Loadcell giao tiếp Atmega, Cảm biến khối lượng + HX711 + LCD1602

Loadcell giao tiếp Atmega là dùng Cảm biến Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này. Mỗi cảm biến Loadcell(cảm biến tải) một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng cảm biến tải – load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình.

Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in. Những load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng {Wheatstone} gọi là cảm biến tải cầu điện trở. Cảm biến Loadcell 1Kg, 5Kg, 10Kg, 20Kg sử dụng để đo khối lượng của vật thể tối đa, cảm biến bằng kim loại với thiết kế rất dễ lắp đặt, phù hợp với các ứng dụng cân điện tử, cảm biến khối lượng,…, lưu ý để sử dụng với Vi điều khiển cần mua thêm Mạch chuyển đổi ADC HX711 chuyên dụng dành cho Loadcell.  

1. Linh kiện cần thiết làm mạch đọc cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711

1.1 Vi điều khiển AVR trong mạch đọc cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711

a. Giới thiệu

Atmega16 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaAVR. Atmega16 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 16KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 512B EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bit (1KB SRAM) Với 32 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C.

Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader.

b. Chức năng của Atmega:

• PORTA: Các chân từ 33 đến 40 thuộc PORTA. Nó hoạt động giống như đầu vào analog cho bộ chuyển đổi A / D. Tuy nhiên, trong trường hợp không có bộ chuyển đổi A / D, PORTA được sử dụng làm cổng I / O hai chiều 8 bit. Nó đi kèm với điện trở kéo bên trong.
• PORTB: Các chân từ 1 đến 8 thuộc về PORTB. Đây là các chân hai chiều I / O. Cổng này cũng bao gồm các điện trở kéo lên bên trong.
• PORTC: PORTC là cổng I / O hai chiều bao gồm 8 chân. Chân từ 22 đến 29 thuộc về cổng này, tương tự như các cổng khác, nó đi kèm với điện trở kéo bên trong.
• PORTD: Chân từ 14 đến 21 thuộc về cổng này. Đây là cổng hai chiều trong đó mỗi chân có thể được sử dụng làm chân đầu vào hoặc đầu ra. Tuy nhiên, có các tính năng bổ sung liên quan đến cổng này như ngắt, giao tiếp nối tiếp, bộ hẹn giờ và PWM.

Các chức năng khác

• Reset: Chân 9 là chân reset mức thấp đang hoạt động. Xung mức thấp dài hơn độ dài xung tối thiểu sẽ tạo ra reset. Các xung ngắn không có khả năng tạo ra reset.
• VCC: Chân 10 là chân cấp nguồn cho bộ điều khiển này. Nguồn điện của cần phải có 5 V để đặt bộ điều khiển này trong điều kiện đang chạy. 
• GND: Chân 11 là chân nối đất.
• AREF: Chân 32 là chân tham chiếu tương tự chủ yếu được sử dụng cho bộ chuyển đổi A / D .
• AVCC: Chân 30 là AVCC là chân điện áp cung cấp cho PORTA và ADC. Nó được kết nối với VCC thông qua bộ lọc thông thấp khi có ADC. Tuy nhiên, trong trường hợp không có ADC, AVCC được kết nối bên ngoài với VCC. 
• Chân 12 & 13: Một bộ dao động tinh thể được kết nối với các chân này. Atmega16 hoạt động ở tần số bên trong 1MHZ; bộ dao động được thêm vào để tạo ra xung clock và tần số cao.

1.2 Cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711

a. Giới thiệu

• Cảm biến Load cell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện. Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.
• Mỗi cảm biến Load cell(cảm biến tải) một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng cảm biến tải – load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình. Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in. Những load cell này dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng {Wheatstone} gọi là cảm biến tải cầu điện trở.
• Cảm biến Loadcell 1Kg, 5Kg, 10Kg, 20Kg sử dụng để đo khối lượng của vật thể tối đa, cảm biến bằng kim loại với thiết kế rất dễ lắp đặt, phù hợp với các ứng dụng cân điện tử, cảm biến khối lượng,…, lưu ý để sử dụng với Vi điều khiển cần mua thêm Mạch chuyển đổi ADC HX711 chuyên dụng dành cho Loadcell.

