ĐỒ án môn học 1 đề tài đếm sản PHẨM BẰNG cảm BIẾN HỒNG NGOẠI NGÀNH CÔNG NGHỆ kỹ THUẬT điện tử VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI ĐẾM SẢN PHẨM BẰNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS LÊ MINH THÀNH SINH VIÊN THỰC HIỆN VÕ THIỆN TÙNG MÃ SỐ SINH VIÊN 18161178 TP HỒ CHÍ MINH – 62021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 ĐỀ TÀI ĐẾM SẢN PHẨM BẰNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG D.

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sống tiện nghi ngày càng tăng cao, dẫn đến việc tự động hóa nhiều công việc từ xưa Các thiết bị như máy rửa bát, robot hút bụi và máy giặt đã trở thành phổ biến, giúp con người tiết kiệm thời gian và công sức Trong ngành công nghiệp, tự động hóa càng quan trọng hơn, khi mà máy móc có thể thay thế hàng trăm nhân công, vận hành chính xác và giảm thiểu sai sót Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng lợi ích lâu dài và khả năng sinh lời cao của máy móc tự động là điều không thể phủ nhận Đặc biệt, trong các nhà máy sản xuất sữa và bánh quy, việc tự động hóa khâu đếm sản phẩm giúp tiết kiệm thời gian sản xuất và tăng lợi nhuận Do đó, đề tài “Đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại” được chọn để tìm hiểu về hệ thống tự động và lợi ích của nó trong thực tế.

Mục tiêu đề tài

Sử dụng kiến thức về vi xử lý, ngôn ngữ lập trình C và các môn học liên quan đến hệ thống nhúng và IoT, chúng tôi thiết kế một hệ thống đếm sản phẩm tự động bằng cảm biến hồng ngoại Hệ thống này có khả năng lưu trữ dữ liệu trên cơ sở dữ liệu của Google, đồng thời hiển thị thời gian bao gồm ngày, tháng, năm và số lượng sản phẩm đã được đếm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào các loại vi điều khiển và module I2C, bao gồm màn hình LCD, module cảm biến hồng ngoại, cùng với các chuẩn giao tiếp truyền thông không dây và có dây.

Nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế mạch đếm số lượng với độ nhạy tùy chỉnh, cho phép cập nhật dữ liệu theo thời gian thực Người dùng có thể dễ dàng theo dõi và truy cập các dữ liệu lịch sử thông qua ứng dụng trên điện thoại.

Bố cục đề tài

Đề tài sẽ được trình bày trong 5 chương:

Trong chương này trình bày lý do chọn đề tài, các mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu về board ESP8266 NodeMCU, cảm biến hồng ngoại, chuẩn truyền I2C và các công nghệ truyền thông không dây phổ biến hiện nay

- Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống

Trình bày các yêu cầu đặt ra của hệ thống, xây dựng sơ đồ khối và thiết kế sơ đồ nguyên lý của hệ thống

- Chương 4: Kết quả thực hiện

Trình bày các kết quả và hình ảnh thực tế của hệ thống

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu ESP8266 NodeMCU

2.1.1 Sơ lược về ESP8266 NodeMCU

ESP8266 NodeMCU là một mạch tích hợp mạnh mẽ với khả năng kết nối WiFi và Bluetooth Với giá thành phải chăng, ESP8266 NodeMCU mang lại nhiều tính năng hữu ích cho người dùng, hỗ trợ đa dạng ứng dụng từ kết nối cảm biến nhỏ đến quản lý hệ thống lớn.

ESP8266 NodeMCU là một module vi điều khiển dựa trên ESP8266EX, tích hợp nhiều chức năng như PWM, đọc ADC và giao tiếp I2C Module này còn hỗ trợ kết nối với máy tính qua chuẩn micro USB, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển ứng dụng.

2.1.2 Vi điều khiển ESP8266EX

ESP8266EX, được phát triển bởi Espressif Systems tại Trung Quốc, là một giải pháp kết nối thiết bị qua WiFi với ưu điểm nổi bật về hiệu suất cao và tiêu thụ năng lượng thấp Thiết kế nhỏ gọn của nó đáp ứng nhu cầu sử dụng liên tục trong thời gian dài, làm cho ESP8266EX trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng IoT.

ESP8266EX là một vi điều khiển sử dụng chip Tensilica L106, hoạt động với xung nhịp tối đa 160 MHz Nó hỗ trợ kết nối WiFi 2.4GHz theo chuẩn 802.11 b/g/n với tốc độ tối đa lên đến 72.2Mbps Đặc biệt, ESP8266EX còn tích hợp nhiều chế độ hoạt động giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

- Active mode: Vi điều khiển hoạt động bình thường

- Modem - sleep mode: Chỉ có CPU hoạt động, WiFi và các bộ thu phát sóng khác tắt

Chế độ ngủ nhẹ (Light sleep mode) là trạng thái mà CPU và các thiết bị ngoại vi sẽ tạm ngừng hoạt động Tuy nhiên, khi có bất kỳ tín hiệu tác động nào, vi điều khiển sẽ được đánh thức ngay lập tức.

Chế độ ngủ sâu tắt tất cả các thành phần của vi điều khiển, chỉ giữ lại hệ thống RTC (Real-Time Clock) hoạt động để kiểm soát thời gian thực.

Hình 2.2: Vi điều khiển ESP8266EX

Vi điều khiển ESP8266EX có 33 chân, bao gồm 16 chân GPIO và các chân hỗ trợ giao thức UART, SPI, I2C Nó cũng có khả năng đọc ADC, cùng với các chân cho điện áp ngõ vào và ngõ ra, cũng như các chân điều khiển riêng biệt.

Hình 2.3: Sơ đồ chân ESP8266EX Bảng 2.1 dưới đây là thông số kỹ thuật chính của ESP8266EX [1]:

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật ESP8266EX

Tần số hoạt động 2.4 GHz~2.5 GHz (2400

Phần cứng CPU Vi xử lý Tensilica L106 32-bit

Giao tiếp ngoại vi UART/SDIO/SPI/I2C/I2S/IR

GPIO/ADC/PWM/LED, nút nhấn Điện áp hoạt động trung bình 2.5 V~3.6 V

Dòng tiêu thụ trung bình 80 mA Nhiệt độ hoạt động –40 °C~125 °C

2.1.3 Thông số kỹ thuật của ESP8266 NodeMCU

Bảng 2.2 dưới đây là thông số kỹ thuật của board ESP8266 NodeMCU

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật ESP8266 NodeMCU

Vi điều khiển ESP8266EX

WiFi 2.4GHz hỗ trợ 802.11 b/g/n Điện áp hoạt động 3.3V Điện áp ngõ vào 5VDC

Cấp nguồn Từ cổng micro USB hoặc Vin

Tần số xung clock 80MHz

Bộ nhớ Flash/SRAM 4MB/64KB

ESP8266 NodeMCU sở hữu 30 chân kết nối, trong đó một số chân chỉ cung cấp điện áp ngõ ra hoặc không sử dụng Người dùng có thể tùy chỉnh chức năng của các chân còn lại theo nhu cầu thiết kế của mình Bảng 2.3 dưới đây sẽ cung cấp danh sách chi tiết về chức năng của các chân kết nối trên ESP8266 NodeMCU.

Bảng 2.3: Các chân kết nối ESP8266 NodeMCU

Tên chân Kí hiệu Chức năng

Nguồn Vin Cấp nguồn cho board hoạt động

Chân điều khiển EN, RST Tái khởi động board

Chân Analog A0 Ngõ vào của tín hiệu tương tự 0V~3.3V Chân GPIO GPIO1~GPIO16 16 chân tín hiệu ngõ vào – ngõ ra

Chân SPI SD1, CMD, SD0,

Các chân phục vụ cho giao thức SPI

UART0 gồm TXD0, RXD0 UART2 gồm TXD2, RXD2 Chân I2C D1 SCL Các chân phục vụ cho giao thức I2C

Hình 2.4: Sơ đồ chân của ESP8266 NodeMCU

Giới thiệu cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK là một lựa chọn phổ biến trên thị trường nhờ giá thành hợp lý, dễ lắp đặt và sử dụng Nó hoạt động ổn định trong thời gian dài, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như ánh sáng Đặc biệt, cảm biến này cho phép người dùng điều chỉnh khoảng cách phát hiện vật từ 3cm đến 80cm.

Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK hoạt động với điện áp 5VDC và tiêu thụ dòng điện thấp khoảng 100mA Thiết bị này rất phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa máy móc, như phát hiện vật thể, điều khiển robot dò đường và robot phát hiện va chạm.

Hình 2.5: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

2.2.2 Các chân kết nối của E18-D80NK

Cảm biến E18-D80NK có 3 chân kết nối, trong đó:

Bảng 2.4: Chức năng các chân kết nối của E18-D80NK

Màu nâu Input Ngõ vào điện áp 5VDC

Màu xanh dương GND Nối đất

Màu đen Output Tín hiệu ngõ ra

Hình 2.6: Sơ đồ chân kết nối E18-D18NK

Thông số kỹ thuật chính của cảm biến E18-D18NK [2]:

Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật E18-D80NK Điện áp ngõ vào 5VDC

Khoảng cách phát hiện Có thể điều chỉnh được từ 3 cm đến 80 cm Đặc điểm ngõ ra 0V: Khi gặp vật cản

5V: Khi không có vật cản

Phiên bản E18-D80NK-N Đường kính 18 mm

Cảm biến E18-D80NK là một thiết bị hồng ngoại sử dụng công nghệ phản xạ khuếch tán để phát hiện vật cản Nó tích hợp cả bộ thu và phát hồng ngoại trên cùng một thiết bị, hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ ánh sáng hồng ngoại.

Khi có nguồn điện, cảm biến hồng ngoại phát ra tia hồng ngoại liên tục Khi tia này chạm vào bề mặt vật cản, nó sẽ phản xạ trở lại bộ thu, và cảm biến sẽ thông báo trạng thái phát hiện vật cản.

- Nếu bộ thu không nhận được tia hồng ngoại phản xạ về, lúc này cảm biến báo trạng thái không phát hiện vật cản

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động cảm biến E18-D80NK

Giới thiệu module I2C cho LCD

I2C, viết tắt của "Inter-Integrated Circuit", là một giao thức do Philips Semiconductors phát triển, cho phép truyền dữ liệu giữa bộ xử lý trung tâm và nhiều IC trên cùng một bảng mạch thông qua chỉ hai đường truyền tín hiệu.

Giao thức I2C, với thiết kế đơn giản, được sử dụng phổ biến trong giao tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị như cảm biến, thiết bị hiển thị, thiết bị IoT và EEPROM I2C hoạt động thông qua hai dây: Dây đồng hồ (SCL) và Dây dữ liệu (SDA), trong đó dữ liệu được truyền qua SDA và được đồng bộ hóa với xung clock từ SCL.

Giao tiếp I2C, như mô tả trong hình 2.8, bao gồm một thiết bị chủ (Master) và nhiều thiết bị tớ (Slave) Thiết bị Master và các thiết bị Slave thực hiện việc truyền nhận dữ liệu thông qua hai đường tín hiệu chung.

Dây SDA và SCL được kết nối với nguồn dương qua điện trở kéo lên, cho phép quá trình truyền nhận tín hiệu giữa một Master và một Slave diễn ra hiệu quả.

- Master gửi một xung START đến tất cả các Slave báo hiệu bắt đầu quá trình truyền nhận

- Sau đó Master gửi 8 bit dữ liệu bao gồm 7 bit địa chỉ của Slave mà mình muốn giao tiếp kèm với 1 bit yêu cầu truyền hoặc nhận dữ liệu

Tất cả các Slave sẽ nhận chuỗi 8 bit từ Master và tiến hành so sánh địa chỉ của mình với địa chỉ được gửi Khi địa chỉ trùng khớp, Slave sẽ phản hồi Master bằng cách gửi xung ACK.

Quá trình truyền nhận dữ liệu giữa hai thiết bị diễn ra khi thiết bị Master gửi thông tin đến thiết bị Slave Nếu việc truyền dữ liệu thành công, thiết bị Slave sẽ phản hồi bằng cách gửi tín hiệu ACK để xác nhận.

- Kết thúc quá trình truyền nhận bằng cách Master gửi xung STOP

Hiện nay, thị trường có nhiều loại màn hình LCD với số lượng chân kết nối phong phú, điều này có thể gây khó khăn khi kết nối với phần cứng, đặc biệt là làm thiếu hụt chân trên vi điều khiển cho các thiết bị khác Để khắc phục vấn đề này, module giao tiếp I2C cho LCD đã ra đời, tận dụng ưu điểm của giao thức I2C.

Hình 2.9: Module giao tiếp I2C cho LCD

Module giao tiếp I2C cho LCD có 20 chân, bao gồm 16 chân kết nối với LCD và 4 chân còn lại là SCL, SDA, VDC và GND, kết nối tương ứng với SCL, SDA, VIN và GND của ESP8266 Nhờ đó, module này giúp tiết kiệm tối thiểu 6 chân kết nối.

Việc sử dụng module I2C để kết nối LCD với vi điều khiển giúp giảm số chân kết nối cần thiết, chỉ còn lại 2 chân SCL và SDA Module này hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780, như LCD 1602 và LCD 2004, và tương thích với hầu hết các loại vi điều khiển hiện nay.

Hình 2.10: Mô tả kết nối LCD và ESP8266 sử dụng module I2C

- Điện áp hoạt động: 2.5VDC~6VDC

- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, LCD1604, LCD2004 (driver HD44780)

- Tích hợp biến trở xoay dùng để điều chỉnh độ tương phản cho LCD.

Giới thiệu LCD1602

LCD1602 là một màn hình phổ biến trong lĩnh vực điện tử, được sử dụng để hiển thị thông tin, trạng thái và các thông số kỹ thuật Với thiết kế gồm 2 hàng và mỗi hàng chứa 16 ký tự, màn hình LCD1602 nổi bật với độ bền cao và khả năng hiển thị rõ nét Sản phẩm này rất dễ sử dụng và hiện đang được bán rộng rãi trên thị trường.

- Điện áp hoạt động: 3.3VDC

- Chữ đen, nền xanh lá

- Khoảng cách giữa 2 chân kết nối là 0.1 inch

- Có led đèn nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chỉnh độ sáng

- Có thể điều khiển với 6 dây tín hiệu

Bảng 2.6: Chức năng các chân LCD1602

Chân Ký hiệu Chức năng

2 VDD Kết nối tới nguồn 3.3VDC

3 VL Điều chỉnh độ tương phản

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi

6 E Chân cho phép LCD hoạt động

7 - 14 D0 – D7 Chân dữ liệu cho LCD

15 BLA Nguồn của đèn nền LCD – đầu Anode

16 BLK Nguồn của đèn nền LCD – đầu Kathode

Giới thiệu các công nghệ truyền thông không dây phổ biến hiện nay

Hiện nay, sự phát triển của công nghệ và nâng cao chất lượng cuộc sống đã thúc đẩy nhu cầu về tính tiện dụng, khiến cho việc truyền nhận thông tin qua các công nghệ không dây ngày càng phổ biến và dần thay thế các phương pháp sử dụng cáp và dây điện.

WiFi là công nghệ kết nối internet không dây phổ biến nhất hiện nay, được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình và công ty để kết nối các thiết bị điện tử như điện thoại di động và máy tính Tại các nước phát triển, WiFi còn được triển khai ở khắp các khu đô thị lớn, cho phép người dân truy cập internet mọi lúc mọi nơi.

Hình 2.12: Các thiết bị sử dụng WiFi

Bluetooth là công nghệ truyền dữ liệu giữa các thiết bị di động và kết nối thiết bị ngoại vi như tai nghe, loa với điện thoại hoặc máy tính Ra đời vào năm 2006 bởi Nokia, Bluetooth đã phát triển với nhiều phiên bản cải tiến, bao gồm Bluetooth 2.0, Bluetooth 3.0 và đặc biệt là Bluetooth Low Energy (BLE) BLE không chỉ có tốc độ truyền tải cao mà còn tiêu thụ năng lượng rất thấp, giúp các nhà sản xuất phát triển nhiều sản phẩm như thiết bị theo dõi sức khoẻ cá nhân và các mạng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, chấn động và nồng độ khí trong không khí, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ công suất nhỏ.

Hình 2.13: Các thiết bị sử dụng Bluetooth

Zigbee là một chuẩn truyền thông không dây cho phép kết nối và truyền tải thông tin đến nhiều thiết bị cùng lúc Phạm vi hoạt động của Zigbee đã được cải thiện, hiện có thể lên tới vài trăm mét, mặc dù tốc độ truyền dữ liệu vẫn chỉ đạt mức nhất định.

Zigbee là một công nghệ mạng không dây lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu khoảng cách phủ sóng lớn nhưng không cần tốc độ cao, với băng thông 256 kbps Công nghệ này thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà, quản lý hệ thống công nghiệp, cũng như trong quản lý nước, năng lượng và ánh sáng.

Hình 2.14: Mô hình sử dụng Zigbee trong nhà

Công nghệ LoRa, phát triển bởi Semtech, là một giao thức không dây tối ưu cho việc truyền dữ liệu tầm xa với mức tiêu thụ năng lượng thấp Tầm phủ sóng của LoRa trong môi trường đô thị dao động từ 3000m đến 5000m, với tốc độ truyền tải dữ liệu khoảng 0.3 kbps.

21 đến khoảng 30 kbps [7] Lora được ứng dụng trong các thành phố thông minh như quản lý giao thông, nước thải…

Hình 2.15: Mô hình LORA trong thành phố

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Yêu cầu hệ thống

Với tiêu chí thiết kế một hệ thống đơn giản có thể đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại có những chức năng như sau:

- Đếm sản phẩm khi có vật đi ngang cảm biến là một vật thể hình hộp có kích thước 12x8x5 (cm)

- Khoảng cách cảm biến có thể nhận biết được vật thể tối đa 20cm

- Chu kỳ đếm liên tục khoảng 1 giây / sản phẩm

- Hiển thị số lượng đã đếm được bao gồm số lượng sản phẩm (nhỏ hơn 1000) và số thùng (nhỏ hơn 100 trong đó 30 sản phẩm / thùng)

- Hiển thị thời gian: ngày – tháng – năm

- Kết nối đến cơ sở dữ liệu thông qua WiFi và lưu trữ trên đó

- Có thể xem dữ liệu đã đếm được trong 7 ngày gần nhất bằng ứng dụng trên điện thoại di động

- Thiết bị nhỏ gọn, dễ lắp đặt.

Phương án thiết kế

Với yêu cầu thiết kế của hệ thống về phần cứng, người thực hiện đã đề ra phương án thiết kế như sau:

- Mạch thiết kế sẽ cố gắng tận dụng các board mạch, module có sẵn trên thị trường như ESP8266 NodeMCU, module I2C cho LCD, LCD1602, cảm biến hồng ngoại E18-D80NK…

- Sau đó vẽ sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý, lưu đồ giải thuật cho hệ thống phần cứng

- Kết nối các linh kiện trên test board, sau đó sử dụng ngôn ngữ lập trình C để lập trình cho ESP8266 NodeMCU bằng công cụ Arduino IDE

Sau khi hoàn thành các chức năng của hệ thống trên bảng thử nghiệm, bước tiếp theo là thiết kế mạch in để kết nối các linh kiện, từ đó nâng cao độ chính xác và ổn định cho mạch.

Với yêu cầu thiết kế của hệ thống phần mềm, người thực hiện đã đề ra phương án thiết kế như sau:

- Sử dụng công cụ lập trình ứng dụng trên hệ điều hành Android có tên là MIT App Inventor để tạo ứng dụng trên điện thoại di động

- Sử dụng cơ sở dữ liệu Firebase của Google để lưu trữ dữ liệu

- Kết nối ứng dụng đến Firebase để quan sát dữ liệu

Khi người dùng truy cập phần mềm, giao diện sẽ hiển thị thông tin quan trọng bao gồm ngày, tháng, năm, số lượng sản phẩm có thể đếm được và số thùng đã được đóng gói.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3.1 dưới đây miêu tả sơ đồ khối của hệ thống đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống Chức năng các khối của sơ đồ hình 3.1 như sau:

- Khối báo hiệu: Thông báo đến người quan sát biết được khi có vật đi ngang cảm biến

- Khối cảm biến: Có nhiệm vụ phát tín hiệu đến khối xử lý trung tâm nếu phát hiện vật đi ngang cảm biến

- Khối hiển thị: Hiển thị lên màn hình những thông tin được yêu cầu như ngày - tháng - năm, số lượng sản phẩm, số thùng

- Khối xử lý trung tâm: Có nhiệm vụ xử lý tất cả những dữ liệu từ khác khối xung quanh, điều khiển toàn bộ hệ thống

- Khối Firebase: Là cơ sở dữ liệu, nơi lưu trữ dữ liệu thu thập được

- Khối ứng dụng di động: Ứng dụng được chạy trên điện thoại

- Khối nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

Hệ thống hoạt động khi được cấp nguồn, khối hiển thị và khối báo hiệu chờ tín hiệu từ khối xử lý trung tâm Khi có vật cản, khối cảm biến gửi tín hiệu đến khối xử lý trung tâm, nơi tiếp nhận và xử lý tín hiệu để gửi dữ liệu đến khối hiển thị và khối báo hiệu Quá trình này lặp lại liên tục Sau 30 giây, khối xử lý trung tâm gửi dữ liệu đến Firebase qua WiFi, và ứng dụng di động sẽ hiển thị dữ liệu từ Firebase.

Thiết kế phần cứng

Khối báo hiệu sử dụng một điện trở và một con LED 3mm màu xanh lá cây, với cường độ dòng điện định mức là 20mA và điện áp định mức từ 1.6V đến 2.6V Khi có sản phẩm đi ngang qua cảm biến, LED sẽ sáng lên, thông báo cho người quan sát Ngõ ra của khối xử lý trung tâm điều khiển khối báo hiệu có điện áp 3.3V Để thiết lập điện áp cho LED là 1.6V và cường độ dòng điện 7mA, cần tính toán điện trở hạn dòng cho LED.

Vậy chọn giá trị điện trở mắc nối tiếp với LED là 240 Ω

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối báo hiệu liên kết với khối xử lý trung tâm

3.4.2 Khối cảm biến Đối với khối cảm biến, dựa vào yêu cầu thiết kế của hệ thống, người thực hiện chọn sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK bởi những ưu điểm sau:

- Được đóng gói vào một module giúp dễ lắp ráp, sử dụng

- Ít bị nhiễu và bền hơn so với các cảm biến hồng ngoại giá rẻ khác trên thị trường

- Tuỳ chỉnh khoảng cách phát hiện bằng điện trở phía sau cảm biến từ 3cm đến 80cm [2]

Cảm biến vật cản hồng ngoại hoạt động với điện áp 5VDC từ nguồn cung cấp, và chân tín hiệu của cảm biến được kết nối với chân GPIO12 – D6 của khối xử lý trung tâm Mỗi khi có vật đi ngang qua cảm biến, tín hiệu sẽ được nhận và xử lý Hình 3.2 minh họa cách kết nối giữa cảm biến và khối xử lý trung tâm.

Với yêu cầu thiết kế của hệ thống hiển thị các thông tin:

- Ngày - tháng - năm (10 kí tự theo dạng “dd-mm-yyyy”)

- Số lượng sản phẩm (6 kí tự theo dạng “xxx SP” với xxx là số lượng sản phẩm nhỏ hơn 1000)

- Số thùng đóng gói được (5 kí tự theo dạng “aa TH” với aa là số lượng thùng nhỏ hơn 100)

Người thực hiện đã chọn sử dụng màn hình LCD1602 với 2 hàng và mỗi hàng chứa 16 ký tự Hàng đầu tiên hiển thị thời gian theo định dạng “TIME: dd-mm-yyyy”, trong khi hàng thứ hai hiển thị số lượng theo dạng “SL: xxx SP aa TH” Để cải thiện khả năng hiển thị thông tin, module giao tiếp I2C được sử dụng để kết nối giữa LCD và khối xử lý trung tâm Module I2C bao gồm mạch mở rộng chân I/O PCF8574, giúp mở rộng khả năng giao tiếp I/O của vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C Màn hình LCD có 16 chân vào, sử dụng nguồn 3.3V, và kết nối trực tiếp 2 chân SDA và SCL đến khối xử lý trung tâm.

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị liên kết với khối xử lý trung tâm

3.4.4 Khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm sử dụng board ESP8266 NodeMCU Lua CP2102, nổi bật với tính năng dễ dàng lắp đặt và lập trình Với ưu điểm vượt trội về khả năng kết nối WiFi, board này là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống của chúng tôi.

Bảng mạch sử dụng nguồn 5VDC, có khả năng xuất ra điện áp 3.3V và dòng tối đa 12mA tại các chân ngõ ra Trong hệ thống, chân D1 và D2 được sử dụng để điều khiển khối hiển thị thông qua các chân SCL và SDA, trong khi chân D3 đảm nhiệm việc điều khiển khối hiển thị và chân D6 kiểm soát hoạt động của khối cảm biến Bảng mạch có thể được kết nối với máy tính để cấp nguồn và lập trình thông qua cổng micro USB.

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm

Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại hoạt động với hai mức điện áp là 5V và 3.3V Board ESP8266 NodeMCU LuaCP2102 đã tích hợp chân 3.3V, cho phép cấp nguồn cho khối hiển thị Do đó, khối nguồn chỉ cần cung cấp điện áp 5V cho khối xử lý trung tâm và cảm biến.

Dựa vào datasheet của các linh kiện có trong mạch, lập bảng 3.1 nói về dòng tiêu thụ dòng điện của các linh kiện mà khối nguồn cần cung cấp

Bảng 3.1: Dòng tiêu thụ của các linh kiện mà khối nguồn cần cung cấp

STT Tên linh kiện Số lượng Dòng tiêu thụ trung bình

Từ bảng tổng hợp, dòng điện tiêu thụ trung bình là khoảng 180mA, do đó, để đảm bảo hoạt động ổn định cho tất cả linh kiện trong mạch, bao gồm cả khối hiển thị, người thực hiện đã chọn nguồn dòng 1A Khối nguồn được thiết kế là nguồn tuyến tính, như thể hiện trong sơ đồ khối nguồn ở hình 3.5 dưới đây.

Hình 3.5: Sơ đồ khối khối nguồn Dựa vào sơ đồ khối hình 3.5, các bước thiết kế được xác định như sau:

- Ngõ vào: Sử dụng điện áp xoay chiều 220VAC 50Hz

Khối biến áp có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống mức yêu cầu, cụ thể trong hệ thống này, bộ biến áp được chọn để chuyển đổi từ 220VAC xuống 12VAC.

Khối chỉnh lưu có nhiệm vụ chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, với mục tiêu giảm thiểu độ gợn sóng của điện áp đầu ra Để đạt được điều này, diode cầu KP206 được lựa chọn, có khả năng chịu điện áp ngược tối đa 600V và dòng tải tối đa 2A, như minh họa trong sơ đồ dạng sóng ở hình 3.6.

Khối lọc có vai trò quan trọng trong việc làm phẳng dạng sóng sau ngõ ra của khối chỉnh lưu, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu nhưng vẫn giữ lại một số độ gợn nhất định Bên trong khối lọc, các tụ điện phân cực và không phân cực với các giá trị khác nhau được sử dụng để đạt được hiệu quả tối ưu trong việc lọc sóng.

- Khối ổn áp: Có chức năng cố định điện áp ngõ ra Người thực hiện chọn sử dụng

IC 7805 để cố định điện áp ngõ ra là 5V

Dựa vào sơ đồ khối và các bước thiết kế, sơ đồ nguyên lý khối nguồn được thể hiện như hình 3.6 Điện áp xoay chiều 220VAC 50Hz được đưa vào cuộn sơ cấp của biến áp, với ngõ ra cuộn thứ cấp là 12VAC Sau đó, điện áp này đi qua cầu diode để chuyển đổi thành điện áp một chiều, trong khi các tụ C1 và C2 thực hiện chức năng lọc gợn sóng Dòng điện một chiều tiếp tục đi vào IC 7805, biến đổi thành 5VDC và được ổn định qua các tụ C3 và C4.

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý sơ lược khối nguồn

Trong hình 3.6, nguồn điện 220VAC được biến đổi thành 12VAC qua biến áp, với điện áp đỉnh V o(peak) = 12√2 (V) Giả sử điện trở tải là R tải kΩ, độ gợn sóng r% sau khi qua tụ C1 được tính bằng công thức: r% = 1.

(3.2) Ở công thức (3.2) trên, giá trị C1 càng lớn thì r% càng nhỏ Chọn r% = 0.03% Suy ra,

Trong thực tế, giá trị tụ C1 không tồn tại như đã đề cập Do đó, cần chọn tụ phân cực C1 có giá trị 1000 μF 50V Điện áp DC sau khi đi qua chỉnh lưu và các tụ lọc được tính toán như sau:

Theo datasheet của IC 7805, để đạt được ngõ ra ổn định 5V, ngõ vào cần nằm trong khoảng 5V đến 18V Giá trị V ODC 0.96V tính theo công thức 3.4 hoàn toàn phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất Tụ C2 có nhiệm vụ lọc sóng hài bậc cao, vì vậy nên chọn tụ gốm 104 với giá trị 100nF 50V Tụ phân cực C3 có giá trị 1000μF 50V, trong khi tụ C4 có chức năng tương tự như tụ C2, cũng nên chọn tụ gốm 104 với giá trị 100nF 50V.

Sơ đồ nguyên lý khối nguồn như hình 3.7 bên dưới:

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

3.4.6 Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống

Kết nối tất cả các khối trong hệ thống với nhau có được sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống:

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống

3.4.7 Lưu đồ giải thuật cho phần cứng

Hình 3.9: Lưu đồ giải thuật phần cứng

Thiết kế phần mềm

3.5.1 Lưu đồ giải thuật cho phần mềm

Hình 3.10: Lưu đồ giải thuật phần mềm

Lưu đồ giải thuật phần mềm hiển thị thông tin cập nhật từ cơ sở dữ liệu Firebase khi người dùng truy cập Nếu có sự thay đổi dữ liệu trên Firebase, phần mềm sẽ tự động cập nhật và hiển thị thông tin mới trên màn hình Ngược lại, nếu không có thay đổi, phần mềm sẽ kết thúc và bắt đầu vòng làm việc mới.

3.5.2 Tạo cơ sở dữ liệu Firebase

Firebase là một nền tảng cơ sở dữ liệu thời gian thực mạnh mẽ của Google, cung cấp dịch vụ lưu trữ và đồng bộ hóa thông tin ngay lập tức.

Firebase cung cấp 1GB dung lượng lưu trữ miễn phí cùng với các gói trả phí mở rộng, nhưng vẫn tồn tại nhược điểm như thời gian truy vấn chậm và không ổn định Quy trình tạo cơ sở dữ liệu Firebase để lưu trữ dữ liệu rất đơn giản.

- Bước 1: Đăng kí tài khoản trên trang web https://firebase.google.com/ và chọn

Hình 3.11: Bắt đầu truy cập vào để sử dụng Firebase

- Bước 2: Trên màn hình sẽ hiển thị các dự án đã tạo (nếu có) Tạo dự án mới bằng cách nhấn vào biểu tượng “Add project” trên hình 3.12

Hình 3.12: Tạo dự án mới

Sau khi tạo dự án mới, bạn cần tạo Realtime Database bằng cách nhấn vào “Realtime Database” trên thanh công cụ bên trái màn hình, rồi chọn “Create Database”.

Hình 3.13: Tạo cơ sở dữ liệu của dự án

- Bước 4: Nhấn vào “Rule” ở hình 3.14 và chỉnh sửa 2 dòng này từ “False” thành

“True” để có thể đọc và ghi dữ liệu lên trên Firebase

Hình 3.14: Thiết lập đọc và ghi dữ liệu trên cơ sở dữ liệu

Các bước tạo cơ sở dữ liệu Firebase đã hoàn tất Để liên kết Firebase với hệ thống phần cứng và phần mềm, cần sử dụng hai thông số quan trọng.

- Firebase URL: Là đường dẫn đến Firebase, nằm trong mục “Realtime Database” và vị trí như ở hình 3.15 bên dưới

Hình 3.15: Đường dẫn của cơ sở dữ liệu

Firebase token là mã được tạo ra từ Firebase, cho phép ứng dụng truy cập vào cơ sở dữ liệu của Firebase Để nhận được mã này, bạn cần thực hiện các bước hướng dẫn trên hình.

3.16, truy cập vào mục cài đặt của “Project Overview”, sau đó lần lượt chọn Project settings  Service accounts  Database secrets

3.5.3 Tạo ứng dụng trên điện thoại Ứng dụng được thiết kế trên MIT App Inventor 2, là một nền tảng cho phép người dùng có thể lập trình ứng dụng Android ngay trên trình duyệt web của máy tính cá nhân MIT App Inventor 2 sử dụng các giao diện đồ hoạ đã được thiết kế sẵn để tạo nên giao diện ứng dụng, sau đó sử dụng các khối mã bằng cách kéo và thả để tạo các đoạn mã nguồn bên trong ứng dụng

Hình 3.17: Các công cụ thiết kế giao diện trong App Inventor

Hình 3.18: Thiết kế giao diện ứng dụng

Sử dụng các công cụ trong hình 3.17, người thực hiện đã thiết kế giao diện ứng dụng điện thoại như mô tả ở hình 3.18 Giao diện sử dụng “Label” kết hợp với “Horizontal arrangement” để đặt tên và căn chỉnh vị trí các nhãn Đồng thời, “TableArrangement” và các “Label” được áp dụng để tạo bảng dữ liệu hiển thị thông tin trong 7 ngày gần nhất, bao gồm thời gian, số lượng sản phẩm đếm được và số thùng đóng gói Cuối cùng, ứng dụng được liên kết với Firebase thông qua Firebase URL và Firebase token như thể hiện ở hình 3.19.

Hình 3.19: Liên kết ứng dụng đến Firebase

Để quan sát dữ liệu trong 7 ngày gần nhất, người thực hiện lựa chọn các dữ liệu cần lưu trữ và hiển thị theo thứ trong tuần Dữ liệu được lưu trữ theo định dạng “nhãn tên: dữ liệu”, trong đó “nhãn tên” được xây dựng theo cú pháp “thứ trong tuần + thông tin”, ví dụ như “MondaySP” để chỉ số lượng sản phẩm vào thứ Hai.

“MondayTH” đại diện cho số thùng của thứ Hai, trong khi “MondayTIME” thể hiện ngày – tháng – năm của thứ Hai đó Hình 3.21 minh họa cách sử dụng các khối mã để phát triển chức năng cho ứng dụng Khi dữ liệu trên Firebase thay đổi, khối “if then” đầu tiên sẽ truy xuất dữ liệu từ “nhãn tên” là “MondayTIME” và hiển thị nó trên màn hình ứng dụng Các khối “if then” khác hoạt động tương tự Nếu “nhãn tên” nào chưa được tạo trên Firebase, màn hình sẽ hiển thị thông báo tương ứng.

“Not Found” tại ô chứa dữ liệu đó như trên hình 3.18

Hình 3.20: Lưu trữ dữ liệu trên Firebase

Hình 3.21: Thiết kế chức năng ứng dụng

KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Phần cứng

Sau khi hoàn thành thiết kế hệ thống, sơ đồ mạch được kết nối trên test board để kiểm tra chức năng hoạt động của mạch Cáp USB được kết nối từ máy tính đến khối xử lý trung tâm với điện áp 5V và dòng điện 1A, nhằm cấp nguồn cho hệ thống và hỗ trợ nạp mã nguồn cho khối xử lý trung tâm.

Hình 4.1: Kết nối các linh kiện trên test board

Sau khi kết nối đúng các chân trên test board và nạp mã nguồn, người thực hiện nhận thấy rằng sơ đồ mạch trên test board gây ra sự không ổn định và thiếu an toàn cho mạch Điều này đã làm cho việc điều chỉnh hệ thống theo yêu cầu trở nên khó khăn Do đó, việc thi công mạch in phần cứng được thực hiện nhằm tăng cường tính ổn định cho mạch.

Dựa trên thiết kế sơ đồ nguyên lý, người thực hiện sử dụng phần mềm Proteus để vẽ mạch in Sau đó, tiến hành hàn các linh kiện lên mạch in đã thiết kế.

Kết quả thu được ở hình 4.2 bên dưới LCD1602 trong hình này hiển thị đang kết nối WiFi khi vừa mới cấp nguồn

Hình 4.2: Mạch sau khi hàn linh kiện

Trong hình 4.3, khi cảm biến phát hiện vật cản, đèn trong khối báo hiệu sẽ sáng lên Đồng thời, khối hiển thị với LCD1602 sẽ cung cấp đầy đủ thông tin về ngày, tháng, năm, số lượng đếm được và số thùng đã được đóng gói.

Hình 4.3: Mô tả hoạt động của khối báo hiệu và khối hiển thị

Để đáp ứng yêu cầu của hệ thống về khoảng cách phát hiện vật tối đa là 20cm, người thực hiện cần điều chỉnh khoảng cách phát hiện bằng cách thay đổi biến trở nằm ở phía sau cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, như được mô tả trong hình 4.4.

Hình 4.4: Điều chỉnh biến trở điều chỉnh khoảng cách phát hiện

Sau mỗi lần điều chỉnh, cần kiểm tra khoảng cách phát hiện xa nhất bằng cách sử dụng thước kẻ chia vạch và đưa vật mẫu hình 4.5 đến trước cảm biến Hình 4.6 cho thấy khoảng cách giữa vật và mắt cảm biến lớn hơn 20cm, không đáp ứng yêu cầu của hệ thống Sau khi điều chỉnh, như thể hiện ở hình 4.7, khoảng cách phát hiện tối đa đã đạt 20cm, phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

Hình 4.5: Vật mẫu hình hộp 12x8x5 (cm)

Hình 4.6: Khoảng cách phát hiện tối đa lớn hơn 20cm

Hình 4.7: Khoảng cách phát hiện tối đa 20cm

Hệ thống có chu kỳ đếm sản phẩm khoảng 1 giây và đã cơ bản đáp ứng yêu cầu đặt ra Tuy nhiên, sau mỗi 30 giây, chương trình ngắt để gửi dữ liệu lên Firebase gây tạm ngưng các công việc trong chương trình chính, ảnh hưởng đến quá trình đếm sản phẩm Nếu có sản phẩm đi ngang qua cảm biến trong thời gian gửi dữ liệu, sản phẩm đó sẽ bị bỏ qua Để kiểm tra thời gian cập nhật dữ liệu trên Firebase, người thực hiện đã sử dụng hai mạng WiFi với tốc độ tải lên trung bình lần lượt là 46.3Mbps và 32Mbps, được đo bằng phần mềm Speedtest.

Hình 4.8: Tốc độ WiFi kết nối đến hệ thống

Bảng 4.1: Thời gian cập nhật sản phẩm trên Firebase

Lần đo Thời gian(s) Lần đo Thời gian(s)

Thời gian cập nhật sản phẩm qua các lần đo không ổn định, như thể hiện trong bảng 4.1 Dù sử dụng hai mạng WiFi khác nhau, thời gian cập nhật trung bình trên Firebase không có sự chênh lệch đáng kể Nguyên nhân chính được xác định là do tốc độ truy vấn chậm của cơ sở dữ liệu Firebase.

Phần mềm

Hình 4.9: Giao diện khi truy cập vào phần mềm

Cài đặt ứng dụng “Đếm số lượng sản phẩm” có dung lượng 4.14MB trên điện thoại Android Khi truy cập vào ứng dụng, người dùng sẽ thấy giao diện hiển thị thông tin ứng dụng và bảng dữ liệu trong 7 ngày gần nhất Nếu chưa có dữ liệu trên Firebase, ứng dụng sẽ hiển thị thông báo “Not Found”.