Đồ án tốt nghiệp xử lý ảnh LÊ ĐỨC TOÀN

Mô hình sử dụng vi xử lý và phần mềm Matlab để điều khiển và giám sát quá trình chiết rót nước theo đúng mực nước đã được thiết lập sẵn.Việc rót nước thông qua một van điện từ 24VDC loại điều khiển ONOFF để đóng mở nước, biến tần được sử dụng để điều khiển và bảo vệ động cơ kéo băng chuyền. Mô hình có sử dụng một cảm biến hồng ngoại để phát hiện chai, cảm biến đo khoảng cách SRF05dùng để đo mực nước trong bồn chứa.

MỤC LỤC

Chương I: Mở đầu 5

1.1 Giới thiệu đề tài 5

1.2 Tầm quan trọng và mục đích của đề tài 5

1.3 Ý nghĩa của đề tài 5

1.4 Ưu, Nhược điểm của đề tài 5

Chương II: Tổng quan về lý thuyết 6

2.1 Lý thuyết về xử lý ảnh 6

2.1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh 6

2.1.2 Giới thiệu ảnh số 7

2.1.3 Các vấn đề trong xử lý ảnh 7

2.2 Lý thuyết về phần mềm Matlab 10

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab 10

2.2.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab 10

2.2.3 Hệ thống Matlab 11

2.3 Lý thuyết về Biến Tần 11

2.3.1 Khái niệm Biến Tần 11

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của Biến Tần 12

2.3.3 Lợi ích của việc sử dụng Biến Tần 12

2.4 Lý thuyết về vi xử lý họ 8051 13

2.4.1 Chức năng chân của vi xử lý 8051 13

2.4.2 Giới thiệu về Ngắt : 14

2.5 Lý thuyết về phần mềm lập trình Keil C 14

2.5.1 Cấu trúc một chương trình : 14

2.5.2 Các loại biến trong C : 15

3.4.1 Biến tần 19

3.4.1 Cảm biến hồng ngoại 20

3.4.2 Van điện từ đóng mở nước 20

3.4.3 Mạch giao tiếp giữa máy tính và Vi Xử Lý 21

3.4.4 Camera 21

3.4.5 Máy tính 21

3.4.6 Phần mềm 21

3.4.7 Vi xử lý 21

3.4.8 Cảm biến đo khoảng cách SRF05 21

Chương IV: Phương pháp xử lý ảnh 24

4.1 Phương pháp xử lý ảnh 24

4.2 Lưu đồ xử lý ảnh 28

Chương V: Thiết kế và thi công 29

5.1 Thi công mạch 29

5.1.1 Mạch giao tiếp giữa vi xử lý và máy tính 29

5.1.2 Mạch cảm biến hồng ngoại 30

5.1.3 Mạch vi xử lý điều khiển trung tâm: 31

5.2 Chương trình Matlab xử lý ảnh 34

5.2.1 Giới thiệu một số lệnh sử dụng trong đề tài 34

5.2.2 Chương trình xử lý ảnh 34

5.3 Cài đặt biến tần Sinamics G110 35

5.3.1 Kết nối phần cứng biến tần Sinamics G110 35

5.3.2 Cài đặt biến tần 37

5.4 Code vi xử lý 37

5.4.1 Code của Vi Xử Lý trung tâm 37

5.4.2 Code của Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05: 37

Chương VI: Kết quả thực hiện và hướng phát triển đề tài 38

6.1 Kết quả thực hiện 38

6.2 Giải pháp mở rộng 38

6.3 Hướng phát triển của đề tài 38

Chương VII: Tài liệu tham khảo 40

Phụ lục 41

Code của phần Guide: 41

Code Serial_Callback.m là chương trình phục vụ sự kiện của Matlab khi nhận được một dữ hiệu từ vi điều khiển truyền lên: 63

Cài đặt thông số biến tần: 64

Code của Vi Xử Lý trung tâm: 68

Code của Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05 74

Mục lục hình ảnh

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối phần cứng 16

Hình 3.2 : Lưu đồ hoạt động của mô hình 17

Hình 3.3: Sơ đồ khối chính của mô hình 18

Hình 3.4: Module cảm biến SRF05 22

Hình 3.5: Kết nối chân ở chế độ Trigge/Echo qua chân đơn 22

Hình 3.6: Kết nối chân cho chế độ Trigger/Echo qua chân đôi 23

Hình 4.1: Dải màu của ánh sáng trắng đi qua lăng kính 24

Hình 4.2: Ảnh chai nước với dung dịch màu xanh lá cây 25

Hình 4.3 : Ảnh của chai nước sau khi đã tách lớp 25

Hình 4.4: Ảnh chai nước sau khi xử lý thành ảnh trắng đen 26

Hình 4.5: Kết quả sau khi xử lý 26

Hình 4.6: Hiện tượng dính ướt và không dính ướt 27

Hình 4.7: Lưu đồ xử lý ảnh 28

Hinh 5.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch giao tiếp máy tính 29

