BÁO cáo đề tài hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH BÁO CÁO Đề tài: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Lớp: CE224.N11 Tên môn học: Thiết kế hệ thống nhúng Giảng viên hướng dẫn: Lê Hoài Nghĩa Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Phát20521737 Nguyễn Hữu TríVõ Nhật Nam20522051 20520646 HỒ CHÍ MINH,2022 Cơng việc Mua linh Thành Phát viên kiện Trí  Nam  Bảng phân cơng cơng việc Code Test Thiết kế mơ hình        Viết báo cáo  MỤC LỤC MỤC LỤC I Giới thiệu: .4 Tổng quan: .4 Mục tiêu: Các công việc làm: 4 Hạn chế: II Mô tả công việc: .5 Mô tả hệ thống: Hoạt động: 20 III Kết quả: 22 Kết đạt được: 22 Khó khăn: .22 Tài liệu tham khảo: 22 Hình 1: Sơ đồ khối chức Hình 2: Sơ đồ đường MỤC LỤC HÌNH ẢNH liệu Hình 3: Adruino Uno R3 Hình 4: ESP32 Hình 5: Chuẩn giao tiếp UART Hình Cách truyền liệu UART .6 Hình 7: Khung truyền giao tiếp UART Hình 8: Start bit Hình 9: Stop bit .8 Hình 10: Đầu vào UART( truyền song song) Hình 11: Quá trình truyền liệu giao tiếp UART Hình 12 Chuyển liệu nối tiếp trở lại song song .9 Hình 13: LCD module I2C 10 Hình 14 Chuẩn giao tiếp I2C 10 Hình 15 Cảm biến màu sắc TCS3200 13 Hình 16: Sơ đồ khối cảm biến màu sắc TCS3200 13 Hình 17: Cách hoạt động TCS3200 14 Hình 18: Servo G90 Hình 19: Chuẩn giao tiếp 1Wire .16 Hình 20 Cách hoạt động 17 Hình 21: Một nút nhẩn iButton nhựa sử dụng cho vé xe thông2 minh .18 Hình 22 Lưu đồ tht tốn 19 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1: Tốc độ truyền Bảng 2: Chọn chế độ lọc cho TCS3200 15 Bảng 3: Bảng tần số TCS3200 16 I Giới thiệu: Tổng quan: - Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng Arduino cảm biết TCS3200 Giá trị RGB sản phẩm lọc từ cảm biến, từ tiến hành phân loại Mục tiêu: - Phân loại sản phẩm dựa giá trị RGB lọc biếntừ cảm TCS3200 - Biết cách sử dụng TCS3200, Servo, Adruino Unoviệc R3.đã làm: Các công - Tìm hiểu cách hoạt động Arduino, Servo - TCS3200, Thiết kế mơ hình với bìa foam 5mm - Lấy giá trị RGB sản phẩm cần phân loại - Hiện thực ý tưởng thành code phần mềm Arduino, tiến hành nối - Chạy thử dây, hệ nạp code - thống Hoàn thiện hệ Hạn chế: thống - Xây dựng mơ hình cịn có sai sót dẫn dến vài lỗi sảnnhư kẹt - phẩm Giá trị RGB lọc từ cảm biến TCS3200 dễ bị thay đổi theo điều kiện ánh sáng môi trường xung quanh gây khó khăn việc lấy giá trị II Mơ tả cơng việc: Mơ tả hệ thống: Hình 1: Sơ đồ khối chức Hình 2: Sơ đồ đường liệu - Hệ thống bao gồm có: o Vi xử lý: Adruino Uno R3 Hình 3: Adruino Uno R3 o ESP32 Hình 4: ESP32 - ESP giao tiếp với Arduino thông qua chuẩn giao tiếp - UART UART(Universal / Transmitter) phát không đồngAsynchronous đa làReceiver hình hay thuthức giao tiếp kỹ thuật số thiết bị với thiết bị đơn giản lâu đời UART hoàn toàn khác biệt với chuẩn giao tiếp SPI I2C, - Chuẩn giao tiếp UART sử dụng dây để truyền chuẩn đơn tuần giao tiếp