Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoTĐồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá và hạn sử dụng của sản phẩm rau củ quả có kết nối IoT
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
- Mục tiêu của nhóm khi thực hiện đồ án như sau:
+ Cân đúng giá trị sản phẩm trên băng tải khi hoạt động
+ In, dán nhãn lên sản phẩm với giá và hạn sử dụng của chúng
+ Điều khiển giảm sát hoạt của máy qua IoT
- Đề tài nghiên cứu bao gồm các nội dung sau:
+ Khảo sát hệ thống cân dựa trên các mô hình có sẵn
+ Nghiên cứu trên mô hình thực tế
+ Nghiên cứu hoạt động của hệ thống in và nhãn trên các máy có sẵn
+ Nghiên cứu hoạt động hệ thống IoT
Phạm vi đề tài
Các hệ thống cân tự động trong ngành thực phẩm, đặc biệt là rau củ quả, phải đối mặt với nhiều thách thức như nhiễu do hoạt động của băng tải, sự hao hụt khối lượng tự nhiên do quá trình hô hấp và trao đổi chất của sản phẩm, gây ra sai số trong việc lấy dữ liệu cân tự động Bên cạnh đó, cơ cấu dán nhãn tự động cũng gặp nhiều khó khăn cần được nâng cấp để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả Mục tiêu của đề tài là phát triển giải pháp giải quyết các vấn đề về cân và dán nhãn cho rau củ quả trong hệ thống siêu thị tiện lợi, đồng thời tích hợp giao diện IoT giúp người dùng dễ dàng thao tác, giám sát và điều khiển hệ thống một cách trực quan và tiện lợi hơn.
Bố cục
Đề tài này gồm 6 chương chính, trong đó nhóm chúng tôi sẽ giới thiệu các giải pháp và phương pháp thực hiện nhằm cải thiện hệ thống cân, nâng cao hiệu quả hoạt động Chúng tôi tập trung vào việc trình bày các cơ cấu dán nhãn tối ưu nhất để đảm bảo chính xác và tiện lợi trong quá trình sử dụng Bên cạnh đó, phần giao diện người dùng của hệ thống cũng được thiết kế thân thiện, dễ sử dụng nhằm nâng cao trải nghiệm người dùng Các giải pháp đề xuất đều hướng tới mục tiêu tối ưu hóa hệ thống, đáp ứng các yêu cầu đặt ra về hiệu suất và độ chính xác Thông qua bài viết này, chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp những nội dung hữu ích, góp phần nâng cao chất lượng hệ thống cân và các liên quan đến công nghệ liên quan.
Chương 1: Tổng quan đề tài
Trong chương 1, chúng tôi trình bày về nhu cầu cung ứng và sử dụng rau củ quả tại thành phố, đây là lý do chính để chọn đề tài nghiên cứu Các mục tiêu nghiên cứu, phương pháp thực hiện cùng các nhiệm vụ cần giải quyết sẽ được đề cập rõ ràng để đảm bảo phạm vi và cấu trúc của đề tài phù hợp.
Chương 2: Cở sở lý thuyết
Chương này trình bày phần cơ sở lý thuyết nêu rõ nhu cầu, đối tượng mà đề tài hướng đến và tổng quan tình hình công nghệ hiện tại
Chương 3: Phương án và chọn nguyên lý thiết hệ thống
Lên phương án thiết kế và chọn linh kiện, vật liệu để thi công hệ thống
Chương 4: Thiết kế hệ thống điện và lập trình
Chương này tập trung vào quá trình thiết kế mạch điện, bộ điều khiển máy, in nhãn sản phẩm và phát triển giao diện người dùng kết nối IoT Các bước này đều hướng đến tối ưu hóa hệ thống điều khiển và giám sát thiết bị qua nền tảng Internet of Things, đảm bảo hiệu quả, chính xác và dễ sử dụng Việc thiết kế mạch điện và bộ điều khiển chính là nền tảng để thực hiện các chức năng tự động hóa, trong khi quá trình in nhãn sản phẩm giúp quản lý dữ liệu dễ dàng hơn Đồng thời, phát triển giao diện người dùng thân thiện sẽ nâng cao trải nghiệm người dùng và khả năng vận hành hệ thống từ xa.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Chạy thử nghiệm thực tế để thu thập dữ liệu và đánh giá các chức năng chính của máy, bao gồm cân tự động lấy khối lượng chính xác, in dán nhãn hiệu quả và thao tác dễ dàng trên giao diện người dùng.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Dựa trên những kết quả đã đạt được, chương này sẽ tổng kết những thành công và hạn chế còn tồn tại trong nghiên cứu Từ đó, bài viết sẽ đề xuất các hướng phát triển tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả và mở rộng phạm vi của đề tài trong tương lai.
Nhu cầu và thực trạng hiện nay
Hiện nay, nhu cầu về cân dán nhãn sản phẩm rau củ rất lớn, do các siêu thị và cửa hàng tạp hóa nhập một lượng lớn hàng hóa hàng ngày để đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Điều này khiến các chủ doanh nghiệp phải bỏ ra nhiều thời gian và chi phí để kiểm tra, cân đo khối lượng sản phẩm rau củ một cách chính xác Bên cạnh đó, việc in dán nhãn thông tin về giá cả và hạn sử dụng trên sản phẩm trước khi bán ra cũng gặp không ít khó khăn, ảnh hưởng đến quá trình kinh doanh và trải nghiệm của người tiêu dùng.
Hiện tại, thị trường đã xuất hiện các dòng sản phẩm tự động cân dán nhãn phù hợp cho siêu thị và bách hóa Những giải pháp này có thể đáp ứng tốt nhu cầu của doanh nghiệp về tự động hóa, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả Tuy nhiên, để sở hữu hệ thống cân dán nhãn tự động cho rau củ, doanh nghiệp cần đầu tư một khoản chi phí không nhỏ Ngoài ra, các hệ thống này còn đòi hỏi nhiều nhân công vận hành, dẫn đến chi phí vận hành ngày càng tăng.
Một số sản phẩm máy cân và dán nhãn tự động có trên thị trường hiện nay4 2.3 Tổng quan về cân dán nhãn có sử dụng IoT
Cân tĩnh
Cân tĩnh là loại cân thủ công, đòi hỏi nhân công thực hiện đo trực tiếp bằng cách đưa sản phẩm lên cân và ghi lại kết quả đo Quá trình đo cân tĩnh bao gồm việc đặt sản phẩm lên cân, ghi lại chính xác trọng lượng, sau đó hạ sản phẩm xuống và tiếp tục quá trình đo cho các sản phẩm tiếp theo Cân tĩnh yêu cầu sự chính xác và thao tác thủ công, phù hợp cho các hoạt động đo trọng lượng sản phẩm tại nơi sản xuất hoặc kho hàng.
Hình 2.3 Máy cân dán nhãn tự động FPD-AI - [nguồn: ishida.com]
Cân tự động liên tục
Cân băng tải là thiết bị tự động dùng để cân liên tục số lượng lớn sản phẩm trên dây chuyền, giúp đo khối lượng chính xác mà không làm gián đoạn quá trình vận chuyển Đây là giải pháp tối ưu cho các nhà máy cần kiểm soát trọng lượng sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả Với khả năng hoạt động liên tục trên băng chuyền, cân băng tải giúp nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình kiểm tra trọng lượng.