Hình 5.2 Mạch thực tế nhóm đã hoàn thành 29

Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến hồng ngoại 30

Hình 5.4: Mạch thực tế của cảm biến hồng ngoại 30

Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý tổng thể 31

Hình 5.6: Mạch thực tế của vi xử lý 31

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý Chip đo cảm biến 32

Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý Chip trung tâm 32

Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý phần điều khiển OPTO 33

Hình 5.10: Giao diện của chương trình xử lý ảnh 34

Hình 5.11: Khóa DIP của Biến Tần 36

Chương I: Mở đầu

1.1Giới thiệu đề tài

Tên đề tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

Mô hình sử dụng vi xử lý và phần mềm Matlab để điều khiển và giám sát quá trìnhchiết rót nước theo đúng mực nước đã được thiết lập sẵn.Việc rót nước thông qua mộtvan điện từ24VDC loại điều khiển ON/OFF để đóng mở nước, biến tần được sử dụng đểđiều khiển và bảo vệ động cơ kéo băng chuyền Mô hình có sử dụng một cảm biến hồngngoại để phát hiện chai, cảm biến đo khoảng cách SRF05dùng để đo mực nước trongbồn chứa

1.2Tầm quan trọng và mục đích của đề tài

Trong dây chuyền sản xuất nước đóng chai thì khâu chiết rót nước là một phầnquan trọng không thể thiếu Hiện nay trong công nghiệp, trong khâu chiết rót nướcthường dùng bộ đong cơ khí hay đong theo thời gian trễ cố định Ưu điểm của cách trên

là tốc độ nhanh, rót được mọi loại chaituy nhiên cũng có nhược điểm:

- Bộ đong cơ khí thì khó khăn trong chế tạo, giá thành sản xuất cao,tốn không giancho dây chuyền để lắp đặt và tốn chi phí bảo trì Khi thay đổi hình dạng, kíchthước chai thì cần phải thay đổi bộ đong cơ khí

- Đong theo thời gian trễ cần khâu kiểm tra sau khi rót nước

Do vậy nhóm em xin trình bày một cách khác trong khâu chiết rót nước là sử dụng

xử lý ảnh và Matlab để giám sát và điều khiển quá trình rót nước

1.3Ý nghĩa của đề tài

Ứng dụng một tính năng khác của công nghệ xử lý ảnh và Matlab vào sản xuất.Giúp tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa hệ thống trong quy trình sản xuất nước đóng chai

Từ đó tiết kiệm được công và chi phí trong việc bảo trì

1.4Ưu,Nhược điểm của đề tài

Ưu điểm của đề tài là sử dụng xử lý ảnh và Matlab để giám sát và điều khiển quátrình rót nước, vì thế loại bỏ được khâu kiểm tra sau khi rót nước Hơn nữa, vừa thựchiện rót nước và vừa kiểm tra nên mô hình đơn giản và tiết kiệm được chi phí chế tạophần cứng Đặc biệt khi thay đổi về hình dạng chai cũng như kích thước thì không cần

Chương II: Tổng quan về lý thuyết.

2.1 Lý thuyết về xử lý ảnh.

2.1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh.

Xử lý ảnh là một ngành khoa học còn mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác,nhất là trên quy mô công nghiệp Để có thể hình dung cấu hình của một hệ thống xử lýảnh, ta cần thiết xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh

Trước hết là quá trình thu nhận ảnh Ảnh có thể thu nhận qua Camera Thường ảnh thu nhận qua Camera là tín hiệu tương tự, nhưng cũng có thể là tín hiệu số hóa

Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng, hay ảnh, tranh được

quét trên scanner

Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ như tăng cường

nâng cao chất lượng ảnh, khôi phục ảnh, phát hiện các đặc tính biên, phân vùng ảnh,

trích chọn các đặc tính…

Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp

hay các quyết định khác Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả như

hình trên

 Bộ xử lý tương tự (analog processor): Bộ phận này thực hiện các chức năng sau:

- Chọn camera thích hợp nếu hệ thống có nhiều camera

Nhậndạng

Hệ quyđịnh

Lưu trữ

Lưu trữ

- Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table-LUT).

 Bộ xử lý ảnh số (digital processor) gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc,

trích chọn đường bao, nhị phân hóa ảnh Các bộ xử lý ảnh này làm việc với tốc độ1/25 giây

 Máy chủ: đóng vai trỏ điều khiển các thành phần mô tả ở trên.

 Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng như các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao

cho các quá trình khác, nó cần được lưu trữ Để có một ước lượng, xét ví dụ sau:một ảnh đen trắng cỡ 512x512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes Với một ảnhmàu cùng kích thước dung lượng sẽ tăng gấp 3 lần

 Ảnh đen trắng: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 1 bit, các ảnh này đôi khi còn

được gọi là Bi-Level hoặc Bi-tonal images

 Ảnh Gray-scale: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác nhau,

thường thì ảnh này được biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểmảnh

 Ảnh màu: Mỗi điểm ảnh màu được chia ra gồm nhiều điểm ảnh chói và các tín

hiệu màu

2.1.3 Các vấn đề trong xử lý ảnh.

2.1.3.1Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh

Ảnh thực tế là một dảy liên tục về không gian và về giá trị độ sáng Để có thể xử lýảnh bằng máy tính thì cần thiết phải tiến hành số hóa Trong quá trình số hóa, hình ảnhđược biến đổi từ liên tục thành rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu và lượng hóa thànhphần giá trị mà về nguyên tắc bằng mắt thường không thể phân biệt hai điểm kề nhau.Trong quá trình này người ta sử dụng khái niệm Picture Element mà ta hay quen gọi hayviết là Pixel- Phần tử ảnh

Như vậy ảnh là một tập hợp các pixel Khi được số hóa, nó thường được biểu diễnbởi bảng hai chiều i(n,p) với n: dòng ; p: cột Ta nói ảnh gồm “n x p” pixels Người ta

Mức xám là kết quả sự mã hóa tương ứng của một cường độ sáng của mỗi điểmảnh với 1 giá trị số - kết quả của quá trình lượng hóa Cách mã hóa kinh điễn thườngdùng 16, 32 hay 64 mức Mã hóa 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật Vì

(0, 1, …, 256), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mả hóa bởi 8 bit

2.1.3.3 Biểu diễn ảnh

Tronh biễu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixels.Nhìn chung có thể xem một hàm hai chiều chứa các thông tin như biểu diễn của một ảnh.Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả logic hay định lượng các tính chất của hàmnày Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn

“thông minh” để cho chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý

Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mẫu hóa và lượng tử hóa Việc lượng tửhóa ảnh là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của một ảnh đã lấy mẫu sangmột số hữu hạn mức xám

Một số mô hình thường được dùng trong biễu diễn ảnh: mô hình toán, mô hìnhthống kê Trong mô hình toán, ảnh 2 chiều được biểu diễn nhờ các hàm hai biến trựcgiao gọi là các hàm cơ sở Với mô hình thống kê, một ảnh được coi như một phần tử củamột tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phương sai,moment…

2.1.3.4 Tăng cường ảnh- Khôi phục ảnh

Tăng cường lá bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh Nó gồm một loạt các kỹthuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu…

Khôi phục ảnh nhằm loại bỏ các suy giảm trong ảnh Với một hệ thống tuyến tính,ảnh của một đối tượng có thể được biểu diễn:

Trong đó:

Là hàm biểu diễn nhiễu cộng

Là hàm biễu diễn đối tượng

Là ảnh thu nhận

Là hàm tán xạ điểm.

Một vấn đề khôi phục ảnh tiêu biểu là tìm một xấp xỉ của khi hàm tán xạđiểm có thể đo lường hay quan sát được, ảnh mờ và các tính chất xác suất của quá trìnhnhiễu

2.1.3.5Biến đổi ảnh

Thuật ngữ biến đổi ảnh thường được dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn vị vàcác kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh Cũng như các tín hiệu một chiều được biểu diễn bởimột chuỗi các hàm cơ sở, ảnh cũng được biểu diễn bởi một chuỗi rời rạc các ma trận cơ

sở gọi là ảnh cơ sở Phương trình ảnh cơ sở có dạng :

Với là cột thứ k của ma trận A, A là ma trận đơn vị Có nghĩa là

Các định nghĩa ở trên với k,l = 0, 1, …, N-1 là ảnh cơ sở Có nhiều loại biến đổiđược dùng như:

- Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard…

Ma trận khối là ma trận mà các phần tử của nó lại là một ma trận

2.1.3.6Phân tích ảnh

Phân tích ảnh có liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của ảnh để đưa

ra một mô tả đầy đủ về ảnh Các kỹ thuật ở đây nhằm xác định biên của ảnh Có nhiều

kỹ thuật như lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động

Người ta cũng dùng các kỹ thuật để phân vùng ảnh Từ ảnh thu được, người ta tiếnhành kỹ thuật tách hay hợp dựa theo các tiêu chuẩn đánh giá như: màu sắc, cường độ…các phương pháp được biến đến như Quad- Tree, mảnh hóa nhị biên, nhị hóa đườngbiên

- Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc).

Trên thực tế, ngời ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đốitượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ códấu)

Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy phục vụ cho việc tự động hoá quá trình đọc tàiliệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính

Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ, )phục vụ cho nhiều lĩnh vực

Ngoài 2 kỹ thuật nhận dạng trên, hiện nay một kỹ thuật nhận dạng mới dựa vào kỹthuật mạng nơ-ron đang được áp dụng và cho kết quả khả quan

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab.

MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công tyMathWorks MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồthông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với nhữngchương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giảnhóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyềnthống như C, C++ và Fortran

MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh,truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính,hay tính toán sinh học Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trườngcông nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoahọc

2.2.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab.

Matlab là một hệ thống tương giao, các phần tử dữ liệu là một mảng (mảng nàykhông đòi hỏi về kích thước) Chúng cho phép giải quyết các vấn đề liên quan đến lậptrình bằng máy tính, đặc biệt sử dụng các phép tính về ma trận hay vectơ và có thể sửdụng ngôn ngữ C hoặc Fortran lập trình rồi thực hiện ứng dụng lập trình đó bằng các câu

lệnh gọi từ Matlab Matlab được viết tắt từ chữ “MATrix LABoratory” tức là thư viện

về ma trận, từ đó phần mềm Matlab được viết nhằm cung cấp cho việc truy cập vào phầnmềm ma trận một cách dễ dàng, phần mềm ma trận này được phát triển bởi các côngtrình Linpack và Eispack Ngày nay Matlab được phát triển bởi Lapack và Artpack tạonên một nghệ thuật phần mềm cho ma trận

 Dữ liệu

Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), và có cáckiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:

Kiểu đơn single, kiểu này có lợi về bộ nhớ dữ liệu vì nó đòi hỏi ít bite nhớ

hơn, kiểu dữ liệu này không được sử dụng trong các phép tính toán học vì độchính xác kém hơn

Kiểu Double, kiểu này là kiểu thông dụng nhất trong các biến của Matlab Kiểu Sparse.

Kiểu uint8, uint16, uint 64…

Kiểu char VD “Hello”.

Kiểu Cell.

Kiểu Structure.

Trong Matlab kiểu dữ liệu Double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính

số học

 Toolbox là một công cụ quan trọng trong Matlab

Công cụ này được Matlab cung cấp cho phép bạn ứng dụng các kỹ thuật để phântích, phân tích và mô phỏng các mô hình

Ta có thể tìm thấy toolbox trong môi trường làm việc của:

Mạng Nơron.

Logic mờ.

Simulink.

2.2.3 Hệ thống Matlab.

Hệ thống giao diện của Matlab được chia thành 5 phần:

 Môi trường phát triển

Đây là nơi các thanh công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh vàcác file, ta có thể liệt kê một số như sau:

lệnh, các hàm, các cấu trúc dữ liệu vào, có thể lập trình hướng đối tượng.

 Đồ họa trong Matlab Bao gồm các câu lệnh thể hiện đồ họa trong môi trường 2D

và 3D, tạo các hình ảnh chuyển động, cung cấp các giao diện tương tác giữangười sử dụng và máy tính

 Giao tiếp với các ngôn ngữ khác, Matlab cho phép tương tác với các ngôn ngữkhác như C, Fortran…

2.3 Lý thuyết về Biến Tần.

2.3.1 Khái niệm Biến Tần.

Biến tần là một thiết bị được dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ điện xoaychiều bằng cách điều khiển tần số của điện năng cung cấp cho động cơ

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của Biến Tần.

Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thànhnguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và

tụ điện Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộcvào tải và có giá trị ít nhất 0.96 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thànhđiện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệIGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung(PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần sốchuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ vàgiảm tổn thất trênlõi sắt động cơ

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số

vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luậtnhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mômen không đổi, tỉ số điện áp - tần

số là không đổi Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4 Điện áp làhàm bậc 4 của tần số Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phùhợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện

áp Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiệnbán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụxấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rấtnhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau Ngày naybiến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rấtphù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA

2.3.3 Lợi ích của việc sử dụng Biến Tần.

TIẾT KIỆM ĐIỆN

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh

kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại Chính vì vậy, năng lượng tiêu

thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống

Qua tính toán với các dữ liệu thực tế, với các chi phí thực tế thì với một động cơ

sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho một bộ biến tần là khoảng từ 3

tháng đến 6 tháng

Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển

hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ

truyền động cho bơm và quạt

CÁC LOẠI TẢI NÊN SỬ DỤNG BIẾN TẦN ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN

1 Phụ tải có mô mem thay đổi (điều hòa trung tâm, bơm cấp nước, bơm quạt mát, )

2 Động cơ luôn chạy non tải mà không thể thay động cơ được thì phải lắp thêm biến tần

Cổng nối tiếpNguồn ngắt

4K byte

128 byte23216

2.4.1 Chức năng chân của vi xử lý 8051

Là IC đóng vỏ dạng DIP có 40 chân, mỗi chân có một kí hiệu tên và có các chức năng

như sau:

Chân 40: nối với nguồn nuôi +5V

Chân 20: nối với đất (Mass, GND)

Chân 29 (PSEN) (program store enable): là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho

phép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân của OE (Outout Enable) của

EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình Các xung tín hiệu PSEN hạ

thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh Những mã nhị phân của chương trình đượcđọc từEPROM đi qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh

Chân 30 (ALE: Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho

Vào ra tức là có thể dùng chân đó để đọc mức logic (0;1 tương ứng với 0V ; 5V) vào hayxuất mức logic ra(0;1)

P0: từ chân 39 32 tương ứng là các chân P0_0 P0_7

P1: từchân 1 8 tương ứng là các chân P1_0 P1_7

P2: từchân 21 28 tương ứng là các chân P2_0 P2_7

P3: từchân 10 17 tương ứng là các chân P3_0 P3_7

Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là : 11.0592Mhz (giao tiếp với cổng

COM máy tính) và 12Mhz Tần số tối đa 24Mhz Tần số càng lớn VĐK xử lí càng nhanh

Một chương trình chính không có ngắt thì chạy liên tục, còn chương trình có ngắt thì cứkhi nào điều kiện ngắt được đảm bào thì con trỏ sẽ nhảy sang hàm ngắt thực hiện xonghàm ngắt lại quay về đúng chỗcũvà thực hiện tiếp chương trình

unsigned char x,y;

Các lời giải thích được đặt trong dấu: Mở đầu bằng “/*” kết thúc bằng “*/”

Nếu lời giải thích trên 1 dòng thì có thể dùng dấu: “//”

2.5.2 Các loại biến trong C :

Long 32 4 -2147483648 đến +2147483647

Ngoài ra để dùng cho vi điều khiển trình dịch chuyên dụng còn hỗ trợ các loại biến sau:

Chương III: Lưu đồ giải thuật.

3.1 Yêu cầu hoạt động

Mô hình được điều khiển và giám sát thông qua một giao diện trên máy tính Yêu

cầu của mô hình là chiết rót nước đúng với mực nước đã được thiết lập sẵn, đồng thời

thu thập dữ liệu trong quá trình hoạt động của mô hình như: mực nước chai, mực nước

bồn, số lượng chai…

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối phần cứng.

3.2Lưu đồ hoạt động của mô hình:

Hình 3.2 : Lưu đồ hoạt động của mô hình.

3.3 Các khối chính trong mô hình:

Hình 3.3: Sơ đồ khối chính của mô hình.

2,3 ( )

3,2 ( )

3,9 ( )

6,0 ( )

7,8 ( )

11,0 ( )

13,6 ( )

x=U là loại không có bộ lọc

y=A là loại tương tự y=U là loại USS

Các đầu dây điều khiển:

Cảm biến hồng ngoại có một bộ phận phát, một phận thu Khi hồng ngoại bị che đilàm bộ phận thu không nhận được tín hiệu và cho ra mức điện áp 0, khi nhận được tínhiệu thì bộ phận thu cho ra mức điện áp 1 Các mức điện áp này sẽ được đưa tới mộtphận xử lí logic và cho ra kết quả Để tránh ảnh hưởng từ tia hồng ngoại của môi trườngthì bộ phận phát sẽ phát ra tia hồng ngoại có tần số riêng hoặc mang theo một tín hiệulogic nào đó mà chỉ phần thu mới nhận biết được

3.4.2 Van điện từ đóng mở nước

Van có một cuộn dây, khi cuộn dây được cấp điện thì đóng vai trò như một namchâm hút mở tiếp điểm, lúc này van đổi trạng thái từ đóng sang mở Khai ngắt điện,không còn dòng điện chạy qua cuộn dây, tiếp điểm được nhả ra, van chuyển về trạng tháiđóng

Trong mô hình van được đóng mở bởi Vi Xử Lý thông qua một Relay trung gian

Điện áp đóng mở van là 24VDC

3.4.3 Mạch giao tiếp giữa máy tính và Vi Xử Lý

Để truyền tín hiệu từ phần mềm Matlab trên máy tính xuống vi xử lý và ngược lại

thì cần có mạch giao tiếp Mạch giao tiếp sử dụng IC PL2303 để chuyển đổi cổng giao

tiếp từ USB sang RS 232

3.4.4 Camera

Camera được đặt sao cho quan sát được phần cổ chai Camera liên tục chụp ảnh từchai nước và gửi về máy tính xử lý thông qua phần mềm Matlab Khi mực nước đạt đếnmức quy định thì Matlab sẽ truyền tín hiệu xuống Vi Xử Lý để ngắt van nước

3.4.5 Máy tính.

Đóng vai trò trung tâm, là nơi thu nhận tín hiệu camera và xử lý, lập trình Matlabđồng thời đóng vai trò giám sát và điều khiển

3.4.6 Phần mềm.

Mô hình xử dụng 2 phần mềm là Keil C và Matlab

 Matlab đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ảnh thu nhận từ camera và truyền tín hiệu xuống vi xử lý khi tín hiệu camera thu về đạt đến mốc đặt trước

 Keil C là phần mềm dùng để lập trình cho vi xử lý họ 8051

3.4.7 Vi xử lý

Đóng vai trò trung tâm, là nơi nhận dữ liệu từ máy tính truyền xuống và là nơitruyền dữ liệu từ cảm biến đo khoảng cách SRF05 về máy tính, đồng thời nhận tín hiệu

từ cảm biến quang để điêu khiển động cơ và van

3.4.8 Cảm biến đo khoảng cách SRF05.

Được gắn trên bồn nước, đóng vai trò giám sát mực nước trong bồn và truyền dữ

liệu về máy tính thông qua vi xử lý

3.4.8.1Giới thiệu về cảm biến đo khoảng cách SRF05

Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phátsiêu âm Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm Sóng siêu âm từ đầuphát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạngược trở lại và được đầu thu ghi lại Vận tốc truyền âm thanh trong không khí là mộtgiá trị xác định trước, ít thay đổi Do đó nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phátsóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tớivật thể Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4 mét

Hình 3.4: Module cảm biến SRF05.

SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE Nốihoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông quagiao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO

3.4.8.2Các chế độ của cảm biến đo khoảng cách SRF05

Cách 1: Tách riêng chân TRIGGER và ECHO (tương thích với cảm biến SRF04)

Modun cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt Khi chânMODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhận mứcđiện áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER và ECHO cho việcđiều khiển hoạt động của cảm biến

Hình 3.5: Kết nối chân ở chế độ Trigge/Echo qua chân đơn.

Từ hình vẽ mô tả trên, để điều khiển SRF05 ở MODE1 cần cấp cho chânTRIGGER một xung điều khiển với độ rộng tối thiểu 10uS Sau đó một khoảng thời

Nguồn 5V Không kết nối Ngõ vào Trigger, ngõ ra Echo

Mode (nối đất) 0V nối đất

Chân lập trình Được sử dụng một lần duy nhất trong sản xuất

để lập trình PIC.

Không kết nối những chân này

gian, đầu phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm, vi xử lý tích hợp trên modun sẽ tựxác định thời điểm phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm Vi xử lý tích hợp này sẽ đưakết quả thu được ra chân ECHO Độ rộng xung vuông tại chân ECHO tỉ lệ với khoảngcách từ cảm biến tới vật thể.

Cách 2: Sử dụng một chân cho cả TRIGGER và ECHO

Ở chế độ này, một chân của vi xử lý sẽ điều khiển quá trình phát xung của cảmbiến siêu âm và việc đọc tín hiệu trả về Yêu cầu lúc đó chân MODE cần được nối đất(GND) Đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chân TRIGGER-ECHO(chân số 3) của cảm biến Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điềukhiển đầu phát siêu âm Sau 700uS kể từ lúc kết thúc tín hiệu điều khiển, từ chânTRIGGER-ECHO có thể đọc ra một xung mà độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biếntới vật thể

Hình 3.6: Kết nối chân cho chế độ Trigger/Echo qua chân đôi.