phần mềm Mục nhận liệu đích thiết bị: o TX - Dây UART (Transmiter) truyền nhận truyền liệu nối tiếp liệu o RX (Receiver) - Dây nhận liệu Hình 5: Chuẩn giao tiếp UART Số dây sử dụng Từ 9600 bps -> 115200 Tốc độ thức truyền liệu bps Không Phương đồng Kiểu truyền Nối tiếp liệu Số lượng Master (thiết bị chủ) Số lượng Slave (thiết bị tớ) Bảng 1: Tốc độ truyền - Lưu ý: Cả hai UART phải cấu hình để truyền cấu nhậntrúc gói liệu Nghĩa thiết lập vi điều khiển, cấu hình tốc độ baud phải giống - Cách truyền liệu chuẩn giao tiếp o UART Để tiện cho việc phân tích ta gọi UART1 bên truyền dữUART2 bên nhận liệu liệu UART truyền nhận liệu từ o Các bus liệu (Data Bus) Bus liệu sử dụng để gửi liệu đến UART thiết bị khác vi điều khiển Dữ liệu chuyển từ bus liệu đến UART dạng song song o Sau UART1 nhận liệu song song từ bus liệu, thêm bit Start, bit Parity (bit chẵn lẻ) bit Stop, tạo gói liệu Tiếp theo, gói liệu xuất nối tiếp bit chân Tx o UART đọc gói liệu bit chân Rx Sau UART chuyển đổi liệu trở lại dạng song song loại bỏ bit Start, bit Parity bit Stop Cuối cùng, UART2 chuyển gói liệu song song với bus liệu đầu nhận: Hình Cách truyền liệu UART o Dữ liệu truyền giao tiếp UART tổ chức thành gói (Packets) Mỗi Packets chứa bit Start, đến bit liệu (tùy thuộc vào UART), bit Parity bit Stop Hình 7: Khung truyền giao tiếp UART - Start bit (bit khởi đầu) Hình 8: Start bit o Đường truyền liệu giao tiếp UART thường giữ cao liệu, khơng o Đểmức bắt điện đầu áp truyền UART truyền truyền liệu kéo đường truyền từ mức cao xuống mức thấp chu kỳ đồng hồ o Khi UART phát chuyển đổi điện áp cao xuống - Data Frame (khung thấp, bắt đầu đọc bit khung liệu liệu) o Khung liệu chứa liệu thực tế tần số truyền Nótừcó5-bit đến bit sử dụng bit Parity thể dài tốc độ truyền (Baud rate) (bit chẵn lẻ) o Nếu không sử dụng bit Parity, khung liệu dài bit Trong hầu hết trường hợp, liệu - Paritygửi bit với (bit bit chẵn LSB (bit có trọng số thấp lẻ)o Trong giao tiếp UART, Bit nhất) Parity trước mô tảtiên tính chẵn lẻsố củabit Parity cách để UART cho biết liệu có liệu thay đổi trình truyền hay khơng Bit bị thay đổi tốc độ truyền không khớp truyền liệu khoảng cách xa… Sau UART o Nếu bit Parity (chẵn), tổng bit đọc khung khung dữ liệu, đếm số bit có giá trị kiểm liệu phảitổng số chẵn Nếu bit Parity (lẻ), tra xem tổng số số chẵn hay lẻ bit khung liệu số lẻ Do qua kiểm tra biết q trình truyền liệu có xác Stop bit (bit kết thúc) Hình 9: Stop bit o Để báo hiệu kết thúc gói liệu, UART gửi điều khiển đường truyền liệu từ điện áp thấp đến điện truyền áp caodữ liệu chuẩn giao - Các bước hai khoảng thời gian bit từ bus tiếp o UART UART truyền nhận liệu song song liệu: liệu song đầu vào Sau sẽ Dữ song chuyển thành nối tiếp để truyền dây TX Tốc độ baud thiết lập từ trước phần cấu hình Hình 10: Đầu vào UART( truyền song song) o UART truyền thêm bit bắt đầu, bit chẵn lẻ (các) bit dừng vào khung liệu: o Tồn gói tin gửi nối tiếp từ UART truyền đến UART nhận UART nhận lấy mẫu đường liệu tốc độ truyền định cấu hình trước: Hình 11: Quá trình truyền liệu giao tiếp UART o Trong trình bit khung truyền đẩy lên đường dây TX UART1 (truyền) đưa tới dây RX UART2 (nhận) o UART nhận loại bỏ bit bắt đầu, bit chẵn lẻ bit dừng khỏi khung liệu: o Quá trình bỏ bit điều kiện đi, sau cịn Data Frame (khung liệu) Cuối liệu cần truyền tiếp tục xử lý Slave (thiết bị tớ) o UART nhận chuyển đổi liệu nối tiếp trở lại thành song song chuyển đến data Bus Hình 12 Chuyển liệu nối tiếp trở lại song song o Lúc việc truyền liệu qua giao tiếp UART thành hoàn - Ưu, nhược điểm chuẩn giao tiếp UART o Ưu điểm • Chỉ sử dụng hai dây • Khơng cần tín hiệu đồng hồ • Có bit chẵn lẻ phép kiểm tra lỗiCấu trúc gói liệu thay đổiPhương pháp o Nhược điểmghi chép rõ ràng sử dụng rộng rãi • Kích thước khung liệu giới hạn tối đa • bit Khơng hỗ trợ nhiều hệ thống phụ nhiều • hệ thống 10% Tốc độ truyền UART phải nằm khoảng o LCD Hình 13: LCD module I2C - LCD giao tiếp với ESP thông qua chuẩn giao tiếp I2C (Inter- Integrated Chuẩn giaoCircuit) tiếp I2C (Inter-Integrated Circuit) loại bus nối tiếp hai chiều với hai dây tín hiệu phát triển hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips (nay hãng NXP Semiconductors) cho trình giao tiếp IC Đây chuẩn giao tiếp vi điều khiển thưởng gặp Hình 14 Chuẩn giao tiếp I2C - Giao tiếp I2C q trình truyền thơng đồng nối tiếp, hỗ trợ nhiều Master (thiết bị chủ) Slave (thiết bị tớ) đường truyền Phương pháp Master – Slave (chủ - tớ), master có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy cập bus cho slave Các slave đóng vai trị bị động có quyền truy cập bus gửi khivới ngoại vi mà ưu tiên kết nối - tín I2Chiệu phù hợp có cầu đơnyêu giản Master dùng phương pháp hỏi chu xuất thấp quan trọng u cầu chitheo phí sản kỳ sốt tồn hệ thống Nhờ slave tốcđể độkiểm truyền gửitiếp cácgiữa vi điều khiển mảng cảm biến, nhưthể giao - có liệu thiết bị thu hiểnthập từ trình kỹ thuật gửi đến master thị,o thiết bị(serial IoT, EEPROMs, v.v … truyền cho chủ tớ SDA data) – đường nhận thông tin điều khiển Chuẩn giao dây từ để master truyền liệu để gửi vàtiếp I2C sử dụng thiết nhận liệu o SCL(serial clock) – Dong mang tín hiệu xung nhịp bị: - Một bus I2C hoạt động nhiều chế độ khác nhau: o Một chủ tớ (one master – one slave) o Một chủ nhiều tớ (one master – multi slave) o Nhiều chủ nhiều tớ (Multi master – multi slave) Bit start SDA stop : banđều đầuở hiệnbus quái2c trình đường SCL mứcchưa cao,thực lúc giao sẳntiếp, sàn giao tiếp o Điều kiện start: chuyển đổi trạng thái từ caothấp xuống đường SDA đường SCL mức cao o Điều kiện stop: chuyển đổi trạng thái từ thấp lên cáo đường SDA đường SCL mức cao.liệu truyền theo bit, bit liệu o Dữ truyền kiện start stop tạo o Cả 2điđiều mỗibịsườn thiết chủ dương xung clock dây SCL, q trình trao Sau tín hiệu start, bus i2c coi (marter) đổi bittrạng liệu diễn SCL mức thấp thái làm việc, số sẳn sàngbyte cho có giao o Mỗi có độbus dài i2c bit, lượng thể tiếp - Truyền dữbyte sau truyền lầntín liệu: hiệu stop khơng hạn chế Mỗi byte truyền theo sau bit có điều kiện start, q trình giao o Sau ACK đểhiện báo hiệu nhận liệu Bit có trọng tiếp xuất số tín cao hiệunhất start bus i2c làm việc, start (MSB) truyền trước, bit start lặp lại truyền lần giống lượt o Sau xung clock dây SCL, bit liệu truyền Lúc thiết bị nhận, sau nhận đủ đủ bít liệu kéo SDA xuống mức thấp tạo xung ACK ứng với xung clock thứ dây SDA để báo hiệu nhận đủ bit Thiết bị truyền nhận bit ACK tiếp tục thực trình truyền kết thúc o Một byte truyền có kèm theo bit ACK điều kiên bắt buộc, nhằm đảm bảo cho trình truyền nhận - Định dạng diễn địa thiết thị:o I2C đường SPI, xác Khi khơng nhậnSlave Select địa hay khivì cần kết muốn khácgiao rằngsẽdữ liệu thúc cách trình tiếp,slave thiết biết bị nhận gửi gửi xung Not‐ đến slaveởnày ACK(SDA mứcchứ cao) để báo choslave thiếtkhác bị chủNó biết, thực điều thiết bị địa để kết thúc hay lặp lại chủ tạocách xungđịnh xung STOP xung START để bắt đầu trình o Mỗi thiết bị ngoại vi tham gia vào bus i2c ln ln có địa nhất, nhằm phân biệt thiết bị với Độ dài bit, điều có nghĩa bus i2c phân biệt 128 thiết bị o Khi master muốn giao tiếp với ngoại vi, gửi bit địa thiết bị sau xung start, byte gửi bao gồm bit địa bit thứ điều khiển hướng truyền - Khung mà có phản hồi tương ứng từ master o bị ngoại vi cóbit địa chỉtừ riêng dokhung nhà liệu o Mỗi Sau thiết master phát ACK slave, sản xuất quy dữtiên liệu đầu sẵn sàng định Địa thay đổi hoạc cố định o gửi Khung liệu có độ dài bit gửi với Bit điều bithướng quan quy định chiều truyền liệu, bit trọng trước Mỗi khung liệu sau byte dữmột liệu bit truyền từ master đến slave, ACK / NACK bằngđể xác minh khung nhận thành ngược lại cơng Bit ACK phải nhận master slave (tùy thuộc vào gửi liệu) trước khung liệu gửi o Sau tất khung liệu gửi, o Sensor: cảm biến màu sắc master TCS3200 gửi điều kiện dừng cho slave để tạm dừng trình truyền Điều kiện dừng chuyển đổi điện áp từ thấp lên cao đường SDA sau chuyển tiếp từ thấp lên cao đường SCL , với đường SCL mức cao Hình 15 Cảm biến màu sắc TCS3200 - Cảm biến màu sắc TCS3200 giao tiếp với Arduino thông qua giao - thức ADC (Analog to Digital Converter) ADC hệ thống mạch thực chuyển đổi tín hiệu - tương tự sang tín hiệu số Đầu vào tín hiệu tương tự, xử lý thông qua mạch giữ mẫu (S/H) để tạo giá trị gần tín hiệu số Biên độ khơng cịn có giá vơ thành hạn, dịng bit “lượng thành hiệu sốtrịhóa nhị tử hóa”biên độ giá hiệu trịbiểu rờitương phân thị tự Đầu tín hiệu số cócủa tín thể rạc,lýtùy thuộc vào độ phân giải ADC ADC có độ xử phân giảithuật cao số gồm khối hình vẽ phía dưới: kỹ Cảmmiền biến màu TCS3200 có kích thước bước nhỏ biểu diễn xác tín hiệu tương tự đầu vào Giai đoạn cuối ADC mã hóa tín Hình 16: Sơ đồ khối cảm biến màu sắc TCS3200 - Khối mảng ma trận 8×8 gồm photodiode Photodiode đơn giản linh kiện bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dịng o 16 photodiode lọc màu đỏ (red) điện o 16 photodiode lọc màu xanh (green) o 16 photodiode lọc màu xanh dương (blue) o 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 thông 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 17: Cách hoạt động TCS3200 - 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 H H Clear (no filter) Green Bảng 2: Chọn chế độ lọc cho TCS3200 - 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 để đọc sóng ngõ kết tần số - Các chân S0 S1 vuông sử dụng đểlấy điều chỉnh màura sắc đầu Nó chia tỷ điều lệ thành giá trị đặtcótrước sau: 2%, 100% Các vi khiển khác cấu hình cho 20% 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 H L 2% 20% H H 100% Bảng 3: Bảng tần số TCS3200 - Tần số ngõ module cảm biến màu TCS3200 khoảng Hz ~ 500 kHz Tần số ngõ có dạng xung vng với - tần số khác tương ứng với màu sắc cường độ sáng khác Chúng ta có thể2lựa chọn tỉ lệ tần số ngõ mức o Actuators: khác Servo bảng cho phù hợp với phần cứng đo tần số Hình 18: Servo G90 - Servo G90 giao tiếp với Arduino thông qua giao thức 1Wire - 1-Wire hệ thống bus giao tiếp với thiết bị thiết kế - Dallas Semiconductor Corp 1-Wire hỗ trợ truyền liệu tốc độ thấp (16.3 kbit/s), truyền tín hiệu, nguồn ni qua chân tín hiệu đơn 1-Wire tương tự I²C, với tốc độ truyền liệu thấp khoảng cách xa Hình 19: Chuẩn giao tiếp 1-Wire - Cơ sở truyền nhận : o Các tín hiệu sử dụng Restart , write , write , Read o Write : truyền bit : Master kéo xuống khoảng A(us) mức khoảng B o Write : truyền bit : Master kéo xuống o Read : Đọc Bit : Master kéo xuống khoảng A khoảng C rồi1trả khoảng E đọc giá trị slave gửi delay trả khoảng D delay: FChuẩn bị giao tiếp Master ké0 xuống o Restart khoảng H nhả lên mức sau cấu hình Master chân In delay I =1 đường truyền lỗi slave (us) đọc giá trị slave trảdụng mode Nếu =0 cho bận o Thông thường chủ yếu sử Standard phép giao tiếp o Chuẩn 1-Wire điều cần xác thời gian Vậy để tối ưu đường truyền cần định thời để delay - WorkFlow: xác Hình 20 Cách hoạt động o Bước 1: Trước bắt đầu xác định slave để làm việc, master cần đưa lệnh reset để xác định có slave có nằm đường truyền cách phản hồi lại tín hiêu present o Bước 2: Sau xác định có thiết bị slave kết nối, master chọn tất hay slave (dựa địa thiết bị) để làm việc Hoặc xác định slave thuật tốn tìm kiếm nhị phân o Bước 3: Sau xác định slave làm việc tất slave khác qua,master tất Lưucác ý: Khi thiếtsẽbịđược đượcbỏ chọn, tín đưa hiệu truyền lệnh bởidữ thiết master slave cụ thể chođược thiếtnhận bị, gửi liệubị