Cân tự động không liên tục
Đây là nhóm lớn nhất của các thiết bị cân tự động gồm nhiều nguyên tắc và cấu trúc đo khác nhau
Cân tự động không liên tục là cân khối lượng của các sản phẩm được phân chia rời rạc được xác định theo trình tự [6]
Các loại cân tự động
- Cân dán nhãn là thiết bị cân tự động xác định khối lượng và giá của sản phẩm
- Cân phễu có bộ phận tải dạng bể hoặc phễu để lấy vật liệu khối hoặc chất lỏng cần cân
Cân giá bưu phẩm là thiết bị đo lường trọng lượng hàng hóa nhằm xác định mức phí bưu chính hoặc cước vận chuyển phù hợp Thang đo chỉ số bưu chính được sử dụng để đánh giá trọng lượng của bưu kiện, giúp tính toán chính xác phí dịch vụ dựa trên tỷ lệ trọng lượng Việc xác định loại hàng và cân giá bưu phẩm là bước quan trọng trong quá trình phân loại và áp dụng cước vận chuyển phù hợp, từ đó tối ưu hóa chi phí vận chuyển cho người gửi.
Cân kiểm tra được sử dụng để phân chia các vật phẩm có khối lượng khác nhau thành các nhóm nhỏ dựa trên sự khác biệt về trọng lượng của chúng Đối với các sản phẩm đóng gói sẵn có trọng lượng bằng nhau, cần kiểm tra xem trọng lượng thực của từng gói có phù hợp với hàm lượng danh nghĩa và trong mức dung sai cho phép hay không Những gói không phù hợp với tiêu chuẩn sẽ tự động được phân loại ra bên ngoài dung sai, đảm bảo chất lượng và chính xác của sản phẩm.
Tổng quan máy dán nhãn
Tem nhãn trên sản phẩm chứa các thông tin quan trọng như hạn sử dụng, trọng lượng, dung tích, thành phần cấu tạo và thông số kỹ thuật giúp người tiêu dùng sử dụng sản phẩm đúng cách và an toàn Việc dán nhãn chính xác, bắt mắt và đầy đủ nội dung không những tăng giá trị của sản phẩm mà còn tạo sự tin tưởng từ phía khách hàng Hiện nay, máy dán nhãn được chia thành hai loại chính: máy dán nhãn tự động và máy dán nhãn bán tự động, hỗ trợ quy trình đóng gói hiệu quả và chuyên nghiệp.
Các loại máy dán nhãn phỗ biến hiện nay
- Nếu phân loại theo mức độ tự động hóa, có thể tạm chia máy dán nhãn thành 3 loại: + Máy dán nhãn tự động, dán decal, tem nhãn tự động
+ Máy dán nhãn bán tự động
+ Máy dán nhãn thủ công, vẫn cần thao tác điều khiển của con người
- Phân loại theo loại sản phẩm cần dán, có thể kể đến ứng dụng của máy dán tem nhãn cho:
Chai lọ là loại chai tròn hoặc chai dẹp, có thể dán một mặt hoặc hai mặt, phù hợp cho các ứng dụng đóng gói đa dạng như nước tinh khiết, rượu, bia, nước ngọt, nước giải khát, nước mắm, dầu ăn, dầu nhớt, nước tẩy rửa, nước rửa chén bát, chai lọ đựng thuốc, sản phẩm y tế, thực phẩm và hóa chất.
Các sản phẩm CAD, thẻ, linh kiện dạng thanh cần được dán thông số, in và dán mã vạch tự động, ghi hạn sử dụng, ngày sản xuất trên bề mặt hoặc các vị trí chính xác để đảm bảo truy xuất nguồn gốc và thuận tiện trong kiểm tra chất lượng Sản phẩm dạng trụ hoặc côn như bút viết, ống nghiệm, thuốc dạng ống, quả lọc của máy lọc nước cũng cần có dán tem nhãn rõ ràng, chính xác nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và truy xuất thông tin sản phẩm.
Các sản phẩm, thiết bị và linh kiện điện tử bao gồm sạc, pin điện thoại, pin máy tính, quạt tản nhiệt máy tính, cũng như quấn và dán tem cho dây cáp điện và dây tín hiệu (wiring) Đây là những mặt hàng quan trọng trong ngành điện tử, đáp ứng nhu cầu sử dụng hàng ngày của người tiêu dùng Việc cung cấp các linh kiện này đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn, đồng thời góp phần nâng cao chất lượng và độ bền của các thiết bị điện tử.
Tổng quan về IoT và ứng dụng trong đề tài
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT) là một hệ thống các thiết bị thông minh có khả năng truyền tải và trao đổi dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần sự tương tác trực tiếp giữa con người với con người hay con người với máy tính IoT phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, vi cơ điện tử và Internet, tạo thành một tập hợp các thiết bị có thể kết nối với nhau, với Internet và thế giới bên ngoài để thực hiện các công việc khác nhau một cách tự động và hiệu quả.
Internet of Things (IoT) là tập hợp các thiết bị kết nối với nhau qua các công nghệ như Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại Theo Gartner, Inc., dự đoán gần 26 tỷ thiết bị sẽ được kết nối trong hệ sinh thái này vào năm 2020, trong khi ABI Research ước tính hơn 30 tỷ thiết bị sẽ kết nối không dây theo mô hình "Kết nối mọi thứ" Một khảo sát của Dự án Internet Pew Research cho thấy có đến 83% các chuyên gia công nghệ đồng ý rằng IoT cùng Cloud of Things, các hệ thống nhúng và tính toán đeo sẽ có ảnh hưởng lớn và mang lại lợi ích rộng rãi cho cộng đồng.
9 ích đến năm 2025 Như vậy, rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với Internet (trích dẫn từ Wikipedia)
IoT có ứng dụng vô cùng lớn trong thời đại hiện nay, có thể kể ra một số ứng dụng như sau:
+ Quản lý các thiết bị cá nhân
+ Đồng hồ đo thông minh
+ Tự động hóa ngôi nhà
+ Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị
+ Quản lý môi trường
+ Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
: PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN NGUYÊN LÝ MÁY THIẾT KẾ HỆ
THỐNG (CÂN VÀ DÁN NHÃN)
Phương án thiết kế và chọn nguyên lý máy cho băng tải cân tự động
Tổng quan về cảm biến cân nặng
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Loadcell sử dụng nguyên lý đo độ biến dạng dùng mạch cầu Wheatstone
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Hình 3.1 Cầu điện trở Wheatstone - [nguồn: Mettler Toledo (2019)]
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào của loadcell tại hai góc của cầu điện trở Wheatstone, giúp tạo ra tín hiệu đầu ra chính xác Tín hiệu này được đo giữa hai góc khác, phản ánh chính xác trọng lượng hoặc lực tác động lên loadcell Trong trạng thái cân bằng, điện áp đầu ra có thể được sử dụng để xác định chính xác các thông số đo lường, đảm bảo độ chính xác của hệ thống cảm biến.
11 bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị
Hình 3.2 Loadcell ở trạng thái không tải - [nguồn: Mettler Toledo (2019)]
Khi tải trọng hoặc lực tác động lên thân Loadcell gây ra biến dạng (giãn hoặc nén), điều này làm thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong các điện trở strain gauges dán trên thân Loadcell Sự biến dạng này khiến điện trở của strain gauges thay đổi, dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra của Loadcell Tuy nhiên, sự thay đổi điện áp này rất nhỏ, chỉ có thể được đo sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử.
Một số loại Load cell phổ biến trên thì trường hiện nay:
Hình 3.3 Loadcell lò xo xoắn chống rung FCAL - [nguồn: Mt.com/product]
Hình 3.4 Loadcell TSA Mettler Toledo - [nguồn: Mt.com/product]
Hình 3.5 Loadcell SCB Mettler Toledo - [nguồn: Mt.com/product]
Hình 3.6 Loadcell SBD Mettler Toledo - [nguồn: Mt.com/product]
Các thiết bị này được sử dụng phổ biến trong các máy cân khối lượng, hệ thống cân định lượng, cân đóng bao, cân băng tải và cân kiểm tra nhằm đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình đo lường.
Ngoài ra chúng còn được phân loại theo hình dạng và phân loại theo dạng tính hiệu truyền nhận
- Phân loại theo hình dạng:
- Phân loại theo dạng tính hiệu truyền nhận:
Tổng hợp các ưu điểm, nhược điểm của Loadcell ứng dụng mạch cầu Wheatstone Ưu điểm:
- Đa dạng: có nhiều lựa chọn cảm biến Loadcell
- Tích hợp: dễ dàng tích hợp cho nhiều ứng dụng
- Chi phí: thấp hơn so với công nghệ khác
- Nhiễu: nhiều phần mềm có loại bỏ nhiễu
- Độ chính sát bị giới hạn khi xử lý tín hiệu với vật có trọng lượng thấp
- Bị giới hạn do độ chính sát của các thành phần cơ khí
- Thời gian đo chậm hơn do tác động của lưu lượng sản phẩm, khối lượng sản phẩm và độ phân giải
- Hiệu suất bị giới hạn khi tăng tốc độ băng chuyền
Loadcell sử dụng nguyên lý đo biến dạng và phục hồi lực điện từ (EMFR)
Sự ra đời của bộ vi xử lý đã mở ra bước tiến mới trong phát triển công nghệ cân Các bộ vi xử lý đã tạo nền tảng cho công nghệ phục hồi lực điện từ (EMFR), mang lại độ chính xác cao và hiệu suất ấn tượng Loadcell EMFR là cảm biến thông minh kiểm soát và bù đắp nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất cân, như tốc độ mẫu, biến động nhiệt độ và các yếu tố gây nhiễu khác, giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình cân đo.
Hình 3.7 Loadcell EMFR khi có tải tải - [nguồn: Mettler Toledo]
Khi tải được đặt lên loadcell, nó gây lệch vị trí của cuộn dây bên trong, vốn được giữ thăng bằng trên một nam châm vĩnh cửu nhờ lực trường của nó (Hình 7.2) Cảm biến vị trí trong hệ thống phát hiện độ lệch của băng tải so với vị trí ban đầu, truyền tín hiệu về bộ điều khiển Dựa trên thông tin này, bộ điều khiển tăng cường dòng điện qua cuộn dây để tạo ra lực từ trường kéo cuộn dây trở về vị trí ban đầu Cường độ dòng điện hiện tại tỷ lệ thuận với lực từ trường, do đó cho phép xác định trọng lượng của tải thông qua đo cường độ dòng điện, đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
Tổng hợp các ưu điểm nhưu điểm của Loadcell ứng dụng công nghệ phục hồi lực điện từ (EMFR) Ưu điểm:
- Độ phân giải: Thực hiện được những phép đó có độ sai số rất nhỏ
- Thời gian đáp ứng: Thời gian lấy mẫu nhanh
- Độ chính xác: Độ chính xác cao liên tục trong suốt thời gian sử dụng nhờ công nghệ vi xử lý
- Khả năng chống nhiễu: Nhiều chức năng phần mềm để vô hiệu hóa cấu hình nhiễu
- Hiệu suất: Là những phương án tốt để thích ứng với quá trình sản xuất đòi hỏi độ chính xác và năng xuất cao
Thiết kế của công nghệ này thường phức tạp và có kích thước lớn hơn so với các công nghệ khác, gây khó khăn trong quá trình thi công và lắp đặt Do đó, nó không phù hợp với những yêu cầu tối ưu về tiến độ và hiệu quả trong quá trình thi công, đòi hỏi khả năng xử lý các dự án nhanh chóng và linh hoạt hơn.
- Chi phí: Chi phí sử dụng cao hơn so với các công nghệ khác [6]
Các phương án lựa chọn Loadcell cho băng tải cân
Phương án 1: Cân băng tải dùng Loadcell sử dụng nguyên lý đo độ biến dạng sử dụng mạch cầu Wheatstone
Hình 3.8 Sơ đồ khối nguyên lý phương án 1
Trong phương án này, hệ thống sử dụng Loadcell dựa trên nguyên lý đo độ biến dạng qua mạch cầu Wheatstone, giúp cung cấp thông tin chính xác về khối lượng rau củ quả Sau quá trình sơ chế và đóng gói, sản phẩm sẽ được chuyển đến băng tải cân để thực hiện cân khối lượng Khi rau củ quả đi qua băng tải, cảm biến Loadcell sẽ đo lường chính xác trọng lượng của từng sản phẩm, đảm bảo quy trình đóng gói diễn ra hiệu quả và chính xác.
Hệ thống băng tải được trang bị 16 vị trí gắn Loadcell để đo trọng lượng rau củ chính xác Dữ liệu từ Loadcell được chuyển qua bộ chuyển đổi tín hiệu ADC 24 bit để đảm bảo độ chính xác cao Sau đó, thông tin trọng lượng cùng dữ liệu loại sản phẩm từ cơ sở dữ liệu được xử lý nhằm xác định khối lượng, giá cả và hạn sử dụng của rau củ Trong quá trình vận chuyển, băng tải tiếp tục đưa sản phẩm đến máy dán nhãn để in giá và hạn sử dụng, giúp quản lý thông tin sản phẩm hiệu quả Người dùng còn có thể giám sát và điều khiển hệ thống từ xa thông qua kết nối IoT, nâng cao khả năng vận hành linh hoạt và tối ưu hóa quy trình.
Hình 3.9 Sơ đồ trực quan hệ thống phương án 1
Phương án 2: Cân băng tải dùng Loadcell sử dụng nguyên lý đo độ biến dạng và phục hồi lực điện từ (EMFR)
và phục hồi lực điện từ (EMFR)
Hình 3.10 Sơ đồ khối nguyên lý phương án 2
Phương án này tương tự như phương án 1 nhưng có điểm khác biệt quan trọng là sử dụng cảm biến dựa trên nguyên lý đo độ biến dạng và phục hồi lực điện từ (EMFR) Công nghệ EMFR giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình cân khối lượng sản phẩm, thúc đẩy hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống cân Việc áp dụng phương pháp này không những cải thiện độ chính xác mà còn tối ưu hóa quá trình đo lường, phù hợp với yêu cầu của các doanh nghiệp cần kiểm soát chính xác khối lượng hàng hóa.
Sau khi được sơ chế và đóng gói, sản phẩm rau củ quả được vận chuyển đến vị trí cân băng tải để đo khối lượng Loadcell chuyển đổi tín hiệu thành giá trị khối lượng chính xác và gửi về bộ điều khiển kết hợp dữ liệu từ database để xác định giá trị sản phẩm Trong quá trình này, băng tải tiếp tục vận chuyển rau củ đến máy dán nhãn, nơi in giá và hạn sử dụng cho sản phẩm Hệ thống còn cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa qua kết nối IoT, nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý.
