Đồ án: 2 đề tài thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc

Dự án 2 đề tài thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho

• Tác giả: Nguyễn A
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc là một giải pháp tự động hóa tiên tiến trong công nghiệp 4.0. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế và phát triển một hệ thống hoàn chỉnh sử dụng cảm biến màu sắc và các thiết bị điều khiển tự động để thực hiện hai nhiệm vụ chính: đếm số lượng sản phẩm và phân loại chúng theo màu sắc. Hệ thống được xây dựng dựa trên công nghệ hiện đại, nhằm nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm thiểu sai sót so với phương pháp thủ công. Việc áp dụng hệ thống này trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích đáng kể cho các doanh nghiệp.

1.1. Đối tượng và giới hạn nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính là hệ thống tự động đếm và phân loại sản phẩm dựa trên nhận diện màu sắc. Giới hạn đề tài bao gồm việc tập trung vào ba màu sắc chính: đỏ, xanh, và vàng. Hệ thống được thiết kế cho các sản phẩm có kích thước tương đối đều, chuyển động qua băng tải với tốc độ ổn định. Phạm vi ứng dụng chủ yếu là các ngành công nghiệp thực phẩm, linh kiện điện tử, và hàng tiêu dùng.

1.2. Nội dung và mục tiêu chính của đề tài

Nội dung đề tài bao gồm: nghiên cứu công nghệ cảm biến TCS3200, thiết kế sơ đồ khối hệ thống, lựa chọn linh kiện phù hợp, và phát triển phần mềm điều khiển. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống chính xác, nhanh chóng, hiệu quả trong việc đếm và phân loại sản phẩm. Hệ thống cần đảm bảo độ tin cậy cao, dễ bảo trì, và có khả năng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất hiện đại.

II. Cơ sở lý thuyết và các thành phần kỹ thuật

Cơ sở lý thuyết của hệ thống bao gồm hiểu biết sâu về cảm biến, xử lý tín hiệu số, và vi điều khiển. Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện và chuyển đổi các đặc tính vật lý (như màu sắc) thành tín hiệu điện. Xử lý tín hiệu số cho phép hệ thống phân tích dữ liệu từ cảm biến một cách chính xác. Vi điều khiển (như ESP8266/ESP32) là bộ não của hệ thống, điều khiển toàn bộ quá trình đếm và phân loại. Việc hiểu rõ các nguyên lý này là nền tảng để thiết kế một hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy.

2.1. Cảm biến màu sắc TCS3200 và nguyên lý hoạt động

Cảm biến TCS3200 là cảm biến màu sắc tiên tiến dùng để phát hiện và nhận diện màu sắc của các vật thể. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng bộ lọc màu RGB và photodiode để đo cường độ ánh sáng của từng kênh màu. Cảm biến này cung cấp tần số đầu ra tương ứng với mức độ chiếm sóng của mỗi màu, cho phép vi điều khiển xác định chính xác màu sắc của sản phẩm.

2.2. Vi điều khiển ESP và hệ thống xử lý tín hiệu

Vi điều khiển ESP8266/ESP32 là thiết bị xử lý trung tâm của hệ thống, có khả năng xử lý tín hiệu số từ các cảm biến. Hệ thống này hỗ trợ giao tiếp không dây WiFi, cho phép giám sát từ xa và kết nối với các hệ thống khác. Xử lý tín hiệu bao gồm chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến thành dữ liệu số, so sánh với các chuẩn màu, và đưa ra quyết định phân loại.

III. Thiết kế và lựa chọn linh kiện hệ thống

Thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm yêu cầu sự phối hợp hài hòa giữa phần cứng và phần mềm. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm các thành phần chính: cảm biến màu sắc TCS3200, cảm biến hồng ngoại để phát hiện sản phẩm, vi điều khiển ESP, động cơ Servo để điều khiển vạt chắn, và LCD để hiển thị kết quả. Lựa chọn các linh kiện phù hợp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và tối ưu chi phí. Mỗi thành phần được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

3.1. Sơ đồ khối và chức năng các thành phần

Sơ đồ khối hệ thống bao gồm: nguồn điện, vi điều khiển (MCU), cảm biến hồng ngoại (phát hiện sản phẩm), cảm biến màu sắc TCS3200 (nhận diện màu), động cơ Servo (điều khiển vạt chắn phân loại), LCD 16x2 (hiển thị), và hệ thống dây chuyền. Mỗi thành phần thực hiện chức năng cụ thể trong quy trình đếm và phân loại sản phẩm toàn diện.

3.2. Tính toán và lựa chọn linh kiện phù hợp

Quá trình lựa chọn linh kiện dựa trên tính toán chi tiết các yêu cầu hệ thống. Cảm biến TCS3200 được chọn vì độ chính xác cao và khả năng phát hiện 16 triệu màu. Vi điều khiển ESP32 được ưu tiên vì tính năng xử lý nhanh và hỗ trợ WiFi. Động cơ Servo được chọn với trọng lượng nhẹ, tốc độ đáp ứng nhanh. Các linh kiện này đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ tin cậy cao.

IV. Thử nghiệm đánh giá và ứng dụng thực tế

Thử nghiệm hệ thống là bước quan trọng để xác minh hiệu quả và độ chính xác của hệ thống đếm và phân loại. Các thử nghiệm bao gồm: kiểm tra độ chính xác của cảm biến màu sắc với các mẫu vật có màu sắc khác nhau, kiểm tra tốc độ đếm với các tốc độ băng tải khác nhau, và kiểm tra độ tin cậy khi hoạt động liên tục trong thời gian dài. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt được độ chính xác cao (trên 95%), tốc độ xử lý nhanh, và ổn định hoạt động. Hệ thống này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp.

4.1. Quy trình thử nghiệm và các chỉ tiêu đánh giá

Quy trình thử nghiệm bao gồm: (1) Kiểm tra phản ứng cảm biến màu sắc với các màu chuẩn, (2) Đo độ chính xác phân loại với mẫu thử nghiệm 100 sản phẩm mỗi màu, (3) Kiểm tra tốc độ đếm tối đa và ổn định, (4) Kiểm tra khả năng phục hồi sau sự cố. Chỉ tiêu đánh giá chính: độ chính xác ≥95%, thời gian phản ứng <100ms, tốc độ sản phẩm tối đa 30 sản phẩm/phút.

4.2. Kết quả đạt được và hướng phát triển tương lai

Kết quả đạt được: Hệ thống hoạt động ổn định, phân loại chính xác 98%, đếm đúng 100% trong điều kiện thử nghiệm. Hệ thống giảm nhân công 80% so với phương pháp thủ công. Hướng phát triển tương lai: (1) Tích hợp AI để nhận diện nhiều tiêu chí hơn, (2) Kết nối IoT để giám sát từ xa, (3) Mở rộng khả năng phân loại theo nhiều yếu tố khác nhau (kích thước, hình dạng).

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết.  Chương 3: Thiết kế hệ thống.  Chương 4: Kết luận và hướng phát triển.

2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chung về cảm biến Khái niệm: Cảm biến là một trong những thiết bị điện tử có chức năng cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học sinh học trong môi trường cần khảo sát để biến đổi thành tín hiệu nhằm thu thập dữ liệu về trạng thái, quá trình đó.1: Một số mạch cảm biến Thông tin thu thập sẽ được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường nhằm phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học hay còn được gọi là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển của các quá trình khác. Bộ cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ để tạo thành đầu thu hay đầu dò, kèm theo các mạch điện hỗ trợ, và trong nhiều trường hợp trọn bộ đó lại được gọi luôn là “cảm biến” 3 2. Phân loại Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các cảm biến thành hai nhóm chính:  Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng điện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,… Hình 2.2: Cảm Biến hồng ngoại Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói.

Ngoài ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác. Theo nguyên lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:  Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của  biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.  Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm  biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung.  Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện.

 Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang 4  nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ 2. Vai trò của cảm biến Với các bài toán điều khiển hệ thống tự động hóa nói chung và điều khiển quá trình nói riêng thì cảm biến có vai trò vô cùng quan trọng.  Cảm biến giúp "cảm nhận" các tín hiệu điều khiển vào ra  Cảm biến giúp đo đạc các giá trị  Cảm biến giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lí cần đo.3: Một số ứng dụng của cảm biến 2. Xử lý tín hiệu số 2.

Xử lí tín hiệu  Tín hiệu là biểu hiện vật lí của thông tin.Về mặt toán học tín hiệu được coi là hàm của một hàm hay nhiều biến độc lập, tín hiệu mang thông tin của diễn biến hay bản chất của một hiện tượng.  Xử lý tín hiệu là quá trình phân tích, sửa đổi và tổng hợp các tín hiệu vào nhằm cải thiện đường dẫn, hiệu quả và chất lượng của thiết bị cần xử lý.4: Xử lí tín hiệu  Phân Loại: Xử lý tín hiệu tương tự: dành cho các tín hiệu chưa được số hóa như trong hầu hết các hệ thống các hệ thống radio, điện thoại, radar và chuyền hình thế kỉ 20. Điều này liên quan đến các mạch điện tử tuyến tính cũng như các mạch phi tuyến.5: Tín hiệu tương tự Xử lý tín hiệu số: là xử lý các tín hiệu được lấy mẫu thời gian rời rạc số hóa. Việc xử lý được thực hiện bởi các máy tính đa năng hoặc bởi các mạch kỹ thuật số như ASIC, mảng cổng lập trình trường hoặc bộ xử lí tín hiệu số chuyên dụng.6: Tín hiệu số Xử lý tín hiệu thời gian liên tục: dành cho các tín hiệu thay đổi theo sự thay đổi của miền liên tục (không xem xét một số điểm bị gián đoạn riêng lẻ).

Các phương pháp xử lý tín hiệu bao gồm miền thời gian, miền tần số và miền tần số phức. Xử lý tín hiệu thời gian rời rạc: dành cho các tín hiệu được lấy mẫu, chỉ được xác định tại các điểm riêng biệt theo thời gian và như vậy được lượng tử hóa theo thời gian, nhưng không phải là cường độ. Xử lý tín hiệu phi tuyến: bao gồm việc phân tích và xử lý các tín hiệu được tạo ra từ các hệ thống phi tuyến và có thể thuộc các miền thời gian, tần số hoặc không gian thời gian. Xử lý tín hiệu thống kê: là một cách tiếp cận coi tín hiệu là các quá trính ngẫu nhiên, sử dụng các thuộc tính thống kê của chúng để thực hiện các nhiệm vụ xử lý tín hiệu.

Vi điều khiển  Khái niệm Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các mô đun vào/ra, các mô đun biến đổi số sang 7 tương tự và tương tự sang số,. Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài.7: Vi điều khiển  Kết cấu chung Một vi điều khiển có kết cấu gồm 2 đầu: đầu vào và đầu ra; bao g ồm các cuộn dây, màn hình LCD, rơ le, chuyển mạch và cảm biến… nhằm cung cấp các dữ liệu như độ ẩm, nhiệt độ hay mức độ ánh sáng, mối tương tác, liên kết giữa những vi điều khiển với nhau. Chúng có thể được cấu hình với trạng thái để một đầu vào hoặc một phần mềm đầu ra.

Ở đầu vào, các chân đầu vào có thể được sử dụng để đọc các tín hiệu từ bên ngoài hoặc các cảm biến tác động lên vi xử lý. Trong khi đó, các chân đầu ra được kết nối với thiết bị hiển thị kết quả bên ngoài nh ư màn hình LED và động cơ.  Các loại vi điều khiển Có rất nhiều loại vi điều khiển được lập trình khác nhau, chủ yếu chúng được phân loại và lập trình chuyên sâu theo một số thông số cơ b ản, bao g ồm Bits, kích thước Flash, kích thước bộ nhớ RAM, số lượng các dòng đầu vào / đầu ra, loại bao bì, cung cấp điện áp và tốc độ. Người dùng có kh ả năng tinh chỉnh các thông số kỹ thuật cần thiết trong bộ lọc tham số để vi điều khiển có thể cung cấp đúng loại dữ liệu mình cần.

Các vi điều khiển đều có thiết kế chung gồm chân đầu vào / đầu ra. Số lượng các chân khác nhau tùy thu ộc vào vi điều khiển). 8  Ứng dụng Vi điều khiển vốn được lập trình để sử dụng cho các ứng dụng nhúng, không giống như các bộ vi xử lý trong máy tính cá nhân. Vi điều khiển thường được sử dụng trong các thiết bị điều khiển tự động bao gồm các công cụ điện, đồ chơi, thiết bị y tế cấy dưới da, máy móc văn phòng, hệ thống điều khiển động cơ, thiết bị, điều khiển từ xa và hàng loạt các hệ thống nhúng khác.8: VĐK dùng trong ESP Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.

Sơ đồ khối và chức năng 3.1: Sơ đồ khối mạch đếm và phân loại sản phẩm Chú thích: Đường tín hiệu Đường điện 3. Chức năng các khối  Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hoạt động của mạch.  Khối điều khiển tốc độ băng tải: Dùng mạch điều khiển tốc độ động cơ để điều chỉnh tốc độ chạy của băng tải phù hợp với thời gian xử lí và tốc độ đọc của các cảm biến.  Khối xử lí: bao gồm bộ phận phát hiện sản phầm và nhận diện màu sắc sản phẩm.

Sản phẩm đi qua được diện màu sắc và đếm số sản phẩm theo màu trên tổng số sản phẩm.  Khối phân loại sản phẩm: sau khi sản phẩm được nhận diện màu sắc khối vi xử lí sẽ kiểm tra màu và điều khiển động cơ phân loại sản phẩm theo đúng màu đã nhận diện. 10  Khối hiển thị: hiển thị các thông tin, kết quả, số sản phẩm màu xanh lá, đỏ, xanh dương và tổng số sản phẩm.  Nguyên lý hoạt động: Khi bấm nút Start, Khối nguồn cấp điện cho hệ thống, khối xử lí cấp tín hiệu điều chỉnh tốc độ động cơ.

Khi ta đưa sản phẩm lên băng tải. Băng tải đưa sản phẩm qua khối cảm biến màu sắc sau đó cảm biến màu sắc đưa tín hiệu về khối xử lí, sau đó khối xử lí đưa tín hiệu đến khối phân loại sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua khối màu sắc sẽ đến khối đếm sản phẩm, tín hiệu từ khối đếm sản phẩm sẽ được truyền về khối xử lí. Khối hiển thị sẽ nhận tín hiện của hai khối màu sắc và đếm sản phẩm rồi in ra màn hình LCD.

Sản phẩm sẽ được đưa đến khay phân loại do khối phân loại sản phẩm. Tính toán và chọn lựa thiết bị 3. Giới thiệu về ESP  Sơ lược về ESP Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wi-Fi cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp các mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh.

Ngoài ra, giá thành của ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn các nhà phát triển sản phẩm IoT. Cấu trúc phần cứng của dòng chip ESP8266  Sử dụng 32-bit MCU core có tên là Tensilica  Tốc độ system clock có thể set ở 80MHz hoặc 160MHz  Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình  Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy  Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn để giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3 SPI,1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWM.  Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz  Hỗ trợ các hoạt động truyền nhận các IP packages ở mức hardware như 11  Acknowledgement, Fragmentation và Defragmentation, Aggregation, Frame, Encapsulation… (và phần stack TCP/IP sẽ được thực hiện trên firmware của ESP8266).  Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêm chip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình ứng dụng với chuẩn SDIO hoặc SPI b.