Đồ án: XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN BIẾT SẢN PHẨM SỬ DỤNG CẢM BIẾN MÀU SẮC (có code đầy đủ)

Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưuviệt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưở

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường

Sinh viên thực hiện:

Hà Nội-2020

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Giáo viên chấm phản biện Mục Lụ Mục Lục 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 6

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống 8

1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 8

a Sơ đồ khối hệ thống 8

2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 8

3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 17

4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 19

5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có) 19

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 20

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của conngười đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục

vụ công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt góp phần vào sự pháttriển đó thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng vàphát triển đất nước Trong đó môn kỹ thuật vi điều khiển được phát triển mạnh dựatrên những tiến bộ của công nghệ tích hợp các linh kiện bán dẫn và hệ lập trình có bộnhớ kết hợp với máy tính điện tử Từ những thời gian đầu phát triển đã cho thấy sự ưuviệt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm.Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thểthành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho conngười

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn viđiều khiển em sau một thời gian học tập được các thầy, cô giáo trong khoa giảng dạy

về các kiến thức chuyên nghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy em đã

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO

MÀU SẮC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN”.

Cùng với sự nỗ lực của em và sự chỉ bảo tận tình của thầy, cô giáo hướng dẫnnhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không thểtránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến củathầy, cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Lý do chọn đề tài

Xét điều kiện cụ thể ở nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử dụngngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, giacông, chế biến sản phẩm Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất linhhoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa trên cơ

sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp Trong đó có một khâu quan trọng ảnhhưởng đến chất lượng sản phẩm là hệ thống phận loại và đếm sản phẩm

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phân loại và đếm sản phẩm theo màu sắc trongdây chuyền sản xuất tự động trong các nhà máy xí nghiệp của nước ta hiện nay

1.3 Mục đích nghiên cứu

- Khi nghiên cứu đề tài này em muốn vận dụng những sản phẩm công nghệ khoa

học tiên tiến áp dụng vào quá trình sản xuất tự động nhằm tạo ra năng suất, chất lượngcũng như giảm thiểu tối đa sức người trong sản xuất công nghiệp Mặt khác đây cũng

là mô hình để các bạn sinh viên khoá sau tham khảo và nghiên cứu phát triển hơn nữa

- Củng cố lại kiến thức lý thuyết đã được học tập nghiên cứu tại trường.

-Đây là đồ án để sinh viên hoàn thành chương trình học tập, nghiên cứu tại trường.Chứng minh khả năng, năng lực của bản thân để sau khi ra trường trở thành một kĩ sưgiỏi đóng góp nhiều cho nền công nghiệp nước nhà và xã hội

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Với giới hạn của đề tài: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNHPHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN” Em đisâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau đây:

+Tìm hiểu về vi điều khiển mà trọng tâm là Arduino mega 2560 phần cứng và tập

lệnh

+Tìm hiểu về bộ phận hiển thị, màn hình LCD.

+Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C Viết chương trình cho Arduino mega2560,

động cơ điện một chiều

+Tìm hiểu những phần mềm thiết kế mạch điện tử như Eagle, Proteus…

+Tìm hiểu về vật liệu cơ khí chế tạo khung hệ thống sản phẩm, vật liệu làm băng

chuyền, trục quay

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu thu thập thông tin thực tế liên quan tới hệ thống

- Phân tích, thiết kế và lập trình cho hệ thống

- Thử nghiệm và vận hành cho hệ thống.

1.6 Ý nghĩa và thực tiễn của đề tài

Hiện nay trong nhiều nhà máy và doanh nghiệp sản xuất như đóng nhãn sản phẩm,kiểm tra nguyên liệu đầu vào, sản phẩm đầu ra vẫn còn áp dụng công nghệ sản xuất lạchậu, chưa theo kịp với xu thế phát triển và đáp ứng được nhu cầu sản xuất trong nước

và trên thị trường quốc tế Chính vì thế em xin thực hiện đề tài: “NGHIÊN CỨUTHIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐẾM SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG

VI ĐIỀU KHIỂN” với mong muốn đưa ra giải pháp nhằm cải thiện quá trình sản xuấtsao cho giảm được chi phí nhân công, tăng năng suất mà vẫn đảm bảo được chất lượngsản phẩm, giảm giá thành sản phẩm để có thể cạnh tranh trên thị trường

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

a Sơ đồ khối hệ thống

b Chức năng của từng khối

 Khối cảm biến (sensor): là bộ phận giúp thiết bị thu nhận được các tín hiệu từ môitrường bên ngoài Khi có 1 sản phẩm đi qua thì khối này sẽ nhận biết được

 Khối hiển thị (LCD): có nhiệm hiển thị số sản phẩm mà khối cảm biến nhận đượccho người dùng biết

 Khối xử lý (arduino mega 2560): có nhiệm vụ điều hành chung hoạt động của toàn

bộ hệ thống Nhận tín hiệu từ khối cảm biến rồi phát tín hiệu tới khối hiển thị

 Khối nguồn: có nhiệm vụ cấp nguồn 1 chiều 5V ổn định cung cấp cho khối xử lýtrung tâm hoạt động

2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.1 Phân tích

Cảm biến quang điện hiện nay có khoảng 5 loại khác nhau:

a)Cảm biến quang Thu Phát Độc Lập (Through Beam):

Đặc điểm:

– Độ tin cậy cao

– Khoảng cách phát hiện xa: tối đa 60m (E3Z)

Khối xử lý trung tâm(Arduino mega 2560)

Khối hiển thị(LCD)

Khối nguồn

Khối cảm biến

(TCS3200)

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

– Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

Hình 2.2: Cảm biến quang thu phát độc lập

b Cảm biến quang thu phát chung – phản xạ gương (Retro Replective):Đặc điểm:

– Độ tin cậy cao

– Giảm bớt dây dẫn, phát hiện tối đa 15m

– Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng

Hình 2.3: Cảm biến quang thu phát chung-phản xạ gương

c Cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán (Diffuse Replective):

Đặc điểm:

– Dễ lắp đặt, phát hiện tối đa 2m

– Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền, …

Hình 2.4: Cảm biến quang thu phát chung-khuyếch tán

d Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

Đặc điểm:

– Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn

– Không bị ảnh hưởng bởi màu nền sau vùng cảm biến

– Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệu tiêu nền

Hình 2.5: Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn

e Cảm biến quang – loại phát hiện màu

Đặc điểm:

– Độ tin cậy cao

– Dễ sử dụng

– Có thể dạy cho cảm biến biết màu của vật (chức năng teach).

Hình 2.6: Cảm biến quang loại phát hiện màu

2.2 Lựa chọn cảm biến

Cảm biến màu là một thiết bị được sử dụng để “đọc” màu sắc của ánh sáng Cónhiều loại cảm biến màu khác nhau nhưng nhìn chung chúng đều hoạt động theo mộtnguyên lý cơ bản Cấu tạo chung của các cảm biến màu là chúng gồm các photodiode

để thu nhận ánh sáng Và để thu được màu sắc như mong muốn mỗi một tế bào củacảm biến sẽ được phủ một tấm lọc màu, ví dụ như một tấm lọc màu xanh sẽ chỉ choqua những tia sáng xanh hay tấm lọc màu đỏ sẽ chỉ cho qua các tia màu đỏ…Và để cóthể nhận dạng được màu sắc thì sẽ có bộ chuyển đổi từ tín hiệu quang sang tín hiệuđiện áp hay tần số

Cảm biến màu được ứng dụng trong rất nhiều thiết bị như là camera, màn hìnhmàu, trong các dây chuyền phân loại sản phẩm dựa theo màu sắc như phân loại vàkiểm tra led, điều khiển quá trình máy dán nhãn và máy in… và đặc biệt là trong chếtạo các thiết bị đo màu

Trong các thiết bị đo màu thì các cảm biến màu thường hay sử dụng là cảm biếnmàu RGB Cảm biến màu RGB sử dụng các tấm lọc màu Red, Green và Blue để có thể

“đọc” được 3 ánh sáng Red, Green và Blue (các ánh sáng cơ bản) từ chùm ánh sángchiếu tới nó

Cảm biến TCS3200 có bộ lọc màu, nó chỉ cho phép nhận biết một màu và các màukhác sẽ bị chặn lại

VD: khi lựa chọn các bộ lọc màu đỏ, Chỉ có ánh sáng tới màu đỏ có thể đượcthông qua, màu xanh và màu xanh lá cây sẽ được ngăn chặn, nên chúng ta nhận đượcánh sáng đỏ, và tương tự các màu khác cũng vậy

Cảm biến khi có ánh sáng chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độphân giải cao, sau đó tần số này được đưa vào một bộ chuyển đổi tần số

Tần số được tạo ra tương ứng với màu sắc của ánh sáng, tạo ra một tần số nhấtđịnh, tần số đầu ra này sau đó sẽ quyết định màu sắc đã cảm nhận được Vì vậy, về cơ

bản là ánh sáng đã được chuyển đổi thành một tần số Mỗi màu sắc có tần số riêng của

nó Vì vậy, đây là cách cảm biến này có thể phân biệt giữa các màu sắc

Hình 2.7: Cảm biến TCS3200

Đầu ra lựa chọn tần số đầu ra S0, S1

Đầu vào lựa chọn loại Photodiode S2, S3

Tần số đầu ra cho phép hoạt động thấp OE Pin

Hỗ trợ điều khiển ánh sáng LED

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của cảm biến TCS3200

Cảm biến màu TCS3200 là một loại cảm biến màu RGB của hãng TAOS có cấutạo bao gồm các photodiode silicon kết hợp với các tấm lọc Red, Green, Blue đồngthời chuyển đổi cường độ của các ánh sáng này sang tần số tương ứng (tần số ánh sáng

tỉ lệ thuận với cường độ của ánh sáng) tất cả được tích hợp trên một chip đơn

Hình 2.8: Sơ đồ khối chức năng

Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode Bao gồm 16 photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue), 16 photodiode có thể lọc màu

đỏ (Red), 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (Green) và 16 photodiode trắng không lọc (Clear) Tất cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau, và được đặt xen kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu.

+ Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có mầu sắc khác nhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có cùng màu với loại photodiode tương ứng và không tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác.

Hình 2.9: Cách phân bố màu sắc trên ma trận

Việc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2, S3:

Bảng 2.2: Cấu hình mức Low/Hight cho các chân

Khối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số:

Bảng 2.3: Cấu hình các chân S0, S1

Tần số đầu ra của linh kiện điện tử TCS3200 trong khoảng 2HZ~500KHZ Tần số đầu ra có dạng xung vuông với tần số khác nhau khi mà màu sắc khác nhau và cường độ sáng là khác nhau.

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

Ví dụ: Tần số khi S0 = H, S1=H - Fout = 500Khz thì:

S0=H, S1=L -Fout=100Khz

S0=L, S1=H -Fout=10Khz

S0=L, S1=L -Fout=0

 Nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử TCS3200:

Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng.

Ví dụ: Một vật thể có màu sắc đỏ khi được chiếu ánh sáng trắng thì những ánh sáng không nằm trong dải bước sóng màu đỏ sẽ bị vật thể hấp thụ Còn ánh sáng có bước sóng nằm trong dải màu đỏ sẽ bị phản xạ ngược trở lại Và khiến mắt ta nhận biết vật thể đó là màu đỏ.

Màu sắc bất kì được tổng hợp từ 3 mầu cơ bản Blue, Green, Red:

Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phối chộnmàu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue, Green, Red thì TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc

photodiode Blue, Green, Red và clear để nhận biết màu sắc vật thể

Với điều kiện test là ánh sáng có bước sóng λp = 470 nm(Dải màu Blue),λp = 524p = 470 nm(Dải màu Blue),λp = 470 nm(Dải màu Blue),λp = 524p = 524nm(dải màu Green),λp = 470 nm(Dải màu Blue),λp = 524p = 640 nm(dải màu Red) thì 4 bộ lọc photodiode sẽ cho ra tần sốkhác nhau.Tần số ra lớn nhất khi ánh sáng chiếu vào cảm biến cùng loại photodiodeđược chọn vì khi đó photodiode sẽ hấp thụ nhiều nhất

