Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến quang

Nhóm 7 Cảm biến Quang (16 12 2021) TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ   ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM BẰNG CẢM BIẾN QUANG Giáo viên hướng dẫn ThS Nhữ.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ  ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM BẰNG CẢM BIẾN QUANG Giáo viên hướng dẫn: ThS Nhữ Quý Thơ Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Xn Hồng 2019601967 Phan Như Hội Hà Nội - Năm 2021 2019600967 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ Điện Tử Khóa: K13 Tên nhóm: Nhóm Họ tên thành viên: Nguyễn Xuân Hoàng 2019601967 Phan Như Hội 2019600967 II Nội dung học tập Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm cảm biến quang Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Tổng quan hệ thống (L1.1) - Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2) - Nội dung 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống (L2.1) - Nội dung 4: Viết báo cáo Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch mơ hình sản phẩm (Nếu có) III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành đồ án theo thời gian quy định (từ ngày 13/09/2020 đến ngày 24/12/2020) Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề giao trước hội đồng đánh giá IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến hệ thống đo, vi điều khiển Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ts Nguyễn Anh Tú ThS Nhữ Q Thơ MƠ TẢ KỸ THUẬT Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ Hệ thống có khả năng: - Phát sản phẩm - Đếm sản phẩm - Hiển thị số lượng sản phẩm - Có chức điều khiển sản phẩm vào vùng xem xét Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Cảm biến quang Bộ điều khiển Vi điều khiển Hiện thị Số lượng sản phẩm Chức điều khiển Động RC Tín hiệu cảnh báo Đèn Đặc tính kỹ thuật Thông số Giới hạn đếm Sai số đo Thiết bị chấp hành Giá trị 0-500 5% RC servo motor Nội dung báo cáo - Bản vẽ Tên vẽ TT Khổ giấy Số lượng Bản vẽ sơ đồ hệ thống A3 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống A3 - 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 MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa mơ 1.3.3 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 2.1.1 Tổng quan hệ thống 2.1.2 Nguyên lí làm việc 2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý phân loại cảm biến quang 2.2.2 Lựa chọn thông số cảm biến 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 2.4 Thiết kế mạch xử lý tín hiệu 10 2.4.1 Thiết kế mạch 10 2.4.2 Xử lý tín hiệu 11 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 12 3.1 Mơ hình hóa mơ hệ khí 12 3.1.1 Mô 3D thực tế hệ thống 12 3.1.2 Quá trình làm việc: 15 3.2 Mơ hình hóa mô hệ điều khiển 17 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 21 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.Mơ hệ khí Hình 2.Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.Cảm biến quang E3F-DS30C4 Hình 4.Sơ đồ dây cảm biến Hình 5.Sơ đồ kết nối dây Hình 6.Arduino uno r3 10 Hình 7.Mạch xử lý tín hiệu 10 Hình 1.Tổng quan hệ thống 12 Hình 2.Băng tải 12 Hình 3.Khung băng tải 13 Hình 4.Băng chuyền 13 Hình 5.Con chạy 13 Hình 6.Cảm biến quang E3F-DS30C4 14 Hình 7.Motor đẩy 14 Hình 8.Màn hình LCD 15 Hình 9.Sản phẩm chạy qua cảm biến 15 Hình 10.Motor đẩy sản phẩm 16 Hình 11.Đủ sản phẩm đóng gói 16 Hình 12 Reset LCD bắt đầu trình đếm 17 Hình 13.Các module mạch điều khiển 17 Hình 14.Kết nối arduino LCD 18 Hình 15.Nút ấn reset 19 Hình 16.Mạch kết nối cho thết bị chấp hành động servo 20 Hình 17.Lưu đồ thuật tốn hệ thống 21 Hình 18.Màn hình ban đầu 22 Hình 19.Đếm đủ số lượng 23 Hình 20.Điều khiển băng truyền 23 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bảng thông số Arduino uno r3………………………………………….25 Bảng 2: Thông số cảm biến quang E3F-DS30C4………… …………………… 26 LỜI MỞ ĐẦU Cảm biến thiết bị phát phản hồi số loại đầu vào từ môi trường vật lý Đầu vào cụ thể ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất số nhiều tượng môi trường khác Đầu nói chung tín hiệu chuyển đổi thành hình đọc vị trí cảm biến truyền điện tử qua mạng để đọc xử lý thêm 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 Để góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhóm chúng em định chọn cảm biến quang Nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến quang” Cảm biến quang đặt cuối băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng sản phẩm Mơ hình sử dụng cảm biến quang điều khiển ardunio mô phần mềm protues hiển thị số lượng hình LCD, giúp đếm số lượng sản phẩm để phân vào hộp đủ số lượng chuyển tiêp đến quy trình đóng gói sản phẩm Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến thầy, cô môn Cơ Điện Tử Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cung cấp tài liệu để hồn thành đề tài nghiên cứu Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn thầy Nhữ Quý Thơ, thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhóm suốt q trình thực đồ án mơn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè hỗ trợ chia kinh nghiệm cho nhóm thời gian qua Cuối nhóm em xin chúc thầy tồn thể bạn lớp nhiều sức khỏe thành công công việc Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung - Hệ thống đến số lượng sản phẩm đóng vai trị quan trọng dây truyền sản xuất, giúp đếm số lượng sản phẩm xác mà khơng tốn nhiều nhân cơng giúp kiểm sốt chỉnh xác số lượng sản phẩm cần đóng gói vào túi hộp - Cảm biến quang thiết bị 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 - Ngày nay, Cảm biến quang ứng dụng nhiều sản phẩm, hệ thống tự động hóa đời sống công nghiệp hệ thống đếm sản phẩm công nghiệp, thiết bị bật tắt đèn đường… Trong thời kì dịch bệnh việc tự dộng hóa hệ thống ngày trú trọng tránh tập trung mà đảm bảo sản xuất - Trong đề tài này, nhóm sử dụng cảm biến quang để xây dựng hệ thống đếm sản phẩm có sản phẩm qua cảm biến quang hiển thị số lượng sản phẩm lên hình LCD đủ số lượng sản phẩm yêu cầu điều khiển động đẩy hàng qua băng truyền xử lý khác 1.2 Các yêu cầu Để giải đề tài, nhóm cần giải số vấn đề sau: - Về phần hệ thống đo cảm biến: cảm biến quang đếm xác số lượng sản phẩm qua cảm biến hiển thị xác số lượng lên hình LCD, hạn chế sai số Hệ thống đảm bảo nhỏ gọn, dễ thay bị hỏng hóc, dễ dàng sử dụng, bảo trì bảo dưỡng - Về phần điều khiển: hệ thống xuất tín hiệu điều khiển khởi động động servo đẩy sản phẩm sang băng truyền khác đủ số lượng xuất tín hiệu cho LCD hiển thị xác số sản phẩm Có khả reset hệ thống nhận tín hiệu từ nút bấm bên - Thiết bị chấp hành: động hoạt động chình xác biến chuyển động quay động thành chuyên động tịnh tiến để đẩy sản phẩm qua băng truyền khác Động dễ thay thế, bảo trì, bảo dưỡng - Về phầm mềm lập trình: phần mềm lập trình arduino ide máy tính, phần mềm lập trình xác, phổ biến, dễ dàng cho người tiếp cận - Mơ hình hóa mơ phỏng: thực mơ hình hóa hệ điện phần mềm Proteus sử dụng code viết phần mềm Arduino để mô hoạt động hệ thống Proteus 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - 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 mơ hình phù hợp với đề tài - Hiểu nguyên tắc hoạt động cảm biến quang, đặt vấn đề cần giải từ xây dựng hệ thống 1.3.2 Phương pháp mơ hình hóa mơ - Mơ hình hóa thiết kế hệ thống mơ hình hóa thiết kế mạch điện sử dụng kiến thức lý thuyết để xây dựng mơ hình hệ thống mạch điện kết nối phần mềm Proteus - Xây dựng, thiết kế phần điều khiển phần mềm arduino ide để xây dựng code điều khiển cho hệ thống theo yêu cầu toán đặt Cụm 2: Cảm biến Quang Hình 6.Cảm biến quang E3F-DS30C4 Cụm 3: Motor đẩy hình LCD Hình 7.Motor đẩy 14 Hình 8.Màn hình LCD 3.1.2 Quá trình làm việc: - Sau khởi động băng tải làm việc, băng chuyền bắt đầu chuyển động sản phẩm chạy băng chuyền qua cảm biến quang Hình 9.Sản phẩm chạy qua cảm biến - Sau sản phẩm qua cảm biến quang, hình hiển thị nhận tín hiệu từ cảm biến motor đẩy nhận tín hiệu delay 0,25s sau sản phẩm qua cảm biến Motor đẩy sản phẩm sang băng chuyền 15 Hình 10.Motor đẩy sản phẩm - Motor đẩy sản phẩm thu vị trí ban đầu tiếp tục thực đẩy sản phẩm qua băng truyền Sau đẩy đủ sản phẩm sang băng truyền sau để đóng gói Hình 11.Đủ sản phẩm đóng gói - Vi điều khiển truyền tín hiệu cho băng chuyền hoạt động reset hình LCD lặp lại trình đếm sản phẩm cảm biến quang 16 Hình 12 Reset LCD bắt đầu q trình đếm Link video mơ chuyển động sản phẩm: https://youtu.be/Ndl0mwIr5_E 3.2 Mơ hình hóa mơ hệ điều khiển Mơ hình hóa hệ điều khiển mạch điện phần mềm proteus - Chuẩn bị module mạch điều khiển để mơ hình hóa hệ thống bao gồm: nút ấn, hình lcd LM016L, động servo, PCF8574, vi điều khiển arduino mudole cảm biến ánh sáng Hình 13.Các module mạch điều khiển 17 - Đối với LCD việc kết nối thông thường với vi xử lý arduino gặp số khó khăn số dây cần nối tới arduino lớn để dễ dàng cho việc thiết kế kết nối arduino LCD ta sử dụng giao tiếp I2C cho trình kết nối + SDA (Serial Data) - đường truyền cho master slave để gửi nhận liệu + SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp + Hai chân SDA SCL truyền dẫn tín hiệu analog nối với chân A4 A5 arduino Hình 14.Kết nối arduino LCD Đối với cảm biến quang E3F-DS30C4 có điện áp đầu tín hiệu lớn so với điện áp giao tiếp arduino ( 5.5V gây hỏng cho arduino) nên ta cần thêm điện trở Rx để bảo vệ vi điều khiển Với nguồn cấp cho cảm biến 10V( điện áp hoạt động 6-36V DC) theo công thức thức = Ta có Rx = 10k ohm 18 ∗ Nút ấn reset có chân nối đất chân lại nối với chân digital số arduino để nhận tín hiệu Hình 15.Nút ấn reset Cuối ta xây dựng mạch kết nối cho thết bị chấp hành động servo Để điều khiển động servo ta cần nối chân điều khiển ( màu cam) động servo với chân PWM arduino, đây, ta chọn chân số chân cịn lại động servo lấy nguồn cấp từ arduino hoạt động điện áp 5V, chân GND ( màu nâu) nối đất chân Power ( đỏ) nối dương ` 19 Hình 16.Mạch kết nối cho thết bị chấp hành động servo Link video mô mạch điện điều khiển : https://youtu.be/LFP8tHFxsK8 20 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Lưu đồ thuật tốn hệ thống: Hình 17.Lưu đồ thuật tốn hệ thống Chương trình điều khiển cho vi điều khiển arduino uno xây dựng phần mềm arduino ide Dựa vào nguyên lý làm việc hệ thống, chương trình điều khiển hệ thống 21 viết sau: Sau chạy kiểm tra lỗi phần mềm arduino ide ta lấy file hex nạp vào mạch điện vẽ phần mềm để mô hoạt động hệ thống Khi khởi động, chưa có sản phẩm qua cảm biến, hình hiển thị số lượng sản phẩm qua Hình 18.Màn hình ban đầu Khi có sản phẩm qua, hình hiển thị số sản phẩm qua cảm biến 22 Hình 19.Đếm đủ số lượng Khi đủ số lượng sản phẩm, arduino xuất tín hiệu điều khiển động servo để sản phẩm qua băng truyền đóng gói Hình 20.Điều khiển băng truyền 23 KẾT LUẬN Do dịch bệnh Covid-19 kiến thức thực tiễn cịn hạn chế nên nhóm gặp nhiều khó khăn q trình thiết kế, tính tốn điều khiển Từ nội dung mà nhóm tìm hiểu q trình nghiên cứu, nhóm đồ án rút số kết luận sau: - Thiết kế khí: Nhóm đồ án hồn thành số công việc sau: - Đã sử dụng phần mềm mơ hình hóa như: Inventor để mơ hình hóa vẽ sản phẩm cuối - Tạo khung để gắn cảm biến điều khiển (Arduino) - Thiết kế điều khiển: - Hình dung hệ thống mạch điều khiển, module giao tiếp, cấu chấp hành với nguồn lượng để tạo thành hệ thống hoạt động ổn định - Thiết kế mạch điều khiển sử dụng Arduino UNO R3 Hạn chế hướng phát triển: - Trong suốt trình thực đồ án Đo lường điều khiển, nhóm đồ án cố gắng để học tập nghiên cứu, tính tốn thiết kế mơ hình hóa hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến quang Tuy nhiên trình tìm hiểu kinh nghiệm thực tế, kiến thức chun mơn nhóm cịn có khó khăn, hạn chế định Do yếu khả Tiếng Anh nên nhiều tài liệu Tiếng Anh nhóm dịch cịn nhiều lỗi sai Sau q trình nghiên cứu thực nhóm hồn thành sản phẩm hoạt động Do kiến thức cịn hạn chế nên đồ án chưa hoàn toàn tối ưu hiệu Chúng em mong muốn nhận góp ý từ thầy bạn để chúng em hồn thiện sản phẩm 24 PHỤ LỤC Data sheet: Bảng Bảng thông số Arduino uno r3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 25 Bảng Thông số cảm biến quang E3F-DS30C4 Số dây tín hiệu dây cấp nguồn DC dây tín hiệu Chân tín hiệu ngõ Dạng Transistor NPN kéo nội trở 10k lên VCC Khi có vật cản mức thấp (Low-GND), khơng có vật cản xuất mức cao (High-VCC) Nguồn điện cung cấp ~ 36VDC Dòng tiêu thụ 20~35mA Khoảng điều chỉnh cảm biến 7~30cm Khoảng cách phát vật cản Góc khuếch tán (góc chiếu) 0~30cm 3~5 độ Có thể điều chỉnh khoảng cách nhận cảm biến biến trở tinh chỉnh Dịng kích ngõ 300mA Chất liệu sản phẩm Vỏ ngồi nhựa ABS, phía đổ keo chống nước, chống va đập Kích thước 18 x 68mm 26 Coding 27 Tài liệu tham khảo: [1] Arduino https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 [2] Lê Văn Doanh Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Hà Nội [3] Lê Ngọc Duy, Bùi Thanh Lâm, Nhữ Quý Thơ, Giáo trình cảm biến hệ thống đo Hà Nội [4] Phạm Quang Huy, Lê Cảnh Trung Lập trình điều khiển với Arduino [5] Vũ Trung Kiên Giáo trình vi điều khiển [6] Phạm Công Ngô Lý thuyết điều khiển tự động Hà Nội [7] Cảm biến quang E3F-DS30C4 https://www.epitran.it/ebayDrive/datasheet/SERIE_E3F 28 ... nghệ Hệ thống có khả năng: - Phát sản phẩm - Đếm sản phẩm - Hiển thị số lượng sản phẩm - Có chức điều khiển sản phẩm vào vùng xem xét Cấu trúc thiết bị Thiết bị Loại sử dụng Cảm biến Cảm biến quang. .. em lựa chọn đề tài ? ?Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến quang? ?? Cảm biến quang đặt cuối băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng sản phẩm Mơ hình sử dụng cảm biến quang điều khiển ardunio mô phần... đảm bảo sản xuất - Trong đề tài này, nhóm sử dụng cảm biến quang để xây dựng hệ thống đếm sản phẩm có sản phẩm qua cảm biến quang hiển thị số lượng sản phẩm lên hình LCD đủ số lượng sản phẩm yêu