b. Thông số kỹ thuật khối lượng Loadcell

• Model : YZC – 133
• Tải trọng : 1Kg, 5Kg, 10Kg, 20Kg
• Rated Output ( mV/V) : 1.0 +- 0.15
• Độ lệch tuyến tính (%) : 0.05
• Creep (5min) % : 0.1
• Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ độ C : 0.003
• Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ độ C : 0.02
• Độ cân bằng điểm không %RO : +-0.1
• Trở kháng đầu vào (Ω ) : 1066 +- 20
• Trở kháng ngõ ra (Ω ) : 1000 +- 20
• Trở kháng cách li (MΩ) 50V : 2000
• Điện áp hoạt động : 5V
• Nhiệt độ hoạt động : -20 ~ 65 độ C
• Safe Overload %RO : 120
• Ultimate overload %RO :150
• Chất liệu cảm biến  : Nhôm
• Độ dài dây : 180mm

c. Chức năng các dây khối lượng Loadcell

• Dây đỏ : Ngõ vào ( + )
• Dây đen : Ngõ vào ( – )
• Dây xanh Lá : Ngõ ra ( + )
• Dây trắng : Ngõ ra ( – )

d. Cấu tạo cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần là: Strain gage và Load. Một loadcell thường bao gồm các strain gage được dán vào bề mặt của thân loadcell. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế nhiều hình dạng khác nhau, chế tạo bằng nhiều vật liệu khác nhau (nhôm hợp kim, thép không gỉ…)

• Strain gage là một điện trở đặc biệt, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn ổn định.
• Load là một thanh kim loại có tính đàn hồi.

R = Điện trở strain gauge (Ohm) L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m) A  =  Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2) r=  Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống. Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động.

e. Nguyên lý hoạt động cảm biến khối lượng Loadcell

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), dẫn đến sự thay đổi về chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gage -> thay đổi giá trị điện trở -> thay đổi điện áp đầu ra.

f. Ứng dụng của cảm biến khối lượng Loadcell

• Làm cân điện tử
• Làm phân loại sản phẩm theo cân nặng sử dụng cho hệ thống cân tĩnh hoặc cân động
• Ứng dụng đo độ an toàn trong cầu đường
• Hệ thống chiếc rót nước vào chai

1.3 Module chuyển đổi ADC 24bit loadcell HX-711 khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega

a. Giới thiệu dùng trong Loadcell giao tiếp Atmega

• Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 được sử dụng để đọc giá trị điện trở thay đổi từ cảm biến Loadcell (thường rất nhỏ không thể đọc trực tiếp bằng VĐK) với độ phân giải ADC 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (Clock và Data) để gửi dữ liệu về Vi điều khiển, thích hợp để sử dụng với Loadcell trong các ứng dụng đo cân nặng.

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động : 2.7~5VDC
• Dòng tiêu thụ : < 1.5 mA
• Tốc độ lấy mẫu : 10 – 80 SPS ( tùy chỉnh )
• Độ phân giải : 24 bit ADC
• Độ phân giải điện áp : 40mV
• Kích thước : 38 x 21 x 10 mm

1.4 LCD 16×2 cho mạch đọc khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711

a. Giới thiệu

Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
• Chữ đen, nền xanh lá
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
• Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.

c. Sơ đồ chân LCD 16×2

Số chân	Ký hiệu chân	Mô tả chân
1	Vss	Cấp điện 0v
2	Vcc	Cấp điện 5v
3	V0	Chỉnh độ tương phản
4	RS	Lựa chọn thanh ghi địa chỉ hay dữ liệu
5	RW	Lựa chọn thanh ghi Đọc hay Viết
6	EN	Cho phép xuất dữ liệu
7	D0	Đường truyền dữ liệu 0
8	D1	Đường truyền dữ liệu 1
9	D2	Đường truyền dữ liệu 2
10	D3	Đường truyền dữ liệu 3
11	D4	Đường truyền dữ liệu 4
12	D5	Đường truyền dữ liệu 5
13	D6	Đường truyền dữ liệu 6
14	D7	Đường truyền dữ liệu 7
15	A	Chân dương đèn màn hình
16	K	Chân âm đèn màn hình

Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

• Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
• Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
• Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.

d. Địa chỉ ba vùng nhớ 

• Bộ điều khiển LCD có ba vùng nhớ nội, mỗi vùng có chức năng riêng. Bộ điều khiển phải khởi động trước khi truy cập bất kỳ vùng nhớ nào. a. Bộ nhớ DDRAM
• Bộ nhớ chứa dữ liệu để hiển thị (Display Data RAM: DDRAM) lưu trữ những mã ký tự để hiển thị lên màn hình. Mã ký tự lưu trữ trong vùng DDRAM sẽ tham chiếu với từng bitmap kí tự được lưu trữ trong CGROM đã được định nghĩa trước hoặc đặt trong vùng do người sử dụng định nghĩa. b. Bộ phát kí tự ROM – CGROM
• Bộ phát kí tự ROM (Character Generator ROM: CGROM) chứa các kiểu bitmap cho mỗi kí tự được định nghĩa trước mà LCD có thể hiển thị, như được trình bày bảng mã ASCII. Mã kí tự lưu trong DDRAM cho mỗi vùng kí tự sẽ được tham chiếu đến một vị trí trong CGROM. Ví dụ: mã kí tự số hex 0x53 lưu trong DDRAM được chuyển sang dạng nhị phân 4 bit cao là DB[7:4] = “0101” và 4 bit thấp là DB[3:0] = “0011” chính là kí tự chữ ‘S’ sẽ hiển thị trên màn hình LCD. c. Bộ phát kí tự RAM – CGRAM
• Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý. Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng.

e. Các lệnh điều khiển của LCD

• Lệnh thiết lập chức năng giao tiếp “Function set”:
  • Bit DL (data length) = 1 thì cho phép giao tiếp 8 đường data D7 ÷ D0, nếu bằng 0 thì cho phép giao tiếp 4 đường D7 ÷ D4.
  • Bit N (number of line) = 1 thì cho phép hiển thị 2 hàng, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị 1 hàng.
  • Bit F (font) = 1 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×8, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×11.
  • Các bit cao còn lại là hằng số không đổi.

• Lệnh xoá màn hình “Clear Display”: khi thực hiện lệnh này thì LCD sẽ bị xoá và bộ đếm địa chỉ được xoá về 0.

• Lệnh di chuyển con trỏ về đầu màn hình “Cursor Home”: khi thực hiện lệnh này thì bộ đếm địa chỉ được xoá về 0, phần hiển thị trở về vị trí gốc đã bị dịch trước đó. Nội dung bộ nhớ RAM hiển thị DDRAM không bị thay đổi.
• Lệnh thiết lập lối vào “Entry mode set”: lệnh này dùng để thiết lập lối vào cho các kí tự hiển thị,
  • Bit I/D = 1 thì con trỏ tự động tăng lên 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị, khi I/D = 0 thì con trỏ sẽ tự động giảm đi 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị.
  • Bit S = 1 thì cho phép dịch chuyển dữ liệu mỗi khi nhận 1 byte hiển thị.

• Lệnh điều khiển con trỏ hiển thị “Display Control”: 

  • Bit D: cho phép LCD hiển thị thì D = 1, không cho hiển thị thì bit D = 0.
  • Bit C: cho phép con trỏ hiển thị thì C= 1, không cho hiển thị con trỏ thì bit C = 0.
  • Bit B: cho phép con trỏ nhấp nháy thì B= 1, không cho con trỏ nhấp nháy thì bit B = 0.
  • Với các bit như trên thì để hiển thị phải cho D = 1, 2 bit còn lại thì tùy chọn, trong thư viện thì cho 2 bit đều bằng 0, không cho phép mở con trỏ và nhấp nháy, nếu bạn không thích thì hiệu chỉnh lại.
• Lệnh di chuyển con trỏ “Cursor /Display Shift”: lệnh này dùng để điều khiển di chuyển con trỏ hiển thị dịch chuyển 
  • Bit SC: SC = 1 cho phép dịch chuyển, SC = 0 thì không cho phép.
  • Bit RL xác định hướng dịch chuyển: RL = 1 thì dịch phải, RL = 0 thì dịch trái. Nội dung bộ nhớ DDRAM vẫn không đổi.
  • Vậy khi cho phép dịch thì có 2 tùy chọn: dịch trái và dịch phải.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự “Set CGRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM hiển thị “Set DDRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM lưu trữ các dữ liệu hiển thị.
• Hai lệnh cuối cùng là lệnh đọc và lệnh ghi dữ liệu LCD.

