đề tài phân loại sản phẩm theo màu sắc kiến thức về lập trình làm việc của arduino uno r3, servo mg90s, cảm biến màu sắc TCS3200

Đối tượng và phạm nghiên cứu Trong phạm vi đồ án này, chúng em xin trình bày sơ lược về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của máy phân loại màu sử dụng arduino Uno R3, động cơ servo,

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Khoa học kĩ thuật luôn luôn phát triển trong tất cả các lĩnh vực, nhất là các ngành sản xuất Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là

ưu tiên hàng đầu Một trong những hệ thống đó là hệ thống phân loại sản phẩm

tự động Hệ thống này giúp cho sản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lại lợi ích kinh tế cao và hiệu quả Để phân loại sản phẩm có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên hiện nay phương pháp sử dụng màu sắc chưa được ứng dụng nhiều và hiệu quả Trước thực tiễn đó, chúng em

đã quyết định chọn đề tài “Phân loại sản phẩm theo màu sắc” để nghiên cứu và thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chúng em nghiên cứu đề tài này nhằm mục đích vận dụng những công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến vào trong quá trình sản xuất nhằm giảm thiểu sức lao động của con người và nâng cao năng suất trong sản xuất công nghiệp Mặt khác, thông qua việc thực hiện đề tài này chúng em có thể củng cố lại kiến thức và vận dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế, phát triển khả năng tư duy nhằm nâng cao năng lực bản thân để có thể đóng góp nhiều hơn cho nền công nghiệp nước nhà

3 Đối tượng và phạm nghiên cứu

Trong phạm vi đồ án này, chúng em xin trình bày sơ lược về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của máy phân loại màu sử dụng arduino Uno R3, động cơ servo, cảm biến màu sắc TCS3200

4 Các nhiệm vụ chính cần thực hiện

Nội dung nghiên cứu được tập trung vào các nội dung chính như sau:

● Khảo sát, tổng hợp các yêu cầu của đề tài: “máy phân loại màu”

● Tìm hiểu kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các linh kiện sử dụng như arduino Uno R3, servo mg90s, cảm biến màu sắc TCS3200

● Nghiên cứu thiết kế sản phẩm máy phân loại màu sắc từ các linh kiện, thiết bị đã tìm hiểu

● Xây dựng máy phân loại màu

5 kết quả dự kiến

Lý thuyết: Kiến thức về lập trình làm việc của arduino Uno R3, servo mg90s, cảm biến màu sắc TCS3200

Thực nghiệm: Thử nghiệm máy phân loại màu sắc thành công từ việc tìm hiểu,

nghiên cứu xây dựng hế thống

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Tình hình thực tiễn

- Tìm hiểu và kết nối được arduino Uno R3 với động cơ servo điều khiển động

cơ quay các góc như ý muốn

- Tìm hiểu cơ chế, nguyên lý hoạt động của cảm biến màu sắc TCS3200 và đã code để cảm biến nhận biết 3 màu cơ bản là xanh lá cây, đỏ, vàng

- Xây dựng gần hoàn chỉnh mô hình máy nhận diện màu sắc bằng fomex

1.2 Mô hình sản phẩm mong muốn

1.3 Giới thiệu phần cứng, công nghệ sử dụng trong hệ thống

1.3.1 Giới thiệu arduino Uno R3

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay nhiều ứng dụng khác Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328

Hình 1.1: Arduino Uno R3

Thông số kỹ thuật

Số chân Digital I/O 14 (với 6 chân là PWM)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Bộ nhớ flash 32 KB với 0.5KB dùng bởi bootloader

Chân cấp năng lượng

5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dùng để cấp nguồn cho các linh kiện điện tử kết nối với Arduino

3.3V: chức năng tương tự như cấp nguồn 5v nhưng đây là cấp điện áp 3.3V đầu ra

Ground: hay còn gọi là chân GND, là cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

Vin (Voltage Input): tương tự như chân 5V, nhưng thêm chức năng cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO thay vì cắm USB, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

Các cổng vào/ra (I/O)

Arduino cung cấp nhiều các chân I/O ( hay còn gọi là Pin ) để ta giao tiếp hay gửi lệnh điều khiển các thiết bị, dưới đây là sẽ nói về các chân sử dụng nhiều nhất và phân chúng làm các loại như sau:

Các chân Digital

Phiên bản Arduino UNO R3 được sở hữu 14 chân digital từ 0 đến 13 dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp có thể điều khiển là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ngoài ra một số chân digital có chức năng đặc biệt là chân PWM

Chân PWM: là các chân có dấu '~' đằng trước, các chân này cho phép bạn xuất

ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 đến 255) tương ứng với mức giao động điện áp của chân từ 0V đến 5V, khác với các chân không phải PWM, chỉ có thể chọn giá trị 0V hoặc 5V

Các chân Analog

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 đến A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10 bit (0 đến 1023) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V đến 5V

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Chân TXD và RXD

Đây là các chân Serial dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receiver – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp dữ liệu với các thiết bị cần sử dụng thông qua 2 chân này, ngoài ra có thể sử dụng 2 chân này để nạp code cho mạch mà không cần thông qua USB của mạch

1.3.2 Giới thiệu module cảm biến màu sắc TCS3200

Module cảm biến màu TCS3200 là một module cảm biến phát hiện đầy đủ màu sắc, bao gồm cả cảm biến TCS3200 với khả năng nhận biết 3 màu cơ bản RGB và 4 led màu trắng Các TCS3200 có thể phát hiện và đo lường gần như tất cả màu sắc có thể nhìn thấy Các bộ lọc màu bên trong TCS3200 được phân bố đều khắp các mảng

để loại bỏ sai lệch vị trí giữa các điểm màu Bên trong là một bộ dao động tạo ra sóng vuông ở ngõ ra tỉ lệ với cường độ màu sắc

Hình 1.2: Module cảm biến màu sắc TCS3200

Sơ đồ chân

Hình 1.3: Sơ đồ chân cảm biến màu sắc TCS3200

S1, S0 (1, 2) Ngõ vào chọn tỉ lệ tần số ngõ ra

OUT (tích cực mức thấp)

độ và màu sắc

Thông số kỹ thuật

● 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

● Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển

● Điện áp 2.7 – 5.5V

● Kích thước: 28.4 x 28.4mm

● Tần số ngõ ra có độ rộng xung 50%

● Tần số tỉ lệ với ánh sáng có cường độ và màu sắc khác nhau

● Tần số ngõ ra nằm trong khoảng 2 Hz- 500KHz

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến màu TCS3200 gồm 2 khối như hình vẽ phía dưới:

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Khối đầu tiên là mảng ma trận 8×8 gồm các photodiode Photodiode đơn giản là một linh kiện bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện

● 16 photodiode có thể lọc màu đỏ (red)

● 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (green)

● 16 photodiode có thể lọc màu xanh dương (blue)

● 16 photodiode trắng không lọc (clear)

Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có màu sắc khác nhau Khi lựa chọn một bộ lọc màu nào nó sẽ cho phép chỉ nhận biết 1 màu và các màu khác sẽ bị chặn Ví dụ, khi lựa chọn bộ lọc màu xanh lá (green) thì chỉ có ánh sáng tới màu xanh lá mới có thể được thông qua, màu đỏ và màu xanh dương sẽ bị chặn lại như hình minh họa bên dưới Vì vậy, chúng ta có thể nhận được cường độ ánh sáng màu xanh lá Tương tự như vậy, khi lựa chọn các bộ lọc màu khác thì chúng ta

có thể nhận được ánh sáng màu đỏ (red) hoặc màu xanh dương (blue)

Hình 1.5: Nguyên lý nhận diện màu sắc của cảm biến TCS3200

Tại một thời điểm chỉ có 1 bộ lọc màu được chọn Việc chọn bộ lọc màu được thực hiện thông qua 2 chân S2 và S3 như bảng dưới đây

Khối thứ hai trong cảm biến màu TCS3200 là bộ chuyển đổi dòng điện sang tần số Các giá trị đọc từ photodiode được chuyển đổi thành sóng vuông có tần số tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt của vật thể Cuối cùng, chúng ta dùng vi điều khiển đề đọc sóng vuông ngõ ra và lấy kết quả màu sắc

Các chân S0 và S1 được sử dụng để điều chỉnh tần số đầu ra Nó có thể được chia tỷ lệ thành các giá trị đặt trước sau: 2%, 20% hoặc 100% Các bộ vi điều khiển khác nhau có cấu hình cho bộ định thời khác nhau Chức năng chia tỷ lệ tần số về cơ bản cho phép ngõ ra của cảm biến được tối ưu hóa cho các bộ vi điều khiển khác nhau

S0 S1 Tỷ lệ tần số ngõ ra

Tần số ngõ ra của module cảm biến màu TCS3200 trong khoảng 2 Hz ~ 500 kHz Tần

số ngõ ra có dạng xung vuông với tần số khác nhau tương ứng với màu sắc và cường

độ sáng là khác nhau

Chúng ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số ngõ ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số

Ví dụ :

● Khi S0 = L, S1 = L thì fout = 0

● Khi S0 = L, S1 = H thì fout = 10Khz

● Khi S0 = H, S1 = L thì fout = 100Khz

● Khi S0 = H, S1 = H thì fout = 500Khz

1.3.3 Giới thiệu động cơ servo MG90S

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lực bá đạo (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn,

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này

Hình 1.6: Động cơ servo MG90S

Thông số kỹ thuật

Operating Speed 0.1sec/60degree(4.8v),

0.08sec/60degree(6v)

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Phân tích chức năng hệ thống

2.1.1 Chức năng nhận diện được màu sắc của vật thể

Chức năng nhận diện màu sắc vật thể nhận thông tin input từ module cảm biến màu sắc TCS3200 truyền dữ liệu đến arduino Uno R3 để xử lý output sẽ cho ra các giá trị tương đương với màu sắc khác nhau để gửi đến servo xử lý tiếp

2.1.2 Chức năng phân loại vật thể theo màu sắc theo module cảm biến màu sắc

Chức năng này do động cơ servo MG90S đảm nhận Nhận input từ arduino Uno R3 sau khi xử lý thông tin do module cảm biến màu sắc TCS3200 gửi đến Từ các giá trị khác nhau của module cảm biến màu sắc gửi đến chúng ta lập trình cho arduino Uno R3 điều khiển động cơ servo di chuyển vật phẩm đến đúng vị trí cần phân loại

2.2 Thiết kế hệ thống

2.2.1 Sơ đồ khối

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

2.2.2 Sơ đồ kết nối mạch

Hình 2.2: Sơ đồ kết nối mạch

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC