Tóm tắt Đồ án tốt nghiệp Kỹ thuật điện tử và truyền thông: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào màu sắc sử dụng Arduino

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
HỮU NGHỊ VIỆT - HÀN
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG


THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
DỰA VÀO MÀU SẮC SỬ DỤNG ARDUINO

TĨM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG
NIÊN KHĨA: 2016 - 2019

HSSV
: Nguyễn Quang Trƣờng
Mã HSSV : CCVT16A006
CBHD
: TS. Vƣơng Công Đạt

Đà Nẵng, 06/2019


i


MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật.
Đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc
đẩy và phát triển các ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp
ứng được nhu cầu của con người trong cuộc sống. Con người với sự
trợ giúp của máy móc, những cơng cụ thông minh đã không phải trực
tiếp làm việc, hay những công việc mà con người không thể làm

được với khả năng của minh mà chỉ việc điều khiển chúng hay chúng
làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn,
giảm nhẹ và tối ưu hóa cơng việc. Với sự tiến bộ này đã đáp ứng
được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nói
chung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng.
Trong nhiều lĩnh vực được quan tâm, có một lĩnh vực về vi
điều khiển được quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vi điều khiển
AVR. Một trong số những biến thể phổ biến của AVR là Arduino.
Việc tìm hiểu và ứng dụng hết khả năng của nhiều loại
Arduino là cả một quá trình dài lý thú và hữu ích, vì sự thuận tiện,
tinh gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dịng sản
phẩm phù hợp nhiều quy mơ ứng dụng của nó.
Một ý tưởng khác được quan tâm đơng đảo trên các diễn đàn
học tập ngành điện tử và tự động hóa, nhưng chưa có một tài liệu
chính thống phổ biến hướng dẫn hay cung cấp thơng tin về nó, cũng
như chưa được giảng dạy ở nhiều trung tâm đó là ứng dụng Arduino
trong sản xuất.
Trước thực tiễn ấy, tôi đã quyết định chọn đề tài này nhằm tìm
hiểu về vấn đề phân loại sản phẩm bằng màu sắc qua ứng dụng của
Arduino.
Sau đây em xin tìm hiểu về Arduino cũng như thiết kế một
1


ứng dụng thực tế là ―Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm dựa vào
màu sắc sử dụng Arduino‖. Đây là cơ sở để thiết kế những hệ thống
tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạp được ứng dụng rộng rãi
trong khoa học và đời sống.
1.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển, các hệ thống thơng

minh và tự động hố sử dụng phổ biến ở khắp mọi nơi và trong mọi
lĩnh vực bởi vì sự tiện lợi, chuẩn xác, giúp tiết kiệm thời gian và
công sức.
Nhưng hiện tại, ở nước ta hệ thống tự động hố chỉ được sử
dụng ở các xí nghiệp lớn và các xí nghiệp liên doanh nước ngồi, cịn
các ngành sản xuất đa số chỉ dừng ở mức độ thủ cơng, vì vậy làm
chậm q trình sản xuất đồng thời làm giảm năng suất. Từ đó em đề
suất ra ý tưởng xây dựng hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc
sử dụng vi điều khiển Arduino.
2.

Mục tiêu và nhiệm vụ nguyên cứu
Mục tiêu : Tìm hiểu và xây dựng được mơ hình hệ thống phân

loại hàng hố bằng màu sắc sử dụng arduino
Nhiệm vụ nguyên cứu :
- Chuẩn bị các tài liệu và thiết bị liên quan
- Lập trình vi điều khiển Arduino dựa vào ý tưởng để xuất
- Hoàn thành đồ án dưới sự hướng dẫn của giảng viên hướng
dẫn
3.

Đối tƣợng và phạm vi nguyên cứu
Đối tượng : Cảm biến màu sắc TCS2300, vi điều

khiểnArduino nano, động cơ servo SG90
Phạm vi nguyên cứu : Ứng dụng vào các cơng ty, xí nghiệp

sản xuất sản phẩm
2


4.

Phƣơng pháp nguyên cứu
- Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mơ hình thực tế để làm

rõ nội dung đề tài. Cụ thể như sau:
+ Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề
tài.
+ Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử truyền
thơng.
+ Tìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời
sống xã hội.
+ Sử dụng phần mềm chuyên dụng (arduino IDE) để thực hiện
viết code và nạp code.
+ Tìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan.
+

5.

Sử dụng các phần mềm vẽ mô phỏng và lập trình.

Kết quả
Mơ hình hoạt động ổn định và hiệu quả
Có thêm các kiến thức chuyên ngành và thực tiễn

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Mơ hình nếu được ứng dụng thực tế thì sẽ giảm tải nguồn nhân

cơng, tăng năng suất lao động và có tính chính xác cao
7.

Nội dung báo cáo đồ án tốt nghiệp
Gồm 3 chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về Arduino
Chương 2: Phân tích các khối module trong mạch
Chương 3: Xây dựng mơ hình thực tế

3


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO
GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO

1.1.

Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn
Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với
môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch
nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc
ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng
giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương
thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và
ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng

dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (opensource).
. Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng
vi điều khiển khác:
- Chạy trên đa nền tảng
- Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
- Nền tảng mở
- Mở rộng phần cứng
- Đơn giản và nhanh
- Dễ dàng chia sẻ

4


Hình 1.1 Các loại Arduino
1.2.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành

cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế
tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm đó các sinh viên sử
dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100,
xem như giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong những
người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea. Cái tên "Arduino" đến từ một
quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường
xuyên gặp mặt. Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino,
Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người
Colombia tên là Hernando Barragan. Sau khi nền tảng Wiring hoàn
thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn,

rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. Trường này

5


cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là
David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này.
1.3.

BỘ PHẬN PHẦN CỨNG

Hình 1.2 Các phần cứng của Aruino
1.Cổng USB (loại B)
2. Jack nguồn
3. Hàng Header
4. Hàng header thứ hai
5. Hàng header thứ ba
6. Vi điều khiển AVR
1.3.1. Một số loại chip AVR
Vi điều khiển AVR
Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi
hảng Atmel (1996), nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC
(Reduced Instruction Set Computer) đồng thời AVR là một trong
những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưu trữ
chương trình. Có thể thấy rằng trong những năm gần đây Atmel đã
trở thành nhà tiên phong trên thế giới về phát triển kỹ thuật bộ nhớ

6

Flash (khơng biến đổi, có thể xóa bằng điện và lập trình lại bộ nhớ,
Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩm như Camera số,
board chủ PC…
1.3.2. Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào:
1.3.2.1.

Digital

1.3.2.2.

Analog

1.3.3. Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:
1.3.3.1.

Digital output

1.3.3.2.

PWM output

1.3.4. Chuẩn giao tiếp
1.3.4.1.

Serial

1.3.4.2.

USB

1.3.4.3.

SPI

1.3.4.4.

TWI (I2C)

1.4.

SHIELD
Các

board

Arduino

và

Arduino-compatible

sử

dụng

các shield— các board mạch in mở rộng được dùng bằng cách cắm
vào các chân header của Arduino. Các shield có thể là module điều
khiển cho động cơ, GPS, ethernet, LCD, hoặc cũng có thể là
breadboard. Một số lượng lớn các shield cũng có thể được chế tạo
bởi DIY (những người thích tự làm lấy các ứng dụng cho riêng họ).

1.5.

SỰ PHÁT TRIỂN
Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết

kế phần cứng tham khảo của Arduino được phân phối dưới dạng
Creative CommonsAttribution Share-Alike 2.5 license và có sẵn trên
website của Arduino. Một vài phiên bản phần cứng của Arduino còn
đưa lên cả file Layout và thành phẩm. Mã nguồn cho IDE này cũng
7


khả dụng và được xuất bản dưới dạng GNU General Public License,
version 2.
1.6.

CÁC ỨNG DỤNG
Xoscillo: oscilloscope mã nguồn mở
Các thiết bị khoa học
Arduinome: một thiết bị điều khiển MIDI bắt chước Monome
OBDuino: một máy tính hành trình sử dụng giao diện chẩn

đốn on-board được tìm thấy trong hầu hết các loại xe hơi hiện đại
Thiết bị đọc sách cho con người: thiết bị điện tử giá rẻ với đầu
ra TV có thể chứa một thư viện năm ngàn cuốn sách (ví dụ như các
biên soạn offline Wikipedia) trên một thẻ nhớ microSD
Ardupilot: software / hardware máy bay không người lái
ArduinoPhone

8

CHƢƠNG 2 : PHÂN TÍCH CÁC MODULE TRONG MẠCH
2.1.

YÊU CẦU ĐỀ TÀI
Dùng module cảm biến màu sắc TCS3200 để nhận biết màu

sắc và phân loại sản phẩm. Hệ thống phát hiện màu và đưa từng
skittle đến vị trí cụ thể, hệ thống có thể được áp dụng để phân loại
hàng hố trong các cơng ty, xí nghiệp.
2.2.

GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

2.2.1. Sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc
2.2.2. Phân tích chức năng các khối
- Khối cấp nguồn
- Khối skittle
- Khối điều khiển
- Khối động cơ điều khiển
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Từng skittle sẽ được một động cơ sevor đưa đến trước cảm
biến màu sắc TCS3200 để được đọc màu. Cảm biến màu sắc
TCS3200 sẽ gửi dữ liệu về bộ vi sử lý. Động cơ sevor thứ 2 có nhiệm
vụ phân loại từng skittle đã được đọc màu sang vị trí được chỉ định
2.3.

LỰA CHỌN LINH KIỆN

2.3.1. Khối điều khiển
9


2.3.1.1.

Bo mạch Arduino nano

Hình 2.2 Arduino nano
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn,
đầy đủ. Arduino Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm 4,5cm.
Bảng 2.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano
Arduino nano

Thông số kỹ thuật

Số chân analog I/O

8

Cấu trúc

AVR

Tốc độ xung

16 MHz

Dòng tiêu thụ I/O

40mA

Số chân Digital I/O

22

Bộ nhớ EEPROM

1 KB

Bộ nhớ Flash

32 KB of which 2 KB used by Bootloader

Điện áp ngõ vào

(7-12) Volts

Vi điều khiển

ATmega328P
10


Điện áp hoạt động

5V

Kích thước bo mạch

18 x 45 mm

Nguồn tiêu thụ

19mA

Ngõ ra PWM

6

SRAM

2KB
Bảng 2.2

Thứ tự

ức

củ c c c

Tên Pin

Kiểu

1

D1 / TX

I/O

2

D0 / RX

I/O

3

RESET

Đầu vào

4

GND

Nguồn

Chân nối mass

5

D2

I/O

Ngõ vào/ra digital

6

D3

I/O

Ngõ vào/ra digital

7

D4

I/O

Ngõ vào/ra digital

8

D5

I/O

Ngõ vào/ra digital

9

D6

I/O

Ngõ vào/ra digital

10

D7

I/O

Ngõ vào/ra digital

11

D8

I/O

Ngõ vào/ra digital

12

D9

I/O

Ngõ vào/ra digital

13

D10

I/O

Ngõ vào/ra digital

14

D11

I/O

Ngõ vào/ra digital

15

D12

I/O

Ngõ vào/ra digital

16

D13

I/O

Ngõ vào/ra digital

chân

Chức năng
Ngõ vào/ra số
Chân TX-truyền dữ liệu
Ngõ vào/ra số
Chân Rx-nhận dữ liệu

11

Chân reset, hoạt động ở mức
thấp


17

3V3

Đầu ra

Đầu ra 3.3V (từ FTDI)

18

AREF

Đầu vào

Tham chiếu ADC

19

A0

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 0

20

A1

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 1

21

A2

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 2

22

A3

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 3

23

A4

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 4

24

A5

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 5

25

A6

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 6

26

A7

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 7

Đầu ra
27

+ 5V

hoặc đầu
vào

+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh
On-board) hoặc
+ 5V (đầu vào từ nguồn điện
bên ngoài)
Chân đặt lại, hoạt động ở mức

28

RESET

Đầu vào

29

GND

Nguồn

Chân nối mass

30

VIN

Nguồn

Chân nối với nguồn vào

thấp

2.3.2. Khối cảm biến màu
Cảm biến màu sắc TCS3200
Cảm biến màu TCS3200 tích hợp dãy bộ dò ánh sáng quang
bên trong, với mỗi cảm biến ứng với các màu đỏ, xanh lá, xanh
dương. Các bộ lọc của mỗi màu được phân bố đều khắp cảm biến để
loại bỏ sai lệch vị trí giữa các màu sắc. Bên trong cảm biến có bộ dao
động tạo ra sóng vng có tần số là tỷ lệ thuận với cường độ của màu
sắc được chọn.

12


Hình 2.3 Cảm biến màu sắc TCS3200
2.3.2.1.

Thơng số kỹ thuật

2.3.2.2.

Chức năng từng chân

2.3.2.3.

Nguyên lý hoạt động cảm biến màu

.
Tần số đầu ra của linh kiện điện tử TCS3200 trong khoảng
2HZ~500KHZ. Tần số đầu ra có dạng xung vng với tần số khác
nhau khi mà màu sắc khác nhau và cường độ sáng là khác nhau.
Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như
bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số.
2.3.2.4.

Nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử TCS 3200

Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng
màu sắc khác nhau.
Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì. Tại bề mặt
vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng .
Dựa trên nguyên lý sự phản xạ, hấp thụ ánh sáng trắng của vật
thể và sự phối trộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue,Green,Red thì

13


TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue,Green,Red và clear
để nhận biết màu sắc cụ thể.
2.3.2.5.

Mạch sơ đồ nguyên lý module cảm biến màu sắc

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến màu sắc TCS3200
Bảng 2.4 Sơ đồ nối chân với Arduino Nano
TCS3200

Arduino nano

VCC

5V

GND

GND

S0

D2

S1

D3

S2

D4

S3

D5

OUT

D6

2.3.3. Động cơ servo

14


Hì
2.3.3.1.

2.6 độ

cơ servo

Giới thiệu động cơ servo

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như
động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ
quay khi được điều khiển (bằng xung PPM) với góc quay nằm trong
khoảng bất kì từ 0o - 180o.

Hình 2.7 Cấu tạo cơ bản của một độ
1. Motor
2. Electronics Board
3. Positive Power Wire (Red)
4. Signal Wire (Yellow or White)

5. Negative or Ground Wire (Black)

15

cơ (motor) servo


6. Potentiometer
7. Output Shaft/Gear
8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm
9. Servo Case
10.Integrated Control Chip
Để quay động cơ, tín hiệu số được gới tới mạch điều khiển.
Tín hiệu này khởi động động cơ, thơng qua chuỗi bánh răng, nối với
vơn kế. Vị trí của trục vơn kế cho biết vị trí trục ra của servo. Khi
vơn kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ.
Mặc dù ta có thể chỉnh quay liên tục nhưng cơng dụng chính của
động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng giới hạn.
2.3.3.2.

Thơng số kỹ thuật

Hình 2.8 Sơ đồ nối dây của Micro Servo
- Khối lượng: 9g
- Tín hiệu: Analog
- Mơ men xoắn: 1.6kg/cm
- Tốc độ hoạt động: 0,12sec/60degree
- Điện áp hoạt động: 4.8VDC~5VDC
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
- Delay: 10us

2.3.3.3.

Nguyên lý hoạt động

Xung PPM (Pulse Position Modulation) được sử dụng để điều

16


khiển servo.
Tần số thơng thường có giá trị trong khoảng 50Hz (20 mili
giây).
Thời gian xung ở mức cao chỉ từ 1ms đến 2ms.

Hình 2.10 Thời gian xung ở mức c o quy định góc quay của RC
servo.
Với thời gian 1ms mức cao, góc quay của servo là 0, 1.5ms
góc quay 90 và 2ms góc quay là 180. Các góc khác từ 0-180 được
xác định trong khoảng thời gian 1 2ms.
2.3.3.4.

Điều biến độ rộng xung

2.3.4. Nguồn Adapter 5V1A

Hình 2.12 Nguồn Adapter 5V1A
17


CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC TẾ

3.1.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Sơ đồ nguyên lý
Khi khởi động động cơ servo ở trên sẽ đưa khối skittle đến chỗ

cảm biến màu. Cảm biến màu TCS3200 sẽ cảm biến màu và đưa
thông tin đến Arduino Nano, Arduino Nano sẽ điều khiển động cơ
servo ở dưới quay đến ô chứa màu sắc của skittle đó.

Hì
3.2.

3.1 Sơ đồ ngun lý

MƠ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM
Mơ phỏng bằng phần mềm Fritzing

Hình 3.2 Mơ phỏng bằng phần mềm Fritzing

18


3.3.

MƠ HÌNH THỰC TẾ

Hình 3.3 Mơ hình thực tế

19

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN


Kết luận

 Kết quả đạt đƣợc
- Thiết kế và hồn thiện mơ hình phân loại sản phẩm dựa vào
màu sắc.
- Nguyên cứu và ứng dụng vi điều khiển Arduino Nano làm vi
điều khiển cho hệ thống.
- Hoàn thiện tất cả các phần cứng cho hệ thống hoạt động theo
yêu cầu.
- Mạch nhỏ gọn và đáp ứng đúng yêu cầu của đề tài
 Kết quả chƣa đạt đƣợc
- Độ ổn định chưa tối ưu
- Bị nhiễu sáng
- Chưa có hệ thống đếm số lượng sản phẩm


Hƣớng phát triển

Với việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống phân loại hàng hố
dựa vào màu sắc với các tính năng thống minh và linh hoạt có ý
nghĩa rất lớn trong thực tiễn. Việc ứng dụng hệ thống vào quá trình
có rất nhiều lợi ích như :
- Có tính chính xác cao.
- Giúp giảm nguồn nhân công, tăng năng xuất.
- Có thể được áp dụng ở nhiều nơi.

Ngồi ra có thể ứng dụng thêm các công nghệ để phân loại sản
phẩm theo chiều cao hoặc cân nặng vào hệ thống.

20