P D 4 (O C 1 B )P D 5 (O C 1 A )P D 6 (I C P )
P C 7 (TO S C 2 )
A V C CA G N D
P A 0 / A D 0
P D 7 (O C 2 )P C 0P C 1P C 2P C 3P C 4P C 5
P C 6 (TO S C )
V C CG N D
XTA L 2
XTA L 1
P D 0 (R XD )P D 1 (TXD )P D 2 (I N T0 )P D 3 (I N T1 )
P B 0 / T0P B 1 / T1P B 2 / A I N 0P B 3 / A I N 1P B 4 / S SP B 5 / M O S IP B 6 / M I S OP B 7 / S C K
P A 1 / A D 1P A 2 / A D 2P A 3 / A D 3P A 4 / A D 4P A 5 / A D 5P A 6 / A D 6P A 7 / A D 7
A R E F5 V
1
J 1 1
C O N 8
12345678
Y 1
8 M H
5 V
J 8
C O N 3
123
J 1
C O N 8
12345678
Hình 4.8 Sơ đồ mạch kết nối với LCD
Trong mạch ở hình 4.8.LCD được kết nối với portB.
+R5 là biến trở để chỉnh độ tương phản của LCD.
+R10 dùng để chỉnh điện áp tham chiếu.
● Nguyên lý hoạt động của mạch:
Tín hiệu điện áp đã khuyếch đại sẽ đưa vào một trong tám chân của
portA.
PortA nhận tín hiệu điện áp đó,viêch chuyển đổi A/D và quá trình xử
lý ,tính toán và hiển thị giá trị định lượng được thực hiện bằng viết
chương trình để vi điều khiển thực hiện.
4.2.5 Thiết kế mạch điều khiển động cơ.
Trong đề tài sử dụng hai motor để cấp và xả liệu.
Sau đây là sơ đồ mạch điều khiển.
Hình 4.9 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ.
Nguyên lí hoạt động của mạch.
Ban đầu relay luân có điện áp 12V ở một chân.
Vì opto có cấu tạo gồm một diode quang và một transitor cho nên khi vi điều
khiển xuất tín hiệu ra chân số 2 và số 3 sẽ làm cho led phát quang và kích cho
con transistor dẫn,lúc này nguồn 12V chạy từ chân 4 sang chân 3 của
transistor để kích con transitor Q1 và Q2.Do đó dòng 12V qua cuộn hút của
lelay để kích cho motor.
Trong mạch sử dụng thắng động cơ vì khi đã cân đủ số cân cần cân thì
motor cấp liệu thì vi điều khiển sẽ ngắt nguồn kích relay làm cho motor cấp
liệu ngừng cấp liệu nhưng do quán tính nó sẽ quay thêm một ít nũa chính vì
vậy nó sẽ cấp thêm một lượng vì thế mà khối lượng sẽ tăng thêm.Để cân
được chính xác ta sử dụng thắng động cơ,khi đủ số cân rồi vi điều khiển sẽ
kích đồng thời hai tín hiệu để ngừng và thắng motor cấp liệu.
4.2.6 thiết kế mạch nạp cho vi điều khiển.
Có nhiều mạch nạp cho vi xử lí,trong đề tài sử dụng mạch nạp cổng com.
0
0D 15 v 1
0
0
D 25 v 1
R 1 4 k 7R 2 4 k 7
R 3 4 k 7
J 3
pro
gra
mm
er 1
23456
I S O 1
12
34
P 2
594837261
0
0
Hình 4.10 sơ đồ mạch nạp cổng com
4.2.7 thiết kế sơ đồ hệ thống đo.
Chọn sơ đồ khối hệ thống.
Trong tất cả các phương pháp đo bằng kỹ thuật số thì hầu hết đều có chung
sơ đồ hệ thống đo ở hình sau:
Hình 4.11 Sơ đồ nghuyên lý đo
Trong đề tài này đại lượng vật lí cần đo là khối lượng,tín hiệu điện là tín hiệu
điện thế.
Đại lượng vật lý được loadcell tiếp nhận và chuyển sang tín hiệu điện thế.
Do tín hiệu điện thế từ loadcell rất nhỏ khoảng 13mV/V đến 3mV/V và dải
biến thiên rất ngắn,để phù hợp với tính chất của bộ chuyển đổi A/D thì phải
cần đến mạch khuyếch đại tín hiệu.
