ĐỒ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN tên đề tài PHÂN LOẠI sản PHẨM sử DỤNG cảm BIẾN QUANG

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CẢM BIẾN QUANG Giáo viên hướng dẫn: ThS Lưu Vũ Hải Nhóm sinh viên thực hiện: Hồng Văn Huy Nguyễn Ngọc Long Nguyễn Thị Huyền Hà Nội – 2021 MÔ TẢ KỸ THUẬT Mô tả nhiệm vụ công nghệ Hệ thống có khả năng: Cấu trúc thiết bị Đặc tính kỹ thuật Nội dung báo cáo Chương Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 2.5 Mơ hình hóa mơ hệ thống (Nếu có) Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống 3.1 Chế tạo phận khí 3.2 Chế tạo phận điện - điện tử 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống Kết Luận CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung Cảm biến quang (tên tiếng anh Photoelectric Sensor) tổ hợp linh kiện quang điện Thiết bị tiếp xúc với ánh sáng chúng thay đổi trạng thái, cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát từ phận phát để phát diện vật thể Khi có thay đổi phận thu mạch điều khiển cảm biến quang cho tín hiệu ngõ OUT Một số hãng sản xuất cảm biến quang: Hình 1 Cảm biến quang Sick – Đức Hình Cảm biến quang Omron – Nhật Hình Cảm biến quang Autonics - Hàn Hình Cảm biến quang IFM - Đức Ngày phát triển khoa học kỹ thuật tác động đến lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực điện tử tạo bước nhảy vọt vượt bậc nhièu lĩnh vực đời sống xã hội Ngay sản xuất sản phẩm áp dụng khoa học công nghệ để đạt suất cao Cảm biến quang đóng vai trị quan trọng lĩnh vực cơng nghiệp tự động hóa Nếu khơng có cảm biến quang khó mà có tự động hóa, giống làm việc mà khơng nhìn Là sinh viên năm ba với kiến thức học chúng em mong muốn tạo hệ thống tự động áp dụng cơng nghiệp Đó đề tài Phân loại sản phẩm sử dụng cảm bién quang Với nhà máy quy mô với số lượng sản phẩm sản xuất lớn nên chúng em muốn nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm tự động Nhằm giúp đạt độ xác cao 1.2 Các yêu cầu - Mạch hoạt động chức đề tài - Mạch hoạt động có độ ổn định xác cao - Thiết kế gọn nhẹ, giá thành phù hợp - Dễ dàng lắp đặt, thi công, vận hành dễ dàng - Sử dụng Arduino cảm biến màu sắc TCS3200 hình LCD Các thiết sử dụng: Bộ điều khiển Arduino Uno Màn hình hiển thị LCD 16*2 Cảm biến TCS-3200 Động Servo Động Đặc tính kĩ thuật: Thơng số 1.3 Giá trị Điện áp hoạt động 2.7-5.5 VDC Khoảng cách phát tốt 1cm Nhiệt độ hoạt động 30.75 ộ C Phương pháp, phạm vi, giới hạn nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu: +, Dựa vào kiến thức học môn học như: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm biến hệ thống đo, tìm hiểu qua Internet, sách vở, +, Áp dụng phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu xây dựng hình phù hợp với đề tài +, Sử dụng phần mềm hỗ trợ như: Proteus, Arduino IDE,… - Phạm vi giới hạn nghiên cứu: +, Nghiên cứu lựa chọn mơ hình thực tế phù hợp với yêu cầu cảm biến đề tài Phân loại phôi theo màu sắc +,Nhận biết Phôi khoảng cách quét hiển thị màu sắc hình LCD +, Ứng dụng cho nhà máy sản xuất sản phẩm hay đơn vị vận chuyển hàng hóa Có giá thành thấp nên dễ áp dụng quy mô lớn, giúp nhà máy đễ dàng phân loại sản phẩm cho phù hợp +, Nghiên cứu thiết kế hệ thống hiển thị phân loại sản phẩm +, Mơ hình hóa, thiết kế mơ hình đảm bảo độ xác đáp ứng nhu cầu hệ thống 1.4 Ý nghĩa thực tiễn - Hiện việc phân loại sản phẩm thực thủ công người, dẫn đến trình sản xuât bị trì trệ xuất lao động không cao, không bắt kịp với xu phát triển đáp ứng nhu cầu sản xuất nước thị trường quốc tế Nên mơ hình khắc phục nhược điểm - Giúp người sử dụng dễ dàng phân loại sản phẩm theo yêu cầu - Độ xác cao, giá thành rẻ, phù hợp cho sở, hộ kinh doanh nhỏ lẻ CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Thiết kế sơ đồ khối Khốối hiển thị (Màn hình LCD) Khốối động Khốối nguốồn Khốối xử lý Khốối c m ả biếốn Hình 2.1.1 Sơ đồ khối 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Phân tích Cảm biến quang điện có ba loại khác nhau: a) Cảm biến quang Thu Phát Độc Lập (Through Beam): Đặc điểm: – Độ tin cậy cao – Khoảng cách phát xa: tối đa 60m (E3Z) – Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật Hình 2.2.1 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 tối đa 15m – Có thể phân biệt vật suốt, mờ, bóng lống Hình 2.2.2 Cảm biến quang thu phát chung – phản xạ gương c) Cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán (Diffuse Replec Đặc điểm: – Dễ lắp đặt, phát tối đa 2m – Bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền, … – Có thể dạy cho cảm biến biết màu vật (chức teach) Hình 2.2.3 Cảm biến quang loại phát màu 2.2.2 Lựa chọn cảm biến Cảm biến TCS3200 cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán có lọc màu, cho phép nhận biết màu màu khác bị chặn lại Cảm biến sử dụng để nhận biết màu sắc cách đo phản xạ màu sắc từ vật thể đỏ, xanh xanh dương từ xuất tần số xung tương ứng với màu qua chân tín hiệu, đo tần số xung qua vài bước chuyển đổi định bạn có đươc thơng tin màu sắc vật thể cần đo Hình 2.2.4 Cảm biến màu TCS3200 Tên chân Mô tả 10 S1,S0 (1,2) Ngõ vào chọn tỉ lệ tần số ngõ OE (3) Ngõ vào cho phép xuất tần số chân OUT (tích cực mức thấp) GND (4) Chân nối đất VDD (5) Chân cấp nguồn (2,7 – 5,5V) OUT (6) Ngõ tần số thay đổi phụ thuộc cường độ màu sắc S2, S3 (7,8) Ngõ vào chọn loại photodiode Bảng 2.2.1 Chân cảm biến màu TCS 3200 2.2.3 Nguyên lí hoạt động, cách đo màu sắc cảm biến màu TCS 3200 Nguyên lý hoạt động, cách đo màu sắc Cảm biến màu TCS3200 gồm khối hình vẽ phía dưới: Hình 2.2.5 Hai khối TCS 3200 Khối mảng ma trận 8×8 gồm photodiode Photodiode đơn giản linh kiện bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dịng điện  16 photodiode lọc màu đỏ (red) 11  16 photodiode lọc màu xanh (green)  16 photodiode lọc màu xanh dương (blue)  16 photodiode trắng không lọc (clear) Bản chất loại photodiode lọc ánh sáng có màu sắc khác Khi lựa chọn lọc màu cho phép nhận biết màu màu khác bị chặn Ví dụ, lựa chọn lọc màu xanh (green) có ánh sáng tới màu xanh thơng qua, màu đỏ màu xanh dương bị chặn lại hình minh họa bên Vì vậy, nhận cường độ ánh sáng màu xanh Tương tự vậy, lựa chọn lọc màu khác nhận ánh sáng màu đỏ (red) màu xanh dương (blue) Hình 2.2.6 Cấu tạo lọc màu TCS3200 12 Tại thời điểm có lọc màu chọn Việc chọn lọc màu thực thông qua chân S2 S3 bảng S2 S3 Loại lọc L L Red L H Blue H L Clear (no filter) H H Green Bảng 2.2.2 Set chân cho màu lọc Khối thứ hai cảm biến màu TCS3200 chuyển đổi dòng điện sang tần số Các giá trị đọc từ photodiode chuyển đổi thành sóng vng có tần số tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt vật thể Cuối cùng, dùng vi điều khiển đề đọc sóng vng ngõ lấy kết màu sắc Các chân S0 S1 sử dụng để điều chỉnh tần số đầu Nó chia tỷ lệ thành giá trị đặt trước sau: 2%, 20% 100% Các vi điều khiển khác có cấu hình cho định thời khác Chức chia tỷ lệ tần số cho phép ngõ cảm biến tối ưu hóa cho vi điều khiển khác S0 S1 Tỷ lệ tần số ngõ L L Power down L H 2% H L 20% H H 100% Bảng 2.2.3 Set chân cho tỷ lệ tần số 13 Tần số ngõ module cảm biến màu TCS3200 khoảng Hz ~ 500 kHz Tần số ngõ có dạng xung vuông với tần số khác tương ứng với màu sắc cường độ sáng khác Chúng ta lựa chọn tỉ lệ tần số ngõ mức khác bảng cho phù hợp với phần cứng đo tần số bọn em chọn 20% để mặc định 2.2.4 Thông số kĩ thuật cảm biến TCS3200 - Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao - Lập trình lựa chọn lọc màu sắc khác dạng tần số xuất - Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển - Điện áp 2.7 – 5.5V - Kích thước: 28.4 x 28.4mm - Tần số ngõ có độ rộng xung 50% - Tần số tỉ lệ với ánh sáng có cường độ màu sắc khác - Tần số ngõ nằm khoảng Hz- 500KHz 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển Hiện thị trường có nhiều điều khiển kết nối tốt với cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 như: PLC, Arduino, STM32F0x, … Dựa vào điều kiện thực tế khả thân nhóm lựa chọn Arduino để hồn thành đồ án Arduino có ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Dễ dàng sử dụng, sử dụng Arduino hoàn chỉnh nguồn, ổ ghi, dao động, vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED giắc cắm + Nhiều thư viện mẫu có sẵn + Dễ dàng lập trình thay đổi code nạp vào Arduino + Cộng đồng sử dụng lớn, dễ dàng tìm kiếm thơng tin Arduino - Nhược điểm: + Cấu trúc: kích thước Arduino lớn không phù hợp với việc xây dựng dự án nhỏ + Giá thành tương đối cao Arduino tảng mã nguồn mở sử dụng để xây dựng dự án điện tử Arduino bao gồm bảng mạch lập trình (thường gọi vi điều khiển) phần mềm IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy máy tính, sử dụng để viết tải mã máy tính lên bo mạch Một số thông số kỹ thuật (từ datasheet): Vi điều khiển ATmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp vào khuyên dùng 7-12V Điện áp vào giới hạn 6-20V Chân vào Digital 14 (6 chân có khả băm xung) Chân băm xung Chân đầu vào Analog Cường độ dòng điện I/O pin 20 mA Cường độ dòng điện 3.3V pin 50 mA Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328P) 0.5 KB sử dụng bootloader 15 SRAM KB (ATmega328P) EEPROM KB (ATmega328P) Tốc độ 16 MHz Chiều dài 68.6 mm Chiều rộng 53.4 mm Trọng lượng 25 g Bảng 2.3.1 Thông số Arduino - Vi điều khiển Arduino Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lý tác vụ đơn giản điều khiển LED nhấp nháy xử lý tín hiệu hiển thị thiết bị hiển thị LCD, … Thiết kế tiêu chuẩn Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328, yêu cầu phần cứng khơng lớn sử dụng loại vi điều khiển ATmega8, ATmega168 Hình 2.3.2 Vi điềều ển c Arduino - Nguồn Arduino UNO sử dụng nguồn 5V thông qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dung 7-12V DC giới hạn nguồn vào 6-20V Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, làm hỏng Arduino - Các chân lượng 16 + GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng chuyên biệt chân phải nối với + 5V: chân cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA + 3.3V: chân cấp điện áp đầu 3.3V Dòng tối đa cho phép chân 50mA + Vin (Voltage Output): để cấp nguồn cho Arduino UNO + IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Khơng lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn +RESET: việc nhấn nút Reset board để đặt lại vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ - Các cổng vào/ra Hình 2.3.3 Các c vào c Arduino Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng điện vào tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở Pull-Up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) 17 - Một sốt chân digital có chức đặc biệt + chân Serial: (RX) (TX) dùng để nhận gửi liệu TTL Serial Arduino UNO giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối Bluetooth kết nối Serial khơng dây Nếu khơng cần giao tiếp Serial khơng nên sử dụng chân không cần thiết + Chân PWM (~): 3,5,6,9,10 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0→ 28-1 tương đương với 0V→5V) Nói đơn giản, chân điều chỉnh điện áp từ 0V → 5V thay cố định 0V 5V chân digital khác + Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác + LED 13: Arduino UNO có đèn led (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút RESET, thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nói với chân số 13 Khi chân sử dụng LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0→A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0→210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V→ 5V Với chân AREF board, bạn đưa điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức cấp điện áp 2.5V vào chân ta dùng chân analog để đo điện áp khoảng cách từ 0V→ 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác Rất phù hợp để giao tiếp với RPLIDAR A1M8 R5 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 18 Hình 2.4.1 Mơ hệ thơống 19 ... động áp dụng cơng nghiệp Đó đề tài Phân loại sản phẩm sử dụng cảm bién quang Với nhà máy quy mô với số lượng sản phẩm sản xuất lớn nên chúng em muốn nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm tự... hiệu ngõ OUT Một số hãng sản xuất cảm biến quang: Hình 1 Cảm biến quang Sick – Đức Hình Cảm biến quang Omron – Nhật Hình Cảm biến quang Autonics - Hàn Hình Cảm biến quang IFM - Đức Ngày phát... Thiết bị tiếp xúc với ánh sáng chúng thay đổi trạng thái, cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát từ phận phát để phát diện vật thể Khi có thay đổi phận thu mạch điều khiển cảm biến quang cho tín hiệu