Đồ án tốt nghiệp xử lý ảnh LÊ ĐỨC TOÀN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
Chương I: Mở đầu..........................................................................................................5
1.1

Giới thiệu đề tài...................................................................................................5

1.2

Tầm quan trọng và mục đích của đề tài...............................................................5

1.3

Ý nghĩa của đề tài................................................................................................5

1.4

Ưu, Nhược điểm của đề tài..................................................................................5

Chương II: Tổng quan về lý thuyết...............................................................................6
2.1 Lý thuyết về xử lý ảnh............................................................................................6
2.1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh............................................................6
2.1.2 Giới thiệu ảnh số...........................................................................................7
2.1.3 Các vấn đề trong xử lý ảnh...........................................................................7
2.2

Lý thuyết về phần mềm Matlab.........................................................................10

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab..................................................................10
2.2.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab..................................................10

2.2.3 Hệ thống Matlab.........................................................................................11
2.3 Lý thuyết về Biến Tần...........................................................................................11
2.3.1 Khái niệm Biến Tần.......................................................................................11
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của Biến Tần..............................................................12
2.3.3 Lợi ích của việc sử dụng Biến Tần..............................................................12
2.4 Lý thuyết về vi xử lý họ 8051...............................................................................13
2.4.1 Chức năng chân của vi xử lý 8051..............................................................13
2.4.2 Giới thiệu về Ngắt :.....................................................................................14
2.5

Lý thuyết về phần mềm lập trình Keil C............................................................14

2.5.1 Cấu trúc một chương trình :..........................................................................14
2.5.2 Các loại biến trong C :................................................................................15
Chương III: Lưu đồ giải thuật.....................................................................................16
3.1 Yêu cầu hoạt động................................................................................................16
3.2

Lưu đồ hoạt động của mô hình:.........................................................................17

3.3 Các khối chính trong mô hình:.............................................................................18
Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.4

Chức năng từng 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 giữa máy tính và 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 và thi công....................................................................................29
5.1

Thi công mạch...................................................................................................29

5.1.1 Mạch giao tiếp giữa vi xử lý và 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 một số lệnh sử dụng trong 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 của Vi Xử Lý trung tâm........................................................................37
5.4.2 Code của Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05:..........................37

Chương VI: Kết quả thực hiện và hướng phát triển đề tài........................................38
6.1 Kết quả thực hiện.................................................................................................38
6.2 Giải pháp mở rộng...............................................................................................38
6.3 Hướng phát triển của đề tài..................................................................................38

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chương VII: Tài liệu tham khảo..................................................................................40
Phụ lục...........................................................................................................................41
Code của phần Guide:.............................................................................................41
Code Serial_Callback.m là chương trình phục vụ sự kiện của Matlab khi nhận được
một dữ hiệu từ vi điều khiển truyền lên:.................................................................63
Cài đặt thông số biến tần:.......................................................................................64
Code của Vi Xử Lý trung tâm:................................................................................68
Code của Vi Xử Lý đọc cảm biến đo khoảng cách SRF05.....................................74

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

3


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 của mô hình.......................................................................17

Hình 3.3: Sơ đồ khối chính của mô hình.........................................................................18
Hình 3.4: Module cảm biến SRF05.................................................................................22
Hình 3.5: Kết nối chân ở 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 của ánh sáng trắng đi qua lăng kính..................................................24
Hình 4.2: Ảnh chai nước với dung dịch màu xanh lá cây................................................25
Hình 4.3 : Ảnh của chai nước sau khi đã tách lớp...........................................................25
Hình 4.4: Ảnh chai nước sau khi xử lý thành ảnh trắng đen............................................26
Hình 4.5: Kết quả sau khi xử lý.......................................................................................26
Hình 4.6: Hiện tượng dính ướt và không dính ướt..........................................................27
Hình 4.7: Lưu đồ xử lý ảnh.............................................................................................28
Hinh 5.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch giao tiếp máy tính..................................................29
Hình 5.2 Mạch thực tế nhóm đã hoàn thành....................................................................29
Hình 5.3: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến hồng ngoại.............................................30
Hình 5.4: Mạch thực tế của cảm biến hồng ngoại...........................................................30
Hình 5.5: Sơ đồ nguyên lý tổng thể.................................................................................31
Hình 5.6: Mạch thực tế của 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 của chương trình xử lý ảnh...........................................................34
Hình 5.11: Khóa DIP của Biến Tần.................................................................................36

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chương I: Mở đầu
1.1Giới thiệu đề tài
Tên đề tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh.
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 từ24VDC loại điều khiển ON/OFF 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.

