Đồ Án Phân Loại Chiều Cao: Ứng Dụng Arduino Trong Sản Xuất

Khám phá đồ án phân loại chiều cao, ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển công nghệ, giúp nâng cao hiệu quả trong nhiều lĩnh vực.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Đồ Án Phân Loại Chiều Cao
• Loại tài liệu: Đồ Án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Đối tượng
• 1.4. Phương thức nghiên cứu
• 1.5. Ý nghia thực tế
• 2. CHƯƠNG 2: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KÍCH THƯỚC
• 2.1. Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay
• 2.1.1. Giới thiệu chung
• 2.1.2. Ưu điểm của băng tải
• 2.1.3. Cấu tạo chung của băng tải
• 2.1.4. Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
• 2.2. Các loại băng tải phân loại sản phẩm hiện nay
• 2.3. Giới thiệu băng tải trong mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC LINH KIỆN CHÍNH
• 3.1. Giới thiệu
• 3.2. Arduino Nano Board
• 3.3. Arduino Nano Pinout
• 3.4. Cổng kết nối với Arduino Nano
• 3.5. Lập trình cho Arduino
• 3.6. Cảm biến Hồng Ngoại
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Các phần mềm thiết kế
• 4.2. Code điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Ưu nhược điểm
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án phân loại chiều cao Khám phá ứng dụng

Đồ án phân loại chiều cao là một trong những ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và công nghệ thông tin. Việc phân loại sản phẩm theo chiều cao không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Đồ án này sử dụng các công nghệ hiện đại như cảm biến hồng ngoại và vi điều khiển Arduino để thực hiện nhiệm vụ phân loại. Mục tiêu chính là tạo ra một mô hình có khả năng phân loại sản phẩm một cách chính xác và nhanh chóng.

1.1. Lý do chọn đề tài phân loại chiều cao

Sự phát triển của công nghệ tự động hóa đã tạo ra nhu cầu cao về các hệ thống phân loại sản phẩm. Đặc biệt, việc phân loại theo chiều cao giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất lao động. Đồ án này nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong sản xuất và quản lý.

1.2. Mục tiêu của đồ án phân loại chiều cao

Mục tiêu chính của đồ án là nghiên cứu và phát triển một hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao. Hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thiểu sai sót và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

II. Thách thức trong việc phân loại chiều cao Những vấn đề cần giải quyết

Việc phân loại sản phẩm theo chiều cao gặp nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác của cảm biến, tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng tích hợp với các hệ thống khác. Những vấn đề này cần được giải quyết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.

2.1. Độ chính xác của cảm biến trong phân loại

Độ chính xác của cảm biến hồng ngoại là yếu tố quyết định trong việc phân loại sản phẩm. Cảm biến cần phải được hiệu chỉnh để đảm bảo nhận diện chính xác chiều cao của sản phẩm.

2.2. Tốc độ xử lý dữ liệu trong hệ thống

Tốc độ xử lý dữ liệu là một yếu tố quan trọng trong hệ thống phân loại. Hệ thống cần phải có khả năng xử lý nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu sản xuất liên tục.

III. Phương pháp phân loại chiều cao Giải pháp hiệu quả

Đồ án sử dụng các phương pháp hiện đại để phân loại sản phẩm theo chiều cao. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng cảm biến hồng ngoại và thuật toán phân loại thông minh. Hệ thống sẽ được thiết kế để hoạt động tự động và hiệu quả.

3.1. Sử dụng cảm biến hồng ngoại trong phân loại

Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để đo chiều cao của sản phẩm. Khi sản phẩm đi qua cảm biến, dữ liệu sẽ được thu thập và xử lý để xác định chiều cao.

3.2. Thuật toán phân loại sản phẩm

Thuật toán phân loại sẽ được phát triển để phân loại sản phẩm dựa trên dữ liệu thu thập được từ cảm biến. Điều này giúp tăng cường độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ thống phân loại chiều cao

Hệ thống phân loại chiều cao có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Từ sản xuất thực phẩm đến sản xuất linh kiện điện tử, hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sai sót trong quy trình sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất thực phẩm

Trong ngành sản xuất thực phẩm, việc phân loại sản phẩm theo chiều cao giúp đảm bảo chất lượng và tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Hệ thống có thể tự động phân loại các sản phẩm như chai lọ, hộp đựng.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất linh kiện điện tử

Hệ thống phân loại chiều cao cũng được áp dụng trong sản xuất linh kiện điện tử, nơi mà độ chính xác và tốc độ là rất quan trọng. Việc phân loại chính xác giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

V. Kết luận và tương lai của đồ án phân loại chiều cao

Đồ án phân loại chiều cao không chỉ mang lại giá trị thực tiễn mà còn mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Việc áp dụng công nghệ mới sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.

