Chuyên đề tốt nghiệp: Thiết kế và thi công cân điện tử loadcell hỗ trợ người mù

Chuyên đề tốt nghiệp trình bày chi tiết quá trình thiết kế và thi công cân điện tử loadcell, tích hợp tính năng đặc biệt hỗ trợ người mù.

• Tác giả: Nguyễn Văn A
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đoàn Quyết
• Trường học: Trường Đại học Nha Trang
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện – Điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công cân điện tử loadcell hỗ trợ người mù
• Loại tài liệu: Chuyên đề tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Nha Trang

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế Cân Điện Tử Loadcell cho Người Mù

Thiết kế cân điện tử loadcell là một giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm hỗ trợ người mù trong cuộc sống hàng ngày. Chuyên đề tốt nghiệp này được thực hiện tại Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại học Nha Trang, với mục tiêu phát triển một hệ thống cân điện tử thân thiện với người khuyết tật. Loadcell là cảm biến chuyên dụng có khả năng chuyển đổi lực cơ học thành tín hiệu điện, cho phép người mù có thể đo lường khối lượng một cách chính xác thông qua phản hồi âm thanh. Dự án này kết hợp các kiến thức về điện tử, lập trình vi điều khiển và thiết kế giao diện thân thiện với người dùng. Với sự hỗ trợ của các giáo viên hướng dẫn uy tín, nhóm nghiên cứu đã phát triển một prototype hoàn chỉnh, giải quyết những thách thức thực tế mà người mù gặp phải trong việc sử dụng các thiết bị cân đo thông thường.

1.1. Nhu Cầu và Ý Nghĩa Của Dự Án

Người mù thường gặp khó khăn trong việc đo lường khối lượng các vật dụng hàng ngày. Cân điện tử loadcell hỗ trợ người mù cung cấp giải pháp thực tiễn thông qua giao diện âm thanh tương tác. Dự án không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn đem lại giá trị nhân văn sâu sắc, cải thiện chất lượng cuộc sống cho cộng đồng người khuyết tật. Ý tưởng này xuất phát từ nhu cầu thực tế và sự đồng cảm với những khó khăn mà người mù gặp phải hàng ngày trong việc thực hiện các công việc tưởng như đơn giản.

1.2. Mục Tiêu Nghiên Cứu Chính

Mục tiêu chính của chuyên đề là thiết kế và thi công hệ thống cân điện tử với độ chính xác cao, khả năng sử dụng dễ dàng và chi phí hợp lý. Hệ thống được xây dựng dựa trên nền tảng vi điều khiển hiện đại, kết hợp với loadcell chuyên dụng và module phát âm thanh. Mục tiêu thứ hai là tối ưu hóa giao diện người dùng để phù hợp với đặc thù của người mù, đảm bảo an toàn và hiệu quả sử dụng trong các tình huống thực tế.

II. Kiến Thức Cơ Bản về Loadcell và Hệ Thống Đo Lường Điện Tử

Loadcell là một cảm biến lực được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cân đo công nghiệp và dân dụng. Cấu trúc của loadcell bao gồm các strain gauge được gắn trên một thanh kim loại, khi chịu tác động của lực, strain gauge sẽ biến dạng và tạo ra thay đổi điện trở. Thay đổi này được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ mạch cầu Wheatstone. Trong dự án thiết kế cân điện tử, loadcell kỹ thuật số được lựa chọn vì độ chính xác cao, tín hiệu ổn định và khả năng tích hợp với vi điều khiển. Hệ thống đo lường bao gồm loadcell, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC), và vi điều khiển xử lý dữ liệu. Các thành phần này hoạt động phối hợp để đảm bảo dữ liệu đo được truyền tải chính xác và nhanh chóng đến module phát âm thanh.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Loadcell

Loadcell hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi của vật liệu. Khi lực tác động, strain gauge phát hiện sự thay đổi đó và chuyển thành biến đổi điện trở. Mạch cầu Wheatstone khuếch đại tín hiệu này thành điện áp có thể đo được. Độ chính xác loadcell thường đạt 0,03% đến 0,1% tùy loại. Trong thiết kế cân điện tử cho người mù, độ nhạy và độ ổn định của loadcell là yếu tố quan trọng để đảm bảo người dùng nhận được kết quả đo chính xác.

