Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này là kết quả của toàn bộ nỗ lực của bản thân em trong suốt thời gian theo học tại trường, là toàn bộ năng lực của em khi bắt tay vào quá trình nghiên cứu. Để được thành công như ngày hôm nay chúng em không bao giờ quên được sự giúp đỡ và sự giảng dạy rất nhiệt tình của các Thầy cô Bộ môn Điện – Điện Tử - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Các Thầy cô là những đội ngũ đi trước rất am hiểu về lĩnh vực khoa học kỹ thuật đã tận tình giảng dạy và giúp chúng em hoàn thành được rất nhiều đề tài rất hay và có ứng dụng nhiều trong thực tế. Và đều không thể kể đến sự thành công của em ngày hôm nay đó là sự nhiệt huyết tận tình hướng dẫn của Thầy Trương Ngọc Anh. Thầy đã cùng em đi qua những ngày khó khăn trong quá trình nghiên cứu và chỉ dẫn của Thầy là niềm động lực rất lớn đối với chúng em. Và cuối cùng em xin ghi ơn công lao cha mẹ đã sinh ra và cho chúng em được ăn học đến ngày hôm nay để có cơ hội tiếp cận với lĩnh vực khoa học, nhờ sự động viên thường xuyên và quan tâm đủ mặt về phía gia đình là một động lực giúp chúng em vực qua mặt tâm lý, sự chán nản để chúng em quyết tâm hoàn thành tốt được đề tài này.
Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 1 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU – LƯU ĐỒ 4 LỜI CẢM ƠN 5 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI 6 CHƯƠNG 1: DẪN NHẬP 7 1.1 Lý do chọn đề tài 7 1.2 Giới hạn của đề tài 7 CHƯƠNG 2: CƠ SƠ LÝ LUẬN 8 2.1 Các phương pháp định lượng 8 2.2 Cảm biến trọng lượng Loadcell 9 2.3 Các linh kiện sử dụng trong mạch 12 2.3.1 IC AD7730 12 2.3.2 LCD HD44780 16x2 20 2.3.3 Vi điều khiển PIC 16F877A 30 2.3.4 IC TL082 47 2.3.5 IC nguồn 7805 49 2.3.6 IC nguồn 7905 50 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ - THI CÔNG 52 3.1 Sơ đồ khối 52 3.2 Sơ đồ nguyên lý 53 3.3 Tính toán khối khuếch đại 54 3.4 Lưu đồ chương trình 55 3.5 Chương trình 57 3.6 Sơ đồ mạch in 63 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ ĐỀ NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 2 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Danh mục hình vẽ Hình 2.1 Cân bằng đòn cân 8 Hình 2.2 Cấu tạo Strain gage 9 Hình 2.3 Mạch cầu Wheatstone 10 Hình 2.1 Cấu tạo bên trong loadcell và nguồn cấp 11 Hình 2.5 Một số dạng Loadcell 12 Hình 2.2 Loadcell UWE dạng thanh 12 Hình 2.7 Sơ đồ chân IC AD7730 13 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối Loadcell DC với IC AD7730 14 Hình 2.9 Giản đồ xung quá trình đọc dữ liệu từ IC AD7730 17 Hình 2.10 Giản đồ xung quá trình ghi dữ liệu từ IC AD7730 18 Hình 2.11 Hình dáng của loại LCD thông dụng 20 Hình 2.12 Sơ đồ chân của LCD 21 Hình 2.13 Cấu hình bên trong PIC 16F877A 33 Hình 2.14 Sơ đồ khối bên trong PIC 16F877A 34 Hình 2.15 Sơ đồ chân PIC 16F877A 35 Hình 2.16 Kết nối SPI 39 Hình 2.17 Truyền dữ liệu SPI 39 Hình 2.18 Sơ đồ khối của ADC PIC 16F877A 43 Hình 2.19 Định dạng cặp thanh ghi lưu kết quả 46 Hình 2.20 Sơ đồ chân của TL082 48 Hình 2.21 Sơ đồ chân IC 7805 49 Hình 2.22 Sơ đồ chân IC 7905 50 Hình 3.1 Sơ đồ mạch khuếch đại vi sai 54 Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 3 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Danh mục bảng biểu Bảng 2.1 Thông số Loadcell UWE 12 Bảng 2.2 Các giá trị điện áp vào 12 Bảng 2.3 Chức năng các chân của IC AD7730 13 Bảng 2.4 Chức năng các bit trong thanh ghi giao tiếp 14 Bảng 2.5 Các lựa chọn của bit RS2 – RS0 15 Bảng 2.6 Chức năng các bit trong thanh ghi trạng thái 15 Bảng 2.7 Chức năng các bit trong thanh ghi chế độ 17 Bảng 2.8 Giá trị các byte W,Y,Z trong quá trình đọc ghi 20 Bảng 2.9 Chức năng các chân của LCD 21 Bảng 2.10 Chức năng RS và RW theo mục đích sử dụng 22 Bảng 2.11 Bảng mã ký tự (ROM CODE A00) 24 Bảng 2.12 Tập lệnh LCD 24 Bảng 2.13 Điều kiện hoạt động giới hạn của LCD 28 Bảng 2.14 Điều kiện hoạt động bình thường của LCD 28 Bảng 2.15 Các đặc điểm của PIC 16F877A 32 Bảng 2.16 Chức năng chân của TL082 48 Bảng 2.17 Giá trị tới hạn của TL082 49 Bảng 2.18 Chức năng chân của 7805 49 Bảng 2.19 Giá trị tới hạn của 7805 50 Bảng 2.20 Chức năng chân của 7905 50 Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 4 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn này là kết quả của toàn bộ nỗ lực của bản thân em trong suốt thời gian theo học tại trường, là toàn bộ năng lực của em khi bắt tay vào quá trình nghiên cứu. Để được thành công như ngày hôm nay chúng em không bao giờ quên được sự giúp đỡ và sự giảng dạy rất nhiệt tình của các Thầy cô Bộ môn Điện – Điện Tử - Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Các Thầy cô là những đội ngũ đi trước rất am hiểu về lĩnh vực khoa học kỹ thuật đã tận tình giảng dạy và giúp chúng em hoàn thành được rất nhiều đề tài rất hay và có ứng dụng nhiều trong thực tế. Và đều không thể kể đến sự thành công của em ngày hôm nay đó là sự nhiệt huyết tận tình hướng dẫn của Thầy Trương Ngọc Anh. Thầy đã cùng em đi qua những ngày khó khăn trong quá trình nghiên cứu và chỉ dẫn của Thầy là niềm động lực rất lớn đối với chúng em. Và cuối cùng em xin ghi ơn công lao cha mẹ đã sinh ra và cho chúng em được ăn học đến ngày hôm nay để có cơ hội tiếp cận với lĩnh vực khoa học, nhờ sự động viên thường xuyên và quan tâm đủ mặt về phía gia đình là một động lực giúp chúng em vực qua mặt tâm lý, sự chán nản để chúng em quyết tâm hoàn thành tốt được đề tài này. Chúng em cũng xin cảm ơn đến những người bạn thân đã không ngại chia sẽ về kinh nghiệm làm đề tài cũng như hỗ trợ các công việc để giúp nhóm em hoàn thành tốt được đề tài này. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 5 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI Cân là một thiết bị được áp dụng rất nhiều trong các nhà máy sản xuất. Với những yêu cầu về định lượng sản phẩm một cách chính xác khi được đưa vào quá trình sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế và lòng đam mê nghiên cứu các hệ thống cân nên em mạnh dạn chọn đề tài “THIẾT KẾ CÂN DÙNG PIC16F877A VÀ IC CHUYÊN DỤNG AD7730” này để làm đề tài ĐỒ ÁN 2 cho mình. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nỗ lực hết sức, tuy nhiên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những hiểu biết và những thành quả của em đạt được trong suốt quá trình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Trương Ngọc Anh. Chúng em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo đồ án 2 này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình đã có trước nào. Nếu không đúng sự thật, em xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường. TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực hiện (ký tên và ghi họ tên) Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 6 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1.1LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI: Nhằm muốn khám phá sự tò mò, yêu thích tìm hiểu về các thiết bị có giá trị đầu ra là Analog. Nên đề tài em chọn là giao tiếp PIC16F877A với loadcell. Để tìm hiểu và nghiên cứu thêm về cách thức giao tiếp. Trong đề tài này em sử dụng IC chuyên dụng cho Loadcell, sử dụng giao thức truyền dữ liệu SPI. 1.2 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI: Vì em sử dụng Loadcell 6Kg nên khối lượng tối đa mà loadcell có thể cân được chỉ là 6Kg. Và độ phân giải là 1gram. Nếu có đều kiện em sẽ cải tiến để có độ phân giải của cân nhỏ hơn đến mức có thể. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 7 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH LƯỢNG 2.1.1 Khối lượng của một vật thể Khối lượng là thước đo về lượng nhiều hay ít hay mức độ đậm đặc (loãng hay đặc) của vật chất chứa trong vật thể. Khối lượng được hiểu phổ thông nhất là sức nặng của vật trên mặt đất. Khối lượng của vật có thể được tính từ tích phân toàn bộ thể tích của vật . ∫ = dVm ρ với ρ là khối lượng riêng (Nguồn: wikipedia.org) Đơn vị tiêu chuẩn đo khối lượng là kilogam (kg) Trọng lượng là một trường hợp của công thức này. Dưới tác dụng của sức hút trái đất, vật có khối lượng sẽ chịu tác dụng của trọng lượng P = m.g ; g là gia tốc trọng trường ≈ 9,8 m/s 2 là một số cố định ở từng khu vực Các phương pháp đo khối lượng là dựa vào quan hệ này. Có rất nhiều phương pháp xác định khối lượng của vật, từ cổ điển đến hiện đại. Tuy nhiên điều sai số là điều khó tránh khỏi đối với các thiết bị cân khối lượng có cấu tạo đơn giản, thiết bị cân điện tử sẽ khắc phục được nhược điểm này. Sau đây là một vài cách thức xác định khối lượng của một vật. 2.1.2 Các hình thức xác định khối lượng của vật Cân bằng đòn cân: một khối lượng chưa biết được đặt trên đĩa cân. Các quả cân được hiệu chỉnh chính xác có kích thước khác nhau được đặt trên đĩa bên kia cho đến khi cân bằng. Khối lượng chưa biết bằng tổng khối lượng của các quả cân đặt lên. Hình 2.3 Cân bằng đòn cân Cân đồng hồ lò xo thực tế là một ứng dụng đo khối lượng thông qua sự dịch chuyển dưới tác dụng của trọng lực do vật khối lượng m gây ra. Khối lượng chưa biết đặt trên bàn cân trên lò xo đã được hiệu chỉnh. Lò xo di động cho đến khi lực đàn hồi của lò xo cân bằng với trọng trường tác động lên khối lượng chưa biết. Lượng di động của lò xo được dùng để đo khối lượng chưa biết. Ở các cân đồng hồ chỉ thị kim, lượng di động của lò xo sẽ làm kim quay thông qua một cơ cấu bánh răng với tỷ lệ hợp lý và góc quay của kim sẽ xác định khối lượng của vật cần cân. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 8 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Ngày nay, với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, thì các thiết bị cân điện tử ra đời để xác định khối lượng của một vật từ rất nhỏ đến khối lượng tương đối lớn như: cân phân tích, cân vàng, cân xe tải, và đang được dùng rất phổ biến trong đời sống, sản xuất. Để có được những bàn cân điện tử với độ chính xác cao thì các loại cảm biến trọng lượng (cảm biến lực) được sử dụng với thiết bị này. Các cảm biến trọng lượng dùng trong việc đo khối lượng được sử dụng phổ biến là Loadcell. Đây là một kiểu cảm biến lực biến dạng. Lực chưa biết tác động vào một bộ phận đàn hồi, lượng di động của bộ phận đàn hồi biến đổi thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực chưa biết. 2.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOADCELL) 2.2.1 Cấu tạo của một Loadcell Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ được xử lý đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage. Khi vật chứng bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bị tác động. Strain gage hay còn gọi là cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thường dùng hợp kim của Niken) có chiếu dài l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình sau: Hình 2.4 Cấu tạo Strain gage Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng Strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Các strain gage được dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, đo ứng suất,…và được dùng để lắp mạch cầu Wheatstone để chế tạo ra các loadcell. 2.2.2 Mạch cầu Wheatstone Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Mạch cầu Wheatstone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở (thay đổi điện trở của các strain gage) dưới tác dụng lực thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 9 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Hình 2.5 Mạch cầu Wheatstone Trong sơ đồ trên −+ −=∆∆+= VVURRoRx , , ta có: ( ) cccc V RR R V RR RR U . 22 . 2 1 2 00 0 ∆+ ∆ = − ∆+ ∆+ =∆ Nếu R ∆ << 0 R thì biểu thức trên có thể viết lại như sau: cc V R R U . 4 0 ∆ =∆ [1] Nhận xét: Phương trình trên cho thấy sự biến đổi đơn vị điện trở của hai điện trở đối mặt nhau, hai điện trở sẽ là cộng nhau (bị giãn) trong khi tác động của hai điện trở kề bên nhau sẽ là trừ khử nhau (bị nén). Đặc tính này của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 10 [...]... bên trong loadcell và nguồn cấp Hình 2.7 Một số dạng loadcell 2.2.3 Ứng dụng loadcell vào đề tài Qua nghiên cứu và khảo sát các loại Loadcell hiện đang có trên thị trường, và vào mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống định lượng nên chúng em đã nghiên cứu và sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ khí và chịu tải trọng Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 11 Trường đại... mV +40 mV and -80mV +80mV Bảng 2.2 Các giá trị điện áp vào Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 12 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Hình 2.7 Sơ đồ chân IC AD7730 b Bảng chức năng của các chân: STT Tên Chức năng 1 SCLK Ngõ vào xung clock cho truyền tín hiệu nối tiếp 2 MLCK IN Ngõ vào xung clock cho IC hoạt động 3 MLCK OUT 4 POL Ngõ vào để xác định sẽ truyền dữ liệu nối tiếp theo xung... hiệu tương tự kênh 2 hoặc ngõ ra số (phụ thuộc 2 bit DEN và D0 của thanh ghi MODE) 14 REF IN(+) Điện áp tham chiếu dương cho bộ chuyển đổi ADC 15 16,17 18 19 REF IN(-) ACX STANDBY CS Điện áp tham chiếu âm cho bộ chuyển đổi ADC Dùng khi sử dụng cầu điện trở xoay chiều Điều khiển chế độ ngủ động của IC Chân chọn IC Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 13 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh... PSP 8 kênh ngõ vào 2 35 lệnh 40 chân PDIP 44 chân PLCC 44 chân TQFP 44 chân QFP Bảng 2.15 Các đặc điểm của PIC 16F877A Hình 2.13 Cấu hình bên trong PIC 16F877A 2.3.3.4 Sơ đồ khối bên trong Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 33 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Hình 2.14 Sơ đồ khối bên trong PIC 16F877A Sơ đồ khối của PIC16F877A, gồm các khối: - Khối ALU – Arithmetic Logic Unit - Khối... là 16 bit nếu bit này là 0 và 24 bit nếu bit này là 1 High Reference Bit Bit này cài đặt dựa vào điện áp tham chiếu Nếu điện áp tham chiếu là 5V nên để bit này là 1 và điện áp tham chiếu là 2.5V nên để bit này là 0 để đảm bảo phù hợp với ngõ vào Bit này phải ghi vào số 0 để đảm bảo răng IC AD7730 đang được vận hành đúng Input Range Bits Bit này quyết định khoảng điện áp đầu vào RN1 RN0 B/U Bit = 0 B/U... PIC1650 Thời điểm đó Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 30 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16 bit CP1600, vì vậy, ngƣời ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral Interface Controller" – bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi CP1600 là một CPU mạnh nhưng lại yếu về các hoạt động xuất nhập vì vậy PIC 8bit được phát triển vào... tải Điện áp ngõ ra Điện áp kích thích Điện áp kích thích tối đa Mức tuyến tính Điện trở vào Giá trị 0,22 - 6 9 2 10 - 12 15 0.02 ± Đơn vị kg kg mV/V VDC VDC %FSO Ohms ± Ohms 410 10 Điện trở ra 350 3 - 20 to + 60 IP66 Dãy nhiệt độ hoạt động Cấp bảo vệ 0 C (Nguồn: www.canvietnhat.com) Bảng 2.1 Thông số Loadcell UWE 2.3 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH: 2.3.1 AD7730 a Giới thiệu về IC AD7730: IC AD7730. .. DVDD DGND Ngõ ra số Ngõ thông báo trạng thái IC Ngõ ra số Dùng để truyền dữ liệu nối tiếp Ngõ và số Dùng để truyền dữ liệu nối tiếp Chân nối nguồn dương phần mạch số Chân nối mass phần mạch số Bảng 2.3 Chức năng các chân của IC AD7730 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối Loadcell DC với IC AD7730 c Các thanh ghi trong AD7730 Có 9 thanh ghi gồm: + Thanh ghi giao tiếp (Communications Register) + Thanh ghi trạng thái... 2.3.1 AD7730 a Giới thiệu về IC AD7730: IC AD7730 là một IC chuyên dụng thường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu Analog sang Số (ADC) Cụ thể là để chuyển tín hiệu xuất ra từ loadcell hoặc các đầu dò áp suất những thiết bị này có tín hiệu ngõ ra là điện áp rất nhỏ chừng vài chục mV IC AD7730 cho ra tín hiệu số nối tiếp (SPI) Nguồn cấp +5V Điện áp đầu vào 010mV, 20mV, 40mV, 80mV Hoặc -10 mV +10mV, -20... Master cần giao tiếp Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 18 Trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh Quá trình đọc và ghi vào thanh ghi trên chip thể hiện qua lưu đồ sau: Start Đọc liên tục ? Đúng Sai Viết Byte W* vào thanh ghi giao tiếp Byte Y* vào thanh ghi giao tiếp Viết Đọc thanh ghi yêu cầu Đọc thanh ghi yêu cầu Dừng quá trình đọc liên tục? Sai Đúng Viết Byte Z* vào thanh ghi giao tiếp * Các . khi được đưa vào quá trình sản xuất. Từ những yêu cầu thực tế và lòng đam mê nghiên cứu các hệ thống cân nên em mạnh dạn chọn đề tài “THIẾT KẾ CÂN DÙNG PIC16F877A VÀ IC CHUYÊN DỤNG AD7730 này. tài thiết kế hệ thống định lượng nên chúng em đã nghiên cứu và sử dụng loadcell dạng thanh vào đề tài, vì nó phù hợp theo thiết kế cơ khí và chịu tải trọng. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 11 Trường. của cầu Wheatstone thường được dùng để bảo đảm tính ổn định nhiệt của các mạch miếng đo và cũng để dùng cho các thiết kế đặc biệt. Đồ án II: Thiết kế cân điện tử 10 Trường đại học sư phạm kỹ