Mục tiêu
Với đề tài này, mục tiêu mà em đề ra là tìm hiểu và nghiên cứu sâu hơn về phần mềm Arduino IDE cũng như về Arduino Uno R3 và các ứng dụng của chúng trong thực tế Từ cơ sở này, em sẽ có khả năng thiết kế và thi công một mô hình phân loại trái cây theo màu sắc Đồng thời, em cũng đặt ra mục tiêu điều khiển và giám sát hoạt động của mô hình một cách hiệu quả.
Nội dung cần nghiên cứu
NỘI DUNG 1: Nghiên Cứu Tài Liệu về Board Arduino Uno R3 và Cảm Biến Màu
NỘI DUNG 2: Phân Tích Màu Sắc Đặc Trưng của Trái Cây và Thiết Kế Mô Hình.
NỘI DUNG 3: Thiết Kế Lưu Đồ Thuật Toán và Viết Chương Trình Cho Hệ
NỘI DUNG 4: Thử Nghiệm, Điều Chỉnh Phần Mềm và Phần Cứng.
NỘI DUNG 5: Viết Báo Cáo
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÁC LINH KIỆN CẦN DÙNG TRONG HỆ THỐNG
1.1 Tổng Quan Về Board Arduino Uno R3.
Arduino Uno R3 là một bo mạch phát triển mã nguồn mở, thuộc dòng Arduino Uno, được thiết kế để đơn giản hóa quá trình phát triển ứng dụng và prototypes điện tử Dưới đây là các tính năng chính:
Vi xử lý (Microcontroller): ATmega328P. Điện áp hoạt động: 5V.
Dung lượng bộ nhớ Flash: 32 KB (0.5 KB dành cho bootloader).
Tần số hoạt động: 16 MHz.
*Các tính năng kết nối:
1.USB Interface: Kết nối với máy tính và tải chương trình.
2.ICSP Header: Lập trình và giao tiếp với AVR qua giao diện SPI.
3.Digital I/O Pins: 14 cổng đầu ra và vào kỹ thuật số.
4.Analog Input Pins: 6 cổng đầu vào analog.
5.PWM Outputs: 6 cổng hỗ trợ PWM.
+Nguồn cấp: USB hoặc nguồn ngoại vi từ 7V đến 12V.
+Nút nhấn và LED: Nút nhấn Reset và LED báo trạng thái nguồn.
4.Nguồn cấp qua Pin Vin: 7V đến 12V.
5.Dòng ra mỗi chân I/O: 40mA.
6.Dòng ra cho chân 3.3V: 50mA.
7.Dòng ra cho chân 5V: 800mA (tối đa).
Arduino Uno R3 là lựa chọn linh hoạt và phù hợp cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và lập trình nhúng [2].
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
SƠ LƯỢC VỀ CÁC THÀNH PHẦN CẦN TÍNH TOÁN
Hình 21 Mô hình thiết kế 3D.
*Dựa theo sơ đồ khối thì ta sẽ có hai thành phần cần tính toán
- Tính toán chọn động cơ cho băng tải
- Tính toán chọn động cơ để gạt sản phẩm phân loại ( cụ thể là chọn loại động cơ Servo có công suất phù hợp)
* Giải thích sơ đồ khối.
- Khi bật nguồn băng tải chạy đồng thời cảm biến TCS3200 hoạt động
- Sản phẩm vào quá trình xử lý:
+ Nếu là màu đỏ theo mô hình thì sẽ gạt sang và rớt vào hộp đựng đỏ, đếm và hiển thị lên màn hình LCD.
+ Màu xanh thì sẽ gạt sang và tớt vào hộp đựng xanh, đếm và hiển thị lên màn hình LCD.
- Không phải màu đỏ cũng không phải màu xanh cảm biến tiệm cận được kích hoạt và đếm sản phẩm không xác định.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI
2.1 Khái niệm và tính toán băng tải. a.Khái niệm băng tải.
Băng tải (băng chuyền) hiểu đơn giản là một máy cơ khí dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B Thay vì vận chuyển sản phẩm bằng công nhân vừa tốn thời gian, chi phí nhân công lại tạo ra môi trường làm việc lộn xộn thì băng chuyền tải có thể giải quyết điều đó.
Nó giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động.
Vì vậy băng chuyền, băng tải là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các nhà máy, xí nghiệp Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất hiện đại, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao cho công ty.
Bằng sức trẻ nhiệt huyết, không ngừng đầu tư nghiên cứu công nghệ chế tạo mới và cử công nhân viên đi các lớp training nâng cao kiến thức, học hỏi những cái mới trong lĩnh vực, điều đó đã giúp băng tải MHA luôn đi đầu về công nghệ và tính chuyên nghiệp, dần dần tạo dựng thương hiệu uy tín hàng đầu Việt Nam Phát triển theo đúng định hướng của công ty (1).
*Cấu tạo chính của băng tải công nghiệp
Khung băng tải: Thường được làm bằng nhôm định hình, thép sơn tĩnh điện hoặc Inox.
Mặt băng tải bằng belt hoặc con lăn: Thường là dây băng PVC dầy 2mm và 3mm hoặc dây băng PU dầy 1.5mm
Bộ điều khiển băng tải: PLC, Biến tần, Speed controller, Cảm biến, Rơ-le, Contactor…
Con lăn kộo/con lăn chủ động bằng thộp mạ kẽm hoặc nhụm cú ỉ50, ỉ60, ỉ76, ỉ89, ỉ102 …
Con lăn đỡ/con lăn bị động bằng thộp mạ kẽm hoặc inox cú ỉ25, ỉ32, ỉ38. Băng tải truyền động xích hoặc đai. Động cơ giảm tốc công xuất từ 25W đến 2.2KW
Ngoài ra còn có thêm một số bộ phận khác tuỳ thuộc vào ứng dụng của băng tải Tất cả các bộ phận đều được thiết kế hợp lý, khoa học, tối ưu để mang lại hiệu quả cao.
*Ứng dụng của băng tải trong công nghiệp
+Trong ngành sản xuất, lắp ráp linh kiện, thiết bị điện tử, lắp ráp ô tô, xe máy, xe đạp điện…
+Trong ngành sản xuất thực phẩm, y tế, dược phẩm, may mặc, dầy dép,
+Dùng để vận chuyển hàng hoá, đóng gói sản phẩm,
+Ngoài ra băng tải MHA còn được ứng dụng vào rất nhiều ngành sản xuất khác nhằm mang lại hiệu quả kính tế trong sản xuất
Bên cạnh đó, hệ thống băng tải – băng chuyền có thể được lắp đặt bất cứ nơi nào, mọi địa hình, không những mang lại hiệu quả kinh tế cao nó còn giảm thiểu tai nạn trong lao động bảo đảm tính an toàn lao động cao.
Vì vậy việc sử dụng băng tải, hệ thống băng tải đã và đang là việc đầu tư, lựa chon tối ưu cho các doanh nghiệp hiện nay Do đó, công ty MHA chuyên tư vấn thiết kế, sản xuất và lắp ráp băng tải theo yêu cầu của khách hàng Chúng tôi giao hàng tận nơi với hỗ trợ bảo hành tốt nhất, sản phẩm được chạy thử trước khi chuyển giao tới khách hàng nhằm đảm bảo chất lượng cao nhất.
+Băng tải mini. b.Tính toán tải băng tải
Hình 24 Hình vẽ mô phỏng băng tải.
1.Băng tải 3 Bộ truyền bánh xích
2 Trục dẫn động 4 Động cơ
*Thông số được cho trước của nhà sản xuất băng tải.
+ Chiều dài băng tải: L = 600 mm
+ Độ rộng băng tải: B = 100 mm.
+ Với đường kính con lăn D = 40 mm.
- Các thông số liên quan.
+ Tổng tải trọng sản phẩm trên băng tải : Σm = 0.75kg x 3(sản phẩm)=2.25kg + Tải trọng băng tải: mb = 0,2kg.
- Chọn động cơ thỏa mãn điều kiện sau:
+ Pđc ≥ Pct +nđb ≈ nsb Trong đó:
Pđc: Công suất động cơ chọn
Pct: Công suất cần thiết trên trục động cơ
Hệ thống băng tải sử dụng bộ truyền xích
* Công suất trên trục động cơ điện.
Pct = Pt/n Trong đó: Pct : Công suất cần thiết của trục động cơ (kW)
Pt: Công suất tính toán trên trục máy công tác (kW) Ƞ: Hiệu suất truyền động
*Với hệ thống băng tải Pvc ở trên sử dụng bộ truyền xích để hở nên hiệu suất nằm trong khoảng: 0,90 – 0,93.
Mà Plv = Fk * V / 1000 (1) Trong đó: Plv : Công suất trên trục tang quay hoặc đĩa xích (kW)
FK : Lực kéo của băng tải hoặc xích tải (N)
V : Vận tốc băng tải hoặc xích tải (m/s)
Trong đó : Fa : Ngoại lực tác dụng, trong trường hợp này Fa=0
U: Hệ số ma sát giữa vật và dây đai băng tải Thường Được cho là từ 0,1-0,3
* Vận tốc được chọn dựa trên nhịp của băng tải để đưa vật đến địa điểm cẩn thiết trong khoảng thời gian mà ta mong muốn V=S/t =0.6/2.5=0,24 Trong đó S(m) là quãng đường vật di chuyển đến vị trí mong muốn với thời gian t(s)
Ta có bộ truyền xích sẽ nối giữa trục động cơ và băng tải
- Hiệu suất của bộ truyền xích : ƞx = 0,93
- Hiệu suất chung của cả hệ : ƞch = ƞx= 0,93
Vậy công suất cần thiết trên trục động cơ:
- Số vòng quay sơ bộ động cơ : nsb = nlv * uch ( * ) + Số vòng quay trục công tác : nlv= 60 * 1000 * v / π * D = 60 * 1000 * 0.24/ π * 40= 114.65 ( vòng/phút) (**) + Tỷ số truyền chung của bộ truyền xích: uch= ux = 0,93 ( ***)
Thay (***)và(**) vào(*) ta được: nsb = nlv * uch= 114,65 * 0,93 = 106.9 ( vòng/phút)
Ta sẽ chọn số vòng quay đồng bộ của động cơ: nđb = 126 ( vòng / phút )
Ta có: Pct = 1,58 W và nđb = 126 ( vòng / phút ) Để thỏa điều kiện chọn động cơ ta chọn động cơ JGB37 -545
Loại động cơ Pđc ( w ) nđb ( vòng / phút )
Hình 25 Động cơ JGB37-545 (24VDC)
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ GẠT SẢN PHẨM
*Để có thể gạt sản phẩm thì điều đầu tiên khi thiết kế cũng như tham khảo đa số nguồn thì người ta sử dụng động cơ Servo là một loại động cơ nhỏ gọn dễ điều khiển và giá thành phải chăng không nhưng thế nó còn ứng dụng vào rất nhiều loại hệ thống khác với nhiều mục đích khác nhau b Tính toán động cơ Servo. Để tính toán động cơ Servo, chúng ta sử dụng khái niệm về Moment lực. Biểu thức moment lực(torque):
d: vector khoảng cách từ tâm quay đến giá của lực F gọi là cánh tay đòn của lực F
Tiếp theo sẽ đến việc ta sẽ xác định tốc độ góc mong muốn(Angular Velocity): *Tốc độ góc muốn được xác định bằng công thức: ω= Δθ Δt (2)
Kế đến ta sẽ xác định công suất (Power):
Công suất P được tính bằng công thức: P = T x ω (3)
Đơn vị của công suất thường được tính bằng watt(W). Áp dụng công thức (1) tính ra công suất của động cơ và sẽ chọn động cơ dựa trên giá trị công suất tính được
Tương tư như các động cơ trên tiếp theo áp dụng công thức (2) ta được: ω= Δθ Δt
= 45 6 ° = 6 4 π Áp dụng công thức (3) ta được:
Ta sẽ chọn động cơ có công suất P >= 0,808(W) Động cơ được em chọn trước là Servo MG90S Áp Dụng công thức (2) và (3) để tính toán
*Động cơ Servo MG90S có momemt xoắn 1,8kg/cm = 0.1765197 N.m
-Áp dụng công thức (2) ta được: ω= Δθ Δt
-Áp dụng công thức (3) ta được:
*Do đó động cơ Servo MG90S đáng ứng yêu cầu
Hình 26 Động cơ Servo MG90S
Hình 27 Bản vẽ động cơ Servo MG90S MG90S là một động cơ servo vi mô được trang bị bánh răng kim loại Đây là một servo nhỏ và nhẹ, lý tưởng cho các ứng dụng trong máy bay RC, máy bay bốn cánh và cánh tay robot Dưới đây là một số tính năng chính của MG90S:
- Điện áp hoạt động: Thông thường 4,8V đến 6V (thường được sử dụng ở 5V).
- Mô-men xoắn dừng: 1,8 kg/cm ở 4,8V và tối đa 2,2 kg/cmở 6V.
- Tốc độ hoạt động: Khoảng 0,1 giây trên 60 độ xoay ở điện áp 4,8V.
- Loại bánh răng Bánh răng kim loại cho độ bền.
- Phạm vi xoay: Từ 0° đến 180°.
-Kích thước: Khoảng dài 22,5 mm, rộng 12 mm và cao 35,5 mm.
- Dây màu nâu: Nối đất.
- Dây màu đỏ: Cấp nguồn cho động cơ (thường được kết nối với nguồn +5V).
- Dây màu cam: Nhận tín hiệu điều khiển động cơ.
Hình 28 Tín hiệu xung của động cơ Servo MG90S
- Hầu hết các động cơ servo theo sở thích đều hoạt động trong khoảng 4,8V đến 6,5V, trong đó phổ biến là +5V.
- Động cơ servo theo sở thích thường chỉ quay từ 0° đến 180° do cách bố trí bánh răng của chúng.
- mô-men xoắn (khả năng kéo) là rất quan trọng MG90S cung cấp mô-men xoắn 2,2 kg/cm.
- Bánh răng có thể bị mòn; chọn bánh răng kim loại để có tuổi thọ cao. Để sử dụng MG90S:
1 Cấp nguồn cho nó bằng +5V(dây màu Đỏ và Nâu).
2 Gửi tín hiệuPWM tới dây Màu cam để điều khiển xoay.
3 Sử dụng bộ tạoPWM (ví dụ: Bộ định thời 555, Arduino hoặc các bộ vi điều khiển khác) để tạo các tín hiệu cần thiết.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÊN PHẦN MỀN CREO PARAMETRIC.
Hình 29 Mô hình dự kiến.
Hình 30 Bản vẽ mô hình.
2.THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG.
2.1 Lưu Đồ Thuật Toán Của Hệ Thống.
Hình 31 Lưu đồ thuật toán.
2.2 SƠ ĐỒ NỐI DÂY VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG.
* Các thành phần cẩn chuẩn bị
Bắt đầu bằng việc mở rộng chân Gnd và Vcc của Arduino Uno R3 sử dụng board test Sau đó, kết nối các thành phần cần thiết bao gồm nguồn tổ Ong, mạch hạ áp LM2596 và XL4015, Arduino Uno R3, Servo MG90S, cảm biến màu sắc
TCS3200, Module I2C và LCD 16x2, Led đơn, cảm biến tiệm cận E18, và nút nhấn.
Bước 1: Nối nguồn tổ Ong với mạch hạ áp LM2596 và XL4015 Kết nối chân Gnd và Vcc mở rộng của Arduino Uno R3.
Bước 2: Mở rộng chân Gnd và Vcc cho Arduino Uno R3.
Hình 32 Sơ đồ nối dây của hệ thống
Bước 3: Chỉnh áp đầu ra của LM2596 thành 5V và nối với Arduino Uno R3 Nối chân Gnd của Servo (1) và Servo (2) vào LM2596.
Bước 4: Chỉnh áp đầu ra của XL4015 và cắm vào Arduino R3 để cấp nguồn cho Arduino Uno R3 và hai động cơ Servo.
Bước 5: Nối các chân còn lại: Servo (1) và Servo (2) vào chân tín hiệu số của Arduino, I2C LCD 16x2 nối theo chỉ định Cảm biến tiệm cận E18, nút nhấn, và 3 led đơn được nối vào chân tương ứng của Arduino Uno R3.
Cuối cùng, nối dây cho TCS3200 và hoàn chỉnh việc phân loại màu sắc Hiển thị kết quả lên LCD, đồng thời điều khiển Servo để gạt cà chua từ băng tải và đếm số lượng cà chua theo màu Nếu không xác định được màu, chạy đến cuối băng tải và sử dụng cảm biến tiệm cận để đếm vật thể không xác định.
THI CÔNG HỆ THỐNG
* Chuẩn bị một tấm thạch cao có kích thước 603x603x8 (mm)
* Dùng vật liệu foam với độ dày 5mm để tạo ra những thành phần đã được thiết kế trước trên phần mềm theo kích thước.
Hình 34 Hộp đựng cảm biến
Hình 37 Hộp đựng sản phẩm không xác định
Hình 38 Hộp đựng sản phẩm
Hình 39 Mô hình thực tế
Hình 40 Các thành phần bên trong
Nhận Xét – Đánh Giá – Kết Luận Và Phương Hướng Phát Triển
Nhận Xét Và Đánh Giá
Mô hình phần cứng được thiết kế gọn gàng, tuy nhiên, sai số cho phép là 5%, và thường xuyên xuất hiện lỗi lệch khi đặt sản phẩm lên băng tải.
Trong quá trình vận hành, đôi khi xảy ra các lỗi nhỏ như việc không tiếp tục đọc màu hoặc nhận biết sai màu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.
Kết quả thực thi mô hình chỉ đạt khoảng 80-85%, không đạt được mục tiêu do còn một số lỗi chưa được khắc phục trong hệ thống.
Kết Luận
Trong khoảng thời gian làm đồ án trong một học kỳ (khoảng 4 tháng), với sự giúp đỡ nhiệt tình của cô Nguyễn Thị Ái Lành, em đã hoàn thành đồ án đúng hạn Tuy nhiên, còn nhiều hạn chế và sai sót trong phần tính toán khi thiết kế và thi công.
Qua quá trình làm đồ án, em đã học và hiểu sâu hơn về phần mềm lập trình và đã đặt hết khả năng hiện tại để hoàn thành đúng thời hạn.
Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Ái Lành đã giúp đỡ và tận tình hướng dẫn Em nhận thức được những thiếu sót trong bài làm của mình và mong nhận được sự chăm sóc và hỗ trợ từ các thầy cô.
Phương Hướng Phát Triển
-Thiết kế giao diện Web để có thể quản lý hệ thống từ xa, giúp theo dõi và điều chỉnh mô hình một cách thuận tiện.
-Xây dựng hệ thống kép kín từ khâu khử trùng đến đóng gói, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
-Mở rộng hệ thống phân loại để có thể xử lý nhiều sản phẩm khác nhau, tăng tính đa dạng và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau.