MÔN HỌC: VI XỬ LÝ VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu: Thiết kế bộ đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại (LCD)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA MÔN HỌC VI XỬ LÝ VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu Thiết kế bộ đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại (LCD) Đề tài mở rộng Nhà để xe thông mi. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA MÔN HỌC VI XỬ LÝ VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu Thiết kế bộ đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại (LCD) Đề tài mở rộng Nhà để xe thông mi.TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA MÔN HỌC VI XỬ LÝ VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu Thiết kế bộ đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại (LCD) Đề tài mở rộng Nhà để xe thông mi.TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT TỰ ĐỘNG HÓA MÔN HỌC VI XỬ LÝ VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu Thiết kế bộ đếm sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại (LCD) Đề tài mở rộng Nhà để xe thông mi.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT & TỰ ĐỘNG HĨA MƠN HỌC: VI XỬ LÝ & VI ĐIỀU KHIỂN Đề tài nghiên cứu: Thiết kế đếm sản phẩm cảm biến hồng ngoại (LCD) Đề tài mở rộng : Nhà để xe thông minh Giảng viên hướng dẫn : Thầy Phạm Mạnh Thắng Sinh viên thực : Vũ Đình Tùng (19021132) Đỗ Mạnh Tuấn (19021129) Trần Thế Sơn (19021104) Hà Nội, tháng năm 2022 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .1 PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Nội dung nghiên cứu .2 1.1.1 Tổng quan giao tiếp IC2 .2 1.1.2 Giới thiệu vi điều khiển PCF8574 1.1.3 Tổng quan vi điều khiển Arduino 1.1.4 Màn hình Text LCD kích thước 16x2 1.1.5 Cảm biến hồng ngoại IR Infrared Obstacle Avoidance Sensor PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .7 2.1 Thiết kế hệ thống 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 2.2 Lập trình hệ thống 2.3 Thiết kế phần mềm 2.4 Kết chế tạo kiểm thử 2.4.1 Kết chế tạo 2.4.2 Kiểm thử 11 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ MỞ RỘNG Ý TƯỞNG 13 3.1 Kết luận 13 3.2 Phát triển ý tưởng với nhà để xe thông minh 14 3.2.1 Tóm tắt ý tưởng .14 3.2.1 Cách thức hoạt động kết kiểm thử 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 LỜI MỞ ĐẦU Ngày với phát triển ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện từ mà kỹ thuật số đóng vai trị quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin Do phải nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Xuất phát từ học thực tập lớp tham quan doanh nghiệp sản xuất, chúng em thấy nhiều khâu tự động hóa trình sản xuất Một khâu đơn giản dây chuyển sản xuất tự động hóa số lượng sản phẩm làm đếm cách tự động Tuy nhiên doanh nghiệp vừa nhỏ việc tự động hóa hồn toản chưa áp dụng khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà cịn sử dụng nhân cơng Từ điều thấy khả chúng em, chúng em muốn làm điều nhỏ để góp phần vào giúp người lao động bớt phần mệt nhọc chân tay mà cho phép tăng hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo độ xác Nên chúng em định thiết kế mạch đếm sản phẩm gần gũi với thực tế Đề làm mạch cần thiết kế hai phần là: phận cảm biến phận đếm Bộ phận cảm biến: cảm biến phát cảm biến thu Thông thường người ta sử dụng phần phát LED hồng ngoại đễ phát ánh sáng hồng ngoại mục đích để chống nhiễu so với loại ánh sáng khác, phần thu transistor quang để thu ánh sáng hồng