Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và tự động hóa công nghiệp, các hệ thống đếm và phân loại sản phẩm tự động trên băng chuyền đóng vai trò thiết yếu nhằm cắt giảm chi phí nhân công, tối ưu hóa công tác quản lý và nâng cao năng suất lao động. Mặc dù công nghệ vi mạch và lập trình nhúng cho vi điều khiển đã đạt được những bước tiến vượt bậc với mật độ tích hợp cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp và giá thành hợp lý, nhưng tại nhiều doanh nghiệp sản xuất vừa và nhỏ ở Việt Nam, các công đoạn kiểm đếm số lượng và đóng gói bao bì vẫn còn phụ thuộc đáng kể vào phương pháp thủ công. Thực trạng này làm gia tăng gánh nặng lao động chân tay, tiềm ẩn sai sót và hạn chế tốc độ của toàn bộ dây chuyền.

Xuất phát từ thực tiễn quan sát tại các cơ sở sản xuất và kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện đề tài "Xây dựng hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại và phân loại màu sắc" (trong một số phần của văn bản còn được gọi là Thiết kế hệ thống đếm sản phẩm sử dụng cảm biến hồng ngoại). Đề tài hướng tới việc tạo ra một mô hình mạch điều khiển tự động có cấu trúc nhỏ gọn, chi phí thấp, đáp ứng nhu cầu ứng dụng vào các dây chuyền sản xuất thực tế như chế biến bánh kẹo, đồ hộp.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm 4 nội dung cụ thể:

  1. Ứng dụng thực tiễn các kiến thức đã học trong chương trình đào tạo tại trường đại học vào giải quyết bài toán đo lường và điều khiển.
  2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và phương thức ghép nối của các module chức năng trong mô hình đếm và nhận diện sản phẩm.
  3. Nghiên cứu, chế tạo mô hình thử nghiệm nhằm phát triển và hướng tới khả năng ứng dụng thực tế tại doanh nghiệp.
  4. Mở rộng và nâng cao kiến thức chuyên môn về phần cứng vi điều khiển, cảm biến và lập trình hệ thống nhúng.

Các yêu cầu cơ bản đặt ra cho hệ thống bao gồm:

  • Phù hợp với nhu cầu thực tế của người sử dụng và các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ.
  • Đảm bảo kết cấu nhỏ gọn, tối ưu hóa giá thành linh kiện.
  • Tích hợp vi điều khiển Arduino với cảm biến hồng ngoại và cảm biến nhận diện màu sắc.
  • Đạt sai số trung bình khoảng 0,15% đối với chức năng phân tích màu sản phẩm.
  • Hiển thị đầy đủ, trực quan các thông số số lượng và chủng loại màu sắc trên màn hình LCD 16x2.

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình mạch đếm và phân loại sản phẩm hoàn chỉnh, bao gồm module nguồn, module cảm biến hồng ngoại (E18-D80NK), module cảm biến màu sắc (TCS34725), module vi điều khiển xử lý trung tâm (Arduino Uno R3), module hiển thị LCD 1602 giao tiếp I2C và khối cảnh báo còi chíp.

Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế phần cứng, lập trình thuật toán điều khiển, đo lường thực nghiệm đếm số lượng vật thể đi qua băng chuyền, phân tích nhận diện các trạng thái màu sắc cơ bản và hiển thị kết quả đo trên màn hình LCD 16x2, có chức năng cảnh báo còi khi đạt số lượng đặt trước (ngưỡng 5 sản phẩm) và nút bấm cài đặt lại (Reset) hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào nguyên lý chuyển đổi tín hiệu không điện sang tín hiệu điện thông qua các phần tử cảm biến, cùng với kỹ thuật xử lý tín hiệu số trên nền tảng vi điều khiển. Văn bản khảo sát chi tiết ba nhóm phần tử kỹ thuật chính:

  1. Cảm biến phát hiện vật thể: Phân tích nguyên lý và đặc tính của cảm biến quang học, cảm biến tiệm cận cảm ứng từ và cảm biến hồng ngoại (IR Sensor). Nhóm nghiên cứu chọn cảm biến hồng ngoại E18-D80NK hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát bức xạ hồng ngoại phản xạ từ bề mặt vật thể.
  2. Cảm biến nhận diện màu sắc: Khảo sát cảm biến màu TCS3200 (sử dụng mảng 8x8 quang diode với bộ lọc màu RGB, chuyển đổi cường độ sáng thành tần số xung) và cảm biến màu sắc kỹ thuật số TCS34725 (tích hợp bộ chuyển đổi ánh sáng sang kỹ thuật số Light-to-Digital Converter, xử lý kênh màu Red, Green, Blue và Clear, hỗ trợ giao tiếp I2C/UART).
  3. Nền tảng điều khiển và phần mềm: Nghiên cứu kiến trúc dòng vi điều khiển PIC (PIC16F84, PIC16F877...) và bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 (trang bị vi điều khiển 8-bit ATmega328). Sử dụng môi trường lập trình Arduino IDE (dựa trên ngôn ngữ C/C++) và phần mềm mô phỏng mạch điện tử Proteus 8 Professional của Labcenter Electronics.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai tuần tự theo 7 bước quy chuẩn:

  1. Tìm hiểu tổng quan lý thuyết liên quan đến đo lường, cảm biến và vi điều khiển.
  2. Đọc hiểu, tổng hợp các tài liệu kỹ thuật và thông số datasheet của linh kiện.
  3. Thảo luận nhóm để thống nhất sơ đồ khối và phương án thiết kế hệ thống.
  4. Thiết kế mô hình phần cứng và vẽ sơ đồ nguyên lý mạch đo.
  5. Xây dựng thuật toán và lập trình phần mềm điều khiển nhúng.
  6. Chế tạo mô hình thực nghiệm, tiến hành thử nghiệm và kiểm chứng hoạt động.
  7. Đánh giá sai số, tổng hợp kết quả, báo cáo và nghiệm thu đề tài.

Nguồn dữ liệu và tài liệu tham khảo chính của đồ án bao gồm: Cảm biến và hệ thống đo (Bùi Thanh Lâm, Nhữ Quý Thơ, Lê Ngọc Duy, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2009) và Giáo trình Vi điều khiển PIC (Phạm Văn Chiến, Nguyễn Văn Tùng, Vũ Trung Kiên, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2014), kết hợp cùng tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất linh kiện.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế dưới dạng mô hình module hóa hoàn chỉnh, bao gồm 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Khối chức năng Phần tử / Linh kiện sử dụng Vai trò và nhiệm vụ kỹ thuật
Khối nguồn Nguồn ngoài / Cáp USB (5VDC, 6–9V) Cấp năng lượng hoạt động cho toàn bộ hệ thống mạch và cảm biến.
Khối vi điều khiển Bo mạch Arduino Uno R3 (ATmega328) Thu nhận tín hiệu từ cảm biến và nút reset; xử lý logic; xuất tín hiệu điều khiển LCD và còi báo.
Khối cảm biến đếm Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK Phát hiện sản phẩm đi qua bằng tín hiệu sườn xuống NPN cực thu hở (kết nối chân số 3).
Khối cảm biến màu Module cảm biến TCS34725 Đo phản xạ phổ RGB và cường độ sáng Lux, truyền dữ liệu số qua bus I2C (SDA-A4, SCL-A5).
Khối hiển thị Module LCD 1602 + Mạch chuyển đổi I2C Nhận lệnh điều khiển qua bus I2C (địa chỉ mặc định 0x27), hiển thị số lượng và tên màu sắc.
Khối cảnh báo & Reset Còi báo (Buzzer D13) & Nút bấm Reset Phát âm thanh cảnh báo khi đếm đủ 5 sản phẩm; đưa hệ thống về trạng thái khởi tạo khi nhấn reset.