Nguồn 5V Ngõ ra Echo Ngõ vào Trigger Mode (không kết nối)

0V nối đất

Chân lập trình Được sử dụng một lần duy nhất trong sản xuất

để lập trình PIC.

Không kết nối những chân này

Chương IV: Phương pháp xử lý ảnh.

4.1 Phương pháp xử lý ảnh.

Màu sắc là gì?

- Màu sắc là ánh sáng

- Màu sắc mà chúng ta phân biệt từ ánh sáng là những cảm giác

- Màu của vật thể mà ta cảm nhận được là sự cộng hưởng của màu ánh sáng với màucủa bản thân vật thể đó, màu của các sự vật lân cận tác động vào, màu của bầu khíquyển đang bao bọc xung quanh đó nữa

- Theo quang học: Khi luồng áng sáng trắng đi qua lăng kính mặt trời thì tách ra 7 sắcgồm: vàng, cam, đỏ, lục, lam, chàm, tím

- Trong hội hoạ thì màu là những chất liệu cụ thể do những sắc tố được chiết ra từkhoáng chất, hoá chất, thảo mộc > màu sắc tố

- Đen trắng: Màu vô sắc

Hình 4.1: Dải màu của ánh sáng trắng đi qua lăng kính

Dựa vào bảng phân tích màu trong các phần mềm đồ họa thì một màu sẽ được tổng hợp từ 3 màu cơ bản đó là red (đỏ), green (xanh lá cây) và blue (xanh da trời)

Với bảng thông số này cho ta ý nghĩa là một bức ảnh màu khi ta phân tích ra thì nó

là tổng hợp từ 3 màu cơ bản như trên

Dựa vào tính chất trên ta có thể dùng phần mềm matlab để phân tích, một cameradùng để thu thập hình ảnh vào, các bức ảnh thu vào là loại ảnh màu RGB vì vậy ta sẽtách lớp ra Việc tách lớp nào sẽ phụ thuộc vào ảnh màu của ảnh đó và màu của ảnh nền

Ví dụ như ta chọn nền là màu trắng sữa, còn chất lỏng ta rót có màu xanh lá cây Vìnền màu trắng sữa có tỉ lệ 3 màu thành phần là 255:255:255 (đối với ảnh 8 bit).

Còn màu xanh lá cây sẽ có tỉ lệ 3 màu thành phần là 0:225:0 vì vậy để máy tínhphân biệt được vùng nào là có màu xanh lá cây của chất lỏng thì ta sẽ tách lớp 1 hoặc lớpthứ 3 của bức ảnh thì những chỗ có màu xanh lá cây thì màu hoàn toàn bị mất đi Từ đó

ta sẽ suy ra được mực nước đang có trong chai

Hình 4.2: Ảnh chai nước với dung dịch màu xanh lá cây

Hình 4.3 : Ảnh của chai nước sau khi đã tách lớp

Hình 4.4: Ảnh chai nước sau khi xử lý thành ảnh trắng đen.

Hình 4.5: Kết quả sau khi xử lý.

Đó là đối với các loại ảnh có màu sắc Nhưng với một trường hợp khác là nước tarót là nước tinh khiết trong suốt không màu thì làm sao ta có thể phân biệt được

Nhờ vào hiện tượng dính ướt và không dính ướt của chất liệu chai và dung dịch rót.Đối với trường hợp chai và dung dịch rót dính ướt ví dụ như nước tinh khiết vớichai nhựa thì trong trường hợp này lực hút giữa các phân tử nhựa tác động lên phân tửnước sẽ lớn hơn lực hút giữa các phân tử nước với nhau nên ngay tại thành bình củatrường hợp dính ướt mực chất lỏng sẽ dâng cao hơn mực nước bình thường

Hình 4.6: Hiện tượng dính ướt và không dính ướt.

Còn đối với trường hợp không dính ướt như thủy ngân rót vào chai thủy tinh thìmực chất lỏng ở thành bình sẽ giảm hơn so với ở giữa bình Vì lực hút giữa thành bìnhthủy tinh với chất lỏng thủy ngân nhỏ hơn so với lực hút giữa các phân tử thủy ngân vớinhau nên khối chất lỏng bên trong sẽ có xu hướng co lại do hiện tượng căng bề mặc chấtlỏng

Mặc dù ở bất cứ trường hợp nào dù là cong hay lỏm thì lượng ánh sáng đi qua lớpnày sẽ bị phân tán hoặc hội tụ làm giảm cường độ ánh sáng đi tới camera Nên nênchúng ta tách lớp ảnh sẽ phát hiện được vùng đặc biệt này, và đó chính là mực nước củachai nước tinh khiết

Hình 4.7: Lưu đồ xử lý ảnh.

