XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO ĐỘ CAO DÙNG CẢM BIẾN QUANG

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, các vấn đề về điều kiển, tự động hóa đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, công nghiệp, sản xuất.. Do đó chúng ta phải nắm bắt và tận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm tăng năng suất lao động, giảm thời gian, chi phí và tăng tính chính xác trong quá trình sản xuất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Trường

Sinh viên thực hiện : 1 Vũ Xuân Tú – 2019605951

2 Nguyễn Q uốc Việt - 2019601329

3 Vũ Đại Việt – 2019600738

Lớp : ĐH CƠ ĐIỆN TỬ 1 – K14

Hà Nội 2021

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

1 Tên lớp: CĐT1 Khóa: K14

2 Tên nhóm: Nhóm 6

Họ và tên thành viên: Vũ Xuân Tú - 2019605951

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo độ cao dùng cảm biến quang

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống đếm và phân loại sản phẩm (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Mô hình sản phẩm và báo cáo thu hoạch

III Nhiệm vụ học tập

1 Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày13/09/2021 đến ngày 27/12/2021)

2 Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

KHOA CƠ KHÍ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Anh Tú TS Nguyễn Văn Trường

MÔ TẢ KỸ THUẬT

1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ

Hệ thống có khả năng:

- Đếm số lượng sản phẩm có dạng hình trụ

- Hiển thị số lượng sản phẩm trên màn hình LCD

- Phân loại sản phẩn theo mức độ chiều cao: cao, trung bình, thấp

2 Cấu trúc thiết bị

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC trong chíp

Nhiệt độ môi trường làm việc -25 độ C đến +55 độ C

4 Nội dung báo cáo

- Bản vẽ

1 Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 1

- Báo cáo

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các yêu cầu cơ bản

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

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

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Kết Luận

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Các yêu cầu cơ bản 2

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 2

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 2

1.3.2 Phạm vi 2

1.3.3 Giới hạn nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 3

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống 4

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 4

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 4

2.2.1 Một số loại cảm biến hồng ngoại phổ biến 4

2.2.2 Các đặc điểm của cảm biến hồng ngoại LM-393 5

2.2.3 Cấu tạo của cảm biến 5

2.2.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến LM393 6

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 7

2.3.1 các loại bộ điều khiển phổ biến 7

2.3.2 Cấu tạo và thông số của bộ điều khiển 8

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 11

Chương 3 Mô hình hóa và mô phỏng 12

3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 12

Tổng quan mô hình hệ thống 12

3.2 Xây dựng chương trình điều khiển 13

Phụ lục 14

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1 Một số hệ thống phân loại sản phẩm trong thực tế 1

Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo độ cao 4

Hình 2-2 Cấu tạo cảm biến vật cản hồng ngoại 5

Hình 2-3 Nguyên lí hoạt động của cảm biến vật cản hồng ngoại 6

Hình 2-4 Cảm biến vật cản hồng ngoại LM-393 6

Hình 2-5 Board mạch Arduino UNO R3 8

Hình 2-6 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống 11

Hình 3-1 Tổng quan mô hình hệ thống 12

Hình 3-2 Hệ thống khí nén 12

Hình 3-3 Mạch điện điều khiển hệ thống khí nén 13

Hình 3-4 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 13

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các loại cảm biến hồng ngoại thông dụng 5

Bảng 2-2 Thông số kĩ thuật của cảm biến LM-393 7

Bảng 2-3 Các loại bộ điều khiển phổ biến 8

Bảng 2-4 Thông số kĩ thuật của cảm biến Arduino UNO R3 10

1

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, các vấn đề về điều kiển, tự động hóa đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, công nghiệp, sản xuất Do

đó chúng ta phải nắm bắt và tận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm tăng năng suất lao động, giảm thời gian, chi phí và tăng tính chính xác trong quá trình sản xuất

Trọng quá trình sản xuất công nghiệp hiện nay, việc tiết kiệm điện năng, nhận công, giá thành, dễ dàng quản lý là vấn đề rất cẩn thiết các ngành công nghiệp ngày càng phát triển, các công ty, xí nghiệp đã và đang có xu thế đưa tự động hóa vào sản suất Để đáp ứng như cầu đó, nhóm chúng em đã nghiên cứu và thiết kế mô hình hệ thống phan loại sản phẩm theo chiều cao dùng cảm biến quang

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng các loại cảm biến để xác định chiều cao của sản phẩm, sau đó dùng các động cơ servo để phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cần những chuyển động cần thiết:

- Chuyển động của băng chuyền: Để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian

- Chuyển động gạt của động cơ servo kết hợp với một thanh ngang

- Chu trình làm việc máy: khi ấn nút Start máy hoạt động, sản phẩm đi qua băng chuyền Nhờ hệ thống điều khiển, sản phẩm trên băng chuyền được phân loại với chiều cao khác nhau Các sản phẩm sau khi được phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Chu trình cứ thế tiếp tục cho đến khi phân loại xong sản phẩm

Hình 1-1 Một số hệ thống phân loại sản phẩm trong thực tế

2

1.2 Các yêu cầu cơ bản

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động

- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm, ít bị hỏng

- Đảm bảo yêu cầu kỹ thuật (Phần mô tả kỹ thuật ) đề ra

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển

- Dựa vào kiến thức đã được học, tìm hiểu qua internet, sách vở và tham khảo ý kiến bạn bè, thầy cô

- Tìm hiểu các hệ thống phân loại sản phẩm tối ưu và được sử dụng nhiều trên thị trường hiện nay

- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng

mô hình phù hợp với đề tài

- Sử dụng các phần mền lập trình để hỗ trợ như: MPLAB IDE, Proteus, Arduino

Sử dụng các phần mền lập trình để hỗ trợ như: MPLAB IDE, Proteus, Arduino.exe

1.3.2 Phạm vi

Đề tài nghiên cứu thiết bị cảm biến quang để nhận biết chiều cao của sản phẩm và đếm nó qua đó hiển thị ra màn hình LED dựa trên những thiết bị và linh kiện phù hợp với kết cấu và yêu cầu của hệ thống

1.3.3 Giới hạn nghiên cứu

- Mô phỏng các mô hình, lưu đồ thuật toán và tính toán điều khiển trên các mô hình với sự thay đổi linh hoạt các cơ cấu của hệ thống

3

- Cơ sở tính toán, liên kết và điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học các mô hình mô phỏng để đưa ra một hệ thống hoàn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế tạo mô hình của hệ thống

- Kích thước sản phẩm: Nhỏ gọn, phù hợp, nhanh nhạy và đáp ứng đủ các yêu cầu kĩ thuật đưa ra

- Cấu tạo: Tiện lợi, dễ dàng di chuyển

4

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo độ cao

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Một số loại cảm biến hồng ngoại phổ biến

Tên bộ điều khiển Thông số kỹ thuật cơ bản Ưu điểm Nhược điểm

LM393

-Điện áp sử dụng: 5V

khác

- Góc quét nhỏ, có điểm

chết

- Không thể cảm biến xuyên vật

-Khoảng cách phát hiện có thể được điều chỉnh

theo yêu cầu

-Giao thoa với

Bảng 2-1 Các loại cảm biến hồng ngoại thông dụng

Với khả năng phát hiện vật cản tốt trong khoảng từ 2-30cm, có khả năng thích nghi với môi trường, làm việc ổn định, giá thành rẻ nên thường được sử dụng trong mô hình máy, lập trình arduino, khi lắp cảm biến ở 1 bên của băng tải sẽ giúp phân loại sản phẩm theo 3 mức chiều cao( cao,trung bình,thấp) thì phương án lựa chọn là cảm biến “Cảm biến vật cản hồng ngoại-LM393”

2.2.2 Các đặc điểm của cảm biến hồng ngoại LM-393

Các đặc điểm:

- Khoảng cách làm việc hiệu quả 2 ~ 30cm

- Độ nhạy sáng của cảm biến vật cản hồng ngoại được điều chỉnh bằng chiết áp

- Cảm biến có khả năng thích nghi với môi trường, làm việc ổn định

- Lỗ vít 3mm, dễ dàng cố định, lắp đặt, dễ sử dụng

- Tốc độ đáp ứng nhanh

- Có 2 loại cảm biến hồng ngoại : chủ động và bị động

2.2.3 Cấu tạo của cảm biến

Hình 2-2 Cấu tạo cảm biến vật cản hồng ngoại

Cảm biến vật cản hồng ngoại được cấu tạo gồm 3 phần:

6

- Diode phát sáng ( IR Emitter LED ) : Phát ra tia hồng ngoại với tần số nhất định

- Máy thu ( IR Receive ) : Thu tín hiệu hồng ngoại được phản xạ lại

Với khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2 ~ 30cm và khoảng cách này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp trên cảm biến cho thích hợp với từng ứng dụng cụ thể như:

xe dò line, xe tránh vật cản, …

Hình 2-3 Nguyên lí hoạt động của cảm biến vật cản hồng ngoại

2.2.4 Thông số kỹ thuật của cảm biến LM393

Hình 2-4 Cảm biến vật cản hồng ngoại LM-393

Bảng 2-2 Thông số kĩ thuật của cảm biến LM-393

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

2.3.1 các loại bộ điều khiển phổ biến

Tên bộ điều khiển Thông số kỹ thuật cơ bản Ưu điểm Nhược điểm

STM32F103C8T6

-Điện áp cấp: 3.3V DC -Thạch anh 8MHZ

-Các giao tiếp: i2c, -USART, USB

-Kích thước:53.34 x 15.24mm

-64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)

-Bộ nhớ ROM: 256KB

-Độ rộng bus dữ liệu: 8-bits

Số lượng I/0: 30 chân

8

Arduino UNO R3

- Atmega328 họ 8 bits -5V DC

-Tần số: Sử dụng thạch anh 16MHZ

cụ hỗ trợ

- Các chức năng giúp đơn giản hóa công

Bảng 2-3 Các loại bộ điều khiển phổ biến

Mục tiêu của nhóm đặt ra là một sản phẩm nhỏ gọn có khả năng tính toán chính xác

và ra kết quả ngay lập tức với sai số thấp nhất vì thế phải cần một board mạch xử lý đáp ứng đầy đủ các yếu tố của sản phẩm đã đề ra Board mạch Arduino UNO R3 là một board mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Atmega328 được ứng dụng để học

và làm các ứng dụng nhúng đơn giản Board mạch có 1 đầu USB Plug kết nối với máy tính

để gửi lệnh hoặc nhận tín hiệu từ Arduino Để lập trình 1 cách dễ dàng, nhóm phát triển đã cung cấp cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE(

Intergrated Development Environment)

Hình 2-5 Board mạch Arduino UNO R3

2.3.2 Cấu tạo và thông số của bộ điều khiển

Vi điều khiển:

9

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Sử dụng thạch anh có chu kì giao động là 16MHz Vi điều khiển này có thể làm từ cơ bản như điều khiển thiết bị thông qua các loại cảm biến hoặc khó hơn như làm một con robo mini, làm máy CNC mini, máy in 3D, xỷ lý ảnh hay điều khiển vạn vật thông qua internet kết nối với điện thoại thông minh

Nguồn:

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V nhưng cần đảm bảo giá trị dòng điện không quá 500mA Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn

sẽ làm hỏng Arduino UNO

Bộ nhớ:

- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh ta lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash

của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng những chương trình nạp vào đây sẽ không vượt quá 20KB, loại bộ nhớ này có thể chịu đựng được 10.000 lần ghi/xóa

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến ta khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Ta khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra(pin):

Với vi điều khiển này, tổng cộng có 14 pin (ngõ) ra/vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin) Song song đó, có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn

Ngoài ra, Arduino board còn cung cấp cho các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND,

Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12V DC

Điện áp vào khuyên dùng 6 – 20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bits)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500 mA

Dòng ra tối đa (3.3 V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 0.5 KB dùng bởi bootloader

- Có nhiều các mẫu và công cụ hỗ trợ: Trong phần mềm arduino có đầy đủ và đa dạng các thư viện các mẫu có sẵn để hỗ trợ người sử dụng dễ dàng lập trình cho vi điều khiển

- Các chức năng giúp đơn giản hóa công việc: Trong quá trình mã hóa Arduino, Ta

sẽ nhận thấy một số chức năng giúp đơn giản hóa công việc Một ưu điểm khác của Arduino

là khả năng chuyển đổi đơn vị tự động của nó Trong quá trình gỡ lỗi (debug), Ta không phải lo lắng về chuyển đổi đơn vị, chỉ cần chú ý vào các phần chính của project

- Cộng đồng lớn: Có rất nhiều diễn đàn trên internet nói về Arduino Kỹ sư và các

chuyên gia đang thực hiện dự án của họ thông qua Arduino Ta có thể dễ dàng tìm thấy mọi thông tin về arduino

Nhược điểm

11

-Kích thước: Xu thế hiện nay khi xây dựng một hệ thống là càng nhỏ gọn càng tốt, nhưng board mạch arduino hiện nay khá lớn và cồng kềnh so với các vi điều khiển khác hiện nay

-Chi phí: Trong giới hạn đề tài này, ta có thể dễ dàng tìm thấy trên thị trường có các loại vi điều khiển có khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật có giá cả rẻ hơn arduino

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Hình 2-6 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống

(1) Mạch điều khiển Arduino UNO