BÀI TẬP LỚN CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO Đề tài Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại E18 D80NK Sinh viên thực hiện Bùi Đình Đức – 2020602910 Nguyễn Ngọc Trung – 2020608158 Nguyễn Thị[.]
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - BÀI TẬP LỚN CÔNG THƯƠNG CẢM BIẾNBỘVÀ HỆ THỐNG ĐO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ Đề tài: Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng - ngoại E18-D80NK Bùi Đình Đức – 2020602910 Nguyễn Ngọc Trung TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – 2020608158 Sinh viên thực hiện: BỘ CƠNG THƯƠNG Nguyễn KHOA CƠThị KHÍ Điệp - - Giáo viên hướng dẫn: ThS Lê Văn Nghĩa BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ Hà Nội – Năm 2023 - – 2021604428 LỜI NÓI 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 hồng ngoại (IR sensor) thiết bị điện tự động hoạt động nguyên tắc điện tử điện dung, dùng để đo phát xạ hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại nguồn sáng mà mắt người khơng thể nhìn thấy được, bước sóng hồng ngoại rộng với ánh sáng khả biến Do vậy, vật thể phát mức nhiệt lớn độ C phát bước sóng hồng ngoại Để góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật nay, nhóm chúng em định chọn cảm hồng ngoại Nhóm chúng em lựa chọn đề tài “Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại” Cảm biến hồng ngoại đặt cuối băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng sản phẩm Mơ hình sử dụng cảm biến hồng ngoại điều khiển ardunio mô phần mềm protues hiển thị số lượng hình LED, giúp đếm số lượng sản phẩm để phân vào hộp đủ số lượng chuyển tiếp đến quy trình đóng gói sản phẩm Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC ẢNH CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.2 Các yêu cầu bản: 1.3 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 .7 2.1.2 Nguyên lí làm việc .7 2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống .8 2.1.4 Cảm biến hồng ngoại 2.1.5 Lựa chọn cảm biến 10 2.1.6 Giới thiệu Arduino 12 2.1.7 Module hiển thị led đoạn 15 2.1.8 IC 74HC595 16 2.1.9 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu 16 DANH MỤC ẢNH Hình 1.1 Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm sản phẩm Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 10 Hình 2.5 Sơ đồ nối dây 11 Hình 2.6 Arduino Nano V3.0 12 Hình 2.7 Arduino Nano V3.0 12 Hình 2.8 Module hiển thị led đoạn 15 Hình 2.9 IC 74HC595 16 Hình 2.10 Thiết kế mạch Proteus 16 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG Trong kỷ nguyên công nghệ nay, phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật, mơ hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm đời dựa vào công nghệ vi mạch lập trình nhúng cho vi điều khiển Vi điều khiển tích hợp nhỏ gọn giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn lượng Hiện nay, Việt Nam giới có nhiều loại mơ hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm thiết kế thi công giúp người giảm chi phí nhân cơng, quản lý, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin Mơ hình đếm sản phẩm tự động, giúp bớt nhiều sức lao động cà thời gian, giúp tăng hiệu suất lao động, đồng thời đảm bảo độ xác Ngày nay, vi điều khiển có bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả xử lý mạnh, tiêu thụ lượng giá thành thấp Khi nạp phần mềm nhúng, vi điều khiển hoạt động độc lập theo ứng dụng cụ thể Xuất phát từ học thực tập lớp tham quan doang nghiệp sản xuất, chúng em thấy nhiều khâu tự động hóa trình sản xuất Một khâu đơn giản dây truyền 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 tồn chưa áp dụng khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà 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 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 mơ hình mạch đếm sản phẩm gần gũi với thực tế Từ ý tưởng thiết kế trên, nhóm chúng em chọn đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM SỬ DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI” với mong muốn đề tài dụng tốt sống thực tế Chính ý tưởng tìm hiểu nghiên cứu mơ hình đếm sản phẩm đời nhằm để: • Ứng dụng thực tiễn kiến thức học trường • Tìm hiểu cách thức hoạt động module mơ hình đếm sản phẩm • Nghiên cứu phát triển đưa vào thực tế • Phát triển thêm kiến thức cịn hạn hẹp thân Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.1 Phương pháp nghiên cứu: – Tìm hiểu tổng quan lý thuyết đề tài – Đọc hiểu số tài liệu liên quan đến đề tài – Thảo luận nhóm để thống ý kiến – Thiết kế mơ hình phần cứng – Thiết kế phần mềm – Thực nghiệm kiểm chứng đối tượng – Báo cáo nghiệm thu đề tài Phạm vi nghiên cứu: Đếm số lượng sản phẩm hiển thị số sản phẩm LED đoạn Đối tượng nghiên cứu: Mơ hình mạch đếm sản phẩm gồm module nguồn, module cảm biến hồng ngoại, module hiển thị LED đoạn, module xử lý vi điều khiển Các yêu cầu bản: 1.2 – Hệ thống phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng, doanh nghiệp – Giá thành hệ thống phù hợp kết cấu nhỏ gọn – Sử dụng cảm biến hồng ngoại kết hợp với mạch Ardunio – Sai số trung bình khoảng 0,15% đếm số lượng sản phẩm – Hiện thị Led đoạn 1.3 Ý nghĩa thực tiễn Việc đếm số lượng sản phẩm hệ thống có vai trò quan trọng lớn thực tế áp dụng vào quy trình tự động hóa kiểm, đếm số lượng sản phẩm Hiểu biết sử dụng cảm biến quang để đếm số lượng sản phẩm, biết thiết kế mạch điện tử lập trình vi điều khiển, đưa tín hiệu điều khiển cho motor đẩy san phẩm qua dây truyển khác đủ số lượng yêu cầu Đề có ứng dụng thực tiễn cơng nghiệp dây truyền tự động hóa sản xuất, dây truyền sản xuất bánh kẹo, đồ hộp Hình 1.1 Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm sản phẩm CHƯƠNG 2.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.1.1 Tổng quan hệ thống Hệ thống bao gồm cụm chi tiết: – Điều khiển sử lý tín hiệu + Cảm biến hồng ngoại + Vi điều khiển – Chấp hành + Màn hình LED 2.1.2 Ngun lí làm việc Cảm biến hồng ngoại nhận tín hiệu gửi tín hiệu điện vi điều khiển Sau xử lí truyền tín hiệu hiển thị số sản phẩm lên LED 2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống Khối hiển thị LED Khối nguồn Khối vi điều khiển Khối cảm biến hồng ngoại Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống Nguồn: Tín hiệu: Khối nguồn: cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động Khối vi điều khiển: thu tín hiệu từ khối cảm biến tín hiệu từ khối nút bấm reset tiến hành xử lý tín hiệu thu xuất tín hiệu điều khiển cho khỏi hiển thị LED khối động Khối cảm biến hồng ngoại: xuất tín hiệu dạng điện cấp cho vi điều khiển có sản phẩm qua Khối hiển thị LED: nhận tín hiệu điện từ khối vi điều khiển, hiển thị số lượng sản phẩm lên hình LED 2.1.4 Cảm biến hồng ngoại Hình 2.2 Cảm biến hồng ngoại Cấu tạo: – Đèn led hồng ngoại: Đây thiết bị phát từ nguồn sáng hồng ngoại – Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu phát xạ hồng ngoại phản xạ trở lại – Điện trở: Là thiết bị có tác dụng cường độ dòng điện lớn chạy đèn led làm cho hệ thống chập cháy – Dây điện: Tác dụng kết nối chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định Nguyên lý hoạt động thiết bị Về nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại khơng q phức tạp hiểu đơn giản sau: Vật thể phát xạ hồng ngoại nhiều hay Hình 2.3 Ngun lý hoạt động cảm biến hồng ngoại Ưu điểm: – Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao xác định vật thể phát xạ hồng ngoại không gian – Thiết kế cảm biến cho phép xác định khoảng cách xác vật thể phát xạ hồng ngoại – Thiết kế cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ Nhược điểm – Cảm biến hồng ngoại phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường Với mơi trường có nhiệt độ cao, cảm biến hoạt động hiệu – Góc phạm vi quét cảm biến hồng ngoại hạn chế, nhiều góc chết – Độ nhạy cao nên dễ nhầm lẫn phát chuyển động Ứng dụng: – Bật tắt đèn tự động – Chống trộm – Giúp mở cửa tự động – Đếm sản phẩm 2.1.5 Lựa chọn cảm biến Căn vào điều kiện làm việc phải đếm xác số lượng sản phẩm băng tải, phải phân biệt người vật Ngồi cịn phụ thuộc vào giá thành sản phẩm nên nhóm em định lựa chon cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Hình 2.4 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Cảm biến bao gồm dây kết nối: • Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 5VDC • Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector • Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC Sơ đồ kết nối dây Hình 2.5 Sơ đồ nối dây Thông số kĩ thuật: – Điện áp hoạt động: 5V DC – Dịng kích