5.1. Tương lai của hệ thống phân loại

Trong tương lai, hệ thống phân loại chiều cao có thể được cải tiến với các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy, giúp nâng cao khả năng tự động hóa và độ chính xác.

5.2. Định hướng phát triển tiếp theo

Định hướng phát triển tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến logistics.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật vi điều khiển ngày càng đóng vai trò trung tâm trong các hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp và dân dụng. Các bộ vi điều khiển với kích thước vi mạch nhỏ gọn đã từng bước thay thế các tủ điều khiển cồng kềnh, phức tạp, mang lại giải pháp vận hành tinh gọn và dễ thao tác. Trong số các họ vi điều khiển AVR, nền tảng Arduino được ứng dụng rộng rãi nhờ tính mở, sự thuận tiện và khả năng tương thích cao. Tuy nhiên, việc áp dụng Arduino vào các dây chuyền sản xuất thực tế còn thiếu các tài liệu hướng dẫn chuyên sâu trong môi trường đào tạo kỹ thuật.

Xuất phát từ các đợt thực tập và khảo sát thực tế tại các nhà máy, khu công nghiệp, khâu vận chuyển và phân loại sản phẩm là một mắt xích trọng yếu trong dây chuyền tự động hóa. Tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam, các công đoạn phân loại và đóng gói phần lớn vẫn phụ thuộc vào nhân công thủ công. Lao động thủ công có tính chất lặp lại, đòi hỏi sự tập trung cao nên khó duy trì tính ổn định, dễ gây sai sót đối với các sản phẩm yêu cầu dung sai kích thước nhỏ, làm giảm năng suất và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Các hệ thống phân loại tự động công nghiệp hiện hữu thường đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn, chưa phù hợp với năng lực tài chính của doanh nghiệp quy mô nhỏ. Trước thực tiễn đó, đề tài thiết kế và thi công mô hình băng tải phân loại sản phẩm theo chiều cao sử dụng Arduino được thực hiện nhằm mang lại một giải pháp tự động hóa chi phí thấp, đồng thời đáp ứng nhu cầu thực hành của sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể bao gồm:

1. Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống đếm và phân loại sản phẩm trên dây chuyền băng tải.
2. Phân tích sơ đồ nguyên lý mạch điện và các khối chức năng điều khiển.
3. Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển, kỹ thuật hàn mạch và gia công sản phẩm điện tử.
4. Phát triển tư duy nghiên cứu và khả năng ứng dụng lý thuyết vào việc chế tạo mô hình thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và đếm sản phẩm; mô hình cơ khí băng chuyền; thuật toán điều khiển và giao tiếp phần cứng.
• Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm mô hình ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng vi điều khiển Arduino Nano, cơ cấu phân loại bằng động cơ Servo, cảm biến thu phát hồng ngoại và băng tải dây đai vận chuyển gói hàng tải trọng nhỏ ($0{,}2\text{ kg}$).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật áp dụng trong đề tài bao gồm:

• Lý thuyết điều khiển vi xử lý/vi điều khiển: Cấu trúc vi điều khiển 8-bit AVR ATmega328P, tập lệnh và môi trường phát triển Arduino dựa trên ngôn ngữ Wiring (biến thể của C/C++).
• Lý thuyết truyền động cơ khí băng tải: Nguyên lý truyền động đai, các thông số ma sát pully, ma sát hộp giảm tốc và tính toán mô-men xoắn kéo tải.
• Nguyên lý quang điện tử và cảm biến: Kỹ thuật phát hiện vật cản bằng sóng bức xạ hồng ngoại sử dụng cặp LED phát (IR LED) và linh kiện thu quang bán dẫn (Photodiode/Phototransistor); kỹ thuật nhận dạng quang tự do (FAO) và cảm biến màu sắc E3MC; kỹ thuật thị giác máy tính dùng camera đối sánh ảnh.
• Kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation): Điều khiển vị trí góc trục quay của động cơ Servo RC thông qua độ rộng xung dao động từ $1\text{ ms}$ đến $2\text{ ms}$ trên tần số cơ sở $50\text{ Hz}$.
• Nguyên lý đóng cắt điện tử công suất: Điều khiển tải dòng một chiều bằng linh kiện bán dẫn trường kim loại - oxit (MOSFET kênh N) mã hiệu IRF520.

