CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về cân điện tử Loadcell
Hiện nay, thiết bị cân điện tử đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khu công nghiệp, cơ quan, trường học, y tế, dân dụng và nông nghiệp.
Cân điện tử đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp và thương mại, giúp hỗ trợ con người trong quá trình trao đổi và buôn bán hiệu quả hơn.
1.1.2 Mục tiêu Đo đƣợc cân nặng bằng loadcell kết nối với module HX711 để chuyển tín hiệu điện thành điện áp sang số.
Tạo cơ hội cho việc tìm hiểu và thực hành lý thuyết trong các môn học, đặc biệt là lập trình Arduino, là rất quan trọng Việc áp dụng những nghiên cứu này vào các bài thực hành cụ thể giúp người học hiểu rõ hơn về lý thuyết và tích lũy kinh nghiệm thực tiễn.
1.1.3 Khái niệm về cân điện tử
Cân điện tử là thiết bị dùng để đo trọng lượng của vật mẫu, hoạt động dựa trên nguyên lý lực hấp dẫn Khi đặt vật lên bàn cân, bộ cảm biến sẽ nhận diện trọng lượng và chuyển tín hiệu đến bộ mạch trung tâm Kết quả sau đó được hiển thị trên màn hình, giúp người dùng dễ dàng quan sát và biết giá trị trọng lượng của mẫu vật.
Cân điện tử đã thay thế hoàn toàn các loại cân thô sơ như cân cơ, cân quả treo, và cân lò xo nhờ vào độ chính xác cao và nhiều tính năng hiện đại Thiết bị này được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực sản xuất, kinh doanh và trong đời sống hàng ngày của con người.
Cân điện tử hiện nay có khả năng đo lường các mẫu vật nhỏ tới hàng miligam với độ chính xác sai lệch chỉ từ 0.00001g, đồng thời cũng có thể cân những vật nặng lên đến hàng trăm tấn.
Ta có thể dễ dàng thấy đƣợc những thuận lợi khi sử dụng cân điện tử:
- Độ chính xác cao hơn - bộ nhận diện và xử lý số.
- Dễ dàng in tem, in nhãn, in bill, in mã vạch.
- Tiết kiệm không gian sử dụng.
- Tiết kiệm thời gian xử lý.
- Tiêu thụ ít điện năng ( công suất từ 0.7 ~ 15 W).
- Gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển và vận hành.
- Tiết kiệm chi phí lao động, chi phí quản lý,
- Có chương trình phần mềm hoạt động riêng cân, dễ dàng thay đổi, tùy chọn.
- Một số cân cho khả năng kết nối với máy tính mạng Lan, giúp cho việc quản lý dễ dàng, quản lý từ xa,
Cân điện tử được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như kho tàu, bến cảng, nhà hàng, bệnh viện, và các công ty lương thực - thực phẩm Ngoài ra, chúng còn có mặt tại siêu thị, nhà máy, xí nghiệp, trung tâm nghiên cứu, cũng như các chợ truyền thống Các loại cân điện tử cũng được áp dụng trong cân ô tô, nông sản tại các vựa, thủy sản, sắt thép, và hàng phế liệu.
Cân điện tử thông dụng bao gồm các loại như cân bàn điện tử, cân tính tiền, và cân in mã vạch, thường được sử dụng tại các cửa hàng bách hóa, siêu thị và chợ để cân hàng hóa và thực phẩm như thủy sản, nông sản, và các vật dụng khác.
Cân công nghiệp là các loại cân điện tử chuyên dụng để đo lường khối lượng hàng hóa lớn, bao gồm cân ô tô, xe tải, xe nâng, cân treo, cân bồn, cân silo, cân toa tàu hỏa và cân container, thường được sử dụng tại các nhà ga, bến cảng, kho và nhà máy Ngoài ra, còn có các sản phẩm cân điện tử công nghiệp phục vụ cho sản xuất kinh doanh như cân bàn, cân sàn, cân đếm số lượng, cân đóng bao, cân chiết rót và cân kiểm tra trọng lượng, rất phổ biến trong các quy trình sản xuất.
Cân phòng thí nghiệm bao gồm các dòng sản phẩm như cân phân tích, cân kỹ thuật và cân phân tích độ ẩm, được sử dụng để cân mẫu vật và phân tích hàm lượng cũng như tỷ trọng của nguyên liệu Những thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong các nghiên cứu và thí nghiệm khoa học.
Cân điện tử chuyên dụng bao gồm nhiều loại cân được thiết kế cho các mục đích cụ thể như cân pha chế sơn, cân tính tỷ trọng tinh bột, cân động vật và cân đo lực kéo Những thiết bị này giúp đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng chuyên ngành khác nhau.
1.1.4 Nguyên lý và cấu tạo của cân điện tử Đầu dò hay cảm biến tải loadcell có độ nhạy rất cao, đặc trƣng cho mỗi nhà sản xuất(Cas, Mettler Toledo, Dibal, A&D, Ohaus, Digi…), có độ bên cao và khoảng nhiệt độ hoạt động rất rộng Người sử dụng không trực tiếp can thiệp tới đầu dò này Thường các nhà máy sản xuất khuyến cáo không nên cân các vật có quá trọng cân quy định, vì đa số các trường hợp này sẽ làm loadcell hư hỏng.
Cấu tạo cơ bản của cân điện tử gồm 2 bộ phận chính là:
Bộ phận đòn cân bao gồm Strain Gauge và Load, trong đó Strain Gauge là một loại điện trở đặc biệt có kích thước nhỏ bằng móng tay Điện trở này thay đổi khi bị nén hoặc kéo dãn và được cung cấp năng lượng từ một nguồn điện ổn định Phần này được dán cố định lên thanh kim loại, với một đầu gắn chắc chắn và đầu còn lại kết nối với đĩa cân.
- Mạch xử lý tín hiệu điện tử
Nguyên lý hoạt động của cân điện tử:
Khi đặt một khối lượng lên đĩa cân, loadcell sẽ bị uốn cong do trọng lượng của khối lượng đó Sự uốn cong của thanh kim loại dẫn đến việc kéo dãn điện trở, từ đó làm thay đổi giá trị điện trở Quá trình này tạo ra tín hiệu điện.
Tín hiệu này kích hoạt bộ thu A/D để xử lý, kết hợp với phần mềm tích hợp trên bo mạch chủ, và cuối cùng hiển thị kết quả trên màn hình LCD.
Tổng quan về Arduino
Arduino là một bo mạch vi điều khiển được phát triển bởi nhóm giáo sư và sinh viên Ý vào năm 2005, cho phép cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Với khả năng thực hiện các nhiệm vụ từ việc lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn và động cơ, Arduino rất linh hoạt trong ứng dụng Nó cũng có thể kết nối với nhiều module bổ sung như module đọc thẻ từ, ethernet shield và sim900A, nhằm mở rộng khả năng sử dụng của nó.
Arduino bao gồm phần cứng (arduino board) và phần mềm (arduino IDE):
● Phần cứng gồm một board mạch nguồn mở đƣợc thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM, Atmel 32-bit,
● Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là Arduino IDE.
Arduino có nhiều ứng dụng trong đời sống, trong việc chế tạo các thiết bị điện tử chất lƣợng cao Một số ứng dụng có thể kể đến nhƣ:
● Lập trình robot: Arduino chính là một phần quan trọng trong trung tâm xử lý giúp điều khiển đƣợc hoạt động của robot.
● Lập trình máy bay không người lái.
Sử dụng Arduino, chúng ta có thể tạo ra các trò chơi tương tác thú vị như Tetrix, phá gạch, Mario và nhiều trò chơi sáng tạo khác thông qua việc kết nối với Joystick và màn hình.
Arduino là một giải pháp hiệu quả để điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đèn giao thông Các hiệu ứng đèn nháy được lập trình sẵn giúp tăng cường sự nổi bật của các biển quảng cáo.
● Arduino cũng đƣợc ứng dụng trong máy in 3D và nhiều ứng dụng khác tùy thuộc vào khả năng sáng tạo của người sử dụng.
Khi nhắc đến mạch Arduino trong lập trình, Arduino UNO là dòng sản phẩm nổi bật nhất Hiện tại, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ ba, được gọi là R3.
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168 và ATmega328 là vi điều khiển có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với khả năng hiển thị thông tin trên màn hình LCD.
Một vài thông số của Arduino UNO R3:
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Hình 1.2 Các cổng vào/ra của Arduino Uno R3
Arduino UNO sở hữu 14 chân digital, cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp là 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA và được trang bị các điện trở pull-up, mặc dù các điện trở này không được kết nối mặc định trong vi điều khiển ATmega328.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt nhƣ sau:
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường được coi là một hình thức kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này để tiết kiệm tài nguyên.
Chân PWM trên Arduino, bao gồm các chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11, cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8 bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, và điện áp từ 0V đến 5V thông qua hàm analogWrite() Điều này có nghĩa là bạn có thể điều chỉnh điện áp đầu ra ở các chân này, mang lại tính linh hoạt cao hơn so với các chân chỉ có mức điện áp cố định 0V và 5V.
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, những chân này còn hỗ trợ truyền dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên Arduino UNO, có một đèn LED màu cam được ký hiệu là L, nằm ở chân số 13 Khi nhấn nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để báo hiệu trạng thái Nếu người dùng sử dụng chân số 13, đèn LED sẽ phát sáng.
- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0
Để đọc giá trị điện áp từ 0V đến 5V, bạn có thể sử dụng chân AREF trên board Arduino, cho phép đưa vào điện áp tham chiếu Nếu cấp điện áp 2.5V vào chân AREF, các chân analog có thể đo điện áp trong khoảng 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Ngoài ra, Arduino UNO còn có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Tổng quan về I2C
1.3.1 Giới thiệu về giao tiếp I2C
I2C (Inter-Integrated Circuit) là giao thức giao tiếp được phát triển bởi Philips Semiconductors, cho phép truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một mạch Giao thức này chỉ sử dụng hai đường truyền tín hiệu, giúp đơn giản hóa kết nối và tiết kiệm không gian trên bo mạch.
Giao thức giao tiếp nối tiếp đồng bộ là một phương pháp truyền dữ liệu trong đó các bit được gửi đi từng cái một theo các khoảng thời gian đều đặn Các khoảng thời gian này được xác định bởi một tín hiệu đồng hồ tham chiếu, đảm bảo sự đồng bộ trong quá trình truyền tải dữ liệu.
1.3.2 Đặc điểm của giao tiếp I2C
Giao thức giao tiếp I2C có một số đặc điểm nhƣ sau:
● Chỉ cần có hai đường bus (dây) chung để điều khiển bất kỳ thiết bị / IC nào trên mạng I2C
● Tốc độ truyền dữ liệu có thể đƣợc điều chỉnh bất cứ khi nào cần thiết
● Cơ chế đơn giản để xác thực dữ liệu đƣợc truyền
● Sử dụng hệ thống địa chỉ 7 bit để xác định một thiết bị / IC cụ thể trên bus I2C
● Các mạng I2C dễ dàng mở rộng Các thiết bị mới có thể đƣợc kết nối đơn giản với hai đường bus chung I2C.
Module chuyển đổi I2C cho LCD giúp giảm số lượng chân kết nối cần thiết, từ 6 chân (RS, EN, D7, D6, D5, D4) xuống chỉ còn 2 chân (SCL, SDA) Điều này không chỉ đơn giản hóa quá trình kết nối mà còn tiết kiệm tài nguyên cho vi điều khiển Module này tương thích với các loại LCD sử dụng driver HD44780, như LCD 1602 và LCD 2004.
… ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
Bus I2C là một giao thức giao tiếp bao gồm hai dây chính: Dây đồng hồ (SCL) và Dây dữ liệu (SDA) Dữ liệu được truyền qua dây SDA và được đồng bộ hóa với tín hiệu từ dây SCL Tất cả các thiết bị và IC trong mạng I2C đều được kết nối chung với hai dây SCL và SDA.
Cả hai đường bus I2C, SDA và SCL, hoạt động theo chế độ open drain, cho phép các thiết bị hoặc IC trên mạng I2C kéo tín hiệu xuống mức thấp nhưng không thể đưa tín hiệu lên mức cao Để duy trì mức cao cho các đường bus này, một điện trở kéo lên có giá trị từ 1kΩ đến 4,7kΩ được sử dụng cho mỗi đường, đảm bảo rằng chúng luôn ở mức điện áp dương theo mặc định.
Hệ thống cực máng hở (open drain) được thiết kế nhằm ngăn chặn hiện tượng ngắn mạch, điều này xảy ra khi một thiết bị cố gắng kéo đường dây lên cao trong khi các thiết bị khác lại kéo xuống thấp.
● Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
● Dễ dàng kết nối với LCD
● Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
● Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
● Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
● Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
● Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
● Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Load Cell
1.4.1 Giới thiệu về Load Cell
Loadcell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện, thường được sử dụng để đo các lực lớn, tĩnh hoặc biến thiên chậm.
Loadcell đƣợc cấu tạo bởi hai thành phần: Strain gauge và Load.
Strain gauge là một điện trở nhỏ bằng móng tay, có khả năng thay đổi điện trở khi bị nén hoặc kéo dãn Thiết bị này cần được nuôi bằng nguồn điện ổn định và thường được dán lên bề mặt của vật tải để đo lường biến dạng.
● Load là một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
Loadcell hoạt động theo nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone, trong đó giá trị lực tác dụng tương ứng với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở Nhờ đó, loadcell cung cấp tín hiệu điện áp tỷ lệ với lực tác động.
Hình 1.6 Mạch cơ bản của wheatstone
Điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell và điện áp tín hiệu được đo giữa hai góc khác của cầu điện trở Wheatstone Trong trạng thái cân bằng, điện áp tín hiệu ra gần bằng không khi các điện trở được gắn phù hợp Khi có tải trọng tác động lên loadcell, thân loadcell sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong điện trở strain gauges Sự thay đổi này làm thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges và do đó, thay đổi điện áp đầu ra Mặc dù sự thay đổi này rất nhỏ, nhưng nó được đo và chuyển đổi thành số sau khi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử.
Loadcell có thể đƣợc phân loại nhƣ sau:
● Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (Shear Load Cell), chịu nén
(Compression Load Cell), dạng uốn (Bending), chịu xoắn (Tension Load Cell)
● Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: bé, vừa, lớn
● Phân loại theo hình dạng: Dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S,
● Phân loại theo tín hiệu mã hóa: load cell số (digital load cell), loadcell tương tự
1.4.5 Ứng dụng của load cell
Loadcell là thiết bị quan trọng trong các loại cân điện tử và cân kỹ thuật, đảm bảo độ chính xác cao, từ những chiếc cân nhỏ đến cân công nghiệp lớn như cân xe tải Ngoài ra, một số loại loadcell còn được sử dụng trong các ngón tay robot để đo lường độ bền kéo và lực nén khi cầm nắm hoặc nâng vật, phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau.
1.4.6 Thông số của load cell (5kg)
● Tín hiệu đầu ra: tín hiệu điện áp
● Khối lƣợng đo lớn nhất: 5kg
● Tỷ lệ điện áp ra: 1.0 +- 0.1 mV / V
● Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy (%RO/ ℃): 0.003
● Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không (%RO/ ℃): 0.02
Module HX711
Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 đƣợc sử dụng để đọc giá trị
ADC 24bit với 12 phân giải chuyển đổi dữ liệu qua giao tiếp 2 dây (Clock và Data) giúp gửi thông tin về vi điều khiển Giải pháp này rất phù hợp cho các ứng dụng đo cân nặng sử dụng Loadcell.
1.5.2 Sơ đồ các chân và chức năng
Thông số kỹ thuật của HX711:
- Điện áp hoạt động : 2.7~5VDC
- Tốc độ lấy mẫu : 10 - 80 SPS ( tùy chỉnh )
- Độ phân giải : 24 bit ADC
- Độ phân giải điện áp : 40mV
Nguyên lý làm việc của mạch rất đơn giản:
- Khi chúng ta đặt cân lên cảm biến lực, nó tạo ra điện áp tương tự ở các chân đầu ra tùy theo độ lớn của tải.
- Kênh A đọc đầu ra của cảm biến thông qua bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình và mux đầu vào.
- Bộ khuếch đại khuếch đại điều chỉnh độ lớn của tín hiệu đầu vào và chuyển tín hiệu này đến mạch giao diện chuyển đổi kỹ thuật số.
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của HX711
Sau đó, chúng ta có thể sử dụng bất kỳ vi điều khiển nào nhƣ Arduino có chân GPIO để đọc dữ liệu từ chân DOUT.
HX711 đƣợc ứng dụng trong:
- Kiểm soát quy trình công nghiệp
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng của Vi Điều Khiển nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật LCD có khả năng hiển thị đa dạng các ký tự, bao gồm chữ, số và ký tự đồ họa, mang lại tính trực quan cao Nó dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, đồng thời tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành hợp lý.
- Chân 1-VSS: nối đất (GND)
- Chân 3-VE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân 4-RS: chân chọn thanh ghi, đƣợc nối với logic “0” hoặc “1”
+ Logic “0”: BUS DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (chế độ write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (chế độ read)
+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.
- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), đƣợc nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc.
Chân số 6 - E (Enable) là chân cho phép trong mạch Các tín hiệu được truyền lên bus DB0-DB7 chỉ được chấp nhận khi có một xung cho phép từ chân này.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ đƣợc LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
Khi ở chế độ đọc, dữ liệu sẽ được LCD xuất ra từ DB0 đến DB7 khi phát hiện sự chuyển tiếp từ thấp lên cao (low-to-high transition) tại chân E Dữ liệu này sẽ được giữ lại trên bus cho đến khi chân E trở về mức thấp.
Chân số 7 đến 14 (D0 đến D7) của bus dữ liệu gồm 8 đường dùng để trao đổi thông tin với MPU Bus dữ liệu này có hai chế độ hoạt động: chế độ 8 bit, trong đó dữ liệu được truyền qua cả 8 đường với bit MSB là DB7, và chế độ 4 bit, cho phép truyền dữ liệu qua 4 đường từ DB4 đến DB7, với bit MSB cũng là DB7.
- Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền
- Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Điện áp ra mức thấp :
