Bao cao do an

Thiết kế xây dựng hệ thống cân định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU.........................................................................................................................5
Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC.............................................................6
1.1. Khái niệm chung...........................................................................................................6
1.2. Các phương pháp đo lực ..............................................................................................6
1.2.1. Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng .....................................................................6
1.2.2. Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển ............................................... 14
1.3. Một số phần t ử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế ............ 16
1.3.1. Một số loadcell thông dụng .............................................................................. 17
1.3.2. Thông số kỹ thuật cơ bản ...................................................................................... 18
1.3.3. Ứng dụng của loadcell ...................................................................................... 19
Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................... 21
2.1. Yêu cầu, nội dung ...................................................................................................... 21
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thố ng đo ...................................................................................... 21
2.2. Lựa chọn thiết bị ........................................................................................................ 23
2.2.1. Vi xử lý trung tâm.............................................................................................. 23
2.2.2. Cảm biến Siwarex R .......................................................................................... 26
2.2.2.1. Giới thiệu chung ............................................................................................. 26
2.2.2.2. Một số họ của Siwarex R Loadcell .............................................................. 26
2.2.3. Sử dụng ADC nội của Atmega16 .................................................................... 28
2.3.1. Khối nguồn ......................................................................................................... 31
2.3.2. Khối khuếch đại (sử dụng INA125) ................................................................ 33
2.3.3. Khối hiển thị LCD ............................................................................................. 34
2.3.4. Khối giao tiếp máy tính..................................................................................... 35
2.3.6. Bàn phím ............................................................................................................. 38
2.3.6. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in ................................................................... 39
2.4. Thiết kế phần mềm .................................................................................................... 40
Nguyễn Thị Sâm – Dương Mạnh Tuấn – ĐLTH1-K52 Trang 1

2.4.1. Lập trình cho vi điều khiển AVR .................................................................... 40
2.4.1.1. Lưu đồ thuật toán............................................................................................ 40
2.4.1.2. Giới thiệu phần mềm và ngôn ngữ lập trình Codevision .......................... 41
2.4.2. Lập trình giao diện trên máy tính .................................................................... 42
Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH G IÁ SAI SỐ ......................... 49
3.1. Kết quả thực nghiệm: ................................................................................................ 49
3.2. Đánh giá sai số ........................................................................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 53

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đ ặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N) .........................................7
Hình 1.2. Ví dụ loadcell xuyến (cảm biế n đo lực nhỏ) ( <103N ) ......................................7
Hình 1.3. Một số loại tenzo .....................................................................................................8
Hình 1.4. Thân cảm biến ...................................................................................................... 12
Hình 1.5a. Cảm biến t ự do trọng lượng .............................................................................. 14
Hình 1.5b. Cảm ứng áp từ thay đổi đường dạng thể dưới tác dụng của biến dạng lực
chính xác................................................................................................................................. 14
Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo ............................................................................................. 15
Hình 1.7. Lực kế bằng dẫn nén............................................................................................ 15
Hình1.8. Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở .................................. 15
Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai ............................................................................................... 16
Hình1.10a. Một số loại loadcell thông dụng ...................................................................... 16
Hình1.10b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli ...................................................... 16
Hình1.10c. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo ................................... 16
Hình 1.11. Cân kĩ thuật ......................................................................................................... 19
Hình 1.12. Cân xe t ải ............................................................................................................ 20
Hình 1.13. Ứng dụng của loadcell trong cầu đường ......................................................... 20
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc Atmega16 .................................................................................... 23
Hình 2.2. Sơ đồ chân Atmega 16 ........................................................................................ 25
Hình 2.3. Một số dạng đ ầu đo của Siwarex R Loadcell ................................................... 26
Hình 2.4. Sơ đồ khối của ADC......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2.5. Giản đồ thời gian chuyển đổi của ADC ............................................................ 30
Hình 2.6. Sai số offset........................................................................................................... 30
Hình 2.7. Sai số khuếch đại ................................................................................................ 311
Hình 2.8a. Sơ đồ khối t ạo nguồn +5V ................................................................................ 32
Hình 2.8b. Sơ đồ khối t ạo nguồn -9V ................................................................................. 32
Hình 2.9. Sơ đồ khối khuếch đại ......................................................................................... 33
Hình 2.10. Ví dụ LCD ....................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 2.11. Sơ đồ khối Max485 ........................................................................................... 36
Hình 2.12. Sơ đồ khối bộ USART ...................................................................................... 38
Hình 2.13. Sơ đồ bàn phím 4x4 ........................................................................................... 39
Hình 2.14. Sơ đồ mạch in ..................................................................................................... 39
Hình 2.15. Giới thiệu phần mềm lập trình codevision .. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.16. Khởi tạo các Port vào ra, LCD, UART ........ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.17. Đăng nhập hệ thống ........................................................................................... 43
Hình 2.18. Giao diện chính .................................................................................................. 44
Hình 2.19. Form tìm kiếm .................................................................................................... 45
Hình 3.1. Mạch s au khi đã hoàn thiện ................................................................................ 45

LỜI NÓI ĐẦU
Trong sản xuất, dù là công nghiệp hay nông nghiệp để xác định được khối lượng
của một vật là vô cùng cần thiết. Từ xa xưa, ông cha ta đã biết so sánh khối lượng cần
biết với một vật mẫu. Trước kia chúng ta có các hệ thống đo khối lượng dùng đối
trọng hoặc lò xo bằng các kết cấu cơ khí, việc sử dụng các loại cân này rất cồng kềnh
và độ chính xác không cao. Ngày nay, các quá trình hệ thống hiện đại đòi hỏi phải có
độ chính xác rất cao trong việc đo lường của thiết bị. Vấn đề công nghệ đo phù hợp,
hiển thị chính xác các thông số đo lường hiện là vấn đề đang được rất nhiều các kỹ sư
tích hợp đo lường và điều khiển quan tâm. Lý do trên, TS. Nguyễn Thị Lan Hương
đã giao cho chúng em đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Thiết kế xây dựng hệ thống cân
định lượng sử dụng loadcell SIWAREX của SIEMENS”.
Đồ án tốt nghiệp là cơ hội cho mỗi sinh viên một lần nữa kiểm tra và đánh giá lại
kiến thức mà mình đã học được sau những năm trên ghế nhà trường, trước khi bước
vào làm việc ngoài xã hội. Trong quá trình thực tập và làm đồ án, chúng em đã được
cô TS. Nguyễn Thị Lan Hương và KS. Nguyễn Hoài Nam hướng dẫn, chỉ bảo tận
tình để chúng em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình.
Đồ án gồm các phần:
Lời nói đầu
Chương 1: Khái niệm chung về đo lực
Chương 2: Thiết kế hệ thống
Chương 3: Kết quả thực nghiệm và đánh giá sai số
Kết luận và hướng phát triển
Do sự eo hẹp về thời gian, do sự hiểu biết hạn chế của bản thân, mặc dù chúng
em đã rất cố gắng nhưng bản đồ án này còn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong nhận
được nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thày cô giáo, bạn bè và những người
quan tâm đến đề tài này.