ngoại Bộ phận đếm có nhiều phương pháp thực thi là: Lắp mạch dùng kỹ thuật số với IC đếm, chốt, so sánh ghép lại Lắp mạch dùng kỹ thuật vi xử lý Lắp mạch dùng kỹ thuật vi điều khiển Và để mở rộng ý tưởng này, chúng em thiết kế hệ thống nhà xe thông minh tự động đóng mở cửa, đếm số lượng xe, đầy dừng việc mở cửa đón xe có xe khỏi nhà xe PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Nội dung nghiên cứu 1.1.1 Tổng quan giao tiếp IC2 Đầu năm 1980 Phillips phát triển chuẩn giao tiếp nối tiếp dây gọi I2C I2C tên viết tắt cụm từ Inter-Intergrated Circuit Đây đường Bus giao tiếp IC với I2C kết hợp tính tốt SPI UART Với I2C, bạn kết nối nhiều slave với master (như SPI) bạn có nhiều master điều khiển nhiều slave Điều thực hữu ích ta muốn có nhiều vi điều khiển ghi liệu vào thẻ nhớ hiển thị văn hình LCD 1.1.2 Giới thiệu vi điều khiển PCF8574 Hình Module PCF8574 LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn q trình đấu nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Chính module PCF8574 đời Thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 bạn cần tốn chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …), nói chung hầu hết loại LCD character Module PCF8574 đươc thiết kế để hàn cách nhanh chóng vào loại LCD16x2, 20×4… Khiến việc đấu nối trở nên dễ dàng nhiều 1.1.3 Tổng quan vi điều khiển Arduino Arduino là bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên nước Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngồi mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A,1 ….để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng Arduino có tất phiên bản, Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino phần mềm IDE  Cấu tạo Arduino: Arduino Workshop: A Hands-On Introduction with 65 Projects - Box John Hình Cấu tạo Arduino Uno R3  Chi tiết phần cứng Arduino: Cổng USB: là chân cắm để tải mã lập trình từ PC lên chip điều khiển Đồng thời cổng giao tiếp serial giúp truyền liệu từ chip điều khiển vào máy tính Jack nguồn: để chạy Arduino, bạn hồn tồn nạp nguồn từ cổng USB Tuy nhiên lúc kết nối với máy tính Có dự án cần thực trời cần nguồn điện khác với mức điện áp từ 9V -12V Hàng Header: những chân đánh số từ – 12 hàng digital pin Đây nơ truyền – nhận tín hiệu số Bên cạnh có pin đất (GND) pin điện áp tham chiếu (AREF) Hàng header thứ 2: chủ yếu liên quan tới điện áp đất, nguồn Hàng header thứ 3: đây chân để nhập – xuất tín hiệu analog Chip điều khiển AVR: bộ phận xử lý trung tâm toàn bo mạch Với mẫu Arduino khác nhau, chip khác Ví dụ Arduino Uno sử dụng ATMega328 1.1.4 Màn hình Text LCD kích thước 16x2 Hình Text LCD 16x2 Màn hình Text LCD 16×2 được chia sẵn thành ô ứng với ô hiển thị ký tự ASCII. Mỗi Text LCD bao gồm “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” “hiện” chấm tạo thành ký tự cần hiển thị Trong Text LCD, mẫu ký tự định nghĩa sẵn Kích thước của Text LCD được định nghĩa số ký tự hiển thị dòng tổng số dòng mà LCD có Màn hình LCD 16×2 loại có dịng dịng hiển thị tối đa 16 ký tự Các chân điều khiển việc đọc ghi liệu Text LCD bao gồm: RS, R/W EN Trong đó: R/W (chân số 4) chân lựa chọn việc đọc ghi RS (chân số 3) chân lựa chọn ghi EN (chân số 5) chân cho phép LCD hoạt động (Enable) 1.1.5 Cảm biến hồng ngoại IR Infrared Obstacle Avoidance Sensor Cảm biến hồng ngoại hay gọi là IR Sensor, chúng thiết bị điện tử có khả đo phát xạ hồng ngoại môi trường xung quanh Thực ra, tên tiếng anh cảm biến hồng ngoại Passive Infrared, viết tắt PIR dịch sát nghĩa “hồng ngoại thụ động” Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) phát tia vơ hình mắt người, bước sóng dài ánh sáng khả kiến (mặc dù nằm phổ điện từ) Bất thứ phát nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ năm độ Kelvin) phát xạ hồng ngoại Hình Cảm biến hồng ngoại IR Sensor Cảm biến vật cản hồng ngoại có khả thích nghi với mơi trường, có cặp truyền nhận tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát tần số định, phát hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), Khoảng cách làm việc hiệu ~ 5cm, điện áp làm việc 3.3 V đến 5V Độ nhạy sáng của cảm biến vật cản hồng ngoại được điều chỉnh chiết áp, cảm biến dễ lắp ráp, dễ sử dụng,… Có thể sử dụng rộng rãi robot tránh chướng ngại vật, xe tránh chướng ngại vật  và dò đường… PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH HỆ THỐNG Thermal Infrared Sensors: Theory, Optimisation and Practice - Helmut Buzier 2.1 Thiết kế hệ thống 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Khối cảm biến Khối vi điều khiển Khối hiển thị LCD Khối nguồn Sử dụng vi điều khiển ATmega328P Arduino làm xử lý trung tâm, mạch hệ thống có nguyên lý hoạt động sau: - Vi điều khiển đọc giá trị từ cảm biến hồng ngoại, xử lý để nhận dạng có vật cản (vật cản người sản phẩm) hay khơng có vật cản từ tăng số đếm có vật cản qua - Xuất hiển thị hình LCD (hoặc hình máy tính) giá trị đếm 2.1.2 Sơ đồ ngun lý hệ thống Hình Mơ sơ đồ nối chân cụ thể khối hệ thống thực tế phần mềm Proteus Professional 2.2 Lập trình hệ thống Lập trình Arduino Uno phần mềm Arduino Software IDE (Intergrated Development Environment) Hệ thống lập trình lưu giá trị đếm điện KHỞI TẠO ĐỌC GIÁ TRỊ ĐẾM LƯU TRONG EEPROM HIỂN THỊ LCD GIÁ TRỊ ĐẾM HCAM_BIEN=LOW SAI ĐÚNG TĂNG GIÁ TRỊ ĐẾM GHI GIÁ TRỊ ĐẾM VÀO EEPROM 2.3 Thiết kế phần mềm Code Arduino (Bọn em để file Arduino đính kèm) 2.4 Kết chế tạo kiểm thử 2.4.1 Kết chế tạo Sử dụng phần mềm Proteus 8, bọn em lắp rắp thành phần kết hình: Hình Hệ thống đếm sản phẩm Màn hình LCD hiển thị số lượng mức mặc định Giá trị cảm biến khơng có vật cản để mặc định mức cao ứng với giá trị 1, giá trị cảm biến có vật cản qua ứng với mức thấp Nút reset để làm chương trình  Nguyên lý hoạt động Khi chưa có vật cản qua, cảm biến hồng ngoại khơng nhận tín hiệu khơng có tín hiệu đưa đến vi điều khiển ATmega328P Màn hình LCD trường hợp hiển thị giá trị đếm nhớ trước Khi có vật cản qua, LED thu nhận tín hiệu từ LED phát, mạch cảm biến cấp tín hiệu cho vi điều khiển ATmega328P, vi điều khiển thực tác vụ tăng giá trị đếm xuất hiển thị giá trị đếm lên mà hình LCD 10 2.4.2 Kiểm thử Kết nối nguồn, nạp chương trình, tiến hành chạy kiểm thử hệ thống: Màn hình LCD hiển thị số đếm mức Khi có vật cản qua khối cảm biến (Ứng với giá trị cảm biến chuyển thành 0) hình LCD hiển thị số đếm tăng thêm Khi đếm số sản phẩm tới số lượng mong muốn (ở bọn em đặt 10) hệ thống dừng đếm sản phẩm số sản phẩm đầy hình LCD báo “….FULL….” 11 Khi muốn làm chương trình ta nhấn nút reset giá trị hình LCD trở lại 12 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ MỞ RỘNG Ý TƯỞNG 3.1 Kết luận Chúng em thiết kế chế tạo thành công đếm kết hợp với cảm biến thực tác vụ đặt mục tiêu báo Hệ thống đếm ứng dụng dây chuyền sản xuất vừa nhỏ, nhà máy hay siêu thị, cửa hàng … cần quản lý số lượng sản phẩm, số lượng nhân công, khách hàng… cách khoa học tự động Tuy nhiên, để nâng cao khả triển khai hệ thống thực tế, thời gian tới chúng em mong muốn tiếp tục số hướng nghiên cứu tối ưu sau: Nghiên cứu điều chỉnh khối giao tiếp nhằm tăng độ nhạy độ gọn mặt kích thước cho hệ thống đếm Nghiên cứu, tối ưu phạm vi làm việc cảm biến hồng ngoại môi trường khoảng cách khác Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ, ánh sáng đến độ xác cảm biến hồng ngoại Qua nhận rằng, so với việc thiết kế hệ thống điều khiển với vi điều khiển thơng thường sử dụng module Arduino tiện lợi nhiều lý sau: Nguồn tài liệu mở hướng dẫn sử dụng Arduino tiếng Anh tiếng Việt phong phú Module Arduino có tích hợp sẵn vi điều khiển với ngơn ngữ lập trình thân thiện với người dùng, sử dụng mã nguồn mở nên thư viện code đa dạng chia sẻ rộng rãi cộng đồng người dùng Arduino Giá thành rẻ (module Arduino Uno R3 có giá khoảng 120.000 đồng) 13 Hỗ trợ nhiều module mở rộng giúp người thiết kế lắp ráp kiểm tra mạch nhanh chóng 3.2 Phát triển ý tưởng với nhà để xe thơng minh 3.2.1 Tóm tắt ý tưởng Bọn em thiết kế hệ thống đếm số lượng vào nhà xe tự động đơn giản, kèm theo cửa nhà xe tự động đóng mở, hệ thống dễ sử dụng đồng thời đảm bảo độ xác Hệ thống sử dụng module Arduino Uno R3 tích hợp vi điều khiển ATmega328P kết hợp với cảm biến hồng ngoại IR1 thực tác vụ: nhận tín hiệu có vật cản (xe) qua cảm biến để đóng mở cửa hiển thị số lượng (xe) lên hình LCD, thơng báo ngừng nhận xe nhà xe đầy tự động khóa cửa 3.2.1 Cách thức hoạt động kết kiểm thử - Mô Proteus hệ thống nhà để xe thơng minh: 14 Hình Nhà để xe thông minh sau lắp ráp thành phần  Cách thức hoạt động: Khi chưa có vật cản qua lối lối vào , cảm biến hồng ngoại khơng nhận tín hiệu khơng có tín hiệu đưa đến vi điều khiển ATmega328P Màn hình LCD trường hợp hiển thị giá trị đếm nhớ trước đó, động SERVOR chưa kích hoạt cửa đóng Khi có vật cản qua lối vào , LED thu nhận tín hiệu từ LED phát, mạch cảm biến cấp tín hiệu cho vi điều khiển ATmega328P, vi điều khiển thực tác vụ tăng giá trị đếm xuất hiển thị giá trị đếm lên mà hình LCD, vi điều khiển kích hoạt động SERVOR làm cửa mở lối vào Tương tự với lối ra, có xe LED phát cảm biến bắt tín hiệu gửi cho vi điều khiển Atmega328P, vi điều khiển giảm giá trị đếm kích hoạt động cở SERVOR làm mở cửa lối 15 Khi nhà xe đầy, mà hình báo đầy xe vi điều khiển thực tác vụ không cho xe vào  Kết kiểm thử: Màn hình LCD chạy câu chào hiển thị số đếm mức 0, lúc cửa nhà xe đóng Khi có xe qua cảm biến hình LCD hiển thị số đếm tăng thêm, cửa tự động mở đón xe vào (Hình 8) Hình Khi có xe vào Khi có xe cảm biến lối quét lúc hình LCD số đếm giảm đi, cửa tự động mở cho xe Khi nhà xe đầy, hình LCD thơng báo nhà xe đầy (Hình 9) cửa tự động khóa lại có xe nhận xe 16 Hình Nhà xe đầy Bên cạnh muốn làm hệ thống ta nhấn nút RESET BUTTON (Hình 10) 17 Hình 10 Làm nhà xe TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Boxall, John Arduino Workshop: A Hands-On Introduction with 65 Projects 1st Edition Buzier, Helmut Thermal Infrared Sensors: Theory, Optimisation and Practice 18 ... độ xác Nên chúng em định thiết kế mạch đếm sản phẩm gần gũi với thực tế Đề làm mạch cần thiết kế hai phần là: phận cảm biến phận đếm Bộ phận cảm biến: cảm biến phát cảm biến thu Thông thường người... độ năm độ Kelvin) phát xạ hồng ngoại Hình Cảm biến hồng ngoại IR Sensor Cảm biến vật cản hồng ngoại? ?có khả thích nghi với mơi trường, có cặp truyền nhận tia hồng ngoại.  Tia hồng ngoại phát tần... LCD Khối nguồn Sử dụng vi điều khiển ATmega328P Arduino làm xử lý trung tâm, mạch hệ thống có nguyên lý hoạt động sau: - Vi điều khiển đọc giá trị từ cảm biến hồng ngoại, xử lý để nhận dạng có vật