Huong Dan Viet DATN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH CƠ ĐIỆN TỬ VÀ Ô TÔ BÁO CÁO KẾT THÚC HỌC PHẦN KỸ THUẬT ROBOT Sinh viên thực hiện Phạm Văn Tiến Nguyễn Ho[.]
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
Giảng viên hướng dẫn: ThS Huỳnh Minh Phú
Trang 2LỜI MỞ ĐẦU
Đặc biệt trong lĩnh Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật.vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh
đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối
ưu hóa công việc Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển của khoa học kỹthuật nói riêng.Trong nhiều lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi điều khiển được quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vi điều khiển AVR Một trong số những biến thể phổ biến của AVR là Arduino.Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khảnăng của nhiều loại Arduino là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện, tinh gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dòng sản phẩm phù hợp nhiều quy mô ứng dụng của nó.Một ý tưởng khác được quan tâm đông đảo trên các diễn đàn học tập ngành điện tử và tự động hóa, nhưng chưa cómột tài liệu chính thống phổ biến hướng dẫn hay cung cấp thông tin về nó, cũng như chưa được giảng dạy ở nhiều trung tâm đó là ứng dụng Arduino trong sản xuất.Trước thực tiễn ấy, chúng em đã quyết định chọn đề tài này nhằm tìm hiểu
về vấn đề phân loại sản phẩm bằng màu sắc qua ứng dụng của Arduino.Sau đây
em xin tìm hiểu về Arduino cũng như thiết kế một ứng dụng thực tế là Thiết kế
hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc sử dụng Arduino Đây là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng
ghép nối chúng thành một hệ truyền động tự động là vô cùng quan trọng để tính toán
sử dụng động cơ Sau một thời gian làm việc nghiên cứu,tham khảo chúng em đã hoàn thành đề tài “Tìm hiểu về Hệ TĐĐ servo” Bài làm còn dựa trên nhiều lý thuyết,vì vậy
chúng em đang hoàn thiện và cố gắng thực hiện trong thực tế
Trang 4Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU 1
LỜI CẢM ƠN 2
A:MỞ ĐẦU 5
1 Lý do chọn đề tài 5
2 Mục tiêu và nhiệm vụ nguyên cứu Mục tiêu : 5
3 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu Đối tượng : 5
4 Phương pháp nguyên cứu 5
5 Kết quả : 5
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6
B: Nội dung 6
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
1 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 6
1.1 Lịch sử phát triển 7
1.2 Một số loại chip AVR 7
1.3 Sự phát triển 7
1.4 Các ứng dụng: 8
2 ĐỘNG CƠ SERVO 8
2.1 Giới thiệu động cơ servo 8
2.2 Thông số kỹ thuật: 9
2.3 Phân loại động cơ Servo 9
2.3.1 Động cơ Servo AC hay DC 10
2.3.2 Động cơ Servo có chổi than hay không chổi than 10
2.3.3 Động cơ Servo đồng bộ hay không đồng bộ 10
2.4 Nguyên lý hoạt động 10
CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 12
1 Nguyên lý hoạt động Dùng module cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biến màu và phân loại sản phẩm 12
2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 14
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 15
1 Xây dựng Bộ phân loại màu Arduino 15
2 Mã nguồn phân loại màu Arduino 17
CHƯƠNG IV:THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM 20
Trang 51.Thi công trên thực tế 20
1.1 Vật liệu của mô hình 20
1.2 Bảng vẽ của mô hình 21
1.3.Tiến hành thi công mô hình 22
+Bước 1:Xây dựng khung đỡ cho toàn bộ hệ thống: 23
+Bước 2:Tiến hành thi công các tấm đỡ cho các tầng của mô hình 24
+Bước 3:Thi công các chi tiết còn lại của mô hình 26
2.Thực nghiệm khi tiến hành thi công 28
C:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29
Tài liệu tham khảo 30
Trang 6A:MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển, các hệ thống thông minh và tự động hoá sử dụng phổ biến ở khắp mọi nơi và trong mọi lĩnh vực bởi vì sự tiện lợi, chuẩn xác, giúp tiết kiệm thời gian và công sức Nhưng hiện tại, ở nước ta hệ thống tự động hoá chỉ được sử dụng ở các xí nghiệp lớn và các xí nghiệp liên doanh nước ngoài, còn các ngành sản xuất đa số chỉ dừng ở mức độ thủ công, vì vậy làm chậm quá trình sản xuất đồng thời làm giảm năng suất Từ đó em đề suất ra ý tưởng xây dựng hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc sử dụng vi điều khiển Arduino
2 Mục tiêu và nhiệm vụ nguyên cứu Mục tiêu :
Tìm hiểu và xây dựng được mô hình hệ thống phân loại hàng hoá bằng màu sắc
sử dụng arduino Nhiệm vụ nguyên cứu :
- Chuẩn bị các tài liệu và thiết bị liên quan
- Lập trình vi điều khiển Arduino dựa vào ý tưởng để xuất
- Hoàn thành đồ án dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn
3 Đối tượng và phạm vi nguyên cứu Đối tượng :
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU :Cảm biến màu sắc TCS2300, vi điều khiểnArduino nano, động cơ servo
4 Phương pháp nguyên cứu
tài Cụ thể như sau:
+ Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài
+ Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử truyền thông
+ Tìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời sống xã hội
+ Sử dụng phần mềm chuyên dụng (arduino IDE) để thực hiện viết code và nạp code
+ Tìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan
+ Sử dụng các phần mềm vẽ mô phỏng và lập trình
5 Kết quả :
Trang 7Mô hình hoạt động ổn định và hiệu quả Có thêm các kiến thức chuyên ngành và thực tiễn .
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Mô hình nếu được ứng dụng thực tế thì sẽ giảm tải nguồn nhân công, tăng năng suất lao động và có tính chính xác cao
B: Nội dung CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO
Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng
vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật
số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (opensource) Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:
- Chạy trên đa nền tảng
- Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu
Trang 81.1 Lịch sử phát triển
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trạiInteraction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản)
có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trongnhững người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bảnthân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014 Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở Trường này 6 cuối cùng bị đóng cửa,
vì vậy các nhà nghiên cứu một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý
6 Vi điều khiển AVR
1.2 Một số loại chip AVR
Vi điều khiển AVR
Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996),
nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) đồng thời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash
để lưu trữ chương trình Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã trở thành nhà tiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ 7 Flash (không biếnđổi, có thể xóa bằng điện và lập trình lại bộ nhớ, Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩm như Camera số, board chủ PC…
Trang 9Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết
kế phần cứng tham khảo của Arduino được phân phối dưới dạngCreative CommonsAttribution Share-Alike 2.5 license và có sẵn trênwebsite của Arduino Một vài phiên bản phần cứng của Arduino cònđưa lên cả file Layout và thành phẩm Mã nguồn cho IDE này cũng8
khả dụng và được xuất bản dưới dạng GNU General Public License,version
1.4. Các ứng dụng:
Các thiết bị khoa học
Arduinome: một thiết bị điều khiển MIDI bắt chước Monome
OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn
đoán on-board được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đạiThiết bị đọc sách cho con người: thiết bị điện tử giá rẻ với đầu
ra TV có thể chứa một thư viện năm ngàn cuốn sách (ví dụ như cácbiên soạn offline Wikipedia) trên một thẻ nhớ microSD
Ardupilot: software / hardware máy bay không người lái
ArduinoPhone
2 ĐỘNG CƠ SERVO.
2.1 Giới thiệu động cơ servo
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 chỉquay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong
Trang 10Cấu tạo cơ bản của một độ cơ (motor) servo
1 Motor
2 Electronics Board
3 Positive Power Wire (Red)
4 Signal Wire (Yellow or White)
5 Negative or Ground Wire (Black)
6 Potentiometer
7 Output Shaft/Gear
8 Servo Attachment Horn/Wheel/Arm
9 Servo Case
10.Integrated Control Chip
Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển
Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối vớivôn kế Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo Khivôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ.Mặc dù ta có thể chỉnh quay liên tục nhưng công dụng chính củađộng cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng giới hạn
2.2 Thông số kỹ thuật:
2.3 Phân loại động cơ Servo
Trang 11Động cơ Servo được phân thành các loại khác nhau dựa trên ứng dụng củachúng, chẳng hạn như động cơ Servo AC và động cơ Servo DC.
Có ba lưu ý chính để lựa chọn động cơ Servo Đầu tiên dựa trên dòng điện/điện
áp sử dụng của chúng là AC hoặc DC, và thứ hai là loại động cơ có sử dụng chổithan hay không và lưu ý thứ ba thường là trường quay động cơ, rôto, chuyểnđộng quay là đồng bộ hay không đồng bộ
2.3.1 Động cơ Servo AC hay DC
Xét theo hiệu suất, sự khác biệt cơ bản giữa động cơ AC và DC là ở khả năngkiểm soát tốc độ
Với động cơ điện một chiều, tốc độ tỷ lệ thuận với điện áp cung cấp với tảikhông đổi
Và trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xác định bởi tần số của điện áp đặtvào và số cực từ
Động cơ Servo AC sẽ chịu được dòng điện cao hơn và được sử dụng phổ biếnhơn trong các ứng dụng Servo như: với rô bốt, trong dây chuyền sản xuất và cácứng dụng công nghiệp khác đòi hỏi số lần lặp lại cao và độ chính xác cao
2.3.2 Động cơ Servo có chổi than hay không chổi than
Động cơ Servo DC được chuyển mạch cơ học với chổi than, sử dụng cổ góphoặc điện tử không có chổi than
Động cơ có chổi than thường ít tốn kém hơn và vận hành đơn giản hơn, trongkhi thiết kế không chổi than đáng tin cậy hơn, hiệu suất cao hơn và ít ồn hơn
Trang 12Cổ góp là một công tắc điện quay theo chu kỳ đảo chiều dòng điện giữa rôto vàmạch truyền động.
Nó bao gồm một hình trụ kim loại được cấu tạo bởi nhiều đoạn tiếp xúc trênrôto Hai hoặc nhiều tiếp điểm điện được gọi là “chổi than” được làm bằng vậtliệu dẫn điện mềm như carbon ép vào cổ góp, tạo ra một tiếp điểm trượt với cácđoạn của cổ góp khi nó quay
Trong khi phần lớn động cơ được sử dụng trong Servo là động cơ AC thiết kếkhông chổi than; động cơ nam châm vĩnh cửu có chổi than đôi khi được sử dụnglàm động cơ Servo vì tính đơn giản và chi phí thấp
Loại động cơ DC có chổi than phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụngServo là động cơ DC nam châm vĩnh cửu
Động cơ DC không chổi than thay thế chổi than vật lý và cổ góp bằng một linhkiện điện tử để đạt được sự chuyển mạch, thường thông qua việc sử dụng cảmbiến Hall hoặc encoder
Động cơ xoay chiều thường không có chổi than, ngoài ra có một số thiết kế –chẳng hạn như động cơ phổ thông, có thể chạy bằng nguồn AC hoặc DC, cóchổi than và có thể chuyển mạch cơ học
2.3.3 Động cơ Servo đồng bộ hay không đồng bộ
Trong khi động cơ DC thường được phân loại là có chổi than hoặc không chổithan, động cơ AC thường được phân biệt bằng tốc độ quay của trường đồng bộhoặc không đồng bộ của chúng
Ở đầu bài viết mình có chia sẻ rằng trong động cơ xoay chiều, tốc độ được xácđịnh bởi tần số của điện áp nguồn và số lượng cực từ
Tốc độ này được gọi là tốc độ đồng bộ Do đó, trong động cơ đồng bộ, rôto quaycùng tốc độ với từ trường quay của stato
Tuy nhiên, trong động cơ không đồng bộ, thường được gọi là động cơ cảm ứng,rôto quay với tốc độ chậm hơn từ trường quay của stato
Tuy nhiên, tốc độ của động cơ không đồng bộ có thể thay đổi bằng cách sử dụngmột số phương pháp điều khiển như thay đổi số cực và thay đổi tần số
2.4 Nguyên lý hoạt động.
Trang 13Xung PPM (Pulse Position Modulation) được sử dụng để điều17
khiển servo
Tần số thông thường có giá trị trong khoảng 50Hz (20 mili
giây)
Thời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms.
Hình 2.10 Thời gian xung ở mức c o quy định góc quay của RC
servo
Với thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0, 1.5ms
góc quay 90 và 2ms góc quay là 180 Các góc khác từ 0-180 đượcxác định trong khoảng thời gian 1 2ms
Trang 14CHƯƠNG II NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
1. Nguyên lý hoạt động Dùng module cảm biến màu sắc TCS3200
để nhận biến màu và phân loại sản phẩm
Cảm biến màu sắc TCS3200:
Cảm biến màu TCS3200 tích hợp dãy bộ dò ánh sáng quang
bên trong, với mỗi cảm biến ứng với các màu đỏ, xanh lá, xanh
dương Các bộ lọc của mỗi màu được phân bố đều khắp cảm biến để
loại bỏ sai lệch vị trí giữa các màu sắc Bên trong cảm biến có bộ dao
động tạo ra sóng vuông có tần số là tỷ lệ thuận với cường độ của màu
sắc được chọn
Tần số đầu ra của linh kiện điện tử TCS3200 trong khoảng
2HZ~500KHZ Tần số đầu ra có dạng xung vuông với tần số khác
nhau khi mà màu sắc khác nhau và cường độ sáng là khác nhau
Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như
bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số
Nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử TCS 3200
Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng
màu sắc khác nhau
Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt
vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng
Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật
thể và sự phối trộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue,Green,Red thì
TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue,Green,Red và clear
để nhận biết màu sắc cụ thể
Trang 15Mạch sơ đồ nguyên lý module cảm biến màu sắc
Sơ Đồ Khối:
Trang 162 Nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Tất cả những gì chúng ta cần cho dự án Arduino này là một cảm biến màu
(TCS3200) và hai động cơ servo theo sở thích, điều này làm cho dự án này khá đơn giản nhưng rất thú vị khi xây dựng nó Ngay từ đầu, bằng cách sử dụng phần mềm mô hình 3D Solidworks, tôi đã thiết kế bộ phân loại màu và đây là nguyên lý hoạt động của nó:
Ban đầu, các hạt nhỏ màu được giữ trong bộ sạc sẽ rơi vào bệ gắn trên động cơ servo trên cùng
Sau đó, động cơ servo quay và đưa tiểu phẩm đến cảm biến màu để phát hiện màu của nó
Sau đó, mô tơ servo phía dưới quay đến vị trí cụ thể và sau đó mô
tơ servo trên cùng quay lại cho đến khi quả trượt rơi vào thanh dẫn hướng