Đồ án môn họcđo lường và điều khiển đề tài xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại và phân loại màu sắc

Mô hình sử dụng cảm biến hồng ngoại điều khiển bởi ardunio và được mô phỏng trên phần mềm protues và hiển thị số lượng trên màn hình LCD 16x2, giúp đếm số lượng sản phẩm để phân vào mỗi

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Đề Tài: Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại và phân loại màu sắc

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hữu Đức2020606109

Phạm Trọng Thái Dương2020603209 Giáo viên hướng dẫn: Th.S Trần Anh Sơn

Hà Nội – 2023

LỜI NÓI ĐẦU

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 hồng ngoại (IR sensor) là thiết bị điện tự động hoạt động trên nguyên tắc điện tử điện dung, dùng để đo và phát hiện các bức xạ hồng ngoại Bức xạ hồng ngoại là những nguồn sáng mà mắt người không thể nhìn thấy được, bởi bước sóng hồng ngoại rộng hơn với ánh sáng khả biến Do vậy, bất cứ vật thể gì phát ra mức nhiệt lớn hơn 5 độ C đều phát ra bước sóng hồng ngoại Để góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật hiện nay, nhóm chúng em đã quyết định chọn cảm hồng ngoại Nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại”

Cảm biến hồng ngoại được đặt cuối mỗi băng chuyền sản xuất, để đếm số lượng sản phẩm Mô hình sử dụng cảm biến hồng ngoại điều khiển bởi ardunio và được mô phỏng trên phần mềm protues và hiển thị số lượng trên màn hình LCD 16x2, giúp đếm số lượng sản phẩm để phân vào mỗi hộp khi đủ số lượng sẽ chuyển tiếp đến quy trình đóng gói sản phẩm.

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!

1.1 Giới thiệu chung 6

1.2 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 7

1.3 Các yêu cầu cơ bản 7

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 7

Chương II xây dựng mô hình hệ thống 9

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 9

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 15

2.3.1 Bộ vi điều khiển PIC 16

2.3.2 Giới thiệu Arduino 17

2.3.3 Module LCD 1602 giao tiếp I2C 21

2.3.4 Module Cảm biến màu sắc TCS34725 giao tiếp I2C, UART 23

2.4 Thiết kế mạch và xử lý tín hiệu 24

2.4.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế mạch 24

2.4.2 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 24

Chương III Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 26

3.1 Xây dựng chương trình điều khiển 26

3.1.1 Sơ đồ thuật toán 26

Hình 6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại 13

Hình 7:Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK 14

Hình 8: Sơ đồ nối dây 15

Hình 9: Vi điều khiển PIC 16

Hình 10: Arduino uno R3 17

Hình 11: Arduino uno R3 18

Hình 12: Thông số Arduino uno R3 19

Hình 13: Module LCD 1602 giao tiếp I2C 22

Hình 14: Minh họa nối dây Module LCD 22

Hình 15: Cảm biến màu sắc TCS34725 23

Hình 16: Phần mềm thiết kế mạch Proteus 8 Professional 24

Hình 17: Mạch đo xử lý tín hiệu trên Proteus 24

Hình 18: Mô hình sản phẩm khi hoàn thiện 29

Hình 19: Kết quả thực nghiệm 31

CHƯƠNG I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐẾM SẢN PHẨM

I.1.Giới thiệu chung

Trong kỷ nguyên công nghệ hiện nay, sự phát triển rất mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các mô hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm ra đời dựa vào công nghệ vi mạch và lập trình nhúng cho vi điều khiển Vi điều khiển tích hợp nhỏ gọn giá thành thấp, tính linh động cao, tiết kiệm nguồn năng lượng.

Hiện nay, ở Việt Nam và thế giới có rất nhiều loại mô hình đếm sản phẩm, băng truyền đếm sản phẩm đã được thiết kế thi công giúp con người giảm chi phí nhân công, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin Mô hình đếm sản phẩm tự động, giúp bớt được nhiều sức lao động và thời gian, giúp tăng hiệu suất lao động, đồng thời đảm bảo độ chính xác.

Ngày nay, các vi điều khiển đã có một bước phát triển mạnh với mật độ tích hợp cao, khả năng xử lý mạnh, tiêu thụ năng lượng ít và giá thành thấp Khi được nạp phần mềm nhúng, các vi điều khiển này sẽ hoạt động độc lập theo ứng dụng cụ thể.

Xuất phát từ những bài học thực tập trên lớp và tham quan các doang nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu đơn giản trong dây truyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm làm ra được đếm một cách tự động.

Tuy nhiên đối với nhưng doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu đếm sản phẩm, đóng bao bì mà vẫn sử dụng nhân công.

Từ những điều đã được thấy và khả năng của chúng em, chúng em muốn làm một điều gì 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 được độ chính xác Nên chúng em quyết định thiết kế mô hình mạch đếm sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế

Từ những 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 có thể sự dụng tốt trong cuộc sống thực tế.

Chính vì thế ý tưởng tìm hiểu và nghiên cứu mô hình đếm sản phẩm ra đời nhằm để:  Ứng dụng thực tiễn được những kiến thức đã học ở trường.

 Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module trong mô hình đếm sản phẩm  Nghiên cứu phát triển đưa vào thực tế.

 Phát triển thêm những kiến thức còn hạn hẹp của bản thân.

I.2.Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu:

– Tìm hiểu tổng quan về lý thuyết của đề tài – Đọc hiểu một số tài liệu liên quan đến đề tài – Thảo luận nhóm để thống nhất ý kiến.

– Thiết kế mô hình phần cứng – Thiết kế phần mềm.

– Thực nghiệm và kiểm chứng đối tượng – Báo cáo và nghiệm thu đề tài

Phạm vi nghiên cứu: Đếm số lượng sản phẩm, phân tích màu và hiển thị số sản phẩm, loại màu sắc trên LCD 16x2.

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mạch đếm sản phẩm gồm module nguồn, module cảm biến hồng ngoại, module hiển thị LCD 16x2, module cảm biến màu sắc, module xử lý vi điều khiển

I.3.Các yêu cầu cơ bản

– Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp – Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn.

– Sử dụng cảm biến hồng ngoại kết hợp với mạch Ardunio.

– Sai số trung bình khoảng 0,15% đối với phân tích màu sản phẩm – Hiển thị trên thanh LCD 16x2.

I.4.Ý nghĩa thực tiễn

Việc đếm số lượng sản phẩm của hệ thống có vai trò rất quan trọng và rất lớn trong thực tế khi áp dụng vào trong quy trình tự động hóa khi có thể kiểm, đếm số lượng sản phẩm

Hiểu và biết sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm số lượng sản phẩm và phân loại màu sắc, biết thiết kế mạch điện tử và lập trình vi điều khiển, đưa ra tín hiệu điều khiển cho motor đẩy sản phẩm qua dây truyển khác khi đủ số lượng yêu cầu.

Đề tài có ứng dụng rất thực tiễn trong công nghiệp ở các dây truyền tự động hóa trong sản xuất như dây truyền sản xuất bánh kẹo, đồ hộp,…

HÌnh 1: Sử dụng cảm biến hồng ngoại để đếm sản phẩm.

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

II.1.Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

II.1.1.Tổng quan hệ thống

Hệ thống bao gồm các cụm chi tiết: – Điều khiển và xử lý tín hiệu

Cảm biến sẽ nhận tín hiệu và gửi tín hiệu điện về vi điều khiển Sau đó xử lí và truyền tín hiệu hiển thị số sản phẩm, thông tin màu lên LCD 16x2.

Có chức năng Reset khi hệ thống gặp sự cố Khi có tính hiệu từ nút reset vi xử lý sẽ reset chương trình của vi điều khiển về trạng thái ban đầu.

II.1.3.Sơ đồ khối hệ thống

Khốối hi n th LCD ể ị Khốối reset

Khốối vi điềều khi nể Khốối nguốền

Nguồn: Tín hiệu:

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 khỏi hiển thị LCD 16x2 và khối động cơ.

Khối cảm biến : xuất tín hiệu dạng điện cấp cho vi điều khiển khi có sản phẩm đi qua.

Khối hiển thị LCD 16x2: nhận tín hiệu điện từ khối vi điều khiển, hiển thị số lượng sản phẩm lên màn hình LCD 16x2.

Khối còi báo: nhận tín hiệu từ khối vi điều khiển khi đếm đủ số lượng sản phẩm, còi sẽ tự động kêu.

Khối reset: để reset lại hệ thống

II.2.Phân tích và lựa chọn cảm biến

II.2.1.Cảm biến đếm

Yêu cầu bài ra là xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến: Có một số loại cảm biến đếm sản phẩm sau:

Cấu tạo: Cảm biến quang được cấu thành từ 3 bộ phận là bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và

bo mạch xử lý tín hiệu điện

Nguyên lý hoạt động: Bộ phận phát sáng sẽ phát ánh sáng dưới dạng tần số, từ đó bộ phận thu

sáng sẽ tiếp nhận ánh sáng đó và phân loại chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu điện Ở đây tín hiệu sẽ được chuyển đổi theo tỉ lệ tranzito thành hai chế độ ON/OFF Và tín hiệu được dùng nhất là NPN, PNP.

Ưu điểm:

+ Có độ nhạy cao hơn.

+ Có thể gửi và nhận tín hiệu quang trên khoảng cách xa.

+ Tránh phải chuyển đổi giữa điện tử và quang tử riêng biệt tại mỗi vị trí cảm biến, do đó giảm chi phí và tăng tính linh hoạt.

Nhược điểm: Một khó khăn của tất cả các cảm biến; cả quang học và thông thường, là nhiễu

từ nhiều hiệu ứng.

Ứng dụng:

Các hoạt động sản xuất trong công nghiệp: quá trình đóng hộp, chai cho các sản phẩm; kiểm tra các sản phẩm thiếu tem, nhãn; di chuyển các sản phẩm trong dây chuyền băng tải; kiểm tra sản phẩm trong quá trình rửa,…

Đảm bảo an ninh và an toàn cho các hệ thống: hệ thống nhà xe, phát hiện xe trong bãi giữ, kiểm soát người và vật thể qua lại đối với các cổng an ninh,…

Hệ thống nước tự động khi xuất hiện vật thể,…

2) Cảm biến tiệm cận

Hình 4: Cảm biến tiệm cận

Cấu tạo: Cảm biến tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm

ứng và khi sóng cao tần đi qua lõi dây, một trường điện từ dao động quanh nó sẽ được tạo ra Trường điện từ này được kiểm soát bởi một mạch bên trong.

Nguyên lý: Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh

cảm biến với khoảng cách tối đa 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý.

Ưu điểm: Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất

tới 30mm.Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Nhược điểm: Bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất.Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của

ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến

Ứng dụng:

Cảm biến tiệm cận ứng dụng phổ biến trong công nghiệp nhà máy như gắn trên các dây truyền sản xuất, gắn trên các điện thoại cảm ứng, các loại xe ô tô,…

Một số ứng dụng dễ thấy như:

– Kiểm soát chất lỏng trong bể chứa – Kiển soát chất lỏng trong hộp giấy – Kiểm soát kim loại

– Kiểm soát số lượng

3) Cảm biến hồng ngoại

Hình 5: Cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo:

– Đèn led hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại

– Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại phản

Về nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại thì không quá là phức tạp được hiểu đơn giản như sau: Vật thể nào cũng có thể phát ra được bức xạ hồng ngoại chỉ là nhiều hay ít.

Hình 6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Ưu điểm:

– Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao trong xác định vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại trong không gian

– Thiết kế cảm biến cho phép xác định khoảng cách chính xác của vật thể phát bức xạ hồng ngoại.

– Thiết kế và cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ.

Nhược điểm

– Cảm biến hồng ngoại phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường Với những môi trường có nhiệt độ cao, cảm biến sẽ hoạt động kém hiệu quả.

– Góc và phạm vi quét cảm biến hồng ngoại hạn chế, nhiều góc chết – Độ nhạy cao nên dễ nhầm lẫn khi phát hiện ra chuyển động.

II.2.2.Cảm biến màu sắc

Yêu cầu bài ra là xây dựng hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cảm biến: Có một số loại cảm biến đếm sản phẩm sau:

– Cảm biến màu sắc TCS 3200 – Cảm biến màu sắc TCS 34725

1) Cảm biến màu TCS 3200

Cảm biến màu sắc TCS 3200

– Cấu tạo:được thiết kế dựa trên công nghệ cảm biến màu tương tự như CCD (Charge-Coupled Device) Nó bao gồm một mảng gồm 8x8 ô diode nhận sáng và bộ xử lý tín hiệu tích hợp.

– Nguyên lý hoạt động: Cảm biến TCS3200 sử dụng các bộ lọc màu RGB (đỏ, xanh lam và xanh lá cây) để phân tích màu sắc của đối tượng Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến, nó sẽ tạo ra một dòng tín hiệu tương ứng với mức độ chiếu sáng của từng màu Bộ xử lý tích hợp trong cảm biến sẽ đếm số lượng xung tín hiệu trong một khoảng thời gian nhất định để xác định màu sắc.

– Ưu điểm:Cảm biến TCS3200 có khả năng phân tích màu sắc chính xác và đáng tin

– Nhược điểm:Cảm biến TCS3200 có độ phân giải màu sắc hạn chế, không thể nhận biết được màu sắc chi tiết như những cảm biến cao cấp hơn.

Nó có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng ngoại vi và nhiễu, dẫn đến sai số trong việc phân tích màu sắc.

– Ứng dụng: Cảm biến màu TCS3200 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như: Nhận diện màu sắc trong robot và hệ thống tự động hóa.

Sử dụng trong các ứng dụng điện tử cá nhân như điện thoại di động, máy tính bảng để kiểm tra màu sắc của đối tượng trên màn hình.

2) Cảm biến màu sắc TCS 34725

Cảm biến màu sắc TCS 34725

– Cấu tạo: Cấu tạo: Cảm biến màu sắc TCS34725 là một cảm biến phát sáng và thu sáng (Light-to-Digital Converter) tích hợp, có khả năng nhận dạng màu sắc với độ chính xác cao Nó bao gồm một bộ lọc màu RGB và một bộ xử lý tín hiệu tích hợp – Nguyên lý hoạt động: Cảm biến TCS34725 sử dụng bộ lọc màu RGB để phân tích

màu sắc của đối tượng Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến, nó sẽ tạo ra một dòng tín hiệu tương ứng với mức độ chiếu sáng của từng màu Bộ xử lý tích hợp trong cảm biến sẽ chuyển đổi các tín hiệu analog thành các giá trị kỹ thuật số, đại diện cho mức độ chiếu sáng và màu sắc của từng kênh màu RGB.

– Ưu điểm:Cảm biến TCS34725 có độ chính xác cao trong việc phân tích màu sắc, cho phép nhận dạng chính xác các màu sắc chi tiết.

Nó có khả năng xử lý tín hiệu tích hợp, giúp giảm thiểu công việc xử lý tín hiệu ở mức độ phần cứng.

Cảm biến này có khả năng phát hiện và khống chế ánh sáng ngoại vi và nhiễu, giúp tăng độ tin cậy của dữ liệu màu sắc đầu ra.

– Nhược điểm:Cảm biến TCS34725 có giá thành cao hơn so với một số loại cảm biến

Tự động hóa công nghiệp: Sử dụng để phát hiện màu sắc trong các quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng.

II.2.3.Lựa chọn cảm biến

1) Cảm biến đếm

Căn cứ vào điều kiện làm việc là phải đếm chính xác số lượng sản phẩm, phải phân biệt được giữa người và vật Ngoài ra còn phụ thuộc vào giá thành sản phẩm nên nhóm em quyết định lựa chon cảm biến hồng ngoại E18-D80NK.

Hình 7:Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK

Cảm biến bao gồm 3 dây kết nối:

 Màu Nâu (Brown): chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 5VDC.

 Màu Đen (Black): chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN -

Open Collector.

 Xanh Dương (Blue): chân nguồn âm GND 0VDC Sơ đồ kết nối dây:

Hình 8: Sơ đồ nối dây

– Chiều dài dây: 1m

– Có thể điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở – Kích thước: 17 * 45 mm.

2) Cảm biến màu sắc

Cảm biến màu sắc TCS34725 được dùng để nhận biết màu sắc thông qua việc đo phản xạ 3 màu cơ bản là đỏ, xanh lá, xanh dương của vật thể Sau đó được xử lý và truyền đi thông số đo được của các màu sắc này thông qua giao tiếp I2C hoặc UART, tổng hợp thông tin của 3 màu trên ta có được màu sắc của vật thể cần đo.

Cảm biến màu sắc TCS34725 sử dụng giao tiếp I2C và UART được tích hợp MCU trên mạch để chuyển đổi từ giao tiếp I2C của TCS34725 sang giao tiếp UART hoặc I2C của MCU giúp bạn dễ dàng lập trình và giao tiếp + I2C của MCU + UART của MCU – Kích thước: 24x27mm – Trọng lượng: 31g

II.3.Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

Yêu cầu bài ra là xây dựng hệ thống đếm sản phẩm Một số các loại vi điều khiển có thể dùng:

–Bộ vi điều khiển PIC

–Bộ vi điều khiển Arduino (Arduino uno R3).

II.3.1.Bộ vi điều khiển PIC

PIC là một bộ điều khiển giao diện ngoại vi, được phát triển bởi vi điện tử của dụng cụ nói chung, vào năm 1993 Nó được điều khiển bởi phần mềm.

Chúng có thể được lập trình để hoàn thành nhiều nhiệm vụ và kiểm soát một dòng thế hệ và nhiều hơn nữa

Bộ vi điều khiển PIC đang tìm đường vào các ứng dụng mới như điện thoại thông minh, phụ kiện âm thanh, thiết bị ngoại vi chơi game video và các thiết bị y tế tiên tiến.

Có rất nhiều PIC, bắt đầu bằng PIC16F84 và PIC16C84 Nhưng đây là những PIC flash duy nhất có giá cả phải chăng

Microchip gần đây đã giới thiệu chip flash với các loại hấp dẫn hơn nhiều, chẳng hạn như 16F628, 16F877 và 18F452 16F877 có giá gấp đôi 16F84 cũ nhưng có kích thước mã gấp tám lần, RAM nhiều hơn, nhiều chân I/O hơn, bộ chuyển đổi UART, A/D và nhiều thứ khác.

Ưu điểm của PIC

– Đó là một thiết kế RISC

– Mã của nó cực kỳ hiệu quả, cho phép PIC chạy với bộ nhớ chương trình thường ít hơn so với các đối thủ cạnh tranh lớn hơn của nó

– Đó là chi phí thấp, tốc độ đồng hồ cao

Hình 9: Vi điều khiển PIC