Cảm biến Quang học và Trọng lượng: Mắt và Cảm giác của hệ thống

Trong các dây chuyền tự động hóa, nếu camera AI là một giải pháp quá đắt đỏ và phức tạp, các kỹ sư sẽ tìm về những giá trị cơ bản nhưng cực kỳ hiệu quả: Cảm biến màu sắc quang học và Cảm biến trọng lượng. Đây chính là “đôi mắt” phân loại sản phẩm và “xúc giác” định lượng cho mọi hệ thống từ máy đếm sản phẩm đến trạm cân điện tử.

1. Module nhận diện màu TCS3200: “Đôi mắt” phân loại quang học

Khác với các cảm biến ánh sáng (quang trở) thông thường chỉ nhận biết được cường độ sáng/tối, TCS3200 (hoặc bản nâng cấp TCS34725) có khả năng phân tách và nhận diện chính xác mã màu RGB của vật thể.

• Nguyên lý mảng Photodiode lọc màu:
  • Bề mặt chip TCS3200 là một ma trận gồm 64 cảm biến quang (Photodiode) siêu nhỏ. Chúng không giống nhau mà được phủ các lớp kính lọc quang học cực mỏng: 16 cảm biến lọc ánh sáng Đỏ (Red), 16 lọc Xanh lá (Green), 16 lọc Xanh dương (Blue), và 16 cảm biến Clear (không lọc, đo toàn bộ ánh sáng).
    
  • Bằng cách cấp tín hiệu logic vào các chân điều khiển (S2, S3), vi điều khiển có thể chọn kích hoạt riêng lẻ từng nhóm màu. Ví dụ: Khi bật nhóm kính lọc Đỏ, chỉ có các hạt photon mang dải bước sóng màu đỏ mới lọt qua được bề mặt cảm biến để chuyển hóa thành dòng điện.
    
• Đầu ra Tần số (Current-to-Frequency):
  • TCS3200 không xuất ra điện áp Analog. Dòng điện vi mô sinh ra từ các photodiode sẽ được một mạch dao động tích hợp bên trong chuyển đổi thành tín hiệu xung vuông (Square Wave). Màu sắc càng đậm, tần số xung xuất ra ở chân OUT càng cao (từ mức vài kHz đến 600 kHz). Vi điều khiển chỉ cần dùng ngắt (Interrupt) để đếm số xung này là tính ra được cường độ màu.
    
• Cách khử nhiễu ánh sáng môi trường:
  • Ánh sáng đèn tuýp hay ánh nắng mặt trời chiếu vào sẽ làm thay đổi hoàn toàn giá trị RGB đo được. Để triệt tiêu điểm yếu này, TCS3200 được trang bị 4 bóng LED trắng siêu sáng bao quanh mảng cảm biến.
    
  • Khi đưa vật thể lại gần (khoảng 1cm – 2cm), ánh sáng cường độ cao từ 4 bóng LED này sẽ dội vào vật thể và phản xạ lại cảm biến. Nó tạo ra một “môi trường ánh sáng cục bộ” áp đảo hoàn toàn ánh sáng nền bên ngoài, đảm bảo sự đồng nhất tuyệt đối cho mọi lần đo, bất kể trời sáng hay tối.
    

2. Cảm biến lực Loadcell và IC HX711: “Cảm giác” của hệ thống

Loadcell là trái tim của mọi chiếc cân điện tử. Nó trông giống như một khối nhôm đặc, nhưng thực chất lại là một linh kiện đo lường biến dạng cơ học cực kỳ tinh vi.

• Cấu tạo và Nguyên lý Cầu Wheatstone:
  • Trên thân khối nhôm Loadcell, người ta dán các điện trở lá kim loại siêu mỏng gọi là Strain Gauge. Khi có lực đè lên Loadcell, khối nhôm bị uốn cong (dù chỉ là vài micromet vô hình với mắt người). Sự cong vênh này kéo giãn hoặc bóp méo các lá Strain Gauge, làm thay đổi điện trở của chúng.
    
  • Để đo được sự thay đổi điện trở siêu nhỏ này, 4 lá Strain Gauge được mắc nối tiếp thành hình thoi, gọi là Mạch cầu Wheatstone.
    
  • Công thức cân bằng của mạch cầu khi có điện áp kích thích (Excitation Voltage – V_{ex}) được tính bằng:
    
  V_{out} = \left( \frac{R_1}{R_1 + R_2} – \frac{R_3}{R_3 + R_4} \right) \times V_{ex}
  • Khi không có tải trọng, mạch cầu cân bằng, V_{out} = 0V. Khi có lực tác động, sự thay đổi điện trở làm mất cân bằng mạch cầu, sinh ra một điện áp vi phân.
    
• Giải mã sự cần thiết của IC 24-bit HX711: Đây là mấu chốt kỹ thuật: Điện áp V_{out} sinh ra từ Loadcell là cực kỳ nhỏ, chỉ ở mức mili-volt (mV).
  • Ví dụ thực tế: Một Loadcell có thông số Sensitivity là 1mV/V. Nếu bạn cấp nguồn kích thích 5V, thì khi đặt quả tạ tối đa (ví dụ 10kg) lên, tín hiệu xuất ra chỉ vỏn vẹn 5mV.
    
  • Tại sao vi điều khiển bình thường bó tay? Bộ chuyển đổi Analog sang Digital (ADC) trên Arduino Uno chỉ có độ phân giải 10-bit. Tức là nó chia dải 5V thành 1024 bậc. Mỗi bậc tương đương 5V / 1024 \approx 4.88mV. Vì toàn bộ tải trọng 10kg chỉ tạo ra có 5mV, Arduino sẽ không thể nào đọc ra được sự thay đổi của từng gam (gram).
    
  • Sự cứu rỗi từ HX711: IC HX711 là một ADC chuyên dụng sở hữu độ phân giải lên tới 24-bit, cộng thêm bộ khuếch đại lập trình được (PGA – Programmable Gain Amplifier) với hệ số khuếch đại lên tới 128 lần. Nó có khả năng chia dải 5V thành 2^{24} (tức hơn 16.7 triệu bậc), mang lại độ nhạy tới mức nano-volt. Nhờ HX711 khuếch đại và số hóa tín hiệu nhiễu cực thấp này, vi điều khiển mới có thể đọc được chính xác trọng lượng đến từng miligam.

3. Quy trình Hiệu chuẩn (Calibration): Dạy hệ thống cách “cảm nhận” đúng trọng lượng

Dù IC HX711 có khả năng khuếch đại và đọc dữ liệu tuyệt vời đến đâu, con số nó trả về cho vi điều khiển ban đầu chỉ là một giá trị thô (Raw data) vô nghĩa. Để biến tín hiệu điện này thành đơn vị đo lường thực tế (Gram, Kilogram), chúng ta bắt buộc phải thực hiện bước hiệu chuẩn bằng một quả cân chuẩn (Standard weight) đã được kiểm định.

Quá trình này hoạt động dựa trên nguyên lý tìm ra đường tuyến tính của cảm biến thông qua 2 bước cốt lõi:

• Bước 1: Trừ bì (Tare / Offset)
  • Khi không có bất kỳ vật nặng nào (chỉ có khung cơ khí mặt cân) đè lên Loadcell, vi điều khiển sẽ đọc giá trị thô từ HX711 nhiều lần và lấy trung bình.
    
  • Giá trị này được lưu lại làm biến Offset (Điểm 0 tuyệt đối). Mọi tính toán trọng lượng sau này đều phải trừ đi Offset để loại bỏ sai số tự thân của hệ khung cơ khí.
    
• Bước 2: Tìm Hệ số tỷ lệ (Calibration Factor)
  • Đặt một quả cân chuẩn đã biết trước trọng lượng chính xác (ví dụ: quả cân bằng đồng chuẩn 1000g) lên mặt cân.
    
  • Vi điều khiển tiếp tục đọc giá trị thô mới từ HX711. Hệ số tỷ lệ sẽ được tính bằng công thức toán học:
    
  Calibration\_Factor = \frac{Raw\_Value – Offset}{Known\_Weight}
  • Giải thích: Nếu giá trị thô đọc được (sau khi đã trừ bì) là 250000 và khối lượng quả cân là 1000g, thì hệ số Calibration\_Factor sẽ là 250. Từ nay về sau, khi cân một vật bất kỳ, hệ thống chỉ việc lấy giá trị thô hiện tại chia cho 250 là sẽ xuất ra chính xác số Gram lên màn hình hiển thị.
    

Mẹo thiết kế hệ thống: Hệ số Calibration_Factor là một hằng số vô giá trị đối với mỗi một Loadcell cụ thể. Để biến dự án thành một sản phẩm thương mại thực thụ, sau khi tính toán xong, bạn bắt buộc phải lưu hệ số này vào bộ nhớ EEPROM của vi điều khiển (như đã phân tích ở Bài 1). Nhờ cơ chế lưu trữ bất biến này, chiếc cân điện tử sẽ ghi nhớ thông số vĩnh viễn và không yêu cầu người dùng phải đặt lại quả cân chuẩn mỗi khi cắm điện khởi động lại.

---

• Kỹ thuật Panelization (Ghép Panel)
• Dịch vụ PCBA: Tiêu chuẩn hóa Quy trình Gia công Lắp ráp SMD Tự động
• Thiết kế Anten và Tín hiệu RF: Tối ưu hóa Sóng Vô tuyến cho Thiết bị IoT
• Thiết kế Đường mạch Công suất: Bài toán Tản nhiệt cho Driver Động cơ
• Design for Manufacturing (DFM): Khoảng cách từ Bản vẽ PCB đến Thực tế Nhà máy

Chia sẻ bài viết này

Copy link Share Facebook