Đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hệ thống đếm và phân loại sản phẩm bằng màu sắc sử dụng Arduino và cảm biến màu sắc TCS3200. Sản phẩm chạy trên băng chuyền và được đếm nhận diện màu sau đ1o đưa đến đúng vị trí màu sắc của nó.Có đính kèm code mẫu trong file

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN 1

ĐỀ TÀI: ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông

Sinh viên: LÊ QUANG PHÚC

THÔNG TIN ĐỒ ÁN 1

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên sinh viên: LÊ QUANG PHÚC

2 Thông tin đề tài

- Tên của đề tài: Đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc

- Đơn vị quản lý: Bộ môn Kỹ Thuật Máy Tính - Viễn Thông, Khoa Điện Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

- Thời gian thực hiện: 15 tuần

3 Lời cam đoan của sinh viên

Chúng tôi – Lê Quang Phúc và Trần Thanh Duy cam đoan đồ án này là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của tiến sĩ Phạm Ngọc Sơn Kết quả công bố

trong bản báo cáo là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác

Tp.HCM, ngày 18 tháng 6 năm 2018

SV thực hiện đồ án

Xác nhận của Bộ Môn Tp.HCM, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án này, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp

ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô và bạn bè

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS PHẠM NGỌC SƠN, người đã hướng dẫn tận tình, giúp đỡ chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đồ án

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật nói chung, các thầy cô khoa Điện – Điện tử nói riêng đã cung cấp cho chúng tôi những kiến thức đại cương và chuyên ngành bổ ich, giúp chúng tôi có được cơ sở

lý thuyết vững vàng để vận dụng vào đồ án này

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ và động viên chúng tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án

TP.HCM, ngày tháng năm 20 Sinh viên thực hiện

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1: Arduino Nano 3

Hình 2 2: Động cơ Servo MG995 5

Hình 2 3: Hoạt động của Servo [4] 6

Hình 2 4: Cảm biến màu sắc TCS3200 7

Hình 2 5: Cấu tạo TCS3200 [5] 7

Hình 2 6: Lọc màu 8

Hình 2 7: Module L298 11

Hình 2 8: Sơ đồ chân L298 12

Hình 2 9: LCD 16x2 14

Hình 2 10: Sơ đồ chân LCD 14

Hình 2 11: Mặt sau của LCD 16

Hình 2 12: Sơ đồ khối của bộ điều khiển LCD 16

Hình 2 13: Module LCD I2C 18

Hình 3 1: Sơ đồ khối mạch đếm và phân loại sản phẩm 19

Hình 3 2: Sơ đồ kết nối Arduino với các cảm biến 20

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến màu sắc TCS3200 20

Hình 3 4: Sơ đồ nguyên lý LCD 21

Hình 3 5: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 21

Hình 3 6: Lưu đồ 22

Hình 3 7: Mô hình băng tải 23

Hình 3 8: Mạch giao tiếp các module với Arduino 24

Hình 3 9: Mạch hiển thị thông tin trên LCD 24

Hình 3 10: Mạch cảm biến màu sắc 25

Hình 3 11: Mạch cảm biến hồng ngoại 25

Hình 3 12: Mạch nguồn cung cấp 26

Hình 3 13: Mô hình đang hoạt động 26

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Thông số của Arduino Nano [1] 4

Bảng 2 2: Thông số kỹ thuật của động cơ servo MG995 [2] 5

Bảng 2 3: Lựa chọn 4 loại photodiode thông qua S2,S3 8

Bảng 2 4: Tần số đầu ra[8] 9

Bảng 2 5: Thông số kỹ thuật của cảm biến hồng ngoại [9] 10

Bảng 2 6: Thông số kỹ thuật L298 [11] 11

Bảng 2 7: Chức năng các chân L298 [12] 13

Bảng 2 8: Chức năng các chân LCD [13] 15

MỤC LỤC

THÔNG TIN ĐỒ ÁN 1 i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ii

LỜI CẢM ƠN iii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v

MỤC LỤC vi

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 1

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

1.4 PHẠM VI GIỚI HẠN 2

CHƯƠNG 2 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 ARDUINO NANO 3

2.1.1 Sơ lược về Arduino Nano 3

2.1.2 Một vài thông số của Arduiono Nano 3

2.1.3 Cổng kết nối với Arduino Nano 4

2.2 ĐỘNG CƠ SERVO 4

2.2.1 Sơ lược về động cơ Servo 4

2.2.2 Thông số kỹ thuật 5

2.2.3 Hoạt động 5

2.2.4 Các giới hạn quay 6

2.3 CẢM BIẾN MÀU SẮC TCS3200 6

2.3.1 Sơ lược về TCS3200 6

2.3.2 Cấu tạo, thông số kỹ thuật 7

2.3.3 Nguyên lý hoạt động 9

2.4 MODULE CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 10

2.4.1 Thông số kỹ thuật 10

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 10

2.5 MODULE L298 10

2.5.1 Sơ lược về L298 10

2.5.2 Thông số kỹ thuật 11

2.5.3 Sơ đồ và chức năng các chân 11

2.6 LCD 13

2.6.1 Sơ lược về LCD 13

2.6.2 Sơ đồ và chức năng các chân của LCD 14

2.6.3 Bộ điều khiển LCD và các vùng nhớ 16

2.7 MODULE LCD I2C 17

2.7.1 Sơ lược về module LCD I2C 17

2.7.2. Thông số kỹ thuật [] 18

CHƯƠNG 3 19

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 19

3.1 SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG 19

3.1.1 Sơ đồ khối 19

3.1.2 Chức năng các khối 19

3.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 20

3.2.1 Sơ đồ kết nối Arduino với các cảm biến 20

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến màu sắc TCS3200 20

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý LCD 20

3.2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 21

3.3 LƯU ĐỒ 22

3.4 MÔ HÌNH SẢN PHẨM 23

KẾT LUẬN 28

4.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 28

4.1.1 Kết quả đạt được 28

4.1.2 Hạn chế 28

4.1.3 Hướng phát triển 28

4.2 KẾT LUẬN 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Để phân loại sản phẩm có rất nhiều phương pháp, tuy nhiên hiện nay phương pháp

sử dụng màu sắc chưa được ứng dụng nhiều và hiệu quả

Trước thực tiễn đó, chúng tôi đã quyết định chọn đề tài “Đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc” để nghiên cứu và thực hiện

1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Hiện nay việc phân loại sản phẩm vẫn còn thực hiện thủ công bởi con người, dẫn đến quá trình sản xuất bị trì trệ và năng suất lao động không cao, không bắt kịp với

xu thế phát triển và đáp ứng được nhu cầu sản xuất trong nước và trên thị trường quốc

tế Với mong muốn đưa ra giải pháp nhằm khắc phục những nhược điểm trên, chúng tôi xin thực hiện đề tài “Đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc” nhằm cải thiện quá trình sản suất sao cho giảm được chi phí nhân công, tăng năng suất mà vẫn đảm bảo được chất lượng và giá thành sản phẩm để có thể cạnh tranh trên thị trường

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Chúng tôi nghiên cứu đề tài này nhằm mục đích vận dụng những công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến vào trong quá trình sản xuất nhằm giảm thiểu sức lao động của con người và nâng cao năng suất trong sản xuất công nghiệp

Mặt khác, thông qua việc thực hiện đề tài này chúng tôi có thể củng cố lại kiến thức và vận dụng những kiến thức lý thuyết đã học vào thực tế, phát triển khả năng tư duy nhằm nâng cao năng lực bản thân để có thể đóng góp nhiều hơn cho nền công nghiệp nước nhà

1.4 PHẠM VI GIỚI HẠN

Trong phạm vi đồ án này, tôi xin trình bày sơ lược về cấu tạo cũng như nguyên

lý hoạt động của Mô hình đếm và phân loại sản phẩm bằng màu sắc sử dụng Arduino Nano, động cơ servo, cảm biến màu sắc TCS3200, module cảm biến hồng ngoại

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ARDUINO NANO

2.1.1 Sơ lược về Arduino Nano

Khi tiếp xúc với Arduino Nano đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính (như Arduino Uno R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ(1.85cm x 4.3cm), giá thành rẻ hơn Arduino Uno nhưng dùng được tất cả các thư viện của mạch này

Hình 2 1: Arduino Nano

2.1.2 Một vài thông số của Arduiono Nano

Vi Điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC

Tần số hoạt động 16MHz

Dòng tiêu thụ 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 PWM)

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi

bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Kích thước 1.85cm x 4.3cm

Bảng 2 1: Thông số của Arduino Nano [1]

Các thông số kĩ thuật của Arduino Nano hầu như giống hoàn Arduino Uno R3, vì vậy các thư viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Arduino Uno

2.1.3 Cổng kết nối với Arduino Nano

Khác với Arduino Nano sử dụng cổng USB Type B, Nano lại sử dụng một cổng nhỏ hơn có tên là mini USB Vì sử dụng cổng này nên kích thước board (về chiều cao) cũng giảm đi khá nhiều, ngoài ra chúng ta có thể lập trình thẳng trực tiếp cho Nano từ máy tính

2.2 ĐỘNG CƠ SERVO

2.2.1 Sơ lược về động cơ Servo

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu

ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc

và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa

[1] Nguyễn Quốc An (2017) Robot dò line điều khiển qua điện thoại, Đồ án tốt nghiệp, Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu

đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động

cơ đạt được điểm chính xác

Hình 2 2: Động cơ Servo MG995

2.2.2 Thông số kỹ thuật

Khối lượng 55g Kích thước 40.7 x 19.7 x 42.9mm Momen xoắn tại nguồn 4.8V 13kg/cm

Momen xoắn tại nguồn 6V 15kg/cm

[2] Động cơ servo MG995, < http://mohinhrobot.com/robot/dong-co-servo-mg995>, 17/6/2018

60 xung/giây Nếu số này qua thấp, độ chính xác và công suất để duy trì servo sẽ giảm.[3]

Với độ dài xung 1 ms, servo được điều khiển quay theo một chiều (giả sử là chiều kim đồng hồ như Hình 2.3)

Hình 2 3: Hoạt động của Servo [4]

Với độ dài xung xung 2 ms, servo quay theo chiều ngược lại Kỹ thuật này còn được gọi là tỉ lệ số – chuyển động của servo tỉ lệ với tín hiệu số điều khiển

2.2.4 Các giới hạn quay

Các servo khác nhau ở góc quay được với cùng tín hiệu 1 – 2 ms (hoặc bất kỳ) được cung cấp Nếu ta cố điều khiển servo vượt quá những giới hạn cơ học của nó, hiện tượng này kéo dài hơn vài giây sẽ làm bánh răng của động cơ bị phá hủy

[3] Động cơ servo MG995, < http://mohinhrobot.com/robot/dong-co-servo-mg995>, 17/6/2018

[4] Động cơ servo MG995, < http://mohinhrobot.com/robot/dong-co-servo-mg995>, 17/6/2018

thời chuyển đổi cường độ của các ánh sáng này sang tần số tương ứng (tần số ánh sáng tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng) tất cả được tích hợp trên một chip đơn

Khối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode Bao gồm 16 photodiode

có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue), 16 photodiode có thể lọc màu đỏ (Red), 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (Green) và 16 photodiode không lọc (Clear) Tất

[5] Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200, moudule-cam-bien-mau-sac-tcs3200.html>, 3/5/2018

<http://mlab.vn/21025-huong-dan-su-dung-cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau và được đặt xen kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu.[6]

Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có màu sắc khác nhau Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác nhau

Bảng 2 3: Lựa chọn 4 loại photodiode thông qua S2,S37

Khối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số:

S0 S1 Output Frequency Scaling

❖ Thông số kỹ thuật: [9]

- Điện áp cung cấp: (2.7V đến 5.5V)

- Chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độ phân giải cao

- Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra

- Điện năng tiêu thụ thấp Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển

2.3.3 Nguyên lý hoạt động

Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng

Ví dụ: Một vật thể có màu sắc đỏ khi được chiếu vào ánh sáng trắng thì những ánh sáng không nằm trong dải bước sóng màu đỏ sẽ bị hấp thụ Còn ánh sáng có bước sóng nằm trong dải màu đỏ sẽ bị phản xạ ngược lại khiến mắt ta nhận biết vật thể đó

<http://mlab.vn/21025-huong-dan-su-dung-2.4 MODULE CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

H – khi không có vật cản Khoảng cách phát hiện 2cm – 30cm (điều chỉnh bằng biến

trờ) Kích thước 4.5cm (L) x 1.4 cm (W), 0.7cm (H)

Bảng 2 5: Thông số kỹ thuật của cảm biến hồng ngoại [10]

Module cảm biến hồng ngoại có một led phát hồng ngoại và một led thu, led phát sẽ phát ra ánh sáng có tần số hồng ngoại, khi phát hiện vật cản tín hiệu đầu ra OUT ở mức thấp và đèn led sáng Có thể điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở

2.5 MODULE L298

2.5.1 Sơ lược về L298

IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15)

và PowerSO20 (linh kiện dán công suất) Là IC mạch cầu đôi có khả năng hoạt động

ở điện thế cao, dòng cao Nó có 2 chân enable để cho phép hoặc không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào Cực phát (emitter) của transistor dưới

[10] Phu Nguyen Đồ án tốt nghiệp, <http://www.academia.edu>, 3/5/2018

của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện thể thấp hơn

Hình 2 7: Module L298

2.5.2 Thông số kỹ thuật

Driver L298 tích hợp hai mạch cầu H

Điện áp điều khiển +5V ~ +12 V

Dòng tối đa cho mỗi cầu H 2A

Điện áp của tín hiệu điều khiển +5 V ~ +7 V

Dòng của tín hiệu điều khiển 0 ~ 36mA

Công suất hao phí 20W (khi nhiệt độ T = 75 °C)

Hình 2 8: Sơ đồ chân L298

❖ Chức năng các chân:

MW15 PowerSO20 Tên Chức năng

1;15 2;19 Sense A; Sense B Nối chân này qua điện trở

cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải

2;3 4;5 Out 1; Out 2 Ngõ ra của cầu A Dòng

của tải mắc giữa hai chân này được qui định bởi chân 1

4 6 VS Chân cấp nguồn cho tầng

công suất Cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này

và chân GND 5;7 7;9 Input 1; Input 2 Chân ngõ vào của cầu A,

tương thích chuẩn TTL

6;11 8;14 Enable A; Enable B Chân ngõ vào enable (cho

phép) tương thích chuẩn TTL Mức thấp ở chân này sẽ cấm (disable) ngõ

ra cầu A (đối với chân EnableA) và/hoặc cầu B (đối với chân EnableB)

8 1;10;11;20 GND Chân đất (Ground)

9 12 VSS Chân cấp nguồn cho khối

logic Cần có tụ điện 100nF nối giữa chân này với GND

10;12 13;15 Input 3; Input 4 Các chân logic ngõ vào

của cầu B 13;14 16;17 Out 3; Out 4 Ngõ ra của cầu B Dòng

của tải mắc giữa hai chân này được qui định bởi chân 15

LCD có rất nhiều dạng phân biệt theo kích thước từ vài kí tự đến hàng chục kí

tự, từ 1 hàng đến vài chục hàng Ví dụ LCD 16×2 có nghĩa là có 2 hàng, mỗi hàng

có 16 kí tự

Hình 2 9: LCD 16x2

2.6.2 Sơ đồ và chức năng các chân của LCD

LCD có nhiều loại và số chân của chúng cũng khác nhau nhưng có 2 loại phổ biến

là loại 14 chân và loại 16 chân Sự khác nhau là các chân nguồn cung cấp cho đèn nền, còn các chân điều khiển thì không thay đổi

Hình 2 10: Sơ đồ chân LCD

Chân Ký hiệu Chức năng

1 VSS Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này

với GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân

này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD