Đồ án Vi Điều Khiển: Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao (ĐH Công Nghệ GTVT)

Đồ án nghiên cứu vi điều khiển đồ án tốt nghiệp phân loại sản phẩm theo chiều cao, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Người hướng dẫn: ThS.
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Giao Thông Vận Tải
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Hệ thống đếm, phân loại sản phẩm theo chiều cao
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Giới thiệu chung về một số mô hình hiệu quả
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các linh kiện chính sử dụng trong sản phẩm
• 2.2. Vi điều khiển AVR ATmega16A
• 2.3. Module Cảm biến hồng ngoại V1
• 2.4. Động cơ Servo SG90
• 2.5. Động cơ giảm tốc 12V DC
• 2.6. Giới thiệu về thạch anh 8MHz
• 2.7. IC nguồn LM2576S-5V và LM2576S-ADJ
• 2.8. Màn hình LCD 1602
• 2.9. Các phần mềm sử dụng
• 2.9.1. Phần mềm mô phỏng mạch
• 2.9.2. Phần mềm trình biên dịch cho vi điều khiển
• 2.9.3. Phần mềm vẽ mạch Altium Designer
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO SẢN PHẨM
• 3.1. Thiết kế phần cứng
• 3.1.1. Thiết kế mạch nguyên lý
• 3.1.2. Mạch mô phỏng
• 3.1.3. Thiết kế mạch in
• 3.1.4. Mạch sau khi hoàn thành
• 3.2. Nguyên lý hoạt động
• 3.3. Chương trình lập trình cho vi điều khiển Atmega16

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án vi điều khiển phân loại sản phẩm chiều cao

Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, các hệ thống nhúng và giải pháp tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất. Đồ án vi điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao là một ứng dụng tiêu biểu, giải quyết bài toán thực tiễn tại các dây chuyền sản xuất. Hệ thống này sử dụng vi điều khiển làm bộ não trung tâm để xử lý tín hiệu từ cảm biến, từ đó điều khiển các cơ cấu chấp hành nhằm tách các sản phẩm có chiều cao khác nhau một cách tự động. Mục tiêu chính của đồ án không chỉ là củng cố kiến thức về lập trình microcontroller và thiết kế mạch điện tử, mà còn là tạo ra một mô hình thực tế có khả năng ứng dụng cao, giúp giảm thiểu sức lao động, tiết kiệm chi phí và tăng độ chính xác trong khâu phân loại. Việc nghiên cứu và phát triển các mô hình như vậy là bước đệm quan trọng để sinh viên làm quen với việc thiết kế, chế tạo và vận hành các hệ thống tự động phức tạp hơn trong tương lai, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội và nền kinh tế.

1.1. Tầm quan trọng của tự động hóa trong dây chuyền sản xuất

Tự động hóa là xu hướng tất yếu của các ngành công nghiệp hiện đại. Việc áp dụng các hệ thống tự động hóa vào dây chuyền sản xuất mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với phương pháp thủ công. Thứ nhất, nó giúp nâng cao năng suất một cách đáng kể. Máy móc có thể hoạt động liên tục 24/7 mà không cần nghỉ ngơi, đảm bảo sản lượng đầu ra ổn định. Thứ hai, tự động hóa cải thiện độ chính xác và đồng nhất của sản phẩm, giảm thiểu tỷ lệ lỗi do yếu tố con người gây ra. Các hệ thống sử dụng vi điều khiển và cảm biến có thể thực hiện các tác vụ lặp đi lặp lại với độ chính xác gần như tuyệt đối. Thứ ba, nó giúp tối ưu hóa chi phí vận hành trong dài hạn, từ việc tiết kiệm chi phí nhân công đến giảm lãng phí nguyên vật liệu. Cuối cùng, tự động hóa còn cải thiện điều kiện làm việc và đảm bảo an toàn lao động, giải phóng con người khỏi những công việc nặng nhọc, nguy hiểm và đơn điệu. Do đó, việc đầu tư vào nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp tự động như hệ thống phân loại sản phẩm là một chiến lược quan trọng cho sự phát triển bền vững của doanh nghiệp.

1.2. Giới thiệu mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động

Một mô hình thực tế của hệ thống phân loại sản phẩm tự động thường bao gồm ba khối chính: khối nhận dạng, khối xử lý và khối chấp hành. Khối nhận dạng sử dụng các loại cảm biến để thu thập thông tin về thuộc tính của sản phẩm như chiều cao, màu sắc, hoặc trọng lượng. Trong đề tài này, cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến siêu âm (như HC-SR04) được sử dụng để đo chiều cao vật thể. Khối xử lý trung tâm là một vi điều khiển, có thể là PIC 16F877A, STM32, hoặc phổ biến nhất là Arduino UNO R3 và các dòng AVR như ATmega16. Microcontroller này nhận tín hiệu từ cảm biến, so sánh với các giá trị đã được lập trình trước và đưa ra quyết định phân loại. Khối chấp hành thực thi lệnh từ vi điều khiển, bao gồm một băng tải do động cơ DC điều khiển để di chuyển sản phẩm và các cơ cấu chấp hành như servo motor hoặc xi lanh khí nén để gạt sản phẩm vào đúng vị trí. Toàn bộ hệ thống được cấp nguồn và điều khiển bởi một mạch điều khiển được thiết kế riêng, đảm bảo hoạt động ổn định và đồng bộ.

II. Thách thức kỹ thuật trong việc thiết kế hệ thống phân loại

Việc thiết kế một hệ thống phân loại sản phẩm tự động hiệu quả đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật cần giải quyết. Một trong những vấn đề cốt lõi là đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống cảm biến. Nhiễu từ môi trường, sai số của linh kiện, và tốc độ di chuyển của sản phẩm trên băng tải đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo chiều cao vật thể. Bên cạnh đó, việc lựa chọn và đồng bộ hóa hoạt động giữa các thành phần cơ khí và điện tử là một bài toán phức tạp. Động cơ DC của băng tải cần duy trì tốc độ ổn định, trong khi servo motor hoặc xi lanh khí nén phải phản ứng đủ nhanh và chính xác để gạt đúng sản phẩm tại đúng thời điểm. Thách thức lớn khác nằm ở việc xây dựng thuật toán phân loại và lập trình cho vi điều khiển. Chương trình phải được tối ưu để xử lý tín hiệu trong thời gian thực, quản lý các trạng thái hoạt động một cách logic và có khả năng xử lý các tình huống ngoại lệ. Việc thiết kế mạch in PCB cũng đòi hỏi sự cẩn thận để chống nhiễu và đảm bảo độ bền cơ học cho toàn bộ hệ thống.

2.1. Hạn chế về năng suất và độ chính xác của phương pháp cũ

Trước khi các hệ thống tự động ra đời, việc phân loại sản phẩm chủ yếu dựa vào sức người. Phương pháp thủ công này bộc lộ nhiều hạn chế rõ rệt. Năng suất lao động phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ và sức bền của công nhân, dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như sức khỏe và tâm lý, dẫn đến sản lượng không ổn định. Độ chính xác cũng là một vấn đề lớn; việc phân loại bằng mắt thường hoặc các công cụ đo lường đơn giản dễ gây ra sai sót, đặc biệt khi phải xử lý số lượng lớn sản phẩm trong thời gian dài. Điều này không chỉ làm giảm chất lượng đồng đều của lô hàng mà còn gây lãng phí khi sản phẩm tốt bị loại nhầm. Hơn nữa, chi phí nhân công ngày càng tăng cao, trở thành một gánh nặng cho doanh nghiệp. Những hạn chế này cho thấy yêu cầu cấp thiết phải có một giải pháp thay thế hiệu quả hơn, và hệ thống nhúng dựa trên vi điều khiển chính là câu trả lời.

2.2. Yêu cầu về một giải pháp hệ thống nhúng thông minh hiệu quả

Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp thủ công, một giải pháp hệ thống nhúng cần đáp ứng các yêu cầu khắt khe. Hệ thống phải có khả năng hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp. Độ chính xác trong việc phát hiện và phân loại phải cao, với sai số ở mức tối thiểu. Tốc độ xử lý phải đủ nhanh để đáp ứng nhịp độ của dây chuyền sản xuất hiện đại. Giải pháp phải có chi phí hợp lý, dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo trì. Giao diện điều khiển cần trực quan, cho phép người vận hành dễ dàng cài đặt các tham số phân loại và giám sát quá trình hoạt động. Hơn nữa, hệ thống cần có tính linh hoạt, dễ dàng nâng cấp hoặc thay đổi cấu hình để phù hợp với các loại sản phẩm khác nhau. Một đồ án vi điều khiển phân loại sản phẩm theo chiều cao thành công phải giải quyết được tất cả những yêu cầu này, từ việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điều khiển, đến việc lập trình C/C++ và xây dựng thuật toán phân loại tối ưu.