Lựa chọn phần cứng và thông số kỹ thuật

Quá trình lựa chọn phần cứng dựa trên sự cân đối giữa độ chính xác, tính tương thích và chi phí:

  • Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK: Điện áp hoạt động 5VDC; dòng kích ngõ ra 300mA; khoảng cách phát hiện điều chỉnh linh hoạt từ 3 đến 80 cm thông qua biến trở tích hợp ở đuôi cảm biến; dải nhiệt độ làm việc từ -25°C đến +55°C; cấu trúc ngõ ra dạng NPN thường mở (khi có vật cản, tín hiệu kéo xuống mức LOW).
  • Cảm biến màu sắc TCS34725: Điện áp 3~5VDC; dòng tiêu thụ 15mA; dải đo RGB từ 0 đến 255; tần số đáp ứng 10Hz; kích thước 24x27 mm, trọng lượng 31g; tích hợp bộ vi xử lý (MCU) chuyển đổi giao tiếp I2C/UART và bộ lọc chống nhiễu ánh sáng ngoại vi.
  • Vi điều khiển Arduino Uno R3: Hoạt động ở điện áp 5V, hỗ trợ 14 chân Digital I/O (với 6 chân PWM), 6 chân Analog (A0–A5 với độ phân giải 10-bit), dòng tải tối đa 40mA mỗi chân. Giao thức I2C được tích hợp trên chân A4 (SDA) và A5 (SCL), giao tiếp SPI trên các chân 10, 11, 12, 13 và UART qua chân 0 (RX), 1 (TX).
  • Module hiển thị LCD 1602 giao tiếp I2C: Màn hình 16 cột 2 hàng, tích hợp chip chuyển đổi giao tiếp giúp rút gọn số dây nối từ 7–8 dây xuống còn 2 dây tín hiệu (SDA và SCL), tốc độ truyền nhận dữ liệu đạt tới 400Kbps, hỗ trợ cơ chế phản hồi byte ACK và có biến trở chỉnh độ tương phản.

Thuật toán điều khiển và mã nguồn nhúng

Mạch đo và xử lý tín hiệu được mô phỏng trước trên phần mềm Proteus 8 Professional nhằm kiểm tra tính tương thích và logic kết nối. Chương trình điều khiển trên Arduino IDE sử dụng các thư viện chuyên dụng LiquidCrystal_I2C.h và Adafruit_TCS34725.h.

Thuật toán xử lý hoạt động theo chu trình khép kín:

  1. Khi khởi động, màn hình LCD hiển thị số lượng đếm ban đầu là 0, đồng thời kiểm tra kết nối với cảm biến màu sắc TCS34725 qua cổng Serial.
  2. Cảm biến hồng ngoại liên tục đọc trạng thái tín hiệu logic. Khi có sản phẩm che chắn, tín hiệu chân số 3 chuyển sang mức LOW. Thuật toán so sánh với biến trạng thái trước đó (giatricambien == LOW && pre == HIGH) để ghi nhận một lần phát hiện hợp lệ, tăng biến đếm dem = dem + 1 (kèm thời gian trễ chống dội 10ms).
  3. Song song với quá trình đếm, cảm biến TCS34725 đọc các giá trị thô r, g, b, c, tính toán nhiệt độ màu colorTemp (thang Kelvin) và cường độ ánh sáng lux. Thuật toán phân loại màu thực hiện so sánh theo các ngưỡng thực nghiệm:
    • Không có màu / Không xác định: c > r && c > g && c > b && lux > 60 && lux < 85 $\rightarrow$ hiển thị "KHONG".
    • Màu đỏ: r > g && r > b && r < c && lux > 35 && lux < 50 $\rightarrow$ hiển thị "DO ".
    • Màu lục: g > r && g > b && g < c && lux > 150 && lux < 200 $\rightarrow$ hiển thị "LUC ".
    • Màu xanh nước biển: b > r && b > g && b < c && lux > 85 && lux < 120 $\rightarrow$ hiển thị "XANH ".
  4. Khi giá trị biến đếm đạt đến 5 (dem == 5), vi điều khiển kích hoạt chân điều khiển còi báo (chân 13) lên mức HIGH trong 100ms, sau đó chuyển xuống mức LOW trong 100ms và gán lại biến dem = 0 để bắt đầu chu kỳ đóng gói mới.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về hệ thống đếm sản phẩm

