TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA
ĐIỆN ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN 1
ĐỀ TÀI: ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU SẮC
Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
GVHD:
TS PHẠM NGỌC SƠN
Sinh viên:
LÊ QUANG PHÚC
MSSV: 15141245
TRẦN THANH DUY
MSSV: 15141120
TP. HỒ CHÍ MINH – 6/2018
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
MSSV: 15141245
TRẦN THANH DUY
MSSV: 15141120
Hướng dẫn: TS. PHẠM NGỌC SƠN
THÔNG TIN ĐỒ ÁN 1
1. Thông tin sinh viên
Họ và tên sinh viên: LÊ
MSSV: 15141245
QUANG PHÚC Email:
[email protected]
MSSV: 15141120
Họ và tên sinh viên: TRẦN
THANH DUY Email:
[email protected].
edu.vn
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
i
Tp.HCM, ngày
… tháng … năm
20… Giáo viên
hướng dẫn
ii
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
Sinh viên thực hiện
năm 20
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
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Khoa học kĩ thuật luôn luôn phát triển trong tất cả các lĩnh vực, nhất là các
ngành sản xuất. Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là ưu tiên
hàng đầu.
Một trong những hệ thống đó là hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Hệ thống
này giúp cho sản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng,
đem lại lợi ích kinh tế cao và hiệu quả.
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
1
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
Điện áp hoạt động
3.5V – 8.4V
Nhiệt độ hoạt động
0 ºC – 55 ºC
Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật của động cơ servo MG995 [2]
2.2.3. Hoạt động
Trục của động cơ Servo được định vị nhờ vào kỹ thuật gọi là điều biến độ rộng
xung (PWM). Trong hệ thống này, servo là đáp ứng của một dãy các xung số ổn
định. Cụ thể hơn, mạch điều khiển là đáp ứng của một tín hiệu số có các xung biến
đổi từ 1
– 2 ms. Các xung này được gởi đi 50 lần/giây. Chú ý rằng không phải số xung trong
một giây điều khiển servo mà là chiều dài của các xung. Servo đòi hỏi khoảng 30 –
[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.
2.3. CẢM BIẾN MÀU SẮC TCS3200
2.3.1. Sơ lược về TCS3200
Cảm biến màu TCS3200 là một loại cảm biến màu RGB của hãng TAOS có cấu
tạo bao gồm các photodiode silicon kết hợp với các tấm lọc Red, Green, Blue đồng
[3]
[4]
Động cơ servo MG995, < http://mohinhrobot.com/robot/dong-co-servo-mg995>, 17/6/2018.
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.
Hình 2. 4: Cảm biến màu sắc TCS3200
2.3.2. Cấu tạo, thông số kỹ thuật
Cấu tạo:
Cấu tạo của cảm biến màu TCS3200 gồm 2 khối sau:
Hình 2. 5: Cấu tạo TCS3200 [5]
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
7
[5]
Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200,
, 3/5/2018.
7
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.
Hình 2. 6: Lọc màu
Việc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2,S3:
S2
S3
Filter type
L
L
RED
L
H
BLUE
H
L
CLEAR(NO FILTER)
H
H
GREEN
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
L
L
Power down
L
H
2%
H
L
20%
[6]
Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200, , 3/5/2018.
[7]
Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200, , 3/5/2018.
H
H
100%
8
Bảng 2. 4: Tần số đầu ra[8]
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.
Ví dụ: Tần số khi S0=H, S1=H - Fout=500Khz
S0=H, S1=L - Fout=100Khz
S0=L, S1=H - Fout=10Khz
S0=L, S1=L - Fout=0
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 là màu đỏ.
[8]
Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200, , 3/5/2018.
[9]
Hướng dẫn sử dụng Mudule cảm biến màu sắc TCS3200, , 3/5/2018.
8