thiết kế hệ thống điều khiển Phân loại sản phẩm theo màu sắc vđk

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ PHÂN LOẠI SẢN
PHẨM THEO MÀU SẮC
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện
tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực
khoa học kỹ thuật, quản lí, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin…. do đó
chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự
phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều
khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy, các
khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã được thấy
nhiều khâu được tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những khâu tự động
trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lượng sản phẩm sản xuất ra được các
băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm. Tuy nhiên đối
với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hồn tồn chưa được áp dụng
trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn cịn sử dụng nhân cơng, chính vì vậy
nhiều khi cho ra năng suất thấp chưa đạt hiệu quả. Từ những điều đã được nhìn thấy
trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra
hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao về
vật liệu. Nên chúng em đã quyết định thiết kế và thi cơng một mơ hình sử dụng băng
chuyền để phân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế.

1.2. Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay
Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong
thực tế hiện nay. Dùng sức người, cơng việc này địi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp
lại, nên các cơng nhân khó đảm bảo được sự chín rong cơng việc. Chưa kể đến có
những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận
ra. Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.
Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển
tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này
Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự
động có những quy mơ lớn, nhỏ khác nhau. Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi

phí cho các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam. Vì vậy hiện
nay đa số các hệ thống phân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệ
thống có u cầu phân loại phức tạp, cịn một lượng rất lớn các doanh nghiệp Việt


Nam vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc. Bên cạnh các băng chuyền
để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống
phân loại sản phẩm.
Bởi vì trước đây khi ngành cơng nghiệp chưa được phát triển, công việc này do con
người đảm nhận bằng mắt thường, bằng kinh nghiệm và sự ghi nhớ, trực tiếp phân loại
các sản phẩm đạt yêu cầu hoặc loại bỏ phế phẩm bằng tay. Tuy vậy cơng việc địi hỏi
sự tập trung cao và có tính lặp lại, nên các cơng nhân khó đảm bảo được sự chính xác
trong cơng việc. Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của
nhà sản xuất. Vì thế hệ thống tự động phân loại sản phẩm ra đời để đáp ứng nhu cầu
cấp bách này. Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản
xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân
loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sản phẩm
theo hình ảnh ảnh v.v… Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều
thuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật tốn
này có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ như muốn phân loại vải thì cần phân loại về
kích thước và màu sắc, về nước uống (như bia, nước ngọt) cần phân loại theo chiều
cao, khối lượng, phân loại xe theo chiều dài, khối lượng, phân loại gạch granite theo
hình ảnh v.v…Phân loại sản phẩm to nhỏ sử dụng cảm biến quang: sản phẩm chạy trên
băng chuyền ngang qua cảm biến quang thứ 1 nhưng chưa kích cảm biển thứ 2 thì
được phân loại vật thấp nhất, khi sản phẩm qua 2 cảm biến đồng thời thì được phân
loại vật cao nhất.
Phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc của sản phẩm: sử dụng những cảm biến
phân loại màu sắc sẽ được đặt trên băng chuyền, khi sản phẩm đi ngang qua nếu cảm
biến nào nhận biết đc sản phẩm thuộc màu nào sẽ được cửa phân loại tự động mở để
sản phẩm đó đựợc phân loại đúng. Phát hiện màu sắc bằng cách sử dụng các yếu tố là

tỷ lệ phản chiếu của một màu chính (ví dụ như đỏ, xanh lá cây hoặc xanh trời) được
phản xạ bởi các màu khác nhau theo các thuộc tính màu của đối tượng. Bằng cách sử
dụng công nghệ lọc phân cực đa lớp gọi là FAO (góc quang tự do), cảm biến E3MC
phát ra màu đỏ, xanh lá cây và màu xanh sáng trên một trục quang học đơn. E3MC sẽ
thu ánh sáng phản chiếu của các đối tượng thông qua các cảm biến nhận và xử lý tỷ lệ
các màu xanh lá cây, đỏ, xanh lam của ánh sáng để phân biệt màu sắc của vật cần cảm
nhận.


Phân loại sản phẩm dùng webcam: sử dụng 1 camera chụp lại sản phẩm khi chạy qua
và đưa ảnh về so sánh với ảnh gốc. Nếu giống thì cho sản phẩm đi qua, cịn nếu khơng
thì loại sản phẩm đó.
Nhận thấy thực tiễn đó, nay trong tiểu luận này, em sẽ mô phỏng lại hệ thống
phân loại theo vật liệu và có chức năng gần như tương tự ngồi thực tế.

1.3. Tổng quan về công nghệ theo vật liệu
1.3.1 Phân tích cơng nghệ phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động
nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói
hay loại bỏ sản phẩm hỏng.
Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm. Ví dụ:
- Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có
sự tham gia của con người hay không mức độ đến đâu, điều khiển bằng PLC, vi
xử lí.
- Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tín hiệu
điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí.
- Theo trọng lượng, kích thước bên ngồi.
- Ngồi ra cịn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của
phôi với nhau.
- Ứng dụng của hệ thống phân loại sản phẩm trong thực tế)

Cấu tạo chung của hệ thống :
Hệ thống gồm 4 bộ phận chính đó là bộ phận động lực bộ phận nhận biết và phân
loại sản phẩm mạch điều khiển bộ phận hiển thị.
Bộ phận động lực : gồm các thiết bị vận tải (băng chuyền , băng gầu....) các thiết
bị giúp phân loại ( xi lanh đề đây các sản phẩm có kích thước khác nhau về các nơi
khác nhau ..) , động cơ . bánh răng..
Bộ phận nhận biết và phân loại sản phẩm :hệ thống sử dụng cảm biến hoặc cơng
tắc hành trình đề nhận biết và phân loại vật liệu sản phẩm . Hệ thống có thể sử dụng
cảm biến quang cảm biến tiệm cận tủy vào sự bố trí khác nhau .
Mạch điều khiển : được xây dựng đề nhận tín hiệu từ cảm biến sau đó xử lý tín
hiệu đề điều khiển phần động lực . Mạch điều khiển sử một số phần tử như các rơle
thời gian , trung gian , công tắc tơ , bộ đếm counter....
Bộ phận hiển thị : sử dụng led 7 thanh đề hiển thị số lượng sản phẩm.
Nguyên lý hoạt động :
Hệ thống phân loại sản phẩm này hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến
(hoặc cơng tắc hành trình) đề xác định vật liệu của sản phẩm. Sau đó đùng xilanh đề
phân loại sản phẩm có vật liệu khác nhau . Sản phẩm sau phân loại sẽ được đếm bằng
các cảm biến cho đến khi đạt đủ số lượng theo yêu cầu rồi tiếp tục được chuyền đến
các thùng hàng đề đóng gói.


Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn máy hoạt động được cần những chuyển
động cần thiết: chuyền động tịnh tiền đê đưa sản phâm vào để phân loại ta dùng băng
chuyên đề tạo ra chuyên động nảy. Đề truyền động chuyên động quay cho trục của
băng chuyên ta dùng động cơ điện một chiều . Ngồi chun đơng đưa sân phẩm vảo
của băng chuyên máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyên động tịnh tiến
để đây sản phẩm theo kích thước của xilanh. Chuyển động của xilanh được điều khiển
bởi hệ thống khí nén.

1.4 Các thiết bị trong hệ thống

1.4.1. Giới thiệu chung về băng tải
Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo
phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này
được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các
xưởng luyện kim dùng để vận chuyển các linh kiện điện tử hoặc lắp ráp xe cộ và cả
trong bưu điện
Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1
số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa
chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hồn thành và chưa hồn thành giữa các
cơng đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng
được.
Ưu điểm của băng tải :
Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng
nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng.
Vốn đầu tư khơng lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ
dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển
khác không lớn lắm.
Cấu tạo chung của băng tải :

Hình 1.1: Cấu tạo chung băng chuyền
– Khung băng tải: thường được làm bằng nhơm định hình, thép sơn tĩnh điện hoặc
inox.


– Băng tải: Thường là dây băng tải cao su lõi bố PE, lõi thép, hoặc băng tải nhựa PVC
với các quy cách khác nhau.
– Động cơ: Có các loại động cơ giảm tốc công suất 0.2KW, 0.4KW, 0.75KW, 1.5KW,
2.2KW.
– Bộ điều khiển: Thường gồm biến tần, sensor, timer, …
– Cơ cấu truyền động: Rulo kéo, con lăn đỡ, nhông xích…

– Hệ thống bàn thao tác: thường bằng gỗ, thép hoặc inox trên mặt có dán thảm cao su
chống tĩnh điện.
– Hệ thống đường khí nén và đường điện.
– Hệ thống điện chiếu sáng.
Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn. năng suất của băng tải loại này có
thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s. Chiều dài của băng tải là không hạn
chế trong phạm vi kéo là 10kN.
- Băng tải xoắn vít: có 2 kiểu cấu tạo:
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn. Năng
suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.
+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1
có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện
nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động.
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng.
Lựa chọn loại băng tải:
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa
chọn một số loại băng tải sau:
Tuy nhiên khi chọn loại băng tải nên quan tâm đến trạng thái và mục đích sử dụng của
nó theo bảng sau:
Bảng 1.1: Mục đích sử dụng của các loại băng tải
Loại băng tải

Tải trọng

Phạm vi ứng dụng
Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên

Băng tải dây đai

< 50 kg

công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia
công cơ và lắp ráp.

Băng tải lá

25 ÷ 125 kg

Băng tải thanh đẩy

50 ÷ 250 kg

Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia
công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp
Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ
phận trên khoảng cách >50m.


Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa
Băng tải con lăn

30 ÷ 500 kg

các ngun cơng với khoảng cách
<50m.

Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận
chuyển.Tuy nhiên chúng địi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, địi hỏi độ chính xác cao, giá
thành khá đắt.

Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong
mơ hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây đai để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền
trong nhà máy với những lý do sau đây:
- Tải trọng băng tải khơng q lớn.
- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp.
- Dễ dàng thiết kế chế tạo.
- Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải.
Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như độ chính xác khi vận
chuyển khơng cao, đơi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ
môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian...
1.4.2 Giới thiệu xi lanh thuỷ lực
Trong hệ thống thủy lực có rất nhiều thiết bị như: van các loại, lọc dầu, thùng
chứa, phụ kiện, ống dẫn, đồng hồ đo áp, motor, bơm thủy lực, xi lanh… Tất cả những
thiết bị này được kết nối với nhau để tạo nên một hệ thống làm việc khép kín.
Trong đó, xi lanh thủy lực đóng vai trò là thiết bị chấp hành quan trọng, là một bộ
phận chính của cơ cấu truyền động. Vậy chức năng của xy lanh này là gì?
Thiết bị này dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực thành
động năng để có lực ở đầu cần, tác động thực hiện những nhiệm vụ: ép, nén, kéo, đẩy,
nghiền… theo yêu cầu.
a)Cấu tạo của pittong thuỷ lực :

Hình 1.2 : Cấu tạo xi lanh thuỷ lực
Ống xi lanh


Ống xi lanh thủy lực là một bộ phận có hình trụ trịn liền mạch. Nó cịn có thể
gọi là thùng xi lanh nhưng dù với tên gọi nào thì chức năng của nó là chứa và giữ áp
suất xi lanh.
Piston được chứa trong ống. Ống được mài nhẵn, mịn để bề mặt có thể đạt độ
hồn thiện từ 4-16 microinch.