III. Hướng dẫn thiết kế phần cứng cho hệ thống phân loại sản phẩm

Thiết kế phần cứng là nền tảng quyết định sự ổn định và hiệu quả của toàn bộ hệ thống phân loại. Quá trình này bắt đầu bằng việc lựa chọn các linh kiện phù hợp với yêu cầu của bài toán. Trung tâm của hệ thống là vi điều khiển, nơi các lựa chọn như ATmega16A, Arduino UNO R3, hay STM32 đều có những ưu nhược điểm riêng về hiệu năng, số chân I/O và hệ sinh thái hỗ trợ. Tiếp theo là hệ thống cảm biến, đóng vai trò "mắt thần" của hệ thống. Cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng vì chi phí thấp và đơn giản, trong khi cảm biến siêu âm HC-SR04 cung cấp khả năng đo khoảng cách chính xác hơn. Khối cơ cấu chấp hành là phần không thể thiếu, với băng tải được điều khiển bởi động cơ DC hoặc động cơ bước để đảm bảo chuyển động mượt mà. Servo motor (như SG90) được chọn để thực hiện thao tác gạt sản phẩm nhờ khả năng điều khiển góc quay chính xác. Cuối cùng, tất cả các thành phần này được kết nối và cấp nguồn thông qua một mạch điều khiển được thiết kế cẩn thận, thường bao gồm các khối nguồn ổn áp (như IC LM2576S) và các mạch đệm, driver cho động cơ.

3.1. Lựa chọn vi điều khiển ATmega16 Arduino UNO R3 STM32

Việc lựa chọn microcontroller là quyết định quan trọng nhất trong thiết kế phần cứng. Vi điều khiển AVR ATmega16A, được sử dụng trong tài liệu gốc, là một lựa chọn kinh tế và mạnh mẽ với 40 chân, 32 đường I/O, bộ nhớ Flash 16KB, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển cơ bản. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, Arduino UNO R3 (sử dụng chip ATmega328P) trở nên cực kỳ phổ biến nhờ cộng đồng hỗ trợ lớn, thư viện phong phú và môi trường lập trình Arduino IDE thân thiện, giúp rút ngắn đáng kể thời gian phát triển sản phẩm. Đối với các ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao hơn và khả năng mở rộng, STM32 từ STMicroelectronics là một lựa chọn hàng đầu. Dòng microcontroller này dựa trên kiến trúc ARM Cortex-M, cung cấp tốc độ xử lý vượt trội, nhiều bộ ngoại vi tiên tiến (ADC, PWM, timer) và phù hợp cho các hệ thống phức tạp, đòi hỏi xử lý nhiều tác vụ đồng thời.

3.2. Các loại cảm biến đo chiều cao vật thể Hồng ngoại và siêu âm

Cảm biến là thành phần quyết định độ chính xác của việc phân loại. Có hai loại cảm biến chính thường được sử dụng để đo chiều cao vật thể trong các đồ án này. Cảm biến hồng ngoại (loại thu-phát) hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra một tia hồng ngoại và nhận lại tia phản xạ. Bằng cách đặt hai cảm biến ở hai độ cao khác nhau, hệ thống có thể xác định sản phẩm là cao (che cả hai cảm biến) hay thấp (chỉ che cảm biến dưới). Ưu điểm của loại này là chi phí thấp, phản ứng nhanh. Lựa chọn thứ hai là cảm biến siêu âm, ví dụ như module HC-SR04. Cảm biến này đo khoảng cách bằng cách phát ra sóng siêu âm và tính thời gian sóng phản xạ trở lại. Bằng cách đặt cảm biến phía trên băng tải, nó có thể đo trực tiếp khoảng cách từ cảm biến đến đỉnh sản phẩm, từ đó suy ra chiều cao. Phương pháp này cho độ chính xác cao hơn nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật liệu và tốc độ di chuyển của sản phẩm.

3.3. Thiết kế cơ cấu chấp hành Băng tải động cơ DC servo motor

Cơ cấu chấp hành là bộ phận thực thi việc di chuyển và phân loại sản phẩm. Băng tải là thành phần cốt lõi, thường được vận hành bởi một động cơ DC giảm tốc. Tốc độ của băng tải có thể được điều khiển thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) từ vi điều khiển, cho phép điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với từng loại sản phẩm. Đối với các yêu cầu về vị trí chính xác hơn, động cơ bước có thể được sử dụng thay thế. Để gạt sản phẩm ra khỏi băng tải, servo motor là lựa chọn phổ biến nhất. Servo motor SG90, với khả năng quay đến một góc xác định (ví dụ: 0-180 độ) và giữ nguyên vị trí đó, rất lý tưởng để tạo ra các cơ cấu tay gạt. Ngoài ra, trong các hệ thống công nghiệp lớn hơn, xi lanh khí nén cũng là một giải pháp mạnh mẽ cho cơ cấu phân loại nhờ lực đẩy lớn và tốc độ phản ứng nhanh.

IV. Phương pháp lập trình và xây dựng thuật toán phân loại sản phẩm

Sau khi hoàn thiện phần cứng, giai đoạn lập trình và xây dựng thuật toán đóng vai trò quyết định "trí thông minh" của hệ thống. Công việc bắt đầu với việc thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết bằng các phần mềm chuyên dụng như Proteus hoặc Altium Designer. Từ sơ đồ nguyên lý, mạch in PCB được thiết kế để kết nối vật lý các linh kiện một cách gọn gàng và chuyên nghiệp. Ngôn ngữ lập trình chính cho các vi điều khiển như ATmega, PIC hay STM32 là lập trình C/C++, kết hợp với các môi trường phát triển tích hợp (IDE) như CodevisionAVR hoặc Arduino IDE. Trọng tâm của phần mềm là thuật toán phân loại. Thuật toán này định nghĩa luồng hoạt động của hệ thống: liên tục đọc giá trị từ cảm biến, xử lý tín hiệu để xác định chiều cao sản phẩm, so sánh với ngưỡng đã cài đặt, và cuối cùng là gửi lệnh điều khiển đến servo motor và động cơ DC để thực hiện phân loại. Việc tối ưu hóa source code để đảm bảo thời gian đáp ứng nhanh và xử lý lỗi hiệu quả là cực kỳ quan trọng để hệ thống hoạt động ổn định.

4.1. Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch in PCB bằng Altium

Bước đầu tiên trong việc hiện thực hóa hệ thống là vẽ sơ đồ nguyên lý. Sơ đồ này mô tả chi tiết cách các linh kiện điện tử được kết nối với nhau, bao gồm vi điều khiển, các chân kết nối cảm biến, mạch điều khiển động cơ, màn hình LCD và khối nguồn. Việc mô phỏng Proteus cho phép kiểm tra logic hoạt động của mạch và chương trình nạp thử trước khi tiến hành gia công phần cứng, giúp phát hiện sớm các sai sót. Sau khi sơ đồ nguyên lý đã được xác thực, bước tiếp theo là thiết kế mạch in PCB. Phần mềm Altium Designer là một công cụ mạnh mẽ cho phép bố trí linh kiện và đi dây một cách khoa học, tối ưu hóa việc chống nhiễu và tản nhiệt. Một mạch in PCB được thiết kế tốt không chỉ giúp hệ thống hoạt động ổn định mà còn mang lại tính thẩm mỹ và chuyên nghiệp cho mô hình thực tế.

4.2. Lập trình C C cho vi điều khiển với CodevisionAVR Arduino IDE

Lập trình C/C++ là ngôn ngữ phổ biến nhất cho các hệ thống nhúng vì khả năng kiểm soát phần cứng ở mức độ thấp và hiệu suất cao. Đối với dòng vi điều khiển AVR như ATmega16, trình biên dịch CodevisionAVR cung cấp một môi trường phát triển tích hợp mạnh mẽ với tính năng CodeWizardAVR, giúp tự động tạo mã khởi tạo cho các ngoại vi như Timer, ADC, UART, giúp lập trình viên tiết kiệm thời gian. Trong khi đó, Arduino IDE cung cấp một cách tiếp cận đơn giản hơn với cấu trúc setup() và loop() quen thuộc cùng hàng ngàn thư viện có sẵn. Dù sử dụng môi trường nào, việc lập trình cũng bao gồm các tác vụ chính: cấu hình các chân I/O, đọc dữ liệu từ cảm biến hồng ngoại, xử lý logic để đếm và phân loại, hiển thị thông tin lên màn hình LCD, và tạo tín hiệu PWM để điều khiển tốc độ động cơ DC và góc quay của servo motor.

4.3. Phân tích thuật toán phân loại và source code mẫu

Thuật toán phân loại là trái tim của chương trình. Một thuật toán đơn giản có thể được mô tả như sau: Vòng lặp chính của chương trình liên tục kiểm tra tín hiệu từ hai cảm biến hồng ngoại. Nếu chỉ cảm biến dưới phát hiện vật thể, vi điều khiển ghi nhận đây là sản phẩm thấp và tăng biến đếm tương ứng. Nếu cả hai cảm biến cùng phát hiện vật thể, đó là sản phẩm cao. Khi phát hiện sản phẩm cao, chương trình sẽ kích hoạt servo motor quay đến một góc định trước để gạt sản phẩm sau một khoảng thời gian trễ, được tính toán dựa trên tốc độ băng tải và khoảng cách từ cảm biến đến cơ cấu gạt. Source code mẫu thường bao gồm các hàm khởi tạo (thiết lập I/O, timer, LCD), các hàm đọc cảm biến, hàm điều khiển động cơ, và một vòng lặp vô tận while(1) để thực thi logic chính. Việc sử dụng ngắt (interrupt) có thể giúp chương trình phản ứng nhanh hơn với các tín hiệu từ cảm biến. Toàn bộ mã nguồn cần được chú thích rõ ràng để dễ dàng gỡ lỗi và bảo trì sau này.

V. Triển khai mô hình thực tế và kết quả báo cáo đồ án

Giai đoạn triển khai mô hình thực tế là bước cuối cùng và quan trọng nhất, biến những thiết kế trên lý thuyết thành một sản phẩm hoạt động được. Quá trình này bao gồm việc gia công cơ khí cho khung sườn, băng tải, lắp ráp các linh kiện điện tử lên mạch in PCB đã được chế tạo, và kết nối tất cả các thành phần lại với nhau. Sau khi lắp ráp, chương trình điều khiển sẽ được nạp vào vi điều khiển và tiến hành hiệu chỉnh, kiểm thử. Quá trình này thường bao gồm việc điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, tốc độ động cơ DC, góc quay và thời điểm hoạt động của servo motor để hệ thống hoạt động chính xác nhất. Kết quả của quá trình này không chỉ là một mô hình vật lý mà còn là bộ tài liệu hoàn chỉnh, bao gồm báo cáo đồ án và thuyết minh đồ án. Tài liệu này trình bày chi tiết từ cơ sở lý thuyết, quá trình thiết kế, thi công, đến source code và đánh giá kết quả, là minh chứng cho toàn bộ nỗ lực nghiên cứu và phát triển của sinh viên.

5.1. Xây dựng mô hình phân loại sản phẩm trên băng tải thực tế

Việc xây dựng mô hình thực tế đòi hỏi sự kết hợp giữa kỹ năng cơ khí và điện tử. Khung của hệ thống thường được làm từ nhôm định hình, mica hoặc gỗ để đảm bảo độ cứng vững và nhẹ. Băng tải được chế tạo với dây curoa và các con lăn, được dẫn động bởi một động cơ DC giảm tốc. Mạch điều khiển trung tâm, sau khi được hàn và kiểm tra, sẽ được đặt trong một hộp bảo vệ. Các cảm biến hồng ngoại được gắn cố định trên khung ở các độ cao đã tính toán trước. Cơ cấu chấp hành sử dụng servo motor được lắp đặt tại vị trí phù hợp để có thể gạt sản phẩm một cách hiệu quả. Quá trình lắp ráp đòi hỏi sự tỉ mỉ để đảm bảo các bộ phận cơ khí chuyển động trơn tru và các kết nối điện tử chắc chắn, không bị lỏng lẻo trong quá trình vận hành, tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh và sẵn sàng cho việc kiểm thử.

5.2. Nguyên lý hoạt động và mô phỏng Proteus chi tiết

Nguyên lý hoạt động của hệ thống có thể được tóm tắt như sau: Khi hệ thống khởi động, băng tải bắt đầu chạy. Sản phẩm được đặt lên băng tải và di chuyển qua khu vực cảm biến. Vi điều khiển liên tục đọc trạng thái của các cảm biến hồng ngoại. Dựa trên tín hiệu nhận được (chỉ cảm biến dưới bị che hoặc cả hai bị che), hệ thống xác định chiều cao sản phẩm. Số lượng sản phẩm cao và thấp được đếm và hiển thị trên màn hình LCD. Nếu phát hiện sản phẩm cao, vi điều khiển sẽ tính toán thời điểm và kích hoạt servo motor gạt sản phẩm vào khay chứa riêng. Trước khi chế tạo mạch thật, việc mô phỏng Proteus là vô cùng hữu ích. Nó cho phép nạp source code vào mô hình vi điều khiển ảo và quan sát hoạt động của toàn mạch trên máy tính, từ việc hiển thị LCD đến tín hiệu điều khiển động cơ, giúp xác nhận tính đúng đắn của thiết kế và thuật toán.

5.3. Đánh giá kết quả và kinh nghiệm khi làm thuyết minh đồ án

Sau khi hoàn thành mô hình, bước cuối cùng là đánh giá kết quả hoạt động và tổng kết trong báo cáo đồ án. Các tiêu chí đánh giá bao gồm: độ chính xác trong phân loại, tốc độ xử lý, sự ổn định của hệ thống. Các số liệu cụ thể như tỷ lệ phân loại thành công, thời gian xử lý cho một sản phẩm cần được ghi nhận. Quá trình thực hiện đồ án mang lại nhiều kinh nghiệm quý báu: từ việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch, lập trình, đến kỹ năng gỡ lỗi phần cứng và phần mềm. Khi viết thuyết minh đồ án, cần trình bày một cách logic và khoa học, bao gồm lý do chọn đề tài, cơ sở lý thuyết, chi tiết thiết kế, lưu đồ thuật toán, source code mẫu và kết quả thực nghiệm. Một bản thuyết minh đồ án tốt không chỉ mô tả sản phẩm mà còn thể hiện được tư duy thiết kế và khả năng giải quyết vấn đề của người thực hiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, việc tập trung hóa- tự động hóa công tác quản lý, giám sát và điều khiển các hệ thống tự động nhằm năng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi ro, tiết kiệm được chi phí. Và hạn chế ô nhiễm môi trường là một hướng tất yếu của quá trình sản xuất nào cũng không thể tránh khỏi, do thời gian cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ như hiện nay. Cùng với sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật vi điện tử , kĩ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong thời gian qua.

Và lĩnh vực điều khiển tự động đã ra đời, phát triển càng ngày đa đạng đáp ứng được các yêu cầu trong cuộc sống, đòi hỏi quá trình tự động trong các lĩnh vực công nghiệp. Chính vì vậy phải lựa chọn quá trình điều khiển nào cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho ngành. Đảm bảo điều kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất, dễ dàng bảo trì và sửa chữa hệ thống khi có sự cố. Thực tiễn đó đã đặt ra làm sao để quản lí các nhà máy sản xuất một cách linh hoạt ổn định và phù hợp nhất, tiết kiệm nhất và phải an toàn.

Trước thời cơ và thách thức của thời đại, do đó sự nhận biết nắm bắt và vận dụng các thành tựu một cách có hiệu quả nền khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và kĩ thuật điều khiển tự động nói riêng. Sự áp dụng kĩ thuật điều khiển tự động đã được ứng dụng rộng rãi ở các nghành sản xuất lớn, doanh nghiệp lớn một cách nhanh chóng bên cạnh đó những doanh nghiệp vừa và nhỏ quy mô sản xuất thì ngược lại hoàn toàn chưa được áp dụng đặc biệt ở khâu cận sản phẩm và đóng gói bao bì, vẫn còn sử dụng sức người, chính vì vậy cho năng suất chưa hiệu quả. Trên cơ sở thực tế khách quan, yêu cầu của xã hội của thế giới cũng như trong nước, đề tài này có nhiều tiềm năng nghiên cứu ứng dụng và khai thác một cách khả thi nhất tốt nhất có thể. Việc ứng dụng kĩ thuật điều khiển vào “quá trình phân loại sản phẩm” là một trong những thành tựu đáng kể làm thay đổi một nền sản xuất cũ mang nhiều hạn chế.

Làm thay đổi cục diện của nền công nghiệp mạnh mẽ. Chính vì vậy nó trở thành một vấn đề hứng thú đầy tiềm năng cho chúng em tìm hiểu xây dụng thiết kế cải tiến góp phần vào sự hoàn thiện và phát triển sâu, rộng của nó hơn nữa trong đời sống sản xuất của con người. 2 LỚP: NHÓM: ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN 1. Giới thiệu chung về một số mô hình hiệu quả Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng.

- Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm: +) Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có sự tham gia của con người hay không mức độ đến đâu, điều khiển bằng PLC, vi xử lí. +) Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tín hiệu điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí. +) Theo trọng lượng, hình dáng kích thước bên ngoài. +) Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của phôi.

*Ví dụ hệ thống phân loại gạo theo màu sắc: Hệ thống phân loại gạo theo màu sắc: Hệ thống phân loại gạo bằng màu sắc do Viện IMI phát triển và vấn đề tự động nhận dạng, xử lý phân loại trong chế biến gạo phục vụ xuất khẩu, khả năng ứng dụng công nghệ quang - cơ điện tử (opto-mechatronic technology) trong ứng dụng cụ thể của “hệ máy nhìn” là đề tài được đánh giá cao tại VICA 6. Những năm gần đây, công nghệ quang học gắn kết với các hệ thống cơ điện tử rất nhanh, tạo ra số lượng lớn sản phẩm cơ điện tử - các máy móc, hệ thống với những bộ phận quang học thông minh”. Sự hiện diện của công nghệ quang học ngày càng rõ nét, cho phép nâng cao giá trị và hiệu năng của hệ thống, bởi các phần tử quang học kết hợp với các phần tử cơ điện tử nhúng trong hệ thống đã đem lại giải pháp cho nhiều vấn đề kỹ thuật hóc búa. Các hệ thống phân loại hạt theo màu sắc nói chung, phân loại gạo theo màu sắc nói riêng có sơ đồ nguyên lý, cấu trúc như hình 2.

Màu sắc của đối tượng dịch chuyển (hạt gạo) được nhận biết tức thời xử lý thời gian thực) và máy tính công nghiệp (IPC) ra quyết định về khả năng chấp nhận hạt đã nhận dạng, phát tín hiệu cho súng phun khí nén bắn hạt đó ra khỏi 3 LỚP: NHÓM: ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN quỹ đạo dịch chuyển nếu không đạt yêu cầu về chất lượng (trong trường hợp này thông qua màu sắc), và ngược lại thì không phát tín hiệu. Qua khỏi vùng nhận dạng, gạo chính phẩm và phế phẩm sẽ được phân tách và chứa trong hai khoang chứa tách biệt. Từ đây có thể vào kho hoặc qua máy đóng bao. Hệ thống phân loại gạo theo màu sắc CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.

Các linh kiện chính sử dụng trong sản phẩm 2. Vi điều khiển AVR ATmega16A Hình 2. Vi điều khiển ATmega16A 4 LỚP: NHÓM: ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN Atmega16 là bộ vi điều khiển công suất thấp 40 chân được phát triển bằng công nghệ CMOS. CMOS là một công nghệ tiên tiến được sử dụng chủ yếu để phát triển các mạch tích hợp.

Nó có mức tiêu thụ điện năng thấp và khả năng chống nhiễu cao. Atmega16 là bộ điều khiển 8-bit dựa trên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing) tiên tiến AVR. AVR là dòng vi điều khiển được Atmel phát triển vào năm 1996. Nó là một máy tính chip đơn đi kèm với CPU, ROM, RAM, EEPROM, bộ định thời, bộ đếm, ADC và bốn cổng 8-bit được gọi là PORTA, PORTB, PORTC, PORTD trong đó mỗi cổng bao gồm 8 chân I / O.

Atmega16 có các thanh ghi tích hợp được sử dụng để tạo kết nối giữa CPU và các thiết bị ngoại vi bên ngoài. CPU không có kết nối trực tiếp với các thiết bị bên ngoài. Nó có thể nhận đầu vào bằng cách đọc thanh ghi và đưa ra đầu ra bằng cách ghi thanh ghi. Atmega16 đi kèm với hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit.

Tất cả các bộ định thời này có thể được sử dụng làm bộ đếm khi chúng được tối ưu hóa để đếm tín hiệu bên ngoài. Hầu hết các thiết bị ngoại vi cần thiết để chạy các chức năng tự động đều được tích hợp trong thiết bị này như ADC (bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số), bộ so sánh tương tự, USART, SPI, giúp tiết kiệm hơn so với bộ vi xử lý yêu cầu thiết bị ngoại vi bên ngoài thực hiện các chức năng khác nhau. Atmega16 đi kèm với 1KB RAM tĩnh là một bộ nhớ dễ bay hơi, tức là lưu trữ thông tin trong thời gian ngắn và phụ thuộc nhiều vào nguồn điện liên tục. Trong khi đó 16KB bộ nhớ flash, còn được gọi là ROM, cũng được tích hợp trong thiết bị với bản chất không bay hơi và có thể lưu trữ thông tin trong thời gian dài và không bị mất bất kỳ thông tin nào khi nguồn điện bị ngắt.

Atmega16 hoạt động trên tần số tối đa 16MHz, các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ máy. 5 LỚP: NHÓM: ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN *Kiến trúc của Atmega16 Kiến trúc của Atmega16 dựa trên Kiến trúc Harvard và đi kèm với các bus và bộ nhớ riêng biệt. Các lệnh được lưu trữ trong bộ nhớ chương trình. -CPU CPU giống như bộ não của vi điều khiển giúp thực hiện một số lệnh.

Nó có thể xử lý các ngắt, thực hiện các phép tính và điều khiển các thiết bị ngoại vi với sự trợ giúp của các thanh ghi. Atmega16 đi kèm với hai bus gọi là bus hướng dẫn và bus dữ liệu. CPU đọc lệnh trong bus hướng dẫn trong khi bus dữ liệu được sử dụng để đọc hoặc ghi dữ liệu tương ứng. CPU chủ yếu bao gồm bộ đếm chương trình, các thanh ghi mục đích chung, stack pointer, thanh ghi lệnh và bộ giải mã lệnh.

-ROM Chương trình điều khiển được lưu trữ trong ROM, còn được gọi là bộ nhớ flash lập trình không bay hơi. Bộ nhớ flash có độ phân giải ít nhất 10.000 chu kỳ ghi / xóa. Bộ nhớ flash chủ yếu được chia thành hai phần được gọi là phần flash ứng dụng và phần flash booth. Chương trình của bộ điều khiển được lưu trữ trong phần flash ứng dụng.

Trong khi phần flash booth được tối ưu hóa để hoạt động trực tiếp khi bộ điều khiển được bật nguồn. -RAM RAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) được sử dụng để lưu trữ thông tin tạm thời và đi kèm với các thanh ghi 8-bit, giống như một RAM máy tính thông thường được sử dụng để cung cấp dữ liệu thông qua thời gian chạy. -EEPROM EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện tử) là bộ nhớ không thay đổi được sử dụng như một bộ lưu trữ thời gian dài. Nó không liên quan đến việc thực thi chương trình chính.

Nó được sử dụng để lưu trữ cấu hình của hệ thống và các thông số thiết bị tiếp tục hoạt động trong thiết lập lại bộ xử lý ứng dụng. EEPROM đi kèm với chu kỳ ghi giới hạn lên đến 100.000 trong khi chu kỳ đọc là không giới hạn. Trong khi sử dụng EEPROM, hãy viết các lệnh tối thiểu theo yêu cầu, để bạn có thể nhận được lợi ích từ bộ nhớ này trong thời gian dài hơn. 6 LỚP: NHÓM: ĐỒ ÁN VI ĐIỀU KHIỂN -Ngắt Ngắt được sử dụng cho trường hợp khẩn cấp đặt chức năng chính ở trạng thái chờ và thực hiện các lệnh cần thiết tại thời điểm đó.

Khi ngắt được gọi và thực thi, mã sẽ chuyển trở lại chương trình chính. -Module I / O analog và kỹ thuật số Module I / O kỹ thuật số được sử dụng để thiết lập giao tiếp kỹ thuật số giữa bộ điều khiển và các thiết bị bên ngoài. Trong khi module I / O analog được sử dụng để truyền thông tin analog. Bộ so sánh analog và ADC thuộc loại module I / O analog.

-Bộ định thời / Bộ đếm Bộ định thời được sử dụng để tính toán tín hiệu bên trong bộ điều khiển.