Thiết kế mô hình cân điện tử

Lý do chọn đề tài Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng trở nên phổ biến hơn, nhất là với thời đại mà các hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ



THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : TS Phan Thị Lan Anh

Đà Nẵng - 01/2021

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

- Ngày nay trong các khu công nghiệp, cơ quan, trường học, trong lĩnh vực y tế, dân dụng, nông nghiệp,… các thiết bị cân điện tử

có vai trò rất quan trọng

- Cân điện tử có rất quan trọng trong sản xuất nông nghiệp hay buôn bán vì cân điện tử hổ trợ rất nhiều cho con người trong việc trao đổi và buôn bán với nhau

2 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh

mẽ, việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng trở nên phổ biến hơn, nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi

Từ những ứng dụng đơn như đồng hồ kĩ thuật số, máy chơi nhạc MP3, đến những ứng dụng cho xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động, cho đến những ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, ngôi nhà thông minh,

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

Trong đời sống sinh hoạt việc xác đinh khối lượng cũng quan trọng không kém, đặc biệt là việc xác định khối lượng hàng hóa trong mua bán, đây là một khâu rất quan trọng trong việc xác định giá trị của hàng hóa Nhận thấy những yêu cầu cấp thiết trên em xin

thực hiện đề tài: “Thiết kế, xây dựng hệ thống cân điện tử sử dụng Loadcell và Arduino”

3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

- Mục tiêu:Tạo cơ hội tìm hiểu và thực hành một cách thiết

thực những nội dung lý thuyết trong các môn đã học, đặc biệt là lập trình Arduino Và kế đó, áp dụng những nguyên cứu này vào một bài thực hành cụ thể để hiểu rõ hơn lý thuyết và thu góp kinh nghiệm thực hành thực tế

- Nhiệm vụ nghiên cứu: Em nghiên cứu về lập trình

Arduino và module chuyển đổi giá trị bit, cách thức thu thập dữ liệu

để hiển thị trên LCD Em thiết kế một phần cứng là các module kết hợp với nhau để chuyển đổi giá trị bit Kết quả mang lại của đề tài là một hệ thống hoàn thiện gồm phần mềm và phần cứng có thể sử dụng trong các hộ gia đình và nông nghiệp

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Sau khi tìm hiểu thông tin về đề tài,cùng với những hiểu biết sẵn có và tìm kiếm thông tin liên quan, em xác định các đối tượng và phạm vị cần nghiên cứu

- Sử dụng mạch Arduino, loadcell cùng với khác thiết bị điện khác để làm một cái cân có thể cân được một số vận dụng thông thường có những đặc điểm sau:

+ Mô hình cân điện tử có chức năng đo đạc thông số về khối lượng của vật cần đo

+ Khối lượng tối đa của hệ thống cân là 5kg

+ Sử dụng Arduino để lập trình

+ Trên mô hình có màn hình LCD để hiển thị kết quả đo được

+ Thết kế mô hình nhỏ gọn, chi phí thấp

+ Có thể hoạt động như một hệ thống cân thật

5 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên những kiến thức đã học kết hợp với những kiến thức đã học trong môn học chuyên đề lập trình Arduino cùng với sự tìm tòi, nghiên cứu, tổng hợp các kiến thức từ các nguồn khác để phân tích và lựa chọn những cách thức ứng dụng phù hợp phục vụ cho thực hiện đề tài

- Tìm hiểu nguyên tắc chuyển đổi các giá trị bit của module

- Giới thiệu các linh kiện dung trong mạch

- Tính toán thiết kế

- Mô phỏng mạch dung phần mềm Proteus 8.10

- Thi công mạch

6 Ý nghĩa của đề tài

Đề tài là một cây cầu gắn kết giữa lý thuyết học được và với việc thực hiện, tạo ra các sản phẩm thực tế để tăng kiến thức và tay nghề của sinh viên Mặc khác, đề tài cũng là tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu có liên quan hoặc áp dụng cho thực tế

7 Phương pháp thực hiện

- Để thực hiện được sản phẩm, chúng ta sẽ thực hiện trình

tự gồm 3 phần sau:

- Phân cơ khí: Do để tiết kiệm chi phí, và để dễ thi công

thiết kế nên em đã chọn bìa giấy mô hình để làm khung sản phẩm

- Phân mạch điện:

- Phân chương trình:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ CÂN ĐIỆN TỬ

Cân điện tử là một loại thiết bị điện tử để đo khối lượng của các vật mẫu Mọi vật trên trái đất đều có khối lượng riêng biệt và làm sao để cân chúng thì đó là lí do mà cân điện tử ra đời Một bộ cảm biến sẽ nhận diện trọng lượng của vật mẫu sau đó chuyển tiếp vào bộ mạch trung tâm lý tín hiệu và hiển thị kết quả trả về là khối lượng của vật

Hình 1.1 Cân điện tử

1.2 CHỨC NĂNG CỦA CÂN ĐIỆN TỬ

1.3 PHÂN LOẠI CÂN ĐIỆN TỬ

1.3.1 Cân đếm

1.3.2 Cân bàn

1.3.3 Cân sàn

1.3.4 Cân đóng bao

1.3.5 Cân treo

1.4 ƯU ĐIỂM CỦA CÂN ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO

2.1.1 Khái niệm về Arduino

- Arduino là một board mạch Vi Điều Khiển sử dụng chip AVR 8bit như ATmega328, Atmega168, ATmega8 của Atmel

- Board mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560 Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó

có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C)

- Sức mạnh xử lý

+ Xung nhịp: 16MHz

+ EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560) + SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)

+ Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)

- Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:

2.1.2 Cấu trúc phần cứng

2.1.3 So sánh thông số kỹ thuật của các Arduino Board

2.1.4 Cấu trúc phần mềm và lập trình cho Arduino

2.2 GIỚI THIỆU CÁC MODULE VÀ LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH

2.2.1 Arduino Nano

Arduino nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm – 4,5cm

Arduino Nano là một board mạch thiết kế nhỏ gọn với chức năng, sức mạnh, phần cứng cũng như cách sử dụng hoàn toàn tương đương với Arduino Uno, nếu bạn thích sự nhỏ gọn trong thiết kế thì đây là 1 sự lựa chọn hoàn toàn tối ưu dành cho bạn

Arduino Nano sử dụng chip dán ATmega328 (Arduino Nano 3.x) hoặc Atmega168 (Arduino Nano 2.x) Nó có chức năng tương tự của Arduino Duemilanove, nhưng khác pakage(gói) Nó thiếu chỉ một jack cắm điện DC, và làm việc với một cáp USB Mini-B Nano được thiết kế và được sản xuất rộng khắp

Hình 2.9 Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của Arduino nano

2.2.2 Màn hình LCD 16*02

2.2.2.1 Khái niệm

2.2.2.2 Sơ đồ chân và chức năng

2.2.2.3 Thông số kỹ thuật

2.2.2.4 Mã lệnh của LCD

2.2.3 Module HX711

2.2.3.1 Khái niệm

2.2.3.2 Sơ đồ chân và chức năng

2.2.3.3 Thông số kỹ thuật

2.2.3.4 Chức năng

2.2.4 Cảm biến Loadcell

2.2.4.1 Khái niệm

2.2.4.2 Nguyên lí hoạt động và phân loại 2.2.4.3 Load cell bao gồm các loại cơ bản 2.2.4.4 Thông số kỹ thuật

2.2.4.5 Ứng dụng

2.2.4.6 Các đặc tính của loadcell

2.2.5 Tụ điện

2.2.5.1 Khái niệm

2.2.5.2 Cấu tạo của tụ điện

2.2.5.3 Nguyên lí hoạt động của tụ điện 2.2.5.4 Phân loại tụ điện

2.2.5.5 Ứng dụng

2.2.5.6 Các kiểu mắc tụ điện

2.2.6 Biến trở

2.2.6.1 Khái niệm

2.2.6.2 Cấu tạo

2.2.6.3 Nguyên lý hoạt động của biến trở 2.2.6.4 Các loại biến trở

2.2.6.5 Ứng dụng

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH 3.1 THIẾT KẾ PHẦN MỀM

3.1.1 Sơ đồ khối

 Chức năng:

- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch

- Khối xử lý: Điều khiển các quá trình giao tiếp, truyền nhận giữa các module Nhận tín hiệu của các khối điều khiển để truyền đến các khối khác, để đọc dữ liệu từ các module,

xuất hình ảnh ra khỏi khối hiển thị

- Khối hiển thị: hiện thị tín hiệu đo được của khối xử lý

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý

3.1.3 Mạch in – PCB

Mạch in được thiết kế dựa trên sơ đồ nguyên lý

Hình 3.2 Mạch in – PCB

3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Khi bạn đặt vật để cân lên, khối lượng của vật sẽ tác động lên mặt cân và tạo thành một lực uốn cong thanh Loadcell Khi đó, điện trở được dán trên thành nãy, sinh ra thay đổi điện trở Vật càng nặng thì

độ biến dạng của thanh Loadcell càng lớn, dẫn tới điện trở thay đổi càng nhiều Bộ phận xử lý tín hiệu điện tử của cân điện tử sẽ có nhiệm vụ quy đổi những tín hiệu nhận được thành kết quả, báo khối lượng vật cụ thể

3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN

3.4 LỰA CHỌN PHẦN MỀM

3.4.1 Phần mềm Proteus

Hình 3.3 Phần mềm proteus Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, …

3.4.2 Phần mềm Arduino IDE

Hình 3.4 Phần mềm Arduino IDE Arduino IDE là môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code và tải nó lên bo mạch Môi trường phát triển được viết bằng Java dựa trên ngôn ngữ lập trình xử

lý và phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm này có thể được sử dụng với bất kỳ bo mạch Arduino nào

Hình 3.5 Thư viện được tích hợp trong phần mềm lập trình Arduino

3.5 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

Lựa chọn vật liệu mica 3mm làm vật liệu thiết kế khung cho

mô hình

Hình 3.6 Mica 3mm

Hình 3.7 Bản vẽ thiết kế đĩa cân

Hình 3.8 Bản vẽ thiết kế phần đế

3.6 HIỆU CHỈNH CÂN

CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH 4.1 DANH SÁCH MODULE TRONG MẠCH

Tên linh kiện Số lượng hoặc kích

thước

Trị số hoặc loại

4.2 THI CÔNG MÔ HÌNH SẢN PHẨM

Hình 4.1 Tổng quan mô hình

Hình 4.2 Cấp nguồn cho mô hình

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

 KẾT LUẬN

- Sau khi tìm hiểu xong đề tài này em có thể:

+ Nguyên tắc hoạt động của mạch

+ Hiểu rõ hơn về các linh kiện và vi điều khiển

+ Có thể tự thiết kế và thi công mạch liên quan đến vi điều khiển

+ Chế tạo thành công mô hình cân điện tử sử dụng Arduino

và loadcell

+ Hệ thống hoạt động trơn chu, ổn định

+ Kết đo hoàn toàn chính xác

+ Đạt được những tiêu chí đã đề ra

+ Hoàn thành đề tài trong thời gian cho phép

- Ưu điểm:

+ Sản phẩm hoạt động tốt

+ Ứng dụng được vào thực tế cao

+ Linh kiện đơn giản dễ tìm, dễ thực hiện

 HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong các mạch thiết kế điện tử dùng các mạch Arduino, mạch thiết kế dùng Arduino được cho là tối ưu, mạch trở nên thông dụng, và Arduino khá tiện dụng và được giao tiếp với LCD 16×02 nên mạch rất phổ biến Ngoài ra, mạch Arduino còn kết hợp với các module cảm biến để tạo ra các mạch cảm biến Và chúng ta nên sử dụng Arduino (Arduino Uno) để tạo các mạch cảm biến phổ biến và thông dụng trong cuộc sống hiện đại