Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, trong các nhà máy xí nghiệp thực phẩm việc sản xuất ra khối lượng sản phẩm lớn thì nhu cầu cân khối lượng sản phẩm trước khi đóng gói là công đoạn quan trọng vì nó đảm bảo đáp ứng đủ số lượng sản phẩm và lợi nhuận của doanh nghiệp Để đáp ứng nhu cầu này, trên thị trường đã có những sản phẩm cân tự động đáp ứng được độ chính xác, ổn định và độ bền cao Đất nước bước sang nền công nghiệp tự động hóa thì càng có nhiều nhà máy áp dụng dây chuyền sản xuất tự động cho doanh nghiệp trong khâu đóng gói, cân tải Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các dòng vi điều khiển và sự đa dạng trong việc lựa chọn cảm biến hay việc xử lý thông tin, truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị đã làm cho hệ thống tự động ngày càng trở nên dễ dàng thiết kế và thuận tiện lắp đặt hơn

Thực tế đã có rất nhiều nghiên cứu về chủ đề này, cụ thể là những Đồ án tốt nghiệp (ĐATN), Đồ án môn học (ĐAMH) được thực hiện bởi các bạn sinh viên như đề tài ĐAMH Vi điều khiển: “Thiết kế hiển thị mô hình cân điện tử từ 0kg đến 2kg hiển thị bằng LCD” [1] được thực hiện bởi sinh viên Trương Mạnh Duy Đồ án này sử dụng vi điều khiển PIC để xử lý tín hiệu analog từ cảm biến khối lượng và kết quả đạt được sẽ hiển thị lên màn hình LCD Đề tài này chỉ phục vụ mục đích nghiên cứu để từ đó có thể phát triển hơn, áp dụng được vào trong cuộc sống và sản xuất Tiếp đến là ĐATN: “Xây dựng và thiết kế hệ thống cân định lượng và đóng bao tự động”

[2]của bạn Phạm Văn Cường năm 2017, đề tài này sử dụng PLC Siemens kết hợp cùng cảm biến loadcell để cân khối lượng sau đó đóng gói tự động Có thể thấy đây là một nghiên cứu rất hay và có tính ứng dụng cao trong hệ thống sản suất công nghiệp

Từ thực trạng của nền công nghiệp sản xuất hiện nay và sự tìm hiểu quan sát trong thực tế, nhóm xin được thực hiện đề tài: “Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng” hệ thống sẽ có chức năng phân loại sản phẩm theo khối lượng định trước và thông tin về sản phẩm như khối lượng, ngày sản xuất, hạn sử dụng sẽ được in trực tiếp lên sản phẩm Ngoài ra số sản phẩm đạt hay không đạt

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 yêu cầu sẽ được phân loại và thể hiện lên led 7 đoạn và website.

MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng trên băng tải Arduino xử lý được tín hiệu analog từ cảm biến khối lượng loadcell sau đó gửi thông tin đến máy in công nghiệp TIJ thông qua chuẩn giao tiếp RS232 Phân loại những sản phẩm đạt và không đạt yêu cầu Sản phẩm đạt chuẩn yêu cầu sẽ được in thông tin lên bề mặt sản phẩm, còn những sản phẩm không đạt sẽ được phân loại ra Ngoài việc hiển thị thông tin về khối lượng sản phẩm trực tiếp tại dây chuyền thì thông tin về số lượng sản phẩm đạt hoặc không đạt sẽ được thể hiện trên led 7 đoạn và website.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống phân loại phân loại sản phẩm theo khối lượng”, nhóm chúng tôi sẽ tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau:

• Nội dung 1: Làm quen với Arduino Mega 2560

• Nội dung 2: Tìm hiểu về loadcell và thiết kế băng tải chứa loadcell

• Nội dung 3: Xử lý tín hiệu analog từ loadcell

• Nội dung 4: Lập trình Arduino phân loại sản phẩm theo khối lượng

• Nội dung 5: Thực hiện giao tiếp giữa Arduino với máy in TIJ

• Nội dung 6: Xây dựng hệ thống hiển thị thông tin sản phân được phân loại lên website

• Nội dung 7: Lắp ráp, chạy mô hình và hiệu chỉnh

• Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện

• Nội dung 9: Bảo vệ đồ án.

GIỚI HẠN

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

• Khối lượng sản phẩm chỉ cân được tối đa là 300gram

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3

• Giới hạn khối lượng phân loại là đặt trước và không thay đổi

• Trong một phút chỉ cân được 3 sản phẩm, mỗi lượt bỏ sản phẩm cách nhau 20 giây

• Sản phẩm là một khối hộp có kích thước cố định 8x6x6 cm

• Hai băng tải hoạt động với tốc độ cố định

• Website chỉ nhận dữ liệu và hiển thị, không hỗ trợ xử lý và truyền ngược lại.

BỐ CỤC

Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn và bố cục đồ án

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày về tổng quan về hệ thống cân định lượng, giới thiệu về băng tải cân định lượng, phương pháp đo khối lượng sử dụng Strain Gauge, giới thiệu về công nghệ in phun nhiệt, nền tảng Firebase và các chuẩn giao tiếp UART, I2C, RS232

• Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế

Chương này sẽ thiết kế sơ đồ khối của toàn hệ thống và tiến hành tính toán, thiết kế từng khối nhỏ để có thể hình thành một hệ thống tổng quan

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Trong chương này sẽ trình bày quá trình thi công, thực hiện hệ thống và lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển cho đề tài

• Chương 5: Kết Quả_Nhận Xét_Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả của quá trình phân tích, đánh giá, nêu ra nhận xét và hạn chế trong đề tài

• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Tổng kết lại đề tài đã đạt được những gì và chưa được những gì, so với mục tiêu đặt ra ban đầu thì đề tài đã hoàn thành được bao nhiêu phần trăm và nêu ra những hướng phát triển cho đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG CÂN ĐỊNH LƯỢNG

2.1.1 Các hệ thống cân định lượng hiện nay

Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong nhà máy và xí nghiệp luôn là một bước quan trọng trong quá trình sản xuất Việc đo lường chính xác sẽ giúp cho các nhà máy hoạt động một cách liên tục và hiệu quả hơn, đồng thời tạo ra các sản phẩm tốt hơn Trước đây, để định lượng nguyên vật liệu trong các bồn chứa và phễu chứa trong quá trình sản xuất, người ta thường sử dụng các phương pháp đo lường bằng thể tích, đo mức, đo bằng lưu lượng hoặc đo cơ học Tuy nhiên, các phương pháp này thường rất cồng kềnh và độ chính xác không cao

Hiện nay, các hệ thống sản xuất hiện đại đòi hỏi độ chính xác và năng suất cao, cùng với khả năng kết nối với các thiết bị khác trong hệ thống Để đáp ứng nhu cầu này, các hệ thống cân điện tử đo lường đã được phát triển, sử dụng các cảm biến khối lượng để đo lường chính xác các khối lượng trong quá trình sản xuất Sử dụng các hệ thống cân điện tử giúp tiết kiệm chi phí tiêu hao nguyên liệu, tăng năng suất và quản lý được chi phí sản xuất

Hình 2 1 Các hệ thống cân sử dụng cảm biến khối lượng

Các hệ thống đo lường sử dụng cảm biến khối lượng thường được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm các loại cân như cân bồn, cân phễu, cân băng tải, cân dạng cơ và nhiều loại khác như hình 2.1 Mỗi loại cân có ứng dụng riêng biệt và được sử dụng dựa trên nhu cầu đo lường cụ thể của từng quá trình sản xuất

2.1.2 Băng tải cân định lượng

Băng tải cân định lượng là một thiết bị chuyên dụng được thiết kế để đo lượng khối lượng của vật phẩm khi chúng di chuyển qua băng tải Thiết bị này có cấu tạo đơn giản như hình 2.2, với các thành phần chính là băng tải, cảm biến tải trọng, khung cân, bộ điều khiển và xử lý, thiết bị hiển thị và thiết bị điều khiển

Hình 2 2 Cấu tạo chung của một hệ thống băng tải cân định lượng

Băng tải: Đây là thành phần chính của băng tải cân định lượng, nơi vật phẩm sẽ được di chuyển qua Băng tải thường được làm bằng các chất liệu chịu lực như cao su, nhựa hoặc kim loại

Cảm biến tải trọng là thành phần quan trọng nhất của băng tải cân định lượng

Nó được lắp đặt dưới băng tải và được sử dụng để đo lượng tải trọng của vật phẩm

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 khi chúng di chuyển qua Cảm biến tải trọng thông thường sẽ có một thanh cân bằng, một thanh biến dạng và một strain gauge

Khung cân là thành phần hỗ trợ và giữ cảm biến tải trọng trong vị trí cố định Khung cân thường được làm bằng thép, và được thiết kế sao cho đủ chắc chắn để chịu tải trọng của vật phẩm khi chúng di chuyển qua

Bộ điều khiển và xử lý:

Bộ điều khiển và xử lý là thành phần được sử dụng để xử lý tín hiệu từ cảm biến tải trọng và tính toán lượng khối lượng của vật phẩm Bộ điều khiển và xử lý thông thường được tích hợp trên một bo mạch điện tử và có thể được kết nối với các thiết bị hiển thị hoặc thiết bị điều khiển khác

Thiết bị hiển thị được sử dụng để hiển thị lượng khối lượng của vật phẩm Thiết bị hiển thị có thể là một màn hình LED hoặc LCD và thường được đặt gần băng tải để người dùng có thể dễ dàng theo dõi

Thiết bị điều khiển được sử dụng để điều khiển hoạt động của băng tải cân định lượng Thiết bị điều khiển có thể là một bộ điều khiển từ xa hoặc một bộ điều khiển tích hợp trên băng tải

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lượng

Băng tải cân định lượng là một thiết bị dùng để đo lượng khối lượng của các vật phẩm khi chúng di chuyển trên băng tải Nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lượng dựa trên cơ chế đo lường tải trọng của cảm biến tải trọng được lắp đặt trên băng tải

Cụ thể, băng tải cân định lượng có một cảm biến tải trọng được lắp đặt dưới băng tải nơi mà vật phẩm sẽ di chuyển qua Khi vật phẩm di chuyển qua cảm biến, nó sẽ tạo ra một lực tác động lên cảm biến và gây biến dạng Cảm biến tải trọng sử dụng nguyên lý cơ học để lo lường lực tác động của vật phẩm và chuyển đổi nó thành

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 tín hiệu điện tử tương ứng

Các tín hiệu điện tử này được chuyển đến bộ điều khiển và xử lý để tính toán lượng khối lượng của vật phẩm Bộ điều khiển và xử lý sử dụng một phương pháp xác định khối lượng bằng cách so sánh tín hiệu từ cảm biến tải trọng với các giá trị được cấu hình trước đó Sau đó, bộ điều khiển và xử lý sẽ hiển thị lượng khối lượng của vật phẩm trên màn hình hoặc gửi đến thiết bị điều khiển khác

Do đó, nguyên lý hoạt động của băng tải cân định lượng là dựa trên việc đo lường lực tác động của vật phẩm lên cảm biến tải trọng để tính toán lượng khối lượng của vật phẩm đó.

PHƯƠNG PHÁP ĐO KHỐI LƯỢNG SỬ DỤNG STRAIN GAUGE 7

Strain gauge là một cảm biến được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo lường để đo các biến dạng cơ học như biến dạng cơ học, áp suất, nhiệt độ, tải trọng, và các biến dạng khác Strain gauge hoạt động dựa trên hiệu ứng cơ học của các vật liệu dẫn điện, khi chúng bị biến dạng thì trở kháng của chúng sẽ thay đổi

Khi một vật bị biến dạng, đường kính của vật sẽ thay đổi và bề mặt của vật bị kéo dãn hoặc co lại Strain gauge được gắn lên bề mặt vật để đo lường các thay đổi trong đường kính và độ dài của vật, và sản sinh ra một tín hiệu điện tử tương ứng với biến dạng của vật

Các ứng dụng của Strain gauge trong kỹ thuật đo lường rất đa dạng, bao gồm: Đo lường tải trọng, đo lường áp suất, đo lường nhiệt độ, đo lường biến dạng cơ học, đo lường dao động và một số ứng dụng khác

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Strain gauge

Strain gauge là một cảm biến có kích thước rất nhỏ và mỏng, được thiết kế với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau để phù hợp với từng ứng dụng đo lường cụ thể Strain gauge là bộ phận quan trọng nhất trong cấu trúc của cảm biến lực (loadcell) Một Loadcell có thể bao gồm nhiều Strain gauge để tăng độ chính xác của quá trình đo lường lực

Hình 2 3 Cấu tạo Strain gauge

Mỗi Strain gauge được cấu tạo cơ bản như hình 2.3, bao gồm một lá kim loại

(1) được cách điện bởi một lớp chất nền dẻo (2) (được biểu thị bằng màu vàng trong hình 2.3), cấu trúc này còn được gọi là lá điện trở Hai dây dẫn (3) ở cuối lá điện trở truyền dòng điện về máy đo Khi bề mặt của cảm biến bị nén hoặc căng, sự thay đổi trong điện trở sẽ được ghi lại và truyền đến máy đo

Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi của điện trở theo độ biến dạng:

Trong đó, R: Điện trở Strain gauge (Ω)

L: Chiều dài của sợi dây kim loại Strain gauge (m) S: Tiết diện sợi kim loại Strain gauge (m 2 )

𝜌: Điện trở xuất (phụ thuộc vào chất liệu kim loại Strain gauge)

Hình 2 4 Nguyên lý hoạt động của Strain gauge

Khi vật liệu bị căng hoặc nén, tấm mỏng của Strain gauge bị biến dạng theo hướng đó và điện trở của nó sẽ thay đổi theo cùng hướng Khi dây bị nén, chiều dài của Strain gauge giảm dẫn đến giảm điện trở Khi dây bị kéo dãn, chiều dài của Strain gauge tăng dẫn đến tăng điện trở Từ đó, ta có thể xác định được mức độ biến dạng của vật liệu dựa trên sự thay đổi của điện trở Các thay đổi này có tỷ lệ tương đối với lực tác động lên nó

2.2.3 Ứng dụng của Strain gauge trong đo lường

Một trong những ứng dụng chính của Strain gauge là cảm biến tải trọng Cấu tạo chính của cảm biến tải trọng bao gồm các điện trở Strain gauge R1, R2, R3, R4 kết nối thành một cầu điện trở Wheatstone như hình 2.5

Hình 2 5 Mạch cầu Wheatstone sử dụng strain gauge

Một điện áp kích thích được cấp vào ngõ vào ở góc 2 và 3 của mạch cầu Wheatstone và điện áp đầu ra được đo ở góc 1 và 4 Ở trạng thái không tải, điện áp đầu ra có giá trị bằng 0

Hình 2 6 Cảm biến tải trọng bị lực tác động

Khi cảm biến tải trọng bị tải hoặc chịu lực tác động, nó thay đổi hình dạng, dẫn đến thay đổi giá trị của điện trở Strain gauge và điều này sẽ ảnh hưởng đến giá trị của điện áp đầu ra như hình 2.6 Điện áp ngõ ra của cảm biến tải trọng được tính như sau: Đối với nhánh nối tiếp thứ nhất: 2,1,3

𝑅 1 +𝑅 2× 𝑉 𝑖 (*) Đối với nhánh nối tiếp thứ 2: 2,4,5

GIỚI THIỆU VỀ CÁC CHUẨN GIAO TIẾP

UART là một vi mạch được tích hợp trong một số vi điều khiển, không giống như các giao thức truyền thông như I2C và SPI Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu theo chuỗi liên tục Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách: giao tiếp dữ liệu nối tiếp (serial) và giao tiếp dữ liệu song song (parallel).

Trong giao tiếp dữ liệu nối tiếp như hình 2.8, các bit dữ liệu có thể được truyền thông qua một cáp hoặc đường dây theo thứ tự từng bit và chỉ sử dụng hai cáp So với giao tiếp song song, truyền thông dữ liệu nối tiếp không đòi hỏi chi phí cao về mạch và dây, nên rất tiết kiệm Do đó, giao tiếp dữ liệu nối tiếp thường được sử dụng trong các mạch ghép để truyền các tín hiệu dữ liệu

Hình 2 8 Giao tiếp UART nối tiếp

Khác với giao tiếp dữ liệu nối tiếp, giao tiếp UART song song như hình 2.9 sử dụng nhiều đường truyền dữ liệu đồng thời để truyền và nhận dữ liệu Điều này giúp tăng tốc độ truyền thông dữ liệu và giảm thời gian truyền dữ liệu so với giao tiếp nối tiếp Tuy nhiên, giao tiếp UART song song đòi hỏi nhiều mạch và dây hơn so với giao tiếp nối tiếp, nên được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cần tốc độ truyền thông dữ liệu cao và không quan trọng về diện tích và chi phí của phần cứng

Hình 2 9 Giao tiếp UART song song

- Ưu điểm và nhược điểm của giao tiếp UART: Ưu điểm:

• Dễ sử dụng và triển khai

• Tốc độ truyền dữ liệu cao

• Không có chức năng đồng bộ hóa

• Khả năng chống nhiễu kém

• Độ dài tín hiệu bị giới hạn

- Cách thức hoạt động của giao tiếp UART:

UART truyền dữ liệu thành các gói Mỗi gói chứa các thành phần: một bit bắt đầu, từ 5 đến 9 bit dữ liệu (tuỳ thuộc vào cấu hình UART), một bit chẵn lẻ tùy chọn và 1 hoặc 2 bit dừng Gói dữ liệu này được sử dụng để đảm bảo chính xác và đồng bộ hóa quá trình truyền dữ liệu qua UART Hình 2.10 thể hiện cấu trúc truyền dữ liệu của giao tiếp UART

Hình 2 10 Cách thức hoạt động của giao tiếp UART Start Bit:

Start bit, hay còn được gọi là bit đồng bộ hóa, được sử dụng để đồng bộ hóa quá trình truyền dữ liệu Trong quá trình truyền dữ liệu, đường truyền thường được điều khiển ở mức điện áp cao Để bắt đầu truyền dữ liệu, truyền UART kéo đường dữ liệu từ mức điện áp cao (1) xuống mức điện áp thấp (0) để tạo ra start bit Khi đó, UART nhận được tín hiệu báo hiệu về thay đổi trên đường dữ liệu và bắt đầu đọc dữ liệu thực Thông thường, chỉ có một bit đồng bộ hóa được sử dụng để bắt đầu truyền dữ liệu

Bit dừng được sử dụng ở cuối gói dữ liệu để đánh dấu kết thúc quá trình truyền dữ liệu Thông thường, bit này có độ dài 2 bit, nhưng trong thực tế thường chỉ sử dụng 1 bit Sau khi truyền xong dữ liệu, để đưa đường truyền về trạng thái nghỉ, UART giữ đường dữ liệu ở mức điện áp cao

Bit chẵn lẻ được dùng để cho phép người nhận kiểm tra tính chính xác của dữ liệu đã được truyền Đây là một hệ thống kiểm tra lỗi cấp thấp và có sẵn trong hai

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 13 phương pháp là chẵn lẻ và lẻ-chẵn Tuy nhiên, trong thực tế không bắt buộc sử dụng bit này

Các bit dữ liệu là các bit chứa dữ liệu được truyền từ thiết bị gửi đến thiết bị nhận Độ dài của khung dữ liệu có thể nằm trong khoảng từ 5 đến 8 bit Nếu không sử dụng bit chẵn lẻ, độ dài của khung dữ liệu có thể lên đến 9 bit Thông thường, bit thấp nhất (LSB) của dữ liệu được truyền trước, sau đó các bit tiếp theo được truyền theo thứ tự từ trái sang phải

Hình 2.11 cho thấy mô hình giao tiếp UART với vi điều khiển Trong đó, Giao tiếp UART có thể được thực hiện bằng ba tín hiệu như TXD, RXD và GND

UART được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng vi điều khiển để đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và cũng được tích hợp trong nhiều thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, mô-đun Bluetooth và nhiều ứng dụng khác

I2C là một giao diện truyền thông được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử trong một hệ thống Do Philips Semiconductor phát triển, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhúng và vi điều khiển

Hình 2 12 Hệ thống các thiết bị giao tiếp chuẩn I2C

Chuẩn giao tiếp I2C sử dụng hai dây tín hiệu, bao gồm một dây dữ liệu (SDA) và một dây đồng hồ (SCL) để truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị I2C là một giao thức truyền thông đồng bộ, có thể kết nối nhiều thiết bị trên cùng một đường truyền thông như hình 2.12 và cho phép chúng giao tiếp với nhau độc lập

Trong hệ thống truyền dữ liệu I2C, thiết bị nào cung cấp xung clock được gọi là thiết bị chủ (master), và thiết bị nhận xung clock được gọi là thiết bị tớ (slave)

Hệ thống I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị tớ với mỗi thiết bị tớ có một địa chỉ độc lập Ban đầu, chuẩn truyền dùng địa chỉ 7-bit nên một thiết bị chủ có thể giao tiếp với tối đa 128 thiết bị tớ Tuy nhiên, các chuẩn sau này đã tăng số bit địa chỉ, do đó hệ thống I2C có thể giao tiếp với nhiều thiết bị tớ hơn

Giao diện I2C hỗ trợ tốc độ truyền chuẩn là 100KHz hoặc tốc độ cao lên đến 400kHz và cũng hỗ trợ địa chỉ 7 hoặc 10 bit Nó được thiết kế để đơn giản hóa quá trình trao đổi dữ liệu và có thể sử dụng 2 bộ điều khiển DMA (Direct Memory Access) độc lập lập trên vi điều khiển, cho phép truyền và nhận dữ liệu một các độc lập với CPU

- Ưu điểm và nhược điểm của giao tiếp I2C: Ưu điểm:

• Sử dụng ít chân kết nối

• Độ tin cậy cao do sử dụng các kiểu truyền thông đồng bộ và khả năng phát hiện lỗi

• Tốc độ truyền dữ liệu cao

• Có thể kết nối nhiều master và nhiều slave

• Khoảng cách truyền tải ngắn (thường chỉ từ vài mét đến vài chục mét)

• Kích thước khung dữ liệu bị giới hạn ở 8-bit

• Không hỗ trợ đa nhiệm, chỉ có thể truyền dữ liệu giữa hai thiết bị tại một thời điểm

- Cách hoạt động của giao tiếp I2C:

GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ IN PHUN MỰC BẰNG NHIỆT

Công nghệ in phun nhiệt (Thermal Inkject) là một phương pháp in ấn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và cá nhân Công nghệ in phun nhiệt hoạt động bằng cách sử dụng một đầu phun đặc biệt để phun những giọt mực tạo ra hình ảnh trên bề mặt in Ưu điểm của công nghệ in phun nhiệt là tốc độ in nhanh, độ phân giải cao, chất lượng in ấn tốt, dễ sử dụng và linh hoạt trong việc in ấn trên nhiều loại bề mặt khác nhau

Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này là giá thành cao hơn so với một số phương pháp in ấn khác và độ bền của hình ảnh in có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như ánh sáng và độ ẩm

2.4.2 Nguyên lý hoạt động in phun mực bằng nhiệt

Công nghệ in phun nhiệt dựa vào nhiệt năng để phun mực lên bề mặt giấy hoặc vật liệu được in Công nghệ sử dụng cơ cấu đầu phun gắn liền trên hộp mực, bao gồm rất nhiều vòi phun nhỏ (khoảng 300 – 500 vòi phun cho mỗi đầu in) Mực sẽ được đẩy từ bình mực xuống các đầu phun nhỏ, mỗi đầu phun chứa một bộ phận gọi là điện trở nhiệt Khi một tín hiệu điện được cấp vào điện trở, nhiệt năng được tạo ra và làm nóng mực trong phần đầu phun Khi mực nóng, áp suất tạo ra sẽ đẩy mực qua lỗ phun nhỏ và phun ra thành một hạt mực siêu nhỏ Hạt mực này sẽ bay qua không gian trống và được hướng vào bề mặt in với tốc độ cao Quá trình này xảy ra rất nhanh, với hàng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 19 ngàn hạt mực được phun ra mỗi giây Nguyên lý của công nghệ in phun mực bằng nhiệt được thể hiện qua 3 giai đoạn sau:

• Giai đoạn 1: Điện trở trong vòi phun nhận được tín hiệu hình ảnh cần in, điện trở trong đốt nóng (khoảng 300°C) làm cho nước trong mực trong mực bắt đầu bay hơi

• Giai đoạn 2: Bong bóng hơi nước hình thành và đẩy mực ra ngoài đầu phun (lúc này mực vẫn chưa hình thành giọt)

• Giai đoạn 3: Nhiệt độ hạ xuống đột ngột, bong bóng hơi nước xẹp xuống, để lại khoảng trống làm cho áp suất trong vòi phun nhỏ hơn môi trường bên ngoài

Do sự chênh lệch áp suất, không khí tràn vào và bên trong làm tách rời liên kết của khối mực dẫn đến tách rời khối mực tạo thành một giọt mực hoàn chỉnh

Hình 2 15 Nguyên lý công nghệ in phun mực bằng nhiệt Điện trở sử dụng trong nguyên lý phun bằng nhiệt được đặt ở hai vị trí:

Hình 2 16 Vị trí đặt điện trở trong công nghệ in phun bằng nhiệt

• Vuông góc với hướng phun mực (Hình 2.16a)

• Thẳng góc với hướng phun mực (Hình 2.16b) Để tạo nên hình ảnh hoặc chữ viết, sản phẩm được in sẽ phải di chuyển liên tục

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 20 qua máy in, lúc này các hạt mực được phun ra sẽ được tạo thành các dòng liên tiếp trên bề mặt in Các dòng này sẽ kết hợp lại tạo thành các chữ, số hoặc hình ảnh theo các tín hiệu được điều khiển bởi mạch điện tử của máy in.

TỔNG QUAN VỀ NỀN TẢNG FIREBASE

Firebase là một nền tảng đám mây của Google, cung cấp cho các nhà phát triển các công cụ để xây dựng và triển khai ứng dụng di động và web Firebase giúp cho việc lập trình ứng dụng và phần mềm trên các nền tảng web và di động dễ dàng hơn bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu Firebase cũng cung cấp các tính năng khác để giúp nhà phát triển tăng cường tính năng, hiệu suất và độ tin cậy của các ứng dụng mà họ thiết kế

Hình 2 17 Ứng dụng của Firebase

Những tính năng chính của Firebase bao gồm:

• Authentication: Firebase cung cấp các tính năng xác thực người dùng, cho phép nhà phát triển xác minh danh tính người dùng thông qua nhiều phương thức khác nhau, bao gồm đăng nhập bằng tài khoản Google, Facebook, Twitter, và email

• Realtime Database: Firebase cung cấp một cơ sở dữ liệu thời gian thực, cho phép các ứng dụng di động và web kết nối và đồng bộ dữ liệu với máy chủ nhanh chóng và hiệu quả

• Storage: Firebase cung cấp cho nhà phát triển một kho lưu trữ đám mây để lưu trữ các tệp và dữ liệu của ứng dụng

• Hosting: Firebase cung cấp cho nhà phát triển dịch vụ lưu trữ web, cho phép triển khai ứng dụng web trên nền tảng Firebase

• Cloud Functions: Firebase cung cấp các chức năng đám mây cho phép nhà phát triển viết mã và triển khai các tính năng và chức năng của ứng dụng trên nền tảng Firebase

• Analytics: Firebase cung cấp các công cụ phân tích và theo dõi cho các ứng dụng di động và web, cho phép nhà phát triển theo dõi và phân tích hành vi người dùng và hiệu suất ứng dụng

• Cloud Messaging: Firebase cung cấp dịch vụ thông báo đám mây cho phép nhà phát triển gửi thông báo đến người dùng trên các thiết bị di động và web

Nhìn chung, Firebase là một nền tảng đám mây toàn diện được thiết kế để hỗ trợ nhà phát triển trong việc xây dựng, triển khai và quản lý các ứng dụng di động và web Điều này được thực hiện thông qua việc cung cấp các tính năng khác nhau để giúp nhà phát triển tăng cường tính năng, hiệu suất và độ tin cậy của các ứng dụng.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

GIỚI THIỆU

Hệ thống hoạt động được thiết kế dưới dạng một mô hình 2 băng tải kết nối với nhau Băng tải đầu tiên có kích thước 60x10cm và chứa các thành phần sau: loadcell, bộ xử lý Arduino Mega 2560, ESP32 và các cảm biến, LCD, và module led

7 đoạn Băng tải này được sử dụng để cân khối lượng sản phẩm, phân loại sản phẩm và hiển thị kết quả trên các thiết bị như LCD, led 7 đoạn hoặc website

Băng tải thứ hai có kích thước 50x10cm, có chứa động cơ servo và máy in TIJ (Thermal Inkjet) để thực hiện việc phân loại sản phẩm và in thông tin lên bề mặt sản phẩm thông qua máy in công nghiệp TIJ

Toàn bộ hệ thống được điều khiển bởi Arduino Mega 2560, nhận dữ liệu từ loadcell sau khi đã đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu ADC Dữ liệu sau khi được xử lý sẽ thực hiện việc phân phân loại và hiển thị khối lượng lên màn hình LCD, hiển thị số lượng sản phẩm đạt và không đạt lên led 7 đoạn và website, in thông tin ngày sản xuất, hạn sử dụng và khối lượng lên bề mặt sản phẩm.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 3 1 Sơ đồ khối của hệ thống phân loại sản phẩm

Theo như mô tả ở hình 3.1, hệ thống bao gồm 7 khối chính: Khối nguồn, khối xử lý trung tâm, khối đọc tín hiệu khối lượng, khối phát hiện sản phẩm, khối động cơ, khối hiển thị thông tin và khối máy in

Chức năng của từng khối:

• Khối xử lý trung tâm: Đây là khối xử lý công việc chính của hệ thống sử dụng Arduino Mega 2560 để xử lý tín hiệu đọc được từ khối phát hiện sản phẩm để phát hiện có sản phẩm đi qua và thực hiện xử lý thông tin từ khối đọc tín hiệu khối lượng Thông tin sau khi được xử lý thì sẽ được gửi đến khối hiển thị để hiển thị bằng nhiều cách thức khác nhau Đối với những sản phẩm đạt yêu cầu thì sẽ được đi tiếp trên băng tải còn những sản phẩm không đạt thì sẽ được khối xử lý trung tâm điều khiển khối động cơ để thực hiện việc phân loại

• Khối đọc tín hiệu khối lượng: Khối này chính là cảm biến khối lượng loadcell đọc tín hiệu khối lượng dưới dạng tương tự và đưa qua bộ chuyển đổi ADC để chuyển đổi thành dạng số để Arduino dễ dàng trong việc xử lý

• Khối phát hiện sản phẩm: Khối này sẽ đơn giản bao gồm 1 cảm biến hồng ngoại được đặt ở đầu băng tải một có chức năng phát hiện khi có sản phẩm đi qua

• Khối hiển thị thông tin: Như đã mô tả ở khối xử lý trung tâm thì thông tin sau khi xử lý sẽ được hiển thị ở nhiều dạng khác nhau, cụ thể: Thứ nhất sẽ có 2 module led 7 đoạn để hiển thị số lượng sản phẩm đạt và không đạt sau khi sản phẩm được cân và xử lý Thứ hai là màn hình hiển thị LCD 16x2 hiển thị khối lượng của sản phẩm cân được lên màn hình LCD này Thứ ba chính là hình thức hiển thị trên webiste dựa vào một module ESP32 được kết nối với Arduino thông qua cổng UART để hiển thị số lượng sản phẩm đạt và không đạt một cách trực tuyến

• Khối máy in: Khối này sẽ nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm thông qua chuẩn giao tiếp RS232 để in thông tin lên bề mặt sản phẩm, các thông tin bao gồm: ngày sản xuất, hạn sử dụng, khối lượng

• Khối động cơ: Khối này bao gồm 2 động cơ điều khiển quay băng tải và 1

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 động cơ servo để gạc sản phẩm không đạt

• Khối nguồn: Khối này sử dụng nguồn điện áp DC có nhiệm vụ cung cấp một nguồn điện ổn định cho toàn bộ hệ thống hoạt động

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch

3.2.2.1 Thiết kế khối đọc tín hiệu khối lượng

Chức năng chính của khối này là thực hiện việc đọc tín hiệu khối lượng từ loadcell và chuyển đổi tín hiệu từ dạng tương tự sang dạng số thông qua module chuyển đổi ADC HX711 Đây là chức năng cốt lõi của khối đọc tín hiệu khối lượng, và nó đảm bảo việc thu thập thông tin về khối lượng một cách chính xác và đáng tin cậy Sơ đồ kết nối khối đọc tín hiệu khối lượng với Arduino được mô tả chi tiết trong hình 3.2

Hình 3 2 Sơ đồ kết nối khối đọc tín hiệu khối lượng với Arduino Đối với một hệ thống cân được xây dựng dưới dạng mô hình thu nhỏ và khối lượng sản phẩm không quá lớn thì nhóm đã sử dụng loại loadcell có tải trọng là 5kg để đáp ứng yêu cầu của đề tài Module chuyển đổi ADC HX711 được sử dụng trong

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 hệ thống với độ phân giải 24-bit Điều này giúp tăng độ chính xác và ổn định của loadcell trong quá trình đo lường Với độ phân giải cao, module chuyển đổi ADC HX711 có khả năng xử lý tín hiệu nhanh, đảm bảo rằng dữ liệu khối lượng thu được là chính xác và đáng tin cậy Điện áp sử dụng của khối này là 5VDC, cùng với kích thước nhỏ gọn nên loadcell có thể được gắn dễ dàng ở bên dưới băng tải Khi sản phẩm đi qua loadcell thì sẽ có tín hiệu trả về Arduino

Loadcell thanh 5kg hình 3.3 là một loại cảm biến khối lượng được thiết kế để đo chính xác khối lượng và thường được sử dụng trong các ứng dụng cân điện tử Để sử dụng cảm biến này, thường ta kết hợp nó với module chuyển đổi ADC 24-bit HX711 giao tiếp với các vi điều khiển như Pic, AVR, Arduino,

- Thông số kỹ thuật loadcell thanh 5kg:

• Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy (%RO/ ℃): 0.003

• Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không (%RO/ ℃): 0.02

• Độ cân bằng điểm không (%RO): +-0.1

• Chất liệu cảm biến: Nhôm

• Dây xanh lá: Ngõ ra (+)

- Sơ đồ chân loadcell thanh 5kg:

Loadcell thanh 5kg là loại loadcell 4 dây như hình 3.4 bên dưới

Hình 3 4 Sơ đồ chân loadcell thanh 5kg

• Chân màu đỏ (E+): Nguồn Vcc

• Chân màu trắng (S-): Đầu dương tín hiệu

• Chân màu xanh (S+): Đầu âm tín hiệu

- Tính toán, hiệu chỉnh giá trị loadcell:

Quá trình hiệu chỉnh loadcell này giúp cho kết quả đo khối lượng từ loadcell trở nên chính xác hơn Quá trình hiệu chỉnh này được thực hiện theo thứ tự như hình 3.5

Hình 3 5 Quá trình hiệu chỉnh loadcell

Việc chia tỉ lệ giữa khối lượng vật mẫu và giá trị ADC được áp dụng theo công thức sau:

Hệ số tỉ lệ = Khối lượng vật mẫu

3.2.2.2 Thiết kế khối phát hiện sản phẩm

Khối phát hiện sản phẩm có chức năng chính là phát hiện sản phẩm đi qua và gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm, chỉ khi có tín hiệu nhận được từ khối này thì khối xử lý trung tâm mới thực hiện việc xử lý khối lượng.Sơ đồ kết nối của khối phát hiện sản phẩm được thể hiện trong hình 3.6

Có nhiều loại cảm biến có thể phát hiện được sản phẩm như là cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại, cảm biến tiệm cận, cảm biến gương… Nhưng dựa vào giá thành của sản phẩm, độ chính xác và quy mô của đề tài thì cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK là một sự lựa chọn tối ưu cho việc tạo ra xung khi phát hiện có sản phẩm

Hình 3 6 Sơ đồ kết nối khối phát hiện sản phẩm với Arduino

3.2.2.3 Thiết kế khối xử lý trung tâm

Khối xử lý trung tâm trong hệ thống này đóng vai trò quan trọng và trung tâm khi xử lý một lượng công việc đáng kể, cụ thể: vừa nhận thông tin từ các khối phát hiện sản phẩm, khối đọc tín hiệu khối lượng, vừa thực hiện viện xử lý, phân tích và điều khiển các khối hiển thị, khối động cơ,…Với khả năng xử lý mạnh mẽ và đa năng cũng như là có một nguồn tài liệu phong phú và được sử dụng nhiều trong lĩnh vực điện tử và lập trình Nhóm chúng tôi đã lựa chọn vi điều khiển Arduino Mega 2560 để làm vi điều khiển cho khối xử lý trung tâm

Arduino Mega 2560 như hình 3.7 là một phiên bản mạnh mẽ và phổ biến trong dòng sản phẩm Arduino Đây là một phiên bản mở rộng của Arduino Uno, với nhiều tính năng và tài nguyên mở rộng hơn Arduino Mega 2560 thường được sử dụng cho các dự án phức tạp, yêu cầu nhiều chân kết nối và khả năng xử lý mạnh mẽ Với nó,

THI CÔNG HỆ THỐNG

GIỚI THIỆU

Sau khi tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý dựa trên sơ đồ khối, chúng tôi tiến hành thi công mạch PCB theo các bước vẽ mạch in, làm mạch in, lắp ráp phần cứng, kiểm tra mạch đóng gói bộ điều khiển và thi công mô hình

Trong chương này, chúng tôi cũng giới thiệu một số phần mềm viết chương trình điều khiển cho hệ thống như Arduino IDE và phần mềm hỗ trợ xây dựng và thiết kế website Visual Studio Code

Tiếp theo đó là hướng dẫn cách đẩy dữ liệu ESP32 lên nền tảng Firebase và liên kết cơ sở dữ liệu Firebase với website Cuối chương này là giới thiệu cách sử dụng và điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng để người dùng có cái nhìn trực quan về hệ thống cũng như cách sử dụng.

THI CÔNG HỆ THỐNG

4.2.1 Thi công bo mạch Để thực hiện việc thi công mạch cho hệ thống, cần phải tiến hành thiết kế bản mạch in Với yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, thẩm mỹ nên hệ thống được thiết kế trên mạch 1 lớp Trong hình 4.1, hình 4.2 trình bày sơ đồ mạch in của mạch

Hình 4 1 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển vẽ bằng phẩn mềm Proteus

Hình 4 2 Sơ đồ mạch in module led 7 đoạn vẽ bằng phẩn mềm Proteus Để giúp cho việc thi công trở nên trực quan và dễ dàng hơn, chúng tôi bố trí linh kiện như hình 4.3, hình 4.4

Hình 4 3 Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch chính

Hình 4 4 Sơ đồ bố trí linh kiện trong module led 7 đoạn

Hình 4 5 Mạch điều khiển sau khi ủi mạch in lên board đồng

Hình 4 6 Module led 7 đoạn sau khi ủi mạch in lên board đồng Để cho dễ dàng và thuận tiện trong quá trình thi công mạch, chúng tôi liệt kê danh sách cách linh kiện, module, cảm biến cần sử dụng như bảng 4.1

Bảng 4 1 Danh sách các linh liện, module, cảm biến sử dụng trong hệ thống

STT Tên linh kiện Giá trị Dạng vỏ Chú thích

1 Băng tải Nhôm Bao gồm: khung, rulô, dây băng tải, ke góc, ốc, tán

D80NK Điện áp hoạt động: 5VDC Nhựa

5kg Điện áp hoạt động:

JGY370 Điện áp hoạt động: 24VDC Hợp kim

7 Đèn báo nguồn Điện áp hoạt động: 24VDC Nhựa

8 ESP32 Điện áp nuôi: 5VDC

9 IC 74HC595 Điện áp hoạt động: 5VDC DIP

10 IC 7805 Đầu vào: 24VDC Đầu ra: 5VDC Dòng: 1A

11 IC 7808 Đầu vào: 24VDC Đầu ra: 5VDC Dòng: 1A

12 I2C Điện áp hoạt động: 5VDC Nhựa

13 Kit Arduino Điện áp nuôi: 8VDC

14 LCD 16x2 Điện áp hoạt động: 5VDC Nhựa

15 Led 7 đoạn anode Điện áp hoạt động: 5VDC Nhựa

16 Led đơn Điện áp hoạt động: 3VDC Nhựa

17 Máy in phun TIJ Điện áp hoạt động: 12VDC Hợp kim Cảm biến máy in

18 Nguồn tổ ong Điện áp vào: 220VAC Điện áp ra: 24VDC Dòng: 5A

20 Relay Điện áp hoạt động: 5VDC

Dòng cho phép tối đa: 10A Dòng kích: 5mA

21 Servo MG995R Điện áp hoạt động: 5VDC Nhựa

22 Tụ điện 100nF và 100uF Nhựa

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra

Sau khi chuẩn bị cách linh kiện và mạch in, chúng tôi tiến hành lắp và hàn cách linh kiện vào mạch, kết quả mạch được thể hiện như hình 4.7 Sau đó dùng đồng

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 hồ đo VOM để kiểm tra thông mạch Thực hiện cắm nguồn 24V để kiểm tra và đo điện áp ngõ ra có đúng với yêu cầu thiết kế hay không

Hình 4 7 Bảng mạch điều khiển sau khi lắp linh kiện

Hình 4 8 Bảng mạch led 7 đoạn sau khi lắp linh kiện

ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển Để bảo đảm tính thẫm mỹ cũng như bảo vệ mạch điều khiển, chúng tôi thiết kế hộp tủ cho mạch điều khiển với yêu cầu nhỏ gọn, dễ tháo lắp được thể hiện ở hình 4.9 Bên ngoài tủ sẽ là màng hình hiển thị LCD, led nguồn và các nút nhấn cơ bản

ON/OFF, Reset để cho người dùng có thể dễ dàng sử dụng và thao tác trong quá trình vận hành hoặc sửa chữa

Hình 4 9 Đóng gói bộ điều khiển

Hình 4 10 LCD và nút nhấn bên ngoài tủ điều khiển

Sau khi thiết kế xong hộp tủ điện cho mạch điều khiển, công đoạn tiếp theo là đi dây cho mạch điều khiển như hình 4.11, vì đây là mạch kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi bên ngoài như motor, servo, module HX711, cảm biến E18 – D80NK, nguồn tổ ong Nên yêu cầu ở công đoạn này là thể hiện rõ ràng các dây kết nối và di dây sao cho tiết kiệm số lượng dây điện cần dùng nhất

Hình 4 11 Đấu dây cho tủ điều khiển

4.3.2 Đóng gói module led 7 đoạn

Mạch led 7 đoạn chỉ có chức năng hiển thị số lượng sản phẩm đạt và không đạt sau khi nhận lệnh hiển thị từ mạch điều khiển, nên để bảo vệ các linh kiện bên trong chúng tôi tiến hành đóng hộp cho mạch này thành một module hiển thị như hình 4.12

Hình 4 12 Đóng gói module led 7 đoạn

4.3.3 Thi công mô hình Ở phần này chủ yếu là thi công trên băng tải, với băng tải được thiết kế sẵn chúng tôi tích hợp cảm biến loadcell vào trong khung băng tải để khi sản phẩm đi qua vùng chứa cảm biến nằm trên băng tải thì sẽ được cân Để tăng phần chắc chắn, cảm biến loadcell sẽ được đặt ở giữ khung băng tải và được cố định bằng đế gỗ như hình 4.13

Hình 4 13 Lắp cảm biến loadcell vào khung băng tải Để đảm bảo cảm biến loadcell đo khối lượng sản phẩm chính xác, chúng tôi gắn cảm biến hồng ngoại E18 – D80NK trên băng tải vị trí gần cảm biến loadcell như hình 4.14

Hình 4 14 Lắp cảm biến E18 - D80NK vào băng tải

Tiếp theo ta lắp servo và máng trượt phân loại sản phẩm loại như hình 4.15

Hình 4 15 Lắp servo và máng trượt sản phẩm

Cuối cùng, lắp máy in TIJ và cảm biến máy in ở cuối băng tải như hình 4.16 để in thông tin sản phẩm trước sản phẩm đạt được phân loại

Hình 4 16 Lắp máy in TIJ và cảm biến máy in

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG

Hình 4 17 Phần mềm Arduino IDE

Arduino IDE là một phần mềm được thiết kế để lập trình cho vi điều khiển Arduino Nó cung cấp cho người dùng một môi trường lập trình đơn giản và dễ sử

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 dụng, với ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ Arduino IDE có thể chạy trên ba hệ điều hành phổ biến nhất hiện nay, đó là Windows, MacOS và Linux

Hình 4 18 Phần mềm Visual Studio Code

Phần mềm lập trình Visual Studio Code (VSCode) là một trình soạn thảo mã nguồn miễn phí và mã nguồn mở được phát triển bởi Microsoft, được sử dụng rộng rãi trong thiết kế website VSCode hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như HTML, CSS, JavaScript, TypeScript và nhiều ngôn ngữ khác

4.4.2.1 Lưu đồ chương trình Arduino

Hình 4 19 Lưu đồ chương trình Arduino Giải thích lưu đồ:

Như hình 4.19 ta có thể hiểu lưu đồ thực hiện của Arduino như sau: Khi mới bắt đầu vào chúng ta sẽ tiến hành khai báo các thư viện cần thiết như là thư viện của LCD, servo,… Tiếp đến chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra xem có nhấn nút reset và hệ thống có đang hoạt động hay không Nếu có thì tiến hành đặt lại các giá trị bao gồm số lượng sản phẩm đạt hay không đạt về 0, sau đó định dạng dữ liệu và gửi lên ESP32 Nếu không có nhấn reset thì ta tiếp tục kiển tra băng tải có được nhấn nút ON để chạy không, nếu đúng là nút nhấn được nhấn ON thì băng tải sẽ được điều khiển chạy và hiển thị trạng thái lên LCD, còn ngược lại thì băng tải sẽ dừng Khi băng tải được điều khiển chạy thì chúng ta sẽ kiểm tra xem là có sản phẩm được phát hiển bởi cảm biến hồng ngoại hay không Nếu là có thì sẽ tiến hành đọc giá trị của loadcell và gọi hàm phân loại, nếu không thì sẽ hiển thị lên LCD là 0g

Lưu đồ chương trình con phân loại

Hình 4 20 Lưu đồ chương trình con phân loại Giải thích lưu đồ:

Theo như đồ hình 4.20, khi bắt đầu chương trình sẽ hiển thị khối lượng của sản phẩm cân được lên LCD, sau đó sẽ tiến hành so sánh với ngưỡng là từ 150g – 250g Nếu khối lượng nằm ngoài ngưỡng thì sẽ điều khiển servo quay một góc 90 độ để gạc sản phẩm đồng thời đếm tăng sản phẩm loại lên 1 và gọi hàm hiển thị 7 đoạn Nếu sản phẩm nằm trong ngưỡng thì sẽ tiến hành đếm sản phẩm đạt lên 1 và gọi hàm hiển thị 7 đoạn Hàm hiển thị 7 đoạn này nhóm đã đóng gói thành một thư viện riêng và đặt tên là “tv_hienthi_led7doan.h” để giúp cho chương trình chính ngắn gọn hơn

Lưu đồ chương trình con hiển thị 7 đoạn

Hình 4 21 Lưu đồ chương trình con hiển thị 7 đoạn Giải thích lưu đồ:

Bắt đầu chương trình, để hiển thị số lượng sản phẩm đạt hoặc không đạt trên led 7 đoạn ta gọi chương trình con xuất 1 byte để xuất ra các giá trị trăm, chục, đơn vị của số lượng sản phẩm đạt hoặc không đạt Sau đó ta đưa chân latch của IC 74HC595 từ mức thấp lên mức cao để chốt và xuất dữ liệu ra led 7 đoạn

Lưu đồ chương trình con xuất 1 byte

Hình 4 22 Lưu đồ chương trình con xuất 1 byte Giải thích lưu đồ:

Chương trình sử dụng một vòng lặp for để truyền dữ liệu từ Arduino đến 74HC595, mỗi lần truyền một byte (8 bit) dữ liệu

Giá trị ban đầu của biến i được gán là 0x80, tương đương với giá trị 128 trong hệ thập phân Điều này tương ứng với việc truyền dữ liệu từ bit cao nhất (bit 7) đến bit thấp nhất (bit 0) trong mỗi byte dữ liệu

Trong vòng lặp, nếu i khác 0x00, chương trình kiểm tra xem bit dữ liệu hiện tại (được đại diện bởi giá trị data & i) có bằng 0 hay không Nếu bằng 0, chân Datapin của 74HC595 được đặt vào trạng thái mức thấp để ngừng việc truyền dữ liệu từ đến

74HC595 Ngược lại, nếu bit dữ liệu khác 0, chân Datapin của 74HC595 được đặt vào trạng thái mức cao để nhận bit dữ liệu từ Arduino Sau đó, chân Clockpin được chuyển từ mức thấp lên mức cao để tạo một xung đồng hồ, giúp dữ liệu trên chân Datapin được dịch chuyển sang bit tiếp theo trong bộ nhớ dịch chuyển của 74HC595

Sau mỗi lần dịch chuyển một bit dữ liệu, biến i được dịch sang phải một vị trí (i >>= 1) và vòng lặp tiếp tục cho đến khi i không còn khác 0x00 Khi điều kiện này đúng, vòng lặp kết thúc và quá trình truyền dữ liệu hoàn tất

4.4.2.2 Lưu đồ ESP32 đẩy dữ liệu lên Firebase

Hình 4 23 Lưu đồ ESP32 đẩy dữ liệu lên Firebase

Khi mới bắt đầu, ta sẽ tiến hành khai báo các biến, chân giao tiếp, thiết bị sẽ kiểm tra liên tục có nhận dữ liệu từ cổng UART của ESP32 không, nếu có thì sẽ đọc dữ liệu và tiến hành gán vào các biến đã khai báo, thông qua cấu hình liên kết với Firebase dữ liệu sẽ được đẩy lên

4.4.2.3 Lưu đồ chương trình hiển thị website

Hình 4 24 Lưu đồ chương trình hiển thị website Giải thích lưu đồ:

Khi mới bắt đầu ta, khởi tạo biến lặp và liên kết Firebase với wesite, kiểm tra xem dữ liệu Firebase có thay đổi giá trị không Nếu có thì hiển thị giá trị đó lên giao diện website, sau đó tiến hành cập nhật giá trị thay đổi tiếp theo Nếu không nhận được dữ liệu từ Firebase thì kết thúc

4.4.3 Hướng dẫn tạo chương trình IDE

Bước 1: Tạo chương trình mới trong phần mềm Arduino IDE, ta chọn File >>

Bước 2: Để lưu chương trình, ta tiến hành nhấn vào File >> Save >> Chọn thư mục lưu >> Đặt tên chương trình >> Save hoặc nhấn vào biểu tượng icon

Bước 3: Để cấu hình thông số giao tiếp (kết nối) cho Arduino ta tiến hành vào

Tools >> Board >>Aruino Mega or Mega2560 >> Port

Bước 4: Nạp chương trình ta nhấn vào Sketch >> Upload hoặc nhấn vào biểu tượng icon

4.4.4 Hướng dẫn tạo chương trình website dùng phần mềm VSCode

Bước 1: Cài đặt ngôn ngữ mới trong VSCode, ta chọn Extensions Gõ vào ô tìm ngôn ngữ ta muốn cài đặt Ví dụ ở trong để tài này, để thiết kế website chúng tôi chọn cài đặt các ngôn ngữ HTML, CSS, JavaScript

Bước 2: Tạo một thư mục mới trên máy tính để lưu trữ các chương trình dành cho việc xây dựng và thiết kế website Trong thư mục mới tạo, ta cũng có thể tạo thêm một thư mục con mang tên “image” dùng để lưu các hình ảnh liên quan

Bước 3: Để mở thư mục vừa mới tạo ta chọn File >> Open Folder hoặc ta có thể mở nhanh bằng cách kéo thư mục đã tạo vào VSCode, phần mềm sẽ tự động mở thư mục đó lên

Bước 4: Soạn thảo chương trình mới dùng ngôn ngữ HTML Ta chọn File >>

HƯỚNG DẪN THAO TÁC VÀ SỬ DỤNG MÔ HÌNH

Bước 1: Cấp nguồn 220VAC cho hệ thống

Bước 2: Gắn hộp mực cho máy in, khởi động hệ thống bằng nút nhấn ON/OFF

Sau khi khởi động sẽ có 1 đèn báo hiệu sáng lên

Hình 4 29 Hệ thống được khởi động

Bước 3: Truy cập vào website hiển thị phân loại sản phẩm theo đường link http://127.0.0.1:5500/datn2023.html

Hình 4 30 Website hiển thị số lượng phân loại sản phẩm

Bước 4: Sau khi hoạt động ổn định, ta tiến hành bỏ sản phẩm lên băng tải 1 để bắt đầu cân khối lượng, phân loại và in ra Khi muốn đặt hệ thống về 0 ta nhấn nút RESET

Bước 5: Nhấn OFF sau khi ngừng sử dụng và ngắt nguồn 220VAC sau khi sử dụng xong.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ

5.1.1 Kết quả xây dựng mô hình

Mô hình phân loại sản phẩm theo khối lượng được thể hiện như hình 5.1 Mô hình bao gồm: Tủ điện chứa mạch điều khiển, cảm biến E18 - D80NK, cảm biến loadcell, băng tải, module hiển thị led 7 đoạn, máy in TIJ, servo, máng trượt sản phẩm loại.