ngõ ra: 300mA – Khoảng cách: - 80cm – Kết nối dây: + Nâu: 5V DC + Xanh dương: GND / 0V + Đen: Tín hiệu NPN thường hở ( Tín hiệu với điện áp cấp cho cảm biến) – Nhiệt độ: -25°C ~ +55°C – Chiều dài dây: 1m – Có thể điều chỉnh khoảng cách biến trở – Kích thước: 17 * 45 mm 2.1.6 Giới thiệu Arduino Arduino để làm điều khiển cho hệ thống dựa phương diện: – Dễ dàng sử dụng, sử dụng Arduino hoàn chỉnh nguồn, ổ ghi, dao động, vi điều khiển, truyền thông nối tiếp – 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 Trong thực tế có nhiều loại Arduino: Arduino uno r3, Arduino nano, Nhưng hệ thống Arduino Nano V3.0 lựa chọn tối ưu Arduino Nano V3.0 có 14 chân đầu vào / đầu kỹ thuật số (trong chân sử dụng làm đầu PWM), kết nối USB (5V 6V~9V DC), giắc cắm nguồn, nút đặt lại nhiều thứ nữa,… Hình 2.6 Arduino Nano V3.0 Nó chứa thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển: cần kết nối với máy tính cáp USB cấp nguồn cho chuyển đổi AC-DC pin để bắt đầu Hình 2.7 Arduino Nano V3.0 Ưu điểm Arduino Nano V3 Sử dụng IC dán ATmega328P nên có thêm chân Analog so với phiên IC chân cắm Arduino Uno – Với kích thước nhỏ gọn đến mức tối thiểu hỗ trợ Nano dễ dàng lắp đặt Nhờ chúng lựa chọn để áp dụng nhiều – Arduino Nano linh hoạt lựa chọn công suất lớn với hiệu điện – Dễ dàng kết nối trực tiếp với thiết bị máy tính – Lập trình đơn giản tiện dụng Một vài thông số Arduino Nano V3 – Thiết kế theo chuẩn chân, kích thước Arduino Nano hãng – IC chính: ATmega328P-AU – IC nạp giao tiếp UART: CH340 – Điện áp cấp: 5VDC cổng USB 6-9VDC chân Raw – Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC – Dòng GPIO: 40mA – Số chân Digital: 14 chân, có chân PWM – Số chân Analog: chân (hơn Arduino Uno chân – A6,A7) – Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader) – SRAM: 2KB – EEPROM: 1KB – Clock Speed: 16Mhz – Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX – Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117 – Kích thước: 18.542 x 43.18mm Lựa chọn điều khiển Qua phân tích thấy điều khiển Arduino Nano V3 phù hợp để thiết kế, Arduino thực chương trình nhanh đơn giản, nhỏ gọn, giá thành rẻ Lập trình giao tiếp với thiết khác dễ dàng Arduino dễ học phù hợp cho người bắt đầu tích hợp nhiều chức cộng đồng sử dụng lớn Ứng dụng – Arduino Nano 3.0 breadboard nhỏ gọn chức tương đương với arduino Uno R3 – Rất thích hợp cho newbie, mạch có giá rẻ Arduino Uno dùng với tất thư viện mạch – Ứng dung học tập : Điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ – độ ẩm hiển thị lên hình LCD … – Ứng dụng đời sống : Làm thiết bị nhà thơng minh, khóa tự động, làm sản phẩm nông nghiệp thông minh … – Ứng dụng công nghiệp : Hiện Arduino sử dụng nhiều cơng nghiệp giá thành tốt , độ ổn định cao – Arduino Uno board mạch phổ biến dòng Arduino nay, bạn cần kết nối – Arduino với máy tính PC Laptop cáp USB sử dụng nạp code cho cách dễ dàng 2.1.7 Module hiển thị led đoạn Module nhỏ gọn đầy đủ chức cho việc hiển thị chữ số, thời gian Chỉ với chân CLK, DATA, LATCH kết nối với vi điều khiển hiển thị giá trị số lên module Hình 2.8 Module hiển thị led đoạn Thông số kỹ thuật: – Sử dụng led đoạn (0.36 inch) – chân cấp nguồn ( VCC, GND) chân điều khiển DATA IN(DIO), LATCH(RCLK), CLOCK(SCLK) – Led đoạn tích hợp IC chuyên dụng 74HC595 – Tín hiệu điều khiển 5V 3V3 – Có lỗ bắt vít M3 thuận tiện cho việc gá đặt – Kích thước: 42 x 24 x12 mm – Arduino library (for 74HC595) supported – Ngõ mở rộng gồm chân cấp nguồn ( VCC, GND) chân điều khiển DATA OUT(QH), LATCH(RCLK), CLOCK(SCLK) 2.1.8 IC 74HC595 Hình 2.9 IC 74HC595 IC 74HC595 IC ghi dịch có 16 chân bao gồm chân chốt loại D với ghi dịch bên chip Nó nhận liệu đầu vào nối tiếp sau gửi liệu ngồi thơng qua chân song song IC 74HC595 thường dùng mạch quét led 7, led matrix …để tiết kiệm số chân VDK tối đa (3 chân) Ưu điểm: – Tiết kiệm chân cho vi điều khiển – Dễ dàng kết nối với LED 2.1.9 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu Hình 2.10 Thiết kế mạch Proteus Các khâu mạch đo xử lý tín hiệu: – Khâu điều khiển: Arduino Nano – Khâu cảm biến: Cảm biến hồng ngoại – Khâu hiển thị: Led đoạn IC 74HC595 Sơ đồ nối dây: – Chân A0, A1, A2 Arduino nối với chân DS, ST_CP, SH_CP IC – Chân D4 nối với chân OUTPUT cảm biến