Tóm tắt đồ án Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc sử dụng Arduino

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc sử dụng Arduino

1. TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG  THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM DỰA VÀO MÀU SẮC SỬ DỤNG ARDUINO TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG NIÊN KHÓA: 2016 - 2019 HSSV : Nguyễn Quang Trƣờng Mã HSSV : CCVT16A006 CBHD : TS. Vƣơng Công Đạt Đà Nẵng, 06/2019
2. MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật. Đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con người với sự trợ giúp của máy móc, những công cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc. Với sự tiến bộ này đã đáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng. Trong nhiều lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi điều khiển được quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vi điều khiển AVR. Một trong số những biến thể phổ biến của AVR là Arduino. Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khả năng của nhiều loại Arduino là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện, tinh gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dòng sản phẩm phù hợp nhiều quy mô ứng dụng của nó. Một ý tưởng khác được quan tâm đông đảo trên các diễn đàn học tập ngành điện tử và tự động hóa, nhưng chưa có một tài liệu chính thống phổ biến hướng dẫn hay cung cấp thông tin về nó, cũng như chưa được giảng dạy ở nhiều trung tâm đó là ứng dụng Arduino trong sản xuất. Trước thực tiễn ấy, tôi đã quyết định chọn đề tài này nhằm tìm hiểu về vấn đề phân loại sản phẩm bằng màu sắc qua ứng dụng của Arduino. Sau đây em xin tìm hiểu về Arduino cũng như thiết kế một 1
3. ứng dụng thực tế là ―Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc sử dụng Arduino‖. Đây là cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống. 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển, các hệ thống thông minh và tự động hoá sử dụng phổ biến ở khắp mọi nơi và trong mọi lĩnh vực bởi vì sự tiện lợi, chuẩn xác, giúp tiết kiệm thời gian và công sức. Nhưng hiện tại, ở nước ta hệ thống tự động hoá chỉ được sử dụng ở các xí nghiệp lớn và các xí nghiệp liên doanh nước ngoài, còn các ngành sản xuất đa số chỉ dừng ở mức độ thủ công, vì vậy làm chậm quá trình sản xuất đồng thời làm giảm năng suất. Từ đó em đề suất ra ý tưởng xây dựng hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc sử dụng vi điều khiển Arduino. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nguyên cứu Mục tiêu : Tìm hiểu và xây dựng được mô hình hệ thống phân loại hàng hoá bằng màu sắc sử dụng arduino Nhiệm vụ nguyên cứu : - Chuẩn bị các tài liệu và thiết bị liên quan - Lập trình vi điều khiển Arduino dựa vào ý tưởng để xuất - Hoàn thành đồ án dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng dẫn 3. Đối tƣợng và phạm vi nguyên cứu Đối tượng : Cảm biến màu sắc TCS2300, vi điều khiểnArduino nano, động cơ servo SG90 Phạm vi nguyên cứu : Ứng dụng vào các công ty, xí nghiệp sản xuất sản phẩm 2
4. 4. Phƣơng pháp nguyên cứu - Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực tế để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau: + Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài. + Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử truyền thông. + Tìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời sống xã hội. + Sử dụng phần mềm chuyên dụng (arduino IDE) để thực hiện viết code và nạp code. + Tìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan. + Sử dụng các phần mềm vẽ mô phỏng và lập trình. 5. Kết quả Mô hình hoạt động ổn định và hiệu quả Có thêm các kiến thức chuyên ngành và thực tiễn 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Mô hình nếu được ứng dụng thực tế thì sẽ giảm tải nguồn nhân công, tăng năng suất lao động và có tính chính xác cao 7. Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp Gồm 3 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về Arduino Chương 2: Phân tích các khối module trong mạch Chương 3: Xây dựng mô hình thực tế 3
5. CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO 1.1. GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open- source). . Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác: - Chạy trên đa nền tảng - Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu. - Nền tảng mở - Mở rộng phần cứng - Đơn giản và nhanh - Dễ dàng chia sẻ 4
6. Hình 1.1 Các loại Arduino 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea. Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt. Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014. Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan. Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. Trường này 5
7. cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này. 1.3. BỘ PHẬN PHẦN CỨNG Hình 1.2 Các phần cứng của Aruino 1.Cổng USB (loại B) 2. Jack nguồn 3. Hàng Header 4. Hàng header thứ hai 5. Hàng header thứ ba 6. Vi điều khiển AVR 1.3.1. Một số loại chip AVR Vi điều khiển AVR Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hảng Atmel (1996), nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC (Reduced Instruction Set Computer) đồng thời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưu trữ chương trình. Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã trở thành nhà tiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ 6
8. Flash (không biến đổi, có thể xóa bằng điện và lập trình lại bộ nhớ, Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩm như Camera số, board chủ PC 1.3.2. Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: 1.3.2.1. Digital 1.3.2.2. Analog 1.3.3. Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra: 1.3.3.1. Digital output 1.3.3.2. PWM output 1.3.4. Chuẩn giao tiếp 1.3.4.1. Serial 1.3.4.2. USB 1.3.4.3. SPI 1.3.4.4. TWI (I2C) 1.4. SHIELD Các board Arduino và Arduino-compatible sử dụng các shield— các board mạch in mở rộng được dùng bằng cách cắm vào các chân header của Arduino. Các shield có thể là module điều khiển cho động cơ, GPS, ethernet, LCD, hoặc cũng có thể là breadboard. Một số lượng lớn các shield cũng có thể được chế tạo bởi DIY (những người thích tự làm lấy các ứng dụng cho riêng họ). 1.5. SỰ PHÁT TRIỂN Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết kế phần cứng tham khảo của Arduino được phân phối dưới dạng Creative CommonsAttribution Share-Alike 2.5 license và có sẵn trên website của Arduino. Một vài phiên bản phần cứng của Arduino còn đưa lên cả file Layout và thành phẩm. Mã nguồn cho IDE này cũng 7
9. khả dụng và được xuất bản dưới dạng GNU General Public License, version 2. 1.6. CÁC ỨNG DỤNG Xoscillo: oscilloscope mã nguồn mở Các thiết bị khoa học Arduinome: một thiết bị điều khiển MIDI bắt chước Monome OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn đoán on-board được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đại Thiết bị đọc sách cho con người: thiết bị điện tử giá rẻ với đầu ra TV có thể chứa một thư viện năm ngàn cuốn sách (ví dụ như các biên soạn offline Wikipedia) trên một thẻ nhớ microSD Ardupilot: software / hardware máy bay không người lái ArduinoPhone 8
10. CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH CÁC MODULE TRONG MẠCH 2.1. YÊU CẦU ĐỀ TÀI Dùng module cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biết màu sắc và phân loại sản phẩm. Hệ thống phát hiện màu và đưa từng skittle đến vị trí cụ thể, hệ thống có thể được áp dụng để phân loại hàng hoá trong các công ty, xí nghiệp. 2.2. GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 2.2.1. Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc 2.2.2. Phân tích chức năng các khối - Khối cấp nguồn - Khối skittle - Khối điều khiển - Khối động cơ điều khiển 2.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Từng skittle sẽ được một động cơ sevor đưa đến trước cảm biến màu sắc TCS3200 để được đọc màu. Cảm biến màu sắc TCS3200 sẽ gửi dữ liệu về bộ vi sử lý. Động cơ sevor thứ 2 có nhiệm vụ phân loại từng skittle đã được đọc màu sang vị trí được chỉ định 2.3. LỰA CHỌN LINH KIỆN 2.3.1. Khối điều khiển 9
11. 2.3.1.1. Bo mạch Arduino nano Hình 2.2 Arduino nano Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ. Arduino Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm. Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano Arduino nano Thông số kỹ thuật Số chân analog I/O 8 Cấu trúc AVR Tốc độ xung 16 MHz Dòng tiêu thụ I/O 40mA Số chân Digital I/O 22 Bộ nhớ EEPROM 1 KB Bộ nhớ Flash 32 KB of which 2 KB used by Bootloader Điện áp ngõ vào (7-12) Volts Vi điều khiển ATmega328P 10
12. Điện áp hoạt động 5V Kích thước bo mạch 18 x 45 mm Nguồn tiêu thụ 19mA Ngõ ra PWM 6 SRAM 2KB Bảng 2.2 ức củ c c c Thứ tự Tên Pin Kiểu Chức năng chân Ngõ vào/ra số 1 D1 / TX I / O Chân TX-truyền dữ liệu Ngõ vào/ra số 2 D0 / RX I / O Chân Rx-nhận dữ liệu Chân reset, hoạt động ở mức 3 RESET Đầu vào thấp 4 GND Nguồn Chân nối mass 5 D2 I / O Ngõ vào/ra digital 6 D3 I / O Ngõ vào/ra digital 7 D4 I / O Ngõ vào/ra digital 8 D5 I / O Ngõ vào/ra digital 9 D6 I / O Ngõ vào/ra digital 10 D7 I / O Ngõ vào/ra digital 11 D8 I / O Ngõ vào/ra digital 12 D9 I / O Ngõ vào/ra digital 13 D10 I / O Ngõ vào/ra digital 14 D11 I / O Ngõ vào/ra digital 15 D12 I / O Ngõ vào/ra digital 16 D13 I / O Ngõ vào/ra digital 11
13. 17 3V3 Đầu ra Đầu ra 3.3V (từ FTDI) 18 AREF Đầu vào Tham chiếu ADC 19 A0 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 0 20 A1 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 1 21 A2 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 2 22 A3 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 3 23 A4 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 4 24 A5 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 5 25 A6 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 6 26 A7 Đầu vào Kênh đầu vào tương tự kênh 7 + Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh Đầu ra On-board) hoặc 27 + 5V hoặc đầu + 5V (đầu vào từ nguồn điện vào bên ngoài) Chân đặt lại, hoạt động ở mức 28 RESET Đầu vào thấp 29 GND Nguồn Chân nối mass 30 VIN Nguồn Chân nối với nguồn vào 2.3.2. Khối cảm biến màu Cảm biến màu sắc TCS3200 Cảm biến màu TCS3200 tích hợp dãy bộ dò ánh sáng quang bên trong, với mỗi cảm biến ứng với các màu đỏ, xanh lá, xanh dương. Các bộ lọc của mỗi màu được phân bố đều khắp cảm biến để loại bỏ sai lệch vị trí giữa các màu sắc. Bên trong cảm biến có bộ dao động tạo ra sóng vuông có tần số là tỷ lệ thuận với cường độ của màu sắc được chọn. 12
14. Hình 2.3 Cảm biến màu sắc TCS3200 2.3.2.1. Thông số kỹ thuật 2.3.2.2. Chức năng từng chân 2.3.2.3. Nguyên lý hoạt động cảm biến màu . Tần số đầu ra của linh kiện điện tử TCS3200 trong khoảng 2HZ~500KHZ. Tần số đầu ra có dạng xung vuông với tần số khác nhau khi mà màu sắc khác nhau và cường độ sáng là khác nhau. Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số. 2.3.2.4. Nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử TCS 3200 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 . Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phối trộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue,Green,Red thì 13
15. TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue,Green,Red và clear để nhận biết màu sắc cụ thể. 2.3.2.5. Mạch sơ đồ nguyên lý module cảm biến màu sắc Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến màu sắc TCS3200 Bảng 2.4 Sơ đồ nối chân với Arduino Nano TCS3200 Arduino nano VCC 5V GND GND S0 D2 S1 D3 S2 D4 S3 D5 OUT D6 2.3.3. Động cơ servo 14
16. Hì 2.6 độ cơ servo 2.3.3.1. Giới thiệu động cơ servo Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o. Hình 2.7 Cấu tạo cơ bản của một độ cơ (motor) servo 1. Motor 2. Electronics Board 3. Positive Power Wire (Red) 4. Signal Wire (Yellow or White) 5. Negative or Ground Wire (Black) 15
17. 6. Potentiometer 7. Output Shaft/Gear 8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case 10.Integrated Control Chip Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển. Tín hiệu này khởi động động cơ, thông qua chuỗi bánh răng, nối với vôn kế. Vị trí của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi vôn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ. Mặc dù ta có thể chỉnh quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng giới hạn. 2.3.3.2. Thông số kỹ thuật Hình 2.8 Sơ đồ nối dây của Micro Servo - Khối lượng: 9g - Tín hiệu: Analog - Mô men xoắn: 1.6kg/cm - Tốc độ hoạt động: 0,12sec/60degree - Điện áp hoạt động: 4.8VDC~5VDC - Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC - Delay: 10us 2.3.3.3. Nguyên lý hoạt động Xung PPM (Pulse Position Modulation) được sử dụng để điều 16
18. khiển servo. Tần số thông thường có giá trị trong khoảng 50Hz (20 mili giây). Thời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms. Hình 2.10 Thời gian xung ở mức c o quy định góc quay của RC servo. Với thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0, 1.5ms góc quay 90 và 2ms góc quay là 180. Các góc khác từ 0-180 được xác định trong khoảng thời gian 1 2ms. 2.3.3.4. Điều biến độ rộng xung 2.3.4. Nguồn Adapter 5V1A Hình 2.12 Nguồn Adapter 5V1A 17
19. CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC TẾ 3.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Sơ đồ nguyên lý Khi khởi động động cơ servo ở trên sẽ đưa khối skittle đến chỗ cảm biến màu. Cảm biến màu TCS3200 sẽ cảm biến màu và đưa thông tin đến Arduino Nano, Arduino Nano sẽ điều khiển động cơ servo ở dưới quay đến ô chứa màu sắc của skittle đó. Hì 3.1 Sơ đồ nguyên lý 3.2. MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM Mô phỏng bằng phần mềm Fritzing Hình 3.2 Mô phỏng bằng phần mềm Fritzing 18
20. 3.3. MÔ HÌNH THỰC TẾ Hình 3.3 Mô hình thực tế 19
21. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN  Kết luận Kết quả đạt đƣợc - Thiết kế và hoàn thiện mô hình phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc. - Nguyên cứu và ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano làm vi điều khiển cho hệ thống. - Hoàn thiện tất cả các phần cứng cho hệ thống hoạt động theo yêu cầu. - Mạch nhỏ gọn và đáp ứng đúng yêu cầu của đề tài Kết quả chƣa đạt đƣợc - Độ ổn định chưa tối ưu - Bị nhiễu sáng - Chưa có hệ thống đếm số lượng sản phẩm  Hƣớng phát triển Với việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống phân loại hàng hoá dựa vào màu sắc với các tính năng thống minh và linh hoạt có ý nghĩa rất lớn trong thực tiễn. Việc ứng dụng hệ thống vào quá trình có rất nhiều lợi ích như : - Có tính chính xác cao. - Giúp giảm nguồn nhân công, tăng năng xuất. - Có thể được áp dụng ở nhiều nơi. Ngoài ra có thể ứng dụng thêm các công nghệ để phân loại sản phẩm theo chiều cao hoặc cân nặng vào hệ thống. 20