phân loại sản phẩm theo màu sắc dùng vi điều khiển

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bài tiểu luận đề tài “Thiết kế và mô phỏng hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc” là bài viết của tôi, không sao chép, không thuê mướn người khác thực hiện Tất cả những sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài báo cáo đều được trích dẫn đầy đủ, ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố Tôi xin cam đoan hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của các nội dung trong đề tài của mình Ngày tháng năm SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Lời.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bài tiểu luận đề tài : “Thiết kế và mô phỏng hệ thống phânloại sản phẩm bằng màu sắc” là bài viết của tôi, không sao chép, không thuê mướnngười khác thực hiện

Tất cả những sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài báo cáo đềuđược trích dẫn đầy đủ, ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố

Tôi xin cam đoan hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính trung thực của các nộidung trong đề tài của mình

Ngày tháng năm

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Trường Đại HọcSài Gòn nói chung, các thầy cô trong khoa Điện Tử – Viễn Thông nói riêng đã dạy dỗcho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em cóđược cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình họctập

Em cũng xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến ThS Trương Tấn người đã tậntình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm tiểu luận

Ngày tháng năm

SINH VIÊN THỰC HIỆN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM THI

.

Ngày tháng năm

GIẢNG VIÊN CHẤM THI

(Ký và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM THI iiii

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3

DANH MỤC BẢNG 4

TÓM TẮT 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Mục tiêu 6

1.3 Nội dung nghiên cứu 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Tổng quan về hệ thống phân loại bằng màu sắc 8

2.2 Giới thiệu chung về Arduino 9

2.2.1 Giới thiệu chung về Arduino 9

2.2.2 Giới thiệu chung về Arduino Mega 2560 9

2.3 Giới thiệu về cảm biến màu sắc TSC3200 11

2.3.1 Tổng quan 11

2.3.2 Đặc điểm 12

2.3.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến mầu của linh kiện điện tử TCS3200 13

2.3.4 Giao tiếp với Arduino 14

2.4 Giới thiệu về cảm biến phát hiện vật 15

2.4.1 Tổng quan 15

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 15

2.5.4 LCD 16x2 17

2.5.5 Mạch giảm áp LM2596 18

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 19

3.1 Mô hình hệ thống 19

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống 19

3.1.2 Chức năng từng phần 19

3.2 Thi công hệ thống 19

3.2.1 Thiết kế hệ thống 19

3.2.2 Lắp đặt và kiểm tra 21

3.3 Lập trình hệ thống 22

3.3.1 Lưu đồ giải thuật 22

3.3.2 Phần mềm lập trình cho Aruino Mega 2560 23

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 30

4.1 Kết luận 30

4.2 Hướng phát triển 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Dây chuyền phân loại cà chua 8

Hình 2.2: Arduino Mega 2560 9

Hình 2.3: Sơ đồ chân kết nối của Arduino Mega 2560 10

Hình 2.4: Cảm biến màu sắc TSC 3200 12

Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến TCS 3200 13

Hình 2.6: Cảm biến phát hiện vật 15

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo cảm biến phát hiện vật 15

Hình 2.8:Led đơn 16

Hình 2.9: Động cơ Servo 16

Hình 2.10: Nguồn tổ ong 12V 17

Hình 2.11: LCD 16x2 17

Hình 2.12: Mạch giảm áp LM2596 18

Hình 3.1: Sơ đồ các khối chức năng 19

Hình 3.2: Sơ đồ đầu nối linh kiện với Arduino Mega 2560 20

Hình 3.3: Mặt trên của hệ thống 21

Hình 3.4: Mặt bên của hệ thống 22

Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật 23

Hình 3.6: Logo phần mềm lập trình Arduino IDE 23

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật Arduino Mega 2560 11

Bảng 2.2 Bảng sơ đồ chân TCS 3200 12

Bảng 2.3: Bảng lựa chọn 4 loại photodiode 13

Bảng 2.4: Bảng chọn mở rộng tần số đầu ra 14

Bảng 2.5: Cách kết nối Arduino với TCS3200 14

Bảng 2.6: Kết nối cảm biến phát hiện vật với Arduino 16

Bảng 3.1: Danh sách các linh kiện 22

TÓM TẮT

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuậtđiện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnhvực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phảinắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sựphát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuậtđiều khiển tự động nói riêng

Sau khi tìm hiểu, nghiên cứu về các đề tài và công trình trước đây, nhóm quyết

định chọn đề tài: “THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG MÀU SẮC”.