Hình 5 1 Mô hình hệ thống sau khi hoàn thành

5.1.2 Kết quả thực nghiệm việc cân, hiển thị thông tin và phân loại

Nhóm đã tiến hành chạy thực nghiệm với nhiều khối lượng khác nhau để có thể thu được kết quả một cách khách quan nhất Giới hạn của phân loại là sản phẩm đạt giá trị trong khoảng 150gram đến 250gram là sản phẩm đạt chuẩn, còn ngoài giới hạn trên thì chính là sản phẩm cần được phân loại

Hình 5 2 Sản phẩm có khối lượng 86gram đi qua băng chuyền

Tổng hợp lại từ nhiều trường hợp thực nghiệm khác nhau chúng ta sẽ có bảng tổng hợp độ chính xác về khối lượng như bảng 5.1

Bảng 5 1 Độ chính xác của phép đo và phân loại sản phẩm theo khối lượng

Hình Sản phẩm của nhóm

Cân điện tử 5kg Độ chính xác

Sau 5 lần thực nghiệm trên nhiều mẫu khác nhau, độ chính xác của hệ thống đạt được khoảng hơn 90% Tuy vẫn còn lại những phần trăm không được chính xác, nguyên nhân là do module xử lý ADC HX711 hoạt động chưa được ổn định, dễ bị sai số nếu như nạp chương trình nhiều lần Vị trí mỗi lần đặt sản phẩm sẽ khác nhau, lực tác động từ tay lên mỗi sản phẩm trong mỗi lần đặt cũng là khác nhau, điều kiện môi trường cũng sẽ ảnh hướng đến kết quả đo, làm cho kết quả bị sai lệch

5.1.3 Kết quả thực nghiệm việc in thông tin sản phẩm Để khảo sát cho quá trình này, nhóm đã sử dụng một sản phẩm có khối lượng là 200gram như hình 5.7 bên dưới

Hình 5 7 Vật mẫu có khối lượng 200gram

Khi Arduino cân được khối lượng bao nhiêu gram thì sẽ truyền dữ liệu đến máy in TIJ bấy nhiêu gram để máy in tiến hành in thông tin lên sản phẩm Kết quả sản phẩm sau khi đi qua loadcell thì Arduino xử lý chỉ cân được 189gram và truyền dữ liệu đến máy in là 189gram như hình 5.8

Hình 5 8 Màn hình máy in TIJ khi nhận được dữ liệu từ Arduino

Sản phẩm sau khi đi qua máy in thì sẽ được in thông tin bao gồm ngày sản xuất, hạn sử dụng và khối lượng như hình 5.9 bên dưới

Hình 5 9 Sản phẩm sau khi được in thông tin

Từ khảo sát trên ta có thể nhận thấy là tuy Arduino xử lý tín hiệu loadcell chưa được chính xác, nhưng việc truyền dữ liệu từ Arduino đến máy in TIJ là nhanh chóng, ổn định và không bị nhiễu Thông tin được in trên sản phẩm là chưa được sắc nét vì nguyên nhân khoảng cách từ sản phẩm đến đầu phun mực bị xa và không đều nhau

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Tính khả thi về kỹ thuật: Hệ thống có khả năng đo được khối lượng của sản phẩm, thực hiện phân loại và hiển thị thông tin sản phẩm ở nhiều hình thức như màn hình LCD, led 7 đoạn và website để người dùng có thể quan sát trực quan hơn

Tính ổn định của hệ thống: Hệ thống hoạt động ổn định trong một khoảng thời gian dài mà không bị lỏng dây hay là xảy ra lỗi vì nhóm đã thiết kế một board mạch riêng để gắn các linh kiện và thiết bị ngoại vi

Tính ứng dụng của hệ thống: Hệ thống có thể áp dụng được nhiều đối tượng sử dụng với nhiều mục đích khác nhau giúp cho người dùng có thể quản lý được khối lượng sản phẩm trong sản xuất một cách hiệu quả, đảm bảo không bị thiếu hụt hay dư thừa dẫn đến lãng phí Website có thể giám sát được từ xa để nắm bắt tình trạng phân loại có đạt hiệu quả hay không

Tính thẩm mỹ của hệ thống: Hệ thống có thiết kế như một mô hình sản xuất thu nhỏ, không quá cồng kềnh Dây điện được đi gọn gàng và chắc chắn nên đảm bảo tính thẩm mỹ và an toàn

Tính cạnh tranh về chi phí: So sánh về độ ổn định và sự chính xác của hệ thống so với các sản phẩm được sử dụng trên thị trường thì hệ thống cần phải hiệu chỉnh lại để đạt được độ chính xác cao mới có thể cạnh tranh được với các sản phẩm khác

Mục tiêu ban đầu của nhóm đề ra là thiết kế và thi công một hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng trên băng tải, Aruduino xử lý được tín hiệu loadcell và thực hiện phân loại cũng như là gửi dữ liệu đến máy in TIJ, thông tin sản phẩm được thể hiện ở nhiều hình thức hiển thị như LCD, led 7 đoạn, website và in trực tiếp

Sau khi nghiên cứu và thực hiện hoàn thành được hệ thống thì nhóm nhận thấy rằng hệ thống hoạt động một cách ổn định, kết quả đo đạc còn chưa được chính xác

Hệ thống được hoàn thiện có tính thẩm mỹ và dễ dàng sử dụng, thao tác Tốc độ xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu của vi điều khiển Arduino đáp ứng được những yêu cầu của đề tài Sản phẩm được phân loại chính xác, thông tin được hiển thị trực quan và rõ ràng Máy in hoạt động được đúng yêu cầu

So sánh giữa kết quả đạt được với mục tiêu ban đầu thì nhóm đã hoàn thành được 70% mục tiêu ban đầu đề ra, 30% còn lại chưa đạt được là bởi vì hệ thống còn

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 74 một số hạn chế như sau:

• Độ chính xác của hệ thống chưa được cao, đây là một hạn chế rất lớn mà nhóm cần phải cải thiện và hiệu chỉnh để đạt được kết quả đo một cách chính xác hơn

• Giới hạn phân loại còn hạn chế, hệ thống chỉ vận hành ổn định với các sản phẩm có khối lượng nhỏ từ vài trăm gram

• Giới hạn phân loại chưa được linh động, chỉ là một giới hạn được lập trình sẵn, mỗi lần muốn đổi khối lượng phân loại thì cần phải nạp lại chương trình Arduino gây bất tiện

• Chưa đa dạng về loại sản phẩm, máy in TIJ chỉ in được thông tin lên bề mặt phẳng với chất liệu là giấy hoặc bao bì

Tóm lại, hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng đã đạt được một số mục tiêu ban đầu và đáp ứng được một số tiêu chí đánh giá, nhưng vẫn còn có một số hạn chế cần được cải thiện để hệ thống hoạt động tốt hơn và đáp ứng được nhu cầu của người dùng.

Tiêu đề	Thiết Kế Và Thi Công Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Khối Lượng
Tác giả	Phạm Văn Dũng, Đoàn Duy Tân
Người hướng dẫn	GVC. ThS. Nguyễn Đình Phú
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	11,91 MB