18 Hình 3.11 Sơ đồ trực quan hệ thống phương án 2
Bảng 3.1 Bảng đánh giá tiêu chí phương án lựa chọn Loadcell
Loại cảm biến cân nặng
Thiết kế và lắp đặt Độ chính xác
-Dùng Loadcell sử dụng nguyên lý đo độ biến dạng, có chống rung nhiễu có chi phí thấp hơn Loadcell dùng công nghệ EMFR
-Có nhiều lựa chọn với nhiều chủng loại khác nhau phù hợp với các hệ thống cơ khí khác nhau
-Linh hoạt, dễ dàng lắp đặt, thiết kế đơn giản
Mặc dù công nghệ EMFR gặp phải hiện tượng nhiễu gây ảnh hưởng đến độ chính xác, nhưng vẫn có phần mềm hỗ trợ được tích hợp để loại bỏ nhiễu, giúp nâng cao độ chính xác của kết quả đo đạc.
-Dùng Loadcell sử dụng cộng nghệ đo độ biến dạng và phục hồi lực điện từ (EMFR) có chi phí cao hơn các công nghệ khác
-Có thiết kế phức tạp và kích lớn hơn các công nghệ khác
-Có độ chính xác cao
Sau khi đánh giá và cân nhắc các tiêu chí về giá thành rẻ, thiết kế hệ thống tối ưu, đơn giản và có tính ứng dụng cao, nhóm chúng em đã quyết định chọn phương án chế tạo hệ thống dựa trên nguyên lý của cân băng tải sử dụng Loadcell và mạch Wheatstone để đo độ biến dạng Chúng em còn tìm ra phương án lắp đặt hệ thống tối ưu nhất nhằm đảm bảo tính ứng dụng cao và hiệu quả trong thực tế.
Tính toán thiết kế băng tải cân tự động
Nhóm thiết kế cơ khí đã phát triển hệ thống gồm hai băng tải cho quá trình cân và dán nhãn sản phẩm Băng tải đầu tiên chịu trách nhiệm nhận và cân đo sản phẩm một cách chính xác Sau đó, sản phẩm được chuyển sang băng tải thứ hai, có nhiệm vụ vận chuyển đến vị trí dán nhãn một cách liên tục và hiệu quả Cả hai băng tải đều sử dụng dây truyền chuyên dụng để đảm bảo quy trình vận hành trơn tru, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất.
Nhóm đã thiết kế 20 băng tải PVC dựa trên kiến thức đã học và nghiên cứu thêm thông tin từ các nguồn trực tuyến, đặc biệt là các sản phẩm băng tải cân tự động của các công ty nước ngoài như Mettler Toledo và Ishida.
Sử dụng dây băng tải PVC
Băng tải là thiết bị phổ biến trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm, thủy hải sản và rau quả, nhờ vào tính tiện dụng và hiệu quả cao Do đó, các loại băng tải này rất phổ biến trên thị trường, dễ dàng tìm mua và có mức giá hợp lý phù hợp với các doanh nghiệp.
Sản phẩm có khả năng kết dính giữa các lớp tốt, chịu ma sát và nhiệt hiệu quả, đồng thời chống dính cao, giúp hạn chế hiện tượng co giãn và phù hợp để làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
- Với màu xanh, trắng chủ đạo độ dày băng tải PVC phổ biến từ 0.8-5 mm [10] Các phương pháp nối băng tải, ưu điểm và nhược điểm
Bảng 3.2 Bảng đánh giá tiêu chí phương án lựa chọn băng tải
Loại ghép nối Ưu điểm Nhược điểm
-Chất lượng mối nối tốt, đẹp
- Tuổi thọ của kết nối lâu nhất so với các kiểu nối khác
- Phải có nhiều dụng cụ và máy móc kèm theo
- Mối nối chắc, bền và đẹp hơn rất nhiều so với nối bản lề
- Sử dụng một loại keo đặc biệt
-Giá thành cao hơn dán bằng đinh ghim, tốn nhiều công sức cho người dán
Loại ghép nối Ưu điểm Nhược điểm
Nối bản lề- sâu ghim băng tải
-Thời gian ghép nối nhanh
- Được sử dụng nhiều giá thành thấp
- Dùng cho băng tải có độ dày lớn tải nặng
- Tuổi thọ băng tải thấp
- Lực kéo của băng tải giảm
Sau khi so sánh các ưu nhược điểm của các loại mối nối nhóm, chúng tôi quyết định chọn băng tải sử dụng kiểu nối bằng phương pháp nối chín lưu hóa Phương pháp này giúp tăng độ bền và tuổi thọ của băng tải, đồng thời nâng cao tính thẩm mỹ cho hệ thống.
- Chọn băng tải PVC màu xanh lá cây, độ dày 2mm sử dụng kiểu nối chín lưu hóa
3.2.3.2 Tính trục Rulo dẫn động cho băng tải
Bảng 3.3 Bảng thông số ban đầu của hệ thống băng tải Vận tốc băng tải (𝑉) 0,05 𝑚/𝑠
Chiều rộng băng tải (𝑏) 0,3𝑚 Đường kính trục (𝑑) 0,042 𝑚
Tải trọng phân bổ trên băng tải (𝑞) 30 𝑁/𝑚
Hình 3.12 Biểu đồ phân bố lực Lực tác dụng lên băng tải:
𝐹 = 𝑞 × 𝑙 = 30 × 0,45 = 13,5 (𝑁)(3.1) (3.1) Để có thể kéo sản phẩm thì:
Theo định lý 3 Newton 𝑁 = 𝐹 nên
• 𝑚 = 3 kg : Khối lượng phân bổ
• 𝐺 = 10 𝑚 𝑠⁄ 2 : Gia tốc trọng trường
• 𝑑 = 0,042 𝑚 : Đường kính trục quay
Thay vào phương trình (3.3), ta có
Theo phương trình 3.2 để kéo được vật thể thì lực kéo tác động lên băng tải:
Moment xoắn tại trục quay
Vận tốc góc trên trục quay được tính theo công thức:
• 𝑉 = 0,05 𝑚/𝑠: Vận tốc của băng tải
• 𝑅 = 0,021 𝑚: Bán kính con lăn
Vận tốc của trục quay:
Công suất tại trục quay:
• 𝑀 là moment xoắn tại trục quay
• 𝑁 là tốc độ của trục quay
• Thay vào công thức (3.7), ta có công suất tại trục quay là:
Hình 3.13 Sơ đồ lực tác dụng lên trục quay chủ động Trong đó:
• 𝐹 0 : lực căng ban đầu của băng tải
• 𝐹 1 : lực căng của băng tải phía chủ động
• 𝐹 2 : lực căng của băng tải tác dụng lên trục bị động
• Độ lớn của lực được tính theo công thức sau:
• 𝑑 : Đường kính con lăn
• 𝑎 = 180° góc tiếp xúc của băng tải với trục quay
Thay vào phương trình (3.12) và 3.13, ta có:
Hình 3.14 Sơ đồ lực tác dụng lên trục quay bị động Trong hình trên, dFc là lực ly tâm và F v là lực căng băng tải phụ
• q m = 0,25: khối lượng của 1 m băng tải
• V = 0,05: Vận tốc của băng tải
Thay vào phương trình (3.11), ta có lực ly tâm:
Lực tác dụng lên trục và ổ:
F 0 : Lực căng ban đầu a: góc ôm của băng tải nên:
Lực tác dụng lên trục (3.13):
Mô-ment xoắn dọc theo trục:
Mô-ment xoắn lớn nhất:
M = 123750(N mm) (3.23) Đường kính của con lăn được tính theo phương trình sau: d = √ M
• σ : Ứng suất uốn của vật liệu
• d = 42 mm: đường kính trục
Hình 3.15 Biểu đồ lực tác động lên trục quay băng tải và Moment
Vì 𝜎 = 17 (𝑀𝑃𝑎) ≪ 200 − 600 (𝑀𝑃𝑎) nên chọn vật liệu cho trục con lăn là hợp kim nhôm [1]
Trục rulo thiết kế trên phần mềm SolidWorks.
3.2.3.3 Tính toán chọn động cơ
Băng tải cân có nhiệm vụ đo khối lượng và lấy khối lượng sản phẩm rau củ quả, sau đó di chuyển chúng đến băng tải thứ hai để dán nhãn Để đảm bảo chỉ số khối lượng chính xác nhất, chỉ một gói hàng được chạy qua băng tải một lần do kích thước băng tải khá ngắn Sản phẩm cân có khối lượng từ 0.1 đến 3kg, với khối lượng lớn nhất tại một thời điểm trên băng tải là 3kg.
- Các thông số ban đầu
+ Đường kính rulo: D = 42mm
+ Vận tốc của băng tải: v = 0,05 m/s
- Tính toán chọn động cơ:
Công suất cần thiết của động cơ :
N : Công suất của băng tải
𝜂 1 : Là hiệu suất của bộ truyền đai (=0,97)
𝜂 2 : Là hiệu suất của ổ bi (=0,995)
Ta chọn động cơ có công suất lớn hơn 1,55w [1]
Nhóm đã lựa chọn động cơ CHR-GM37-520 12V47RPM có encoder để đảm bảo công suất phù hợp cho dự án Động cơ này giúp điều chỉnh nhiều dải tốc độ khác nhau, đáp ứng tốt các yêu cầu về hiệu suất và linh hoạt vận hành Việc sử dụng động cơ có encoder còn nâng cao khả năng kiểm soát chính xác và tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 3.17 Motor CHR-GM37-520 12V47RPM Thông số của động cơ CHR-GM37-520 12V47RPM:
- Điện áp định mức: 12V
- Tốc độ: 47 vòng/phút (rpm - 12VDC)
- Lực xoắn (Moment xoắn dọc trục): 1.7 kG.cm
- Chiều dài hộp số giảm tốc: 22mm
- Moment xoắn cực đại: 7.5 kG.cm, 3.4A
- Encoder 2 kênh AB dạng cảm ứng hall 11 cặp từ Điện áp cấp 3 đến 5v Độ phân giải 330 xung/vòng
Chi tiết gá rulo giữ vai trò quan trọng trong việc cố định rulo, giúp hệ thống băng tải hoạt động ổn định Chức năng chính của phần này là gắn ổ bi cho trục rulo, giảm ma sát và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Gá rulo được cố định vào khung nhôm định hình 20x40 bằng ốc M5, đảm bảo tính chắc chắn và độ bền vượt trội Thiết kế của chi tiết được thực hiện trên phần mềm SolidWorks, giúp tối ưu hóa độ bền và sự ổn định trong quá trình vận hành của hệ thống băng tải.
Hình 3.18 Tấm gá trục rulo
Chi tiết gá rulo dẫn động có chức năng chính tương tự như chi tiết gá rulo bị dẫn, giúp đảm bảo hoạt động trơn tru của hệ thống Ngoài ra, nó còn được sử dụng để lắp đặt motor giảm tốc dẫn động cho băng tải, nâng cao hiệu quả vận hành Phần gá còn được cố định chắc chắn vào khung nhôm định hình 20x40 bằng ốc M5, đảm bảo tính bền vững và ổn định trong quá trình sử dụng.
Hình 3.19 Tấm gá trục rulo và động cơ Thông số kỹ thuật : Được thể hiện trong file bản vẽ đính kèm [2] [3]
Phương pháp gia công: Cả 2 chi tiết trên đều được gia công cắt bằng máy CNC
Hình 3.20 trình bày cách lắp đặt Loadcell cho băng tải cân, với thiết kế giống như các băng tải ngang thông thường nhưng được gắn trên hai Loadcell đặt dưới khung nhôm của băng tải để dễ dàng lắp ráp và di chuyển Cách bố trí này giúp giảm nhiễu khi băng tải vận hành và thuận tiện cho quá trình bảo trì, sửa chữa Phương án lắp đặt này đã được nhóm thử nghiệm so sánh với phương án khác là đặt Loadcell dưới dây băng tải để chọn ra giải pháp tối ưu nhất.
Nhóm em chọn Loadcell dựa trên những ưu nhược điểm ở bảng 3.1
Hình 3.21 Loadcell thanh 10Kg - [nguồn: linkiendientucaka]
+ Chất liệu cảm biến Nhôm Độ dài dây: 180mm
+ Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ độ C: 0.003
+ Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ độ C: 0.02
+ Độ cân bằng điểm không %RO : +-0.1
+ Nhiệt độ hoạt động -20 ~ 65 độ C
Để chuyển đổi tín hiệu từ loadcell, cần sử dụng mạch chuyển đổi tín hiệu ADC 24 bit HX711 với độ phân giải cao Bộ chuyển đổi ADC này chuyển đổi tín hiệu analog từ loadcell thành dữ liệu số và giao tiếp qua hai dây (Clock và Data), giúp gửi dữ liệu chính xác về vi điều khiển cho quá trình xử lý tín hiệu một cách hiệu quả.
Hình 3.22 HX711 và sơ đồ kết nối với Loadcell - [nguồn: linkiendientucaka]
- Thông số kỹ thuật HX711:
+ Điện áp hoạt động: 2.7~5VDC
+ Tốc độ lấy mẫu: 10 - 80 SPS tùy chỉnh)
+ Độ phân giải: 2 bit ADC
+ Độ phân giải điện áp: 40mV
3.2.3.6 Phần khung chân đế của băng tải
Nhóm dùng nhôm định hình 20x20 để làm khung chân đế băng tải
Hình 3.23 Nhôm định hình 20x20 - [nguồn: vatgia.com]
Hình 3.24 Khung chân đế nhôm 20x20
Phương án thiết kế và chọn máy in cho băng tải dán nhãn
Hiện nay, thị trường có đa dạng các loại máy in tem nhãn với công nghệ in khác nhau như máy in kim, máy in nhiệt và máy in laser Tuy nhiên, nghiên cứu tập trung vào các loại máy có kích thước nhỏ gọn, tốc độ in nhanh và chất lượng in tốt Đối tượng chính được nhóm hướng tới gồm hai dòng máy in nhiệt và in laser, phù hợp cho nhu cầu in ấn chuyên nghiệp và tiết kiệm diện tích.
Máy in laser là thiết bị sử dụng công nghệ in bằng cách quét các chùm tia laser trực tiếp lên bộ phận cảm quang của máy in, giúp tạo ra các bản in sắc nét và chất lượng cao Công nghệ in laser là phương pháp phổ biến, nổi bật nhờ khả năng in nhanh, chính xác, phù hợp để in các văn bản và tài liệu trên giấy trắng với chất lượng chuyên nghiệp.
Máy in nhiệt là thiết bị in kỹ thuật số hoạt động bằng cách sử dụng đầu in nhiệt đốt nóng để tạo ra bản in bằng các chấm trên giấy in nhiệt tráng phủ hoặc giấy in nhiệt thông thường Thường được thiết kế chuyên dụng cho các môi trường bán lẻ như siêu thị, cửa hàng, nhà hàng và quán cafe, máy in nhiệt mang lại giải pháp in ấn nhanh chóng, tiện lợi và phù hợp với nhu cầu sử dụng liên tục.
- Có thể kể đến một số hãng như máy in nhiệt hàng đầu thế giới như: Brother, Dymo, Epson, Antech, … [11]
Bảng 3.4 Bảng tiêu chí chọn máy in
Loại máy in Ưu điểm Nhược điểm
- Tốc độ in nhanh, chất lượng in tốt
• - Không phải thay mực (do sử dụng công nghệ in nhiệt, Mực đã được nằm trên cuộn giấy Cảm nhiệt)
• - Tuổi thọ đầu in cao, khoảng 100km giấy in
-Chi phí bỏ ra cho máy in nhiệt là khá thấp, thấp hơn so với việc sử dụng máy in Laser
• -Có nhiều biến thể khác nhau, từ để bàn, gắn với PC cho đến những chiếc máy in cầm tay tiện dụng
- Chỉ in được những hóa đơn, khổ giấy nhỏ
Sử dụng giấy in bản A4, A5 nên bản in to, rõ ràng Có thể vừa dùng để in hóa đơn vừa in giấy tờ, văn bản cần thiết
- Thường xuyên bị kẹt giấy nếu giấy bị nhàu
- Có tiếng ồn khi in
- Sử dụng hộp mực nên sau một thời gian phải thay mực tốn thêm chi phí thay mực
- Mực in trên giấy sau 1 thời gian sẽ bị phai mờ dần nếu không được bảo quản tốt
Nhóm đã xác định tiêu chí chọn máy in phù hợp dựa trên các yếu tố như kích thước nhỏ gọn, chi phí ban đầu thấp, tốc độ và chất lượng in tốt cùng tuổi thọ cao của máy Sau khi đánh giá ưu nhược điểm, nhóm quyết định chọn dòng máy in nhiệt để đáp ứng các tiêu chí này Tuy nhiên, việc lựa chọn máy in còn liên quan đến khả năng hỗ trợ Drive cho Raspberry Pi – bộ điều khiển trung tâm mà nhóm đang sử dụng Ngoài ra, cần lựa chọn loại giấy in nhiệt có keo dán phù hợp để dễ dàng thiết kế hệ thống dán nhãn lên bao bì sản phẩm Qua quá trình khảo sát thị trường, nhóm đã chọn máy in Brother QL700 là giải pháp tối ưu đáp ứng yêu cầu về kích thước, độ bền, và khả năng tích hợp với Raspberry Pi.
Hình 3.25 Máy in QL 700 – [nguồn tanphat.com.vn]
Bảng 3.5 Bảng thông số máy in QL700
Khả năng tương thích với tập tin cơ sở dữ liệu csv, txt, mdb, xls, Microsoft SQL Server Database
Tốc độ in tối đa (nhãn/ phút)
Bề rộng băng tối đa
Bề rộng in tối đa (mm) 59 mm
Chiều dài nhãn tối đa
37 Độ phân giải tối đa
300x600 Kích thước (WxDxH) 128x221x153 mm
: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LẬP TRÌNH
Tổng quan sơ đồ khối hệ thống
Từ yêu cầu của đề tài, dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống chúng em đang dùng:
Hình 4 1 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lý trung tâm: có 3 chức năng chính
Các thiết bị ngoại vi như cảm biến, bàn phím và chuột gửi tín hiệu đến các khối hiển thị, xử lý công suất và khối máy in để đảm bảo hoạt động chính xác Việc nhận tín hiệu từ các thiết bị này giúp hệ thống vận hành hiệu quả và liên tục Các tín hiệu từ cảm biến, bàn phím và chuột đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và truyền thông dữ liệu đến các thành phần khác của hệ thống.
- Là trung tâm của webserver có chức năng lưu trữ database cho phép người dùng truy cập và chỉnh sửa giá của sản phẩm trong cùng một mạng
- Là thiết bị cho phép người dùng có thể truy cập, giám sát hoạt động của hệ thống từ xa
- Khối hiển thị: có chức năng hiển thị kết quả nhận được từ khối xử lý trung tâm hiển thị lên màn hình
Khối công suất: bao gồm Module điều khiển động cơ L298 để điều khiển động cơ băng tải chạy
Khối nguồn là thành phần cung cấp điện cho hệ thống, sử dụng nguồn điện 220V để cấp cho màn hình và máy in, đảm bảo hoạt động liên tục và ổn định Đồng thời, nguồn 12V được dùng để cấp cho mạch cầu L298 và các mạch hạ áp 5V, 3.3V, cung cấp năng lượng phù hợp cho cảm biến của thiết bị Việc bố trí nguồn điện hợp lý giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
Khối cảm biến gồm cảm biến Loadcell để đo trọng lượng của vật và cảm biến hồng ngoại để xác định vị trí trên băng tải, sau đó gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm để xử lý dữ liệu chính xác và hiệu quả.
Khối thu tín hiệu cân nặng: Sử dụng hai loadcell 10kg để lấy tín hiệu cân nặng đưa vào bộ chuyển đổi ADC HX711
Khối chuyển đổi tín hiệu ADC (HX711): nhận tín hiệu từ điện áp từ Loadcell chuyển đổi thành tín hiệu 24bit truyền vào khối xử lý trung tâm.
Thiết kế mạch
Thiết kế khối thu tín hiệu cân nặng và khối chyển đổi ADC HX711: 39 4.2.2 Khối cảm biến hồng ngoại
Trong hệ thống của chúng tôi, sử dụng hai module cảm biến cân nặng có khả năng đo tối đa là 10kg để đảm bảo độ chính xác và tin cậy Vì loadcell chỉ chuyển đổi tín hiệu cân nặng thành tín hiệu điện áp, nhóm đã tích hợp module chuyển đổi ADC HX711 giúp biến đổi tín hiệu điện áp thành tín hiệu số dễ dàng kết nối và xử lý trên Raspberry Pi Việc sử dụng module HX711 không chỉ nâng cao hiệu quả đo lường mà còn tối ưu hóa quá trình thu thập dữ liệu tự động và chính xác trong hệ thống.
Module HX711 là module chuyển đổi ADC 24 bit cao cấp, chuyên dùng để đo cảm biến Loadcell chính xác Với tốc độ xử lý nhanh, khả năng giảm nhiễu tối ưu, HX711 đảm bảo các kết quả đo lường ổn định và chính xác Sản phẩm này có sẵn trên thị trường, phù hợp cho các ứng dụng cần độ chính xác cao trong lĩnh vực đo lực và trọng lượng.
Các thông số cơ bản của HX711
- Điện áp hoạt động: 2.6 ~ 5.5 VDC
- Đóng gói: 16 pin SOP
- Độ phân giải: 24bit ADC
Hình 4 3 Sơ đồ kết nối HX711 với Raspberry
4.2.2 Khối cảm biến hồng ngoại:
Trong hệ thống của chúng tôi, cảm biến hồng ngoại hoạt động với nguồn điện 5V nên không thể trực tiếp truyền tín hiệu vào khối xử lý Vì vậy, chúng tôi sử dụng tín hiệu từ cảm biến để kích relay, sau đó đưa điện áp 3V3 vào Raspberry Hệ thống bao gồm bốn cảm biến hồng ngoại với chức năng riêng biệt, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Cảm biến 1 phát hiện khi có vật đi qua và cho phép đọc tín hiệu từ cảm biến Loadcell, giúp xác định trọng lượng chính xác của vật thể Khi cảm biến 2 phát hiện vật đi qua, nó sẽ gửi tín hiệu để bộ xử lý ngừng đọc cảm biến và tiến hành tính toán, sau đó gửi giá trị đã xử lý đến máy in để in kết quả Hệ thống cảm biến liên tục hoạt động để đảm bảo quá trình đo lường và in ấn diễn ra chính xác và hiệu quả.
Cảm biến 3: khi phát hiện vật sẽ gửi tín hiệu xuống bộ xử lý để điều khiển motor kéo nhãn hoạt động
Hình 4 4 Sơ đồ kết Raspberry với cảm biến hồng ngoại
Cảm biến 4 là loại cảm biến hồng ngoại được thiết kế giống cảm biến dò line, hoạt động bằng cách phát hiện đường màu đen trên nhãn Khi cảm biến nhận diện được line, nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển cho motor kéo nhãn dừng đúng vị trí, giúp đảm bảo quá trình tự động hoạt động chính xác và hiệu quả.
Thiết kế khối công suất
Hình 4 5 Sơ đồ kết nối khối công suất
Hệ thống sử dụng mạch L298 để khuếch đại tín hiệu gửi từ Raspberry Pi đến các motor Cụ thể, hệ thống gồm ba motor, trong đó motor M1 và M2 điều khiển băng tải cân và băng tải dán nhãn nhằm đảm bảo quá trình vận hành trơn tru Motor M3 chịu trách nhiệm kéo nhãn ra khi nhận tín hiệu kích từ từ cảm biến 3, theo như mô tả trong khối cảm biến đã đề cập.
Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm là bộ xử lý chính sử dụng kit Raspberry Pi 3 Module B, kết nối với bàn phím và chuột để người dùng điều khiển hệ thống Hệ thống chạy trên hệ điều hành Raspbian, cho phép thực hiện các tác vụ như đọc cảm biến và điều khiển động cơ Ngoài ra, hệ thống còn có khả năng kết nối IoT để mở rộng chức năng và tích hợp dữ liệu hiệu quả.
Trong hệ thống sử dụng máy in dán nhãn, việc cài đặt driver theo hướng dẫn của nhà sản xuất là bắt buộc, khiến ESP8266 không phù hợp do không đáp ứng các yêu cầu này Do đó, nhóm đã chọn sử dụng kit Raspberry Pi làm trung tâm xử lý chính, nhờ vào khả năng xử lý nhanh chóng và khả năng giao tiếp hiệu quả với các thiết bị ngoại vi, module bên ngoài.
Sơ đồ kết nối chân GPIO của các thiết bị với Raspberry [4]
Hình 4 6 Sơ đồ chân Raspberry – [nguồn: raspberrypi.org]
Nhóm đã sử dụng phần mềm EasyEDA để thiết kế mạch điện cho hệ thống, tận dụng khả năng làm việc trực tuyến và cho phép nhiều người dùng chỉnh sửa cùng lúc nhằm nâng cao hiệu quả teamwork Công cụ này giúp các thành viên dễ dàng chỉnh sửa bản thiết kế liên tục, đảm bảo tính chính xác và cập nhật nhanh chóng Ngoài ra, EasyEDA còn sở hữu thư viện linh kiện phong phú, chính xác theo thông số thị trường, giúp nhóm lựa chọn phần mềm phù hợp để vẽ mạch một cách hiệu quả và chính xác.
Hình 4 7 Mạch PCB Sau khi thiết kế mạch nguyên lý và PBC nhóm chuyển sang quá trình gia công
Hình 4 8 Mạch sau khi gia công
Hình 4 9 Các bước thi công mạch
Lập trình hệ thống
Lưu đồ tổng quan của hệ thống
Hình 4 10 Sơ đồ khối giao tiếp của hệ thống Giải thích lưu đồ:
Dùng Raspberry làm khối sử lý trung tâm, sẽ thu nhận và điều khiển từng khối riêng biệt
Khối GUI là giao diện người dùng hiển thị trên màn hình tại nơi làm việc, đóng vai trò chính trong các khối hệ thống Nó đảm nhận vai trò điều khiển hiển thị toàn bộ hệ thống hoạt động, giúp người dùng tương tác hiệu quả với các chức năng của hệ thống một cách dễ dàng và trực quan.
Khối WEB có chức năng chính là cập nhật giá cả các loại rau trên trình duyệt web khi kết nối cùng mạng với Raspberry Người dùng có thể dễ dàng theo dõi và cập nhật giá cả từ nơi làm việc như văn phòng mà không cần phải trực tiếp đến nơi sản xuất Điều này giúp tiết kiệm thời gian, công sức và nâng cao hiệu quả quản lý giá cả rau sạch.
- Khối Database: là trung tâm chứa dữ liệu giá cả của các loại rau, để khối web có thể truy cập và chỉnh sửa giá.
Cách thức hoạt động của các khối
4.3.2.1 Khối GUI Để lập trình giao diện cho hệ thống, nhóm chúng em dùng ngôn ngữ Python để lập trình giao diện Vì khi chương trình giao diện của Python chạy chỉ hoạt động trong luồng giao diện, không thể xử lý các tác vụ giao tiếp với các GPIO bên ngoài, nên chúng em đã chia thành hai luồng xử lý chính: một luồng dùng để hiển thị giao diện cho người dùng sử dụng, một luồng để đọc các tín hiệu cảm biến và điều khiển các khối công suất Trong giao diện có hai trang chính: Home và Data
Hình 4 11 Giao diện màn hình chính
Hệ thống cung cấp cho người dùng cái nhìn tổng quan về dữ liệu, giúp họ dễ dàng truy cập thông tin về khối lượng, giá cả và thống kê năng suất làm việc của các loại rau Giao diện thân thiện cho phép người dùng xem các số liệu phân tích rõ ràng, hỗ trợ ra quyết định chính xác Trước khi tiến hành cân, người dùng dễ dàng chọn loại rau phù hợp qua giao diện hiển thị rõ ràng, đảm bảo quá trình vận hành diễn ra thuận tiện và hiệu quả.
Hình 4 12 Thao tác chọn loại rau
Sau khi nhấn nút Start, hệ thống sẽ hoạt động
Trên màn hình chính, người dùng có thể dễ dàng xem thông tin về khối lượng và giá thành hiện tại của các gói hàng Ngoài ra, phía góc phải màn hình sẽ hiển thị tổng số lượng các gói hàng đang có và tổng giá trị của tất cả các gói hàng đó, giúp quản lý đơn hàng hoặc kho bãi hiệu quả hơn.
Trong hệ thống, có các phím chức năng như STOP giúp dừng băng tải an toàn, RESET để đưa tất cả các thông số trở về trạng thái ban đầu, và CALC dùng để hiệu chỉnh độ chính xác của cân sau nhiều lần hoạt động, đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác.
Bạn có thể cập nhật giá cả nhanh chóng và dễ dàng bằng cách thêm hoặc xóa các loại rau cần thiết trực tiếp trên máy Tính năng này giúp điều chỉnh danh mục rau phù hợp với nhu cầu sử dụng tại từng điểm khác nhau, nâng cao hiệu quả vận hành và tối ưu hóa quá trình cung ứng rau quả.
Xử lý tín hiệu điều khiển trong GUI
Luồng xử lý tín hiệu và điều khiển thiết bị đóng vai trò quan trọng trong hệ thống Nó có chức năng đọc tín hiệu từ các cảm biến và xử lý thông tin này để truyền về khối lượng đến giao diện người dùng Ngoài ra, hệ thống còn điều khiển mạch công suất và máy in nhãn, đảm bảo quá trình vận hành hiệu quả và chính xác.
Hình 4 14 Lưu đồ nút nhấn trên GUI
49 Hình 4 15 Lưu đồ điều khiển
Giải thích lưu đồ:
Khai báo thư viện, thiết lập cấy hình kết nối máy in, khai báo các giá trị cảm biến ban đầu
Kiểm tra nút START trên giao diện, nếu được nhấn sẽ gán giá trị bằng 1 và bắt đầu vận hành băng tải cân cùng băng tải dán nhãn Khi cảm biến S1 phát hiện xung cạnh xuống, hệ thống gán giá trị trung gian cho biến temp_s1 là 1 và bắt đầu đọc dữ liệu từ cảm biến HX711, lưu trữ giá trị đo được vào biến weight.
Khi cảm biến S2 được kích hoạt, hệ thống sẽ ngừng đọc dữ liệu từ cảm biến HX711, bắt đầu tính toán giá trị trung bình của biến weight để đảm bảo độ chính xác cao Giá trị trung bình này được gửi tới giao diện người dùng và máy in để in nhãn, giúp quá trình nhận diện và theo dõi dễ dàng hơn Sau đó, hệ thống gán biến trung gian temp_s2 bằng giá trị 1 để xác nhận trạng thái hoạt động của cảm biến S2, đảm bảo quá trình vận hành chính xác và ổn định.
Khi temp_s2=2 sẽ kiểm tra cảm biến S3, khi S3 kích sẽ cho motor M3 chạy Motor M3 sẽ chạy cho đến khi cảm biến S4 được kích
4.3.2.2 Khối trình duyệt WEB Được thiết kế để người dùng có thể trực tiếp cập nhật giá cả tại văn phòng làm việc, các bộ phận quản lý bán hàng Để đảm bảo độ bảo mật người dùng cần đăng nhập tài khoản được đặt trước
Hình 4 16 Giao diện đăng nhập
Sau khi đăng nhập, người dùng có thể truy cập giao diện bảng giá trên trình duyệt web và dễ dàng cập nhật thông tin các loại rau theo ngày Việc thay đổi dữ liệu diễn ra nhanh chóng và thuận tiện, giúp người dùng kiểm soát cập nhật giá cả mà không cần thao tác trực tiếp trên máy Điều này tối ưu trải nghiệm người dùng và nâng cao hiệu quả quản lý dữ liệu giá rau.
Kết quả tổng quan
Sau thời gian dài tìm hiểu các tài liệu chuyên môn và tham khảo nguồn từ Internet, nhóm đã tích lũy được kiến thức vững chắc Sự hỗ trợ nhiệt tình từ giáo viên hướng dẫn đã góp phần quan trọng trong quá trình thực hiện đề tài, giúp nhóm hoàn thiện dự án một cách hiệu quả.
Dự án "Thiết kế chế tạo máy cân tự động, in giá hạn và hạn sử dụng của sản phẩm rau quả tích hợp IoT" đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu đề ra, đánh dấu thành công trong nghiên cứu và phát triển hệ thống tự động hóa nông nghiệp Nhóm đã tích lũy nhiều kiến thức và kinh nghiệm từ quá trình thiết kế, thi công mô hình và ứng dụng phần mềm, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất Về phần cứng, nhóm thành thạo gia công lắp đặt nhôm định hình, thiết kế hệ thống điện cho máy, cũng như sử dụng máy in dán nhãn và kit Raspberry để tích hợp chặt chẽ các thành phần Về phần mềm, nhóm biết cách thiết kế mô phỏng hệ thống trên SolidWorks, thi công mạch PCB, lập trình cơ bản trên Python, đồng thời hiểu rõ nguyên lý đọc cảm biến khối lượng nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Kết quả đạt được
Mô hình sản phẩm hoàn thiện
Sau khi lên phương án thiết kế, tính toán và thi công nhóm chúng em đã hoàn thiện máy cân dán nhãn tự động như sau
Hình 5.1 Mô hình máy hoàn thiện 3D
52 Hình 5.2 Vị trí các cụm chi tiết của máy cân dán nhãn 3D
Hình 5.3 Sản phẩm hoàn thiện
Hình 5.4 Các cụm chi tiết chính của sản phẩm hoàn thiện
Kết quả thực nghiệm cân tự động
Để kiểm tra tính ổn định và độ chính xác của máy, nhóm của em đã thực hiện cân lấy giá trị thực nghiệm Kết quả thu được đã được ghi nhận trong bảng, giúp đánh giá chính xác hiệu suất và độ ổn định của thiết bị Quá trình này là bước quan trọng để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả, phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra.
Bảng 5.1 Thống kê khối lượng đo được sau 50 lần
Giá trị trung bình đọc được
Sai số Min Sai số max
Để đánh giá tính ổn định của hệ thống cân tự động, nhóm nghiên cứu đã thực hiện 50 lần cân các sản phẩm có khối lượng lần lượt là 217g, 439g, 1034g và 1507g Các giá trị đo được đã được trình bày rõ trong biểu đồ minh họa dưới đây, cho thấy khả năng duy trì độ chính xác của hệ thống trong quá trình hoạt động liên tục Quá trình khảo sát này giúp xác định mức độ ổn định và tin cậy của hệ thống cân tự động trong các điều kiện thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình sản xuất.
5.2.3 Kết quả thu được từ máy in nhãn
Hình 5.6 Sản phẩm dán nhãn cho đậu rồng Hình 5.5 Biểu đồ so sánh giá trị đo được và giá trị thực tế
Hình 5.7 Sản phẩm dán nhãn cho khổ qua
Nhận xét và đáng giá
Nhận xét kết quả đạt được
Từ những số liệu thu thập được nhóm rút ra các kết quả sau:
Hệ thống cân tự động hiện tại chưa có tính ổn định cao, giá trị sai số tăng theo khối lượng hàng hóa, đặc biệt khi lượng lớn hơn 1500g Cân có sai số từ 2g-3g trong phạm vi khối lượng từ 200g đến 1000g, nhưng sai số này có xu hướng tăng dần và không ổn định khi vượt quá 1500g Do đặc tính của rau quả dễ mất khối lượng trong quá trình vận chuyển và bảo quản, mức sai số từ 2g-3g là chấp nhận được, giúp đảm bảo yêu cầu đề ra ban đầu của hệ thống cân tự động.
- Về phần dán nhãn: đang còn gặp vấn đề khó khăn khi dán nhãn tự động lên gói rau củ
- Về phần người dùng: Giao diện điều khiển đơn giản, dễ dàng sử dụng phù hợp với các yêu cầu cơ bản của hệ thống.
Đánh giá kết quả đạt được
Sau thời gian tìm hiểu và nghiên cứu và thực hiện đề tài nhóm đã đưa ra được các đánh giá sau:
- Đề tài có tính ứng dụng cao vào thực tế
- Phạm vi sử dụng trong các nơi sản xuất rau củ quả, siêu thị, là nơi sản phẩm đầu cuối đến người tiêu dùng.
Hướng phát triển
Trong quá trình nghiên cứu đề tài, nhóm đã nhận thấy những điểm hạn chế của mô hình hiện tại và xác định các nhu cầu cần thiết để cải thiện Từ đó, nhóm đề xuất các hướng phát triển hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả và hoàn thiện hơn, góp phần đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của đề tài.
- Hệ thống cần tăng tăng tốc độ dán nhãn để tăng năng xuất của toàn hệ thống
Áp dụng công nghệ xử lý ảnh giúp phát hiện nhanh các sản phẩm bị lỗi hoặc hư hại trong quá trình vận chuyển, nâng cao hiệu quả kiểm tra chất lượng Công nghệ này còn được sử dụng để xác định các nhãn dán bị sai vị trí, đảm bảo tính chính xác trong quá trình đóng gói và vận chuyển hàng hóa Áp dụng xử lý ảnh không những giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro lỗi do con người, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của quy trình kiểm tra.
- Giảm thiểu sai số khi cân của hệ thống