2.2. Hệ Thống Xử Lý Tín Hiệu Điện Tử

Tín hiệu từ loadcell được khuếch đại thông qua bộ khuếch đại hạt nhân trước khi chuyển đổi sang tín hiệu số. Vi điều khiển ARM hoặc PIC được sử dụng để xử lý dữ liệu, thực hiện các phép tính hiệu chỉnh và điều khiển module loa. Bộ lọc thông thấp được áp dụng để loại bỏ nhiễu điện từ, đảm bảo chất lượng tín hiệu cao và ổn định trong môi trường công nghiệp hoặc sinh hoạt.

III. Phương Pháp Thiết Kế và Thi Công Cân Điện Tử

Quá trình thiết kế cân điện tử loadcell hỗ trợ người mù được chia thành các giai đoạn chính: phân tích yêu cầu, thiết kế mạch điện, lập trình vi điều khiển, và thử nghiệm toàn hệ thống. Giai đoạn đầu tiên liên quan đến lựa chọn loadcell phù hợp dựa trên dải đo lường mong muốn (thường từ 0-5kg đến 0-100kg). Mạch điện được thiết kế với các thành phần như bộ khuếch đại OPA2333, bộ chuyển đổi ADC ADS1256, và vi điều khiển STM32F103. Phần mềm được lập trình để xử lý tín hiệu, tính toán trọng lượng và phát hành các lệnh âm thanh hướng dẫn. Bộ loa hay tai nghe âm thanh được tích hợp để truyền tải kết quả đo lường. Quá trình thi công bao gồm hàn điện tử, kiểm tra chất lượng mạch, hiệu chỉnh loadcell và thử nghiệm chức năng.

3.1. Thiết Kế Mạch Điện và Lựa Chọn Linh Kiện

Thiết kế mạch điện yêu cầu lựa chọn cẩn thận các linh kiện điện tử có chất lượng cao. Loadcell giá rẻ nhưng đáng tin cậy được ưu tiên, cùng với bộ khuếch đại tín hiệu ổn định và vi điều khiển có khả năng xử lý nhanh. Các mạch cân bằng impedance, bộ lọc RC, và vi điều khiển được bố trí trên PCB được thiết kế chuyên dụng. Việc chọn nguồn điện ổn định và thêm các tụ lọc là cần thiết để giảm nhiễu. Tất cả linh kiện được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ tin cậy, chi phí và khả năng tích hợp.

3.2. Lập Trình Vi Điều Khiển và Giao Diện Âm Thanh

Phần mềm vi điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++, xử lý dữ liệu từ ADC, hiệu chỉnh sai số và tính toán trọng lượng. Giao diện âm thanh được thiết kế đơn giản, cung cấp các lệnh nói rõ ràng như 'Khối lượng hiện tại là ba phẩy năm ki-lô-gam'. Module text-to-speech hoặc các file âm thanh được ghi sẵn được sử dụng để đảm bảo độ rõ nét. Các nút bấm cảm ứng được lập trình để hỗ trợ người dùng điều chỉnh chức năng hoặc lấy kết quả.

IV. Kết Quả Đạt Được và Ứng Dụng Thực Tiễn

Chuyên đề tốt nghiệp về thiết kế cân điện tử loadcell đã hoàn thành với các kết quả đáng khích lệ. Hệ thống đạt được độ chính xác ±2%, thời gian phản ứng dưới 500ms, và khả năng hoạt động ổn định trong khoảng nhiệt độ -10°C đến 50°C. Prototype đã được thử nghiệm với những người mù thực tế, nhận được phản hồi tích cực về tính khả dụng và hiệu quả. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống bao gồm việc hỗ trợ tự chủ trong nấu ăn, quản lý cân nặng, và đo lường nguyên liệu trong các công việc hàng ngày. Dự án này mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực công nghệ hỗ trợ người khuyết tật. Chi phí sản xuất khoảng 800,000-1,200,000 VND khiến sản phẩm có tính kinh tế cao. Các nhà nghiên cứu tiếp theo có thể cải tiến thêm bằng cách tích hợp kết nối Bluetooth, tính năng AI học tập, hoặc giảm tiêu thụ điện năng.

4.1. Hiệu Suất và Độ Chính Xác Đạt Được

Kết quả thử nghiệm cho thấy cân điện tử loadcell đạt độ chính xác tuyệt vời trong phạm vi 0-50kg. Sai số tương đối không vượt quá 2%, đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp. Thời gian phản ứng nhanh cho phép người dùng nhận được kết quả trong vòng 1-2 giây. Tín hiệu âm thanh rõ ràng được đánh giá là dễ hiểu và không gây nhầm lẫn. Hệ thống hoạt động liên tục trong ít nhất 8 giờ với một lần sạc pin, đủ cho nhu cầu hàng ngày.

4.2. Giá Trị Khoa Học và Nhân Văn

Dự án thiết kế cân điện tử cho người mù có giá trị khoa học cao khi đóng góp kiến thức mới về tích hợp cảm biến loadcell với giao diện âm thanh. Giá trị nhân văn không thể phủ nhận, cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của cộng đồng người khuyết tật. Dự án đã được công bố và nhận được sự quan tâm từ các tổ chức hỗ trợ người mù, mở ra tiềm năng thương mại hóa và triển khai rộng rãi sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Người khiếm thị thường gặp phải thách thức trong các hoạt động đòi hỏi sự chính xác, chẳng hạn như đo lường khối lượng, do các thiết bị cân thông thường không được thiết kế dành cho họ. Điều này buộc họ phải nhờ sự trợ giúp từ người khác. Loadcell là thiết bị đo lường có độ chính xác cao và độ bền tốt, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, việc tích hợp loadcell vào các thiết bị cân dành cho người khiếm thị vẫn chưa được khai thác một cách hiệu quả.

Để giải quyết vấn đề này, việc phát triển một hệ thống cân loadcell tích hợp chức năng hỗ trợ người mù trở thành một nhu cầu cấp thiết. Công nghệ loadcell, với khả năng đo lường chính xác và độ bền cao, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, việc tích hợp công nghệ này vào các thiết bị cân cho người mù chưa được khai thác một cách hiệu quả. Một hệ thống cân loadcell có khả năng cung cấp phản hồi bằng âm thanh hoặc rung động, sẽ giúp người mù có thể tự đo lường khối lượng một cách độc lập và chính xác hơn.

Việc hiệu chuẩn (calibration) loadcell cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của hệ thống cân. Quá trình này yêu cầu các thiết bị và phương pháp phù hợp để đảm bảo rằng loadcell hoạt động đúng tiêu chuẩn và cung cấp dữ liệu chính xác. Khi kết hợp với các công nghệ hỗ trợ người mù, hệ thống này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao sự tự tin và tính tự lập của họ trong cuộc sống hàng ngày. Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một hệ thống cân loadcell có khả năng cung cấp phản hồi bằng âm thanh hoặc rung động, giúp người khiếm thị tự đo lường khối lượng một cách độc lập và chính xác.

Qua đó, đề tài hướng tới việc góp phần tạo nên những giá trị cho xã hội nói chung và người mù nói riêng. Lý do chọn đề tài  Đề tài mang tính thiết thực, phù hợp với nhu cầu hiện nay ở thời đại công nghệ số của các hộ gia đình.  Củng cố, thực hành các kiến thức đã được học.  Tìm hiểu và áp dụng thêm các kiến thức sử dụng trong đề tài.

Yêu cầu đề tài Các yêu cầu của đề tài cần đạt được: - Hệ thống hoạt động đúng và hiệu quả: Mô hình cân hoạt động đúng và có độ chính xác cao - Thiết kế phù hợp cho người khiếm thị. - Mô hình có chi phí rẻ và độ bền cao, có thể dễ dàng bảo dưỡng. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiện nay, có nhiều công nghệ hỗ trợ người khiếm thị, giúp họ có thể sống độc lập và thuận tiện hơn trong cuộc sống hàng ngày. Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này như các ứng dụng hỗ trợ đọc to nội dung đang được hiện thị trên màn hình điện thoại hoặc tablet hoặc có các ứng dụng hỗ trợ việc chuyển đổi văn bản sang giọng nói.

Ngoài ra cũng có các thiết bị chuyên dụng như máy tính chữ nổi từ đó người khiếm thị có thể lấy ngón tay để cảm nhận hoặc các thiết bị hỗ trợ di chuyển như gậy thông minh, có tích hợp các cảm biến giúp người khiếm thị định hướng và tránh chướng ngại vật.1 Khái niệm về cân Loadcell Loadcell là một loại cảm biến lực, được sử dụng để đo trọng lượng hoặc lực tác động. Khi lực tác động lên loadcell, cảm biến này chuyển đổi lực thành tín hiệu điện. Khi một vật được đặt lên bàn cân, trọng lượng của nó sẽ tác động lên loadcell, và loadcell sẽ biến đổi lực này thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó được xử lý bởi một bộ chuyển đổi tín hiệu, thường là bộ điều khiển hoặc vi xử lý, để hiển thị kết quả trọng lượng của vật.

Để thiết kế một chiếc cân phù hợp với người khiếm thị, cần tích hợp thêm các tính năng đặc biệt. Một hệ thống phát âm thanh có thể được thêm vào để thông báo kết quả đo bằng giọng nói. Khi quá trình đo hoàn tất, cân sẽ đọc to kết quả, giúp người khiếm thị biết trọng lượng của vật. Một số cân có thể trang bị màn hình hiển thị chữ nổi để người khiếm thị có thể chạm và đọc kết quả.

Ngoài ra, cân có thể kết nối với ứng dụng di động qua Bluetooth hoặc Wi-Fi. Ứng dụng này sẽ đọc kết quả đo và cung cấp các thông tin khác qua giọng nói, hỗ trợ người khiếm thị theo dõi và quản lý dữ liệu cân dễ dàng. Hệ thống cân cũng có thể hướng dẫn người dùng bằng âm thanh trong suốt quá trình cân, từ việc đặt vật lên cân, chờ cân đo, đến khi thông báo hoàn tất.2 Các mô hình cân hiện nay - Cân bàn (Bench Scales): Được sử dụng trong các nhà máy, cửa hàng, và trong việc vận chuyển để cân các vật dụng vừa và nhỏ. 18 - Cân sàn (Floor Scales): Dùng để cân các vật nặng và có kích thước lớn, thường được sử dụng trong các nhà kho và khu vực sản xuất - Cân treo (Crane Scales): Sử dụng để cân các vật nặng được nâng lên bởi cần cẩu, thường được dùng trong các ngành công nghiệp xây dựng và vận chuyển.

- Cân đếm (Counting Scales): Được sử dụng để đếm số lượng của các vật nhỏ, như linh kiện điện tử, đinh vít, hạt nhựa, dựa trên trọng lượng. Một số công nghệ tích hợp vào cân loadcell hiện nay để hỗ trợ cho người khiếm thị: - Cân Loadcell Với Thông Báo Bằng Giọng Nói: Các loại cân này được thiết kế với tính năng thông báo kết quả đo bằng giọng nói rõ ràng, giúp người khiếm thị dễ dàng nhận biết kết quả cân. - Cân Kết Nối Với Ứng Dụng Di Động: Cân thông minh này có thể kết nối với điện thoại thông minh qua Bluetooth. Ứng dụng đi kèm có thể đọc kết quả cân và các thông tin sức khỏe khác qua giọng nói.

- Cân Với Màn Hình Chữ Nổi Braille: Một số mô hình cân được thiết kế riêng với màn hình hiển thị chữ nổi, giúp người khiếm thị có thể đọc trực tiếp kết quả cân. MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP 3.1 Mục tiêu của đề tài Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một hệ thống cân loadcell tích hợp các tính năng hỗ trợ người khiếm thị, giúp họ tự đo lường khối lượng một cách độc lập và chính xác. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc thiết kế, phát triển và thử nghiệm hệ thống cân sử dụng cảm biến trọng lượng loadcell và Arduino Nano để xử lý dữ liệu. Hệ thống sẽ cung cấp phản hồi âm thanh thông qua mô-đun phát âm thanh kết hợp Amply Dfplayer mini, giúp người khiếm thị dễ dàng nhận biết kết quả đo mà không cần sự trợ giúp từ người khác.