Do kết quả đo được hiển thị ra ở dạng số cho nên phải có quá trình chuyển
đổi,xử lý rồi mới hiển thị ra kết qủa.
Đại lượng vật lý cần đo
Tín hiệu điện thế hoặc dòng điện dạng
analog
Khuyếch đại tín hiệu
Chuyển đổi A/D
Xử lý tín hiệu
Hiển thị kết quả
4.3 Lưu đồ điều khiển.
Lưu đồ giải thuật dưới đây dung để định lượng 50 kg.
đúng
sai
Hình 4.12 lưu đồ điều khiển
Start
Hiển thị tiêu đề
Tắt các tín hiệu dk motor
Ngừng motor xả liệu
Mở motor cấp liệu
Mở motor xả liệu
Hiển thị kl ra LCD
Thắng motor cấp liệu
Ngừng motor cấp liệu
If kl =50
stop
While kl >0
4.4 Viết chương trình.
Hiện nay có rất nhiều ngôn ngữ để lập trình cho vi điều khiển và vi xử lý,tùy
vào sở thích và thế mạnh của mỗi người chọn các ngôn ngữ khác nhau.Tong
đề tài này sử dụng ngôn ngữ bascom vì bascom là một trong những ngôn ngữ
thông dụng nhất được nhiều người sử dụng để lập trình cho vi điều khiển.
Giao diện đầu tiên của bascom khi viết chương trình.
Hình 4.13 Giao diện đầu tiên của bascom khi viết chương trình.
Giao diện khi đang viết chương trình
Hình 4.14 Giao diện khi đang viết chương trình.
Sau khi viết chương trình xong ta tiến hành nạp chương trình cho vi điều
khiển.
Dưới đây là giao diện khi nạp chương trình cho vi điều khiển.
Trong đề tài sử dụng mạch nạp cổng com,sử dụng phần mềm
ponyprog2000 để nạp cho vi điều khiển.
Hình 4.15 Giao diện khi đang nạp chương trình cho vi xử lý
Chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển trong đề tài để định lượng khối lượng là 50 kg,nếu
muốn định lượng khối lượng khác cần thay số 50 bằng khối lượng cần định
lượng vào và nạp lại chương trình cho vi điều khiển.
Dưới đây là chương trình:
$regfile = "m32def.dat"
$crystal = 8000000
'KHAI BAO CAU HINH VA KET NOI LCD
Config Lcd = 20 * 4
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portb.4 , Db5 = Portb.5 , Db6 = Portb.6 , Db7 =
Portb.7 , E = Portb.3 , Rs = Portb.2
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Config Pina.0 = Input
Config Portd = Output
'KHOI DONG ADC
Start Adc
'CHUONG TRINH CHINH
'HIEN THI CAC TIEU DE
Locate 1 , 1
Lcd "DH NONG LAM TPHCM"
Locate 2 , 4
Lcd "KHOA CK&N"
Locate 3 , 4
Lcd "CHUYENH NGHANH"
Locate 4 , 1
Lcd "DIEU KHIEN TU DONG"
Wait 6
Cls
Locate 1 , 1
Lcd "DE TAI TOT NGHIEP"
Locate 2 , 1
Lcd "UNG DUNG VDK"
Locate 3 , 1
Lcd "TRONG CAN TU DONG"
Wait 6
Cls
'khai bao bien
Dim Gtso As Word
Dim Gtsotrungbinh As Word
Dim Gtdienaptuongtu As Single
Dim Khoiluong As Single
Dim Hienthi As String * 20
Dim N As Integer
Dim Khoiluongsosanh As Word
'ngat tin hieu dieu khien motor
Reset Portd.3 'motor cap lieu
Reset Portd.5 ' motor xa lieu
Reset Portd.7 'thang motor cap lieu
Cls
Locate 1 , 2
Lcd "DANG CAN"
Locate 2 , 2
Lcd "KHOI LUONG:"
Locate 3 , 2
Lcd Hienthi
Locate 3 , 10
Lcd "kg"
Waitms 50
Do
'mo motor cap lieu
Set Portd.3 'motor cap lieu
Reset Portd.5 'motor xa lieu
Reset Portd.7 'thang motor cap lieu
'lay gia tri tuong tu da chuyen sang gia tri so va tinh trung binh
If Khoiluongsosanh < 50 Then
Locate 2 , 1
Lcd Hienthi
'momotor cap lieu
Set Portd.3
Reset Portd.5
Reset Portd.7
End If