Với đề tài này, em hy vọng sẽ làm cơ sở nghiên cứu cho các nhóm sau có thể

mở rộng, phát triển nữa Nếu được điều chỉnh tốt, ý tưởng này kết hợp với hệ thốngđóng gói… sẽ tạo ra một hệ thống phân loại sản phẩm khép kín tối ưu hơn hiện tại

Và nhiều hệ thống chỉ thực hiện phân loại mà chưa thực hiện giám sát, quản lýviệc phân loại Vì vậy chúng ta cần xây dựng việc giám sát quá trình phân loại cho hệthống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuậtđiện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnhvực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa… Do đó chúng ta cần phảinắm bắt và vận dụng điều khiển tự động một cách hiệu quả nhằm đóng góp vào sựphát triển khoa học kỹ thuật của thế giới nói chung và trong sự phát triển của kỹ thuậtđiều khiển tự động nói riêng

Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là sốlượng sản phẩm sản xuất ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống kiểmtra và phân loại sản phẩm Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc

tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì màvẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng suất thấp chưa đạt hiệuquả Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà

em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thờivẫn đảm bảo được độ chính xác cao về màu sắc cũng như chất lượng của sản phẩm.Nên chúng em đã quyết định thiết kế và thi công một mô hình sử dụng băng chuyền đểphân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩmđược sản xuất ra đòi hỏi phải có màu sắc chính xác và nó thật sự rất có ý nghĩa đối vớichúng em, góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn, để xứng tầm với

sự phát triển của thế giới

1.2 Mục tiêu

Với đề tài này mục tiêu mà nhóm đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn vềArduino Mega 2560 và các ứng dụng trong thực tế Từ đó thiết kế và thi công mô hìnhphân loại sản phẩm theo màu sắc Bên cạnh đó là điều khiển và giám sát hoạt động của

mô hình

1.3. Nội dung nghiên cứu

NỘI DUNG 1: Nghiên cứu tài liệu cảm biến màu sắc TCS3200, boardArduino Mega 2560, cảm biến vật cản hồng ngoại

NỘI DUNG 2: Dựa trên các dữ liệu thu thập được tiến hành lựa chọn giải

pháp thiết kế và thi công mô hình Kết nối các thiết bị ngoại vi với Arduino

NỘI DUNG 3: Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển choArduino

NỘI DUNG 4: Thử nghiệm và điều chỉnh phần mềm, phần cứng để mô hìnhđược tối ưu, sử dụng dễ dàng Đánh giá các thông số của mô hình so với thông số thực

tế, hiệu suất hoạt động của hệ thống so với tính toán

NỘI DUNG 5: Viết báo cáo thực hiện

NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4. Phạm vi nghiên cứu

Mô hình phân loại quy mô nhỏ

Phân loại theo 3 màu: Xanh, Trắng và Đỏ

Tốc độ phân loại chậm

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự độngnhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng góihay loại bỏ sản phẩm hỏng

Cũng như bất kỳ nguyên tắc phân loại khác, việc phân loại theo màu sắckhông giúp ta chọn lọc được các sản phẩm đồng đều, đẹp mắt nhưng với với độ chínhxác cao của cảm biến sẽ giúp tăng hiệu suất phân loại các sản phẩm có màu sắc khácnhau hay các sản phẩm lỗi không đạt chất lượng về độ đồng đều màu

Hình 2.1: Dây chuyền phân loại cà chua

2.2 Giới thiệu chung về Arduino

2.2.1 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thực ra là một bo mạch vi xử lí được dùng để tương tác với cácthiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hay các thiết bị khác Đặc điểm nổi bậtcủa Arduino là môi trường phát triển ứng dựng cực kì dễ sử dụng Với ngôn ngữ lậptrình có thể học nhanh chóng ngay cả khi người học ít hiểu biết về điện tử và lập trình Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tương tác vớimôi trường xung quanh với:

Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc,vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động,phát hiện kim loại, khí độc, …)

Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED)

Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị kháchoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz,2.4Ghz,…) Định vị GPS, nhắn tin SMS, và nhiều thứ thú vị khác

2.2.2 Giới thiệu chung về Arduino Mega 2560

Hình 2.2: Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560 là một bảng vi điều khiển dựa trên ATmega2560 (biểu

dữ liệu) Nó có 54 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 14 chân có thể được sửdụng làm đầu ra PWM), 16 đầu vào tương tự, 4 UART (cổng nối tiếp phần cứng)

Sơ đồ kết nối chân của Arduino Mega 2560:

Hình 2.3: Sơ đồ chân kết nối của Arduino Mega 2560

Điện áp hoạt động 5V

Cảm biến TCS3200 có bộ lọc màu, nó chỉ cho phép nhận biết một màu vàcác màu khác sẽ bị chặn lại Ví dụ khi lựa chọn các bộ lọc màu đỏ thì chỉ có ánh sángtới là màu đỏ mới có thể được thông qua, màu xanh và màu xanh lá cây sẽ được ngănchặn, nên chúng ta nhận được ánh sáng đỏ và tương tự các màu khác cũng vậy

Cảm biến khi có ánh sáng và chuyển đổi nó thành tần số nhất định sau đótần số này được đưa vào một bộ chuyển đổi tần số Tần số được tạo ra, tương ứng với

Hình 2.4: Cảm biến màu sắc TSC 3200 2.3.2 Đặc điểm

Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao

Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra

Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển

Điện áp đầu vào 2.7-5.5V

Cấu tạo cảm biến TCS3200 gồm 2 khối như hình vẽ phía dưới:

Hình 2.5: Cấu tạo cảm biến TCS 3200

Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode Bao gồm 16photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue), 16 photodiode có thể lọc màu đỏ(Red), 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (Green) và 16 photodiode trắng không lọc Tất cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau và được đặt xen kẽnhau nhằm mục đích chống nhiễu

Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có màu sắckhác nhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có cùng màu với loại photodiodetương ứng và không tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác

Việc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2, S3:

Low Low Màu đỏ

Khối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số:

Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trêncho phù hợp với phần cứng đo tần số

2.3.4 Giao tiếp với Arduino

Kết nối cơ bản giữa module TCS3200 và Arduino như bảng bên dưới:

Hình 2.6: Cảm biến

phát hiện vật 2.4.2 Nguyên lý hoạt động

Khi có một đối tượng đủ gần, phát hiện điện từ IR do bộ thu IR nhận đượccao hơn mức ngưỡng (mức người dùng cài đặt trước), cảm biến sẽ thay đổi chế độchuyển đổi đầu ra để bo mạch vi xử lý như Arduino có thể thực thi những gì sẽ làmtiếp theo Cảm biến hồng ngoại chỉ có 1 tín hiệu đầu ra chính là đầu ra kỹ thuật

số Đầu ra kỹ thuật số hoặc ở mức cao (5V hoặc 3,3V phụ thuộc vào điện áp đầu vào)hoặc thấp (0V), do đó mô-đun này không thể được sử dụng như một phép đo khoảngcách mà chỉ như một công tắc kích hoạt

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo cảm biến phát hiện vật 2.4.3 Giao tiếp với Arduino

Kết nối cảm biến phát hiện vật với Arduino như bảng bên dưới:

Bảng 2.6: Kết nối cảm biến phát hiện vật với Arduino 2.5 Một số thiết bị khác

Hình 2.10: Nguồn tổ ong 12V

Nguồn tổ ong 12V 5A còn được gọi là bộ nguồn một chiều hay nguồn DC

12 Volt được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220VAC thànhnguồn một chiều 12VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động

2.5.4 LCD 16x2

Hình 2.11: LCD 16x2

Màn hình LCD 16x2 LCD 1602 kèm module I2C sử dụng driver HD44780,

có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổbiến

+ Trọng lượng 38g

2.5.5 Mạch giảm áp LM2596

Hình 2.12: Mạch giảm áp LM2596

Mạch giảm áp LM2596 nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V

mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấpcho các thiết bị như camera, motor, robot, …

Thông số kĩ thuật:

+ Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V

+ Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V

+ Dòng đáp ứng tối đa là 3A

+ Hiệu suất: 92%

+ Công suất: 15W

+ Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

3.1 Mô hình hệ thống

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống

Hệ thống phân loại sẽ thực hiện nhận biết màu sắc của sản phầm ở đầu vàosau đó truyền tín hiệu màu đã qua xử lý đến khối xử lý để thực hiện tác vụ phân loại.Trong suốt quá trình phân loại thì số lượng sản phẩm sẽ được thể hiện trên LCD

Sơ đồ các khối chức năng:

Hình 3.1: Sơ đồ các khối chức năng

hiệu màu tương ứng về để xử lý, lúc này số lượng màu tương ứng cũng sẽ được cậpnhật lên màn hình, có thể điều khiển cần gạt thông qua nút nhấn (nhấn giữ để kích hoạtcần gạt, nhả tay ra thì cần gạt sẽ quay về vị trí cũ).

Chức năng reset toàn bộ số lượng sản phẩm đếm đang có về 0 và hiển thịlên màn hình LCD

Sơ đồ đấu nối linh kiện với Arduino Mega 2560

Hình 3.2: Sơ đồ đầu nối linh kiện với Arduino Mega 2560 Danh sách các linh kiện theo mẫu như được mô tả trong bảng 1.7:

giữ ; 4 nút nhấn thường

Hình 3.4: Mặt bên của hệ thống 3.3 Lập trình hệ thống

3.3.1 Lưu đồ giải thuật

Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật 3.3.2 Phần mềm lập trình cho Aruino Mega 2560

Hình 3.6: Logo phần mềm lập trình Arduino ID Bước 1: Mở phần mềm, giao diện như hình dưới

Ý nghĩa của các thanh công cụ:

+ File: Tại mục này chúng ta có thể các thao tác như tạo 1 project mới, mở

1 project, mở các example, lưu project, in file

+ Edit: Tại mục này chúng ta có thể thực hiện thao tác chỉnh sửa, tìm kiếm

+ Sketch: Thao tác chủ yếu tại mục này là cài đặt, thêm (include) các thư viện cần thiết cho chương trình, và có thể include thêm các file

+ Tool: Thao tác chủ yếu tại mục này là việc lựa chọn các board, cổng port phù hợp với chương trình chúng ta sẽ chạy

+ Help: Thao tác hỗ trợ tìm kiếm liên quan đến Arduino