Mô hình sử dụng cảm biến quang điều khiển bởi ardunio và được mô phỏngtrên phần mềm proteus và hiển thị số lượng trên màn hình LCD, giúp đếm số lượngsản phẩm để phân vào mỗi hộp khi đủ s
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
1.2 Các yêu cầu cơ bản
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2 Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 6
1.2 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 7
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 9
2.1 Phân tích, lựa chọn thiết bị 9
2.1.1 Phân tích, lựa chọn cảm biến 9
2.1.2 Phân tích và chọn bộ điều khiển 11
CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 14
CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG, THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 20
Bảng thông số của Arduino Uno R3 26
Thông số của cảm biến quang E3F-DS30C4 27
Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại đầu vào từ môi trường vật lý Đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất kỳ một trong số rất nhiều hiện tượng môi trường khác Đầu ra nói chung là tín hiệu được chuyển đổi thành màn hình có thể đọc được ở vị trí cảm biến hoặc được truyền điện tử qua mạng để đọc hoặc xử lý thêm.
Cảm biến quang (tên tiếng anh là Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh kiện quang điện Thiết bị này khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái, cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Để góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật hiện nay, nhóm chúng em đã quyết định chọn cảm biến quang
Cảm biến quang được đặt cuối mỗi băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng sản phẩm Mô hình sử dụng cảm biến quang điều khiển bởi ardunio và được mô phỏng trên phần mềm proteus và hiển thị số lượng trên màn hình LCD, giúp đếm số lượng sản phẩm để phân vào mỗi hộp khi đủ số lượng sẽ reset lại từ đầu và số thùng tăng lên
1 thùng, sau khi đủ 5 thùng sẽ hiện thông báo “THUNG DA DAY”.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ Điện Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi và cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài nghiên cứu này Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên hướng dẫn là thầy Trần Anh Sơn , thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện đồ án môn Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm cho nhóm trong thời gian qua Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc.
Xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
- Hệ thống đến số lượng sản phẩm đóng một vai trò quan trọng trong dây truyền sản xuất, nó giúp đếm số lượng sản phẩm một các chính xác mà không tốn nhiều nhân công và có thể giúp kiểm soát chỉnh xác số lượng sản phẩm cần đóng gói vào một túi hoặc hộp.
- Cảm biến quang là thiết bị đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống như làm việc mà không nhìn được vậy.
- Ngày nay, Cảm biến quang được ứng dụng trong rất nhiều sản phẩm, hệ thống tự động hóa trong đời sống và công nghiệp như các hệ thống đếm sản phẩm trong công nghiệp, thiết bị bật tắt đèn đường… Trong thời kì dịch bệnh hiện nay thì việc tự dộng hóa hệ thống ngày càng được trú trọng tránh tập trung mà vẫn đảm bảo sản xuất.
- Trong đề tài này, nhóm sẽ sử dụng cảm biến quang để xây dựng hệ thống đếm sản phẩm khi có sản phẩm đi qua cảm biến quang và hiển thị số lượng sản phẩm lên màn hình LCD khi đủ số lượng sản phẩm yêu cầu sẽ thông báo đủ số lượng lên màn hình và led sáng
Các yêu cầu cơ bản Để giải quyết đề tài, nhóm cần giải quyết một số vấn đề như sau:
- Về phần hệ thống đo và cảm biến: cảm biến quang đếm được chính xác số lượng sản phẩm đi qua cảm biến và hiển thị chính xác số lượng lên màn hình LCD, hạn chế sai số Hệ thống đảm bảo nhỏ gọn, dễ thay thế khi bị hỏng hóc, dễ dàng sử dụng, bảo trì và bảo dưỡng.
- Về phần điều khiển: hệ thống có thể xuất tín hiệu điều khiển khởi động động cơ servo đẩy sản phẩm sang băng truyền khác khi đủ số lượng và xuất tín hiệu choLCD hiển thị chính xác số sản phẩm Có khả năng reset hệ thống khi nhận được tín hiệu từ nút bấm bên ngoài.
- Về phầm mềm lập trình: phần mềm lập trình arduino ide trên máy tính, phần mềm lập trình chính xác, phổ biến, dễ dàng cho người mới tiếp cận.
- Mô hình hóa và mô phỏng: thực hiện mô hình hóa hệ điện trên phần mềmProteus và sử dụng code viết trên phần mềm Arduino để mô phỏng hoạt động của hệ thống trên Proteus.
Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cơ sở hệ thống tự động, Cảm biến và hệ thống đo, tìm hiểu qua Internet, sách vở,
- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lý số liệu xây dựng mô hình phù hợp với đề tài.
- Hiểu được nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang, đặt ra các vấn đề cần giải quyết từ đó xây dựng hệ thống.
Phương pháp mô hình hóa mô phỏng
- Mô hình hóa thiết kế hệ thống và mô hình hóa thiết kế mạch điện sử dụng các kiến thức lý thuyết để xây dựng mô hình của hệ thống và mạch điện kết nối trên phần mềm Proteus.
- Xây dựng, thiết kế phần điều khiển trên phần mềm arduino ide để xây dựng code điều khiển cho hệ thống theo đúng yêu cầu bài toán đặt ra.
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
- Số lượng sản phẩm có thể đếm: 0 – 99 sản phẩm.
- Khoảng cách giữa sản phẩm và cảm biến quang tối đa để có thể nhận diện: 3 cm.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Phân tích, lựa chọn thiết bị
2.1.1 Phân tích, lựa chọn cảm biến
Cấu tạo, nguyên lý và phân loại của cảm biến quang
Bộ phát ánh sáng phát ra ánh sáng dạng xung Tần số ánh sáng này sẽ được các hãng sản xuất thiết kế một cách đặc biệt Mục đích chính là giúp cho bộ thu ánh sáng phân biệt được nguồn sáng từ cảm biến và từ nguồn khác.
Bộ thu ánh sáng tiếp nhận ánh sáng từ bộ thu ánh sáng Trong cảm biến quang nhiệt thì nó chỉ nhận ánh sáng từ bộ phát sáng và truyền tín hiệu qua mạch xử lý.
Mạch xử lý tín hiệu điện trong cảm biến điện quang sẽ tiếp thu tín hiệu từ bộ thu ánh sáng Nó sẽ chuyển tín hiệu theo tỉ lệ từ tranzito quang thành ON/OFF Dạng tín hiệu chuyển thành này được khuếch đại rộng hơn.
Bộ phát ánh sáng sẽ phát ra ánh sáng ở dạng tần số Bộ thu ánh sáng sẽ tiếp nhận ánh sáng được phát ra đó và chuyển tín hiệu đến mạch xử lý tín hiệu Tại đây, tín hiệu sẽ được chuyển đổi từ dạng transistor thành ON/OFF Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất ở đây là NPN và PNP.
Cảm biến quang loại thu phát độc lập: có độ tin cậy cao, khoảng cách phát hiện xa, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật thể.
Cảm biến quang thu phát chung-phản xạ gương: độ tin cậy cao, giảm bớt dây dẫn, có thể phân biệt được vật mờ, trong suốt Cảm biến quang thu phát chung khuyết tán: dễ lắp đặt, nhưng bị ảnh hưởng bởi bề mặt màu sắc vật, ảnh hưởng nền.
Cảm biến loại phản xạ giới hạn: không bị ảnh hưởng bởi màu sắc nền nhưng chỉ phát hiện vật trong vùng phạm vi giới hạn.
Cảm biến quang loại phát hiện màu: độ tin cậy cao, dễ sử dụng, có thể dạy cho cảm biến về màu sắc vật.
Lựa chọn và thông số cảm biến:
Hệ thống đếm sản phẩm xây dựng cho việc đếm các loại chai, lon nước ngọt nên hệ thống băng tải không quá rộng, cần đếm và phân biệt được các sản phẩm trong suốt như các dạng nước ngọt đóng chai nên loại cảm biến được lựa chọn là cảm biến quang thu phát chung.
Cảm biến được lựa chọn cho hệ thống là cảm biến quang E3F-DS30C4 Có cấu tạo bao gồm 2 mắt thu, phát chung và bo mạch xử lý.
Ngoài ra còn có biến trở chỉnh khoảng cách nhận cảm biến ở đuôi cảm biến.
Cảm biến bao gồm 3 dây kết nối:
Xanh: GND Đen: chân tín hiệu đầu ra cấu trúc NPN
2.1.2 Phân tích và chọn bộ điều khiể n
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các bộ điều khiển có thể kết nối tốt với cảm biến TCRT5000 như: PLC, Arduino, STM32F0x, các vi điều khiển dòng PIC … Dựa vào điều kiện thực tế và khả năng của bản thân nhóm đã lựa chọn Arduino. Việc lựa chọn arduino để làm bộ điều khiển cho hệ thống dựa trên các phương diện:
- Nhiều thư viện có sẵn.
- Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào arduino.
- Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thông tin về Arduino.
Nhưng đối với hệ thống thì arduino uno r3 là lựa chọn tối ưu nhất Arduino uno r3 có
14 chân đầu vào / đầu ra kỹ thuật số (trong đó 6 chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, kết nối USB, giắc cắm nguồn, nút đặt lại,…Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp nguồn cho nó bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để bắt đầu.
Số chân đảm bảo cho việc kết nối hệ thống hơn so với arduino nano và giá thành tốt hơn arduino mega.
Kết nối hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống:
Khối nguồn : cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động.
Khối vi điều khiển : thu tín hiệu từ khối cảm biến và tín hiệu từ khối nút bấm reset, tiến hành xử lý tín hiệu thu được và xuất tín hiệu điều khiển cho khối hiển thị LCD và khối động cơ.
Khối cảm biến quang : xuất tín hiệu dạng điện cấp cho vi điều khiển khi có sản phẩm đi qua.
Khối nút bấm reset : xuất tín hiệu cho khối vi điều khiển dể reset lại hệ thống khi gặp sự cố.
Khối hiển thị LCD : nhận tín hiệu điều khiển từ khối vi điều khiển, hiển thị số lượng sanr phẩm lên màn hình LCD.
Khối động cơ : nhận tín hiệu điều khiển từ khối vi điều khiển khi đạt đủ số lượng yêu cầu.
Sơ đồ kết nối dây:
Vì cảm biến đã được kéo trở nội 10k lên VCC nên điện áp mức cao của chân tín hiệu (Vout) của cảm biến cũng chính là điện áp VCC, nên khi mức điện áp VCC của cảm biến khác với mức điện áp giao tiếp của arduino để tránh làm cháy arduino thì ta cần thêm một điện trở Rx Được tính theo công thức:
- Tín hiệu thu về sẽ được xử lý trên arduino uno r3 thông qua việc lập trình trước cho vi điều khiển trên phầm mềm arduino ide.
- Các tín hiệu cần xử lý: tín hiệu đưa về từ cảm biến quang và nút bấm reset từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển tới lcd và motor.
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
Nguyên lí hoạt động
Bật công tắc khởi động hệ thống, màn hình LCD hiện các thống số cần nhập như: Tổng sản phẩm (TSP), Tổng số thùng (TST), Số lượng (SL), Số thùng (ST).
Sau khi nhập các giá trị yêu cầu từ bàn phím ma trận nút bấm 4x4, khởi động băng tải làm việc, băng chuyền bắt đầu chuyển động sản phẩm chạy đi qua cảm biến
Sản phẩm đi qua cảm biến , màn hình nhận tín hiệu từ cảm biến hiển thị số lượng sản phẩm
Khi số lượng sản phẩm đạt đủ yêu cầu , số thùng trên mà hình tăng lên 1 đơn vị và khi đạt 5 thùng thì hiển thị thông báo: “THUNG DA DAY”.
Có chức năng Reset khi hệ thống gặp sự cố Khi có tín hiệu từ nút reset vi xử lý sẽ reset chương trình của vi điều khiển về trạng thái ban đầu.
Chương trình điều khiển
Mô hình hóa hệ điều khiển và mạch điện trên phần mềm proteus.
Chuẩn bị các module và mạch điều khiển để mô hình hóa hệ thống bao gồm: Arduino uno r3, màn hình lcd LM016L , PCF8574 , nút nhấn , module cảm biến , bàn phím ma trận nút bấm 4x4, Led Đối với LCD việc kết nối thông thường với vi xử lý arduino sẽ gặp một số khó khăn do số dây cần nối tới arduino lớn vì vậy để dễ dàng hơn cho việc thiết kế và kết nối giữa arduino và LCD ta sẽ sử dụng giao tiếp I2C cho quá trình kết nối này.
SDA (Serial Data) – đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu.
SCL (Serial Clock) – đường mang tín hiệu xung nhịp
Hai chân SDA và SCL truyền dẫn tín hiệu tín hiệu analog được nối với hai chân A4 vàA5 của Arduino.
Nút ấn reset có 1 chân nối đất và 1 chân còn lại nối với chân số 13 của arduino để nhận tín hiệu.
Led có 1 chân nối đất và 1 chân còn lại nối với chân 12 của arduino.
Bàn phím ma trận 4x4 được thêm vào với cột 1 đến cột 4 ( C1, C2, C3, C4 ) nối với chân 5, 4, 3, 2 của Arduino Tương tự hàng 1 đến hàng 4 ( R1, R2, R3, R4 ) nối với chân 7, 8, 9, 6 của Arduino.
Chương trình điều khiển cho vi điều khiển arduino uno được xây dựng trên phần mềm arduino ide.
Dựa vào nguyên lý làm việc của hệ thống, chương trình điều khiển hệ thống sẽ được viết như sau:
Sau khi chạy và kiểm tra lỗi trên phần mềm arduino ide ta lấy file hex nạp vào mạch điện đã vẽ trên proteus để mô phỏng hoạt động của hệ thống.
Khi khởi động, các thông số hiện lên trên màn LCD như hình minh họa, chưa có sản phẩm đi qua cảm biến, số lượng sản phẩm (SL) là 0.
Nhập các giá trị được yêu cầu từ bàn phím ma trận lên Lcd, khi có sản phẩm đi qua , màn hình sẽ hiển thị số sản phẩm đi qua cảm biến
Chương trình được lập trình sao cho Tổng số lượng phải chia hết cho Tổng số thùng Do đó nếu chúng ta nhập đúng tổng số lượng và tổng số thùng theo thuật toán thì chương trình sẽ đếm đúng số lượng trong 1 thùng và chuyển sang thùng tiếp theo ,khi đủ số thùng thì thông báo sẽ hiện lên trên Lcd “ THUNG DA DAY ” và LED sáng.
Ngược lại nếu ta nhập 2 giá trị không chia hết cho nhau thì chương trình sẽ báo
“ NHAP SAI ==> VUI LONG NHAP LAI ”
Trong quá trình tiến hành nếu có bất kỳ sai sót hay nhấn sai số cần nhập, nhấn nút reset có thể đưa chương trình về trạng thái ban đầu và ta có thể nhập lại.