Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg

hiện được bit start sai bằng cách yêu cầu trạng thái 0 ở (bit start) ở lần đếm thứ 8 sau khi có chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 đầu tiên. Nếu điều này không xảy ra, người ta giả sử là bộ thu được kích bởi nhiễu chứ không phải do một ký tự hợp lệ. Bộ thu được reset và quay về trạng thái nghỉ (idle), tìm kiếm (đợi) chuyển trạng thái từ 1 xuống 0 kế. Giả sử đã phát hiện được bit start hợp lệ, thì tiếp tục thu ký tự. Bit start được bỏ qua và 8 bit dữ liệu được đưa vào thanh ghi dịch cổng nối tiếp theo xung nhịp. Khi đã có được tất cả 8 bit, điều sau đây xảy ra : Bit thứ 9 (bit stop) được chốt vào RB8 trong SCON. SBUF được nạp với 8 bit dữ liệu. Cờ ngắt bộ thu (RI) được đặt lên 1. Tuy nhiên, những điều này chỉ xảy ra nếu đã có những điều kiện sau : RI = 0 SM2 = 1 và bit stop thu được là 1, hoặc SM2 = 0. Đòi hỏi RI = 0 để bảo đảm là phần mềm đã đọc ký tự trước (và RI được xóa). Điều kiện thứ hai hơi phức tạp nhưng chỉ áp dụng trong chế độ truyền thông đa bit start bit stop D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 TXD 1 tốc độ baud TI (SCON.1) Ngắt phát (chuẩn bị cho dữ liệu) Luận Văn Tốt Nghiệp 20 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường xử lý. Điều đó hàm ý là “không đặt RI lên 1 trong chế độ truyền thông đa xử lý khi bit dữ liệu thứ 9 là 0). 2.1.2.9 Tốc độ baud port nối tiếp. Sử dụng Timer 1 làm xung nhịp tốc độ baud Cách thông dụng để tạo tốc độ baud là khởi động TMOD cho chế độ 8 bit tự động nạp lại (chế độ 2) và đặt giá trị nạp lại đúng vào TH1 để cho tốc độ tràn đúng với tốc độ baud. TMOD được khởi động như sau : MOV TMOD, #0010xxxxB Các x là các bit 1 hoặc 0 cần cho timer. Cũng có thể đạt được các tốc độ baud thấp bằng cách sử dụng timer chế độ 1 với TMOD = 0001xxxxB. Tuy nhiên, tốn thêm phần mềm vì các thanh ghi TH1/TL1 phải được khởi động lại sau mỗi lần tràn. Việc này sẽ được thực hiện trong chương trình phục vụ ngắt. Một chọn lựa khác là cấp xung nhịp cho Timer 1 từ ngoài dùng T1(P3.5). Và luôn luôn tốc độ baud là tốc độ tràn của Timer 1 được chia cho 32 (hoặc cho 16, nếu SMOD = 1). Công thức tổng quát để xác định tốc độ baud trong các chế độ 1 và 3 là : Tốc độ baud = Tốc độ tràn của Timer 1 ÷ 32. Bảng 2.6 tóm tắt các giá trị nạp lại cho các tốc độ baud thông dụng nhất, dùng thạch anh 12 MHZ hoặc 11.059 MHz : Luận Văn Tốt Nghiệp 21 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Tốc độ baud Tần số thạch anh SMOD Giá trị nạp lại vào TH1 Tốc độ baud thật Sai số 9600 12MHz 1 -7(F9H) 8923 7% 2400 12MHz 0 -13(F3H) 2404 0.16% 1200 12MHz 0 -26(E6H) 1202 0.16% 19200 11.059MHz 1 -3(FDH) 19200 0 9600 11.059MHz 0 -3(FDH) 9600 0 2400 11.059MHz 0 -12(F4H) 2400 0 1200 11.059MHz 0 -24(E8H) 1200 0 Bảng2.6 : Tóm tắt tốc độ baud. 2.2- IC chuyển đổi ADC (ICL7135) : ICL7135 là một IC chuyển đổi A/D có độ chính xác cao. Biến đổi từ Analog sang Digital theo phương pháp 2 độ dốc, độ chính xác chuyển đổi là 20.000 với sai số là ± 1, giới hạn điện áp nằm trong mức chuyển đổi là 2V. Chênh lệch trở kháng ngõ vào lớn và chênh lệch này gần như tuyến tính. Điện áp nguồn cung cấp từ : V+ = +5V V- = -5V Nhiệt độ hoạt động : 0oC- 70oC Đây là một IC được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo đạc bao gồm thu thập và hiển thị dữ liệu tương tự như : đo áp lực, điện áp, nhiệt độ, khối lượng, v.v… ICL7135 được chia thành khâu Analog và khâu Digital. Khâu số bao gồm những bộ đếm, ngõ vào ngõ ra và điều khiển logic điều khiển chu kỳ lấy mẫu của mỗi lần Luận Văn Tốt Nghiệp 22 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường chuyển đổi. Mỗi lần chuyển đổi được chia thành 4 pha: Pha tự chuyển về zero (auto zero). Pha tích phân tính hiệu (signal integrate). Pha lấy lại tích phân hay lấy tích phân điện áp chuẩn (de-integrate). Pha cuối cùng là tích phân zero. (zero integrator). Khâu Digital điều khiển quá trình chuyển đổi của khâu Analog trong suốt 4 pha, bằng việc sử dụng bộ đếm và trạng thái của bộ so sánh để xác định thời điểm bắt đầu của mỗi pha. 2.2.1- Pha auto zero : Trong giai đoạn này có ba sự kiện xảy ra : Đầu tiên các ngõ vào INLO và INHI không được nối đến tín hiệu bên ngoài mà nối tắt đến chân Analog Comon. Kế đến tụ điện tham chiếu được nạp đến điện áp tham chiếu. Cuối cùng dòng hồi tiếp được nối vòng qua hệ thống để nạp cho tụ CAZ nhằm bù với điện áp lệch trong bộ khuếch đại đệm, bộ tích phân và bộ so sánh.Chu kỳ nhỏ nhất của pha auto zero là 9800 chu kỳ xung clock, trừ trường hợp đọc quá tầm. Sau khi đọc quá tầm, chu kỳ của pha tích phân zero được mở rộng ra làm cho chu kỳ của pha auto zero giảm xuống còn 3800 chu kỳ xung clock. 2.2.2- Pha signal integrate : Ở cuối pha auto zero vòng hồi tiếp được hở ra và không còn nối tắt bên trong, trong giai đoạn này các ngõ vào INLO và INHI được nối đến tín hiệu bên ngoài cần biến đổi. Khi đó bộ biến đổi sẽ lấy tích phân điện áp vi sai giữa INHI và INLO trong khoảng thời gian là 10.000 chu kỳ xung clock. Ở cuối pha này cực tính của tín hiệu lấy tích phân được xác định. 2.2.3- Pha de-integrate : Đây là pha lấy lại tích phân hay lấy tích phân điện áp chuẩn. INLO được nối đến Analog Comon và INHI được nối đến tụ tham chiếu đã nạp điện áp tham chiếu trước đó. Mạch điện trong chip đảm bảo tụ điện được nối đến đúng cực tính sao cho ngõ ra của bộ tích phân trả về mức zero (đã được thiết lập trong pha auto zero với một độ dốc cố định ). Thời gian cần thiết để ngõ ra này về zero thì tỷ lệ với điện áp ngõ vào. Pha de -integrate tồn tại trong khoảng thời gian là 20.001 số, hoặc là cho tới khi Luận Văn Tốt Nghiệp 23 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường bộ so sánh dò ra được ngõ ra của mạch tích phân đã về zero. Thời gian trở về zero thì tỷ lệ thuận với điện áp ngõ vào và tỷ lệ nghịch với điện áp tham chiếu. Số chu kỳ xung clock cần để về zero được đếm bởi phần Digtal và được khoá khi chu kỳ đo kết thúc. Số đọc được = 10.000 REF IN V V . 2.2.4- Pha zero integrate : Pha cuối cùng trong chu kỳ biến đổi là pha tích phân zero. Ngõ vào không đảo của mạch tích phân thì được nối Analog Comon và ngõ vào đệm thì được nối đến ngõ ra của bộ so sánh, vòng lập kín này buộc ngõ ra của mạch tích phân về zero. Thông thường pha này chỉ tồn tại chỉ từ 100 đến 200 chu kỳ xung clock, đủ thời gian để lấy đi lượng điện áp nạp dư trên tụ được tạo ra bởi thời gian delay của bộ so sánh và thời gian delay 1 chu kỳ bởi chu kỳ lấy mẫu ngõ ra của bộ so sánh chỉ 1 lần trên chu kỳ xung clock. Điều kiện quá tầm xảy ra khi ngõ ra của mạch tích phân không trở về zero vào cuối của pha de-integrate, và để lại một điện áp dư trên tụ. Trong trường hợp này, pha tích phân zero sẽ được tăng lên 6200 chu kỳ xung clock để đảm bảo tụ không được nạp đầy trước khi chu kỳ chuyển đổi mới bắt đầu. 2.2.5- Phần Analog : 2.2.5.1- Analog Comon : Tín hiệu tượng tự chung được nối với GND làm tín hiệu tượng tự tham chiếu cho IC. Nếu ngõ vào mức thấp có điện áp khác với Analog Comon thì một điện áp khác sẽ được đưa ra. Ngõ vào mức thấp và Analog Comon được nối với nhau. Analog Comon cũng là điện áp tham chiếu. Chân Analog Comon sẽ được nối với GND khi được cấp nguồn ± 5V. 2.2.5.2- Ngõ vào bộ khuếch đại đệm (Input Buffer) : Ngõ vào bộ khuếch đại đệm là một bộ đệm CMOS có phạm vi điện áp ngõ vào chung là từ V+-1V đến V-+ 1,5V. Dòng ngõ ra của bộ khuếch đại đệm là 40 Aµ và có độ tuyến tính cao. 2.2.5.3- Mạch tích phân : Mạch khuếch đại tích phân tương tự như mạch khuếch đại đệm, dòng tuyến tính ngõ ra là 20 Aµ . Ngõ vào không đảo của mạch tích phân được nối với INLO trong suốt Luận Văn Tốt Nghiệp 24 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường pha tích phân tính hiệu. Nếu INLO ở điện áp khác với GND thì sẽ làm giới hạn độ gợn sóng cực đại có thể có ở đầu ra của mạch tích phân, vì thế giá trị của tụ điện của mạch tích phân nên được tăng lên. 2.2.5.4- Mạch so sánh : Mạch so sánh kiểm tra điện áp trên tụ tích phân trong suốt pha de- integrate. Phần Digital lấy mẫu ngõ ra bộ so sánh một lần trên 1 chu kỳ xung clock và ở cuối chu kỳ de-integrate bộ so sánh sẽ thay đổi trạng thái khi điện áp trên tụ tích phân về zero. Ngõ ra của mạch so sánh cũng là ngõ ra của phần Analog nối đến ngõ vào của phần Digital. 2.2.6- Phần Digital : Phần Digital bao gồm bộ đếm, bộ chốt dữ liệu, ngõ ra phức hợp và điều khiển logic. Điều khiển logic kiểm soát bộ đếm và bộ so sánh để xác định thời điểm bắt đầu của mỗi pha, gởi tín hiệu đến phần Analog để điều khiển khoá Analog để có được những trạng thái thích hợp cho mỗi chu kỳ lấy mẫu. 2.2.6.1- RUN/HOLD : Khi chân RUN/ HOLD ở mức cao hoặc là để hở thì ICL sẽ tiếp tục chuyển đổi với mỗi chu kỳ đo là 40.002 chu kỳ xung clock. Khi chân RUN/ HOLD mức thấp, ICL7135 đã hoàn thành việc chuyển đổi và duy trì mức thấp này ở chu kỳ auto-zero, giữ kết quả vừa đọc sau cùng. Nếu chân RUN/ HOLD được đặt lên mức cao sau khi Luận Văn Tốt Nghiệp 25 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường hoàn thành chu kỳ của pha de-integrate thì sẽ bắt đầu 1 sự chuyển đổi mới với khoảng thời gian delay là 1 chu kỳ trong 10.001 chu kỳ của xung clock. 2.2.6.2-BUSY : Ngõ ra chân BUSY ở mức cao ở thời điểm bắt đầu của pha signal integrate và sẽ dữ ở mức cao ở xung clock đầu tiên và sao đó trở về zero trong suốt pha de- integrate (hoặc sẽ về zero ở cuối của pha de-integrate nếu bị quá tầm). Chốt dữ liệu hoạt động trong chu kỳ xung kế tiếp tức là sau khi xuất hiện cạnh xuống của xung BUSY. Thời gian tồn tại của xung BUSY được tính bằng : 10.000 chu kỳ xung clock trong pha signal integrate + số chu kỳ xung clock trong pha de-integrate + 1 chu kỳ xung clock. 2.2.6.3- Ngõ ra số học : Ngõ ra số liên tục được đặt lên mức cao, từ D5 đến D1(D5 là bit có trọng số lớn nhất)với khoảng thời gian là 200 chu kỳ xung clock trên một số, 5 số này sẽ quét luân phiên nhau ngoại trừ trường hợp đọc quá tầm 2.2.6.4- Ngõ ra BCD : Bốn chân ngõ ra BCD là những tín hiệu logic tích cực, dữ liệu BCD thay đổi đồng thời với ngõ ra số. Luận Văn Tốt Nghiệp 26 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Chương 3 : TỔNG QUAN VỀ LOADCELL 3.1- Các phương pháp và cảm biến được dùng trong đo lường khối lượng : 3.1.1- Các phương pháp đo khối lượng : Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lượng được xác định bằng định luật II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lượng m sẽ bằng tích số khối lượng và gia tốc của nó, tức là: F = m x a (1) Trọng lực 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 lực P = m x g với g(m/s2) là gia tốc trọng trường là một số cố định ở từng khu vực. Tất cả các phương pháp đo khối lượng đều dựa vào quan hệ này. Tuy nhiên công thức (1) không có nghĩa là nếu không có lực tác dụng lên vật thể nếu không có gia tốc, mà nó chỉ có nghĩa là không có lực cân bằng thực. Khi hai lực cân bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hướng ngược nhau thì làm cho vật thể cân, không tạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động. Có hai phương pháp để tạo nên lực cân bằng. Đó là phương pháp cân bằng 0 và phương pháp dịch chuyển. 3.1.1.1-Phương pháp cân bằng 0 : Phương pháp cân bằng 0 là phương pháp xác định khối lượng một vật chưa biết dựa trên khối lượng một vật đã biết gọi là quả chuẩn. Cân bằng đòn cân là một ứng dụng của cảm biến lực cân bằng 0 vào việc đo khối lượng. 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 các quả cân đặt lên. M1 M2 l l Luận Văn Tốt Nghiệp 27 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Cánh tay cân bằng còn được dùng trong việc đo khối lượng và được chế tạo để ít chịu sự thay đổi nhiệt độ ở hai đầu của tay đòn. Thay đổi chiều dài l1 đến khi hệ thống cân bằng. Theo định luật moment hệ thống sẽ cân bằng khi : P1.l1 = P2.l2 Suy ra : m1gl1 = m2gl2 với g không đổi thì : m1.l1 = m2.l2 Theo biểu thức trên, nếu các khoảng cách chiều dài và một khối lượng chuẩn đã biết sẽ suy ra khối lượng cần tìm. 3.1.1.2- Phương pháp cân dịch chuyển : 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 giá cân treo 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. Một cách khác có thể cân được vật là cấp nguồn DC cho biến trở xoay. Khi có khối lượng đè lên bàn cân, thông qua cơ cấu di chuyển thích hợp sẽ làm xoay biến trở và do đó điện áp lấy ra cũng thay đổi. Điện áp này được đưa về bộ chuyển đổi AD và xử lý. Tuy nhiên khó khăn lớn nhất của phương pháp này là rất khó tìm biến trở tuyến tính. Ngoài ra còn có thể sử dụng một encoder và bộ đếm để đếm số xung phát ra của encoder khi xoay bởi sự di chuyển này. Sơ đồ hai hệ thống cân loại này được vẽ như trong hình sau. m1 m2 l1 l2 Luận Văn Tốt Nghiệp 28 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Cảm biến lực 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 làm biến đổi sự phân cực giữa các phân tử sự thay đổi này với lực tác dụng. Sau đây là giới thiệu về loại cảm biến này. 3.1.2- Một số Loadcell thực tế : Có nhiều loại loadcell do các hãng sản xuất khác nhau như KUBOTA (của Nhật), Global Weighing (Hàn Quốc), Transducer Techniques. Inc, Tedea – Huntleigh ... Mỗi loại loadcell được chế tạo cho một yêu cầu riêng biệt theo tải trọng chịu đựng, chịu lực kéo hay nén. Tùy hãng sản xuất mà các đầu dây ra của loadcell có màu sắc khác nhau. Có thể kể ra như sau : Exc+ Exc- Sig+ Sig- Luận Văn Tốt Nghiệp 29 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Exc+ Đỏ Vàng Xanh Đỏ Exc- Đen Nâu Đen Trắng Sig+ Xanh Xanh Trắng Xanh(green) Sig- Trắng Trắng Đỏ Xanh(blue) Các màu sắc này đều được cho trong bảng thông số kỹ thuật khi mua từng loại loadcell Có nhiều kiểu hình dạng loadcell cho những ứng dụng khác nhau. Do đó cách kết nối loadcell vào hệ thống cũng khác nhau trong từng trường hợp. Thông số kỹ thuật của từng loại loadcell được cho trong catalogue của mỗi loadcell và thường có các thông số như : tải trọng danh định, điện áp ra danh định (giá trị này có thể là từ 2mV/V đến 3mV/V hoặc hơn tuỳ loại loadcell), tầm nhiệt độ hoạt động, điện áp cung cấp, điện trở ngõ ra, mức độ chịu được quá tải... (Với giá trị điện áp ra danh định là 2mili Volt / Volt thì với nguồn cung cấp là 10 Volt thì điện áp ra sẽ là 20 mili Volt ứng với khối lượng tối đa.) Tùy ứng dụng cụ thể mà cách chọn loại loadcell có thông số và hình dạng khác nhau. Hình dạng loadcell có thể đặt cho nhà sản xuất theo yêu cầu ứng dụng riêng. Sau đây là hình dạng của một số loại loadcell có trong thực tế. Luận Văn Tốt Nghiệp 30 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường 4 2DS Π= D dD S dS 2= 3.2- Giới thiệu đặc tính của loadcell : Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng bé thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Có hai loại điện trở dán dùng làm cảm biến lực dịch chuyển : loại liên kết (bonded) và loại không liên kết (unbonded). Tấm điện trở liên kết dùng để đo độ biến dạng ở một vị trí xác định trên bề mặt của bộ phận đàn hồi. Điện trở này được dán trực tiếp vào điểm cần đo biến dạng của vật đàn hồi. Biến dạng này được truyền trực tiếp vào tấm điện trở và nó làm thay đổi giá trị điện trở tương ứng. Cảm biến dùng điện trở loại không liên kết sử dụng để đo lượng di động nhỏ. Một lượng di động do mối liên kết bằng cơ khí tạo nên sẽ làm thay đổi điện trở làm cảm biến. Lượng di động cũng thường được tạo nên bằng lực tác động vào một bộ phận đàn hồi. Vì thế tấm điện trở không liên kết sẽ đo toàn bộ lượng dịch chuyển của bộ phận đàn hồi còn tấm điện trở liên kết đó biến dạng tại một điểm xác định trên bề mặt của bộ phận đàn hồi. Từ biểu thức : S LR ρ= Lấy vi phân hai vế ta được : Với S là diện tích tiết diện của dây dùng làm điện trở (D là đường kính dây) suy ra : S dS L dLd R dR −+= ρ ρ Luận Văn Tốt Nghiệp 31 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường ( ) L Ld R R ∆++=∆ νρ ρ 21 ( )2/ mNAP=σ ( )2/ mNE εσ= L là chiều dài của dây. Như vậy: Trong đó R R∆ là tỷ số thay đổi điện trở, L L∆ là sự thay đổi chiều dài trên chiều dài của tấm điện trở, ν là hằng số Poisson được tính bởi : L L D D v ∆ ∆ −= Dấu trừ “-” ở đây mang ý nghĩa là một vật khi bị biến dạng nếu tăng theo chiều dài thì sẽ giảm đi chiều ngang (ở đây là đường kính) và ngược lại. Để có được ý nghĩa về so sánh phẩm chất, người ta còn định nghĩa độ nhạy của ứng suất là gage factor được tính bằng tỷ số của thay đổi điện trở và biến dạng như sau : L L R R G ∆ ∆ = Thông thường các giá trị trên nằm trong khoảng G = 2 ÷ 4 ; L=0,5 ÷ 4cm; R= 50 ÷ 1000Ω. Dựa vào các công thức tính ứng suất của bộ phận đàn hồi được xác định bằng tỷ lệ giữa lực (P) trên một đơn vị diện tích (A) Module đàn hồi là một hằng số xác định bởi tỉ số của ứng suất trên một lượng biến dạng (với ε là biến dạng L L∆ ) ta có thể xác định được quan hệ giữa sự thay đổi điện trở dưới tác dụng của lực P. Quan hệ này sẽ thay đổi tuỳ theo cách bố trí điện trở và hình dạng của bộ phận đàn hồi. Trong các cách lấy tín hiệu ra từ cảm biến mang đặc tính tổng trở, mạch lấy tín hiệu ra tối ưu nhất là mạch cầu. Đây là một phương pháp để đo sự thay đổi nhỏ trong Luận Văn Tốt Nghiệp 32 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường điện trở của một phần tử mà giá trị điện áp ra tỷ lệ với sự thay đổi của điện trở khi có khối lượng (hay lực) đặt vào cảm biến. Hoạt động của mạch cầu có hai trường hợp : mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến được xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trước. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này lên để dễ dàng xử lý. Điện trở cảm biến có thể được gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone không cân bằng như sau: Các trị số điện trở R2, R3, R4 là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảm biến là RS ở một trị số cơ sở xác định, ta gọi giá trị này là Rbal (balance). Liên hệ giữa giá trị R2, R3, R4 và Rbal khi cầu cân bằng là : Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa RS và Rbal. Để đơn giản hóa phương trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệ số ε và α như sau : Hệ số ε là một phân số biểu thị sự sai lệch giữa RS và Rbal được định nghĩa là : Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở R3 được định nghĩa bởi : (Phần trăm sai lệch giữa RS và Rbal) 4 32 . R RR Rbal = bal balS R RR −=ε Vdc R2 RS R4 R3 Ua Ub a b Luận Văn Tốt Nghiệp 33 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường dc S abab VRR R RR R ×⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−+=−= 2 2 43 4ϑϑϑ Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a, b là : dc s a VRR R ×⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += 2 2ϑ ; dcb VRR R ×⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ += 43 4ϑ (1) Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu : hay Thay R2R3 = Rbal x R4 (từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta được : Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng một biểu thức sau : ( ) balR RRR 433 + khi đó (3) trở thành : ( ) ( ) ( ) ( ) dc bal bal bal s bals abab V R RRR R RRR R RR RRR RRR ×+ + × ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ×++ −=−= 433 433 3 4 43 4ϑϑϑ ( ) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ×++ −=−= 3 4 43 4 R RR RRR RRR bal S balS abab ϑϑϑ (3) x Vdc 43 3 RR R +=α ( )( ) dcS S ab VRRRR RRRRRRRR ×++ −−+= 243 4232424ϑ (2) Luận Văn Tốt Nghiệp 34 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường bal balS R RR −=ε ( ) ( )4 43 4343 4 43 3 dc bal bals bal bals ab V RRR RRRR R RR RR R RR R × ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=ϑ Do Và Để biểu thị biểu thức ϑab theo tỷ lệ với RS - Rbal mà không còn RS, ta cộng và trừ ở mẫu số của phân số cuối cho Rbal.R3 (ở cùng tử số) Thay tất cả vào (4), ta được : Vì sai lệch khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là : Hay αα −=+⇒+= 143 4 43 3 RR R RR R bal balS R RR −=ε ( ) ( ) bal balbalbalS bal balS RRR RRRRRRRR RRR RRRR 43 3343 43 43 + −++=+ + ( ) ( ) ( ) αε+=+ −++= 1 43 343 bal balSbal RRR RRRRRR (5) dc bal ab VR R RR R RR R ⋅∆⋅+⋅+= 43 4 43 3ϑ ( ) dcab Vαε εααϑ +−= 11 Luận Văn Tốt Nghiệp 35 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Trong đó: Như vậy điện áp ngõ ra ϑab thay đổi theo sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi khối lượng (hay lực) tác dụng lên. Ngoài ra nếu nguồn Vdc cung cấp có nhiễu một lượng ∆ϑ thì theo nguyên lý xếp chồng và cách tính tương tự như trên, ta được biểu thức : ( ) ( )( )RRRR RRR V V s bals dc dcab ++ − ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆+= 2 41 ϑϑ Trong đó có phụ thuộc vào tích ∆ϑ.(RS – Rbal) = ∆ϑ.∆R là thành phần rất nhỏ so với ∆R. Do đó có thể bỏ qua được nhiễu ∆ϑ. Có các cách kết nối điện trở cảm biến trên các nhánh cầu khác như sau (Rs là điện trở cảm biến) : Cách dùng bốn cảm biến bố trí trên 4 nhánh cầu được ứng dụng rộng rãi trong các loadcell thực tế. Thông thường 4 cảm biến này được bố trí trên hai mặt của loadcell, và như vậy sẽ có hai cảm biến điện trở bị dãn ra và 2 cảm biến điện trở sẽ co lại khi có lực tác dụng. Do đó ta có quan hệ sau : Sự thay đổi của điện áp ra theo biến dạng của các điện trở này có thể được tính như sau : balS RRR −=∆ 4 4 2 2 3 3 1 1 S S S S S S S S R R R R R R R R ∆−=∆−=∆ ∆=∆ RS1 U Rs2 R4 R3 Ua Ub RS1 U Rs2 Rs4 Rs3 Ua Ub Luận Văn Tốt Nghiệp 36 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Hình 3.2 Hai điện trở R1 và R2 thường được dùng trong mục đích cộng các tín hiệu từ các loadcell lại với nhau, Rl là tải. Sơ đồ tương đương Thevenin cho mạch trên được vẽ như sau Với R0 là tổng trở ra của loadcell. RRR VI ++= 21 Ro RL VLVo +- Hình 3.1 I R+∆R RL V+∆v R-∆R R+∆R R-∆R Va Vb R1 R2 +- Luận Văn Tốt Nghiệp 37 GVHD : Th.S Trần Viết Thắng Thiết kế và thi công hệ thống cân băng tải 10 kg SVTH: Phạm Phú Cường Theo hình 3.1 ta có : Va= I.R2 + (R + ∆R).I/2 Vb= I.R2 + (R - ∆R).I/2 Điện áp ra sẽ là : V0 = Va – Vb = ∆R. I Hay: V RRR RVo 321 ++ ∆= Vì thế điện áp ngõ ra sẽ thay đổi theo sự thay đổi giá trị của các điện trở này. 3.3- Cách bố trí Loadcell và nối dây cho hệ thống nhiều loadcell : Trong hệ thống cân với khối lượng lớn, số lượng loadcell sử dụng phụ thuộc vào tải trọng chịu đựng, chiều dài xe....Thường là 4, 6 hoặc 8 loadcell. Do sử dụng nhiều loadcell trong hệ thống cân nên cần phải cộng các tín hiệu ra trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Nếu đầu cân không có chức năng này ta phải dùng thêm hộp nối (Junction box) để kết nối hệ các loadcell trên. 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. Ngoài ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một biến trở mắc ở ngõ ra của các loadcell. Sơ đồ nguyên lý kết nối như hình