GIỚI THIỆU
Tình hình nghiên cứu hiện nay
Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp cùng với sự hỗ trợ của chính phủ đã thúc đẩy tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa Tự động hóa đã trở thành xu hướng chủ đạo của các công ty, từ thiết bị bán tự động đến thiết bị hoàn toàn tự động Việc điều khiển và vận hành chính xác các thiết bị trong sản xuất là rất quan trọng, giúp giảm bớt sức lao động và chi phí sản xuất, từ đó hạ giá thành sản phẩm để cạnh tranh hiệu quả với các quốc gia trong khu vực và trên thế giới.
Tính cấp thiết của ề tài
Sự cấp thiết của ề t i ƣợc thể hiện qua lý do chọn ề t i v iểm nổi bật có trong ề t i ược chọn theo ý kiến của người nghiên cứu
Công nghệ ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu cuộc sống của con người Việt Nam đang tiến hành phát triển dây chuyền tự động nhằm thay thế sức lao động của con người, đây là xu hướng phổ biến hiện tại và tương lai Do đó, việc tạo ra một dây chuyền tự động là vô cùng cần thiết.
Đề tài này có tính ứng dụng thực tiễn cao, mặc dù còn đơn giản, nhưng nó là nền tảng để phát triển các ứng dụng tốt hơn trong cuộc sống.
- Arduino uno r3 l một vi iều khiển với cộng ồng hỗ trợ rất lớn nên việc thực hiện ề t i l ho n to n khả thi v có tính ứng dụng cao
1.3 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu chi tiết về cấu tạo và hoạt động của Kit Arduino Uno R3, cảm biến nhiệt độ màu sắc TCS3200, cảm biến vật cản, màn hình LCD, động cơ khí nén, băng tải và động cơ Cần đọc hiểu datasheet của các linh kiện thiết yếu trong mạch để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Nghiên cứu và thiết kế sơ ồ khối, từ ó thi công mạch thực tế Giải thích ƣợc chức năng của các linh kiện có trong mạch
Trong thời gian thực hiện ồ án, ể ho n thiện v giúp hệ thống vận h nh ổn ịnh, nhóm ã áp dụng các phương pháp sau:
- Tham khảo t i liệu, giáo trình
- Nghiên cứu v tìm hiểu vi iều khiển arduino uno r3
- Nghiên cứu các cảm biến liên quan dùng vi iểu khiển arduino uno r3
- Tìm kiểu về băng tải
- Tìm hiểu về ộng cơ khí nén
- Kiểm tra kết nối thực tế v lập trình kết nối từng module
- Tiến h nh thi công v lắp các module v o th nh khối ho n chỉnh
- Lập trình tính toán ể ƣa ra sản phẩm tối ƣu nhất
1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã xác định đối tượng và phạm vi để nắm vững yêu cầu của đề tài Qua đó, nhóm đã đưa ra hướng đi hợp lý nhằm hoàn thành đề tài phù hợp với mục tiêu đã đề ra và theo kịp tiến độ yêu cầu.
- Đối tƣợng: vi iều khiển arduino uno r3, cảm biến m u sắc tcs3200, ộng cơ bước, các ộng cơ khí nén, cảm biến vật cản, m n hình hiển thị lcd 16x2
Nghiên cứu này tập trung vào ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển Arduino, bao gồm việc xuất nhập dữ liệu qua các port I/O Nó sử dụng cảm biến màu sắc để nhận dạng sản phẩm, cùng với các động cơ khí nén để đẩy sản phẩm đến vị trí hợp lý Ngoài ra, các cảm biến vật cản được áp dụng để đếm số lượng sản phẩm, và màn hình LCD hiển thị số lượng sản phẩm sau khi đã phân loại.
Sản phẩm từ đề tài lắp ráp được sử dụng trong môi trường trong nhà hoặc dưới điều kiện ánh sáng vừa phải Tuy nhiên, tốc độ xử lý vẫn chưa đạt yêu cầu và không thể thực hiện phân loại quá nhiều sản phẩm cùng một lúc Đặc biệt, dự án sử dụng máy bơm khí trong quá trình vận hành, dẫn đến việc phát ra tiếng ồn khá lớn.
Hiện nay, có rất nhiều các ề t i nghiên cứu về phân loại sản phẩm cụ thể nhƣ:
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Trần Đức Sáng và Phạm Hữu Cao, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Quốc Định, thuộc trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.
Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng chiều cao
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Đinh Đức Anh, Bùi Tuấn Anh, Nguyễn Đức Thành và Nguyễn Đức Dương, dưới sự hướng dẫn của TS Trương Đức Phức, thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng khối lƣợng
Các tính toán thiết kế của các ề t i nhìn chung thì rất chuẩn xác có rất nhiều ƣu iểm nhƣng vẫn còn một sô nhƣợc iểm cụ thể nhƣ sau:
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao không thể phân loại các sản phẩm có cùng kích thước hoặc các sản phẩm khác nhau nhưng có chiều cao giống nhau.
- Đối với dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lƣợng các loại sản phẩm khác nhau nhƣng cùng khối lƣợng sẻ ƣợc phân loại chung
- Vẫn còn deley trong quá trình phân loại
- Thời gian ể sử lý một sản phẩm l tương ối lâu
- Không có khả năng xử lý phân loại ồng thời nhiều sản phẩm cùng một lúc.
Phương pháp nghiên cứu
Trong thời gian thực hiện ồ án, ể ho n thiện v giúp hệ thống vận h nh ổn ịnh, nhóm ã áp dụng các phương pháp sau:
- Tham khảo t i liệu, giáo trình
- Nghiên cứu v tìm hiểu vi iều khiển arduino uno r3
- Nghiên cứu các cảm biến liên quan dùng vi iểu khiển arduino uno r3
- Tìm kiểu về băng tải
- Tìm hiểu về ộng cơ khí nén
- Kiểm tra kết nối thực tế v lập trình kết nối từng module
- Tiến h nh thi công v lắp các module v o th nh khối ho n chỉnh
- Lập trình tính toán ể ƣa ra sản phẩm tối ƣu nhất
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã xác định đối tượng và phạm vi để hiểu rõ và nắm vững yêu cầu của đề tài Qua đó, nhóm đã đưa ra hướng đi hợp lý nhằm hoàn thành đề tài phù hợp với mục tiêu đã đề ra và theo kịp tiến độ yêu cầu.
- Đối tƣợng: vi iều khiển arduino uno r3, cảm biến m u sắc tcs3200, ộng cơ bước, các ộng cơ khí nén, cảm biến vật cản, m n hình hiển thị lcd 16x2
Nghiên cứu này tập trung vào ngôn ngữ lập trình trên vi điều khiển Arduino, bao gồm việc xuất nhập dữ liệu qua các cổng I/O của vi điều khiển Nó sử dụng cảm biến màu sắc để nhận dạng sản phẩm và các động cơ khí nén để đẩy sản phẩm tới vị trí hợp lý Bên cạnh đó, các cảm biến vật cản được áp dụng để đếm số lượng sản phẩm, trong khi màn hình LCD hiển thị số lượng sản phẩm sau khi đã phân loại.
Sản phẩm từ đề tài lắp đặt được sử dụng trong môi trường trong nhà hoặc dưới điều kiện ánh sáng vừa phải Tuy nhiên, tốc độ xử lý vẫn chưa đạt yêu cầu, không thể thực hiện phân loại nhiều sản phẩm cùng lúc Đặc biệt, dự án sử dụng máy bơm khí trong quá trình vận hành phát ra tiếng ồn lớn.
Hiện nay, có rất nhiều các ề t i nghiên cứu về phân loại sản phẩm cụ thể nhƣ:
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Trần Đức Sáng và Phạm Hữu Cao, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Quốc Định, thuộc trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.
Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng chiều cao
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Đinh Đức Anh, Bùi Tuấn Anh, Nguyễn Đức Thành và Nguyễn Đức Dương, dưới sự hướng dẫn của TS Trương Đức Phức, thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng khối lƣợng
Các tính toán thiết kế của các ề t i nhìn chung thì rất chuẩn xác có rất nhiều ƣu iểm nhƣng vẫn còn một sô nhƣợc iểm cụ thể nhƣ sau:
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao không thể phân loại các sản phẩm có cùng kích thước hoặc các sản phẩm khác nhau nhưng lại có chiều cao giống nhau.
- Đối với dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lƣợng các loại sản phẩm khác nhau nhƣng cùng khối lƣợng sẻ ƣợc phân loại chung
- Vẫn còn deley trong quá trình phân loại
- Thời gian ể sử lý một sản phẩm l tương ối lâu
- Không có khả năng xử lý phân loại ồng thời nhiều sản phẩm cùng một lúc.
Kết quả tổng quan
Hiện nay, có rất nhiều các ề t i nghiên cứu về phân loại sản phẩm cụ thể nhƣ:
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Trần Đức Sáng và Phạm Hữu Cao, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Quốc Định, thuộc trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.
Hình 1.1: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng chiều cao
Băng tải phân loại sản phẩm được thiết kế bởi sinh viên Đinh Đức Anh, Bùi Tuấn Anh, Nguyễn Đức Thành và Nguyễn Đức Dương dưới sự hướng dẫn của TS Trương Đức Phức tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm bằng khối lƣợng
Các tính toán thiết kế của các ề t i nhìn chung thì rất chuẩn xác có rất nhiều ƣu iểm nhƣng vẫn còn một sô nhƣợc iểm cụ thể nhƣ sau:
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao không thể phân loại các sản phẩm có cùng kích thước hoặc những sản phẩm khác nhau nhưng lại có chiều cao giống nhau.
- Đối với dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lƣợng các loại sản phẩm khác nhau nhƣng cùng khối lƣợng sẻ ƣợc phân loại chung
- Vẫn còn deley trong quá trình phân loại
- Thời gian ể sử lý một sản phẩm l tương ối lâu
- Không có khả năng xử lý phân loại ồng thời nhiều sản phẩm cùng một lúc.
Nghiên cứu ề tài
2.1 Vi điều khiển arduino uno r3
Arduino là một board mạch vi xử lý, được thiết kế để xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường xung quanh Phần cứng của Arduino bao gồm một board mạch nguồn mở, sử dụng vi xử lý AVR Atmel 8-bit hoặc ARM Atmel 32-bit Ngoài ra, nó còn đi kèm với một môi trường phát triển tích hợp (IDE) cho phép người dùng viết chương trình bằng ngôn ngữ C hoặc C++ trên các máy tính cá nhân thông thường.
Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 thuộc họ 8bit AVR, cho phép thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và tạo ra một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với hiển thị trên màn hình LCD Thiết bị này được lập trình bằng ngôn ngữ C và ASM.
PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
Cảm biến màu sắc tcs3200
Cảm biến TCS 3200 có khả năng nhận diện màu sắc bằng cách xuất ra ba tần số xung tương ứng với ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá và xanh dương Sau đó, thông qua các bước chuyển đổi nhất định, cảm biến này sẽ cung cấp thông tin về màu sắc được phát hiện.
2.2.3 Nguyên lí hoạt động của cảm biến tcs3200
- Cấu tạo cảm biến tcs3200 gồm 2 khối như hình vẻ phía dưới:
Hình 2.5: Sơ ồ khối của cảm biến m u tcs3200
Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm 64 photodiode, trong đó có 16 photodiode lọc màu xanh dương, 16 photodiode lọc màu đỏ, 16 photodiode lọc màu xanh lá và 16 photodiode trắng không cần lọc Tất cả các photodiode được kết nối song song và sắp xếp xen kẽ nhau để giảm thiểu nhiễu.
Bốn loại photodiode hoạt động như các bộ lọc ánh sáng với màu sắc riêng biệt, cho phép chỉ tiếp nhận ánh sáng có màu tương ứng và không nhận diện ánh sáng có màu sắc khác.
Hình 2.6: Sơ ồ lọc m u của cảm biến m u sắc
Việc lựa chọn 4 loại photodiode n y thông qua 2 chân ầu v o S2,S3:
Bảng 2.1: Bảng lựa chọn các photodiode
Khối thứ 2 l bộ chuyển ổi dòng iện từ ầu ra khối thứ nhất th nh tần số:
Bảng 2.2: Bảng chuyển dổi dòng iện
Tần số ầu ra có ộ rộng xung 50% v tỉ lệ với ánh sáng có cường ộ v m u sắc khác nhau
Tần số ầu ra nằm trong khoảng 2Hz-500Hz
Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số ầu ra ở các mức khác nhau nhƣ bảng trên cho phù hợp với phần cứng o tần số
- Nguyên lí hoạt ộng: Ánh sáng trắng l hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng m u sắc khác nhau
Khi ta chiếu ánh sáng trắng v o một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tƣợng hấp thụ v phản xạ ánh sáng
M u sắc bất kì ƣợc tổng hợp từ 3 m u cơ bản xanh lá, ỏ, xanh dương:
Hình 2.7: Sự phối mùa cơ bản của m u sắc
Dựa trên nguyên lý phản xạ và hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể cùng với sự phối hợp của ba màu cơ bản, TCS3200 được thiết kế với bốn bộ lọc photodiode gồm đỏ, xanh lá, xanh dương và trong suốt để nhận diện màu sắc của vật thể.
Hình bên dưới l bảng test quá trình chuyển ổi từ ánh sáng m 4 loại photodiode nhận ƣợc th nh tần số:
Bảng 2.3: Bảng kiểm tra quá trình chuyển ổi từ ánh sáng
Khi thử nghiệm ánh sáng với các bước sóng λp = 470nm (dải màu xanh), λp = 524nm (dải màu xanh lá), và λp = 640nm (dải màu đỏ), bốn bộ lọc photodiode sẽ tạo ra các tần số khác nhau Tần số ra lớn nhất đạt được khi ánh sáng chiếu vào cảm biến loại photodiode được chọn, vì lúc này photodiode sẽ hấp thụ ánh sáng hiệu quả nhất.
2.2.4 Lý do chọn cảm biến màu sắc tcs3200
- Đƣợc hỗ trợ kết nối v giao tiếp với arduino
- Có khả năng nhận diện m u sắc nhanh v chính xác
- Lập trình dễ với ngôn ngữ C/C++
- Đƣợc hỗ trợ ở nhiều diễn n v cộng ồng trên to n thế giới
Cảm biến vật cản e18
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách đến vật cản, mang lại phản hồi nhanh chóng và ít bị nhiễu nhờ vào việc sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại với tần số riêng biệt.
Cảm biến cho phép điều chỉnh khoảng cách báo theo mong muốn thông qua biến trở Đầu ra của cảm biến ở dạng cực thu hở, do đó cần kết nối thêm một trở treo lên nguồn ở chân tín hiệu khi sử dụng.
Hình 2.8: Cảm biến vật cản e18
- Nguồn iện cung cấp: 5VDC
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm
- Có thể iều chỉnh khoảng cách qua biến trở
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
Ngõ ra dạng NPN với cực thu hở cho phép tùy biến điện áp ngõ ra, tức là trở treo lên áp bao nhiêu sẽ tạo ra điện áp ngõ ra tương ứng.
- Chất liệu sản phẩm: nhựa
- Có led hiển thị ngõ ra m u ỏ
Cảm biến khoản cách e18 gồm 3 chân tương ứng với 3 dây:
- 1 dây m u xanh nối ất GND
- 1 dây nâu nối với nguồn 5V
Dây m u en l là dây tín hiệu kết nối với Arduino, trong trạng thái bình thường khi không có tín hiệu, E18 sẽ trả về mức 1 tương ứng với 5V Khi có tín hiệu hoặc phát hiện vật cản, E18 sẽ gửi về tín hiệu mức 0 tương ứng với 0V.
2.3.4 Lý do chọn cảm biến vật cản e18
- Lập trình dể d ng với ngôn ngữ C/C++
- Có hỗ trợ kết nối v giao tiếp với arduino
Cảm biến ánh sáng là một giải pháp tiết kiệm chi phí để nhận dạng vật, tuy nhiên, hiệu suất của nó có thể không ổn định trong điều kiện ánh sáng mạnh.
- Đƣợc hỗ trợ ở nhiều diễn n v cộng ồng trên to n thế giới
- Đƣợc hỗ trợ ở nhiều diễn n v cộng ồng trên to n thế giới
Module relay
Relay là một loại công tắc (khóa K) được kích hoạt bằng điện thay vì bằng tay Do đó, relay được sử dụng như một công tắc điện tử Relay có hai trạng thái: đóng và mở.
Trên thị trường hiện nay có hai loại module rơ-le: module rơ-le óng ở mức thấp, khi nối cực âm vào chân tín hiệu sẽ hoạt động, và module rơ-le óng ở mức cao, khi nối cực dương vào chân tín hiệu sẽ hoạt động.
Cấp nguồn cho Relay bằng cách sử dụng một bộ nguồn 5V hoặc lấy nguồn 5V trực tiếp từ Board Arduino Uno
Dựa v o thông số do nh sản xuất cung cấp, Relay có các mức hiệu iện thế tối a v cường ộ dòng iện tối a khi nối vào module Relay:
- 10A - 250VAC: Cường ộ dòng iện tối a qua các tiếp iểm của rơ-le với hiệu iện thế