đến đọc chọn liệuđược từ Bởi o Bước 4: thiết Nếu muốn slave khác, loại bị thựcgiao hiệntiếp cácvới chức khác master phục vụ đầu lại khác q trình bước có giao thức chobắt mục đích nhau,từmỗi máy - Ứng thực dụng chọn Mặc dù loại thiết bị có tếcác : Mỗi o chip 1-Wire có mã ID Tính giao thức làm tínhnày khác tất chúng có chip, quycho trình lựa đặc biệt iButton, phù hợp để sử dụng chọn giống tuân theo tiến trình chìa khóa để mở khóa, cánh tay, tắt báo động trộm, xác thực người dùng hệ thống máy tính,… Hình 21: Một nút nhẩn iButton nhựa sử dụng cho vé xe thơng minh o Ngồi ra, nguồn laptop DELL hãng sử dụng giao thức 1-Wire để gửi liệu thông qua dây thứ ba đến laptop (về lượng, - Ưu điểm hạn chế giaodòng điện áp) Laptop từ chối tiếp o 1-wire Uu điểm: sạc sạc khơng đáp ứng u • Nhiều slaves truy cập dây cầu kiểu giao tiếp • Do sử dụng dây hơn, giao thức rẻ • Giao thức dễ thực • Giao thức hỗ trợ khoảng cách xa (khoảng 300 mét) o Nhược điểm: • Nó thực phần cứng phần mềm Việc đồng hóa liệu máy thu phải thực phần mềm, phức • nhiệm Mặc dùvụ giao thức hỗ trợ khoảng cách xa tạp • bị hạn chế nhiễu điện dung cáp Nó hỗ trợ tốc độ truyền thông chậm Các thiết bị phụ dây sản xuất hãng bán dẫn Dallas 2 Hoạt động: - Hình 22 Lưu đồ tht tốn Khởi tạo r = 0, g = 0, b = để lọc màu Servo thứ quay đến góc 150 độ nhận sản phẩm Sau tiếp tục quay đến góc 70 độ để cảm biến - TCS3200 Nếu giá trịcónằm khoảng [37, 61, 50] đến [59, thể lọc 111, 90]được giá trị RGB từ sản phẩm - tức màu hồng, servo thứ quay đến góc 70 độ Nếu giá trị nằm khoảng [60, 68, 51] đến [90, - 128, 95] - tức màu tím, servo thứ quay đến góc 100 độ Các trường hợp lại servo thứ hai quay đến góc 130 độ Sau q trình servo thứ quay 40 độ đưa sản phẩm đến khay phân loại III Kết quả: Kết đạt được: - Hệ thống hoạt động khoảng 80% (link mơ phỏng) - Cịn xảy nhiễu q trình đọc màu sắc dẫn đến nhìu - phân loại sai màu sản phẩm Mơ hình sản phẩm chưa tối ưu dẫn đến xảy kẹt Khó khăn: sản phẩm - Việc đọc màu sắc từ cảm biến TCS3200 chưa xác hồn tồn - Chưa thể dựng mơ hình hồn thiện cịn nhiều lỗi kẹt hay sản phẩm bị văng khỏi đường truyền sản phẩm vào khay đựng Tài liệu tham khảo: theo màu - Tài liệu tham khảo cách dùng - TCS3200 Tài liệu tham khảo cách dùng Servo ... thiệu: Tổng quan: - Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng Arduino cảm biết TCS3200 Giá trị RGB sản phẩm lọc từ cảm biến, từ tiến hành phân loại Mục tiêu: - Phân loại sản phẩm dựa giá trị... đưa sản phẩm đến khay phân loại III Kết quả: Kết đạt được: - Hệ thống hoạt động khoảng 80% (link mơ phỏng) - Cịn xảy nhiễu trình đọc màu sắc dẫn đến nhìu - phân loại sai màu sản phẩm Mơ hình sản. .. foam 5mm - Lấy giá trị RGB sản phẩm cần phân loại - Hiện thực ý tưởng thành code phần mềm Arduino, tiến hành nối - Chạy thử dây, hệ nạp code - thống Hoàn thiện hệ Hạn chế: thống - Xây dựng mơ hình