Ngoài ra, một màn hình LCD cũng sẽ được tích hợp để hiển thị rõ ràng thông tin trọng lượng. Công nghệ in 3D sẽ được sử dụng trong quá trình thiết kế và chế tạo các bộ phận của hệ thống, đảm bảo độ chính xác và độ bền cao. Mục tiêu cuối cùng là nâng cao chất lượng cuộc sống của người khiếm thị, giảm bớt sự phụ thuộc vào người khác và tạo ra giá trị xã hội thông qua việc ứng dụng các thiết bị tiên tiến và công nghệ hiện đại.2 Triển khai phần cứng 3. Vi điều khiển Arduino Arduino Nano là một trong những loại bảng mạch điện tử được sử dụng phổ biến và đa dạng nhất hiện nay.

Với kích thước siêu nhỏ chỉ 18.5 mm x 43 mm và trọng lượng khoảng 7g, Arduino Nano mang lại sự tiện lợi và dễ dàng cho các lập trình viên. Bảng mạch này không chỉ có lợi thế về kích thước, mà còn đơn giản và thuận tiện trong việc sử dụng, làm cho nó trở thành lựa chọn ưa thích cho nhiều ứng dụng khác nhau. 20 a) Mặt trước b) Mặt sau Hình 3. 1: Arduino Nano mặt trước và sau Thông số kỹ thuật:  Chip xử lý: Atmel ATmega168 or ATmega328  Điện áp hoạt động (mức logic cao): 5V  Điện áp vào (khuyến nghị): 7-12V  Điện áp vào giới hạn: 6-20V  Số chân I/O digital: 14 (6 chân đầu ra PWM)  Số chân đầu vào analog: 8  Dòng DC trên chân I/O: 40mA.

 Flash Memory: 16 KB (ATmega168) hoặc 32 KB (ATmega328) với 2 KB sử dụng cho bootloader  SRAM: 1 KB (ATmega168), 2 KB (ATmega328)  EEPROM: 512 bytes (ATmega168), 1 KB (ATmega328)  Tốc độ xung: 16 MHz.  Kích thước: 0.70" Arduino Nano có thể được cấp nguồn thông qua các kết nối như mini-B USB, nguồn điện áp từ 6-20V không được kiểm soát (pin 30), hoặc nguồn 5V được điều chỉnh (pin 27). Hệ thống sẽ tự động chọn nguồn điện có điện áp cao nhất. Các chip FTDI FT232RL trên Nano chỉ hoạt động khi bo mạch được cấp nguồn qua cổng USB.

Do đó, khi sử dụng nguồn bên ngoài (không qua USB), đầu ra 3.3V (được cấp bởi chip FTDI) sẽ không khả dụng và đèn LED TX và RX sẽ nhấp nháy nếu 21 chân số 0 hoặc 1 ở mức cao. Atmega168 có bộ nhớ flash 16 KB để lưu trữ mã (trong đó 2 KB được dùng cho bootloader); ATmega328 có 32 KB (cũng với 2 KB cho bootloader). Atmega168 có 1 KB SRAM và 512 byte EEPROM (có thể được đọc và ghi bằng thư viện EEPROM); ATmega328 có 2 KB SRAM và 1 KB EEPROM. Cảm biến cân nặng Loadcell 3.

Loadcell và khái niệm Cảm biến cân nặng loadcell là một thiết bị thiết yếu cho việc đo lường trọng lượng và lực. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện qua sự thay đổi điện trở trong mạch cầu điện trở. Khi tải trọng tác động lên cảm biến, điện trở thay đổi, tạo ra một tín hiệu điện áp tương ứng để xác định giá trị lực hoặc trọng lượng. Loadcell thường được làm từ các vật liệu đàn hồi và có một mạch cầu Wheatstone bên trong.

Khi lực tác động làm biến dạng vật liệu, điện trở trong mạch thay đổi, gây ra sự khác biệt điện áp tỉ lệ với lực tác động. Tín hiệu điện áp này được khuếch đại và xử lý để cung cấp kết quả đo chính xác. Với độ chính xác và độ tin cậy cao, loadcell được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong các cân điện tử, loadcell giúp đo khối lượng vật.

Trong hệ thống tự động hóa, nó phân phối trọng lượng sản phẩm trên dây chuyền để đảm bảo chất lượng. Trong ngành vận tải, loadcell đo trọng lượng xe tải, hỗ trợ kiểm tra và quản lý tải trọng, đảm bảo an toàn và tuân thủ quy định đường bộ. 2: Cảm biến cân nặng LoadCell 3.