1.2Tầm quan trọng và mục đích của đề tài
Trong dây chuyền sản xuất nước đóng chai thì khâu chiết rót nước là một phần
quan trọng không thể thiếu. Hiện nay trong công nghiệp, trong khâu chiết rót nước
thường dùng bộ đong cơ khí hay đong theo thời gian trễ cố định. Ưu điểm của cách trên
là tốc độ nhanh, rót được mọi loại chaituy nhiên cũng có nhược điểm:
-

Bộ đong cơ khí thì khó khăn trong chế tạo, giá thành sản xuất cao,tốn không gian
cho dây chuyền để lắp đặt và tốn chi phí bảo trì. Khi thay đổi hình dạng, kích
thước chai thì cần phải thay đổi bộ đong cơ khí.
Đong theo thời gian trễ cần khâu kiểm tra sau khi rót nước.

Do vậy nhóm em xin trình bày một cách khác trong khâu chiết rót nước là sử dụng
xử lý ảnh và Matlab để giám sát và điều khiển quá trình rót nước.

1.3Ý nghĩa của đề tài
Ứng dụng một tính năng khác của công nghệ xử lý ảnh và Matlab vào sản xuất.
Giúp tiết kiệm chi phí và đơn giản hóa hệ thống trong quy trình sản xuất nước đóng chai.
Từ đó tiết kiệm được công và chi phí trong việc bảo trì.

1.4Ưu,Nhược điểm của đề tài
Ưu điểm của đề tài là sử dụng xử lý ảnh và Matlab để giám sát và điều khiển quá
trình rót nước, vì thế loại bỏ được khâu kiểm tra sau khi rót nước. Hơn nữa, vừa thực
hiện rót nước và vừa kiểm tra nên mô hình đơn giản và tiết kiệm được chi phí chế tạo
phần cứng. Đặc biệt khi thay đổi về hình dạng chai cũng như kích thước thì không cần
thay đổi phần cứng của mô hình.
Nhược điểm của đề tài là do mô hình sử dụng camera để giám sát quá trình rót
nước nên chỉ sử dụng được với các loại chai có độ trong suốt tương đối.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chương II: Tổng quan về lý thuyết.
2.1 Lý thuyết về xử lý ảnh.
2.1.1 Tổng quan về một hệ thống xử lý ảnh.
Xử lý ảnh là một ngành khoa học còn mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác,
nhất là trên quy mô công nghiệp. Để có thể hình dung cấu hình của một hệ thống xử lý
ảnh, ta cần thiết xem xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh.
Lưu
trữ
CAMERA
Thu nhận
ảnh

Số hóa

Phân tích
ảnh

Nhận
dạng

SENSOR
Lưu
trữ

Hệ quy
định

Trước hết là quá trình thu nhận ảnh. Ảnh có thể thu nhận qua Camera. Thường ảnh
thu nhận qua Camera là tín hiệu tương tự, nhưng cũng có thể là tín hiệu số hóa.
Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng, hay ảnh, tranh được
quét trên scanner.
Quá trình phân tích ảnh thực chất bao gồm nhiều công đoạn nhỏ như tăng cường
nâng cao chất lượng ảnh, khôi phục ảnh, phát hiện các đặc tính biên, phân vùng ảnh,
trích chọn các đặc tính…
Cuối cùng tùy theo mục đích của ứng dụng, sẽ là giai đoạn nhận dạng, phân lớp
hay các quyết định khác. Các giai đoạn chính của quá trình xử lý ảnh có thể mô tả như
hình trên.
 Bộ xử lý tương tự (analog processor): Bộ phận này thực hiện các chức năng sau:

-

Chọn camera thích hợp nếu hệ thống có nhiều camera.
Chọn màn hình hiển thị tín hiệu.
Thu tín hiệu video thu nhận bởi bộ số hóa (digitalizer). Thực hiện lấy mẫu