Chương I tập trung làm rõ bối cảnh công nghiệp hóa, phân tích thực trạng ứng dụng công nghệ vi điều khiển trong dây chuyền sản xuất tự động. Tác giả chỉ ra tính cấp thiết của việc áp dụng thiết bị đếm tự động nhằm thay thế nhân công tại các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Chương này xác định mục tiêu nghiên cứu, 7 bước phương pháp luận, phạm vi giới hạn của đề tài (đếm sản phẩm, phân tích màu sắc, hiển thị LCD 16x2), các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt (sai số màu khoảng 0,15%) và ý nghĩa thực tiễn trong các dây chuyền sản xuất bánh kẹo, đồ hộp.

Chương II: Xây dựng mô hình hệ thống

Chương II trình bày toàn bộ quá trình khảo sát, so sánh lý thuyết và lựa chọn các linh kiện phần cứng cho hệ thống:

  • Phân tích cảm biến đếm: So sánh ưu - nhược điểm giữa cảm biến quang học, cảm biến tiệm cận và cảm biến hồng ngoại.
Tiêu chí so sánh Cảm biến quang Cảm biến tiệm cận Cảm biến hồng ngoại
Cấu tạo chính Bộ phát sáng, bộ thu sáng, bo mạch xử lý tín hiệu. Cuộn dây cuốn quanh lõi từ, mạch dao động cao tần. LED phát hồng ngoại, đầu dò thu hồng ngoại, điện trở, dây dẫn.
Nguyên lý Phát ánh sáng theo tần số, thu nhận và chuyển đổi tranzito NPN/PNP. Tạo trường điện từ dao động xung quanh đầu cảm ứng. Phát và thu nhận bức xạ hồng ngoại phản xạ từ vật thể.
Ưu điểm Độ nhạy cao, truyền nhận khoảng cách xa, giảm chi phí chuyển đổi. Phát hiện không tiếp xúc, chịu được môi trường khắc nghiệt. Độ nhạy cao, xác định khoảng cách chính xác, cấu tạo đơn giản, giá rẻ.
Nhược điểm Dễ chịu ảnh hưởng bởi nhiều hiệu ứng nhiễu quang học. Khoảng cách phát hiện ngắn ($\le 30\text{ mm}$), phụ thuộc nhiệt độ bề mặt vật thể. Phụ thuộc nhiệt độ môi trường cao, phạm vi góc quét có góc chết, dễ nhầm chuyển động.

$\rightarrow$ Quyết định lựa chọn: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK nhờ khả năng điều chỉnh khoảng cách (3–80 cm), ngõ ra NPN tương thích trực tiếp với vi điều khiển và giá thành rẻ.

  • Phân tích cảm biến màu sắc: So sánh TCS3200 và TCS34725.
Đặc tính kỹ thuật Cảm biến TCS3200 Cảm biến TCS34725
Công nghệ chế tạo Mảng $8 \times 8$ quang diode, cấu trúc dạng CCD. Light-to-Digital Converter tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ADC.
Nguyên lý đo Lọc màu RGB, xuất chuỗi xung tần số tỷ lệ với cường độ sáng. Lọc màu RGB và Clear, chuyển đổi tín hiệu sang dữ liệu số kỹ thuật số.
Xử lý tín hiệu Cần vi điều khiển đếm tần số xung ngõ ra. Tích hợp MCU trên bo mạch xử lý và chuyển đổi giao tiếp.
Khả năng chống nhiễu Dễ bị sai số do ánh sáng môi trường ngoại vi. Khống chế tốt ánh sáng ngoại vi và tín hiệu nhiễu.
Chuẩn giao tiếp Xuất xung số trực tiếp qua các chân logic. Giao tiếp số chuẩn I2C và UART.

$\rightarrow$ Quyết định lựa chọn: Cảm biến TCS34725 do có độ chính xác cao, tích hợp MCU xử lý và hỗ trợ giao tiếp I2C/UART thuận tiện.

  • Phân tích bộ điều khiển: So sánh vi điều khiển PIC (kiến trúc RISC, mã nguồn hiệu quả, cấu hình phần cứng đa dạng nhưng đòi hỏi mạch nạp và cấu hình phức tạp) và Arduino Uno R3 (trang bị ATmega328, tích hợp sẵn nguồn, cổng nạp USB, bộ dao động thạch anh, cộng đồng hỗ trợ lớn và thư viện mẫu phong phú). Tác giả lựa chọn bo mạch Arduino Uno R3 làm bộ điều khiển trung tâm.
  • Thiết kế mạch và mô phỏng: Trình bày nguyên lý hoạt động của module LCD 1602 giao tiếp I2C và thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ mạch đo, xử lý tín hiệu trên phần mềm Proteus 8 Professional.

Chương III: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống

Chương III đi vào chi tiết việc xây dựng sơ đồ thuật toán xử lý tín hiệu cho cảm biến hồng ngoại và cảm biến màu sắc. Tác giả mô tả quá trình lập trình trên Arduino IDE, thi công lắp ráp mô hình vật lý hoàn thiện và thực hiện các bài thử nghiệm. Nội dung chương ghi nhận chi tiết 3 lỗi kỹ thuật phát sinh trong quá trình thử nghiệm thực tế cùng giải pháp khắc phục, phân tích kết quả vận hành và đưa ra đánh giá tổng kết về mức độ hoàn thành sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm cụ thể

  • Hoàn thiện mô hình phần cứng: Chế tạo thành công mô hình hệ thống đếm sản phẩm kết hợp phân loại màu sắc có cấu trúc nhỏ gọn, hoạt động ổn định trên nguồn điện 5VDC.
  • Khả năng kiểm đếm: Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK phát hiện chính xác vật cản đi qua trong phạm vi cự ly 3–80 cm, gửi tín hiệu ngõ ra kích hoạt tăng biến đếm tức thời.
  • Khả năng nhận diện màu sắc: Cảm biến TCS34725 phân tích chính xác giá trị RGB và cường độ sáng Lux, phân loại đúng 4 trạng thái bề mặt (DO, LUC, XANH, KHONG) và hiển thị lên dòng 2 của màn hình LCD 16x2, đạt mức sai số phân tích màu sắc thiết kế khoảng 0,15%.
  • Chức năng cảnh báo và tự động hóa: Hệ thống kích hoạt chính xác tín hiệu còi chíp (Buzzer chân 13) phát âm báo ngắt quãng (100ms) khi biến đếm đạt giá trị 5 sản phẩm, đồng thời tự động thiết lập lại chu kỳ đếm về 0.

Sự cố kỹ thuật và giải pháp khắc phục đã thực hiện

Trong quá trình triển khai thực tế, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận và xử lý thành công 3 sự cố kỹ thuật:

  1. Sự cố màn hình LCD không hoạt động: Do quá trình đấu nối dây vào Arduino bị nhầm chân nối đất (GND) dẫn đến nguy cơ chập cháy mạch hiển thị. Nhóm đã tiến hành kiểm tra sơ đồ chân và đấu nối lại chính xác theo chuẩn I2C.
  2. Sự cố lỗi tín hiệu cảnh báo khi đếm đủ số lượng: Tín hiệu còi báo không kích hoạt đúng thời điểm do xung đột cấu hình hàm pinMode trong mã nguồn. Nhóm đã tính toán lại và hiệu chỉnh câu lệnh khởi tạo cổng xuất nhập trong hàm setup().
  3. Sự cố hiển thị sai số lần đếm: Biến đếm tăng bất thường hoặc không đồng bộ do thuật toán bắt trạng thái tín hiệu chưa tối ưu. Nhóm đã chạy thử nghiệm nhiều lần, xác định nguyên nhân và viết lại logic so sánh sườn tín hiệu giữa trạng thái hiện tại và trạng thái trước đó (pre).

Đóng góp tự nêu của đề tài

  • Làm chủ quy trình thiết kế hệ thống cơ điện tử cơ bản từ khâu khảo sát lựa chọn linh kiện, mô phỏng mạch nguyên lý trên Proteus 8 Professional đến lập trình nhúng trên Arduino IDE.
  • Cung cấp giải pháp kỹ thuật có chi phí thấp, kết cấu nhỏ gọn, khả thi cho việc ứng dụng tự động hóa khâu đếm và đóng gói sản phẩm tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
  • Rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, tư duy giải quyết sự cố phần cứng/phần mềm và phương pháp trình bày báo cáo kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật được ghi nhận

  • Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường; khi làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao, độ nhạy và hiệu quả phát hiện suy giảm.
  • Góc quét và phạm vi quét của cảm biến hồng ngoại còn tồn tại góc chết; độ nhạy cao đôi khi dẫn đến hiện tượng nhận diện nhầm khi có chuyển động ngoại lai trong vùng quét.
  • Cảm biến màu sắc TCS34725 có giá thành cao hơn cảm biến quang thông thường; kết quả phân tích màu sắc phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng môi trường thực tế, đòi hỏi phải thiết lập ngưỡng cường độ Lux cố định trong mã nguồn.

Hướng phát triển mở rộng

Nhóm tác giả đề xuất hai định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai:

  1. Phát triển module truyền thông để xuất dữ liệu và số lượng sản phẩm đếm được trực tiếp lên máy tính nhằm phục vụ công tác giám sát, lưu trữ và quản lý sản xuất tập trung.
  2. Bổ sung mạch và thuật toán còi báo lỗi tự động khi hệ thống gặp sự cố kỹ thuật (như mất kết nối cảm biến, lỗi truyền nhận dữ liệu I2C hoặc mất nguồn cục bộ).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành: Cơ điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Điều khiển, Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông và Công nghệ thông tin định hướng nhúng.
  • Học phần liên quan: Đo lường và điều khiển, Cảm biến và kỹ thuật đo, Vi điều khiển, Thiết kế hệ thống nhúng và Đồ án tốt nghiệp đại học/cao đẳng.
  • Nội dung tham khảo trọng tâm:
    • Quy trình so sánh và tiêu chí lựa chọn cảm biến đếm (quang, tiệm cận, hồng ngoại) và cảm biến màu sắc (TCS3200, TCS34725).
    • Phương pháp ghép nối bus I2C cho nhiều thiết bị ngoại vi (LCD 1602 và TCS34725) trên cùng một vi điều khiển Arduino.
    • Sơ đồ thuật toán và đoạn mã nguồn mẫu bằng ngôn ngữ C/C++ xử lý phân loại màu sắc dựa trên tỷ lệ RGB kết hợp cường độ sáng Lux.
    • Kinh nghiệm thực tế trong việc phát hiện và xử lý các lỗi phần cứng, chống dội tín hiệu cảm biến và xung đột chân điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại cảm biến nào để đếm sản phẩm và có những thông số kỹ thuật chính nào?
Hệ thống sử dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK. Cảm biến hoạt động ở điện áp 5VDC, dòng kích ngõ ra 300mA, khoảng cách phát hiện từ 3 đến 80 cm (điều chỉnh bằng biến trở), dải nhiệt độ làm việc từ -25°C đến +55°C, kích thước 17x45 mm và sử dụng ngõ ra dạng NPN cực thu hở (dây Nâu nối 5V, dây Xanh dương nối GND, dây Đen xuất tín hiệu).

2. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn cảm biến màu sắc TCS34725 thay vì TCS3200?
Mặc dù TCS34725 có giá thành cao hơn, nhưng nó tích hợp sẵn bộ chuyển đổi ánh sáng sang số (Light-to-Digital Converter), có MCU tích hợp trên bo mạch hỗ trợ chuyển đổi giao tiếp I2C/UART, có kênh đo Clear và khả năng khống chế ánh sáng ngoại vi, chống nhiễu tốt hơn hẳn so với TCS3200 (vốn chỉ xuất tần số xung và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường).

3. Việc sử dụng module chuyển đổi I2C cho màn hình LCD 1602 mang lại lợi ích gì cho mạch điều khiển?
Mạch chuyển đổi I2C giúp rút gọn số lượng dây nối từ 7–8 dây (ở chế độ song song thông thường) xuống còn duy nhất 2 dây tín hiệu (SDA và SCL kết nối vào chân A4, A5 của Arduino). Điều này giúp tiết kiệm chân I/O trên vi điều khiển, hạn chế việc đấu sai dây, tránh rườm rà mạch điện và giải phóng tài nguyên xử lý cho vi điều khiển nhờ IC xử lý trung gian trên module.

4. Trong quá trình thử nghiệm thực tế, hệ thống đã gặp những sự cố kỹ thuật nào và được khắc phục ra sao?
Nhóm nghiên cứu gặp 3 lỗi chính: (1) Màn hình LCD không hiển thị do đấu nhầm chân GND vào Arduino, được khắc phục bằng cách đấu lại đúng sơ đồ chân; (2) Còi báo không kêu khi đếm đủ 5 sản phẩm do xung đột cấu hình hàm pinMode, được khắc phục bằng cách hiệu chỉnh lại câu lệnh khởi tạo; (3) Hiển thị sai số lần đếm do lỗi thuật toán bắt trạng thái, được khắc phục bằng cách viết lại logic so sánh sườn tín hiệu giữa giá trị hiện tại và giá trị trước đó (pre).

5. Điều kiện để hệ thống nhận diện và hiển thị các loại màu sắc trên màn hình LCD được thiết lập như thế nào?
Hệ thống dựa trên dữ liệu thô r, g, b, c và giá trị độ rọi lux từ TCS34725:

  • Màu đỏ (DO): khi r > g && r > b && r < c và lux nằm trong khoảng 35 đến 50.
  • Màu lục (LUC): khi g > r && g > b && g < c và lux nằm trong khoảng 150 đến 200.
  • Màu xanh nước biển (XANH): khi b > r && b > g && b < c và lux nằm trong khoảng 85 đến 120.
  • Không màu (KHONG): khi c > r && c > g && c > b và lux nằm trong khoảng 60 đến 85.

Kết luận

Đồ án môn học "Đo lường và điều khiển" của nhóm tác giả thuộc Khoa Cơ khí - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã hoàn thành việc thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm hệ thống đếm sản phẩm kết hợp phân loại màu sắc. Bằng việc tích hợp vi điều khiển Arduino Uno R3 với cảm biến hồng ngoại E18-D80NK và cảm biến màu sắc TCS34725 qua giao thức I2C, mô hình đã vận hành chính xác các chức năng kiểm đếm, nhận diện màu sắc, hiển thị LCD và phát tín hiệu cảnh báo đóng gói khi đạt số lượng 5 sản phẩm. Công trình là tài liệu tham khảo thực nghiệm tiêu biểu cho sinh viên khối ngành kỹ thuật trong việc ứng dụng công nghệ cảm biến và vi điều khiển vào giải quyết các bài toán tự động hóa sản xuất cơ bản.