Chương V: Thiết kế và thi công.

5.1Thi công mạch.

5.1.1 Mạch giao tiếp giữa vi xử lý và máy tính

Hinh 5.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch giao tiếp máy tính

Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến hồng ngoại

Hình 5.4: Mạch thực tế của cảm biến hồng ngoại

5.1.3 Mạch vi xử lý điều khiển trung tâm:

Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý tổng thể.

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý Chip đo cảm biến.

Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý Chip trung tâm.

Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý phần điều khiển OPTO

5.2 Chương trình Matlab xử lý ảnh.

5.2.1 Giới thiệu một số lệnh sử dụng trong đề tài.

 Lệnh hiển thị camera có sẵn trên máy tính:

 Giao diện của chương trình Matlab xử lý ảnh từ camera:

Hình 5.10: Giao diện của chương trình xử lý ảnh.

 Code của phần Guide:

Phục vụ cho tất cả các việc mình thao tác trên guide như các sự kiện nhấn nút hayhiển thị, đồng thời có nhiệm vụnhận dữ liệu từ camera, chuyển đổi hình ảnh thu nhậnđược (là ảnh màu) sang ảnh trắng đen để phân tích ảnh và phát hiện mực nước song songvới việc truyền nhận dữ liệu với vi xử lý để điều khiển hoạt động của mô hình, tính toán

và hiển thị các thông số lên giao diện

5.3 Cài đặt biến tần Sinamics G110.

5.3.1 Kết nối phần cứng biến tần Sinamics G110

Bộ biến tần SINAMICS G110 được cài đặt mặc định khi xuất xưởng (các thông sốđộng cơ P0304, P0305, P0307, P0310), cho các ứng dụng điều khiển U/f chuẩn trên cácđộng cơ không đồng bộ 4 cực của Siemens 1LA Vì thông số định mức của các động cơnày phù hợp với thông số của các biến tần

Chế độ điều khiển V/f P1300 = 0 (V/f với đặc tính tuyến tính)

Cài đặt cụ thể cho dạng tương tự:

chuẩn Siemen

Khóa chuyển mạch DIP:

Tần số định mức mặc định cho động cơcủa bộbiến tần SINAMICS G110 là 50 Hz.Đối với động cơ được thiết kế chạy ởtần số định mức 60Hz, các bộbiến tần có thể đượcđặt ởtần sốnày nhờbằng một khoá chuyển mạch DIP 50/60 Hz

Cần phải xác định biến tần cuối cùng trên bus mạng Để thực hiện điều này, đặt cáckhóa DIP tắt bus (khóa DIP 2 và 3) trên mặt trước của biến tần ở vịtrí “Bus Termination”(vị trí ON) Một đầu nối chung có hiệu điện thế 0V (đầu dây 10) cần phải được nối giữatất cả các thiết bị trên bus USS

Hình 5.11: Khóa DIP của Biến Tần.

5.3.2 Cài đặt biến tần

Biến tần trong mô hình có vai trò tạo một tốc độ động cơ ổn định và không thay đổitrong suốt quá trình mô hình hoạt động Biến tần còn có vai trò như là một bộ phận hãm băng chuyền chính xác để chai nước có thể vào đúng vị trí yêu cầu

5.4 Code vi xử lý

5.4.1 Code của Vi Xử Lý trung tâm.

Code của vi xử lý trung tâm là để thu nhận tín hiệu truyền từ máy tính và từ các

cảm biến để điều khiển chạy, dừng băng chuyền Đồng thời truyền ngược lên máy tính

các thông số của hệ thống như số lượng chai, trạng thái băng chuyền, trạng thái van…

5.4.2 Code của Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05:

Do vi xử lý trung tâm sử dụng rất nhiều lệnh ngắt cho nhiều hoạt động khác nhau,

nên để đảm bảo việc truyền nhận dữ liệu một cách trôi chảy thì nhóm sử dụng thêm một

vi xử lý nữa để giao tiếp với cảm biến đo khoảng cách, tính toán ra giá trị khoảng cách

của mực nước trong bồn từ tín hiệu mà cảm biển đo khoảng cách SRF05 truyền về Và

truyền giá trị đó về vi xử lý trung tâm