và mã hóa.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

-

Tiền xử lý ảnh khi thu nhận: dùng kỹ thuật bảng tra (Look Up Table-LUT).
 Bộ xử lý ảnh số (digital processor) gồm nhiều bộ xử lý chuyên dụng: xử lý lọc,
trích chọn đường bao, nhị phân hóa ảnh. Các bộ xử lý ảnh này làm việc với tốc độ
1/25 giây.
 Máy chủ: đóng vai trỏ điều khiển các thành phần mô tả ở trên.
 Bộ nhớ ngoài: Dữ liệu ảnh cũng như các kiểu dữ liệu khác, để có thể chuyển giao
cho các quá trình khác, nó cần được lưu trữ. Để có một ước lượng, xét ví dụ sau:
một ảnh đen trắng cỡ 512x512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes. Với một ảnh
màu cùng kích thước dung lượng sẽ tăng gấp 3 lần.
2.1.2 Giới thiệu ảnh số.
Đứng trên góc độ cảm nhận của thị giác, ảnh là một sự đại diện cho con người, sinh
vật hay một đồ vật nào đó…Đứng trên góc độ kỹ thuật thì ảnh được nhận biết thông qua
hệ thống thị giác 2 chiều. Ảnh động như ta thấy trên truyền hình là tập hợp của rất nhiều
điểm ảnh liên tiếp. Khi một ảnh được số hóa thì nó trở thành ảnh số và ảnh số này lại là
một tập hợp nhiều phần tử ảnh nhỏ gọi là điểm ảnh “pixel”. Mỗi điểm ảnh lại được biểu
diễn dưới dạng một số hữu hạn các bit, dựa vào đó chúng ta có thể chia ảnh làm 3 loại
khác nhau:
 Ảnh đen trắng: mỗi điểm ảnh được biểu diễn bởi 1 bit, các ảnh này đôi khi còn
được gọi là Bi-Level hoặc Bi-tonal images.

 Ảnh Gray-scale: Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng các mức chói khác nhau,
thường thì ảnh này được biểu diễn bằng 256 mức chói hay 8 bit cho mỗi điểm
ảnh.
 Ảnh màu: Mỗi điểm ảnh màu được chia ra gồm nhiều điểm ảnh chói và các tín
hiệu màu.
2.1.3 Các vấn đề trong xử lý ảnh.
2.1.3.1Pixel (Picture Element): Phần tử ảnh.
Ảnh thực tế là một dảy liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý
ảnh bằng máy tính thì cần thiết phải tiến hành số hóa. Trong quá trình số hóa, hình ảnh
được biến đổi từ liên tục thành rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu và lượng hóa thành
phần giá trị mà về nguyên tắc bằng mắt thường không thể phân biệt hai điểm kề nhau.
Trong quá trình này người ta sử dụng khái niệm Picture Element mà ta hay quen gọi hay
viết là Pixel- Phần tử ảnh.
Như vậy ảnh là một tập hợp các pixel. Khi được số hóa, nó thường được biểu diễn
bởi 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 chỉ một pixel. Thường giá trị của n chọn bằng p và bằng 256.
Một pixel có thể lưu trữ trên 1, 4, 8 hay 24 bit.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.1.3.2Gray level: Mức xám.
Mức xám là kết quả sự mã hóa tương ứng của một cường độ sáng của mỗi điểm
ảnh với 1 giá trị số - kết quả của quá trình lượng hóa. Cách mã hóa kinh điễn thường
dùng 16, 32 hay 64 mức. Mã hóa 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật. Vì
(0, 1, …, 256), nên với 256 mức, mỗi pixel sẽ được mả hóa bởi 8 bit.
2.1.3.3 Biểu diễn ảnh

Tronh biễu diễn ảnh, người ta thường dùng các phần tử đặc trưng của ảnh là pixels.
Nhìn chung có thể xem một hàm hai chiều chứa các thông tin như biểu diễn của một ảnh.
Các mô hình biểu diễn ảnh cho ta một mô tả logic hay định lượng các tính chất của hàm
này. Trong biểu diễn ảnh cần chú ý đến tính trung thực của ảnh hoặc các tiêu chuẩn
“thông minh” để cho chất lượng ảnh hoặc tính hiệu quả của các kỹ thuật xử lý.
Việc xử lý ảnh số yêu cầu ảnh phải được mẫu hóa và lượng tử hóa. Việc lượng tử
hóa ảnh là chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số của một ảnh đã lấy mẫu sang
một số hữu hạn mức xám.
Một số mô hình thường được dùng trong biễu diễn ảnh: mô hình toán, mô hình
thống kê. Trong mô hình toán, ảnh 2 chiều được biểu diễn nhờ các hàm hai biến trực
giao gọi là các hàm cơ sở. Với mô hình thống kê, một ảnh được coi như một phần tử của
một tập hợp đặc trưng bởi các đại lượng như: kỳ vọng toán học, hiệp biến, phương sai,
moment…
2.1.3.4 Tăng cường ảnh- Khôi phục ảnh.
Tăng cường lá bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý ảnh. Nó gồm một loạt các kỹ
thuật như: lọc độ tương phản, khử nhiễu, nổi màu…
Khôi phục ảnh nhằm loại bỏ các suy giảm trong ảnh. Với một hệ thống tuyến tính,
ảnh của một đối tượng có thể được biểu diễn:

Trong đó:
Là hàm biểu diễn nhiễu cộng.
Là hàm biễu diễn đối tượng.
Là ảnh thu nhận.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Là hàm tán xạ điểm.
Một vấn đề khôi phục ảnh tiêu biểu là tìm một xấp xỉ của

khi hàm tán xạ

điểm có thể đo lường hay quan sát được, ảnh mờ và các tính chất xác suất của quá trình
nhiễu.
2.1.3.5Biến đổi ảnh
Thuật ngữ biến đổi ảnh thường được dùng để nói tới một lớp các ma trận đơn vị và
các kỹ thuật dùng để biến đổi ảnh. Cũng như các tín hiệu một chiều được biểu diễn bởi
một chuỗi các hàm cơ sở, ảnh cũng được biểu diễn bởi một chuỗi rời rạc các ma trận cơ
sở gọi là ảnh cơ sở. Phương trình ảnh cơ sở có dạng :
Với
Các

là cột thứ k của ma trận A, A là ma trận đơn vị. Có nghĩa là
định nghĩa ở trên với k,l = 0, 1, …, N-1 là ảnh cơ sở. Có nhiều loại biến đổi

được dùng như:

-

Biến đổi Fourier, Sin, Cosin, Hadamard…
Tích Kronecker
Biến đổi Karhumen Loeve (KL): biến đổi này có nguồn gốc từ khai triển của các
quá tình ngẫu nhiên gọi là phương pháp trích chọn các thành phần chính.

Do phải xử lý nhiều thông tin, các phép toán nhân và cộng trong khai triển là khá
lớn. Do vậy, các biến đổi trên giúp làm giảm thứ nguyên của ảnh để việc xử lý ảnh được

hiệu quả hơn.
Ma trận khối là ma trận mà các phần tử của nó lại là một ma trận.
2.1.3.6Phân tích ảnh
Phân tích ảnh có liên quan đến việc xác định các độ đo định lượng của ảnh để đưa
ra một mô tả đầy đủ về ảnh. Các kỹ thuật ở đây nhằm xác định biên của ảnh. Có nhiều
kỹ thuật như lọc vi phân hay dò theo quy hoạch động.
Người ta cũng dùng các kỹ thuật để phân vùng ảnh. Từ ảnh thu được, người ta tiến
hành kỹ thuật tách hay hợp dựa theo các tiêu chuẩn đánh giá như: màu sắc, cường độ…
các phương pháp được biến đến như Quad- Tree, mảnh hóa nhị biên, nhị hóa đường
biên.
2.1.3.7Nhận dạng ảnh.
Nhận dạng ảnh là quá trình liện quan đến mô tả đối tượng mà ngườit a muốn đặc tả
nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chon các đặc tính chủ yếu của đối
tượng. Có hai kiểu mô tả đối tượng:

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

9


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 đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đối
tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có
dấu).
Nhận dạng chữ in hoặc đánh máy phục vụ cho việc tự động hoá quá trình đọc tài
liệu, tăng nhanh tốc độ và chất lượng thu nhận thông tin từ máy tính.
Nhận dạng chữ viết tay (với mức độ ràng buộc khác nhau về cách viết, kiểu chữ,...)
phục vụ cho nhiều lĩnh vực.

Ngoài 2 kỹ thuật nhận dạng trên, hiện nay một kỹ thuật nhận dạng mới dựa vào kỹ
thuật mạng nơ-ron đang được áp dụng và cho kết quả khả quan.
2.1.3.8Nén ảnh.
Dữ liệu ảnh cũng như các dữ liệu khác cần phải lưu trữ hay truyền đi trên mạng. Như đã
nói ở trên, lượng thông tin để biểu diễn cho một ảnh là rất lớn. Trong phần trên chúng ta
đã thấy một ảnh đen trắng cỡ 512 x 512 với 256 mức xám chiếm 256K bytes. Do đó làm
giảm lượng thông tin hay nén dữ liệu là một nhu cầu cần thiết. Nhiều phương pháp nén
dữ liệu đã đợc nghiên cứu và áp dụng cho loại dữ liệu đặc biệt này.

2.2

Lý thuyết về phần mềm Matlab.

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab.
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công ty
MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ
thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với những
chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. MATLAB giúp đơn giản
hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền
thống như C, C++ và Fortran.
MATLAB được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh,
truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lường kiểm tra, phân tích mô hình tài chính,
hay tính toán sinh học. Với hàng triệu kĩ sư và nhà khoa học làm việc trong môi trường
công nghiệp cũng như ở môi trường hàn lâm, MATLAB là ngôn ngữ của tính toán khoa
học.
2.2.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab.
Matlab là một hệ thống tương giao, các phần tử dữ liệu là một mảng (mảng này
không đòi hỏi về kích thước). Chúng cho phép giải quyết các vấn đề liên quan đến lập
trình bằng máy tính, đặc biệt sử dụng các phép tính về ma trận hay vectơ và có thể sử
dụng ngôn ngữ C hoặc Fortran lập trình rồi thực hiện ứng dụng lập trình đó bằng các câu

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
lệnh gọi từ Matlab. Matlab được viết tắt từ chữ “MATrix LABoratory” tức là thư viện về
ma trận, từ đó phần mềm Matlab được viết nhằm cung cấp cho việc truy cập vào phần
mềm ma trận một cách dễ dàng, phần mềm ma trận này được phát triển bởi các công
trình Linpack và Eispack. Ngày nay Matlab được phát triển bởi Lapack và Artpack tạo
nên một nghệ thuật phần mềm cho ma trận.
 Dữ liệu.
Dữ liệu của Matlab thể hiện dưới dạng ma trận (hoặc mảng - tổng quát), và có các
kiểu dữ liệu được liệt kê sau đây:
Kiểu đơn single, kiểu này có lợi về bộ nhớ dữ liệu vì nó đòi hỏi ít bite nhớ
hơn, kiểu dữ liệu này không được sử dụng trong các phép tính toán học vì độ
chính xác kém hơn.
Kiểu Double, kiểu này là kiểu thông dụng nhất trong các biến của Matlab
Kiểu Sparse.
Kiểu uint8, uint16, uint 64…
Kiểu char VD “Hello”.
Kiểu Cell.
Kiểu Structure.
Trong Matlab kiểu dữ liệu Double là kiểu mặc định sử dụng trong các phép tính
số học.
 Toolbox là một công cụ quan trọng trong Matlab.
Công cụ này được Matlab cung cấp cho phép bạn ứng dụng các kỹ thuật để phân
tích, phân tích và mô phỏng các mô hình.
Ta có thể tìm thấy toolbox trong môi trường làm việc của:

Mạng Nơron.
Logic mờ.
Simulink.
2.2.3 Hệ thống Matlab.
Hệ thống giao diện của Matlab được chia thành 5 phần:
 Môi trường phát triển.
Đây là nơi các thanh công cụ, các phương tiện giúp chúng ta sử dụng các lệnh và
các file, ta có thể liệt kê một số như sau:

-

Destop.
Command Window.
Command History.

Browsers for viewinghelp.
 Thư viện, các hàm toán học bao gồm các cấu trúc như tính tổng, sin, cosin, artan,
tan … các phép tính đơn giản đến các phép tính phức tạp như tính ma trận nghịch
đảo, trị riêng, chuyển đổi fourier, laplace, symbolic library.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Ngôn ngữ Matlab. Đó là các ngôn ngữ cao về ma trận và mảng, với các dòng
lệnh, các hàm, các cấu trúc dữ liệu vào, có thể lập trình hướng đối tượng.
 Đồ họa trong Matlab. Bao gồm các câu lệnh thể hiện đồ họa trong môi trường 2D
và 3D, tạo các hình ảnh chuyển động, cung cấp các giao diện tương tác giữa

người sử dụng và máy tính.
 Giao tiếp với các ngôn ngữ khác, Matlab cho phép tương tác với các ngôn ngữ
khác như C, Fortran…

2.3 Lý thuyết về Biến Tần.
2.3.1 Khái niệm Biến Tần.
Biến tần là một thiết bị được dùng để điều khiển tốc độ quay của động cơ điện xoay
chiều bằng cách điều khiển tần số của điện năng cung cấp cho động cơ.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động của Biến Tần.
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành
nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và
tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc
vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành
điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ
IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
(PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số
chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và
giảm tổn thất trênlõi sắt động cơ.
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số
vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật
nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mômen không đổi, tỉ số điện áp - tần
số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là
hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù
hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện
áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện
bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ
xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất
nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay
biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất
phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

2.3.3 Lợi ích của việc sử dụng Biến Tần.
TIẾT KIỆM ĐIỆN
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh
kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu
thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu của hệ thống.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Qua tính toán với các dữ liệu thực tế, với các chi phí thực tế thì với một động cơ
sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho một bộ biến tần là khoảng từ 3
tháng đến 6 tháng.
Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển
hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ
truyền động cho bơm và quạt.
CÁC LOẠI TẢI NÊN SỬ DỤNG BIẾN TẦN ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN
1. Phụ tải có mô mem thay đổi (điều hòa trung tâm, bơm cấp nước, bơm quạt mát,...)
2. Động cơ luôn chạy non tải mà không thể thay động cơ được thì phải lắp thêm biến tần.

2.4 Lý thuyết về vi xử lý họ 8051
8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại
một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữliệu 8 bit để cho xử lý.
8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit. Các nhà sản xuất đã cho xuất
xưởng chỉvới 4K byte ROM trên chíp.
Đặc tính
Số lượng
ROM trên chip

4K byte
RAM
128 byte
Bộ định thời
2
Các chân vào – ra
32
Cổng nối tiếp
1
Nguồn ngắt
6
2.4.1 Chức năng chân của vi xử lý 8051
Là IC đóng vỏ dạng DIP có 40 chân, mỗi chân có một kí hiệu tên và có các chức năng
như sau:
Chân 40: nối với nguồn nuôi +5V.
Chân 20: nối với đất (Mass, GND).
Chân 29 (PSEN) (program store enable): là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho
phép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân của OE (Outout Enable) của
EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình. Các xung tín hiệu PSEN hạ
thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh. Những mã nhị phân của chương trình đượcđọc từ
EPROM đi qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh.
Chân 30 (ALE: Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho
phép phân kênh bus địa chỉvà bus dữliệu của Port 0.
Chân 31 (EA: Eternal Acess) được đưa xuống thấp cho phép chọn bộnhớmã ngoài đối
với 8051.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

13

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
32 chân còn lại chia làm 4 cổng vào ra:
Vào ra tức là có thể dùng chân đó để đọc mức logic (0;1 tương ứng với 0V ; 5V) vào hay
xuất mức logic ra(0;1)
P0: từ chân 39

32 tương ứng là các chân P0_0

P0_7

P1: từchân 1

8 tương ứng là các chân P1_0

P1_7

P2: từchân 21

28 tương ứng là các chân P2_0

P2_7

P3: từchân 10

17 tương ứng là các chân P3_0

P3_7

Tần số thạch anh thường dùng trong các ứng dụng là : 11.0592Mhz (giao tiếp với cổng

COM máy tính) và 12Mhz Tần số tối đa 24Mhz. Tần số càng lớn VĐK xử lí càng nhanh.

2.4.2 Giới thiệu về Ngắt :
Ngắt do
Reset hệ thống
Ngắt ngoài 0
Bộ định thời 0
Ngắt ngoài 1
Bộ định thời 1
Port nối tiếp
Bộ định thời 2

Cờ
RST
IE0
TF0
IE1
TF1
RI hoặc TI
TF2 hoặc EXF2

Địa chỉ vector
0000H
0003H
000BH
0013H
001BH
0023H
002BH

Một chương trình chính không có ngắt thì chạy liên tục, còn chương trình có ngắt thì cứ
khi nào điều kiện ngắt được đảm bào thì con trỏ sẽ nhảy sang hàm ngắt thực hiện xong
hàm ngắt lại quay về đúng chỗcũvà thực hiện tiếp chương trình.

2.5 Lý thuyết về phần mềm lập trình Keil C
2.5.1 Cấu trúc một chương trình :
//Đính kèm các file
#include <file.h>
#include <file.c>
//Khai báo biến toàn cục

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
unsigned char x,y;
int z;
long n=0;
//Khai báo và định nghĩa các hàm
void Hàm1(void)
{
…//Các câu lệnh
}
void Hàm2(unsigned char x)
{
…//Các câu lệnh
}
//Hàm chính bắt buộc chương trình nào cũng phảI có

void main(void)
{
…//Các câu lệnh
}
Các câu lệnh trong hàm chính có thể có lời gọi các hàm đã khai báo ở trên hoặc không
Khi có lời gọi hàm nào thì chương trình nhảy đến hàm đó thực hiện hàm đó xong con trỏ
lại quay về chương trình chính (hàm main) thực hiện tiếp các hàm hoặc câu lệnh. Các
câu lệnh trong C kết thúc bằng dấu “;”
Các lời giải thích được đặt trong dấu: Mở đầu bằng “/*” kết thúc bằng “*/”
Nếu lời giải thích trên 1 dòng thì có thể dùng dấu: “//”
2.5.2 Các loại biến trong C :
Dạng biến
Số bit Số byte
Char
8
1
Unsigned char
8
1
Short
16
2
Unsigned short
16
2
Int
16
2

Miền giá trị

-128 đến +127
0 đến 255
-32768 đến +32768
0 đến 65535
-32768 đến +32768

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Unsigned int
Long
Unsigned long

16
32
32

2
4
4

0 đến 65535
-2147483648 đến +2147483647
0 đến 4294697295

Ngoài ra để dùng cho vi điều khiển trình dịch chuyên dụng còn hỗ trợ các loại biến sau:
Dạng biến

Bit
Sbit
Sfr
Sf16

Số bit
1
1
8
16

Số Byte
0
0
1
2

Miền giá trị
0;1
0;1
0 đến 255
0 đến 65535

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chương III: Lưu đồ giải thuật.
3.1 Yêu cầu hoạt động
Mô hình được điều khiển và giám sát thông qua một giao diện trên máy tính. Yêu
cầu của mô hình là chiết rót nước đúng với mực nước đã được thiết lập sẵn, đồng thời
thu thập dữ liệu trong quá trình hoạt động của mô hình như: mực nước chai, mực nước
bồn, số lượng chai…

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3.1 Sơ đồ kết nối phần cứng.

3.2Lưu đồ hoạt động của mô hình:

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3.2 : Lưu đồ hoạt động của mô hình.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.3 Các khối chính trong mô hình:

Hình 3.3: Sơ đồ khối chính của mô hình.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.4Chức năng từng khối.
3.4.1 Biến tần.
Chức năng:
Trong mô hình này, nhóm sử dụng biến tần Sinamics G110 của Siemen để đóng vai trò
là bộ phận trung gian để khởi động, hãm động cơ kéo băng chuyền. Biến tần cũng đóng
vai trò bảo vệ quá tải cho động cơ.
Thông số kỹ thuật
Mã hiệu đặt 0AB
hàng 6SL3211 0KB
Cỡ vỏ
Công suất ra kW
định mức của
biến tần
Dòng điện ra ( A
cho phép)

Dòng điện vào
(230V)

A

11-2xy0

12-5xy0

13xy0

15xy0

17xy0

21-1xy0

21-5xy0

11-2xy0

12-5xy0

13xy0

15xy0

17xy0

-

-

0,12

0,25

A
0,37

0,55

0,75

1,1

1,5

2,2

3,0

0,9

1,7

2,3

3,2

3,9

6,0

7,8

11,0

13,6

(

)
2,3

Số cuối của mã đặt hàng phụ
thuộc vào những thay đổi của
phần cứng và phần mềm

(

)
4,5

(

22-xy0

23-xy0

-

-

B

(

(

(

)

)

)

6,2

7,7

10,0

x= A/B là loại có sẵn bộ lọc.
x=U là loại không có bộ lọc

)
14,7

C

(

)
19,7

(

)
27,2

(

)
32,0

y=A là loại tương tự
y=U là loại USS

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Các đầu dây điều khiển:

Đầu dây

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Ký hiệu
DOUT DOUT +
DINT0
DINT1
DINT2
Kiểu
ADC
-

Chức năng
Đầu ra số (-)
Đầu ra số (+)
Đầu vào số 0
Đầu vào số 1
Đầu vào số 2
Đầu ra cách ly +24V/50mA
Đầu ra 0V
Tương tự
USS

Đầu ra +10V
RS485 P+
Đầu vào tương tự
RS485 NĐầu ra 0V

3.4.1 Cảm biến hồng ngoại.
Mô hình sử dụng cảm biến hồng ngoại để phát hiện vị trí của chai nước, khi chai
nước vào đúng vị trí dưới vòi nước thì cảm biến hồng ngoại phát hiện và truyền tín hiệu
xuống vi xử lý để vi xử lý truyền xuống biến tần, biến tần dừng động cơ kéo băng
chuyền để vòi nước có thể bắt đầu rót
Cảm biến hồng ngoại có một bộ phận phát, một phận thu. Khi hồng ngoại bị che đi
làm bộ phận thu không nhận được tín hiệu và cho ra mức điện áp 0, khi nhận được tín
hiệu thì bộ phận thu cho ra mức điện áp 1. Các mức điện áp này sẽ được đưa tới một
phận xử lí logic và cho ra kết quả. Để tránh ảnh hưởng từ tia hồng ngoại của môi trường
thì bộ phận phát sẽ phát ra tia hồng ngoại có tần số riêng hoặc mang theo một tín hiệu
logic nào đó mà chỉ phần thu mới nhận biết được
3.4.2 Van điện từ đóng mở nước
Van có một cuộn dây, khi cuộn dây được cấp điện thì đóng vai trò như một nam
châm hút mở tiếp điểm, lúc này van đổi trạng thái từ đóng sang mở. Khai ngắt điện,
không còn dòng điện chạy qua cuộn dây, tiếp điểm được nhả ra, van chuyển về trạng thái
đóng.
Trong mô hình van được đóng mở bởi Vi Xử Lý thông qua một Relay trung gian.
Điện áp đóng mở van là 24VDC.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3.4.3 Mạch giao tiếp giữa máy tính và Vi Xử Lý
Để truyền tín hiệu từ phần mềm Matlab trên máy tính xuống vi xử lý và ngược lại
thì cần có mạch giao tiếp. Mạch giao tiếp sử dụng IC PL2303 để chuyển đổi cổng giao
tiếp từ USB sang RS 232.
3.4.4 Camera
Camera được đặt sao cho quan sát được phần cổ chai. Camera liên tục chụp ảnh từ
chai nước và gửi về máy tính xử lý thông qua phần mềm Matlab. Khi mực nước đạt đến
mức quy định thì Matlab sẽ truyền tín hiệu xuống Vi Xử Lý để ngắt van nước.
3.4.5 Máy tính.
Đóng vai trò trung tâm, là nơi thu nhận tín hiệu camera và xử lý, lập trình Matlab
đồng thời đóng vai trò giám sát và điều khiển.
3.4.6 Phần mềm.
Mô hình xử dụng 2 phần mềm là Keil C và Matlab.
 Matlab đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ảnh thu nhận từ camera và truyền
tín hiệu xuống vi xử lý khi tín hiệu camera thu về đạt đến mốc đặt trước.
 Keil C là phần mềm dùng để lập trình cho vi xử lý họ 8051.
3.4.7 Vi xử lý
Đóng vai trò trung tâm, là nơi nhận dữ liệu từ máy tính truyền xuống và là nơi
truyền dữ liệu từ cảm biến đo khoảng cách SRF05 về máy tính, đồng thời nhận tín hiệu
từ cảm biến quang để điêu khiển động cơ và van.
3.4.8 Cảm biến đo khoảng cách SRF05.
Được gắn trên bồn nước, đóng vai trò giám sát mực nước trong bồn và truyền dữ
liệu về máy tính thông qua vi xử lý.
3.4.8.1Giới thiệu về cảm biến đo khoảng cách SRF05
Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát
siêu âm. Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu âm từ đầu
phát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ
ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Vận tốc truyền âm thanh trong không khí là một
giá trị xác định trước, ít thay đổi. Do đó nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phát
sóng siêu âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tới

vật thể. Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4 mét.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 3.4: Module cảm biến SRF05.
SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE. Nối
hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông qua
giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO.
3.4.8.2Các chế độ của cảm biến đo khoảng cách SRF05
Cách 1: Tách riêng chân TRIGGER và ECHO (tương thích với cảm biến SRF04)
Modun cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt. Khi chân
MODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhận mức
điện áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER và ECHO cho việc
điều khiển hoạt động của cảm biến.

Nguồn 5V
Không kết nối
Ngõ vào Trigger, ngõ ra Echo
Mode (nối đất)
0V nối đất

Chân lập trình. Được sử dụng một
lần duy nhất trong sản xuất để lập
trình PIC.
Không kết nối những chân này

Hình 3.5: Kết nối chân ở chế độ Trigge/Echo qua chân đơn.
Từ hình vẽ mô tả trên, để điều khiển SRF05 ở MODE1 cần cấp cho chân
TRIGGER một xung điều khiển với độ rộng tối thiểu 10uS. Sau đó một khoảng thời

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
gian, đầu phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm, vi xử lý tích hợp trên modun sẽ tự
xác định thời điểm phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm. Vi xử lý tích hợp này sẽ đưa
kết quả thu được ra chân ECHO. Độ rộng xung vuông tại chân ECHO tỉ lệ với khoảng
cách từ cảm biến tới vật thể.
Cách 2: Sử dụng một chân cho cả TRIGGER và ECHO
Ở chế độ này, một chân của vi xử lý sẽ điều khiển quá trình phát xung của cảm biến
siêu âm và việc đọc tín hiệu trả về. Yêu cầu lúc đó chân MODE cần được nối đất (GND).
Đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chân TRIGGER-ECHO (chân số
3) của cảm biến. Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đầu
phát siêu âm. Sau 700uS kể từ lúc kết thúc tín hiệu điều khiển, từ chân TRIGGERECHO có thể đọc ra một xung mà độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể.

Nguồn 5V
Ngõ ra Echo
Ngõ vào Trigger
Mode (không kết nối)

Chân lập trình. Được sử dụng một
lần duy nhất trong sản xuất để lập
trình PIC.

Không kết nối những chân này

0V nối đất

Hình 3.6: Kết nối chân cho chế độ Trigger/Echo qua chân đôi.

Đề Tài: Điều khiển và giám sát mô hình chiết rót nước ứng dụng xử lý ảnh

25