Đế hoặc nắp hình trụ
Đế thực hiện nhiệm vụ đi kèm với buồng áp suất ở một đầu. Trong đó, nắp được
nối với thân xi lanh thông việc lắp bu lơng, hàn xì hoặc thanh tie. Giữa nắp và ống xy
lanh sẽ được lắp bằng seal tĩnh. Dựa trê thông sống của ứng xuất uốn mà khách hàng
có thể xác định được cơ bản kích thước nắp.
Đầu xi lanh (Cylinder head)
Đầu là bộ phận của xi lanh, có chức năng đi kèm với buồng áp suất ở đầu còn
lại. Đầu xi lanh được kết nối với xi lanh qua các thanh tie hoặc bu lơng.
Giữa đầu và ống có lắp o-ring. Tùy loại mà đầu có thể chứa một tuyến niêm
phong hoặc niêm phong que thích hợp.
Pít tơng (Piston)
Đây là chi tiết quan trọng, nó làm nhiệm vụ phân tách các vùng áp lực bên
trong ống. Thông thường, piston được các nhà sản xuất gia công sao cho phù hợp với
các seal, phốt, kim loại đàn hồi. Tùy theo thiết kế mà seal (con dấu) có thể đơn hoặc
kép.
Các piston được gắn với thanh piston thông qua bu lông, một số loại thì có thể
là các loại hạt. Lưu ý, sự khác biệt về áp suất của hai bên thân piston sẽ làm ống giãn
ra và rút lại.
Tìm hiểu thêm: Các cách làm kín piston xi lanh khí nén, thủy lực
Thanh piston (Piston rod)
Thông thường, người ta chọn thép, thép mạ crom để làm thanh piston sao cho
đảm bảo độ cứng cáp, chống ăn mòn tốt nhất.
Chức năng của thanh piston đó là nối kết thành phần của máy với thiết bị truyền
động để thực hiện nhiệm vụ công việc theo như yêu cầu. Các thanh piston này được
đánh bóng, nhẵn mịn và có các seal đính kèm giúp hạn chế và ngăn rò rỉ.
Trong các ống của xi lanh 2 đầu thì thanh piston sẽ kéo dài từ hai phía piston ra
hai đầu ống.
Con dấu (seal)
Con dấu hay chúng ta thường gọi là các seal. Để sản xuất seal, người ta phải căn
cứ trên các thông số về nhiệt độ của dầu, nhiệt độ môi trường, ứng dụng của xy lanh

và áp suất làm việc.


Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại con dấu, ví dụ như: con dấu làm từ
Fluorocarbon viton chịu được nhiệt độ cao, con dấu Elastomer thì chịu được nhiệt độ
thấp hơn.
Cụ thể, con dấu (seal) Elastomer được làm từ Poly và cao su Nitrile nó thích
hợp với các xi lanh làm việc trong mơi trường bình thường, nhiệt và áp không cao.
1.4.3 Động cơ băng tải
a) Khái niệm
Động cơ băng tải chính là 1 cơ chế hay một máy có khả năng vận chuyển được
một tải đơn, chẳng hạn như hộp, túi, thùng carton, hay 1 số lượng lớn vật liệu, chẳng
hạn như đất, bột, hóa chất, thực phẩm,… từ điểm A di chuyển đến điểm B.
Hay nói cách khác, băng tải là thiết bị có chức năng chuyển tải với đặc tính kinh
tế cao nhất trong số rất nhiều các ứng dụng vận chuyển hàng hóa hay nguyên vật liệu
sản xuất cho dù là bất cứ khoảng cách nào.
b) Cấu tạo của động cơ giảm tốc
Motor cơ giảm tốc được cấu tạo từ 2 phần chính là: Động cơ điện và hộp giảm tốc.
Động cơ điện :
Động cơ điện là thiết bị sử dụng điện năng chuyển hóa thành cơ năng để vận
hành các máy móc và thiết bị. Thiết bị này gồm có 2 loại là động cơ điện xoay chiều 1
pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Động cơ điện là thiết bị sử dụng điện năng chuyển hóa thành cơ năng để vận
hành các máy móc và thiết bị. Thiết bị này gồm có 2 loại là động cơ điện xoay chiều 1
pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc là bộ phận có chứa bộ truyền động sử dụng bánh răng, trục vít,…
Nó có nhiệm vụ làm giảm tốc độ của vòng quay. Hộp này là cơ cấu truyền động ăn
khớp trực tiếp với tỷ số truyền không thay đổi.
Hộp giảm tốc được sử dụng để giảm vận tốc góc và tăng momen xoắn. Đồng thời,

nó cũng là bộ phận trung gian giữa động cơ điện và máy cơng tác.

Hình 1.3 : Cấu tạo của động cơ giảm tốc
c) Nguyên lý hoạt động của motor giảm tốc


Khi rulo chủ động quay sẽ làm cho dây băng tải có thể chuyển động nhờ lực ma
sát giữa rulơ cùng với dây băng băng tải. Để tạo ra lực ma sát giữa phần rulo và dây
băng tải khi dây băng tải gầu lúc này đang bị trùng thì chúng ta cần điều chỉnh rulo bị
động để cho dây băng tải sẽ căng ra. Từ đó, tạo lực ma sát giữa dây băng tải và rulo
nhằm chủ động lực ma sát ở giữa dây băng tải và rulo sẽ làm cho băng tải xuất hiện
chuyển động tịnh tiến.
Khi các vật liệu khi đã rơi xuống trên bề mặt của dây băng tải, lúc này nó sẽ
được di chuyển đến vị trí khác nhờ vào chuyển động của băng tải. Để tránh tình trạng
băng tải bị võng xuống do tải quá nặng, người ta đã sử dụng các con lăn đặt ở phía
dưới bề mặt của băng tải. Đồng thời, điều này cũng làm giảm đi phần nào lực ma sát
trên đường đi của băng tải.
Một vấn đề quan trọng nữa là dây của băng tải phải có hệ số giãn dây thấp thì sẽ
vận chuyển được nhiều và trong thời gian ngắn hơn.

Hình 1.4 : Sơ đồ mạch động lực cho động cơ
1.4.4 Arduino Uno
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một
nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với

Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông
qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.

Hình 1.5 . Arduino Uno

1.4.5. Khối hiển thị LCD và I2C
Khối hiển thị LCD
Ngày nay thiết bị hiển thị LCD được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ứng dụng
của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác, nó có khả
năng hiện ký tự đa dạng, trực quan (chữ, số và ký tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch
ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau tốn rất ít tài ngun hệ thống và giá
thành rẻ...
Hình dáng và kích thước:

Hình 1.6. LCD 16X2


Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, hình trên là
một loại LCD thơng dụng.
+ Màn hình LCD 16X2 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng
với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử
dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động là 5 V.
+ Kích thước: 86.96 x 60 x 13 mm
+ Chữ đen, nền xanh lá/xanh dương
+ Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
+ Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD 16x2 hỗ trợ việc kết nối, đi dây
điện.
+ Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít

điện năng hơn.
+ Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.
+ Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật.
Module I2C
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và chiếm dụng
nhiều chân trên vi điều khiển.
+ Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn.
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6,
D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16x2, LCD
20x4,...) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
+ Ưu điểm:
-

Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
Dễ dàng kết nối với LCD.

+ Thông số kĩ thuật:
-

Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).
Giao tiếp: I2C.
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.


Hình 1.7. LCD 16x4 và Module I2C

1.4.6 Giới thiệu về Module Relay 12VDC
Module 1 relay 12V được sử dụng để đóng ngắt các thiết bị cần điều khiển.
Mạch được thiết kế nhỏ gọn với đầy đủ đèn led báo nguồn, led báo tình trạng relay,
có opto cách ly giúp tín hiệu điều khiển khơng bị nhiễu khi hoạt động. Ngồi ra với
module này có thể thay đổi tín hiệu kích đóng ngắt relay là mức cao hoặc mức thấp
bằng cách chuyển jumper trên mạch. Mạch sử dụng điện áp 12V thông dụng với
ngõ ra Domino 3 chân NO(thường mở), COM(chung), NC(thường đóng) của relay
giúp thuận tiện hơn khi sử dụng.
Relay hình 3.6 là thiết bị đóng cắt cơ bản, nó được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống
và trong các thiết bị đièu khiển điện tử. - Cấu tạo relay gồm 2 phần:
+ Cuộn hút: tạo ra năng lượng từ trường để hút các tiếp điểm về mình.
+ Cặp tiếp điểm: khi không cấp điện tiếp điểm 1 được tiếp xúc tiếp điểm 2 (tiếp điểm
thường đóng). Khi cấp điện tiếp điểm 1 bị hút chuyển sang tiếp điểm 3 (tiếp điểm
thường mở)

Hình 1.8: Module Relay 12VDC


CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS
2.1 Tổng quan về ArduinoUno R3
2.1.1 Giới thiệu
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. Cái tên
"Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này
thường xuyên gặp mặt.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn ngữ riêng. Ngơn
ngữ này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung trên một mơi
trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân. Và Wiring lại là một
biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C+

+.
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. một trong số
các nhà nghiên cứu là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này. Những nhà thiết kế
của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những
người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng
tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành.
Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một
mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở). Người ta ước
tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản


xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa
tới tay người dùng.
Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là Smart Projects. Một
vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên là SparkFun
Electronics. Nhiều phiên bản của Arduino cũng đã được sản xuất phù hợp cho nhiều
mục đích sử dụng:

Hình 2.1: Những phiên bản của Arduino

2.1.2 Uno
"Uno" có nghĩa là một bằng tiếng Ý và được đặt tên để đánh dấu việc phát hành sắp
tới của Arduino 1.0. Uno và phiên bản 1.0 sẽ là phiên bản tài liệu tham khảo của
Arduino. Uno là mới nhất trong các loại board Arduino, và các mơ hình tham chiếu
cho các nền tảng Arduino.
Arduino Uno là một “hội đồng quản trị” dựa trên ATmega328. Nó có 14 số chân
đầu vào / đầu ra, 6 đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, một jack
cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ

trợ các vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp điện cho
nó để bắt đầu.

Hình 2.2: Arduino Uno

Uno khác với tất cả các phiên bản trước ở chỗ nó khơng sử dụng các FTDI chip
điều khiển USB-to-serial. Thay vào đó, nó có tính năng Atmega 16U2 lập trình như là
một cơng cụ chuyển đổi USB-to-serial.
Phiên bản 2 (R2) của Uno sử dụng Atmega8U2 có một điện trở kéo dịng 8U2
HWB xuống đất, làm cho nó dễ dàng hơn để đưa vào chế độ DFU.
Phiên bản 3 (R3) của Uno có các tính năng mới sau đây:
 Thêm SDA và SCL gần với pin Aref và hai chân mới được đặt gần với pin RESET,
các IOREF cho phép thích ứng với điện áp cung cấp.
 Đặt lại mạch khỏe mạnh hơn.
 Atmega 16U2 thay thế 8U2.
2.1.3 Cấu trúc, thông số


Bảng 2.1: Một vài thông số của Arduino UNO R3

a. Vi điều khiển & bộ nhớ
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 2.3: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash

của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho
bootloader nhưng đừng lo, hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này. 2KB cho SRAM
(Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây.


Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng
hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên
SRAM sẽ bị mất.
1Kb cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào mà không
phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
b. Cấu tạo

Hình 2.4: Arduino đời đầu

Một board Arduino đời đầu gồm một cổng giao tiếp RS-232 (góc phía trênbên
trái) và một chip Atmel ATmega8 (màu đen, nằm góc phải-phía dưới); 14 chân I/O số
nằm ở phía trên và 6 chân analog đầu vào ở phía đáy.
Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho
những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ
thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input
analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số. Những chân này được thiết kế nằm
phía trên mặt board, thơng qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Các board Arduino
Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các
chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard.
Chiều dài tối đa và chiều rộng của Uno PCB là 2,7 và 2,1 inch tương ứng, với kết nối
USB và jack điện mở rộng vượt ra ngồi khơng gian cũ. Bốn lỗ vít cho phép được gắn
vào một bề mặt khác:

Hình 2.5: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino

c. Vị trí & chức năng các chân
Nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng USB, có thể cấp nguồn cho Arduino UNO từ
một bộ chuyển đổi AC→DC hoặc pin. Các bộ chuyển đổi có thể được kết nối bằng
một plug-2.1mm trung tâm tích cực vào jack cắm điện.


Trường hợp cấp nguồn quá ngưỡng trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Các chân năng lượng:
 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các thiết bị
sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa ở chân này là 50mA.
 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm với chân GND.
 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc
chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các chân Input/Output:

Hình 2.6: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thơng qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial khơng dây.

Nếu khơng cần giao tiếp Serial, không 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 ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói
một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V
thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân 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 màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân
này được người dùng 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, ta có
thể để đưa vào 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 từ
0V → 2.5V với độ phân giải vẫn 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
d. Extension shield

Hình 2.7: Các shield xếp chồng lên Arduino

Arduino cũng sử dụng chip AVR của Atmel làm nền tảng, thế nê n hầu hết cái gì
PIC/AVR làm được thì Arduino làm được. Nếu muốn điều khiển động cơ, sẽ có các
mạch cơng suất tương thích hồn tồn với Arduino. Nếu muốn điều khiển qua mạng
Internet, cũng có một mạch Ethernet/Wifi tương thích hồn tồn với Arduino. Và cịn
rất nhiều thứ khác nữa.
Những mạch được đề cập như trên được gọi là các extension shield (mạch mở rộng).

Các shield này giúp tăng tính linh hoạt của Arduino.


Hình 2.8: Một số shield thơng dụng

e) Các bước để nạp chương trình arduino
Bước 1: Kết nối Arduino UNO R3 vào máy tính

Bước 2: Tìm cổng kết nối của Arduino Uno R3 với máy tính
Khi Arduino Uno R3 kết nối với máy tính, nó sẽ sử dụng một cổng COM
(Communication port - cổng dữ liệu ảo) để máy tính và bo mạch có thể truyền tải dữ
liệu qua lại thơng qua cổng này. Windows có thể quản lí đến 256 cổng COM. Để tìm
được cổng COM đang được sử dụng để máy tính và mạch Arduino UNO R3 giao tiếp
với nhau, bạn phải mở chức năng Device Manager của Windows.


Bạn mở cửa sổ Run và gõ lệnh mmc devmgmt.msc.

Sau đó bấm Enter, cửa sổ Device Manager sẽ hiện lên.

Mở mục Ports (COM & LPT), bạn sẽ thấy cổng COM Arduino Uno R3 đang kết nối

Cổng kết nối ở đây là COM3.


Thông thường, trong những lần kết nối tiếp theo, Windows sẽ sử dụng lại cổng COM3
để kết nối nên bạn khơng cần thực hiện thêm thao tác tìm cổng COM này nữa.
Bước 3: Khởi động Arduino IDE

Bước 4: Cấu hình phiên làm việc cho Arduino IDE

Vào menu Tools -> Board -> chọn Arduino Uno

Vào menu Tools -> Serial Port -> chọn cổng Arduino đang kết nối với máy tính. Ở
máy của mình là COM3.


Xác nhận cổng COM của Arduino IDE ở góc dưới cùng bên phải cửa sổ làm việc

Vào menu Tools -> Programmer -> chọn AVR ISP


Bước 5: Mở và nạp mã nguồn chương trình mẫu
Nạp một chương trình mẫu bằng cách vào menu File -> Examples -> 01.Basics ->
chọn Blink.


Bạn sẽ thấy Arduino IDE mở một cửa sổ mới chứa mã nguồn Blink. Mã này có chức
năng là điều khiển đèn LED màu cam trên mạch Arduino Uno R3 nhấp nháy với chu
kì 1 giây.