 Một số loại cảm biến hiện nay

Stt Loại cảm biến Thông số kỹ thuật Giá thành

1 Cảm biến quang thuphát chung – phản

xạ gương

-Loại: Cảm biến quang

phản xạ gương-Điện áp: 12-24VDC

±10%

-Dòng tiêu thụ: 35 mA-Khoảng cách phát

hiện: 2m

-Đối tượng phát

hiện: Min Ø25 mm (Đối

tượng trong suốt)

-Đối tượng phát

540,000 VND

Hình 2.10: Tổng hợp màu từ 3 màu cơ bản

hiện: Giấy trắng không bóng

(500 x 500 mm)

3 Cảm biến quang ThuPhát Độc Lập

-Loại: thu phát độc lập-Điện áp:

24-240VAC/DC±10%, 50/60Hz

-Khoảng cách pháthiện: 5m

-Ngõ ra: Relay - 2A/ 250V

660,000 VND

4 Cảm biến quang loạiphản xạ giới hạn

- Loại cảm biến: Phản xạ giới hạn

- Vật phát hiện chuẩn:

Giấy trắng: 50 x 50mm - Nguồn sáng: LED đỏ (650nm)

- Chế độ hoạt động:

Light-ON - Chỉ thị hoạt động:

Chỉ thị hoạt động (cam), chỉ thị ổn định (xanh lá)

30,000 VND

5 Cảm biến quangphát hiện màu

-Loại cảm biến: Cảm biến phát hiện màu TCS3200 -Nguồn cấp:2.7-5.5V -Khoảng cách phát hiện:

xảy ra, bạn cũng sẽ đỡ mất thời gian hơn cho việc rà soát lỗi ở phần mạch, mọi lỗi sẽ nằm ở code của bạn.

bộ điều khiển cho đề tài xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu cho cảm biến quang đểđếm sản phẩm trong hệ thống phân loại sản phẩm

3.2 Lựa chọn bộ điều khiển

Arduino Mega 2560 là một bo mạch vi điều khiển được xây dựng dựa trên chipAtmega2560 Nó có 54 chân vào/ra số (trong đó có 15 chân có thể sử dụng để điều chế

độ rộng xung), có 16 chân đầu vào tín hiệu tương tự, sử dụng một dao động thạch anhtần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối USB, chân nguồn, một ICSP header, mộtnút reset Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấpcho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyêndụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin

Arduino Mega tương thích với hầu hết các shield thiết kế cho ArduinoDuemilanove hay Diecimila Arduino Mega 2560 là bản cập nhật từ Arduino Mega.Arduino Mega 2560 khác so với các bo mạch trước đó ở ở chỗ nó không sử dụng chipđiều khiển FTDI USB-to-serial Thay vào đó, các tính năng của Atmega16U2(ATmega8U2 trong phiên bản 1 và phiên bản 2 bảng) được lập trình như một bộchuyển đổi USB-to-serial) Phiên bản 2 của bo mạch Mega2560 có 1 điện trở kéođường 8U2 HWB xuống đất, làm cho nó dễ đặt chế độ DFU hơn Phiên bản 3 của bomạch có các đặc tính mới sau: Thêm chân SDA và SCL gần chân AREF và 2 chân mớiđược đặt gần chânRESET, IOREF cho phép các shield tương thích với điện áp đượccung cấp từ bomạch Trong tương lai, các shield sẽ tương thích với cả hai bo mạch sửdụng AVR mà hoạt động với nguồn 5V và Arduino Due hoạt động ở mức 3,3V Chânthứ 2 không kết nối dành cho các mục đích sau này

Hình 3.1: Board Atmega 2560

c Đặc tính của board Atmega2560:

Điện áp đầu vào (được đề nghị) 7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Digital I/O Pins 54 chân (15 chân có thể sử dụng như các chân PWM)

DC hiện tại mỗi I/O Pin 40 mA

DC hiện tại cho 3.3V Pin 50 mA

Bộ nhớ Flash 256 KB trong 8 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

Clock Speed (thạch anh) 16Hz

Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật của Arduino mega 2560