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).

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, các dây chuyền sản xuất công nghiệp đang chuyển dịch mạnh mẽ sang mô hình tự động hóa nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng nhất và hạn chế tối đa các sai sót do thao tác thủ công. Đối với các ngành sản xuất như thực phẩm, linh kiện điện tử và hàng tiêu dùng, công đoạn đếm số lượng và phân loại sản phẩm theo tiêu chí màu sắc đóng vai trò quyết định đến chất lượng đầu ra và khả năng kiểm soát quy trình đóng gói. Đề tài "Thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc" được thực hiện tại Bộ môn Điện Công nghiệp, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán kỹ thuật này thông qua việc nghiên cứu, tích hợp các công nghệ cảm biến và vi điều khiển vào một mô hình phân loại tự động nhỏ gọn.

Theo văn bản đề tài, các mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Xây dựng một hệ thống tự động có khả năng nhận diện màu sắc sản phẩm.
2. Đếm và phân loại sản phẩm theo các tiêu chí màu sắc được định sẵn.
3. Đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, chính xác và phù hợp với yêu cầu thực tiễn sản xuất.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án tập trung vào:

• Các loại cảm biến màu sắc phổ biến và tiêu chí lựa chọn cảm biến phù hợp.
• Thiết kế kết cấu cơ khí hỗ trợ cho việc phân loại sản phẩm (băng tải, cơ cấu gạt).
• Lập trình điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển ESP32.
• Tích hợp liên khối giữa cảm biến, cơ khí và phần mềm điều khiển.
• Thử nghiệm, đo đạc và đánh giá hiệu suất vận hành của hệ thống.

Phạm vi và giới hạn đề tài được xác định trong khuôn khổ một đồ án môn học (Đồ án 2):

• Hệ thống điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ESP32.
• Cơ cấu chấp hành và nhận diện: Điều khiển vị trí phân loại dựa vào động cơ Servo RC, cảm biến màu sắc TCS3200 và module cảm biến hồng ngoại LM393.
• Cơ cấu vận chuyển: Mô hình băng tải mini truyền động bằng động cơ giảm tốc DC 9V điều khiển tốc độ vô cấp.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các khối kiến thức về kỹ thuật cảm biến, xử lý tín hiệu và vi điều khiển trong hệ thống nhúng:

• Lý thuyết về cảm biến: Hệ thống hóa định nghĩa cảm biến, phân loại cảm biến vật lý (ánh sáng, hồng ngoại, nhiệt độ, áp suất, gia tốc...) và cảm biến hóa học (độ ẩm, pH, nồng độ ion, khói). Phân tích nguyên lý cảm biến theo phương thức hoạt động như cảm biến điện trở, cảm biến cảm ứng, cảm biến điện trường và cảm biến quang học.
• Lý thuyết xử lý tín hiệu: Phân tích các dạng tín hiệu vật lý và phương pháp xử lý tín hiệu tương tự (mạch tuyến tính/phi tuyến), tín hiệu số (lấy mẫu thời gian rời rạc qua ASIC, FPGA, DSP), xử lý tín hiệu liên tục, tín hiệu thời gian rời rạc, tín hiệu phi tuyến và xử lý tín hiệu thống kê.
• Kiến trúc vi điều khiển: Khái quát cấu trúc vi xử lý tích hợp bộ nhớ, các khối giao tiếp ngoại vi (GPIO, ADC, DAC, Timer, UART, I2C, SPI) phục vụ các ứng dụng nhúng điều khiển tự động.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp thiết kế hệ thống kỹ thuật: Phân rã hệ thống thành các khối chức năng độc lập (khối nguồn, khối xử lý, khối vận chuyển, khối nhận diện, khối phân loại và khối hiển thị), sau đó tích hợp phần cứng và lập trình nhúng.
• Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Thực hiện thu thập dữ liệu tần số xung từ cảm biến quang học TCS3200 ứng với từng mẫu màu sắc (Đỏ, Xanh lam, Xanh lục), lấy mẫu lặp lại nhiều lần để xác định dải giá trị ngưỡng (threshold) phục vụ thuật toán nhận diện.
• Phương pháp kiểm thử và khắc phục lỗi: Chạy thử nghiệm từng phần cứng, kiểm tra giao tiếp bus I2C, nạp firmware và hiệu chỉnh góc quay động cơ servo trong điều kiện vận hành thực tế.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện (datasheet của ESP32, TCS3200, LM393, MG996R/Servo RC, LCD 16x2) và số liệu đo đạc thực nghiệm các giá trị tần số màu sắc tại phòng thí nghiệm.

---

Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa, kết nối các thành phần cảm biến, vi xử lý và cơ cấu chấp hành cơ khí.

1. Phân rã chức năng các khối phần cứng

Tên khối	Thành phần linh kiện chính	Chức năng kỹ thuật
Khối nguồn	Bộ chuyển đổi nguồn điện	Cung cấp nguồn điện ổn định cho toàn bộ mạch điều khiển, cảm biến và động cơ.
Khối điều khiển băng tải	Động cơ giảm tốc 9V, bộ điều tốc vô cấp	Vận chuyển sản phẩm với tốc độ có thể tùy chỉnh để phù hợp với thời gian đọc của cảm biến.
Khối xử lý trung tâm	Vi điều khiển ESP32 (Tensilica Xtensa Dual-Core)	Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại và TCS3200, thực thi thuật toán phân loại và phát xung điều khiển.
Khối nhận diện & đếm	Cảm biến TCS3200, module hồng ngoại LM393	Phát hiện sự hiện diện của vật thể (khoảng cách 2–30 cm) và trích xuất thành phần màu RGB qua tần số xung.
Khối phân loại	Động cơ Servo RC, cánh gạt phân loại	Điều khiển góc quay cơ cấu gạt để đẩy sản phẩm vào các khay chứa riêng biệt theo màu nhận diện.
Khối hiển thị & IoT	Màn hình LCD 16x2 (I2C), nền tảng Blynk	Hiển thị số lượng từng loại sản phẩm (Đỏ, Xanh, Vàng) và tổng số; đồng bộ dữ liệu trạng thái qua WiFi.

2. Thông số kỹ thuật của các thiết bị chính

• Vi điều khiển ESP32: CPU Xtensa Dual-Core LX6 32-bit (tốc độ 160 MHz đến 240 MHz), ROM 448 KB, SRAM 520 KB (kèm 8 KB RTC RAM tốc độ cao và 8 KB RTC RAM tốc độ thấp), 36 chân GPIO, tích hợp Wi-Fi 2.4 GHz và Dual-mode Bluetooth, điện áp hoạt động từ 2,2V đến 3,6V, nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến +85°C.
• Cảm biến màu sắc TCS3200: Chip tích hợp ma trận photodiode 8x8 bao gồm 16 photodiode lọc màu đỏ (Red), 16 photodiode lọc màu xanh lá (Green), 16 photodiode lọc màu xanh dương (Blue) và 16 photodiode không lọc (Clear). Cảm biến chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số xung vuông với các tỷ lệ chia tần số cấu hình qua chân S0, S1 (Power down, 2%, 20%, 100% tương ứng mức tần số tối đa 500 kHz).
• Module cảm biến hồng ngoại: Sử dụng IC so sánh LM393, góc mở 35 độ, điện áp hoạt động 3.0V, dòng tiêu thụ khoảng 43 mA, khoảng cách phát hiện vật cản từ 2 cm đến 30 cm (tùy chỉnh bằng biến trở), mức logic ngõ ra: Low (L) khi có vật cản, High (H) khi không có vật cản.
• Động cơ Servo RC: Điện áp hoạt động 5.6VDC, bánh răng kim loại, ổ trục vòng bi đôi, vỏ giữa bằng hợp kim, độ rộng dải chết 1 µs, chiều dài dây dẫn 25 cm, kích thước 22,8 x 12 x 31 mm, trọng lượng 13,8 g.
• Băng tải mini: Kích thước tổng thể 196 x 355 x 138 mm, trọng lượng 7 kg, sử dụng dây băng tải chuyên dụng PVC màu xanh, động cơ kéo DC 9V đi kèm bộ điều chỉnh tốc độ vô cấp.

3. Nguyên lý và quy trình vận hành

1. Khi nhấn nút Start, khối nguồn cấp điện cho hệ thống, băng tải khởi động vận chuyển sản phẩm.
2. Sản phẩm di chuyển đến vị trí cảm biến hồng ngoại, tín hiệu kích hoạt đưa về mức thấp (L), vi điều khiển ra lệnh tạm dừng động cơ băng tải (thời gian trễ 1200 ms).
3. Vi điều khiển cấu hình các chân logic S2, S3 trên cảm biến TCS3200 để lần lượt đo tần số xung ngõ ra (thông qua hàm pulseIn) cho các kênh màu Đỏ, Xanh lá, Xanh dương; thực hiện lấy mẫu 20 lần để lọc giá trị trung bình.
4. Thuật toán so khớp các giá trị đo được với dải thông số màu định sẵn để kết luận màu của sản phẩm.
5. Vi điều khiển điều khiển động cơ servo tương ứng xoay cánh gạt để đưa sản phẩm vào khay quy định, đồng thời tăng biến đếm của màu đó và cập nhật tổng sản phẩm.
6. Kết quả đếm được xuất ra màn hình LCD 16x2 thông qua giao thức I2C và truyền dữ liệu lên giao diện giám sát Blynk qua kết nối không dây.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc trong bối cảnh sản xuất hiện đại. Tác giả xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống tự động nhận diện màu, đếm và phân loại chính xác, hoạt động ổn định. Đối tượng nghiên cứu bao gồm cảm biến màu, cơ cấu cơ khí, lập trình ESP32 và tích hợp hệ thống. Giới hạn đề tài được khoanh vùng trong quy mô mô hình thực nghiệm sử dụng vi điều khiển ESP32, cảm biến màu TCS3200, cảm biến hồng ngoại LM393 và cơ cấu gạt servo. Nội dung đề tài được kết cấu thành 4 chương chính.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp nền tảng khoa học cho đề tài:

• Trình bày khái niệm, phân loại và vai trò của cảm biến trong việc thu thập tham số môi trường và cung cấp tín hiệu phản hồi cho hệ thống điều khiển tự động.
• Phân tích các nguyên lý xử lý tín hiệu tương tự và tín hiệu số; phân loại tín hiệu theo miền thời gian liên tục, thời gian rời rạc, xử lý phi tuyến và xử lý thống kê.
• Phân tích cấu trúc vi điều khiển, vai trò của các khối chức năng bên trong vi mạch, tiêu chí lựa chọn vi điều khiển theo cấu hình bộ nhớ Flash, RAM, số lượng kênh I/O, điện áp và tốc độ xử lý.

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 là trọng tâm kỹ thuật của đồ án, thuyết minh chi tiết:

• Sơ đồ khối chức năng và nguyên lý hoạt động liên hoàn giữa các khối nguồn, điều khiển tốc độ, xử lý trung tâm, phân loại và hiển thị.
• Tính toán và lựa chọn thiết bị: Khảo sát dòng chip ESP8266 (các module ESP-01, ESP-07, ESP-12, NodeMCU) và vi điều khiển ESP32; module cảm biến hồng ngoại LM393; màn hình LCD 16x2 kết hợp module chuyển đổi giao tiếp LCD I2C; động cơ Servo RC; cảm biến màu sắc TCS3200.
• Bảng cấu hình chân điều khiển chọn bộ lọc photodiode (S2, S3) và bảng tỷ lệ tần số đầu ra (S0, S1) của TCS3200.
• Phương pháp xác định dải màu thực nghiệm: Ghi nhận dữ liệu qua 3 lần đo liên tiếp trên vật mẫu màu đỏ (Lần 1: R=66, G=194, B=171; Lần 2: R=74, G=200, B=168; Lần 3: R=70, G=242, B=174), từ đó xác lập dải màu chuẩn cho hệ thống.
• Lưu đồ thuật toán điều khiển và kết quả thử nghiệm chạy thực tế trên các sản phẩm mẫu (vàng, đỏ, xanh). Ghi nhận các sự cố kỹ thuật phát sinh trong quá trình thử nghiệm (lỗi nối dây, lỗi hỏng module I2C, lỗi nạp code thiếu driver CH341SER) và biện pháp xử lý.

Chương 4: KẾT LUẬN

Chương 4 tổng hợp các kết quả kỹ thuật đạt được của mô hình, đúc kết các khoảng thông số màu sắc thực nghiệm cho 3 nhóm màu chính (Đỏ, Xanh lam, Xanh lục). Đánh giá hiệu quả làm việc của cảm biến hồng ngoại trong dải 2–30 cm. Nêu rõ các hạn chế còn tồn tại về hiện tượng nhiễu quang học, khoảng cách đặt phôi trên băng chuyền và đề xuất phương hướng nâng cấp bằng công nghệ xử lý ảnh và giám sát di động.

---

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

Hệ thống đã hoàn thiện việc chế tạo và tích hợp phần cứng, vận hành thử nghiệm phân loại thành công các sản phẩm theo dải màu định sẵn. Kết quả thiết lập dải màu thực nghiệm cho cảm biến TCS3200 được ghi nhận cụ thể như sau:

Loại màu sắc	Dải giá trị Red (R)	Dải giá trị Green (G)	Dải giá trị Blue (B)
Màu đỏ	$40 < R < 100$	$100 < G < 260$	$100 < B < 300$
Màu xanh lam	$120 < R < 300$	$70 < G < 160$	$0 < B < 100$
Màu xanh lục	$70 < R < 120$	$60 < G < 100$	$80 < B < 140$

Bên cạnh đó, các thông số vận hành phần cứng được kiểm chứng bao gồm:

• Cảm biến hồng ngoại LM393 phát hiện vật thể và kích hoạt dừng băng tải chính xác trong khoảng cách từ 2 cm đến 30 cm.
• Giao tiếp I2C hiển thị thông tin rõ ràng lên LCD 16x2 với địa chỉ bus 0x27.
• Hệ thống cơ cấu gạt servo đáp ứng phân loại đúng từng vị trí khay chứa đối với các sản phẩm màu đỏ, vàng và xanh.

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đã áp dụng

• Xử lý hiện tượng nhiễu tín hiệu quang: Áp dụng thuật toán lấy mẫu lặp lại 20 lần (for (i=0; i<20; i++) doc_tcs3200()) trước khi đưa ra quyết định kiểm tra màu, giúp giảm thiểu sai lệch do dao động ánh sáng tức thời.
• Tối ưu hóa chân giao tiếp vi điều khiển: Sử dụng module chuyển đổi giao tiếp I2C cho màn hình LCD 16x2, giúp giảm số lượng chân kết nối từ 16 chân xuống còn 2 chân tín hiệu (SDA, SCL).
• Khắc phục lỗi nạp firmware: Xử lý lỗi nạp chương trình vào kit ESP32 thông qua việc cài đặt bổ sung driver giao tiếp nạp CH341SER.

3. Đóng góp của đề tài

• Xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh, kết hợp đồng bộ giữa cơ khí băng tải, cảm biến nhận diện quang học, vi điều khiển ESP32 và cơ cấu servo gạt sản phẩm.
• Thiết lập được bộ thông số dải màu thực nghiệm cụ thể cho cảm biến TCS3200, làm tài liệu tham khảo cho các bài toán phân loại màu sắc cơ bản.
• Tích hợp khả năng giám sát và điều khiển trạng thái từ xa thông qua nền tảng IoT Blynk trên nền vi điều khiển ESP32.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của hệ thống

• Nhiễu màu do ánh sáng môi trường: Quá trình nhận dạng màu sắc bị ảnh hưởng khi cường độ và tần số ánh sáng môi trường xung quanh không ổn định, dẫn đến sai lệch tần số đầu ra của cảm biến TCS3200.
• Hạn chế về mật độ sản phẩm: Hệ thống không thể xử lý chính xác nếu hai sản phẩm đặt quá gần nhau trên băng tải, dẫn đến hiện tượng đọc sai hoặc cơ cấu gạt không kịp phản hồi.
• Rủi ro đồng bộ giữa hai cảm biến: Nếu sản phẩm đi qua vị trí cảm biến màu TCS3200 nhưng xảy ra sự cố không kích hoạt được cảm biến hồng ngoại, hệ thống sẽ bỏ sót không đếm và không hiển thị sản phẩm đó lên LCD.

2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh: Thay thế hoặc kết hợp cảm biến màu quang học TCS3200 bằng camera và thuật toán xử lý ảnh chuyên dụng nhằm nâng cao độ chính xác, tăng khả năng nhận diện nhiều dải màu và hình dạng phức tạp.
• Mở rộng chức năng quản lý từ xa: Hoàn thiện hệ thống quản lý, giám sát sản lượng qua thiết bị di động, bổ sung tính năng gửi tin nhắn cảnh báo hoặc thống kê dữ liệu sản xuất về điện thoại.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển trong quá trình thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống phân loại sản phẩm.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao trong tài liệu bao gồm:

• Dữ liệu thực nghiệm phân loại màu sắc: Bảng thiết lập logic chọn kênh màu (S2, S3), tỷ lệ chia tần số (S0, S1) và dải giá trị RGB thực nghiệm của cảm biến TCS3200.
• Sơ đồ phối ghép phần cứng: Cách thức kết nối vi điều khiển ESP32 với module cảm biến hồng ngoại LM393, LCD I2C và điều khiển góc quay động cơ servo.
• Lưu đồ thuật toán và mã nguồn mẫu: Cấu trúc chương trình nhúng đọc xung pulseIn, thuật toán lấy mẫu trung bình khử nhiễu và tích hợp thư viện Blynk để điều khiển/giám sát hệ thống.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống là loại nào và có đặc số kỹ thuật chính ra sao?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển ESP32 với bộ xử lý Xtensa Dual-Core LX6 32-bit (tốc độ từ 160 MHz đến 240 MHz), bộ nhớ ROM 448 KB, SRAM 520 KB, 36 chân GPIO, hoạt động ở dải điện áp 2,2V – 3,6V, có tích hợp kết nối không dây Wi-Fi và Bluetooth chế độ kép.

2. Cảm biến màu TCS3200 nhận diện các màu sắc khác nhau bằng cơ chế nào?
TCS3200 sử dụng ma trận 8x8 gồm 64 photodiode (16 photodiode lọc màu đỏ, 16 màu xanh lá, 16 màu xanh dương và 16 không lọc). Người lập trình điều khiển mức logic của hai chân S2 và S3 để chọn bộ lọc màu cần đo, sau đó chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số xung vuông xuất ra chân OUT. Vi điều khiển dùng lệnh đo độ rộng xung để xác định cường độ từng kênh màu RGB.

3. Dải giá trị thực nghiệm của mẫu màu đỏ được thiết lập trong chương trình điều khiển là bao nhiêu?
Qua 3 lần đo mẫu thực tế, dải giá trị xác định cho màu đỏ được chốt trong chương trình là: $40 < R < 100$, $100 < G < 260$ và $100 < B < 300$.

4. Khi thử nghiệm thực tế, nhóm tác giả đã gặp phải các lỗi kỹ thuật nào và giải pháp khắc phục là gì?
Trong lần thử nghiệm thứ nhất, hệ thống bị sai chân kết nối cảm biến và hỏng module I2C làm LCD không hiển thị, được khắc phục bằng cách nối lại dây và thay thế module I2C mới. Trong lần thử nghiệm thứ hai, hệ thống gặp lỗi không nạp được code (khắc phục bằng cách cài driver CH341SER) và lỗi nhận diện màu (khắc phục bằng cách hiệu chỉnh lại dải màu ngưỡng).

5. Nhược điểm chính của hệ thống khi vận hành trên mô hình thực tế là gì?
Hệ thống dễ bị nhiễu màu khi ánh sáng môi trường thay đổi, không phân loại chính xác khi hai sản phẩm đặt quá sát nhau trên băng chuyền, và không đếm được sản phẩm nếu sản phẩm qua cảm biến màu nhưng không kích hoạt được cảm biến hồng ngoại.

---

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc" đã hoàn thành việc xây dựng mô hình thực nghiệm kết hợp giữa vi điều khiển ESP32, cảm biến màu sắc TCS3200, cảm biến hồng ngoại LM393 và cơ cấu gạt servo trên băng tải mini. Hệ thống thực hiện ổn định các chức năng phát hiện vật cản, nhận diện và phân loại các sản phẩm theo dải màu định sẵn (đỏ, xanh lam, xanh lục, vàng), đồng thời hiển thị số liệu đếm trên LCD và đồng bộ qua nền tảng Blynk. Đồ án cung cấp các thông số thực nghiệm cụ thể và lưu đồ giải thuật rõ ràng, tạo cơ sở thực tiễn để tiếp tục nghiên cứu nâng cấp hệ thống bằng công nghệ xử lý ảnh và quản lý sản xuất thông minh.

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.