MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 3 1.1. Hệ thống phân loại sản phẩm 3 1.2. Các hệ thống phân loại sản phẩm thông dụng hiện nay 4 CHƯƠNG 2 : LINH KIỆN CẤU THÀNH 7 2.2. Arduino Nano 7 2.2. Đèn LED 11 2.3. Điện trở 15 2.4. Module LM2596 17 2.5. Module L298N 18 2.6. Động cơ Servor SG90 20 2.7. Động cơ giảm tốc 3v 21 CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 24 3.1 : Yêu câu hệ thống 24 3.2. Thiết kế hệ thống 25 3.2.1. Sơ đồ khối 25 3.2.2. Lưu đồ thuật toán phần Arduino 26 3.2.3. Lưu đồ thuật toán phần c# 27 3.2.4.Thiết kế sơ đồ nguyên lý 29 3.2.5. Thiết kế PCB 30 3.2.6. Thiết kế C# Winform 31 3.3. Hoàn thiện hệ thống 32 KẾT LUẬN 34 Hạn chế 34 Phương hướng phát triển 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 PHỤ LỤC 37 LỜI NÓI ĐẦU Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.Dương Hòa An em đã thực hiện đề tài "Hệ thống phân loại sản phẩm bằng mã Barcode sử dụng Camera nhận diện" với mục tiêu áp dụng công nghệ hiện đại vào quy trình sản xuất công nghiệp. Hệ thống này sử dụng Arduino làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp với phần mềm lập trình C# để xử lý dữ liệu từ camera, giúp nhận diện và phân loại sản phẩm dựa trên mã Barcode. Đề tài này không chỉ là bước tiến quan trọng trong việc tự động hóa quy trình sản xuất, mà còn là cơ hội để em làm quen và tiếp cận với những công nghệ tiên tiến, qua đó nâng cao kỹ năng cá nhân và đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp hiện đại. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã gặp nhiều thách thức liên quan đến việc tích hợp các thiết bị và lập trình xử lý hình ảnh. Tuy nhiên, nhờ sự hỗ trợ và định hướng của thầy, em đã dần khắc phục và tìm ra giải pháp hiệu quả cho từng vấn đề. Qua đó, em không chỉ hiểu sâu hơn về cách hoạt động của các hệ thống tự động hóa mà còn nâng cao khả năng tư duy sáng tạo và kỹ năng giải quyết vấn đề. Đề tài này cũng là một cơ hội để em nhận thức rõ hơn về tầm quan trọng của việc tự học và nghiên cứu. Em đã phải nỗ lực không ngừng để cập nhật những kiến thức mới và tìm hiểu sâu hơn về công nghệ. Những trải nghiệm này đã giúp em trưởng thành hơn trong việc đối mặt với những thách thức kỹ thuật và biết cách tổ chức công việc một cách khoa học và hiệu quả. CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 1.1. Hệ thống phân loại sản phẩm Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống tự động hoặc bán tự động được thiết kế để nhận diện, phân loại và xử lý các sản phẩm dựa trên các đặc điểm nhất định như kích thước, trọng lượng, màu sắc, hình dạng, hoặc mã định danh như mã vạch (Barcode), mã BARCODE, hoặc RFID. Hệ thống này thường được sử dụng trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất hoặc trung tâm phân phối để tăng hiệu quả và độ chính xác trong việc xử lý hàng hóa. Cơ chế hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm thường bao gồm: • Nhận diện sản phẩm: Hệ thống sử dụng các cảm biến, máy quét mã vạch, camera hoặc các thiết bị khác để nhận diện và thu thập thông tin về sản phẩm. • Xử lý thông tin: Dữ liệu từ thiết bị nhận diện sẽ được gửi đến bộ điều khiển trung tâm (ví dụ như PLC hoặc máy tính), nơi nó được phân tích và quyết định loại sản phẩm dựa trên các tiêu chí đã được lập trình trước. • Phân loại sản phẩm: Sau khi xử lý thông tin, hệ thống sẽ điều khiển các thiết bị cơ khí như băng chuyền, cánh tay robot, hoặc các cơ cấu khác để chuyển sản phẩm đến đúng vị trí hoặc ngăn chứa tương ứng. • Đánh giá và giám sát: Hệ thống thường có khả năng giám sát và đánh giá quá trình phân loại để đảm bảo rằng các sản phẩm được phân loại chính xác, và có thể điều chỉnh nếu phát hiện sai sót. Hệ thống phân loại sản phẩm giúp tăng cường tính tự động hóa trong sản xuất, giảm sai sót do con người, và nâng cao hiệu suất cũng như chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất. Hình 1.1 : Hệ thống phân loại sản phẩm trong nhà máy 1.2. Các hệ thống phân loại sản phẩm thông dụng hiện nay • Phân loại sản phẩm theo khối lượng : Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng áp dụng cho các ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản, phân loại dựa trên khối lượng để đảm bảo chất lượng và cỡ sản phẩm theo hệ thống cài đặt sẵn. Hình 1.2 : Hệ thống phân loại đùi gà theo khối lượng • Phân loại sản phẩm theo chiều cao : Nguyên lý hoạt động là khi sản phẩm di chuyển đến vị trí được cài đặt các thiết bị cảm biến sẵn và phân loại sản phẩm theo từng mức đã được quy định sẵn và phân loại để phân loại sản phẩm. Hình 1.3 : Hệ thống phân loại kiện hàng theo chiều cao • Phân loại sản phẩm theo màu sắc : Sử dụng công nghệ tiên tiến và camera để phân loại các sản phẩm theo màu sắc của sản phẩm, thích hợp cho ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, và nhiều ngành khác. Hình 1.4 : Hệ thống phân loại cà chua • Phân loại sản phẩm theo mã vạch : Phân loại theo mã vạch/Barcode hoặc mã BARCODE. Là hệ thống được sử dụng phổ biến hiện nay trong việc phân loại các kiện hàng, bưu phẩm,… và dán mã vạch barcode, mã BARCODE. Hình 1.5 : Hệ thống phân loại theo Barcode code CHƯƠNG 2 : LINH KIỆN CẤU THÀNH 2.2. Arduino Nano Hình 2.1 : Arduino Nano Arduino Nano là một trong những phiên bản nhỏ gọn của board Arduino, được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng có kích thước nhỏ hơn. Arduino Nano có cấu trúc gồm các thành phần chính sau: o Vi điều khiển: Arduino Nano sử dụng vi điều khiển ATmega328P, một trong những vi điều khiển phổ biến nhất trong gia đình AVR của Atmel. Vi điều khiển này có tốc độ xử lý 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB và SRAM 2 KB. o Kết nối USB: Arduino Nano được trang bị một cổng USB để kết nối với máy tính. Cổng này được sử dụng để tải chương trình vào board và cũng có thể dùng để truyền dữ liệu giữa board và máy tính. o Điện áp cung cấp: Arduino Nano có thể được cấp điện từ nguồn USB hoặc từ nguồn cung cấp bên ngoài thông qua một đầu nối nguồn. o Chân kết nối: Arduino Nano có 30 chân kết nối, bao gồm các chân số, chân PWM, chân ADC, chân I2C, chân SPI và chân ngoại vi khác. Ngoài ra, board còn có hai chân Reset và chân Crystal để cung cấp đồng hồ cho vi điều khiển. o Nạp chương trình: Arduino Nano có một nút nhấn để nạp chương trình vào board, cùng với một đèn LED báo trạng thái. o Với kích thước nhỏ nhưng tính năng và sự hỗ trợ vô cùng mạnh mẽ từ cộng đồng thì arduino chính là sự lựa chọn số 1 trong các dự án nhỏ Bảng 2.1 : Đặc điểm kĩ thuật Arduino nano Hình 2.2 : Sơ đồ chân Arduino Nano Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16 o Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead (). o Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung. Chân 1, 2: Chân nối tiếp o Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL. Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM o Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite (). Chân 5, 6: Ngắt o Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt (). Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt. Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI o Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có. Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này. Chân 16: Led o Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng. Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự o Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7. Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý. Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024). Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V. Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference (). Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác. Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C o Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị. Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C. I2C hỗ trợ chỉ với hai dây. Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA). Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire. Chân 18: AREF o Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC. Chân 28 : RESET 2.2. Đèn LED Hình 2.3 : Đèn led với các điện cực nằm trong vỏ nhựa LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode - Diode phát quang. LED là thiết bị bán dẫn tạo ra ánh sáng. Lúc đầu nó được sử dụng làm đèn báo nhưng sau này được dùng rộng rãi làm đèn chiếu sáng trong nhà, ngoài trời, trang trí. Hình 2.4 : Kí hiệu đèn LED Kí hiệu cho ta thấy các cực K và A của đèn led và hướng ánh sáng phát đi Cấu tạo và nguyên lý làm việc của đèn LED : Mối nối PN chính là phần cơ bản nhất của đèn led. Cấu tạo của đèn led có 1 cực dương (cathode) và một cực âm (anode) ngăn cách nhau bởi một tinh thể vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn được thêm tạp chất để tạo ra các mối nối PN. Toàn bộ được lắp trong một vỏ nhựa có tác dụng như một thấu kính để hướng ánh sáng phát ra ngoài. Hình 2.5 : Cấu tạo đèn LED Khi có điện áp đặt lên các điện cực, dòng điện sẽ đi từ anode (mặt P) sang cathode (mặt N). Khi 1 electron gặp 1 lỗ trống ở chỗ mối nối PN nó bị rơi vào trạng thái năng lượng thấp. Sự khác biệt năng lượng giữa hai trạng thái chính là đặc tính của mối nối PN. Hình 2.6 : Nguyên lý hoạt động của đèn LED Năng lượng thừa của electron sẽ phát ra thành một photon. Khoảng cách năng lượng càng cao thì độ dài sóng của ánh sáng phát ra càng ngắn. Hình 2.7 : quang phổ bức xạ điện từ Các loại đèn led LED xuyên lỗ (through hole led) : Loại này có nhiều hình dạng và kích cỡ, phổ biến nhất là led 3mm, 5mm và 8mm với nhiều màu sắc khác nhau đỏ, lục, vàng, xanh lá, trắng… Hình 2.8 : Đèn led chân cắm LED SMD : LED SMD có thể gắn dễ dàng trên PCB. Loại này thường được phân biệt bằng kích thước. Ví dụ LED SMD phổ biến nhất là 3528 và 5050. Hình 2.9 : Đèn led chân dán LED 2 màu : Như tên gọi của nó loại LED này có thể phát ra 2 màu. Loại này thường có 3 chân, trong đó 2 chân là cực anode, chân còn lại là cực cathode. Màu sắc sẽ được kích hoạt tùy thuộc vào cấu hình của chân. Hình 2.10 : Đèn led 2 màu LED RGB : LED RGB có 3 led trên 1 chip đơn. Bằng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) có thể kiểm soát led RGB cho ra một dải màu sắc. Hình 2.11 : Đèn led RGB LED công suất cao : o LED có công suất hơn 1W được gọi là LED công suất cao, bởi vì led thông thường có công suất vài mW. o Đèn LED công suất cao rất sáng và thường được sử dụng trong Đèn pin, Đèn pha ô tô, Đèn pha, v.v. Vì có công suất lớn nên loại này bắt buộc phải có bộ phận làm mát và tản nhiệt. Ngoài ra nguồn điện cấp cho loại LED này phải cao. Hình 2.12 : Đèn led công suất cao 2.3. Điện trở Hình 2.13 : Các loại điện trở Điện trở ( tiếng Anh là resistor ) là một linh kiện điện tử giúp giới hạn hoặc điều chỉnh dòng điện trong một mạch điện tử. Điện trở cũng có thể được sử dụng để cung cấp một điện áp mong muốn cho thiết bị hoạt động ví dụ như một bóng bán dẫn. Đơn vị của điện trở là Ohm (đọc là Ôm). Công dụng của điện trở : Công dụng của điện trở trong mạch điện hoặc mạch điện tử là “cản trở” (do đó gọi là điện trở), điều chỉnh hoặc thiết lập dòng điện qua nó bằng cách sử dụng các loại vật chất dẫn điện tạo nên điện trở. Điện trở cũng có thể được nối với nhau thành chuỗi dùng để làm mạng điện trở có thể hoạt động như bộ giảm điện áp, bộ chia điện áp hoặc bộ giới hạn dòng điện trong mạch điện. Điện trở được gọi là "Thiết bị thụ động", vì nó không chứa hoặc khuếch đại điện áp nhưng chỉ làm giảm điện áp hoặc dòng điện đi qua nó dẫn đến năng lượng điện bị mất ở dạng nhiệt. Cần có sự chênh lệch điện áp giữa 2 đầu điện trở để cho dòng điện đi qua. Sự chênh lệch này giúp cân bằng năng lượng bị mất. Khi được sử dụng trong các mạch điện 1 chiều, sự chênh lệch này, còn được gọi là hiệu điện thế, được đo trên các đầu cuối của điện trở khi dòng điện chạy qua. Hầu hết các loại điện trở là các thiết bị tuyến tính tạo ra sự sụt điện áp khi dòng điện chạy qua nó và tuân theo Định luật Ohm. Các giá trị điện trở khác nhau tạo ra các giá trị dòng điện hoặc điện áp khác nhau. Điều này rất hữu ích trong các mạch điện tử, khi muốn điều chỉnh dòng điện hoặc điện áp ta chỉ cần điều chỉnh điện trở, chúng ta có thể tạo ra một bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện và dòng điện thành điện áp. Có hàng ngàn loại điện trở khác nhau và được sản xuất dưới nhiều dạng khắc nhau tùy vào đặc điểm và độ chính xác cụ thể của chúng phù hợp với các lĩnh vực ứng dụng nhất định, chẳng hạn như độ ổn định cao, điện áp cao, dòng điện cao, hoặc điện trở sử dụng cho mục đích chung. Một số đặc điểm chung liên quan đến điện trở là: Hệ số nhiệt độ, hệ số điện áp, độ nhiễu, tần số đáp ứng, công suất cũng như mức nhiệt độ, kích thước vật lý và độ tin cậy. Các điện trở thường chỉ có một giá trị điện trở duy nhất, ví dụ 100Ω, nhưng các điện trở biến thiên (biến trở) có thể điều chỉnh được giá điện trở giữa 0 và giá trị cực đại của nó. Ký hiệu điện trở : Trong các sơ đồ mạch điện và điện tử, điện trở thường được biểu thị là một hình “zig-zag” hoặc một hình chữ nhật với giá trị điện trở của nó theo đơn vị Ohm (Ω). Điện trở có giá trị từ dưới một ohm, ( 10MΩ) về giá trị. Hình 2.14: Kí hiệu các loại điện trở 2.4. Module LM2596 Hình 2.15 : Module LM2596 Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Thông Số KỸ Thuật : - Điện áp đầu vào: 3,2V đến 46V DC - Điện áp đầu ra: 1.25V đến 35V DC (tùy chỉnh được) - Dòng điện đầu ra tối đa: 3A - Hiệu suất chuyển đổi lên đến 92% - Tần số chuyển đổi: 150kHz - Bảo vệ quá tải và quá nhiệt - Kích thước: 43mm x 21mm x 14mm. 2.5. Module L298N L298N là module điều khiển động cơ trong các xe DC và động cơ bước. Module có một IC điều khiển động cơ L298 và một bộ điều chỉnh điện áp 5V 78M05. Module L298N có thể điều khiển tối đa 4 động cơ DC hoặc 2 động cơ DC với khả năng điều khiển hướng và tốc độ. Hình 2.16 : Module L298N Cấu hình sơ đồ chân L298N : Hình 2.19 : Cấu hình chân Module L298N Bảng 2.1 : Chức năng chân Module L298N Tên chân Mô tả IN1 & IN2 Các chân đầu vào điều khiển hướng quay động cơ A IN3 & IN4 Các chân đầu vào điều khiển hướng quay của Động cơ B ENA Kích hoạt tín hiệu PWM cho Động cơ A VIB Kích hoạt tín hiệu PWM cho Động cơ B OUT1 & OUT2 Chân đầu ra cho động cơ A OUT3 & OUT4 Chân đầu ra cho Động cơ B 12V Đầu vào cấp nguồn 12 5V Cấp nguồn cho mạch logic bên trong IC L298N GND Chân nối đất Đặc điểm và thông số kỹ thuật module L298 : • Module điều khiển: 2A L298N • Chip điều khiển: Cặp H-Bridge L298N • Điện áp cấp cho động cơ (Tối đa): 46V • Dòng điện cấp động cơ (tối đa): 2A • Điện áp logic: 5V • Điện áp hoạt động của IC: 5-35V • Dòng điện hoạt động IC: 2A • Dòng logic: 0-36mA • Công suất tối đa (W): 25W • Cảm biến dòng điện cho mỗi động cơ • Có tản nhiệt cho hiệu suất tốt hơn • Có đèn báo LED bật nguồn Module điều khiển thay thế: TMC2209, DRV8825, A4988, L9110S, DRV8711 2.6. Động cơ Servor SG90 Động Cơ Servo SG90 là loại động cơ được dùng phổ biến trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM. Hình 2.20 : Động cơ Servo SG90 Thông Số Kỹ Thuật Động Cơ Servo SG90 : • Khối lượng : 9g • Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm • Momen xoắn: 1.8kg/cm • Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây • Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V) • Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC 2.7. Động cơ giảm tốc 3v Động cơ giảm tốc là một thiết bị cơ điện kết hợp giữa động cơ điện và hộp giảm tốc, được thiết kế để giảm tốc độ quay của động cơ đồng thời tăng lực mô-men xoắn đầu ra. Đây là một thành phần quan trọng trong nhiều hệ thống tự động hóa và cơ khí, nơi cần sự kiểm soát chính xác về tốc độ và lực đẩy. Hình 2.21 : Động cơ giảm tốc 3v 2.8. Cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại (Tiếng Anh: Infrared Sensor hoặc viết tắt IR Sensor) là một thiết bị điện tử phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Khi vật thể phát ra nhiệt độ trên 35 độ C thì sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại con người không thể nhìn thấy được. Nguyên lý hoạt động : • Cảm biến hồng ngoại chủ động: Gồm 2 thành phần: nguồn phát hồng ngoại sử dụng một bóng đèn LED để phát ra tia sóng hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại. Khi gặp vật thể, tia hồng ngoại bật ngược lại và đi vào cảm biến hồng ngoại. Hình 2.22 : Nguyên lý hoạt động cẩm biến hồng ngoại • Cảm biến hồng ngoại thụ động: Đơn giản là cảm biến nhiệt điện, bộ lọc hồng ngoại và thấu kính Fresnel để phát hiện ra tia hồng ngoại phát ra từ vật thể. Hình 2.23 : Sơ đồ chân cảm biến hồng ngoại Thông số kỹ thuật • Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định • Điện áp làm việc: 3.3V – 5V DC. • Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng. • Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt. • Kích thước: 3.2cm * 1.4cm • Các mô-đun đã được so sánh điện áp ngưỡng thông qua chiết áp, nếu sử dụng ở chế độ thông thường, xin vui lòng không tự ý điều chỉnh chiết áp. CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 : Yêu câu hệ thống Để thực hiện đề tài "Hệ Thống phân loại sản phẩm bằng mã Barcode sử dụng Camera nhận diện" với việc sử dụng Arduino để điều khiển mô hình băng tải, hệ thống cần đáp ứng một số yêu cầu quan trọng sau:
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là một công cụ tự động hoặc bán tự động giúp nhận diện và phân loại hàng hóa dựa trên các đặc điểm như kích thước, trọng lượng, màu sắc và hình dạng, cũng như mã định danh như mã vạch hoặc RFID Hệ thống này thường được áp dụng trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất và trung tâm phân phối, nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình xử lý hàng hóa.
Cơ chế hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm thường bao gồm:
Hệ thống nhận diện sản phẩm sử dụng cảm biến, máy quét mã vạch, camera và các thiết bị khác để thu thập thông tin chi tiết về sản phẩm.
Dữ liệu từ thiết bị nhận diện được chuyển đến bộ điều khiển trung tâm như PLC hoặc máy tính, nơi thông tin này được phân tích để xác định loại sản phẩm dựa trên các tiêu chí đã được lập trình sẵn.
Hệ thống phân loại sản phẩm sẽ xử lý thông tin và điều khiển các thiết bị cơ khí như băng chuyền và cánh tay robot, giúp chuyển sản phẩm đến vị trí hoặc ngăn chứa phù hợp.
Hệ thống giám sát và đánh giá có khả năng theo dõi quá trình phân loại sản phẩm, đảm bảo tính chính xác trong việc phân loại Nếu phát hiện sai sót, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh để cải thiện hiệu suất.
Hệ thống phân loại sản phẩm tăng cường tự động hóa trong sản xuất, giảm thiểu sai sót do con người, đồng thời nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Hình 1.1 : Hệ thống phân loại sản phẩm trong nhà máy
Các hệ thống phân loại sản phẩm thông dụng hiện nay
Phân loại sản phẩm theo khối lượng :
Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng được áp dụng cho các ngành thực phẩm, thủy hải sản và nông sản, nhằm đảm bảo chất lượng và kích thước sản phẩm Phân loại này dựa trên khối lượng, sử dụng các thiết lập sẵn có để tối ưu hóa quy trình kiểm soát chất lượng.
Hình 1.2 : Hệ thống phân loại đùi gà theo khối lượng
Phân loại sản phẩm theo chiều cao :
Nguyên lý hoạt động của hệ thống là khi sản phẩm di chuyển đến vị trí đã được cài đặt các thiết bị cảm biến, hệ thống sẽ tự động phân loại sản phẩm theo các mức đã được quy định trước.
Hình 1.3 : Hệ thống phân loại kiện hàng theo chiều cao
Phân loại sản phẩm theo màu sắc :
Sử dụng công nghệ tiên tiến và camera để phân loại sản phẩm theo màu sắc, giải pháp này rất phù hợp cho ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu và nhiều lĩnh vực khác.
Hình 1.4 : Hệ thống phân loại cà chua
Phân loại sản phẩm theo mã vạch :
Phân loại theo mã vạch (Barcode) là một hệ thống phổ biến hiện nay, được sử dụng để phân loại các kiện hàng và bưu phẩm Hệ thống này giúp dán mã vạch barcode lên sản phẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý và theo dõi hàng hóa.
Hình 1.5 : Hệ thống phân loại theo Barcode code
LINH KIỆN CẤU THÀNH
Arduino Nano
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của board Arduino, lý tưởng cho các ứng dụng có kích thước hạn chế Board sử dụng vi điều khiển ATmega328P với tốc độ 16 MHz, bộ nhớ Flash 32 KB và SRAM 2 KB Nó được trang bị cổng USB để kết nối với máy tính, giúp tải chương trình và truyền dữ liệu Arduino Nano có thể được cấp điện từ nguồn USB hoặc nguồn bên ngoài qua đầu nối Với 30 chân kết nối bao gồm chân số, PWM, ADC, I2C, SPI và các chân ngoại vi khác, board còn có hai chân Reset và chân Crystal Nút nhấn trên board cho phép nạp chương trình dễ dàng, kèm theo đèn LED báo trạng thái Với kích thước nhỏ nhưng tính năng mạnh mẽ và sự hỗ trợ từ cộng đồng, Arduino Nano là lựa chọn hàng đầu cho các dự án nhỏ.
Bảng 2.1 : Đặc điểm kĩ thuật Arduino nano
Hình 2.2 : Sơ đồ chân Arduino Nano
Các chân 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16 hoạt động với điện áp tối đa 5V, mỗi chân có khả năng cung cấp hoặc nhận dòng điện lên đến 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Những chân này có thể được sử dụng như đầu vào hoặc đầu ra thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Ngoài chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này còn hỗ trợ một số chức năng bổ sung khác.
Chân 1 và 2 là chân nối tiếp, trong đó chân RX và TX được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL Hai chân này được kết nối với các chân tương ứng của chip chuyển đổi USB sang TTL.
Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14 là các chân PWM, mỗi chân cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit Tín hiệu PWM có thể được tạo ra thông qua hàm analogWrite().
Chân 5 và 6 của vi điều khiển có thể được sử dụng để cung cấp ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác Chúng cho phép kích hoạt các ngắt INT0 và INT1 thông qua hàm attachInterrupt() Các chân này hỗ trợ ba loại ngắt: ngắt khi giá trị thấp, ngắt khi tăng hoặc giảm mức, và ngắt khi có sự thay đổi giá trị.
Chân 13, 14, 15 và 16 hỗ trợ giao tiếp SPI, cho phép truyền dữ liệu đồng bộ thông qua SCK Mặc dù phần cứng có khả năng này, nhưng phần mềm Arduino không hỗ trợ trực tiếp Do đó, để sử dụng tính năng giao tiếp SPI, bạn cần áp dụng thư viện SPI trong lập trình.
Chân 16: Led o Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.
Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự o Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có
Bài viết đề cập đến 8 đầu vào tương tự (từ A0 đến A7), cho phép kết nối và xử lý 8 kênh đầu vào Mỗi chân tương tự được trang bị một ADC với độ phân giải 10 bit, cho phép giá trị đo lên đến 1024 Theo mặc định, các chân này đo điện áp từ 0V đến 5V, nhưng bạn có thể điều chỉnh điện áp tham chiếu từ 0V.
3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference () Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác.
Giao tiếp I2C yêu cầu chỉ hai chân: một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA), giúp tiết kiệm không gian và đơn giản hóa kết nối Trong khi đó, giao tiếp SPI có nhược điểm là cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị, không phù hợp cho truyền thông đường dài Để sử dụng I2C, cần nhập thư viện Wire Ngoài ra, chân 18 (AREF) cung cấp điện áp tham chiếu cho đầu vào trong quá trình chuyển đổi ADC.
Đèn LED
Hình 2.3 : Đèn led với các điện cực nằm trong vỏ nhựa
LED, viết tắt của Light Emitting Diode (Diode phát quang), là thiết bị bán dẫn có khả năng phát ra ánh sáng Ban đầu, LED chỉ được sử dụng làm đèn báo hiệu, nhưng hiện nay đã trở thành lựa chọn phổ biến cho chiếu sáng trong nhà, ngoài trời và trang trí.
Hình 2.4 : Kí hiệu đèn LED
Kí hiệu cho ta thấy các cực K và A của đèn led và hướng ánh sáng phát đi
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của đèn LED :
Mối nối PN là thành phần cơ bản của đèn LED, bao gồm một cực dương (cathode) và một cực âm (anode) ngăn cách bởi một tinh thể vật liệu bán dẫn Vật liệu bán dẫn này được thêm tạp chất để tạo ra các mối nối PN, và toàn bộ cấu trúc được bao bọc trong một vỏ nhựa có chức năng như thấu kính, giúp hướng ánh sáng phát ra ngoài.
Hình 2.5 : Cấu tạo đèn LED
Khi có điện áp được áp dụng lên các điện cực, dòng điện sẽ di chuyển từ anode (mặt P) đến cathode (mặt N) Khi một electron gặp một lỗ trống tại mối nối PN, nó sẽ chuyển sang trạng thái năng lượng thấp hơn Sự chênh lệch năng lượng giữa hai trạng thái này chính là đặc trưng của mối nối PN.
Hình 2.6 : Nguyên lý hoạt động của đèn LED
Năng lượng thừa của electron sẽ phát ra thành một photon Khoảng cách năng lượng càng cao thì độ dài sóng của ánh sáng phát ra càng ngắn.
Hình 2.7 : quang phổ bức xạ điện từ Các loại đèn led
LED xuyên lỗ (through hole led) :
Đèn LED có nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau, trong đó phổ biến nhất là các loại LED 3mm, 5mm và 8mm Chúng cũng có nhiều màu sắc đa dạng như đỏ, lục, vàng, xanh lá và trắng, phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng.
Hình 2.8 : Đèn led chân cắm
LED SMD có thể gắn dễ dàng trên PCB Loại này thường được phân biệt bằng kích thước Ví dụ LED SMD phổ biến nhất là 3528 và 5050.
Hình 2.9 : Đèn led chân dán LED 2 màu :
Đèn LED hai màu, như tên gọi, có khả năng phát ra hai màu sắc khác nhau Loại LED này thường có ba chân, trong đó hai chân là cực anode và một chân là cực cathode Màu sắc của đèn LED sẽ được kích hoạt dựa trên cấu hình của các chân kết nối.
LED RGB bao gồm 3 LED trên một chip đơn, cho phép tạo ra nhiều màu sắc khác nhau Kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) được sử dụng để kiểm soát độ sáng và màu sắc của LED RGB, mang lại khả năng hiển thị đa dạng và sống động.
LED công suất cao là loại LED có công suất vượt quá 1W, khác với các loại LED thông thường chỉ có công suất vài mW Đèn LED công suất cao nổi bật với độ sáng vượt trội và thường được ứng dụng trong các thiết bị như đèn pin, đèn pha ô tô và đèn pha.
Với công suất lớn, loại đèn LED này yêu cầu phải trang bị bộ phận làm mát và tản nhiệt Hơn nữa, nguồn điện cung cấp cho đèn LED này cần phải có công suất cao.
Hình 2.12 : Đèn led công suất cao
Điện trở
Điện trở (resistor) là linh kiện điện tử quan trọng giúp giới hạn và điều chỉnh dòng điện trong mạch điện tử Nó cũng được sử dụng để cung cấp điện áp mong muốn cho các thiết bị hoạt động, chẳng hạn như bóng bán dẫn Đơn vị đo của điện trở là Ohm (Ôm).
Công dụng của điện trở :
Điện trở trong mạch điện hoặc mạch điện tử có chức năng cản trở dòng điện, điều chỉnh hoặc thiết lập dòng điện qua nó bằng các vật chất dẫn điện Điện trở có thể được kết nối thành chuỗi để tạo thành mạng điện trở, hoạt động như bộ giảm điện áp, bộ chia điện áp hoặc bộ giới hạn dòng điện Là một thiết bị thụ động, điện trở không chứa hoặc khuếch đại điện áp mà chỉ giảm điện áp hoặc dòng điện, dẫn đến việc mất năng lượng điện dưới dạng nhiệt.
Để dòng điện có thể đi qua một điện trở, cần có sự chênh lệch điện áp giữa hai đầu của nó Sự chênh lệch này, hay còn gọi là hiệu điện thế, giúp cân bằng năng lượng bị mất trong mạch Trong các mạch điện một chiều, hiệu điện thế được đo trên các đầu cuối của điện trở khi dòng điện chạy qua.
Hầu hết các loại điện trở là thiết bị tuyến tính tạo ra sự sụt điện áp khi dòng điện chạy qua, tuân theo Định luật Ohm Các giá trị điện trở khác nhau dẫn đến các giá trị dòng điện hoặc điện áp khác nhau, rất hữu ích trong các mạch điện tử Để điều chỉnh dòng điện hoặc điện áp, chỉ cần điều chỉnh điện trở, từ đó có thể tạo ra bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện và ngược lại.
Điện trở có rất nhiều loại khác nhau, được sản xuất với nhiều hình thức nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể về đặc điểm và độ chính xác Chúng thường được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng như độ ổn định cao, điện áp cao, dòng điện lớn, hoặc cho các mục đích chung.
Một số đặc điểm chung của điện trở bao gồm hệ số nhiệt độ, hệ số điện áp, độ nhiễu, tần số đáp ứng, công suất, mức nhiệt độ, kích thước vật lý và độ tin cậy.
Điện trở thông thường chỉ có một giá trị cố định, chẳng hạn như 100Ω Trong khi đó, điện trở biến thiên (biến trở) cho phép điều chỉnh giá trị điện trở từ 0 đến giá trị tối đa của nó.
Trong sơ đồ mạch điện và điện tử, điện trở được biểu thị bằng hình “zig-zag” hoặc hình chữ nhật, với giá trị đo bằng đơn vị Ohm (Ω) Giá trị của điện trở có thể dao động từ dưới 1 ohm (10MΩ).
Module LM2596
Module LM2596 là mạch giảm áp có khả năng điều chỉnh dòng ra lên đến 3A, sử dụng IC nguồn tích hợp hoàn chỉnh.
- Điện áp đầu vào: 3,2V đến 46V DC
- Điện áp đầu ra: 1.25V đến 35V DC (tùy chỉnh được)
- Dòng điện đầu ra tối đa: 3A
- Hiệu suất chuyển đổi lên đến 92%
- Tần số chuyển đổi: 150kHz
- Bảo vệ quá tải và quá nhiệt
- Kích thước: 43mm x 21mm x 14mm.
Module L298N
L298N là một module điều khiển động cơ, thường được sử dụng cho xe DC và động cơ bước Nó bao gồm IC L298 để điều khiển động cơ và bộ điều chỉnh điện áp 5V 78M05 Module này có khả năng điều khiển tối đa 4 động cơ DC hoặc 2 động cơ DC, cho phép điều chỉnh hướng và tốc độ một cách linh hoạt.
Cấu hình sơ đồ chân L298N :
Hình 2.19 : Cấu hình chân Module L298N Bảng 2.1 : Chức năng chân Module L298N
Các chân IN1 và IN2 điều khiển hướng quay của động cơ A, trong khi IN3 và IN4 điều khiển hướng quay của động cơ B Chân ENA được sử dụng để kích hoạt tín hiệu PWM cho động cơ A.
VIB Kích hoạt tín hiệu PWM cho Động cơ B
OUT1 & OUT2 Chân đầu ra cho động cơ A
OUT3 & OUT4 Chân đầu ra cho Động cơ B
5V Cấp nguồn cho mạch logic bên trong IC L298N
GND Chân nối đất Đặc điểm và thông số kỹ thuật module L298 :
Chip điều khiển: Cặp H-Bridge L298N
Điện áp cấp cho động cơ (Tối đa): 46V
Dòng điện cấp động cơ (tối đa): 2A
Điện áp hoạt động của IC: 5-35V
Dòng điện hoạt động IC: 2A
Cảm biến dòng điện cho mỗi động cơ
Có tản nhiệt cho hiệu suất tốt hơn
Có đèn báo LED bật nguồn
Module điều khiển thay thế: TMC2209, DRV8825, A4988, L9110S, DRV8711
Động cơ Servor SG90
Động Cơ Servo SG90 là một loại động cơ phổ biến trong các mô hình điều khiển nhỏ như cánh tay robot, nhờ vào tốc độ phản ứng nhanh Động cơ này được tích hợp sẵn Driver điều khiển, giúp dễ dàng điều chỉnh góc quay thông qua phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Hình 2.20 : Động cơ Servo SG90Thông Số Kỹ Thuật Động Cơ Servo SG90 :
Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
Động cơ giảm tốc 3v
Động cơ giảm tốc là thiết bị cơ điện kết hợp giữa động cơ điện và hộp giảm tốc, nhằm giảm tốc độ quay và tăng lực mô-men xoắn đầu ra Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa và cơ khí, nơi yêu cầu kiểm soát chính xác về tốc độ và lực đẩy.
Hình 2.21 : Động cơ giảm tốc 3v
Cảm biến hồng ngoại (Infrared Sensor hay IR Sensor) là thiết bị điện tử có khả năng phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại từ môi trường xung quanh Khi một vật thể có nhiệt độ trên 35 độ C, nó sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại mà mắt người không thể nhìn thấy.
Cảm biến hồng ngoại chủ động bao gồm hai thành phần chính: một nguồn phát hồng ngoại sử dụng bóng đèn LED để phát ra tia sóng hồng ngoại và một cảm biến hồng ngoại Khi tia hồng ngoại gặp vật thể, nó sẽ phản xạ trở lại và đi vào cảm biến hồng ngoại, cho phép phát hiện sự hiện diện của đối tượng.
Hình 2.22 : Nguyên lý hoạt động cẩm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại thụ động là thiết bị sử dụng nhiệt điện, bộ lọc hồng ngoại và thấu kính Fresnel để phát hiện tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể.
Hình 2.23 : Sơ đồ chân cảm biến hồng ngoại
Bộ so sánh sử dụng LM393, làm việc ổn định
Điện áp làm việc: 3.3V – 5V DC.
Khi bật nguồn, đèn báo nguồn màu đỏ sáng.
Lỗ vít 3 mm, dễ dàng cố định, lắp đặt.
Các mô-đun đã được so sánh điện áp ngưỡng qua chiết áp Khi sử dụng ở chế độ thông thường, xin vui lòng không tự ý điều chỉnh chiết áp để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Thiết kế hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống
Khối nguồn : Khối giúp cung cấp nguồn điện 5 volt cho khối Arduino và tất cả các khối khác
Khối cảm biến : Thu nhận các thông tin của vật khi chạy trên băng tải
Khối Arduino : Nhận tín hiệu từ Khối C# winform để điều khiển băng tải và các cơ cấu chấp hành khác
Khối chấp hành : Khối gồm các thiết bị như băng tải , động cơ Servo,
Khối C# Winform : Phân tích dữ liệu hình ảnh và truyền tín hiệu có mã Barcode tới khối Arduino
3.2.2 Lưu đồ thuật toán phần Arduino
Hình 3.2 : Lưu đồ thuật toán Arduino
3.2.3 Lưu đồ thuật toán phần c#
Hình 3.3a : Lưu đồ thuật toán C# Winform
Hình 3.3b : Lưu đồ thuật toán C# Winform
3.2.4.Thiết kế sơ đồ nguyên lý
Hình 3.4 : Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.5 : Mạch PCB của hệ thống
Hình 3.6 : Phần mền được thiết kế trên C# winform
Hoàn thiện hệ thống
Hình 3.7 : Phần mền được viết trên C# winform đang chạy ổn định
Hình 3.8 : Địch dạng dữ liệu được lưu lại trong file có dạng text
Hình 3.9 : Hệ thống băng tải phân loại sản phẩm đang hoạt động
