Thiết kế và lập trình nhúng cho mạch điện tử để ứng dụng cho giáo dục stem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN TỰ ĐỘNG GVHD: ThS LÊ THANH TÙNG SVTH: NGUYỄN ANH QUỐC TRẦN HỒNG VƯƠNG SKL010702 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN TỰ ĐỘNG GVHD: THS LÊ THANH TÙNG SVTH: NGUYỄN ANH QUỐC - 19146380 TRẦN HỒNG VƯƠNG - 19146429 KHĨA: 2019 - 2023 NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh,01 tháng 08 năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG NHẬN DIỆN MỐI HÀN TỰ ĐỘNG GVHD: THS LÊ THANH TÙNG SVTH: NGUYỄN ANH QUỐC - 19146380 TRẦN HOÀNG VƯƠNG - 19146429 KHĨA: 2019 - 2023 NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh,01 tháng 08 năm 2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ 2/ năm học 2022-2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ THANH TÙNG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN ANH QUỐC MSSV: 19146380 Điện thoại: 0363733817 TRẦN HOÀNG VƯƠNG MSSV: 19146429 Điện thoại: 0915272776 Mã số đề tài: 22223DT129 – Tên đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Hệ Thống Nhận Diện Mối Hàn Tự Động Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tài liệu xử lý ảnh - Yêu cầu kỹ thuật mối hàn - Mẫu hàn Nội dung đồ án: - Tổng quan công nghệ xử lý ảnh - Tổng quan công nghệ hàn nhu cầu xử lý ảnh việc nhận diện đường hàn - Thiết kế mơ hình xử lý ảnh đường hàn - Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm Các sản phẩm dự kiến - Mơ hình máy nhận diện đường hàn - Các mơ hình đường hàn - Báo cáo đồ án tốt nghiệp Ngày giao đồ án: 15/03/2023 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023 Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Anh   Tiếng Việt Tiếng Việt   TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) i LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Hệ Thống Nhận Diện Mối Hàn Tự Động - GVHD: Th.S Lê Thành Tùng - Họ tên sinh viên: Nguyễn Anh Quốc - MSSV: 19146380 - Địa sinh viên: C24/9 hẻm 449, Đường Lê Văn Việt, Tăng Nhơn Phú A, Tp Thủ Đức - Số điện thoại liên lạc: 0363733817 - Email: quockahb@gmail.com - Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (DATN): 15/07/2023 - Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (DATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 08 Năm 2023 Ký tên NGUYỄN ANH QUỐC ii LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc thầy cô giáo giúp đỡ hỗ trợ Đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Trưởng khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy ngành Cơ Điện Tử tạo cho điều kiện thực đồ án Tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn giáo viên hướng dẫn – ThS Lê Thanh Tùng dành thời gian truyền đạt kiến thức tận tình hướng dẫn tơi xun suốt q trình nghiên cứu hồn thiện đồ án Sự dạy hỗ trợ giáo viên hướng dẫn – ThS Lê Thanh Tùng góp phần quan trọng hỗ trợ tơi vượt qua khó khăn q trình nghiên cứu Tơi muốn bày tỏ lịng biết ơn gia đình bạn bè tơi giúp đỡ, hỗ trợ lời khuyên xuyên suốt trình nghiên cứu Sự giúp đỡ bạn đóng góp to lớn cho thành cơng đồ án Cuối cùng, muốn gởi lời cảm ơn đến toàn thể bạn quan tâm, hỗ trợ giúp đỡ tơi suốt q trình thực đồ án tốt nghiệp Sự giúp đỡ bạn giúp tơi thực ước mơ có kết tốt đẹp Một lần nữa, chúng tơi xin trân trọng cảm ơn! Trân trọng! iii TĨM TẮT Trong nghiên cứu này, nhóm tập trung nghiên cứu việc phát xây dựng quỹ đạo thiết bị hàn tự động nhằm thoả mãn yêu cầu tăng mức độ tự động độ xác trình hàn tự động Các kỹ thuật xử lý ảnh áp dụng nhằm xây dựng thuật toán hỗ trợ việc phát đường hàn xây dựng quỹ đạo cho thiết bị hàn Quá trình nghiên cứu sử dụng ảnh thu thập theo thời gian thực đối tượng phát trình xử lý ảnh Một mơ hình thiết bị cụ thể xây dựng để tối ưu hố q trình lấy mẫu kiểm thử thuật toán Thư viện OpenCV xây dựng nhằm cung cấp công cụ hàm cần thiết hỗ trợ việc xây dựng thuật toán nhận dạng đường hàn Bằng cách phân tích thuộc tính ảnh đường hàn, phương án nhận dạng xây dựng nhằm phát trích xuất vị trí xác đường hàn ảnh Từ đó, vị trí đường hàn thực tế xác định Kết nghiên cứu giúp nâng cao tính tự động xác q trình hàn bán tự động Việc phát xây dựng quỹ đạo thiết bị hàn thông qua xử lý ảnh giảm can thiệp người cải thiện độ xác q trình hàn iv SUMMARY In this study, the team focuses on the detection and trajectory generation for an automated welding device to meet the increasing demand for automation and precision in the welding process Image processing techniques are applied to develop algorithms for welding seam detection and trajectory generation for the welding device The research process utilizes real-time captured images as the object of analysis in the image processing stage A specific device model is constructed to support the sampling and testing of algorithms The OpenCV library is used to provide basic tools and functions for the development of the welding seam detection algorithm By analyzing the characteristics of the welding seam image, a new recognition approach is proposed to detect and extract the more accurate position of the welding seam in the image From there, the position of the welding seam in the real-world can be calculated The results of this research will contribute to enhancing the level of automation and precision in the automated welding process The detection and trajectory generation for the welding device through image processing will reduce human intervention and ensure the quality of the welding process v MỤC LỤC LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Cơ sở phương pháp luận 1.6 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY 2.1 Khái niệm công nghệ hàn 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Đặc điểm 2.1.3 Phân loại 2.1.4 Máy hàn tự động 2.2 Các thành phần cụm khí 2.2.1 Truyền động vít me – đai ốc bi 2.2.2 Sống trượt, dẫn hướng 10 2.2.3 Truyền động đai 12 2.2.4 Thân máy đế máy 18 vi 2.3 Cơ sở lý thuyết điện điện tử 18 2.3.1 Động bước 18 2.4 Cơ sở lý thuyết xử lý ảnh 19 2.4.1 Giới thiệu xử lý ảnh 19 2.4.2 Các giai đoạn trình xử lý ảnh 20 2.4.3 Một số khái niệm xử lý ảnh 21 2.4.4 Một số thuật tốn thơng dụng xử lý ảnh 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG 23 3.1 Thông số yêu cầu kỹ thuật 27 3.2 Tính tốn, thiết kế khí 27 3.2.1 Tính tốn lựa chọn kết cấu khung sườn 27 3.2.2 Kết cấu trục vít me đai ốc 28 3.2.3 Tính tốn chọn thông số: 30 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 45 3.3.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển 45 3.3.2 Camera 46 3.3.3 Arduino Uno R3 47 3.3.4 Driver động bước 48 3.3.5 Công tắc hành trình 51 3.3.6 Nguồn nuôi 51 3.3.7 Sơ đồ nguyên lý 51 3.4 Thiết kế thuật toán điều khiển 52 3.4.1 Phân tích đặt tính ảnh 52 3.4.2 Xây dựng giải thuật cho xử lý ảnh 55 3.4.3 Giải pháp điều khiển hệ thống 59 3.4.4 Giao tiếp điều khiển Arduino xử lý ảnh 60 3.4.5 Thiết kế giao diện người dùng 60 CHƯƠNG 4: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM 61 4.1 Thi cơng mơ hình 61 vii 119 120 Sơ đồ mạch điện mơ hình “Hệ thống điều khiển động Mitsubishi Galant 2.0L”: 121 Code điều khiển mơ hình điều khiển động Mitsubishi Galant 2.0L /*===Graduation Project 2022-2023===*/ /*===Automotive Engineering Technology===*/ /*===Mitsubishi Galant 1991: Model of Engine Control System===*/ /*===Creating Pan and controlling Engine Speed by Phone Bluetooth Control===*/ /*Author: Tran Vinh Manh Khuong*/ /*Student ID: 19145252*/ /*HoChiMinh city University of Technology and Education*/ /*Teamate: Nguyen Trung Nguyen*/ /*Instructor: MS Nguyen Thien Dinh*/ #include "String.h" #include "SoftwareSerial.h" #define ST 12 #define RPM_read A0 #define IGKey 13 #define R_PWM 11 #define L_PWM 10 #define rx_pin A2 #define tx_pin A3 #define INPUT_PULLDOWN (0x3) class Switch{ 122 private: uint8_t Pin; uint8_t numberSW; public: Switch(uint8_t Pin, uint8_t numberSW){ this->numberSW = numberSW; this->Pin = Pin; pinMode(Pin, OUTPUT); digitalWrite(Pin, LOW); } int getNumberSW (void){ return numberSW; } void ON_OFF (String command){ if(command == "ON") { digitalWrite(this->Pin, LOW); } if(command == "OFF") { digitalWrite(this->Pin, HIGH); } } }; //===================================================== 123 SoftwareSerial mySerial(rx_pin,tx_pin); uint16_t speedControl = 0; uint16_t rpmReq = 0; bool bluetooth = 0; bool statusEngine = 0; bool statusIG = 0; uint64_t lastIGT1 = 0, lastIGT2 = 0, timeIGT1 = 0, timeIGT2 = 0; String message_rx, message_rx_switch; uint8_t message_rx_throttle = 50; uint8_t swNumber = 0; void SpeedMotor(void); void motor_init(void); void relay_init(void); void getMessage (void); void client_process (void); void fault_process(void); //===================================================== /////////////////Interrupt IGT1-IGT2/////////////////// void IGT1(){ lastIGT1 = millis(); } 124 void IGT2(){ lastIGT2 = millis(); } ////////////////////////Relay Declaration///////////////////////////// Switch sw[7] = {{9,1},{8,2},{7,3},{6,4},{5,5},{4,6},{A1,7}}; ////////////////////////////////////////////////////////////////////// void setup() { mySerial.begin(9600); //VCC for HC-05 module// pinMode(1,OUTPUT); digitalWrite(1,HIGH); //Start Motor Init: pinMode(ST,INPUT_PULLDOWN); pinMode(IGKey,INPUT_PULLDOWN); pinMode(RPM_read, INPUT); motor_init(); pinMode(2, INPUT_PULLUP); pinMode(3, INPUT_PULLUP); attachInterrupt(0, IGT1, CHANGE); attachInterrupt(1, IGT2, CHANGE); 125 ///////Wait for Starting Engine/////// while(digitalRead(ST)==0); } void loop() { /////////////////Check status Ignition//////////////////// statusIG = digitalRead(IGKey); ///////ON-OFF Motor control///////// if(digitalRead(ST)==1) { statusEngine = 1; } ////////////////Engine Speed Control//////////////// if((statusEngine == 1) && (statusIG == 1)) { SpeedMotor(); } else { analogWrite(L_PWM,0); analogWrite(R_PWM,0); delay(1000); 126 statusEngine = 0; } ///////////////////////////////////////////////////// ////////////////////Check SPARK event////////////////////// timeIGT1 = millis() - lastIGT1; timeIGT2 = millis() - lastIGT2; if((timeIGT1 >= 100) && (timeIGT2 >= 100)) { statusEngine = 0; } else { statusEngine = 1; } /////////////////////////////// ////////////////////Phone Bluetooth Control///////////////////// getMessage(); /////////////Make Faults///////////// if(bluetooth) { if(swNumber > 0){ 127 fault_process(); swNumber = 0; } } /////////////Check whether Connected to Phone Control////////////////////// if(message_rx == "BEGIN"){ bluetooth = 1; message_rx =""; } if(message_rx == "END"){ bluetooth = 0; message_rx =""; } ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// delay(10); } void motor_init() { pinMode(L_PWM, OUTPUT); pinMode(R_PWM, OUTPUT); pinMode(A5, OUTPUT); //R_EN PIN pinMode(A4, OUTPUT); //L_EN PIN digitalWrite(A5,HIGH); 128 digitalWrite(A4,HIGH); } void SpeedMotor () { //Speed Control================================================= if(bluetooth == 1){ analogWrite(L_PWM,message_rx_throttle); analogWrite(R_PWM,0); } else{ speedControl = analogRead(RPM_read); rpmReq = map(speedControl,0,1023,50,255); analogWrite(L_PWM,rpmReq); analogWrite(R_PWM,0); } } void client_process () { if((message_rx.indexOf("W") >= 0)) { message_rx_switch = message_rx.substring(message_rx.indexOf("W")+2,message_rx.indexOf("s")); 129 swNumber = message_rx.substring(message_rx.indexOf("W")+1,message_rx.indexOf("W")+2).toIn t(); } if((message_rx.indexOf("H") >= 0)){ message_rx_throttle = message_rx.substring(message_rx.indexOf("H")+1,message_rx.indexOf("p")).toInt(); } } void getMessage () { message_rx =""; if(mySerial.available()) { while(mySerial.available()) { char data = (char)mySerial.read(); message_rx += data; //message_rx = Serial.readString(); } client_process(); } } 130 void fault_process(){ sw[swNumber-1].ON_OFF(message_rx_switch); } /////////////////////////////////////////////The End/////////////////////////////////////////////////// 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tấn Lộc (2007), “Giáo trình thực tập động xăng II”, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM 249 trang [2] Nguyễn Kim (2011), “Thiết kế, thi công mơ hình hệ thống điều khiển động Mitsubishi Galant”, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM 83 trang [3] Mitsubishi Motors Coperation (1992), Tài liệu sửa chửa xe Mitsubishi Galant 2.0L (1989 – 1993), USA, 1273 trang 132 S K L 0