'lay gia tri trung binh de tranh nhieu '
Gtsotrungbinh = 0
For N = 0 To 99
Gtso = Getadc(0)
Gtsotrungbinh = Gtso + Gtsotrungbinh
Next
Gtsotrungbinh = Gtsotrungbinh / 100
'CHUYEN DOI A/D
'tinh tro nguoc tro lai dien ap dau vao tuong tu
Gtdienaptuongtu = 1000 * Gtsotrungbinh '1000 mV dien ap tham
chieu
Gtdienaptuongtu = Gtdienaptuongtu / 1023
'tinh khoi luong
Khoiluong = 1.0989 * Gtdienaptuongtu
Khoiluong = Khoiluong - 13
Khoiluongsosanh = Khoiluong
'1.0989 la he so da lam tron va duoc xac dinh tu cong thuc:
(500*Gtdienaptuongtu)/(9.0905*50)
'500 la tai trong toi da cua loadcell
'50 la he so khuyech dai
'9.0905 la dien ap ra cua loadcell khi cap nguon nuoi 5V tuong ung voi tai trong
toi da
'13 la khoi luong cua ban can ban dau luan de len loadcell
If Khoiluongsosanh >= 50 Then
Reset Portd.3
Set Portd.7
Wait 1
Reset Portd.7
While Khoiluongsosanh > 0
Set Portd.5
Wend
End If
Reset Portd.5
Reset Portd.7
Set Portd.3
'ket qua co phan thap phan
Hienthi = Str(khoiluongsosanh)
Hienthi = Fusing(khoiluongsosanh)
Locate 2 , 1
Lcd Hienthi
Loop
End
Kết quả:
Sau khi hoàn thành phần cơ khí,phần điện tử và phần mềm điều khiển ta
tiến hành lắp các mạch vào ủ điện cho ổn định để tiến hành quá trình cân và
kiểm tra.Vì mô hình cân tự động chỉ là một phần trong qui trình sản xuất bột
trát tường do điều kiện không cho phép nên không tiến hành định lượng trên
hệ thống sản xuất được.Cho nên khi tiến hành quá trình định lượng và điều
khiển ta dùng vật đặt lên bàn cân thay cho quá trình vít tải cấp liệu.
Vì quá trình định lượng là đặt vật có khối lượng cần cân lên bàn cân do đó
không sử dụng đến motor cho nên ta nối ba role với ba bóng đèn để quan sát
quá trình điều khiển.Trong đề tài sử dụng ba role để điều khiển hai motor,trong
đó:hai role để điều khiển hai motor cấp và xả liệu một role để thắng notor cấp
liệu.
Sau đây là một số kết quả đạt được trong quá trình định lượng:
Người đo
Ngày thực hiện:
Khối lượng của vật(dùng cân
đồng hồ để cân)(kg)
Khối lượng cân được Sai số
KẾT LẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Kết luận:
Sau một thời gian thực hiện, đề tài đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra là:Thiết
kế cân tự động điều khiển bằng vi xử lý,chọn loadcell,thiết kế mạch khuyếch
đại,mạch hiển thị giá trị đo,mạch điều khiển motor,viết chương trình điều
khiển,cho mạch chạy và khảo nghiệm với độ chính xác tương đối cao,
Về phần cứng: Đã thiết kế mô hình máy phù hợp với loại loadcell có sẵn .
Về phần mềm:Đã viết được chương trình điều khiển theo yêu cầu,có thể
theo dõi các thông số khối lượng trên LCD.
Về phần cứng điện tử:các mạch điện tử hoạt động tốt,khả năng chống
nhiễu tương đối cao.
Đề nghị:
Có thể ứng dụng trong các quá trình sản xuất có liên quan đến định lượng
về khối lượng,nhất là trong khâu đóng gói sản phẩm như:đóng gói xi
măng,bột trát tường,và các sản phẩm rời ở dạng hạt có kích thước nhỏ.
Để định lượng chính xác hơn và chống nhiễu nên dùng thêm vài loadcell
nối song song,khi đó Mỗi loadcell tải một đầu ra độc lập, thường 1mV đến 3
mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng
loadcell.
