Đồ án Thiết Kế Hệ Thống

Dùng cảm biến khối lượng là loadcell để cân hạnh/ tắc/ quốc. Sau đó dùng arduino uno r3 để xử lý tín hiệu, điều khiển 2 động cơ servo rc để gạt hạnh vào băng chuyền rồi vào mán phân loại. Số hạnh phân loại được sẽ được đưa lên Iot nhờ esp8266 we mode mcu R1 mini. Dùng MQTT để kết nối với điện thoại và cả máy tính.

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU 3

1 Đặt vấn đề 3

2 Ý tưởng 3

3 Mục tiêu 3

4 Phương pháp thực hiện 4

II THIẾT KẾ CƠ KHÍ 4

1 Cấu trúc toàn hệ thống 4

2 Băng chuyền 5

3 Chi tiết cân, gá động cơ và phân loại 6

III MẠCH ĐIỆN 8

1 Tổng quát mạch điện 8

2 Bộ điều khiển 8

2.1 Arduino UNO R3[2] 8

2.2 WeMos D1 Mini ESP8266[2] 10

2.3 Mạch điều khiển động cơ DC L298[2] 11

2.4 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711[2] 12

2.5 Cảm biến ánh sáng quang trở DCS.[2] 13

2.6 Loadcell [2] 14

2.7 Động cơ DC và DC servo SG90 [1] và [2] 14

IV Phần mềm 16

1 Arduino 16

2 IoT 16

2.1 Thiết lập tài khoảng [3] 16

2.2 Cài đặc ứng dụng 17

V KẾT QUẢ 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

PHỤ LỤC 21

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1: Thiết kế cơ khí tổng thể của hệ thống 4

Hình 2: bảng vẽ chi tiết cơ cấu hệ thống 5

Hình 3: Băng chuyền trước khi cân 5

Hình 4: Băng chuyền sau khi cân 6

Hình 5: Đế cân Loadcell và cần gạt 6

Hình 7: Cần gạt phân loại theo khối lượng 7

Hình 8: Tổng quát mạch điện 8

Hình 9: Arduino Uno 8

Hình 10: WeMos D1 Mini ESP8266 10

Hình 11: Sơ đồ chân của WeMos D1 Mini ESP8266 11

Hình 12: Mạch điều khiển động cơ DC LM298 11

Hình 13: Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711 12

Hình 14: Sơ đồ kết nối với cảm biến Loadcell 200g 13

Hình 15: Cảm biến ánh sáng quang trở DCS 13

Hình 16: Cảm biến lực Loadcell 200g 14

Hình 18: Động cơ DC servo SG90[1] 15

Hình 19: Thông số tài khoản 17

Hình 20: Ứng dụng 17

Hình 21: User 17

Hình 22: Giao diện on/ off 18

Hình 23: Thiết lập thông số cho on/off 18

Hình 24: Giao diện đếm trái 19

Hình 25: Thiết lập cho hiễn thị 19

Hình 26: Toàn bộ hệ thống thực tế 20

MỤC LỤC BẢNG Bảng 1: Sơ đồ chân Arduino Uno 9

Bảng 2: Sơ đồ chân modul quang trở 13

Tự động điều khiển, giám sát các công đoạn của quá trình sản xuất nói chung

và khâu phân loại sản phẩm theo khối lượng trong việc thu mua các mặt hàng nông sản là một giải pháp ưu tiên hàng đầu được lựa chọn phân loại giá trị của các mặt hàng nông sản để gia tăng khả năng cạnh tranh sản phẩm của các doanh nghiệp trong quá trình hội nhập

Hiện nay, tại một số cơ sở sản xuất việc định lượng và phân loại sản phẩm còn thực hiện theo phương pháp thủ công, một số cơ sở được trang bị thiết bị tự động ngoại nhập có giá thành cao không phù hợp đối với từng loại sản nông sản cụ thể Do

đó vấn đề tiếp cận làm chủ tự thiết kế, chế tạo các hệ thống điều khiển và giám sát tự động quá trình phân loại nông sản là cần thiết và mang tính thực tiễn

Từ những nhu cầu trên nhóm chúng em đã thiết kế và làm ra một hệ thống tự động phân loại hạnh theo khối lượng và được giám sát bằng hệ thống IoT( Internet

of things)

2 Ý tưởng

Sử dụng cảm biến loadcell 200g để thiết kế ra một chiếc cân tự động Khi băng chuyền đưa hạnh lên cân sau đó tùy theo các mức khối lượng đã được quy định trước sau đó sẽ đưa tới băng chuyền tiếp tục hành trình Song song với đó động cơ servo sẽ được điều khiển quay tới một góc nhất định tùy vào khốii lượng mà sẽ đưa trái hạnh

đã được cân tới đúng rãnh đã được phân loại để chia những trái hạnh có khối khác nhau ra những rãnh khác nhau Sau đó sử dụng WeMos D1 Mini ESP8266 đưa số liệu là số lượng các trái hạnh có khối lượng khác nhau lên mạng để quan lí số lượng của hạnh theo từng mức khối lượng

3 Mục tiêu

• Thiết kế được mô hình cơ khí để phân loại được trái hạnh, mô hình gọn nhe hoạt động hiệu quả

• Viết code arduino điều khiển hệ thống phân loại hạnh theo khối lượng

• Hệ thống hoạt động ổn định, người dùng có thể thao tác kết nối, sử dụng dễ dàng

• Giúp người sử dụng tiết kiệm chi phí nếu như mua các thiết bị khá đắt trên thị trường

• Phân loại được khối lượng theo yêu cầu

• Thu thập số liệu và chuyền thông được lên mạng

• Phân loại được 3 mức khối lượng khác nhau

• Áp dụng hệ thống vào thực tế sản xuất

• Áp dụng kiến thức IOT để thực hiện đồ án

• Tạo cảm hứng, niềm đam mê, thể hiện khả năng ham học hỏi tiếp thu hội nhập với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 phát triển trong tương lai mà ở đây là công nghệ IoT

4 Phương pháp thực hiện

• Tìm hiểu về cảm biến loadcell sử dụng cân sản phẩm

• Tìm hiểu về quang trở và tham khảo các cơ cấu phân loại nông sản theo khối lượng ngoài thực tế

• Thiết kế và thi công cơ khí cơ cấu phân loại sản phẩm theo khối lượng hạnh

• Lập trình viết code Arduino điều khiển hệ thống phân loại hạnh

• Sử dụng IoT chuyền thông dữ liệu của các cảm biến lên trên áp đươc viết sẵn (cụ thể là số lượng hạnh phân chia theo từng loại)

II THIẾT KẾ CƠ KHÍ

1 Cấu trúc toàn hệ thống

Hệ thống phân loại trái Hạnh theo khối lượng dựa trên cấu trúc của một hệ thống băng chuyền trong công nghiệp, hệ thống gồm có: 2 băng chuyền, 1 hộp chứa hạnh, đế cân loadcell, 2 cần gạt, 3 máng phân chia tương ứng với 3 khoảng khối lượng khác nhau, 2 động cơ DC mini để chạy băng tải, 2 động cơ servo để khởi động cần gạt, hệ thống được thiết kế đơn giản nhỏ gọn, dễ tháo lắp trong quá trình lắp đặt Đặt biệt để thuận tiện trong quá trình lắp đặt thử nghệm nhóm đã áp dụng công nghệ in 3D để in hầu hết tất cả các chi tiết cơ cấu bằng nhựa PLA 1.75mm Do đặc điểm về cấu tạo, kích thước, khoảng đo, loại động cơ nên hệ thống chỉ phù hợp cho các sản phẩm phân loại có kích thước nhỏ, với thiết kế này giúp tiết kiệm tối đa thời gian phân loại sản phẩm, sản phẩm được phân loại nhanh mà vẫn đảm bảo được tính ổn định và độ chính xác trong quá trình làm việc

Hình 1: Thiết kế cơ khí tổng thể của hệ thống

Hình 2: bảng vẽ chi tiết cơ cấu hệ thống

2 Băng chuyền

Băng chuyền phải đảm bảo độ cứng vững và cân bằng trong suốt trạng thái nghỉ và trạng thái làm việc Kích thước băng chuyền: Băng chuyền trước cân là 15 x 3.8 (cm), băng chuyền sau khi cân là 20 x 3.6(cm), ngoài ra một số chi tiết làm vành khung nhóm cũng tận dụng những miếng nhựa có sẵn

Hình 3: Băng chuyền trước khi cân

Hình 4: Băng chuyền sau khi cân

3 Chi tiết cân, gá động cơ và phân loại

Tiếp tục thực hiện nối tiếp các cơ cấu trên để phân loại sản phẩm các chi tiết

Đế cân, máng phân loại khối lượng, cơ cấu cần gạt, gá động cơ điều được in bằng nhựa PLA, với kích thước nhỏ gọt, bền chặt để giữ ổn định trong suốt quá trình làm việc

• Đế cân Loadcell có dạng hình chữ nhật với kích thước 4 x 5(cm) được gắn với cần gạt (dài 5cm) phía dưới được gắn động cơ Servo DC

Hình 5: Đế cân Loadcell và cần gạt

• Chi tiết máng phân loại theo khối lượng: Kích thước 10 x 10(cm), gồm có 3 ngăn với kích thước rộng lần lượt là 4cm, 3cm, 2cm

Hình 6: Máng phân loại khối lượng

• Cần gạt phân loại theo khối lượng dài 5cm và đế gá động cơ Servo DC

Hình 7: Cần gạt phân loại theo khối lượng

Hình 9: Arduino Uno

Mạch Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chì có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up được cài đặt ngay trong vi điều khiển Atmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) - Một số chân đặc biệt: + 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit-TX) và nhận (receiveRX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết

nối Bluetooth thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây + Chân PWM (~): 3,5,6,9,10,11 cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0→28-1 tương ứng với 0v→ 5V) ằng hàm analogWrite() Có thể điều chỉnh được điện áp ra

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

Arduino UNO Broad có 6 chân analog (A0→ 𝐴5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0→ 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V→ 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Bảng 1: Sơ đồ chân Arduino Uno

Vi điều khiển Atmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA

Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng

bởi bootloader

2.2 WeMos D1 Mini ESP8266[2]

Hình 10: WeMos D1 Mini ESP8266 Khái niệm chung

• WeMos D1 Mini là board mạch được phát triển dựa trên Module 12S, là thiết bị nhỏ gọn được tích hợp Wifi để dễ dàng kết thực hiện các ứng dụng thu thập dữ liệu và điều khiển thiết bị thông qua Wifi

Esp8266-• WeMos D1 Mini được hỗ trợ để nạp trực tiếp thông qua USB mà không cần thực hiện các thao tác thủ công (sử dụng nút nhấn reset và flash) như NodeMCU nhằm đơn giản hóa quá trình làm việc với board mạch

• Giao tiếp: Cable Micro USB

• Nguồn áp: 5V được cung cấp qua cổng Micro USB

Hình 11: Sơ đồ chân của WeMos D1 Mini ESP8266

2.3 Mạch điều khiển động cơ DC L298[2]

Hình 12: Mạch điều khiển động cơ DC LM298

Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC) Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựa chọn tối ưu trong tầm giá

Thông số kỹ thuật:

• IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver

• Điện áp đầu vào: 5~30VDC

• Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất bằng dòng điện nhân điện áp nên

áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W)

• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

• Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

• Kích thước: 43x43x27mm

2.4 Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711[2]

Hình 13: Mạch chuyển đổi ADC 24bit Loadcell HX711

Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giao tiếp 2 dây (clock và data) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển / arduino

Thông số kỹ thuật:

• Điện áp hoạt động: 2.7 - 5V

• Dòng tiêu thụ: < 1.5 mA

• Tốc độ lấy mẫu: 10 - 80 SPS tùy chỉnh

• Độ phân giải 24bit ADC

• Độ phân giải điện áp: 40mV

• Kích thước: 38 x 21 x 10 mm

Hình 14: Sơ đồ kết nối với cảm biến Loadcell 200g

2.5 Cảm biến ánh sáng quang trở DCS.[2]

Cảm biến ánh sáng quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức tín hiệu giúp cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết hay bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường

• Nguồn: 3.3 -> 5VDC

• Sử dụng quang trở CDS

• Kích thước nhỏ gọn: 36x16mm

• Xuất tín hiệu Digital rất dễ sử dụng

Bảng 2: Sơ đồ chân modul quang trở

D0 Ngõ ra tín hiệu Digital

Hình 15: Cảm biến ánh sáng quang trở DCS

Đề tài sử dụng cảm biến ánh sáng DCS để nhận biết có quả hạnh đi qua

nhằm kích cho cần gạt loadcell gạt về bên trái để cân quả hạnh đồng thời kích cho băng chuyền ngừng lại sau khi thao tác cân đã hoàn tất

• Dây đỏ: Ngõ vào (E+)

• Dây đen: Ngõ vào (E-)

• Dây xanh lá: Ngõ ra (A+)

• Dây trắng: Ngõ ra (A-)

2.7 Động cơ DC và DC servo SG90 [1] và [2]

Hình 17: Động cơ DC có hộp giảm tốc

Động cơ DC giảm tốc V1 là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các thiết kế Robot đơn giản Động cơ DC giảm tốc V1 có chất lượng và giá thành vừa phải cùng với khả năng dễ lắp ráp của nó đem đến chi phí tiết kiệm và sự tiện dụng cho người sử dụng, các bạn khi mua động cơ giàm tốc V1 có thể mua thêm gá bắt động cơ vào thân Robot cũng như bánh xe tương thích

IV Phần mềm

1 Arduino

Lưu đồ hệ thống:

• Khi nhấn nút khởi động, esp8266 sẽ xuất tín hiệu điều khiển xuống Uno

• Khi nhận được điều khiển thì 2 động cơ kéo băng chuyền sẽ hoạt động

• Vật cản che đi tin hiệu cấp cho quang trở thì băng chuyền 1 sẽ dừng lại

• Hoàn thành quá trình cân, cần gạt 1 sẽ đẩy hạnh xuống băng chuyền 2 đồng thời cần gạt 2 sẽ di chuyển đến vị trí tương ứng

• Kết thúc quá trình thì 2 cần gạt trở về trạng thái khởi động, băng chuyền 1 hoạt động

2 IoT

2.1 Thiết lập tài khoảng [3]

Đầu tiên cần tạo tài khoản trên https://customer.cloudmqtt.com/instance# Bởi vì trang web trên cung cấp server ảo giúp chúng ta tương thích với ứng dụng MQTT trên điện thoại

Khi tạo xong tài khoản sẽ được các thông số như hình 19:

Hình 19: Thông số tài khoản

• Nút nhấn on/off trong tab Publish

Hình 22: Giao diện on/ off

Hình 23: Thiết lập thông số cho on/off

• Topic: on/off là “chay”

• Mục hiển thị giá trị đếm được trong tab Subscribe:

Hình 24: Giao diện đếm trái

Hình 25: Thiết lập cho hiễn thị

• Topic: Trái lớn là “lon”, Trái vừa là “vua”, Trái nhỏ là “nho”

• Hệ thống hoạt động ở mức độ tương đối

• Hạn chế về các sản phẩm cân được do trở ngại về mặt cơ khí

• Hệ thống hoạt động chưa ổn định vì mạch cầu H L298N chưa ổn đinh

Hướng phát triển:

• Khép kính hoàn toàn hệ thống

• Đa dạng được các sản phẩm phân loại

• Nâng cao hiệu suất, hiệu quả hoạt động của toàn hệ thống

TÀI LIỆU THAM KHẢO

- [1] Huỳnh Nguyễn Minh Nhựt, Nguyễn Minh Thế, Trần Văn Lực,

Nguyễn Thành Nhật, Phan Quốc Thắng Thiết kế hệ thống cơ điện tử

#define digital 5 // cam bien vat can

#define IN1 7 //chân dong co dc 1

#define IN2 6 //chân dong co dc 1

#define IN3 10 //chân dong co dc 2

#define IN4 11 //chân dong co dc 2

Servo servo_9; // dong co servo

Servo servo_8; // dong co servo

HX711 scale(A1, A0); // chan loadcell

float a ; // bien gan don vi la gram

int b; // cam bien vat can

int button = 4; // on off

void motor_1_Tien(int speed) { //speed: t? 0 - MAX_SPEED

speed = constrain(speed, MIN_SPEED, MAX_SPEED);//d?m báo giá tr? n?m trong m?t kho?ng t? 0 - MAX_SPEED - http://arduino.vn/reference/constrain

digitalWrite(IN1, HIGH);// chân này không có PWM

a=scale.get_units(); // can/ gia tri gram

Code ESP8266 kết nối IoT cho hệ thống: