Mô hình sử dụng vi xử lý và phần mềm Matlab để điều khiển và giám sát quá trình chiết rót nước theo đúng mực nước đã được thiết lập sẵn.Việc rót nước thông qua một van điện từ 24VDC loại điều khiển ONOFF để đóng mở nước, biến tần được sử dụng để điều khiển và bảo vệ động cơ kéo băng chuyền. Mô hình có sử dụng một cảm biến hồng ngoại để phát hiện chai, cảm biến đo khoảng cách SRF05dùng để đo mực nước trong bồn chứa.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC Chương I: Mở đầu 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Tầm quan trọng mục đích đề tài .5 1.3 Ý nghĩa đề tài 1.4 Ưu, Nhược điểm đề tài Chương II: Tổng quan lý thuyết .6 2.1 Lý thuyết xử lý ảnh 2.1.1 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh 2.1.2 Giới thiệu ảnh số 2.1.3 Các vấn đề xử lý ảnh 2.2 Lý thuyết phần mềm Matlab .10 2.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab 10 2.2.2 Tổng quan cấu trúc liệu Matlab 10 2.2.3 Hệ thống Matlab .11 2.3 Lý thuyết Biến Tần 11 2.3.1 Khái niệm Biến Tần .11 2.3.2 Nguyên lý hoạt động Biến Tần 12 2.3.3 Lợi ích việc sử dụng Biến Tần 12 2.4 Lý thuyết vi xử lý họ 8051 .13 2.4.1 Chức chân vi xử lý 8051 13 2.4.2 Giới thiệu Ngắt : 14 2.5 Lý thuyết phần mềm lập trình Keil C 14 2.5.1 Cấu trúc chương trình : 14 2.5.2 Các loại biến C : 15 Chương III: Lưu đồ giải thuật 16 3.1 Yêu cầu hoạt động 16 3.2 Lưu đồ hoạt động mơ hình: .17 3.3 Các khối mơ hình: 18 Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.4 Chức khối 19 3.4.1 Biến tần 19 3.4.1 Cảm biến hồng ngoại 20 3.4.2 Van điện từ đóng mở nước 20 3.4.3 Mạch giao tiếp máy tính Vi Xử Lý 21 3.4.4 Camera 21 3.4.5 Máy tính 21 3.4.6 Phần mềm 21 3.4.7 Vi xử lý 21 3.4.8 Cảm biến đo khoảng cách SRF05 .21 Chương IV: Phương pháp xử lý ảnh 24 4.1 Phương pháp xử lý ảnh .24 4.2 Lưu đồ xử lý ảnh 28 Chương V: Thiết kế thi công 29 5.1 Thi công mạch 29 5.1.1 Mạch giao tiếp vi xử lý máy tính .29 5.1.2 Mạch cảm biến hồng ngoại .30 5.1.3 Mạch vi xử lý điều khiển trung tâm: 31 5.2 Chương trình Matlab xử lý ảnh 34 5.2.1 Giới thiệu số lệnh sử dụng đề tài 34 5.2.2 Chương trình xử lý ảnh .34 5.3 Cài đặt biến tần Sinamics G110 35 5.3.1 Kết nối phần cứng biến tần Sinamics G110 35 5.3.2 Cài đặt biến tần 37 5.4 Code vi xử lý .37 5.4.1 Code Vi Xử Lý trung tâm 37 5.4.2 Code Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05: 37 Chương VI: Kết thực hướng phát triển đề tài 38 6.1 Kết thực .38 6.2 Giải pháp mở rộng .38 6.3 Hướng phát triển đề tài 38 Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương VII: Tài liệu tham khảo 40 Phụ lục 41 Code phần Guide: 41 Code Serial_Callback.m chương trình phục vụ kiện Matlab nhận hiệu từ vi điều khiển truyền lên: .63 Cài đặt thông số biến tần: .64 Code Vi Xử Lý trung tâm: 68 Code Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05 74 Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mục lục hình ảnh Hình 3.1 Sơ đồ kết nối phần cứng 16 Hình 3.2 : Lưu đồ hoạt động mơ hình .17 Hình 3.3: Sơ đồ khối mơ hình .18 Hình 3.4: Module cảm biến SRF05 .22 Hình 3.5: Kết nối chân chế độ Trigge/Echo qua chân đơn 22 Hình 3.6: Kết nối chân cho chế độ Trigger/Echo qua chân đôi .23 Hình 4.1: Dải màu ánh sáng trắng qua lăng kính 24 Hình 4.2: Ảnh chai nước với dung dịch màu xanh 25 Hình 4.3 : Ảnh chai nước sau tách lớp 25 Hình 4.4: Ảnh chai nước sau xử lý thành ảnh trắng đen 26 Hình 4.5: Kết sau xử lý .26 Hình 4.6: Hiện tượng dính ướt khơng dính ướt 27 Hình 4.7: Lưu đồ xử lý ảnh 28 Hinh 5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp máy tính 29 Hình 5.2 Mạch thực tế nhóm hoàn thành 29 Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến hồng ngoại 30 Hình 5.4: Mạch thực tế cảm biến hồng ngoại 30 Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý tổng thể .31 Hình 5.6: Mạch thực tế vi xử lý 31 Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý Chip đo cảm biến 32 Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý Chip trung tâm 32 Hình 5.9: Sơ đồ nguyên lý phần điều khiển OPTO .33 Hình 5.10: Giao diện chương trình xử lý ảnh 34 Hình 5.11: Khóa DIP Biến Tần .36 Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương I: Mở đầu 1.1Giới thiệu đề tài Tên đề tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh Mơ hình sử dụng vi xử lý phần mềm Matlab để điều khiển giám sát trình chiết rót nước theo mực nước thiết lập sẵn.Việc rót nước thơng qua van điện từ24VDC loại điều khiển ON/OFF để đóng mở nước, biến tần sử dụng để điều khiển bảo vệ động kéo băng chuyền Mơ hình có sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát chai, cảm biến đo khoảng cách SRF05dùng để đo mực nước bồn chứa 1.2Tầm quan trọng mục đích đề tài Trong dây chuyền sản xuất nước đóng chai khâu chiết rót nước phần quan trọng khơng thể thiếu Hiện công nghiệp, khâu chiết rót nước thường dùng đong khí hay đong theo thời gian trễ cố định Ưu điểm cách tốc độ nhanh, rót loại chaituy nhiên có nhược điểm: - Bộ đong khí khó khăn chế tạo, giá thành sản xuất cao,tốn không gian cho dây chuyền để lắp đặt tốn chi phí bảo trì Khi thay đổi hình dạng, kích thước chai cần phải thay đổi đong khí Đong theo thời gian trễ cần khâu kiểm tra sau rót nước Do nhóm em xin trình bày cách khác khâu chiết rót nước sử dụng xử lý ảnh Matlab để giám sát điều khiển q trình rót nước 1.3Ý nghĩa đề tài Ứng dụng tính khác công nghệ xử lý ảnh Matlab vào sản xuất Giúp tiết kiệm chi phí đơn giản hóa hệ thống quy trình sản xuất nước đóng chai Từ tiết kiệm cơng chi phí việc bảo trì 1.4Ưu,Nhược điểm đề tài Ưu điểm đề tài sử dụng xử lý ảnh Matlab để giám sát điều khiển q trình rót nước, loại bỏ khâu kiểm tra sau rót nước Hơn nữa, vừa thực rót nước vừa kiểm tra nên mơ hình đơn giản tiết kiệm chi phí chế tạo phần cứng Đặc biệt thay đổi hình dạng chai kích thước khơng cần thay đổi phần cứng mơ hình Nhược điểm đề tài mơ hình sử dụng camera để giám sát q trình rót nước nên sử dụng với loại chai có độ suốt tương đối Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương II: Tổng quan lý thuyết 2.1 Lý thuyết xử lý ảnh 2.1.1 Tổng quan hệ thống xử lý ảnh Xử lý ảnh ngành khoa học mẻ so với nhiều ngành khoa học khác, quy mơ cơng nghiệp Để hình dung cấu hình hệ thống xử lý ảnh, ta cần thiết xem xét bước cần thiết xử lý ảnh Lưu trữ CAMERA Thu nhận ảnh Số hóa Phân tích ảnh Nhận dạng SENSOR Lưu trữ Hệ quy định Trước hết trình thu nhận ảnh Ảnh thu nhận qua Camera Thường ảnh thu nhận qua Camera tín hiệu tương tự, tín hiệu số hóa Ảnh thu nhận từ vệ tinh qua cảm ứng, hay ảnh, tranh quét scanner Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều cơng đoạn nhỏ tăng cường nâng cao chất lượng ảnh, khôi phục ảnh, phát đặc tính biên, phân vùng ảnh, trích chọn đặc tính… Cuối tùy theo mục đích ứng dụng, giai đoạn nhận dạng, phân lớp hay định khác Các giai đoạn q trình xử lý ảnh mơ tả hình Bộ xử lý tương tự (analog processor): Bộ phận thực chức sau: - Chọn camera thích hợp hệ thống có nhiều camera Chọn hình hiển thị tín hiệu Thu tín hiệu video thu nhận số hóa (digitalizer) Thực lấy mẫu mã hóa Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Tiền xử lý ảnh thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table-LUT) Bộ xử lý ảnh số (digital processor) gồm nhiều xử lý chuyên dụng: xử lý lọc, trích chọn đường bao, nhị phân hóa ảnh Các xử lý ảnh làm việc với tốc độ 1/25 giây Máy chủ: đóng vai trỏ điều khiển thành phần mô tả Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh kiểu liệu khác, để chuyển giao cho q trình khác, cần lưu trữ Để có ước lượng, xét ví dụ sau: ảnh đen trắng cỡ 512x512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes Với ảnh màu kích thước dung lượng tăng gấp lần 2.1.2 Giới thiệu ảnh số Đứng góc độ cảm nhận thị giác, ảnh đại diện cho người, sinh vật hay đồ vật đó…Đứng góc độ kỹ thuật ảnh nhận biết thơng qua hệ thống thị giác chiều Ảnh động ta thấy truyền hình tập hợp nhiều điểm ảnh liên tiếp Khi ảnh số hóa trở thành ảnh số ảnh số lại tập hợp nhiều phần tử ảnh nhỏ gọi điểm ảnh “pixel” Mỗi điểm ảnh lại biểu diễn dạng số hữu hạn bit, dựa vào chia ảnh làm loại khác nhau: Ảnh đen trắng: điểm ảnh biểu diễn bit, ảnh gọi Bi-Level Bi-tonal images Ảnh Gray-scale: Mỗi điểm ảnh biểu diễn mức chói khác nhau, thường ảnh biểu diễn 256 mức chói hay bit cho điểm ảnh Ảnh màu: Mỗi điểm ảnh màu chia gồm nhiều điểm ảnh chói tín hiệu màu 2.1.3 Các vấn đề xử lý ảnh 2.1.3.1Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh Ảnh thực tế dảy liên tục không gian giá trị độ sáng Để xử lý ảnh máy tính cần thiết phải tiến hành số hóa Trong q trình số hóa, hình ảnh biến đổi từ liên tục thành rời rạc thơng qua q trình lấy mẫu lượng hóa thành phần giá trị mà nguyên tắc mắt thường phân biệt hai điểm kề Trong trình người ta sử dụng khái niệm Picture Element mà ta hay quen gọi hay viết Pixel- Phần tử ảnh Như ảnh tập hợp pixel Khi số hóa, thường biểu diễn bảng hai chiều i(n,p) với n: dòng ; p: cột Ta nói ảnh gồm “n x p” pixels Người ta thường ký hiệu i(x,y) để pixel Thường giá trị n chọn p 256 Một pixel lưu trữ 1, 4, hay 24 bit Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.1.3.2Gray level: Mức xám Mức xám kết mã hóa tương ứng cường độ sáng điểm ảnh với giá trị số - kết q trình lượng hóa Cách mã hóa kinh điễn thường dùng 16, 32 hay 64 mức Mã hóa 256 mức phổ dụng lý kỹ thuật Vì (0, 1, …, 256), nên với 256 mức, pixel mả hóa bit 2.1.3.3 Biểu diễn ảnh Tronh biễu diễn ảnh, người ta thường dùng phần tử đặc trưng ảnh pixels Nhìn chung xem hàm hai chiều chứa thông tin biểu diễn ảnh Các mơ hình biểu diễn ảnh cho ta mơ tả logic hay định lượng tính chất hàm Trong biểu diễn ảnh cần ý đến tính trung thực ảnh tiêu chuẩn “thông minh” chất lượng ảnh tính hiệu kỹ thuật xử lý Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải mẫu hóa lượng tử hóa Việc lượng tử hóa ảnh chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số ảnh lấy mẫu sang số hữu hạn mức xám Một số mơ hình thường dùng biễu diễn ảnh: mơ hình tốn, mơ hình thống kê Trong mơ hình toán, ảnh chiều biểu diễn nhờ hàm hai biến trực giao gọi hàm sở Với mơ hình thống kê, ảnh coi phần tử tập hợp đặc trưng đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phương sai, moment… 2.1.3.4 Tăng cường ảnh- Khôi phục ảnh Tăng cường bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh Nó gồm loạt kỹ thuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, màu… Khôi phục ảnh nhằm loại bỏ suy giảm ảnh Với hệ thống tuyến tính, ảnh đối tượng biểu diễn: Trong đó: Là hàm biểu diễn nhiễu cộng Là hàm biễu diễn đối tượng Là ảnh thu nhận Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Là hàm tán xạ điểm Một vấn đề khôi phục ảnh tiêu biểu tìm xấp xỉ hàm tán xạ điểm đo lường hay quan sát được, ảnh mờ tính chất xác suất q trình nhiễu 2.1.3.5Biến đổi ảnh Thuật ngữ biến đổi ảnh thường dùng để nói tới lớp ma trận đơn vị kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh Cũng tín hiệu chiều biểu diễn chuỗi hàm sở, ảnh biểu diễn chuỗi rời rạc ma trận sở gọi ảnh sở Phương trình ảnh sở có dạng : Với Các cột thứ k ma trận A, A ma trận đơn vị Có nghĩa định nghĩa với k,l = 0, 1, …, N-1 ảnh sở Có nhiều loại biến đổi dùng như: - Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard… Tích Kronecker Biến đổi Karhumen Loeve (KL): biến đổi có nguồn gốc từ khai triển tình ngẫu nhiên gọi phương pháp trích chọn thành phần Do phải xử lý nhiều thơng tin, phép tốn nhân cộng khai triển lớn Do vậy, biến đổi giúp làm giảm thứ nguyên ảnh để việc xử lý ảnh hiệu Ma trận khối ma trận mà phần tử lại ma trận 2.1.3.6Phân tích ảnh Phân tích ảnh có liên quan đến việc xác định độ đo định lượng ảnh để đưa mô tả đầy đủ ảnh Các kỹ thuật nhằm xác định biên ảnh Có nhiều kỹ thuật lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động Người ta dùng kỹ thuật để phân vùng ảnh Từ ảnh thu được, người ta tiến hành kỹ thuật tách hay hợp dựa theo tiêu chuẩn đánh giá như: màu sắc, cường độ… phương pháp biến đến Quad- Tree, mảnh hóa nhị biên, nhị hóa đường biên 2.1.3.7Nhận dạng ảnh Nhận dạng ảnh trình liện quan đến mơ tả đối tượng mà ngườit a muốn đặc tả Q trình nhận dạng thường sau q trình trích chon đặc tính chủ yếu đối tượng Có hai kiểu mơ tả đối tượng: Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số) - Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc) Trên thực tế, ngời ta áp dụng kỹ thuật nhận dạng thành công với nhiều đối tượng khác như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu) Nhận dạng chữ in đánh máy phục vụ cho việc tự động hố q trình đọc tài liệu, tăng nhanh tốc độ chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác cách viết, kiểu chữ, ) phục vụ cho nhiều lĩnh vực Ngoài kỹ thuật nhận dạng trên, kỹ thuật nhận dạng dựa vào kỹ thuật mạng nơ-ron áp dụng cho kết khả quan 2.1.3.8Nén ảnh Dữ liệu ảnh liệu khác cần phải lưu trữ hay truyền mạng Như nói trên, lượng thơng tin để biểu diễn cho ảnh lớn Trong phần thấy ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes Do làm giảm lượng thông tin hay nén liệu nhu cầu cần thiết Nhiều phương pháp nén liệu đợc nghiên cứu áp dụng cho loại liệu đặc biệt 2.2 Lý thuyết phần mềm Matlab 2.2.1 Giới thiệu phần mềm Matlab MATLAB mơi trường tính tốn số lập trình, thiết kế công ty MathWorks MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải tốn tính tốn kĩ thuật so với ngơn ngữ lập trình truyền thống C, C++ Fortran MATLAB sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu ảnh, truyền thơng, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mơ hình tài chính, hay tính tốn sinh học Với hàng triệu kĩ sư nhà khoa học làm việc môi trường công nghiệp mơi trường hàn lâm, MATLAB ngơn ngữ tính toán khoa học 2.2.2 Tổng quan cấu trúc liệu Matlab Matlab hệ thống tương giao, phần tử liệu mảng (mảng khơng đòi hỏi kích thước) Chúng cho phép giải vấn đề liên quan đến lập trình máy tính, đặc biệt sử dụng phép tính ma trận hay vectơ sử dụng ngơn ngữ C Fortran lập trình thực ứng dụng lập trình câu Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP % - Executes on button press in mau18 function mau18_Callback(hObject, eventdata, handles) mathap=0; global lop; global trong; trong=0; i=1; mamau=get(hObject,'BackgroundColor'); for i=1:2 if mamau(i)40) { start=0; van=1; tt=1; loi=1; } //P1=giay; } void ngatrx() interrupt { if(TI==1) { TI=0; } if(RI==1) { if(SBUF==1) { if(tt==1) { van=1;//dong van Đề Tài: Điều khiển giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chay(); msdelay(1300); tt=0; } } if(SBUF==0) { delay(500); } if(SBUF==2) { start=1; } if(SBUF==3) { start=0; } RI=0; if(thayphien==0) { SBUF=P0; } if(thayphien==10) { SBUF=chai; } Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP if(thayphien==20) { SBUF=loi; } if(thayphien==30) { SBUF=P2_0; } if(thayphien==40) { SBUF=P2_1; } thayphien++; if(thayphien==50) { thayphien=0; } } } void main() { EA=1; ES=1; ET0=1; TF0=1; TR0=1; PS=1; TMOD=0X21; TR1=1; SCON=0X50; TH1=-3; msdelay(1000); batdau=0; while(1) Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP { batdau=0; while(start==1) { while(batdau==0) { chay(); batdau=1; loi=0; } if(P2_2==0) { dung(); msdelay(500); van=0;//mo van tt=1; while(tt); chai++; //msdelay(3000); } } P2=0xFF; } } Code Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05 #define ECHO P3_2 Đề Tài: Điều khiển giám sát mơ hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP #define TRIGGER P3_3 unsigned int soxung; bit range_ok; float distance; unsigned char khoangcach; void delay_us(unsigned int time) { unsigned int temp; for(temp=0;temp