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐO LỰC
1.1. Khái niệm chung
Phạm vi đo lực rất rộng, từ những giá trị rất nhỏ đến những giá trị lớn. Từ phép
đo tĩnh mà các lực tác động là những đại lượng không đổi đến những xung lực tác
dụng với tốc độ rất cao như sự va chạm sóng xung kích thực tế cho thấy có lực phải đo
có trị số từ 106 ÷108 N, nhưng có khi cần đo lực rất nhỏ 10-5 ÷10-12N, như vậy khoảng
đo có thể từ 10-12 ÷ 108 N, tức là phạm vi đo D = 1020. Không có một thiết bị nào có
thể đo được lực trong dải đo như vậy, ngay cả thiết bị đo hiện đại nhất, phạm vi đo
cũng không vượt quá D=104.
Người ta chia lực thành nhiều dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng các
phương pháp và các thiết bị khác nhau. Đặc biệt ở dải đo thấp 10-5N trở xuống phải
dùng các phương pháp đặc biệt để đảm bảo độ chính xác yêu cầu.
Đo lực có thể dùng các loại chuyển đổi khác nhau với các phương pháp khác
nhau, thông thường có hai phương pháp đo.
Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có hai đại
lượng vào tương ứng với các lực cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu
điện các thông số điện. Mạch đo và chỉ thị cho kết quả đo không thông qua hệ dẫn
truyền trung gian. Phương pháp đo gián tiếp, trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các
hệ dẫn truyền, biến lực thành di chuyển. Các chuyển đổi đo các lượng di chuyển từ đó
suy ra đại lượng cần đo.
Hai phương pháp trên được sử dụng rộng rãi, sử dụng phương pháp nào là tuỳ
thuộc vào yêu cầu và nhiệm vụ thực hiện chúng.
Mạch đo thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuyếch đại và chỉnh lưu.
Chỉ thị là các dụng cụ chỉ thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số.
1.2. Các phương pháp đo lực
1.2.1. Đo lực bằng lực kế kiểu biến dạng
Trong loại lực kế này, lực tác dụng F gây ra ứng suất và biến dạng, sau đó biến
dạng được biến thành điện áp hoặc tần số.
Đây là loại cảm biến biến đổi thẳng, như vậy đòi hỏi các khâu liên đới phải có
tính ổn định cao. Muốn vậy vật liệu làm phần tử đàn hồi phải thật ổn định, phải được
nhiệt luyện để cho tính lặp lại thật ổn định, giảm đến tối thiểu đặc tính trễ của vật liệu
với quá trình kéo nén và tăng nhiệt độ.
Hình dạng cấu tạo của phần tử đàn hồi phụ thuộc vào lực cân đo:
a) Đối với lực kế đo lực lớn, cấu tạo của lực kế như sau:

1
2
140
325
Hình 1.1 Ví dụ loadcell trụ đặc (cảm biến đo lực lớn) (>105N)
1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biến
Phần tử đàn hồi có dạng hình trụ. Do đó biến dạng được tính:
 
1
F
SE
(1.1)
Trong đó: S là tiết diện thanh đàn hồi
E là module đàn hồi của lõi thép (với thép Crom: E = 180 ÷ 220 KN/mm2
1  là biến dạng được chọn trong phạm vi đàn hồi
Để có cài 2 nhánh hoạt động, phải dán lên phần tử đàn hồi 2 cảm biến đo biến
dạng dọc theo chiều chịu lực của lực kế và 2 cảm biến vuông góc với góc bù nhiệt độ.
b) Đối với lực nhỏ ta thường dùng phần tử đàn hồi kiểu hình xuyến ống
2
1
90
114
Hình 1.2. Ví dụ locell dạng xuyến (cảm biến đo lực lớn) ( <103N )

1: Phần tử đàn hồi 2: Cảm biến

 
1 E
(1.2)
Với σ là ứng suất học xuất hiện trong phần tử biến dạng khi có lực nén.
c) Cảm biến đo biến dạng thường dùng là điện trở lực căng (tenzo)
Figure
0-1
Hình 1.3. Một số loại tenzo
Phân loại tenzo
Tenzo chia ra làm ba loại:
- Tenzo dây mảnh: dây có đường kính 0,02  0,03 mm được chế tạo bằng các vật
liệu : Nicrom, Constantan, hợp kim Platim-Iridi
- Tenzo lá mỏng được chế tạo từ một lá kim loại mỏng có chiều dày 0,004 
0,012mm nhờ phương pháp quang khắc
- Tenzo màng mỏng được chế tạo bằng cách cho bốc hơi kim loại lên một khung
với hình dáng định trước
Khi đo biến dạng
L 
  , tenzo được dán lên đối tượng đo, lúc đối tượng đo bị
L
biến dạng, tenzo biến dạng theo và điện trở của tenzo thay đổi một lượng R R  .

l
 

R

f
Ta có: 



l
R
Hay ( ) 1  f  R 
Mặt khác ta biết:
l
s
R  p.
Trong đó: s- tiết diện dây
l- chiều dài dây
p- điện trở suất của dây dẫn làm tenzo
Do đó:
R 
s
s


l
l

R






Hay: R l s        
Trong đó:
R  -Sự biến thiên tương đối của điện trở tenzo
l  -Sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích
thước hình học của tenzo
p  -Sự biến thiên tương đối của điện trở suất, đặc trưng cho sự thay đổi tính chất
vật lý của tenzo.
Trong cơ học ta biết: s p l K  . 2 (Kp – hệ số Poisson)
Nếu đặt εP=mεl (m là hệ số tỷ lệ) ta có:
1 ( 2 ) R l p   l  K  m  K
(1.3)
Đây là phương trình biến đổi tổng quát của tenzo


Độ nhạy của tenzo: 1 2 R
k    K 
m
P
l
Do ứng xuất có ở trong chi tiết cần nghiên cứu có liên quan với môđun đàn hồi E của
vật liệu làm chi tiết, ta có phương trình quan hệ giữa  và E như sau:



l
 


 
E
l
(1.4)
Do đó phương trình biến đổi của tenzo có thể biểu diễn dưới dạng:
K
R


 .
E
R 
R
(1.5)
Ứng suất cơ của chi tiết và dây dẫn chế tạo chuyển đổi không được vượt quá giới hạn
đàn hồi vì điều đó có thể dẫn đến sự thay đổi đặc tính của nó.
Tính chất của tenzo
Để các tenzo làm việc tốt trong thực tế, yêu cầu vật liệu chế tạo tenzo có độ nhạy.
Mặt khác hệ số nhiệt độ của tenzo cần bé, vì trong kim loại, độ biến dạng tương đối l 
trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10-3 do đó 1,25 10 r  . Tức là sự thay đổi
điện trở tương đối không được qua 1% khi đối tượng đo chịu ứng suất lớn nhất. Trong
khi đó sự đốt nóng điện trở có thể là điện trở của tenzo thay đổi một lượng cũng gần
bằng lượng điện trở do biến dạng. Vì vậy hệ số nhiệt độ của dây dẫn điện trở càng nhỏ
thì càng tốt, cần phải bù nhiệt độ trong mạch đo.
Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để kích thước của chuyển
đổi nhỏ.
Độ nhạy của các tenzo dây mảnh khác độ nhạy của vật liệu chế tạo ra vì trong
quá trình chế tạo răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo làm

độ nhạy giảm 25 30%. Muốn vậy phải tăng chiều dài tác dụng lo, mặt khác các phần
uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của tenzo gây sai số trong quá trình đo.
Hệ số nhiệt độ của tenzo khác hệ số nhiệt độ của đối tượng đo, khi nhiệt độ thay đổi,
gây biến dạng phụ trong quá trình đo. Các tenzo được dán lên đối tượng đo bằng các
loại keo dán đặc biệt.
Mạch đo
Dùng mạch cầu đo với nguồn cung cấp là nguồn: 1 chiều, xoay chiều, hay phân
áp. Mạch cầu đo có thể là mạch cầu 1 nhánh, 2 nhánh hay 4 nhánh hoạt động.
Mạch cầu đo một nhánh hoạt động
Tức là chỉ có một tenzo hoạt động. Mạch này có nguồn cung cấp là Uo, điện áp ra
UT:
RT - Điện trở tenzo
R  - Độ biến thiên tương đối của điện trở tenzo khi bị biến dạng
R1, R2, R3 -Điện trở mắc vào cầu đo
k- Độ nhạy của vật liệu làm tenzo
Ta có điện áp ra:
R R R R
(1  
)
   
R TO
3 2 4
(1 
) ( )
 
R R R R
     4 2 3
(1.6)
U U k
  
T o
R TO
Ta chọn R2 =R3 =R4 = RTO = R với RTO - Điện trở tenzo khi chưa bị biến dạng.
Điện trở tenzo RT biến thiên một lượng R và khi đó:
T TO R  R  R
UO
R R
R
RT
UT
U R
o

U   k

4
T
R
TO
(1.7)
Mạch cầu đo hai nhánh hoạt động
Là mạch cầu đo trong đó hai nhánh cầu đều được dán tenzo và cùng hoạt động.
Mạch này có nguồn cung cấp là Uo, điện áp ra UT. Khi điện áp ra của mạch cầu đo
tăng gấp hai lần:

UO
R
RT
UT
U R
O
U k
  
2
T

R
TO
(1.8)
Với mạch cầu đo này bù nhiệt độ tốt hơn.
Sai số do nhiệt độ bị loại trừ.
Mạch cầu đo bốn nhánh hoạt động
RT
R
Cả bốn nhánh đều được dán tenzo, khi đó điện áp ra của mạch cầu đo là lớn nhất
và tăng gấp 4 lần so với trường hợp một nhánh hoạt động.
U U k
  
T 0
R

R
TO
(1.9)
Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tenzo:
Sai số và phạm vi ứng dụng: Sai số của thiết bị đo dùng Tenzo chủ yếu do độ
chính xác khắc độ của Tenzo. Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc mà chúng được
chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ.
Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác. Sai số về
điều này có thể đạt tới 1 – 5%.
Khi chuẩn trực tiếp cảm biến với mạch đo sai số có thể giảm đến 0,2 – 0,5% khi
đo biến dạng tĩnh và 1 – 1,5% khi đo biến dạng động. Ngoài ra còn có sai số biến dạng
dư của keo dán khi sấy khô, do sự dãn nở khác nhau giữa cảm biến và chi tiết dán.
Các cảm biến loại này dùng để đo lực, áp suất, momen quay, gia tốc và các đại
lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn
(1÷2)10
7
N/m
2
.
Sai số vì dán:
Cảm biến điện trở có thể được dán trực tiếp lên đối tượng cần đo hoặc lên phần
tử biến dạng của cảm biến đo cần chế tạo. Kết quả của quá trình dán được gọi là hoàn
hảo khi và chỉ khi cảm biến đo tiếp bám trung thành mọi biến dạng của đối tượng cần
đo hoặc của phần tử biến dạng trong cảm biến đo. Ngược lại, nếu cảm biến đo không
tiếp bám được biến dạng của vật thể cần đo thì khi ấy hiện tượng bò (trượt) xuất hiện
và gây nên sai số đo.
Bằng quy trình và công nghệ dán hợp lý có thể loại trừ được ảnh hưởng của sai
số vì dán. Quy trình và công nghệ dán phụ thuộc vào kinh nghiệm và thực nghiệm của
chuyên gia trong lĩnh vực này. Song điều cốt lõi là phải chọn keo, xử lý bề mặt hợp lý,

đặt cảm biến chính xác và phải tuân thủ quy trình tẩm phủ, sấy khô...Khi chọn keo dán
tem cần phải hết sức lưu ý các yêu cầu sau:
- Mô đun đàn hồi của keo phải gần trùng với mô đun đàn hồi của vật liệu được
dán cảm biến.
- Sau khi dán, keo không thay đổi thể tích, không nứt rỗ, không bọt, không có bất
kỳ phản ứng hoá học nào.
- Liên kết tốt giữa cảm biến với phần tử biến dạng hoặc đối tượng cần đo.
Sai số vì nhiệt:
Độ nhạy cảm của tổ hợp phần tử biến dạng và cảm biến được tính bằng biểu
thức: S = R.g/E. Trong khi ấy, phương trình biểu diễn sự phụ thuộc vào nhiệt độ của
điện trở tem là: R = R..T; với  là hệ số nhiệt điện trở và T là số gia biến đổi
nhiệt độ.
Với tác động của đầu vào là biến đổi nhiệt độ và đầu ra là biến đổi điện trở thì độ
nhạy của chuyển đổi này được tính theo định nghĩa là:
 
 
S
d 
R
d 
T
R T  

(1.10)
Như ví dụ ở mục trước đã xét, độ nhạy S của chuyển đổi tổ hợp cảm biến với
phần tử biến dạng bằng thép có độ lớn với số mũ là 10-4, điện trở bằng Konstantan có
hệ số  với số mũ là 10-5 /0C, để tiện so sánh hãy lấy điện trở gốc của cảm biến vẫn là
100 Ohm. Vậy độ nhạy của chuyển đổi do biến đổi nhiệt tác động ST sẽ có độ lớn với
số mũ là 10-3. Điều đó nói lên rằng: Độ nhạy của cảm biến do tác động của gia số biến
đổi nhiệt 1oC gây ra lớn gấp mười lần so vơí độ nhạy của cảm biến do tác động của
ứng suất 1kG/cm2 gây ra trên tổ hợp cảm biến đo với phần tử biến dạng.
b) Biến dạng có thể đo bằng cảm biến dây căng
Cấu tạo của cảm biến dây căng:
5
274.0000
56.0625
10
1
9 8
2
6
11
7 3
40.0801
Hình 1.4. Thân cảm biến
2,3 - Đầu để hiệu chỉnh tần số ban đầu của dây căng;
4 - dây căng;
5,6,7- Vít để giữ đầu dây căng
8,9- Vít chỉnh lực dây căng

1
2
E

e s
e
f
J
 

(1.11)
Trong đó: e = biến dạng dải cần đo
E là mô đun đàn hồi dây căng
S = tiết diện dây căng
J = mô men quán tính của dây căng
Khi dao động từ trường, dây căng cảm ứng ra sức điện động, gây ra dao động
điện áp ở đường chéo cầu, điện áp này được khuếch đại và cung cấp cho cầu do biến
dạng. Đấy là một mạch phát có tần số f1 phụ thuộc ɛ1 tức vào lực F tác dụng lên phần
tử đàn hồi.
Do Δf1 = f1 – fo ta suy ra được F
Với f1 = tần số khi có tác động của lực F
Δf1 = f(F) được xác định từ công thức thực nghiệm dung để khắc độ lực kế
Quan hệ này không tuyến tính, t có thể bù đặc tính phi tuyến của lực kế bằng
phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
e) Lực kế áp điện và áp từ
Gốm áp điện có thể coi là hộp cộng hưởng dung trong các mạch phát tần số, có
độ ổn định cao.
Tần số này thay đổi theo biến dạng hay theo lực tác động lên 2 mặt của điện cực.
Ta có thể dung cảm biến này để đo lực (cụ thể là đo áp suất: F=PS).
P - áp suất ; S là diện tích bề mặt cảm biến áp điện.
Δf = f(F)
Trong trường hợp này, ta phải loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đến tần số cộng
hưởng của tần cảm biến và phải có mạch bù nhiệt độ.
Ta cũng có thể đo áp suất qua hiệu ứng ngược áp điện: q = d1F
Với: q = điện tích ở cực của cảm biến
d1 = hằng số áp điện của cảm biến, theo chiều trục cơ
F = lực tác động lên mặt của cảm biến
Đối với phần tử áp từ cũng vậy. Dưới tác dụng của lực tác dụng, từ thẩm của vật
liệu áp từ thay đổi làm thay đổi điện cảm hoặc hỗ cảm của cuộn dây.
f F
( )
L

L

(1.12)
Cảm biến áp từ dùng để đo trọng tải lớn.
Biến thiên điên cảm hoặc hỗ cảm có thể dung trong sơ đồ cầu hay biến áp vi sai
thành điện áp:

p
p
p
p
Hình 1.5a. Cảm biến tự do trọng lượng
ω2
ω1
ω2
ω1
P = 0
P # 0 r
90
ω1
ω2
U = const
E2 = f(F)
Hình 1.5b. Cảm ứng áp từ thay đổi đường dạng thể dưới tác dụng của biến dạng lực
chính xác
Cảm biến có đường đặc tính trễ lớn nên tính ổn định thấp.
Vật liệu Mô đun đàn hồi (Kg lực/mm2)
Germani (Ge) – Loại n 155
Germani – Loại p 155
Silic (S) – Loại n 130
Silic (S) – Loại p 190
Thép Crom 180 ÷ 220
Bảng 1: Mô đun đàn hồi của một số vật liệu.
1.2.2. Đo lực bằng lực kế kiểu biến thành di chuyển
Một phần tử hay một dầm đàn hồi, lúc chịu tác dụng của một lực, sẽ có biến dạng
và tạo ra di chuyển.
Đây là một hình thức khác của sự biến dạng, nhưng có những thuận lợi hơn là có
thể nghiên cứu các kết cấu gây ra biến dạng ổn định và có giá trị lớn hơn bản thân biến
dạng, nâng cao khả năng phân ly của thiết bị.

a) Kết cấu:
Kết cấu đơn giản nhất của lực kế này là một thanh đàn hồi cố định một đầu, đầu
kia cho tác dụng lực F.
Để đảm bảo tính ổn định cao, ta có thể dung dần kép
Hình1.6. Lực kế bằng dẫn kéo
Với những lực lớn hơn, ta có thể dung cơ cảm hình xuyến:
Hình 1.7. Lực kế bằng dẫn nén
Cấu tạo của lực kế 2 dầm kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở:
Hình1.8. Lực kế bằng dẫn kéo 2 đầu dùng với cảm biến biến trở
b) Đo di chuyển:

Cơ cấu đàn hồi biến lực thành di chuyển bây giờ phải bố trí để đo di chuyển này,
với độ chính xác cao. Cảm biến thường dung ở đây là cảm biến điện cảm, có độ nhạy
cao, phân ly lớn, Cảm biến được gắn cuộn dây phần đỉnh lên điểm cố định ngoài dầm,
lõi thép di chuyển được gắn vào dầm và có thể chuyển động trong cuộn dây phần tĩnh,
F
L1
L2
δ
Hình1.9. Sơ đồ hỗ cảm vi sai
Ta có:
E 
E
1 2
2
U
 
(1.13)
o k o k M M I M M I
( ) ( )
      
2
U
 
(1.14)
Δ V = ΔMωJk (1.15)
Trong đó: ΔM = biến thiên hỗ cảm lúc lõi thép di chuyển.
ω = tần số nguồn cimh cấp
Ik = dòng kích từ sơ cấp
ΔM = f(δ)
Như vậy ΔU = g(δ)
Quan hệ này không tuyến tính cho nên phải bố trí bù sai số phi tuyến.
1.3. Một số phần tử cân định lượng trong công nghiệp và ứng dụng thực tế
Bản chất phần tử cân định lượng là đo lực đã được trình bày ở chương trên.
Chương này chỉ trình bày những phần tử thương phẩm và ứng dụng trong thực tế.

1.3.1. Một số loadcell thông dụng
Hình 1.100a. Một số loại loadcell thông dụng

Hình 1.110b. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Keli
Hình 1.120c. Ví dụ loadcell thông dụng của hãng Mettler Toledo
1.3.2. Thông số kỹ thuật cơ bản
- Độ chính xác: Cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ
thuộc vào tính chất phi tuyến, độ trễ, độ lặp.
- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà loadcell có thể đo được.
- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra loadcell được bù vào. Nếu nằm
ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kỹ thuật đã
được đưa ra.
- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP (Ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và
bụi).

- Điện áp cung cấp: giá trị điện áp làm việc của loadcell (thông thường đưa ra giá
trị nhỏ nhất và lớn nhất. Ví dụ: 5÷15V)
- Độ trễ: hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường
được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào
- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa
lớp vỏ kim loại của loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
- Giá trị đầu ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).
- Trở kháng đầu ra: Cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và Ex- trong
điều kiện loadcell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
- Quá tải an toàn: là công suất mà loadcell có thể vượt qua.
- Hệ số tác động của nhiệt độ: đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi
công suất của loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ (ví dụ: 0.01%/10oC: nghĩa là nếu nhiệt
độ tăng thêm 10oC thì công suất đầy tải của loadcell tăng thêm 0.01%).
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống hệ số tác động của nhiệt độ nhưng
ở chế độ không tải.
1.3.3. Ứng dụng của loadcell
Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của loadcell là được sử dụng trong các
loại cân điện tử hiện nay.
Hình 1.11. Cân kĩ thuật
Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới
những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải.
Cân xe tải là cân động. Để cân được một vật có trọng tải lớn và đang di chuyển
yêu cầu đầu đọc loadcell phải có độ chính xác và độ bền cao.

Hình 1.12. Cân xe tải
Một số ứng dụng khác:
- Trong ngành công nghệ cao:
Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại loadcell cỡ nhỏ cũng được
cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Như hình minh hoạ, loại loadcell
này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động
vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.
- Ứng dụng trong cầu đường:
Các loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell
được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong
các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi
đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị
truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu.
Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.
Hình 1.13. Ứng dụng của loadcell trong cầu đường

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Yêu cầu, nội dung
Thiết kế hệ thu thập số liệu đo, ghép nối và truyền thông với máy tính.
Thông số kỹ thuật chính:
Độ nhạy: 2mV/V
Khoảng đo: 0÷50Kg
2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống đo
Hệ thống có sơ đồ như sau:
LCD
ĐỐI
TƯỢNG
ĐO
CẢM
BIẾN
MẠCH
CẦU
KHUẾCH
ĐẠI
NGUỒN
KÍCH CHO
CẦU &Vref
(5V DC)
NGUỒN
VXL
(5V DC)
ADC
10bit
VI XỬ LÝ
MẠCH GIAO
TIẾP MÁY
TÍNH
(RS485)
PC
PHÍM
CHỈNH 0

Hoạt động của hệ thống:
Cảm biến gồm 4 tenzo được nối với nhau thành một mạch cầu. Khi không có lực
tác động, mạch cầu này ở trạng thái cân bằng, điện áp ra bằng 0. Khi có đối đượng đo
đặt lên, lực sẽ tác động làm thay đổi chiều dài của tenzo. Bên trong cảm biến lúc này
mạch cầu sẽ bị lệch và sẽ tạo ra điện áp. Tuy nhiên, điện áp này rất nhỏ, ADC không
thể đọc được. Vì vậy cần phải đưa qua một khâu khuếch đại trước khi đưa vào ADC.
Từ giá trị điện áp sau khi qua ADC10 bit sẽ chuyển thành giá trị số 0 ÷ 1024. Từ giá
trị số này sẽ được quy đổi ra khối lượng, sau đó hiển thị lên LCD và truyền lên máy
tính.
Nguồn cấp cho cầu đồng thời cũng là nguồn cấp cho Vref của ADC vì vậy sẽ
giảm được sai số.
R R
U
cc U
U x U
U
R
U
U R
cc
.
4
x
U

VXL
ef r U
 (2.1)
R
.1024 x
 (2.2)
ef
ADC
r
U
N
U
R
U
Có:Ucc = ref U
Thay (2.1) vào (2.2) cc U và ref U sẽ triệt tiêu cho nhau:
R
.1024
ADC
N
R


(2.3)

2.2. Lựa chọn thi ết bị
2.2.1. Vi xử lý trung tâm
ATmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với khả năng thực hiện
mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1
MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz).
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc Atmega16

Tính năng của họ AVR :
- Giao tiếp SPI đồng bộ.
- Các đường dẫn vào/ra (I/0) lập trình được.
- Giao tiếp I2C.
- Bộ biến đổi ADC 10 bit.
- Các kênh băm xung PWM.
- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by ... vv.
- Một bộ định thời Watchdog.
- 3 bộ Timer/Counter 8 bit.
- 1 bộ Timer/Counter 16 bit.
- 1 bộ so sánh analog.
- Bộ nhớ EEPROM.
- Giao tiếp USART ... vv.
Atmelga 16 có đầy đủ tính năng của họ AVR:
- Bộ nhớ 16K(flash).
- 512 byte (EEPROM).
- 1K (SRAM).
- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT
A,B,C,D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.
- Giao tiếp SPI.
- Giao tiếp I2C.
- Có 8 kênh ADC 10 bit.
- 1 bộ so sánh analog.
- 4 kênh PWM.
- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ Timer/counter 16 bit.
- 1 bộ định thời Watchdog.
- 1 bộ truyền nhận UART lập trình được.
Atmega16 là hệ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ năng lượng ít dựa trên kiến trúc
RISC. Bằng cách thực hiện các lệnh mạng trong 1 chu kỳ xung nhịp, Atemega16 đạt
được tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 1 triệu lệnh / giây với tần số 1MHz cho phép người
thiết kế hệ thống tối ưu mức tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý.
Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng, tất cả 32
thanh ghi này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh
ghi độc lập được truy cập bằng 1 lệnh đơn lẻ trong 1 chu kì xung nhịp. Kết quả là tốc
độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường.

Hình 2.2. Sơ đồ chân Atmega 16
Mô tả các chân :
- Vcc và GND là 2 chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động.
- Port A,B,C,D: là các cổng vào ra 8 bit, các chân của cổng có điện trở nối lên
nguồn dương. Các chân ra của cổng cho phép dòng đi qua. Khi các chân là ngõ vào và
được đặt xuống mức thấp ở bên ngoài, chúng sẽ là nguồn dòng nếu các điện trở nối lên
nguồn dương được kích hoạt. Các chân Port A,B,C,D là 3 trạng thái khi tín hiệu reset
ở mức tích cực ngay cả khi xung nhịp không hoạt động. Riêng Port A còn có chức
năng là các ngõ ra tương tự và đưa đến bộ chuyển đổi AD.
- Reset đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống.
- 2 chân Xtal1, Xtal2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân này
được nối với thạch anh, tụ gốm.
- Chân Vref thường nối lên 5v(Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sử
dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định. Có thể sử
dụng diode zener.
- Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này nối
qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi.
- ICP1 là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ timer/counter 1.
- OC1B là chân ra PWM, ngõ so sánh của timer/counter1.
- ALE là chân tín hiệu cho phép chứa địa chỉ được dùng để truy cập bộ nhớ ngoài.

2.2.2. Cảm bi ến Siwarex R
(Trong phòng thí nghiệm đã có sẵn)
2.2.2.1. Gi ới thi ệu chung
Siwarex R là loại cảm biến đo trọng lượng dùng điện trở lực căng (hay còn được
gọi là Straingauges hoặc Piezoresistive). Chúng được dùng để đo các đại lượng đo
lường như: khối lượng động, khối lượng tĩnh.
- Siwarex R Loadcell rất đa dạng về chủng loại với dải đo từ 0 ÷ 280 tấn. Với dải
đo này Siwarex R cho phép đo hầu hết các ứng dụng trong công nghiệp.
- Đối với mỗi họ Siwarex R có một dải đo nhất định.
- Sử dụng thành phần thép tinh khiết có mật độ chống oxy hóa cao.
- Dễ dàng kết hợp với các module, dễ dàng lắp ghép và tháo rời.
- Các họ chính của Loadcell Siwarex R gồm: CC, K, RN, BB, SB.
2.2.2.2. Một số họ của Siwarex R Loadcell
Hình 2.3. Một số dạng đầu đo của Siwarex R Loadcell

Nhóm CC, K, RN: Điện trở Straingauges dán trên thanh giá đỡ là một thanh dán
đặc biệt, có khả năng đàn hồi, tức là có khả năng trả lại vị trí cũ khi không chịu tác
dụng của lực (Self-aligning bearing).
Các thông số của họ Siwarex R:
Cảm biến tại phòng thí nghiệm thuộc họ BB
Nguyên lý của Siwarex R BB serials:
Nguyên lý: Khi lực tác dụng vào phần động của cầu làm cho lõi thép biến dạng,
các điện trở Tenzo phía trên bị giãn ra làm cho điện trở của chúng tăng lên, các điện

trở Tenzo phía dưới co lại làm cho điện trở của chúng giảm đi. Với các đấu các tenzo
trong cầu theo kiểu không đối xứng làm cho độ nhạy của cầu tăng lên.
Lợi dụng đặc tính này mà trong hệ truyền lực sửa dụng loadcell, ta có thể tính
theo bài toán lực tĩnh, toàn bộ lực sẽ đặt lên các loadcell không bị tản mát, tạo nên độ
chính xác cao của phép đo.
Nếu như ta đưa một điện áp chuẩn, không đổi vào hai đầu của một nhánh cầu, thì
ở hai đầu nhánh cầu còn lại ra sẽ thu được một điện áp ra tỷ lệ với lực tác dụng cần đo.
Cảm bi ến có các thông số sau:
- Chịu tải trọng: 50Kg
- Độ nhạy: 2mV/V
- Vùng điện áp cung cấp: 5V÷15V
- Giá trị dung sai: 1%
- Hệ số nhiệt độ: 0.05%/oC
- Sai số: 0.1%
- Vùng nhiệt độ hoạt động: -40oC ÷ 80oC
- Vùng nhiệt độ lưu trữ: -40oC ÷ 90oC
- Điện trở đầu vào: 460Ω ± 50Ω
- Điện trở đầu ra: 350Ω ± 35Ω
- Điện trở cách điện ≥ 5000 MΩ
- Điện trở của cảm biến: 350Ω
2.2.3. Sử dụng ADC nội của Atmega16
Tính năng của ADC:
- Độ phân giải 10 bit.
- Mức độ lượng tử 0.5 LSB.
- Sai số tuyệt đối 2 LSB.
- Thời gian chuyển đổi 13 ÷ 260ns.
- Lên đến 15kSPS ở độ phân giải tối đa.
- 8 kênh vào đơn cực.
- 7 kênh vào vi sai.
- 2 kênh vào vi sai với hệ khuếch đại có thể lựa chọn 10x và 20x.
- Tầm điện áp vào 0 ÷ Vcc.
- Điện áp chuẩn 2.56V cho ADC sẵn để lựa chọn.
Atmega16 có ADC xấp xỉ liên tiếp 10 bit. ADC được nối với bộ dồn kênh 8 ngõ vào,
nó cho phép 8 điện áp ngõ vào đơn cực từ các chân Port A. Các ngõ vào đơn cực được
so sánh với 0V (GND).

Hình 2.4. Sơ đồ khối của ADC
Hoạt động:
ADC chuyển giá trị điện áp Analog vào sang giá trị số 10 bit bằng phương thức
xấp xỉ liên tiếp. Giá trị nhỏ nhất tương ứng với GND và giá trị lớn nhất tương ứng với
điện áp trên AREF trừ đi 1 LSB. Bằng việc thay đổi giá trị các bit REFSn trong thanh
ghi ADMUX, ta có thể chọn AVCC hay điện nguồn chuẩn 2.56V bên trong hoặc điện
áp tham chiếu bên ngoài nối đến AREF của ADC.

Hình 2.5. Giản đồ thời gian chuyển đổi của ADC
Độ chính xác của ADC:
ADC chuyển đổi điện áp trong tầm từ GND đến VREF trong 2n bước. Giá trị
chuyển đổi nhỏ nhất là 0 và lớn nhất là 2n - 1.
Một vài thông số mô tả sự sai lệch so với giá trị lý tưởng:
- Offset: Độ lệch của lần chuyển đổi đầu tiên (0x0000 ÷ 0x0001) là 0.5 LSB.
Hình 2.6. Sai số offset

- Gain Error: Sau khi hiệu chỉnh offset thì Gain Error được phát hiện ở lần chuyển đổi
cuối cùng (0x3FE ÷ 0x3FF) là 1.5 LBS.
Hình 2.7. Sai số khuếch đại
Kết quả chuyển đổi ADC: Sau khi quá trình chuyển đổi kết thúc, kết quả chuyển
đổi nằm trong thanh ghi ADC result (ADCL.ADCH).
Với đầu vào đơn cực thì kết quả là:
*1024
Vin
ADC
Vref

(2.4)
Với đầu vào vi sai thì kết quả là:
(Vpos Vneg).GAIN.512
ADC
Vref


(2.5)
2.3.1. Khối nguồn
Điện áp lưới 220V qua Adapter tạo nguồn 9V DC, điện áp đưa qua IC ổn áp
chuyên dụng cung cấp nguồn 5V cho các thiết bị ngoại vi trong mạch và cung cấp
nguồn -9V cho IC khuếch đại INA125. Do mạch cấp nguồn cho vi điều khiển và các
thiết bị ngoại vi với mỗi khối chức năng ta cung cấp nguồn để nuôi các thiết bị trong
mạch với công suất không quá lớn nên ta sử dụng IC ổn áp 3 chân 7805 cấp nguồn
+5V và ICL7660 cấp nguồn -9V.
Sơ đồ mạch được vẽ như sau:

Hình 2.8a. Sơ đồ khối tạo nguồn +5V
Hình 2.8b. Sơ đồ tạo nguồn -9V

2.3.2. Khối khuếch đại (sử dụng INA125)
Do tín hiệu ra của loadcell rất bé nên ta phải dùng khuếch đại trước khi đưa
vào xử lý, như vậy để kết quả cân phản ánh chính xác nhất thì mạch khuếch đại
phải đảm bảo nhưng yếu tố sau:
- Khuyếch đại tuyến tính
- Có khả năng khuyếch đại điện áp sai biệt của 2 ngõ vào.
- Có khả năng chống nhiễu tần số công nghiệp.
Chính vì những yếu tố trên nên ta dùng bộ khuếch đại đo lường. Bộ khuếch đại đo
lường còn có những ưu điểm sau:
- Trở kháng lối vào rất lớn: khác với các bộ KĐ trừ đơn giản, mạch lối vào và
mạch phản hồi cách ly với nhau. Nguồn tín hiệu bị chịu tải chỉ bởi dòng lối vào của
tầng khuyếch đại đo lường.
- Có nhiễu không đáng kể ở các bộ khuếch đại trừ đơn giản, các nguồn có nhiễu
gây ra ảnh hưởng độc lập với nhau:
+ Có nhiễu vì nhiệt của điện trở lối vào.
+ Có nhiễu riêng ở lối vào.
+ Có nhiễu do dòng lối vào của khuếch đại thuật toán.
- Các thành phần có nhiễu được khử đi hoặc là hạn chế khi sử dụng một tầng
khuếch đại đo lường.
- Độ không tuyến tính của hệ số khuếch đại không đáng kể.
- Việc đặt hệ số khuếch đại rất đơn giản. Hệ số khuếch đại có thể thay đổi khi ta
thay đổi các giá trị điện trở.
Ta có sơ đồ mạch như sau:
Hình 2.9. Sơ đồ khối khuếch đại

Tính toán hệ số khuếch đại:
Do: Nguồn cung cấp = 5V
Độ nhạy của cảm biến là 2mV/V
Nên áp ra tối đa của cảm biến là: 5V*2mV/V = 10mV
Chọn Vref = 5V.
Chọn kênh ADC 0 ở chế độ đơn kênh. Ta có:
*1024
Vin
ADC
Vref

Trọng lượng tối đa 50kg ứng với 1024 mức.
Vậy điện áp ra lớn nhất của loadcell Vin = 5V
 Cần khuếch đại tín hiệu đầu ra của Loadcell là 10mV lên 5V.
Vậy hệ số khuếch đại là: G = 5V/10mV = 500.
Mà ta có:
K
60
 4

R
G
G

 RG = 121Ω.
2.3.3. Khối hiển thị LCD
Hình 2.10. Ví dụ LCD
Chức năng của LCD trong các thiết bị điện tử đảm nhận vai trò hiển thị các thông
số, các thông tin muốn nhập vào hay các thông tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt
động được hiển thị ra màn hình, giúp người sử dụng giao tiếp gần hơn với quá trình
hoạt động của hệ thống.
Loại LCD thường sử dụng là SD – DM1602A là một màn hình LCD đơn sắc,
hiển thị được 2 dòng với khả năng hiện thị được các kí tự trong bản mã ASCII mở

rộng. Nó cho phép hiển thị dữ liệu trực tiếp trên bản mạch chúng ta đã chế tạo mà
không cần kết nối tới máy tính. Việc đấu nối thiết bị này hết sức đơn giản. Sau đây là
bảng thống kê số chân và chức năng của nó :
Các chân LCD
2.3.4. Khối giao ti ếp máy tính
Trong đồ án, chúng em sử dụng Max485.
Thông thường các họ vi xử lý có ngõ truyền thông theo mức TTL. Và các thiết bị
đầu cuối khác (DTE ) có cổng truyền thông là RS232. Để có thể nối mạng các thiết bị
này ta phải chuyển từ TTL RS232 sang RS485.
Để thực hiện việc chuyển đổi này có rất nhiều vi mạch trên thị trường, nhưng họ
vi mạch của hãng MAXIM là phổ biến nhất hiện nay. Đó là MAX 481, MAX 483,
MAX 485, MAX 487, MAX 488, MAX 489, MAX 490, MAX 1487.
Tiêu biểu là vi mạch MAX 485, nó chuyển từ mức TTL sang RS_485 , truyền
theo phương pháp Half_Duplex.
Đặc đi ểm :
RS485 là chuẩn giao tiếp nối tiếp bất đồng bộ cân bằng, sự truyền thông tin trên
dây xoắn đôi bán song công ( Half _ duplex) , nghĩa là tại một thời điểm bất kỳ trên
dây truyền chỉ có thể là một thiết bị hoặc là truyền hoặc là nhận.
RS485 cho phép 32 bộ truyền trên bus.
RS485 có ngõ ra 3 trạng thái.
RS485 cho phép tốc độ truyền tối đa là 2.5Mbps.

Sơ đồ chân:
Hình 2.11. Sơ đồ khối Max485

USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and
Transmitter):
Bộ Truyền Nhận Nối Tiếp Đồng Bộ Và Bất Đồng Bộ Phổ Dụng, đây là khối
chức năng dùng cho việc truyền thông giữa vi điều khiển với các thiết bị khác. Trong
vấn đề truyền dữ liệu số, có thể phân chia cách thức (method) truyền dữ liệu ra hai chế
độ (mode) cơ bản là: Chế độ truyền nhận Đồng bộ (Synchronous) và Chế độ truyền
nhận Bất đồng bộ (Asynchronous). Ngoài ra, nếu ở góc độ phần cứng thì có thể phân
chia theo cách khác đó là: Truyền nhận dữ liệu theo kiểu Nối tiếp (serial) và Song
song (paralell)
Truyền Đồng Bộ: là kiểu truyền dữ liệu trong đó bộ truyền (Transmitter) và bộ
nhận (Receiver) sử dụng chung một xung đồng hồ (clock). Do đó, hoạt động truyền và
nhận dữ liệu diễn ra đồng thời. Xung clock đóng vai trò là tín hiệu đồng bộ cho hệ
thống (gồm khối truyền và khối nhận). Ưu điểm của kiểu truyền đồng bộ là tốc độ
nhanh, thích hợp khi truyền dữ liệu khối (block).
Truyền Bất Đồng Bộ: Là kiểu truyền dữ liệu trong đó mỗi bộ truyền
(Transmitter) và bộ nhận (Receiver) có bộ tạo xung clock riêng, tốc độ xung clock ở
hai khối này có thể khác nhau, nhưng thường không quá 10% . Do không dùng chung
xung clock, nên để đồng bộ quá trình truyền và nhận dữ liệu, người ta phải truyền các
bit đồng bộ (Start, Stop,…) đi kèm với các bit dữ liệu.
Các bộ truyền và bộ nhận sẽ dựa vào các bit đồng bộ này để quyết định khi nào
thì sẽ thực hiện hay kết thúc quá trình truyền hoặc nhận dữ liệu. Do đó, hệ thống
truyền không đồ bộ còn được gọi là hệ thống truyền “tự đồng bộ”. Từ hai kiểu truyền
dữ liệu cơ bản trên, người ta đưa ra nhiều giao thức (Protocol) truyền khác nhau như:
SPI (đồng bộ), USRT (đồng bộ), UART (bất đồng bộ),….Tuy vậy, cũng có giao thức
truyền mà không thể xếp được vào kiểu nào: đồng bộ hay bất đồng bộ, chẳng hạn kiểu
truyền I2C (Trong AVR gọi là TWI), tuy vậy một cách hơi gượng ép thì có thể thấy
giao thức truyền I2C gần với kiểu đồng bộ hơn vì các thiết bị giao tiếp với nhau theo
chuẩn I2C điều dùng chung một xung clock.

Hình 2.12. Sơ đồ khối bộ USART
2.3.6. Bàn phím
Bàn phím đã có sẵn từ khi chúng em làm đồ án môn học ở kỳ học trước vì
vậy chúng em muốn tận dụng trọng đồ án lần này.
Loại 4x4 bàn phím này có 16 nút nhấn được bố trí dạng ma trận 4 hàng và 4
cột. cách bố trí ma trận hang và cột là cách chung mà các bàn phím thường sử dụng.
cũng giống như ma trận LED, các nút nhấn cùng hang và cùng cột được nối với nhau.
Vì thế với bàn phím 4x4 sẽ có 8 ngõ ra.
Trong bàn phím này nhóm chúng em chỉ sử dụng phím “A” làm phím chỉnh 0.
Các phím còn lại có thể được sử dụng khi đồ án được mở và đòi hỏi nhiều phím bấm
hơn.

Hình 2.13. Sơ đồ bàn phím 4x4
2.3.6. Sơ đồ mạch nguyên lý và mạch in
Hình 2.14. Sơ đồ mạch in

2.4. Thi ết kế phần mềm
2.4.1. Lập trình cho vi đi ều khi ển AVR
2.4.1.1. Lưu đồ thuật toán
Khởi tạo các port
Khởi tạo UART
Đọc giá trị ADC 10 lần ( i x ) i chạy từ 1 10
Lấy giá trị tb 10 lần đo:Val=
Nhấn phím A
No
Begin
Khởi tạo LCD
Khởi tạo ADC
10
x


1
10
i
Yes
y
Giá trị đọc:Val2=Val-G (ban đầu G=0)
Gán giá trị“zero”(G)
G=Val
Hiển thị LCD
Đổi Val2 ra kg (Val2/20.48)
Theo Công thức (*) trang (47)
Giao tiếp PC
END
i

Tính toán quy đổi ra khối lượng:
Ta có:
Tín hiệu ra của tín hiệu vào Đọc giá trị N
Loadcell (mV) KĐ
ADC
ADC
Theo như trên đã tính: Hệ số khuếch đại G = 500
Có: Độ nhạy = 2mV/V
Vcc = 5V
Vậy ngõ vào ADC là 0÷5V
Do:
V
in
*1024 r
ef
ADC
V

Nên: Nmax = (5/5)*1024 = 1024
N
Nmax
0 mmax m (kg)
Có: 0 kg <–> N = 0
m = mmax = 50 Kg <–> N = Nmax = 1024
Vậy ta có công thức liên hệ:
m N
m ax
ADC
m N
 
m
ax
*
20.48
ADC
N
(*)
2.4.1.2. Gi ới thi ệu phần mềm và ngôn ngữ l ập trình Codevision
Lựa chọn phần mềm: Đây là phần mềm được sử dụng rất rộng rãi bởi nó được
xây dựng trên nền ngôn ngữ lập trình C, phần mềm được viết chuyên nghiệp hướng tới
người sử dụng bở sự đơn giản, sự hỗ trợ cao các thư viện có sẵn.

Hình 2.15. Phần mềm lập trình codevision
Hình 2.16. Khởi tạo các port vào/ra, LCD, UART
2.4.2. Lập trình giao di ện trên máy tính
Hiện nay có rất nhiều công cụ phần mềm hỗ trợ cho việc lập trình giao diện trên
máy tính. Ở đây em dùng phần mềm Visual Studio 2008.

Phần mềm của em với mục đích quản lý người dùng cân điện tử, cho phép lưu lại kết
quả đo, tìm kiếm và xuất kết quả đo ra dạng tệp tin PDF hoặc Excell.
Hệ thống của em được thiết kế như sau:
Hình 2.17. Đăng nhập hệ thống
Có 2 quyền đăng nhập là: QT (quản trị) và quyền NV (nhân viên)
- Với quyền QT có thể xem, thêm, sửa và xóa kết quả đo của tất cả mọi người.
- Với quyền NV chỉ có thể xem lại kết quả đo của mình và không thể xem được
kết quả đo của các nhân viên khác.
Sau khi đăng nhập vào hệ thống:

Hình 2.18. Giao diện chính
Giao diện được thiết kế như sau:
- Panel 1: Các thông số cổng COM
- Panel 2: Các trạng thái khi kết nối với vi xử lý. Khi bấm nút “Kết nối”, kết quả
từ mạch đo sẽ được truyền lên máy tính và khi bấm “Ngắt kết nối” kết quả sẽ không
được truyền.
Khi bấm phím “Lưu” kết quả sẽ được lưu lại trong cơ sở dữ liệu SQL.
- Trên panel 3 có 2 tabcontrol:
+ Tabcontrol 1: hiển thị kết quả đo được.
+ Tabcontrol 2: thể hiện chức năng tìm kiếm:
Có thể tìm kiếm theo: Vật đo
Theo ngày tháng
Theo khoảng khối lượng.

Hình 2.19. Form tìm kiếm
- Trên cùng là các MenuStrip với các chức năng:
+ Hệ thống:
Quản lý người dùng:
Nếu là quyền QT, có thể vào kiểm tra, thêm, sửa và xóa các quyền của tất cả các
nhân viên:

Nếu là quyền NV, khi bấm vào Quản lý người dùng sẽ hiển thị ra bảng thông
báo:
Người dùng bấm Đăng xuất sẽ quay lại giao diện đăng nhập ban đầu.
Nếu người dùng bấm Thoát sẽ hiện ra một cửa sổ yêu cầu:

Nếu thực sự muốn thoát khỏi toàn hệ thống ta nhấn Yes. Nếu không thì nhấn No.
+ Báo cáo thống kê:
Khi nhấn vào báo cáo thống kê trên MenuStrip:
Xuất hiện giao diện báo cáo:

Sau khi nhấn Export Report ta chọn định dạng để xuất báo cáo (Excel hoặc PDF).

Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ
3.1. Kết quả thực nghiệm:
Sau khi đã tính toán thiết kế chi tiết các khối chúng em bắt tay vào làm mạch
thật. Với sự trợ giúp của phần mềm vẽ mạch in Altium Designer chúng em đã thiết kế
mạch và tạo ra sản phẩm hoàn thiện như bên dưới:
Hình 3.1. Mạch sau khi đã hoàn thiện

3.2. Đánh giá sai số
Khi thiết kế tính toán 1 hệ thống đo bất kỳ việc quan trọng nhất là ta phải tính
toán, đánh giá được sai số của hệ thống đó. Bất kỳ một hệ thống đo nào cũng có sai số
nhưng sai số đó phải nhỏ hơn sai số cho phép để không bị ảnh hưởng tới một việc cụ
thể khi sử dụng hệ thống đo. Trong hệ thống chúng em thiết kế cũng có sai số và sau
đây là phân tính toán sai số:
Từ sơ đồ khối ta thấy: sai số của hệ thống bao gồm sai số của cảm biến, sai số
của bộ khuếch đại, sai số của ADC, sai số của vi điều khiển. nhưng sai số của vi điều
khiển là rất nhỏ có thể bỏ qua, vì vậy ta còn 3 thành phần sai số:
Sai số của hệ thống: 2 2 2
   1  2  3
Trong đó:
1  : là sai số của cảm biến
2  : là sai số của ADC
3  : là sai số của bộ khuếch đại
Sai số cảm bi ến:
Sai số của cảm biến thường do nhiệt độ gây ra. Khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm điện
trở cảm biến thay đổi gây ra sai số, nhiệt độ làm việc là 0o c tới 50o c
Sai số của nhà sản xuất: 1  = 0,1%
Sai số của ADC:
Sai số lượng tử:
Đây là sai số hệ thống. Giá trị của sai số lượng tử bằng một nửa của giá trị điện
áp đặt vào để làm thay đổi một đơn vị của mã đầu ra
Sai số do điện áp Uref:
Sai số này sinh ra do nguồn tham chiếu bị thay đổi.
(sai số này đã bị triệt tiêu khi điện áp cấp cho Uref cũng là điện áp cấp cho cầu)
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của ADC:
Mạch so sánh:
Khoảng chuyển tiếp của tín hiệu là một yếu tố gây ra sai số bởi vì hai tín hiệu
phải sai lệch một giá trị nhất định thì điện thế ra của mạch mới chuyển trạng thái.
Ngoài ra ở một mức điện áp khác nhau có một mức chuyển tiếp khác nhau tạo ra sự
không tuyến tính của mạch so sánh. Bộ so sánh cũng bị tác động của nhiệt độ.
Độ phân giải:
Độ phân giải càng cao thì sai số càng thấp
ảnh hưởng của bộ dao động: khi xung nhịp đặt vào thay đổi thì độ chính xác bị kém đi
sai số tổng của ADC: 10 1/ 2 =0,097%  2  =0,097%
Sai số khuếch đại:

Mạch khuếch đại sử dụng INA125 có sai số là: 3   0,01%
Vậy sai số của toàn bộ hệ thống là:
2 2 2
   1  2  3 = 2 2 2 0.1 0.097 0.01 1%

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Với thời gian 15 tuần, em hoàn thành đồ án và sẵn sàng bảo vệ.
Đồ án của em thực hiện được những chức năng sau:
- Đo khối lượng với sai số nhỏ đáp ứng hệ thống nhanh.
- Truyền tin lên máy tính qua cổng COM
- Xây dựng giao diện có kết nối cơ sở dữ liệu để lưu trữ giá trị đo và giám sát
Hướng phát tri ển
Mặc dù vậy để cho thiết bị có thể hoạt động tốt hơn thì ta phải bổ sung thêm các
chức năng để hoàn thiện hơn. Do đó em xin đưa ra một số hướng phát triển mới của đồ
án:
- Truyền tin qua máy tính bằng cổng USB vì tốc độ truyền của USB (480Mb/s)
lớn hơn rất nhiều so với RS232 (115Kb/s) và tiện sử dụng với công nghệ hiện đại ngày
nay.
- Đưa dữ liệu lên web để tiện quảng bá và chia sẻ thông tin tới người dùng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Trọng Quế - Phương pháp đo các đại lượng điện và không điện
[2] Nguyễn Thị Lan Hương – Phương pháp đo, thiết bị đo
[3] Hoàng Sĩ Hồng – Bùi Đăng Thảnh – Giáo trình đo lường điện và cảm biến
[4] Datasheet Atmega16
[5] Catalog Siwarex R Loadcell
[6] Giáo trình AVR
[7] Trần Nguyên Phong, “Giáo trình Sql”, Đại học khoa học Huế, 2004.
[8] “Lập trình với C#” – Biên dịch từ “Profestional C#” 2nd Editions, Wrox Press ltd
[9] http://www.hocavr.com

LỜI CẢM ƠN
Khoảng thời gian 5 năm ngồi trên ghế giảng đường tại trường đại học Bách Khoa
Hà Nội không phải là quá dài, cũng không phải quá ngắn, nhưng khoảng thời gian đó
đã giúp chúng em học được những kiến thức không chỉ về chuyên ngành mà các thầy
cô còn dạy cho chúng em những kĩ năng sống, làm người, những tiền đề để chúng em
bước vào xã hội, mang sức mình cống hiến cho Tổ quốc, giúp chúng em trưởng thành
hơn.
Người đầu tiên chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lòng biết ơn chân
thành nhất đến cô giáo Tiến sĩ Nguyễn Thị Lan Hương. Cô như người chị, người mẹ
bảo ban, hướng dẫn tận tình và tạo mọi điều kiện để giúp đỡ chúng em trong suốt quá
trình làm đồ án tốt nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn tới tập thể các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật
đo và tin học công nghiệp, thày cô đã mang đến cho chúng em những kiến thức
chuyên ngành, tạo mọi điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt 4 năm học tập kiến thức
chuyên ngành, và cả những kiến thức ngoài xã hội.
Chúng em xin chân thành cảm ơn viện Tên Lửa – viện Khoa học kỹ thuật quân
sự và phòng thí nghiệm Cơ điện VILAS 019 thuộc viện Cơ điện nông nghiệp và Công
nghệ sau thu hoạch đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho chúng em thực tập và tiếp cận
những kiến thức thực tế.
Chúng tôi xin cảm ơn tập thể lớp Kĩ thuật đo và Tin học công nghiệp 1 - K52,
những người thường xuyên động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong
suốt thời gian học tập tại viện Điện - trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng con xin gửi lời cảm ơn vô cùng sâu sắc tới gia đình đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cả về vật chất và tinh thần cho con học tập và những người bạn thân luôn
động viên giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
Hà Nôi, ngày 04 tháng 06 năm 2012
Nhóm sinh viên
Nguyễn Thị Sâm
Dương Mạnh Tuấn

PHỤ LỤC
/*****************************************************
This program was produced by: Duong Manh Tuan & Nguyen Thi Sam
Project :
Version :
Date : 5/22/2012
Author :
Company :
Comments:
Chip type : ATmega16
Program type : Application
AVR Core Clock frequency: 16.000000 MHz
Memory model : Small
External RAM size : 0
Data Stack size : 256
*****************************************************/
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
// Alphanumeric LCD Module functions
#include <alcd.h>
// Standard Input/Output functions
#include <stdio.h>
#define ADC_VREF_TYPE 0x00
int a,b,c,d,i,k,G=0,ADC_val2;
#define KEYPAD_DDR DDRB
#define KEYPAD_PORT PORTB
#define KEYPAD_PIN PINB
unsigned char scan_code[4]={0x0E,0x0D,0x0B,0x07};
unsigned char ascii_code[4][4]={ '7','8','9','/',
'4','5','6','*',
'1','2','3','-',
'N','0','=','+'};
unsigned char key;
unsigned char checkpad();
long sum=0;
unsigned int ADC_val;
// Read the AD conversion result
unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)

{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage
delay_us(10);
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
// Wait for the AD conversion to complete
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10;
return ADCW;
}
// Declare your global variables here
unsigned char checkpad(){
unsigned char i,j,keyin;
for(i=0;i<4;i++){
KEYPAD_PORT=0xFF-(1<<(i+4));
delay_us(10);
keyin=KEYPAD_PIN & 0x0F;
if(keyin!=0x0F)
for(j=0;j<4;j++)
if(keyin==scan_code[j]) return ascii_code[j][i];
}
return 0;
}
void hienthi(unsigned int val )
{
d=val*10;
k=d/20.48;
a=k/100;
b=(k-a*100)/10;
c=((k-a*100)-(b*10))%10;
lcd_gotoxy(1,0);
lcd_putchar(a+48);
lcd_gotoxy(2,0);
lcd_putchar(b+48);
lcd_gotoxy(3,0);
lcd_putsf(",");
lcd_gotoxy(4,0);

lcd_putchar(c+48);
lcd_putsf("kg");
}
void main(void)
{
// Declare your local variables here
// Input/Output Ports initialization
// Port A initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;
// Port B initialization
PORTB=0x00;
DDRB=0x0F;
// Port C initialization
PORTC=0x00;
DDRC=0x00;
// Port D initialization
PORTD=0x00;
DDRD=0x00;
// Timer/Counter 0 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: Timer 0 Stopped
// Mode: Normal top=0xFF
// OC0 output: Disconnected
TCCR0=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0=0x00;
// Clock value: Timer1 Stopped
// Mode: Normal top=0xFFFF

// OC1A output: Discon.
// OC1B output: Discon.
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer1 Overflow Interrupt: Off
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: Off
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x00;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
// Clock value: Timer2 Stopped
// Mode: Normal top=0xFF
// OC2 output: Disconnected
ASSR=0x00;
TCCR2=0x00;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
// External Interrupt(s) initialization
// INT0: Off
// INT1: Off
// INT2: Off
MCUCR=0x00;
MCUCSR=0x00;
// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x00;
// USART initialization
// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity
// USART Receiver: Off
// USART Transmitter: On

// USART Mode: Asynchronous
// USART Baud Rate: 57600
//UCSRA=0x00; //xet khung truyen va kich hoat bo nhan du lieu
//UCSRB=0x08; //phat du lieu
//UCSRC=0x86; //truyen 8bit dung thanh ucsR1
//UBRRH=0; // dong bo tan so
//UBRRL=8;
UCSRA=0x00;
UCSRB=(1<<TXEN);
UCSRC=(1<<URSEL)|(1<<UCSZ1)|(1<<UCSZ0);
UBRRH=0;
UBRRL=51;
// Analog Comparator initialization
// Analog Comparator: Off
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
// ADC initialization
// ADC Clock frequency: 1000.000 kHz
// ADC Voltage Reference: AREF pin
// ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped
ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;
ADCSRA=0x84;
// SPI initialization
// SPI disabled
SPCR=0x00;
// TWI initialization
// TWI disabled
TWCR=0x00;
// Alphanumeric LCD initialization
// Connections specified in the
// Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu:
// RS - PORTC Bit 0
// RD - PORTC Bit 1
// EN - PORTC Bit 2
// D4 - PORTC Bit 4
// D5 - PORTC Bit 5
// D6 - PORTC Bit 6
// D7 - PORTC Bit 7

// Characters/line: 8
lcd_init(16);
KEYPAD_PORT=0x0F; //*
KEYPAD_DDR=0xF0; //*
while (1)
{
// Place your code here
for(i=0; i<10;i++)
{
ADC_val= read_adc(0);
sum+=ADC_val;
}
ADC_val= sum/10; // lay gia tri trung binh 10 lan do
i=0;
sum=0;
ADC_val= read_adc(0); //chon kenh 0, dua gia tri tu kenh 0 vao ADC_val
ADC_val2= ADC_val-G; // chinh 0
hienthi(ADC_val2);
printf("%d",k);// truyen len PC
delay_ms(100);
key=checkpad(); //doc keypad
lcd_gotoxy(1,1);
if (key=='A') {lcd_putchar(key); G= ADC_val;// kiem tra phim A
}
}
}

Bao cao do an

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (19)

Similar to Bao cao do an

Similar to Bao cao do an (20)

Bao cao do an