ĐỒ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN tên đề tài PHÂN LOẠI sản PHẨM sử DỤNG cảm BIẾN QUANG

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
---------------------------------------

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CẢM BIẾN QUANG

Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Lưu Vũ Hải

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hồng Văn Huy
Nguyễn Ngọc Long
Nguyễn Thị Huyền

Hà Nội – 2021

1


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ
Hệ thống có khả năng:
2. Cấu trúc thiết bị
3. Đặc tính kỹ thuật
4. Nội dung báo cáo
Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1. Giới thiệu chung
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.4 Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2 Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.

2


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1

Giới thiệu chung

Cảm biến quang (tên tiếng anh là Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh
kiện quang điện. Thiết bị này khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái,
cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện
của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu thì mạch điều khiển của cảm biến quang
sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT.

Một số hãng sản xuất cảm biến quang:

Hình 1. 1 Cảm biến quang Sick – Đức

Hình 1. 2 Cảm biến quang Omron – Nhật

3


Hình 1. 3 Cảm biến quang Autonics - Hàn

Hình 1. 4 Cảm biến quang IFM - Đức

Ngày nay do sự phát triển của khoa học kỹ thuật đang tác động đến các lĩnh vực,
đặc biệt là lĩnh vực điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt vượt bậc trong nhièu lĩnh vực của
đời sống xã hội. Ngay cả trong sản xuất sản phẩm cũng đã áp dụng khoa học công
nghệ để đạt năng suất cao nhất. Cảm biến quang đóng vai trị rất quan trọng trong lĩnh
vực cơng nghiệp tự động hóa. Nếu khơng có cảm biến quang thì khó mà có được tự
động hóa, giống như làm việc mà khơng nhìn được vậy.
Là sinh viên năm ba với những kiến thức đã học chúng em mong muốn tạo ra một
hệ thống tự động áp dụng trong cơng nghiệp. Đó là đề tài Phân loại sản phẩm sử dụng
cảm bién quang. Với các nhà máy quy mô cùng với số lượng sản phẩm sản xuất lớn
nên chúng em muốn nghiên cứu một hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Nhằm
giúp đạt được độ chính xác cao.
1.2

Các yêu cầu cơ bản

4

-

Mạch hoạt động đúng chức năng của đề tài.

-

Mạch hoạt động có độ ổn định và chính xác cao

-

Thiết kế gọn nhẹ, giá thành phù hợp

-

Dễ dàng lắp đặt, thi công, vận hành dễ dàng

-

Sử dụng Arduino cảm biến màu sắc TCS3200 và màn hình LCD

Các thiết sử dụng:
Bộ điều khiển

Arduino Uno

Màn hình hiển thị

LCD 16*2

Cảm biến

TCS-3200

Động cơ

Servo

Động cơ
Đặc tính kĩ thuật:
Thông số

1.3

Giá trị

Điện áp hoạt động

2.7-5.5 VDC

Khoảng cách phát
hiện tốt nhất

1cm

Nhiệt độ hoạt động

30.75 ộ C

Phương pháp, phạm vi, giới hạn nghiên cứu

-

Phương pháp nghiên cứu:
+, Dựa vào kiến thức đã được học trong các môn học như: Cơ sở hệ thống tự
động, Cảm biến và hệ thống đo, tìm hiểu qua Internet, sách vở,..
+, Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lý số liệu xây
dựng ơ hình phù hợp với đề tài.
+, Sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: Proteus, Arduino IDE,…

-

Phạm vi và giới hạn nghiên cứu:
+, Nghiên cứu lựa chọn mơ hình thực tế phù hợp với u cầu cảm biến của đề tài.
Phân loại phôi theo màu sắc.
5


+,Nhận biết được Phôi trong khoảng cách quét và hiển thị màu sắc trên màn hình
LCD
+, Ứng dụng cho các nhà máy sản xuất sản phẩm hay các đơn vị vận chuyển hàng
hóa. Có giá thành thấp nên dễ áp dụng ở quy mô lớn, giúp các nhà máy đễ dàng
phân loại sản phẩm cho phù hợp.
+, Nghiên cứu và thiết kế hệ thống hiển thị và phân loại sản phẩm.
+, Mơ hình hóa, thiết kế mơ hình đảm bảo độ chính xác và đáp ứng đúng nhu cầu
của hệ thống.
1.4

Ý nghĩa thực tiễn
-

Hiện nay việc phân loại sản phẩm vẫn cịn thực hiện thủ cơng bởi con người, dẫn
đến quá trình sản xuât bị trì trệ và năng xuất lao động không được cao, không bắt
kịp với xu thế phát triển và đáp ứng được nhu cầu sản xuất trong nước và thị
trường quốc tế. Nên mơ hình này sẽ khắc phục những nhược điểm trên.

-

Giúp người sử dụng dễ dàng phân loại các sản phẩm theo yêu cầu.

-

Độ chính xác cao, giá thành rẻ, phù hợp cho các cơ sở, hộ kinh doanh nhỏ lẻ.

6


CHƯƠNG II. XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Thiết kế sơ đồ khối

Khốối hiển thị
(Màn hình LCD)
Khốối động cơ

Khốối
nguốồn

Khốối xử lý

Khốối c m
ả biếốn

Hình 2.1.1 Sơ đồ khối

2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.2.1 Phân tích
Cảm biến quang điện hiện nay có ba loại khác nhau:
a) Cảm biến quang Thu Phát Độc Lập (Through Beam):
Đặc điểm:
– Độ tin cậy cao
– Khoảng cách phát hiện xa: tối đa 60m (E3Z)
– Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

7


Hình 2.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập

b) Cảm biến quang thu phát chung – phản xạ gương (Retro Replective)
Đặc điểm:
– Độ tin cậy cao
– Giảm bớt dây dẫn, phát hiện tối đa 15m
– Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng lống

Hình 2.2.2 Cảm biến quang thu phát chung – phản xạ gương


c) Cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán (Diffuse Replec
Đặc điểm:
– Dễ lắp đặt, phát hiện tối đa 2m
– Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền, …

– Có thể dạy cho cảm biến biết màu của vật (chức năng teach)

Hình 2.2.3 Cảm biến quang loại phát hiện màu

9


2.2.2 Lựa chọn cảm biến
Cảm biến TCS3200 là cảm biến quang thu phát chung – khuyếch tán có bộ lọc
màu, nó chỉ cho phép nhận biết một màu và các màu khác sẽ bị chặn lại. Cảm biến này
được sử dụng để nhận biết màu sắc bằng cách đo phản xạ 3 màu sắc cơ bản từ vật thể là
đỏ, xanh lá và xanh dương từ đó xuất ra tần số xung tương ứng với 3 màu này qua các
chân tín hiệu, đo 3 tần số xung này và qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định là bạn sẽ có
đươc thơng tin của màu sắc của vật thể cần đo.

Hình 2.2.4 Cảm biến màu TCS3200

Tên chân

Mơ tả
10


S1,S0 (1,2)

Ngõ vào chọn tỉ lệ tần số ngõ ra

OE (3)

Ngõ vào cho phép xuất tần số ở chân OUT (tích cực mức thấp)

GND (4)

Chân nối đất

VDD (5)

Chân cấp nguồn (2,7 – 5,5V)

OUT (6)

Ngõ ra là tần số thay đổi phụ thuộc cường độ và màu sắc.

S2, S3 (7,8)

Ngõ vào chọn loại photodiode
Bảng 2.2.1 Chân cảm biến màu TCS 3200

2.2.3 Nguyên lí hoạt động, cách đo màu sắc của cảm biến màu TCS 3200
Nguyên lý hoạt động, cách đo màu sắc
Cảm biến màu TCS3200 gồm 2 khối như hình vẽ phía dưới:

Hình 2.2.5 Hai khối trong TCS 3200

Khối đầu tiên là mảng ma trận 8×8 gồm các photodiode. Photodiode đơn giản là một linh
kiện bán dẫn chuyển đổi ánh sáng thành dịng điện.
 16 photodiode có thể lọc màu đỏ (red)
11

 16 photodiode có thể lọc màu xanh lá (green)
 16 photodiode có thể lọc màu xanh dương (blue)
 16 photodiode trắng không lọc (clear)
Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có màu sắc khác nhau.
Khi lựa chọn một bộ lọc màu nào nó sẽ cho phép chỉ nhận biết 1 màu và các màu khác sẽ
bị chặn. Ví dụ, khi lựa chọn bộ lọc màu xanh lá (green) thì chỉ có ánh sáng tới màu xanh
lá mới có thể được thơng qua, màu đỏ và màu xanh dương sẽ bị chặn lại như hình minh
họa bên dưới. Vì vậy, chúng ta có thể nhận được cường độ ánh sáng màu xanh lá. Tương
tự như vậy, khi lựa chọn các bộ lọc màu khác thì chúng ta có thể nhận được ánh sáng màu
đỏ (red) hoặc màu xanh dương (blue).

Hình 2.2.6 Cấu tạo tấm lọc màu của TCS3200

12


Tại một thời điểm chỉ có 1 bộ lọc màu được chọn. Việc chọn bộ lọc màu được thực hiện
thông qua 2 chân S2 và S3 như bảng dưới đây.
S2

S3

Loại bộ lọc

L

L

Red

L

H

Blue

H

L

Clear (no filter)

H

H

Green

Bảng 2.2.2 Set các chân cho từng màu lọc

Khối thứ hai trong cảm biến màu TCS3200 là bộ chuyển đổi dòng điện sang tần số. Các
giá trị đọc từ photodiode được chuyển đổi thành sóng vng có tần số tỷ lệ thuận với
cường độ ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt của vật thể. Cuối cùng, chúng ta dùng vi điều
khiển đề đọc sóng vng ngõ ra và lấy kết quả màu sắc.
Các chân S0 và S1 được sử dụng để điều chỉnh tần số đầu ra. Nó có thể được chia tỷ lệ
thành các giá trị đặt trước sau: 2%, 20% hoặc 100%. Các bộ vi điều khiển khác nhau có
cấu hình cho bộ định thời khác nhau. Chức năng chia tỷ lệ tần số về cơ bản cho phép ngõ
ra của cảm biến được tối ưu hóa cho các bộ vi điều khiển khác nhau.
S0

S1

Tỷ lệ tần số ngõ ra

L

L

Power down

L

H

2%

H

L

20%

H

H

100%
Bảng 2.2.3 Set các chân cho tỷ lệ tần số

13

Tần số ngõ ra của module cảm biến màu TCS3200 trong khoảng 2 Hz ~ 500 kHz. Tần số
ngõ ra có dạng xung vng với tần số khác nhau tương ứng với màu sắc và cường độ
sáng là khác nhau.
Chúng ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số ngõ ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù
hợp với phần cứng đo tần số ở đây bọn em chọn 20% và để mặc định.
2.2.4 Thông số kĩ thuật cảm biến TCS3200
-

Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao.

-

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

-

Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển.

-

Điện áp 2.7 – 5.5V.

-

Kích thước: 28.4 x 28.4mm.

-

Tần số ngõ ra có độ rộng xung 50%

-

Tần số tỉ lệ với ánh sáng có cường độ và màu sắc khác nhau.

-

Tần số ngõ ra nằm trong khoảng 2 Hz- 500KHz.

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các bộ điều khiển có thể kết nối tốt với
cảm biến RPLIDAR A1M8 R5 như: PLC, Arduino, STM32F0x, … Dựa vào điều
kiện thực tế và khả năng của bản thân nhóm đã lựa chọn Arduino để hồn thành đồ
án bởi Arduino có những ưu nhược điểm sau:
- Ưu điểm:
+ Dễ dàng sử dụng, có thể sử dụng ngay vì Arduino là 1 bộ hồn chỉnh bộ
nguồn, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp,
LED và các giắc cắm.
+ Nhiều thư viện mẫu có sẵn.


+ Dễ dàng lập trình và thay đổi code nạp vào Arduino.
+ Cộng đồng sử dụng lớn, có thể dễ dàng tìm kiếm thơng tin về Arduino.
- Nhược điểm:
+ Cấu trúc: kích thước của Arduino lớn khơng phù hợp với việc xây dựng 1 dự
án nhỏ.
+ Giá thành tương đối cao.

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các dự án điện tử.

Arduino bao gồm cả bảng mạch lập trình (thường được gọi là vi điều khiển) và một phần
mềm hoặc IDE (Môi trường phát triển tích hợp) chạy trên máy tính, được sử dụng để viết
và tải mã máy tính lên bo mạch.
Một số thông số kỹ thuật (từ datasheet):
Vi điều khiển

ATmega328P

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V

Điện áp vào giới hạn

6-20V

Chân vào ra Digital

14 (6 chân có khả năng băm
xung)

Chân băm xung

6

Chân đầu vào Analog

6

Cường độ dòng điện trên mỗi
I/O pin

20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi
3.3V pin

50 mA

Bộ nhớ Flash

32 KB (ATmega328P)
0.5 KB được sử dụng bởi
bootloader

15


SRAM

2 KB (ATmega328P)

EEPROM

1 KB (ATmega328P)

Tốc độ

16 MHz

Chiều dài

68.6 mm

Chiều rộng

53.4 mm

Trọng lượng

25 g
Bảng 2.3.1 Thông số của Arduino

- Vi điều khiển trong Arduino
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đơn giản như điều
khiển LED nhấp nháy xử lý tín hiệu và hiển thị trên thiết bị hiển thị như LCD, …
Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328, nếu u
cầu phần cứng khơng lớn thì có thể sử dụng các loại vi điều khiển như ATmega8,
ATmega168.

Hình 2.3.2 Vi điềều khi ển c ủa Arduino

- Nguồn
Arduino UNO sử dụng nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn với
điện áp khuyên dung là 7-12V DC và giới hạn nguồn vào là 6-20V. Nếu cấp nguồn

vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino.
- Các chân năng lượng
16


+ GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng chuyên biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
+ 5V: chân cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
+ 3.3V: chân cấp điện áp đầu ra là 3.3V. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
+ Vin (Voltage Output): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO.
+ IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được
đo ở chân này. Khơng được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng
của nó khơng phải cấp nguồn.
+RESET: việc nhấn nút Reset trên board để đặt lại vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
- Các cổng vào/ra

Hình 2.3.3 Các c ổng vào ra c ủa Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V hoặc 5V với dòng điện vào ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Ở mỗi chân đều có các điện trở Pull-Up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

17


- Một sốt chân digital có chức năng đặc biệt
+ 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX) dùng để nhận và gửi dữ liệu TTL Serial.

Arduino UNO có thể giao tiếp với các thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết
nối Bluetooth chính là kết nối Serial khơng dây. Nếu khơng cần giao tiếp Serial
thì khơng nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.

+ Chân PWM (~): 3,5,6,9,10 và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0→ 28-1 tương đương với 0V→5V). Nói đơn giản, các
chân này có thể điều chỉnh được điện áp từ 0V → 5V thay vì chỉ cố định ở 0V
hoặc 5V như các chân digital khác.
+ Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi các
chức năng thơng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao
thức SPI với các thiết bị khác.
+ LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút RESET,
sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nói với chân số 13. Khi chân
này được sử dụng LED sẽ sáng.
Arduino UNO 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 điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện
áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng
cách từ 0V→ 2.5V với độ phân giải là 10bit.
Đặc biệt Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác. Rất phù hợp để giao tiếp với RPLIDAR A1M8 R5

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
18


Hình 2.4.1 Mơ phỏng hệ thơống

19