Báo Cáo Nhóm 1.Pdf

BÀI TẬP LỚN CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO Đề tài Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại E18 D80NK Sinh viên thực hiện Bùi Đình Đức – 2020602910 Nguyễn Ngọc Trung – 2020608158 Nguyễn Thị[.]

BÀI TẬP LỚN CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO

Đề tài: Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng

ngoại E18-D80NK

Nguyễn Ngọc Trung – 2020608158 Nguyễn Thị Điệp – 2021604428

Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Nghĩa

Hà Nội – Năm 2023

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

2

LỜI NÓI ĐẦU

Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại đầu vào từ môi trường

vật lý Đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất

kỳ một trong số rất nhiều hiện tượng môi trường khác Đầu ra nói chung là tín hiệu được

chuyển đổi thành màn hình có thể đọc được ở vị trí cảm biến hoặc được truyền điện tử

qua mạng để đọc hoặc xử lý thêm

Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là thiết bị điện tự động hoạt động trên nguyên

tắc điện tử điện dung, dùng để đo và phát hiện các bức xạ hồng ngoại Bức xạ hồng

ngoại là những nguồn sáng mà mắt người không thể nhìn thấy được, bởi bước sóng hồng

ngoại rộng hơn với ánh sáng khả biến Do vậy, bất cứ vật thể gì phát ra mức nhiệt lớn

hơn 5 độ C đều phát ra bước sóng hồng ngoại Để góp phần vào sự phát triển nền khoa

học kỹ thuật hiện nay, nhóm chúng em đã quyết định chọn cảm hồng ngoại Nhóm chúng

em đã lựa chọn đề tài “Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại”

Cảm biến hồng ngoại được đặt cuối mỗi băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng

sản phẩm Mô hình sử dụng cảm biến hồng ngoại điều khiển bởi ardunio và được mô

phỏng trên phần mềm protues và hiển thị số lượng trên màn hình LED, giúp đếm số

lượng sản phẩm để phân vào mỗi hộp khi đủ số lượng sẽ chuyển tiếp đến quy trình đóng

gói sản phẩm

Xin chân thành cảm ơn!

3

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC ẢNH 4

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 6

1.2 Các yêu cầu cơ bản: 6

1.3 Ý nghĩa thực tiễn 6

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 7

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 7

2.1.1 Tổng quan hệ thống 7

2.1.2 Nguyên lí làm việc 7

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống 8

2.1.4 Cảm biến hồng ngoại 9

2.1.5 Lựa chọn cảm biến 10

2.1.6 Giới thiệu Arduino 12

2.1.7 Module hiển thị 4 led 7 đoạn 15

2.1.8 IC 74HC595 16

2.1.9 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 16

4

DANH MỤC ẢNH

Hình 1.1 Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm sản phẩm 7

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 8

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại 9

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại 9

Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 10

Hình 2.5 Sơ đồ nối dây 11

Hình 2.6 Arduino Nano V3.0 12

Hình 2.7 Arduino Nano V3.0 12

Hình 2.8 Module hiển thị 4 led 7 đoạn 15

Hình 2.9 IC 74HC595 16

Hình 2.10 Thiết kế mạch trên Proteus 16

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trong kỷ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các mô hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm ra đời dựa vào công nghệ vi mạch và lập trình nhúng cho vi điều khiển Vi điều khiển tích hợp nhỏ gọn giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng

Hiện nay, ở Việt Nam và thế giới có rất nhiều loại mô hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm đã được thiết kế thi công giúp con người giảm chi phí nhân công, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Mô hình đếm sản phẩm tự động, giúp bớt được nhiều sức lao động cà thời gian, giúp tăng hiệu suất lao động, đồng thời đảm bảo độ chính xác

Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập theo ứng dụng cụ thể

Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doang nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu đơn giản trong dây truyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động

Tuy nhiên đối với nhưng doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn sử dụng nhân công

Từ những điều đã được thấy và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm một điều gì nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt mệt nhọc chân tay mà cho phép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo được độ chính xác Nên chúng

em quyết định thiết kế mô hình mạch đếm sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế

Từ những ý tưởng thiết kế trên, nhóm chúng em chọn đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ

HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI” với mong muốn đề tài có thể sự dụng tốt trong cuộc sống thực tế

Chính vì thế ý tưởng tìm hiểu và nghiên cứu mô hình đếm sản phẩm ra đời nhằm để:

• Ứng dụng thực tiễn được những kiến thức đã học ở trường

• Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module trong mô hình đếm sản phẩm

• Nghiên cứu phát triển đưa vào thực tế

• Phát triển thêm những kiến thức còn hạn hẹp của bản thân

1.1 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:

– Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết của đề tài

– Đọc hiểu một số tài liệu liên quan đến đề tài

– Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến

– Thiết kế mô hình phần cứng

– Thiết kế phần mềm

– Thực nghiệm và kiểm chứng đối tượng

– Báo cáo và nghiệm thu đề tài

Phạm vi nghiên cứu: Đếm số lượng sản phẩm và hiển thị số sản phẩm LED 7 đoạn Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mạch đếm sản phẩm gồm module nguồn, module cảm biến hồng ngoại, module hiển thị LED 7 đoạn, module xử lý vi điều khiển

1.2 Các yêu cầu cơ bản:

– Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp – Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn

– Sử dụng cảm biến hồng ngoại kết hợp với mạch Ardunio

– Sai số trung bình khoảng 0,15% đối với đếm số lượng sản phẩm

– Hiện thị trên thanh Led 7 đoạn

1.3 Ý nghĩa thực tiễn

Việc đếm số lượng sản phẩm của hệ thống có vai trò rất quan trọng và rất lớn trong thực tế khi áp dụng vào trong quy trình tự động hóa khi có thể kiểm, đếm số lượng sản phẩm

Hiểu và biết sử dụng cảm biến quang để đếm số lượng sản phẩm, biết thiết kế mạch điện tử và lập trình vi điều khiển, đưa ra tín hiệu điều khiển cho motor đẩy san phẩm qua dây truyển khác khi đủ số lượng yêu cầu

Đề cái có ứng dụng rất thực tiễn trong công nghiệp ở các dây truyền tự động

hóa trong sản xuất, như dây truyền sản xuất bánh kẹo, đồ hộp

Hình 1.1 Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm sản phẩm

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.1.1 Tổng quan hệ thống

Hệ thống bao gồm các cụm chi tiết:

– Điều khiển và sử lý tín hiệu

+ Cảm biến hồng ngoại + Vi điều khiển

– Chấp hành

+ Màn hình LED

2.1.2 Nguyên lí làm việc

Cảm biến hồng ngoại sẽ nhận tín hiệu và gửi tín hiệu điện về vi điều khiển Sau đó xử

lí và truyền tín hiệu hiển thị số sản phẩm lên LED

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Nguồn:

Tín hiệu:

Khối nguồn: cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động

Khối vi điều khiển: thu tín hiệu từ khối cảm biến và tín hiệu từ khối nút bấm reset tiến hành xử lý tín hiệu thu được và xuất tín hiệu điều khiển cho khỏi hiển thị LED và khối động cơ

Khối cảm biến hồng ngoại: xuất tín hiệu dạng điện cấp cho vi điều khiển khi có sản phẩm đi qua

Khối hiển thị LED: nhận tín hiệu điện từ khối vi điều khiển, hiển thị số lượng sản phẩm lên màn hình LED

Khối hiển thị LED

Khối vi điều khiển

Khối cảm biến hồng ngoại Khối nguồn

2.1.4 Cảm biến hồng ngoại

Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo:

– Đèn led hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại – Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại

– Điện trở: Là thiết bị có tác dụng đi cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn led làm cho hệ thống chập cháy

– Dây điện: Tác dụng chính là kết nối các chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định

Nguyên lý hoạt động thiết bị

Về nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại thì không quá là phức tạp được hiểu đơn giản như sau: Vật thể nào cũng có thể phát ra được bức xạ hồng ngoại chỉ là nhiều hay

ít

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Ưu điểm:

– Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao trong xác định vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại trong không gian

– Thiết kế cảm biến cho phép xác định khoảng cách chính xác của vật thể phát bức xạ hồng ngoại

– Thiết kế và cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ

Nhược điểm

– Cảm biến hồng ngoại phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường Với những môi trường có nhiệt độ cao, cảm biến sẽ hoạt động kém hiệu quả – Góc và phạm vi quét cảm biến hồng ngoại hạn chế, nhiều góc chết

– Độ nhạy cao nên dễ nhầm lẫn khi phát hiện ra chuyển động

Ứng dụng:

– Bật tắt đèn tự động

– Chống trộm

– Giúp mở cửa tự động

– Đếm sản phẩm

2.1.5 Lựa chọn cảm biến

Căn cứ vào điều kiện làm việc là phải đếm chính xác số lượng sản phẩm trên băng tải, phải phân biệt được giữa người và vật Ngoài ra còn phụ thuộc vào giá thành sản phẩm nên nhóm em quyết định lựa chon cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

Cảm biến bao gồm 3 dây kết nối:

Transistor NPN - Open Collector

Sơ đồ kết nối dây

Hình 2.5 Sơ đồ nối dây

Thông số kĩ thuật:

– Điện áp hoạt động: 5V DC

– Dòng kích ngõ ra: 300mA

– Khoảng cách: 3 - 80cm

– Kết nối dây:

+ Nâu: 5V DC

+ Xanh dương: GND / 0V

+ Đen: Tín hiệu NPN thường hở ( Tín hiệu ra bằng với điện áp cấp cho cảm biến)

– Nhiệt độ: -25°C ~ +55°C

– Chiều dài dây: 1m

– Có thể điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở

– Kích thước: 17 * 45 mm

2.1.6 Giới thiệu Arduino

Arduino để làm bộ điều khiển cho hệ thống dựa trên các phương diện:

– Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì Arduino là 1 bộ hoàn chỉnh bộ nguồn, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp – Nhiều thư viện mẫu có sẵn

– Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào Arduino

– Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thông tin về Arduino Trong thực

tế cũng có rất nhiều loại Arduino: Arduino uno r3, Arduino nano, Nhưng đối với hệ thống thì Arduino Nano V3.0 là lựa chọn tối ưu nhất Arduino Nano V3.0 có 14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), kết nối USB (5V hoặc 6V~9V DC), giắc cắm nguồn, nút đặt lại và nhiều thứ nữa,…

Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển: chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn cho nó bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để bắt đầu

Hình 2.7 Arduino Nano V3.0 Hình 2.6 Arduino Nano V3.0

Ưu điểm của Arduino Nano V3

Sử dụng IC dán của ATmega328P nên sẽ có thêm 2 chân Analog so với phiên bản

IC chân cắm Arduino Uno

– Với kích thước nhỏ gọn đến mức tối thiểu hỗ trợ Nano dễ dàng lắp đặt Nhờ vậy chúng được lựa chọn để áp dụng rất nhiều

– Arduino Nano có thể linh hoạt lựa chọn công suất lớn nhất với hiệu điện thế của nó

– Dễ dàng kết nối trực tiếp với các thiết bị máy tính

– Lập trình đơn giản tiện dụng

Một vài thông số của Arduino Nano V3

– Thiết kế theo đúng chuẩn chân, kích thước của Arduino Nano chính hãng – IC chính: ATmega328P-AU

– IC nạp và giao tiếp UART: CH340

– Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw

– Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC

– Dòng GPIO: 40mA

– Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM

– Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân – A6,A7)

– Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader)

– SRAM: 2KB

– EEPROM: 1KB

– Clock Speed: 16Mhz

– Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX

– Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117

– Kích thước: 18.542 x 43.18mm

Lựa chọn bộ điều khiển

Qua phân tích có thể thấy rằng bộ điều khiển Arduino Nano V3 phù hợp để thiết kế, Arduino thực hiện chương trình nhanh và đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ Lập trình và giao tiếp với các thiết khác dễ dàng Arduino rất dễ học phù hợp cho cả những người mới bắt đầu bởi vì nó tích hợp nhiều chức năng và cộng đồng sử dụng lớn

Ứng dụng

– Arduino Nano 3.0 là breadboard nhỏ gọn nhưng mọi chức năng thì tương đương với arduino Uno R3

– Rất thích hợp cho các newbie, vì mạch có giá rẻ hơn Arduino Uno nhưng dùng được với tất cả các thư viện của mạch này

– Ứng dung trong học tập : Điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho

xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ – độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD …

– Ứng dụng trong đời sống : Làm thiết bị nhà thông minh, khóa của tự động, làm sản phẩm nông nghiệp thông minh …

– Ứng dụng trong công nghiệp : Hiện nay Arduino được sử dụng khá nhiều trong công nghiệp vì giá thành của nó khá tốt , độ ổn định cao

– Arduino Uno là board mạch rất phổ biến trong các dòng Arduino hiện nay, bạn chỉ cần kết nối

– Arduino với máy tính PC hoặc Laptop bằng cáp USB là đã có thể sử dụng và nạp code cho nó một cách rất dễ dàng

2.1.7 Module hiển thị 4 led 7 đoạn

Module nhỏ gọn nhưng đầy đủ chức năng cho việc hiển thị chữ số, thời gian Chỉ với

3 chân CLK, DATA, LATCH kết nối với vi điều khiển là có thể hiển thị giá trị số lên module

Hình 2.8 Module hiển thị 4 led 7 đoạn

Thông số kỹ thuật:

– Sử dụng 4 led 7 đoạn (0.36 inch)

– 2 chân cấp nguồn ( VCC, GND) và 3 chân điều khiển DATA IN(DIO), LATCH(RCLK), CLOCK(SCLK)

– Led 7 đoạn được tích hợp IC chuyên dụng 74HC595

– Tín hiệu điều khiển có thể là 5V hoặc 3V3

– Có 4 lỗ bắt vít M3 thuận tiện cho việc gá đặt

– Kích thước: 42 x 24 x12 mm

– Arduino library (for 74HC595) supported

– Ngõ ra mở rộng gồm 2 chân cấp nguồn ( VCC, GND) và 3 chân điều khiển DATA OUT(QH), LATCH(RCLK), CLOCK(SCLK)

2.1.8 IC 74HC595

Hình 2.9 IC 74HC595

IC 74HC595 là một IC thanh ghi dịch có 16 chân bao gồm một chân chốt loại D cùng với một thanh ghi dịch bên trong chip Nó nhận dữ liệu đầu vào nối tiếp và sau đó gửi dữ liệu này ra ngoài thông qua các chân song song

IC 74HC595 thường dùng trong các mạch quét led 7, led matrix …để tiết kiệm số chân VDK tối đa (3 chân)

Ưu điểm:

– Tiết kiệm chân cho vi điều khiển

– Dễ dàng kết nối với LED

2.1.9 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Hình 2.10 Thiết kế mạch trên Proteus

Các khâu trong mạch đo xử lý tín hiệu:

– Khâu điều khiển: Arduino Nano

– Khâu cảm biến: Cảm biến hồng ngoại

– Khâu hiển thị: Led 4 thanh 7 đoạn

IC 74HC595

Sơ đồ nối dây:

– Chân A0, A1, A2 của Arduino lần lượt nối với chân DS, ST_CP, SH_CP của

IC

– Chân D4 nối với chân OUTPUT của cảm biến