f. Bảng mã ASCII sử dụng cho LCD

g. Bảng địa chỉ cho LCD

2. Hướng dẫn đồ án cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711 hiển thị LCD1602

Phần này chưa được chia sẻ.

LIÊN HỆ thông tin ở TẠI ĐÂY để được hổ trợ tốt hơn.

Phần cứng

Phần mềm

Thư viện HX711.h tải từ phần mềm Arduino

#include #include "HX711.h"

// HX711.DOUT – pin #A1
// HX711.PD_SCK – pin #A0

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

HX711 scale(A1, A0); // parameter “gain” is ommited; the default value 128 is used by the library

void setup() {
Serial.begin(38400);
lcd.begin(16, 2);
lcd.print(“weight Measurement”);
delay(1000);
lcd.clear();
lcd.print(“setting up”);
Serial.println(“Weight Measurement”);

Serial.println(“Before setting up the scale:”);
Serial.print(“read: \t\t”);
Serial.println(scale.read()); // print a raw reading from the ADC

Serial.print(“read average: \t\t”);
Serial.println(scale.read_average(20)); // print the average of 20 readings from the ADC

Serial.print(“get value: \t\t”);
Serial.println(scale.get_value(5)); // print the average of 5 readings from the ADC minus the tare weight (not set yet)

Serial.print(“get units: \t\t”);
Serial.println(scale.get_units(5), 1); // print the average of 5 readings from the ADC minus tare weight (not set) divided
// by the SCALE parameter (not set yet)

scale.set_scale(2280.f); // this value is obtained by calibrating the scale with known weights; see the README for details
scale.tare(); // reset the scale to 0

Serial.println(“After setting up the scale:”);

Serial.print(“read: \t\t”);
Serial.println(scale.read()); // print a raw reading from the ADC

Serial.print(“read average: \t\t”);
Serial.println(scale.read_average(20)); // print the average of 20 readings from the ADC

Serial.print(“get value: \t\t”);
Serial.println(scale.get_value(5)); // print the average of 5 readings from the ADC minus the tare weight, set with tare()

Serial.print(“get units: \t\t”);
Serial.println(scale.get_units(5), 1); // print the average of 5 readings from the ADC minus tare weight, divided
// by the SCALE parameter set with set_scale

Serial.println(“Readings:”);
}

void loop() {
Serial.print(“one reading:\t”);
Serial.print(scale.get_units(), 1);
Serial.print(“\t| average:\t”);
Serial.println(scale.get_units(10), 1);
lcd.clear();
lcd.setCursor(1,1);
lcd.print(scale.get_units(10), 1);
scale.power_down(); // put the ADC in sleep mode
delay(5000);
scale.power_up();
}

3. Hoạt động của mạch đọc cảm biến khối lượng Loadcell

Khi cấp điện hệ thống hoạt động, vi điều khiển hiển thị thông tin ban đầu. Lúc này vi điều khiển chờ tín hiệu từ cảm biến loadcell trả về tín hiệu cho module chuyển đổi 24bit HX711 sau đó chuyển vào vi điều khiển, Khi nhận tín hiệu vi điều khiển tính toán, xử lý dữ liệu và xuất tín hiệu ra màn hình LCD1602 hiển thị thông tin có người hoặc không có người theo yêu cầu của người lập trình.

4. Cụ thể hoạt động của mạch đọc cảm biến khối lượng Loadcell giao tiếp Atmega qua hx711:

Chúc các bạn thành công…!!!