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã triển khai:

• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Xác định tải trọng băng chuyền ($W = 0{,}5\text{ kg}$, gồm $0{,}2\text{ kg}$ hàng và $0{,}3\text{ kg}$ dây đai), hệ số ma sát trượt $\mu = 0{,}15$, hệ số ma sát pully $\pi_1 = 0{,}95$, hệ số ma sát hộp giảm tốc $\pi_2 = 0{,}9$, đường kính pully $D = 0{,}03\text{ m}$ để tính toán vận tốc vòng quay hộp số $N = 63\text{ RPM}$ và mô-men xoắn động cơ DC.
• Phương pháp thiết kế phần cứng điện tử: Sử dụng phần mềm chuyên ngành Altium Designer để xây dựng sơ đồ nguyên lý (Schematic) và layout mạch in (PCB) đa lớp.
• Phương pháp lập trình và nhúng hệ thống: Thiết kế lưu đồ thuật toán và viết mã nguồn điều khiển trên phần mềm Arduino IDE theo chu trình hai hàm setup() và loop().
• Phương pháp thực nghiệm mô hình: Chế tạo cơ khí, lắp ráp mạch điện, đo kiểm tín hiệu và thử nghiệm điều chỉnh phân loại thực tế.

Nguồn dữ liệu:

• Tài liệu thông số kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện: Vi điều khiển ATmega328P, chip chuyển đổi UART CH340, driver màn hình HD44780, MOSFET IRF520, động cơ RC Servo MG996R, động cơ DC JGB37-520, Module cảm biến hồng ngoại V1.
• Dữ liệu khảo sát từ các tài liệu chuyên ngành về hệ thống băng tải công nghiệp và số liệu thu thập qua quá trình vận hành chạy thử mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế và chế tạo bao gồm các phân hệ phần cứng và môi trường phần mềm điều khiển:

1. Kiến trúc phần cứng và thiết bị chính

• Khối xử lý trung tâm (Arduino Nano): Sử dụng MCU ATmega328P (xung nhịp $16\text{ MHz}$, bộ nhớ Flash $32\text{ KB}$ với $2\text{ KB}$ bootloader, SRAM $2\text{ KB}$, EEPROM $1\text{ KB}$). Tích hợp chip nạp CH340 chuyển đổi USB sang UART qua cổng Mini USB. Khối điều khiển cung cấp $14$ chân Digital I/O (trong đó có $6$ chân PWM) và $8$ chân Analog ($10\text{-bit}$), hoạt động ở điện áp $5\text{V DC}$ (điện áp cấp khuyên dùng $7\text{ - }12\text{V DC}$).
• Khối phát hiện chiều cao (Module cảm biến hồng ngoại V1): Sử dụng cụm cảm biến gồm một IR LED phát tia hồng ngoại và Photodiode thu tia phản xạ. Khoảng cách phát hiện từ $2\text{ cm}$ đến $30\text{ cm}$ với góc quét $35^\circ$, điều chỉnh độ nhạy bằng chiết áp tích hợp. Tín hiệu ngõ ra (OUT) chuyển mức thấp (Low) và bật đèn báo LED xanh khi có vật cản, dòng tiêu thụ $23\text{ mA}$ ($3{,}3\text{V}$) và $43\text{ mA}$ ($5\text{V}$).
• Khối dẫn động băng tải: Động cơ DC giảm tốc JGB37-520 có điện áp định mức $12\text{V DC}$, tốc độ chạy không tải $66\text{ RPM}$, dòng không tải $60\text{ mA}$, mô-men xoắn đạt $5\text{ kg}\cdot\text{cm}$, tỷ số truyền hộp số bánh răng kim loại $1:90$, trọng lượng $158\text{ g}$.
• Khối công suất điều khiển động cơ: Module MOSFET IRF520 nhận tín hiệu kích $3{,}3\text{ - }5\text{V DC}$ từ Arduino để đóng ngắt tải ngoài $0\text{ - }24\text{V DC}$ với dòng tải tối đa $< 5\text{A}$.
• Khối cơ cấu gạt phân loại: Động cơ RC Servo MG996R có bánh răng kim loại, trọng lượng $55\text{ g}$, điện áp hoạt động $4{,}2\text{ - }6\text{V DC}$, lực kéo $11\text{ kg}\cdot\text{cm}$ tại $6\text{V}$, tốc độ quét $0{,}14\text{ giây}/60^\circ$. Động cơ nhận tín hiệu PWM chu kỳ $20\text{ ms}$ ($50\text{ Hz}$) với độ dài xung $1\text{ - }2\text{ ms}$ để định vị góc quay từ $90^\circ$ đến $180^\circ$.
• Khối hiển thị dữ liệu: Màn hình LCD 2004 tích hợp chip điều khiển HD44780, kích thước $98 \times 60 \times 13{,}5\text{ mm}$, hiển thị $4$ dòng, mỗi dòng $20$ ký tự, kết hợp chiết áp đơn $10\text{ k}\Omega$ ($2\text{W}$, sai số $10%$) để điều chỉnh độ tương phản.
• Khối nguồn hệ thống: Nguồn Adapter AC-DC chuyển đổi điện áp đầu vào $100\text{ - }240\text{V AC}$ ($50/60\text{ Hz}$) thành $12\text{V DC} - 2\text{A}$, có mạch bảo vệ quá áp và ngắn mạch.

2. Công cụ phần mềm và nguyên lý lập trình

• Altium Designer: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển, quản lý netlist, tạo thư viện footprint linh kiện và thực hiện đi dây mạch in PCB hai lớp kết hợp kiểm tra mô hình 3D.
• Arduino IDE: Môi trường lập trình soạn thảo mã nguồn C/C++, tích hợp chuỗi công cụ biên dịch GNU toolchain, bộ thư viện AVR libc và công cụ nạp chương trình avrdude. Thuật toán điều khiển hoạt động theo cấu trúc hai hàm chính: khởi tạo cấu hình ngoại vi trong hàm setup() và vòng lặp quét trạng thái cảm biến, kích hoạt cơ cấu gạt và cập nhật biến đếm lên LCD trong hàm loop().

Bộ phận hệ thống	Linh kiện sử dụng	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong mô hình
Khối điều khiển trung tâm	Arduino Nano (MCU ATmega328P)	$16\text{ MHz}$, $32\text{ KB}$ Flash, $14$ I/O ($6$ PWM), $8$ Analog	Xử lý logic, tính toán tín hiệu và điều khiển chấp hành
Khối cảm biến	Module Hồng ngoại V1	Khoảng cách $2\text{ - }30\text{ cm}$, góc $35^\circ$, áp $3\text{ - }5\text{V DC}$	Nhận diện sự hiện diện và phân tầng chiều cao sản phẩm
Khối truyền động	Động cơ DC JGB37-520	$12\text{V DC}$, $66\text{ RPM}$, mô-men $5\text{ kg}\cdot\text{cm}$, tỷ số $1:90$	Dẫn động băng tải dây đai vận chuyển sản phẩm
Mạch điều khiển công suất	Module MOSFET IRF520	Tín hiệu kích $3{,}3\text{ - }5\text{V}$, tải $0\text{ - }24\text{V DC}$, dòng $< 5\text{A}$	Đóng ngắt nguồn điều khiển động cơ DC
Cơ cấu gạt phân loại	RC Servo MG996R	Áp $4{,}2\text{ - }6\text{V}$, lực kéo $11\text{ kg}\cdot\text{cm}$ ($6\text{V}$), xung $1\text{ - }2\text{ ms}$	Định vị cánh gạt đưa sản phẩm vào khay chỉ định
Khối hiển thị	Màn hình LCD 2004	HD44780, $4$ dòng $\times 20$ ký tự, nguồn $5\text{V DC}$	Hiển thị số lượng sản phẩm từng loại đã phân loại

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này phân tích sự cần thiết của vi điều khiển AVR và Arduino trong kỹ thuật điều khiển hiện đại, chỉ ra thực trạng thiếu hụt tài liệu ứng dụng Arduino vào dây chuyền sản xuất công nghiệp. Tác giả xác lập hệ thống mục tiêu, đối tượng, phương thức nghiên cứu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài trong việc rèn luyện kỹ năng thiết kế phần cứng, lập trình nhúng và giải quyết bài toán tự động hóa.

Chương 2: Sơ lược về hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Chương 2 khảo sát tổng quan về các công nghệ băng chuyền trong công nghiệp và phân tích các dạng phân loại sản phẩm hiện hành. Tác giả trình bày cấu tạo cơ bản của băng tải (bộ phận kéo, trạm dẫn động, bộ phận căng, hệ thống đỡ con lăn) và tổng hợp bảng phân loại các dòng băng tải phổ biến.

