Tài liệu Thiêt kê can đien tử va ứng dụng tịnh gạo tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG TỊNH GẠO TỰ ĐỘNG Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Hoàng Mạnh MSSV: 1063809 2. Phạm Phú Cường MSSV: B070258 Giáo viên hướng dẫn Th.s Nguyễn Hoàng Dũng CẦN THƠ, THÁNG 5 NĂM 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CÂN ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG TỊNH GẠO TỰ ĐỘNG Nhóm sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Hoàng Mạnh MSSV: 1063809 2. Phạm Phú Cường MSSV: B070258 Giáo viên hướng dẫn Th.s Nguyễn Hoàng Dũng CẦN THƠ, THÁNG 5 NĂM 2010 LỜI CẢM ƠN Trong suốt khóa học (2007-2010) tại trường Đại học Cần Thơ, với sự giúp đỡ của quý thầy cô và giáo viên hướng dẫn về mọi mặt và nhất là trong thời gian thực hiện ñề tài LVTN, nên ñề tài đã được hoàn thành đúng thời gian quy định. Chúng em xin chân thành cảm ơn ñến: - Bộ môn tự động hóa cùng tất cả quý thầy cô trong khoa đã giảng dạy những điến thức chuyên môn làm cơ sở ñể thực hiện tốt LVTN và đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn tất khóa học. - ðặc biệt, Th.s Nguyễn Hoàng Dũng – giáo viên hướng dẫn ñề tài đã nhiệt tình giúp đỡ em vượt qua khó khăn và cho em những lời chỉ dạy quý báu, giúp em định hướng tốt trong khi thực hiện luận văn. - Xin cảm ơn ñến tất cả bạn bè đã giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua. Tp Cần Thơ, tháng 5 năm 2010 Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàng Mạnh Phạm Phú Cường NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN -------------oOo------------- ………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Tp Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Ths. Nguyễn Hoàng Dũng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN -------------oOo------------- ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………… ............................................... ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ Tp Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2010 Giáo viên phản biện LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành Kỹ thuật Điều khiển Khóa 32 Học kỳ 2, Năm học 2009-2010 -------------1. Tên đề tài: Thiết kế cân điện tử và ứng dụng vào tịnh gạo tự động. 2. Loại đề tài: Kỹ thuật Điều khiển 3. Kiến thức nền: Lý thuyết mạch, Mạch tương tự, Cảm biến, Điện tử công suất, KT Vi xử lý và Vi điều khiển. 4. GV Hướng dẫn: GV.Ths. Nguyễn Hoàng Dũng Liên hệ: [email protected] 5. Số SV thực hiện: 02 sinh viên i. Nguyễn Hoàng Mạnh MSSV: 1063809 ii. Phạm Phú Cường MSSV: B070258 6. Yêu cầu của đề tài: - Mô tả vấn đề: Đề tài này đã được nghiên cứu, tuy nhiên chỉ dừng ở thiết kế bàn cân đặt loadcell. Yêu cầu trong luận văn tốt nghiệp này sinh viên cần phải hoàn chỉnh hệ thống trên cả phần cứng lẫn phần mềm. Một cách tổng quát trong đề tài lần này sinh viên sẽ thiết kế bộ khuếch đại và lọc nhiễu cho loadcell, mạch hiển thị, và hệ thống cân gạo tự động với sai số 200g. - Phương pháp và phương tiện nghiên cứu: i. Phát triển phần cứng ii. Thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống. - Ngôn ngữ lập trình: Lập trình C cho Vi điều khiển. - Sản phẩm dự kiến: Một hệ thống tịnh gạo tự động. 8. Các linh kiện hoặc thiết bị đặc biệt TT Tên linh kiện (thiết bị) Chức năng 1 Bàn cân Đặt đối tượng cần cân 2 Vi điều khiển (tự chọn) Thiết kế bộ điều khiển 3 Cảm biến khối lượng Đo khối lượng (Loadcell TCE-TM 10kN) 4 5 Solenoid Bồn chứa gạo Số lượng 01 01 01 Đối tượng đóng mở Chứa gạo Cần thơ, ngày 02 tháng 05 năm 2010 GVDH: Ths. Nguyễn Hoàng Dũng 02 01 TÓM TẮT --------oOo-------- Đề tài “Thiết kế cân điện tử và ứng dụng vào tịnh gạo tự động”, giúp chúng ta tìm hiểu sâu hơn về cảm biến khối lượng loadcell và kỹ thuật điều khiển tự động. Nhằm tạo nền tảng ñể đưa ứng dụng này vào những thực tế thông qua chip vi điều khiển thông dụng (8051, AVR, PIC…). Trong phạm vi ñề tài này, chúng tôi ứng dụng kỹ thuật điều khiển trên đối tượng cụ thể là điều khiển công suất 2 solenoid kết hợp với van đóng ngắt để tĩnh gạo theo giá trị mong muốn cụ thể là 50kg, vi điều khiển sử dụng là ATmega16. Đề tài được chia làm 5 chương: - Chương I. Giới thiệu ñề tài. - Chương II. Cơ sở lý thuyết. - Chương III. Thiết kế phần cứng. - Chương IV. Thiết kế phần mềm. - Chương V. Kết quả nghiên cứu và kết luận. MỤC LỤC BÌA PHỤ --------------------------------------------------------------------------------------------------1 LỜI CẢM ƠN---------------------------------------------------------------------------------------------2 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN-----------------------------------------------------3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN -------------------------------------------------------4 TÊN ðỀ TÀI ----------------------------------------------------------------------------------------------5 TÓM TẮT -------------------------------------------------------------------------------------------------6 MỤC LỤC-------------------------------------------------------------------------------------------------7 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI-------------------------------------------------------------------8 1. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI----------------------------------------------------------------------------------8 2. PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN ---------------------------------------------------------------------8 2.1. MỤC TIÊU ĐẶT RA-------------------------------------------------------------------------------8 2.2. SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN ------------9 2.2.1.Sơ đồ khối ------------------------------------------------------------------------------------------9 2.2.2. Nguyên lí hoạt động cơ bản ---------------------------------------------------------------------9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ----------------------------------------------------------------- 11 1. LỰA CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN-------------------------------------------------------------------- 11 1.1. Đặc tính kỹ thuật ---------------------------------------------------------------------------------- 11 1.2. Các chân của vi điều khiển Atmega16 --------------------------------------------------------- 12 2. TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN BIẾN DẠNG (STRAIN GAGE) VÀ CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOAD CELL): ------------------------------------------------------------------ 12 2.1 CẢM BIẾN BIẾN DẠNG (STRAIN GAGE) ------------------------------------------------- 12 2.1.1. Cấu tạo của cảm biến biến dạng -------------------------------------------------------------- 12 2.1.2. Cấu tạo của cảm biến khối lượng loadcell--------------------------------------------------- 14 2.2. CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOAD CELL):---------------------------------------------- 16 2.2.1. Cấu tạo loadcell --------------------------------------------------------------------------------- 16 2.2.2. Loadcell loại TCE – TM ----------------------------------------------------------------------- 19 2.2.2. Ứng dụng của loadcell ------------------------------------------------------------------------- 19 3. BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN OPAMP--------------------------------------------------- 21 3.1 Giới thiệu chung ----------------------------------------------------------------------------------- 21 3.2 ðặc tính và các thông số -------------------------------------------------------------------------- 21 3.2.1 Đáp ứng tín hiệu ra Vo, xác định như sau ---------------------------------------------------- 21 3.2.2. Hoạt động ở trạng thái vòng hở --------------------------------------------------------------- 21 4. TÌM HIỂU SƠ LƯỢC VỀ IC OP07DP CỦA TEXAS INSTRUMENTS------------------- 22 5. TÌM HIỂU SƠ LƯỢC VỀ MOC3020------------------------------------------------------------ 23 6. TÌM HIỂU SƠ LƯỢC VỀ TRIAC---------------------------------------------------------------- 23 7. TÌM HIỂU LCD ------------------------------------------------------------------------------------- 24 7. 1.Text LCD------------------------------------------------------------------------------------------- 24 7. 1.1.sơ đồ chân---------------------------------------------------------------------------------------- 25 7. 2.Thanh ghi và tổ chức bộ nhớ -------------------------------------------------------------------- 26 7. 2.1. DDRAM----------------------------------------------------------------------------------------- 26 7.2.2. CGROM------------------------------------------------------------------------------------------ 27 7.2.3 CGRAM ------------------------------------------------------------------------------------------ 27 7. 3.Điều khiển hiển thị Text LCD ------------------------------------------------------------------- 27 7. 3.1.Các chân điều khiển LCD---------------------------------------------------------------------- 27 7. 3.2.Tập lệnh của LCD ------------------------------------------------------------------------------ 29 8 .TÌM HIỂU ADC CỦA AVR----------------------------------------------------------------------- 31 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ HỆ THỐNG CƠ KHÍ -------------------------- 36 1. SƠ ðỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ðỘNG CỦA HỆ THỐNG ----------------------- 36 1.1.Sơ đồ khối tổng quát------------------------------------------------------------------------------- 36 1.2.Nguyên lý hoạt động ------------------------------------------------------------------------------ 37 2. KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM VÀ SWITCH---------------------------------------------------- 37 3. KHỐI HIỂN THỊ ------------------------------------------------------------------------------------ 38 4. KHỐI MẠCH KHUẾCH ĐẠI, LỌC NHIỄU VÀ CHUYỀN ĐỔI AD --------------------- 41 5. KHỐI NGUỒN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ---------------------------------------- 42 5.1. Khối nguồn----------------------------------------------------------------------------------------- 42 5.2.Thiết kế bộ điều khiển công suất ---------------------------------------------------------------- 43 6. THIẾT KẾ BÀN CÂN------------------------------------------------------------------------------ 43 7. THIẾT KẾ GIÁ ĐỠ, BỒN VÀ ỐNG ĐÓNG XẢ GẠO--------------------------------------- 44 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ PHẦN MỀM ----------------------------------------------------------- 45 1. GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH --------------------------------------------------------------- 45 1.1.Giải thuật -------------------------------------------------------------------------------------------- 45 1.2.Lưu đồ thuật toán ---------------------------------------------------------------------------------- 45 1.3.Code lập trình--------------------------------------------------------------------------------------- 47 2.HIỆU CHỈNH HỆ SỐ KHUẾCH ĐẠI------------------------------------------------------------ 51 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT LUẬN ------------------------------------- 53 1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU------------------------------------------------------------------------- 53 2. KẾT LUẬN ------------------------------------------------------------------------------------------ 54 3. HƯỚNG MỞ RỘNG ------------------------------------------------------------------------------- 54 PHỤ LỤC A GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA16 ------------------------------------- 55 PHỤ LỤC B GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CODEVISION AVR ---------------------------------- 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO-------------------------------------------------------------------------------- 82 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ðỀ TÀI : Nội dung của chương: Nhiệm vụ của ñề tài. Phương pháp thực hiện. 1. NHIỆM VỤ CỦA ðỀ TÀI Trong đề tài này chúng tôi đã áp dụng kỹ thuật điều khiển dựa trên chíp điều khiển AVR thông dụng để thiết kế một hệ thống cân gạo tự động ở khối lượng mong muốn thông qua việc điều khiển đóng ngắt 2 solenoid AC kết hợp với 2 van, cụ thể như nhau: - Thiết kế phần cơ khí: + Bồn chứa gạo. + Giá đỡ bồn gạo. + Giá đỡ hệ thống. - Thiết kế phần cứng: + Mạch nguồn. + Mạch khuếch đại và lọc nhiễu + Mạch hiển thị. + Mạch điều khiển công suất. + Mạch điều khiển trung tâm. - Thiết kế phần mềm: + Nghiên cứu giải thuật biến đổi ADC. + Nghiên cứu giải thuật hiển thị LCD. + Nghiên cứu giải thuật điều khiển 2 solenoid. 2.PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1.Mục tiêu đặt ra: Thiết kế một kit xử lý dựa trên chip vi điều khiển cho phép: Điều khiển công suất 2 solenoid AC bằng phương pháp on/off. Dùng loadcell đo khối lượng và hiển thị lên LCD với sai số 200 gam. Cho phép hệ thống tịnh gạo tự động với sai số 200 gam và đếm được số bao đã tịnh. 2.2.Sơ đồ khối của hệ thống và nguyên lý hoạt động cơ bản: 2.2.1.Sơ đồ khối: Khối lọc nhiễu Khối khuếch đại tín hiệu Khối lượng từ Loadcell Bộ chuyển đổi ADC của VĐK CPU Switch 1(Bắt đầu tịnh) Switch 2(Đặt giá trị tịnh) Khối hiển thị Khối điều khiển công suất Solenoid 2 Solenoid 1 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát 2.2.2.Nguyên lý hoạt động cơ bản: • Khối lượng sẽ được xác định qua loadcell, sau đó đưa qua bộ khuếch đại và lọc nhiễu dùng Opamp ñể thu được tín hiệu có biên độ lớn hơn. Tín hiệu sau khi khuếch đại được đưa vào vi điều khiển và được số hóa nhờ vào bộ chuyển đổi AD bên trong vi điều khiển. • Khối lượng đặt trước để điều khiển solenoid 1 và solenoid 2 được lưu vào các biến bên trong vi điều khiển. • Tín hiệu ngõ vào sau khi chuyển đổi được vi điều khiển xử lý và xuất ra bộ hiển thị khối lượng, đồng thời các tín hiệu này sẽ so sánh với khối lượng đặt trước để vi điều khiển xử lý, làm cơ sở ñể điều khiển mạch công suất. • Khi nhấn switch1 hệ thống bắt tịnh gạo tự động. • Khi nhấn switch 2 đặt giá trị tịnh. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT : Nội dung của chương: Lựa chọn vi điều khiển. Tìm hiểu về cảm biến lực loadcell Bộ khuếch đại thuật toán Opamp. Tìm hiểu sơ lược về MOC3020. Tìm hiểu sơ lược về Triac. 1. LỰA CHỌN VI ĐIỀU KHIỂN Để việc viết chương trình đơn giản thì yêu cầu phần cứng phải được thiết kế phù hợp. Nhìn chung để thực hiện tốt một chức năng nào đó, nếu phần cứng đơn giản thì yêu cầu phần mềm phải lập trình phức tạp hơn và ngược lại. Do đó người thiết kế phải cân nhắc kỹ lưỡng khi thiết kế phần cứng và phần mềm, trong đó việc chọn loại vi điều khiển ảnh hưởng rất lớn ñến việc viết phần mềm và kết quả đạt được của chương trình. Các yêu cầu chung cho phần cứng và phần mềm được liệt kê như sau: v Có biến đổi đổi AD bên trong. v Phát triển ứng dụng nhanh chóng. v Lập trình đơn giản. v Có ngắt ngoài. Một số họ vi điều khiển có thể đáp ứng các yêu cầu trên như: 8051, AVR, PIC,…. Với thạch anh ngoài 12 MHz thì tốc độ xung clock của các loại vi điều khiển là như sau: v Họ 8051 là (12/12 )MIPS = 1MIPS. v Họ AVR là ( 12/1) MIPS = 12MIPS. v Họ PIC là (12/4) MIPS = 3MIPS. Trong các loại vi điều khiển trên, chúng tôi chọn họ AVR (sử dụng ATmega16) , do vi điều khiển này đáp ứng được các yêu cầu đặt ra, giá thành rẻ, lập trình đơn giản, phát triển ứng dụng nhanh chóng. Dưới đây, chúng tôi chỉ giới thiệu sơ lược một số đặc tính thông dụng và một số chức năng của vi điều khiển Atmega16, một số phần khác có thể tham khảo trong datasheet. 1.1 Đặc tính kỹ thuật: - Khả năng thực thi cao, tiêu thụ năng lượng thấp. - Cấu trúc RISC tiên tiến: + Bộ lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết thực thi trong 1 chu kì xung nhịp. + 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng. + Hoạt động tĩnh hoàn toàn. + Tốc độ xử lí lệnh lên tới 16 MIPS ở 16 MHz nghĩa là 16 triệu lệnh trên giây (nói đúng hơn là 16 triệu xung clock cycle trên giây). + Có thể hoạt động tăng gấp đôi chu kì. - Bộ nhớ chương trình linh động: + 16K Byte Flash lập trình được ngay trên hệ thống (10,000 lần ghi/xóa). + 512 Byte EEFROM (100,000 lần ghi xóa), bảo toàn dữ liệu khi mất điện. + 1K Byte SRAM. - Đặc tính ngọai vi: + 2 bộ Timer/Counter 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt. + 1 bộ Timer/Counter 16 bit có thêm chế độ bắt mẫu. + Bộ đếm thời gian thực với bộ tạo dao động tách biệt. + 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM. + Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit. + Bộ lập trình nối tiếp USART. + Giao diện nối tiếp SPI. + Bộ định thời Watchdog lập trình được với bộ tạo dao động tách biệt. + Bộ so sánh tương tự. - Các tính năng đặc biệt: + Có mạch Power-On reset. + Có bộ tạo dao động chuẩn bên trong. + Có các nguồn ngắt ngoài và trong. + 6 chế độ ngủ: : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby. - 32 ngõ I/O lập trình được. - 40 chân kiểu PDIP. - Họat động ở 4.5-5.5V. - Tốc độ xử lý 0-16MHz. 1.2 Các chân của vi điều khiển Atmega16: Hình 2.1: Sơ đồ chân ATMega 16 2. TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN BIẾN DẠNG (STRAIN GAGE) VÀ CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOAD CELL): 2.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage): 2.1.1. Cấu tạo của cảm biến biến dạng: Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất ρ (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình 2.1: Hình 2.2: Caûm bieán bieán daïng 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. Điện trở của cảm biến: l R =ρ (2.1) s Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn thay đổi nên cảm biến thay đổi một lượng ∆R: ∆R ∆l ∆ρ ∆s = + − (2.2) R l s ρ Trong đó: ∆ l là biến thiên chiều dài của dây dẫn, ∆ρ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn, và ∆s là biến thiên tiết diện của dây dẫn, R là điện trở của cảm biến khi chưa bị biến dạng. Biến dạng dọc theo dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây hình chữ nhật có các cạnh a, b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì quan hệ giữa biến dạng dọc và ngang của dây như (2.3) ∆a ∆b ∆d ∆l = = = −v (2.3) a b d l Trong đó v là hệ số poisson. Trong vùng đàn hồi, v≈0,3. Tiết diện s của dây s πd 2 = a.b = nên: 4 ∆s ∆l = −2v (2.4) s l Sự thay đổi điện trở suất dây dẫn theo quan hệ: ∆ρ ∆V ∆l =C = C(1 − 2v) (2.5) ρ V l Trong đó C là hằng số Bridman. V = l.s, ∆V là thể tích và lượng biến thiên thể tích của dây dẫn. Thay (2.4), (2.5) vào (2.2) ta được: ∆R ∆l ∆l = (1 + 2v + C − 2Cv) = K (2.6) R l l Với K = (1+2v+C-2Cv). Hình 2.3: Cảm biến biến dạng (Strain gage) 2.1.2. Cấu tạo của cảm biến khối lượng (Loadcell): Strain gage được dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lượng (Load cell), cảm biến đo ứng suất … - Đo lực dùng cảm biến biến dạng: Để đo lực tác động lên một vật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của vật chứng, dưới tác dụng của lực tác động, vật chứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là thay đổi điện trở của cảm biến, đo sự thay dổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng. Hình 2.4: Cảm biến biến dạng Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng ε: ε= ∆l 1 1F = σ= l Y Y S (2.7) Trong đó: ε là biến dạng của vật chứng, σ là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật chứng, F là lực tác dụng. Tương ứng với các vật liệu khác nhau thì module Young khác nhau. Ví dụ: đo lực ép cho máy ép cọc bê tông hình 2.4: Hình 2.4: Máy ép cọc bê tông - Đo momen xoắn dùng cảm biến biến dạng: Để đo momen xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay hướng theo ứng suất (nghiêng 450 so với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau như hình 2.5 và 2 strain gage được bố trí sau cho một strain gage nén một strain gage giãn. Hình 2.5: Dán strain gage lên trục để đo momen xoắn Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng ε: ε= ∆l 4 4 16T = γ= l 3Y 3Y π D 2 (2.8) Trong đó: T là momen tác động lên trục, Y là module Young, D là bán kính bề mặt trục. Ví dụ: Đo momen xoắn trên trục của hệ tua bin máy phát: Hình 2.6: Hệ tua in máy phát đo momen xoắn Hình 2.7: Cảm biến - Mạch đo dùng momen xoắn: Trong trường hợp dùng 2 strain gage thì Rx1 sẽ là strain gage nén (Rx1 = R ∆ R), Rx2 sẽ là strain gage giãn (Rx2 = R + ∆R). Trong mạch đo hình 2.8a thì điện áp ngõ ra V0 là: V0 = − R2  R + ∆R 1  R ∆R − VCC = − 2 VCC  R1  2R + ∆R 2  R1 2(2R + ∆R) Trong mạch đo hình 2.8b thì điện áp ngõ ra V0 là: V0 = − R2  R + ∆R 1  R ∆R − VCC = − 2 VCC  2 R1  2R R1 2R (2.10) (2.9) Hình 2.8a: Mạch đo một strain gage gage Hình 2.8b: Mạch đo 2 strain 2.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG (LOADCELL): 2.2.1. Cấu tạo loadcell: Load cell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ được xử lí 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 load cell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bị tác động. Tùy vào dạng của vật chứng tac có các loại loadcell. Hình 2.9: Cấu tạo của loadcell - Một số dạng của loadcell: Hình 2.10: Một số dạng loadcell - Các strain gage trong loadcell được kết nối thành một mạch cầu Wheastone như hình 2.11. Các strain gage trong mạch cầu có tác dụng bù ảnh hưởng của nhiệt độ. Hình 2.11: Kết nối các strain gage trong loadcell - Khi không bị tác động, điện trở của các strain gage bằng nhau cầu ở trạng thái cân bằng. Khi bị tác động, vật chứng bị biến dạng, các strain gage thay đổi điện trở làm cầu lệch cân bằng làm xuất hiện ở ngõ ra một điện áp V0. + Khi load cell có 2 strain gage tích cực (R2, R4 giãn, R1 =R3 = R cố định): V0 = R2 R3 R  ∆R  R + ∆R − − VCC =  VCC VCC = R1 + R2 R3 + R4 2R+∆R  2R+∆R 2R+∆R  (2.11) Thường thì giá trị ∆ R << R nên hệ thức (2.11) có thể viết lại: V0 = ∆R VCC =K∆R 2R (2.12) Khi loadcell có 4 strain gage tích cực (R2 = R4 = R + ∆ R, R1 = R3 = R -∆R). Điện áp ra của cầu Vo: ∆R  R + ∆R R − ∆R  − V0 =  Vcc = K ∆R Vcc = R 2R   2R (2.13) - Từ (2.11) và (2.12) ta thấy điện áp ngõ ra của cầu tỷ lệ với lượng thay đổi điện trở của strain gage. - Mạch tương đương của loadcell: Từ sơ đồ kết nối của loadcell (hình 2.11), ta có sơ đồ tương đương Thevenin của loadcell như hình 2.13. Trong đó Rtđ là tổng trở tương đương của mạch khi ngắn mạch nguồn cung cấp, Vo là điện áp ở ngõ ra của loadcell khi hở mạch. Hình 2.13 Mạch tương đương thevenin của loadcell - Khi hệ thống sử dụng nhiều loadcell như các hệ thống cân xe (Thường là 2, 4, 6 hoặc 8 loadcell), việc kết nối nhiều loadcell vào một cơ cấu chỉ thị phải đảm bảo sao cho cùng một khối lượng tác động vào các loadcell thì chỉ số trên cơ cấu chỉ thị phải như nhau. Để đảm bảo được yêu cầu này thì các loadcell phải được nối vào mạch cộng tín hiệu trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Vì mỗi loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên Junction box có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch điện áp đối với cùng một tải trọng. Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho loadcell vì thay đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra. Ngòai ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các loadcell. Sơ đồ nguyên lý của Junction Box như hình 2.15: - Khi nối thêm biến trở chỉnh nguồn và điện trở cộng tín hiệu vào loadcell, thì điện áp ngõ ra của mỗi loadcell: ∆R  R + ∆R R − ∆R  R − V0 =  Vcc = Vcc  R + VR 2R  R + VR  2R ∆R 2 Rtd = R − (2.15) R + VR Sơ đồ tương đương thevenin như hình 2.14. (2.14) Hình 2.14 Sơ đồ kết nối 1 loadcell và mạch tương đương thevenin Hình 2.15 Sơ đồ junction Box 4 loadcell Ta có sơ đồ thay thế của mạch Junction Box: Hình 2.16 Mạch tương đương của Junction Box Gọi U = Sig+ - Sig- là điện áp ngõ ra của Junction Box, Rtd1, Rtd2, Rtd3, Rtd4 là tổng trở tương đương thevenin của mỗi loadcell. Ta có: U − V 1 U − V2 U − V3 U − V 4 + + + = 0 (2.16) R td2 Rtd1 Rtd3 Rtd 4 U U U U V V V V ⇒ + + + = 1 + 2 + 3 + 4 (2.17) Rtd1 R td2 Rtd3 Rtd 4 Rtd 4 Rtd 4 Rtd 4 Rtd 4 Nếu tổng trở tương đươg của các loadcell là giống nhau thì từ (2.18) ta có: U= V1 + V2 + V3 + V4 4 2.2.2. Loadcell loại TCE – TM: Hình ảnh và kích cỡ: (2.18)