Loại băng tải	Tải trọng danh định	Phạm vi ứng dụng tiêu biểu
Băng tải dây đai	$< 50\text{ kg}$	Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc thùng chứa cơ khí
Băng tải lá	$25\text{ - }125\text{ kg}$	Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và lắp ráp
Băng tải thanh đẩy	$50\text{ - }250\text{ kg}$	Vận chuyển chi tiết lớn giữa các bộ phận với cự ly $> 50\text{ m}$
Băng tải con lăn	$30\text{ - }500\text{ kg}$	Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh giữa các nguyên công cự ly $< 50\text{ m}$

Bên cạnh đó, chương 2 phân tích các loại băng tải chuyên dụng khác gồm: băng tải cào dùng thu dọn phoi vụn (năng suất đạt $1{,}5\text{ tấn/h}$, tốc độ $0{,}2\text{ m/s}$, lực kéo $10\text{ kN}$); băng tải xoắn vít một buồng xoắn (năng suất $4\text{ tấn/h}$, chiều dài $80\text{ cm}$) và băng tải xoắn vít hai buồng xoắn đảo chiều đặt trong máng thép hoặc xi măng. Đồng thời, tác giả so sánh các nguyên lý phân loại sản phẩm: phân loại bằng cảm biến quang học theo chiều cao, phân loại màu sắc sử dụng công nghệ lọc phân cực góc quang tự do (FAO) của cảm biến E3MC, và phân loại hình ảnh bằng camera/webcam. Từ các phân tích kỹ thuật, tác giả lựa chọn băng tải dây đai cho mô hình nghiên cứu nhờ ưu điểm kết cấu cơ khí đơn giản, tải trọng phù hợp và dễ chế tạo.

Chương 3: Tổng quan về các linh kiện chính

Chương 3 trình bày chi tiết về thông số kỹ thuật, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện cấu thành hệ thống. Tác giả điểm lại lịch sử hình thành nền tảng Arduino (khởi động năm 2005 tại Viện Thiết kế Tương tác Ivrea, Italy; đến năm 2011 có hơn 300.000 mạch và năm 2013 đạt khoảng 700.000 mạch thương mại). Nội dung chương cung cấp sơ đồ chân chi tiết của Arduino Nano, thông số module cảm biến hồng ngoại V1, module MOSFET IRF520 và động cơ Servo MG996R.

Phần tính toán động cơ xác lập các tham số: tổng khối lượng hàng $0{,}2\text{ kg}$, khối lượng dây đai $0{,}3\text{ kg}$ (tổng tải trọng $W = 0{,}5\text{ kg}$), hệ số ma sát $\mu = 0{,}15$, hệ số pully $\pi_1 = 0{,}95$, hệ số hộp số $\pi_2 = 0{,}9$, đường kính pully $D = 0{,}03\text{ m}$, cho ra tốc độ pully $N_1$ và tốc độ hộp số $N_2 = 63\text{ RPM}$, làm căn cứ chọn động cơ giảm tốc JGB37-520 ($12\text{V}$, $66\text{ RPM}$). Chương này cũng mô tả cấu đồ chân $16$ pin của màn hình LCD 2004 với driver HD44780 và giải thích nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) với các độ rộng $1\text{ ms}$ và $2\text{ ms}$ ở tần số $50\text{ Hz}$ để điều hướng trục động cơ servo.

Chân LCD 2004	Ký hiệu	Giá trị điện áp / Mức logic	Mô tả chức năng
Chân 1	VSS	$0\text{V}$	Nối cực âm nguồn (GND)
Chân 2	VCC	$5\text{V}$	Nối cực dương nguồn
Chân 3	VEE	Tùy chỉnh qua chiết áp	Điều chỉnh độ tương phản màn hình
Chân 4	RS	$0\text{V}$ (mức thấp) / $5\text{V}$ (mức cao)	Lựa chọn thanh ghi (0: ghi lệnh, 1: ghi dữ liệu)
Chân 5	R/W	$0\text{V}$ (mức thấp) / $5\text{V}$ (mức cao)	Lựa chọn chế độ (0: ghi dữ liệu, 1: đọc dữ liệu)
Chân 6	E	Xung kích hoạt	Chân cho phép (Enable) truyền dữ liệu
Chân 7 - 14	DB0 - DB7	Tín hiệu số $8\text{-bit}$	Các đường truyền bus dữ liệu
Chân 15	A	$0\text{V đến } 5\text{V}$	Cực dương đèn LED nền
Chân 16	K	$0\text{V}$	Cực âm đèn LED nền

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả quá trình hiện thực hóa mô hình phân loại sản phẩm. Tác giả hướng dẫn chi tiết cách thức sử dụng phần mềm Altium Designer để thiết kế bản vẽ mạch in và thi công board mạch chính. Về phần mềm điều khiển, chương này trình bày phương pháp cài đặt môi trường Arduino IDE, cách thao tác trên menu File (mục Examples - kiểm tra bo mạch với chương trình Blink), cấu hình cổng giao tiếp nối tiếp COM (Tools -> Serial Port), cơ chế hoạt động của hai hàm setup() và loop(), cùng thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến để điều khiển cơ cấu gạt servo và xuất dữ liệu đếm ra màn hình hiển thị.

Chương 5: Kết luận

Chương 5 tổng kết toàn bộ quá trình thiết kế, thi công và đánh giá hoạt động của mô hình hệ thống phân loại sản phẩm. Tác giả đánh giá tổng quan các ưu điểm đạt được về mặt điều khiển tự động hóa quy mô nhỏ, thẳng thắn nhìn nhận những nhược điểm cơ khí còn tồn tại của băng tải đai và đề xuất các giải pháp kỹ thuật mở rộng cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài bao gồm:

• Chế tạo thành công mô hình phần cứng băng chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động hoàn chỉnh, sử dụng động cơ DC JGB37-520 ($12\text{V}$, $66\text{ RPM}$, mô-men xoắn $5\text{ kg}\cdot\text{cm}$) dẫn động dây đai kéo khối lượng hàng $0{,}2\text{ kg}$.
• Thiết kế và gia công board mạch điều khiển chính xác bằng phần mềm Altium Designer, tích hợp vi điều khiển Arduino Nano, mạch công suất MOSFET IRF520, chiết áp $10\text{ k}\Omega$ và cổng kết nối ngoại vi gọn nhẹ.
• Xây dựng giải thuật và nạp mã điều khiển vận hành ổn định trên Arduino IDE: hệ thống nhận biết chính xác hai cấp chiều cao sản phẩm qua trạng thái cảm biến hồng ngoại V1 (khoảng cách nhận diện $2\text{ - }30\text{ cm}$), kích hoạt động cơ RC Servo MG996R (lực kéo $11\text{ kg}\cdot\text{cm}$) gạt đúng vị trí phân loại và hiển thị số lượng thống kê trực quan trên màn hình LCD 2004.

Giải pháp và đề xuất kỹ thuật:

• Đề xuất mô hình ứng dụng vi điều khiển mã nguồn mở chi phí thấp nhằm thay thế các tủ điều khiển rơ-le hoặc PLC phức tạp, đắt tiền trong các ứng dụng phân loại tự động quy mô nhỏ tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.

Đóng góp của tác giả:

• Cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa tính toán lý thuyết cơ học (lực kéo, mô-men xoắn, tốc độ vòng quay băng tải), thiết kế mạch điện tử (Altium) và lập trình điều khiển nhúng Arduino cho hệ thống phân loại sản phẩm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật được tác giả chỉ ra trong văn bản:

• Cơ cấu băng tải dây đai có độ chính xác vận chuyển chưa cao; hoạt động đôi lúc chưa đạt độ ổn định tuyệt đối do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường tác động lên hệ thống con lăn và hệ số ma sát của dây đai bị suy giảm theo thời gian vận hành.
• Mô hình thử nghiệm chỉ giới hạn ở quy mô tải trọng nhỏ ($0{,}2\text{ kg}$) và phân loại đơn tiêu chí theo ngưỡng kích thước chiều cao.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nghiên cứu nâng cấp cơ cấu cơ khí sang dạng băng tải con lăn hoặc băng tải xích để tăng tải trọng và duy trì độ ổn định cơ học.
• Mở rộng thuật toán và phần cứng để thực hiện phân loại đa tiêu chí kết hợp: tích hợp cảm biến màu sắc (ứng dụng công nghệ góc quang tự do FAO E3MC), cảm biến cân nặng để phân loại theo khối lượng, hoặc sử dụng camera/webcam để nhận diện đối tượng bằng thuật toán xử lý ảnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Nội dung đồ án có giá trị ứng dụng cao ở các phần:

• Phương pháp tính toán cơ học lựa chọn động cơ dẫn động băng chuyền tại Chương 3 (công thức tính công suất kéo, vận tốc vòng quay pully $N = 63\text{ RPM}$ và chọn động cơ DC giảm tốc JGB37-520).
• Dữ liệu tra cứu thông số kỹ thuật đầy đủ của các linh kiện nhúng thông dụng (Arduino Nano, Module MOSFET IRF520, RC Servo MG996R, sơ đồ chân LCD 2004 với driver HD44780).
• Quy trình thiết kế phần cứng hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý trên Altium Designer đến kỹ thuật lập trình điều khiển PWM và đọc cảm biến trên Arduino IDE.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển Arduino Nano có những đặc điểm kỹ thuật nào nổi bật so với Arduino Uno trong thiết kế này? Arduino Nano sử dụng MCU ATmega328P dạng IC dán bề mặt, nhờ đó cung cấp $8$ chân ngõ vào Analog (nhiều hơn Arduino Uno $2$ chân). Board mạch sử dụng cổng kết nối Mini USB và tích hợp chip CH340 chuyển đổi USB sang UART (thay vì chip ATmega16U2 trên Uno), giúp giảm kích thước tổng thể và tối ưu hóa chi phí chế tạo mạch mà vẫn giữ nguyên các tính năng điều khiển.

2. Động cơ DC kéo băng tải được tính toán dựa trên các thông số tải trọng và ma sát cụ thể nào? Quá trình tính chọn động cơ dựa trên: khối lượng hàng hóa trên băng chuyền $0{,}2\text{ kg}$, khối lượng dây đai $0{,}3\text{ kg}$ (tổng tải trọng $W = 0{,}5\text{ kg}$), hệ số ma sát trượt $\mu = 0{,}15$, hệ số ma sát pully $\pi_1 = 0{,}95$, hệ số ma sát hộp giảm tốc $\pi_2 = 0{,}9$ và đường kính pully $D = 0{,}03\text{ m}$. Kết quả tính toán xác định tốc độ vòng quay pully và hộp số là $N_1 = N_2 = 63\text{ RPM}$, làm căn cứ lựa chọn động cơ giảm tốc JGB37-520 ($12\text{V}$, $66\text{ RPM}$, mô-men xoắn $5\text{ kg}\cdot\text{cm}$).

3. Nguyên lý phân loại chiều cao sản phẩm bằng cảm biến hồng ngoại trên băng chuyền được thực hiện ra sao? Hệ thống bố trí hai cảm biến thu phát hồng ngoại theo hai tầng độ cao khác nhau trên thân băng tải. Khi sản phẩm di chuyển qua, nếu chỉ kích hoạt cảm biến thứ nhất (tầng thấp) mà không kích hoạt cảm biến thứ hai (tầng cao) thì hệ thống nhận diện đó là vật thấp nhất. Khi sản phẩm đồng thời kích hoạt cả hai cảm biến, hệ thống xác định đó là vật có chiều cao lớn nhất để điều khiển góc xoay cánh gạt servo tương ứng.

4. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) điều khiển động cơ RC Servo MG996R hoạt động theo quy tắc nào? Động cơ Servo MG996R nhận chuỗi xung điều khiển với tần số $50\text{ Hz}$ (chu kỳ lặp lại khoảng $30\text{ - }60\text{ xung/giây}$). Vị trí góc trục ra của servo tỉ lệ với độ dài xung: xung có độ dài $1\text{ ms}$ điều khiển trục servo quay theo một chiều nhất định (cùng chiều kim đồng hồ), trong khi xung có độ dài $2\text{ ms}$ điều khiển servo quay theo chiều ngược lại, giới hạn góc quay điều khiển nằm trong khoảng $90^\circ$ đến $180^\circ$.

5. Mạch công suất MOSFET IRF520 có vai trò gì và thông số giới hạn ra sao? Module MOSFET IRF520 đóng vai trò là mạch đệm công suất, nhận tín hiệu logic mức $3{,}3\text{V - }5\text{V DC}$ từ chân vi điều khiển Arduino Nano để đóng ngắt điều khiển nguồn cấp cho động cơ DC kéo băng tải. Module có khả năng làm việc với điện áp tải từ $0\text{V}$ đến $24\text{V DC}$, chịu được dòng tải tối đa dưới $5\text{A}$ và có đèn LED báo trạng thái hoạt động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã thiết kế và thi công thành công mô hình băng chuyền phân loại và đếm sản phẩm theo chiều cao sử dụng vi điều khiển Arduino Nano kết hợp cảm biến hồng ngoại và cơ cấu chấp hành servo. Nghiên cứu cung cấp đầy đủ quy trình kỹ thuật từ tính toán thông số động học cơ khí, thiết kế mạch in chuyên dụng trên Altium Designer đến lập trình thuật toán điều khiển nhúng trên Arduino IDE. Kết quả đề tài khẳng định tính khả thi của giải pháp tự động hóa chi phí thấp cho các doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ, đồng thời đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao cho sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Với sự phát triển của xã hội, khoa học kĩ thuật nói chung và vi điều khiển nói riêng ngày càng được ứng dụng ở hầu hết các lĩnh vực. 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 dòng sản phẩm phù hợp nhiều quy mô ứng dụng của nó.

Một ý tưởng khác được quan tâm đông 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 thông 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 đếm và phân loại sản phẩm qua ứng dụng của Arduino.2 Mục tiêu của đề tài Mục đích nghiên cứu thông qua đề tài là tìm hiểu về ứng dụng đếm và phân loại sản phẩm nên nhiệm vụ nghiên cứu gồm: - Tìm hiểu cơ chế hoạt động. - Phân tích sơ đồ nguyên lý. - Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển, hàn mạch, làm sản phẩm điện tử.

- Phát triển khả năng tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu 1.3 Đối tượng 6 - Thi công hệ thống “ Phân loại sản phẩm theo chiều cao và đếm sản phẩm “ - Xây dựng mô hình. - Xây dựng lưu đồ thuật toán 1.4 Phương thức nghiên cứu - Thiết kế và thi công hệ thống - Tìm hiểu và nghiên cứu về các loại cảm biến hồng ngoại - Thiết kế lưu đồ giải thuật và viết chương trình điều khiển cho Arduino. - Thử nghiệm và điều chỉnh để mô hình tối ưu. Đáp ứng được yêu cầu thực tế.5 Ý nghia thực tế Mục đích nghiên cứu thông qua đề tài là tìm hiểu về ứng dụng đếm và phân loại sản phẩm nên nhiệm vụ nghiên cứu gồm: - Tìm hiểu cơ chế hoạt động.

- Phân tích sơ đồ nguyên lý. - Nâng cao kỹ năng lập trình vi điều khiển, hàn mạch, làm sản phẩm điện tử. - Phát triển khả năng tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu. 7 CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO KÍCH THƯỚC 2.

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điện tử mà trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin…. do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Xuất phát từ những đợt đi thực tập tốt nghiệp tại nhà máy, các khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất, chúng em đã đƣợc thấy nhiều khâuddc tự động hóa trong quá trình sản xuất. Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lƣợng sản phẩm sản xuất ra được các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm.

Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chưa được áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy nhiều khi cho ra năng suất thấp chưa đạt hiệu quả. Từ những điều đã được nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học được ở trường muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo được độ chính xác cao về kích thước. Nên em đã quyết định thiết kế và thi công một mô hình sử dụng băng chuyền để phân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩm được sản xuất ra đòi hỏi phải có kích thước tương đối chính xác và nó thật sự rất có ý nghĩa đối với chúng em, góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn, để xứng tầm với sự phát triển của thế giới. Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng.

Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu. 8 Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được.2 Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay.1 Giới thiệu chung. Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng.

Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu. Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được.2 Ưu điểm của băng tải - Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo - các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng. - Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo - dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm.

Cấu tạo chung của băng tải.1: Cấu tạo chung băng chuyền. Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật. Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo. Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo.

Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ.) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc. Các loại băng tải trên thị trường hiện nay. Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau: Bảng 2.1: Danh sách các loại băng tải. Loại băng tải Tải trọng Phạm vi ứng dụng Vận chuyển từng chi tiết giữa Băng tải dây đai < 50 kg các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp.

25 ÷ 125 Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh Băng tải lá kg trong gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp Băng tải thanh 50 ÷ 250 đẩy kg Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách >50m. 30 ÷ 500 Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh Băng tải con lăn kg giữa các nguyên công với khoảng cách <50m. 11 Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận chuyển.Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành khá đắt. - Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn.

năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s. Chiều dài của băng tải là không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN. - Băng tải xoắn vít : có 2 kiểu cấu tạo : + Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn. Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.

+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1 có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động. Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng.5 Các loại băng tải phân loại sản phẩm hiện nay Phân loại sản phẩm là một bài toán đã và đang đƣợc ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay. Dùng sức người, công việc này đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc.

Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kĩ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra. Điều đó sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này. 12 Tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu phân loại, các hệ thống phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau.

Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi phí cho các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam. Vì vậy hiện nay đa số các hệ thống phân loại tự động đa phần mới chỉ đƣợc áp dụng trong các hệ thống có yêu cầu phân loại phức tạp, còn một lƣợng rất lớn các doanh nghiệp Việt Nam vẫn sử dụng trực tiếp sức lực con người để làm việc. Bên cạnh các băng chuyền để vận chuyển sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm. Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như: Phân loại sản phẩm theo kích thước, Phân loại sản phẩm theo màu sắc, Phân loại sản phẩm theo khối lượng, Phân loại sản phẩm theo mã vạch, Phân loại sản phẩm theo hình ảnh v.v… Vì có nhiều phương pháp phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toán này có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau.