Đồ Án HCMUTE: Thiết Kế Mô Hình Kiểm Đếm Trên Dây Chuyền

Đồ án nghiên cứu hcmute thiết kế mô hình kiểm đếm trên dây chuyền, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Phan Thanh Hoàng Duy
• Người hướng dẫn: ThS. Trương Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Kiểm Đếm Trên Dây Chuyền
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐẾM BAO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô hình Kiểm Đếm và Kiểm Soát Chất Lượng Dây Chuyền Sản Xuất

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế Mô hình kiểm đếm trên dây chuyền" tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc xây dựng một mô hình kiểm đếm sản phẩm trên dây chuyền sản xuất. Đề tài sử dụng công nghệ kiểm đếm dây chuyền sản xuất hiện đại, cụ thể là ứng dụng công nghệ LoRa để truyền nhận dữ liệu giữa các trạm con và trạm trung tâm. Mô hình kiểm đếm này bao gồm ba trạm chính: trạm đếm, trạm quang báo, và trạm trung tâm kết nối với phần mềm quản lý trên máy tính. Mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả quản lý sản xuất HCMUTE, giảm thiểu sai sót trong quá trình kiểm soát chất lượng dây chuyền sản xuất, và tối ưu hóa tăng hiệu quả sản xuất. Nghiên cứu mô hình HCMUTE này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ kiểm đếm tiên tiến trong môi trường sản xuất tại Việt Nam.

1.1. Ứng dụng Kiểm Đếm trong Sản Xuất và Hệ Thống Kiểm Đếm Tự Động

Đồ án nhấn mạnh vào việc ứng dụng kiểm đếm trong sản xuất. Nó đề cập đến các vấn đề liên quan đến việc kiểm soát chất lượng dây chuyền sản xuất và tối ưu hóa sản xuất. Hệ thống kiểm đếm tự động được thiết kế nhằm giải quyết các hạn chế của phương pháp truyền thống, đặc biệt là trong việc truyền dữ liệu trên khoảng cách xa. Việc sử dụng công nghệ LoRa giúp khắc phục nhược điểm của việc sử dụng cáp mạng truyền thống, giảm chi phí và thời gian bảo trì. Hệ thống kiểm đếm tự động tích hợp các cảm biến như cảm biến quang và encoder để đếm chính xác số lượng sản phẩm, ngay cả khi các sản phẩm di chuyển không đều trên dây chuyền. Ứng dụng kiểm đếm trong sản xuất này cho phép giám sát và quản lý sản xuất hiệu quả hơn, giảm thiểu rủi ro và tăng năng suất. Phần mềm kiểm đếm dây chuyền được phát triển giúp hiển thị và lưu trữ dữ liệu, tạo báo cáo, hỗ trợ quá trình ra quyết định của người quản lý.

1.2. Thiết Kế Hệ Thống và Phần Mềm Kiểm Đếm Dây Chuyền

Thiết kế hệ thống kiểm đếm bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp như Arduino Nano, module LoRa, cảm biến quang BX700-DDT, encoder Omron E6B2-C, và LED matrix P10. Thiết kế hệ thống điều khiển dựa trên lưu đồ thuật toán được thiết kế tỉ mỉ để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống. Phần mềm kiểm đếm dây chuyền được phát triển trên nền tảng Microsoft Visual Studio 2010 và SQL Server Management Studio 2008. Phần mềm kiểm đếm dây chuyền này cho phép người dùng giám sát quá trình sản xuất, quản lý thông tin khách hàng, sản phẩm và đơn hàng. Dữ liệu được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu SQL Server, đảm bảo tính bảo mật và độ tin cậy. Thiết kế hệ thống này thể hiện sự kết hợp hài hòa giữa phần cứng và phần mềm, tạo ra một hệ thống kiểm đếm hoàn chỉnh và hiệu quả. Nghiên cứu mô hình HCMUTE tập trung vào việc cải tiến dây chuyền sản xuất thông qua việc áp dụng các công nghệ hiện đại.

1.3. Đánh Giá và Hướng Phát Triển Mô Hình Kiểm Đếm Sản Phẩm HCMUTE

Đồ án cung cấp phân tích dữ liệu kiểm đếm chi tiết, đánh giá hiệu quả của mô hình kiểm soát chất lượng được xây dựng. Mô hình kiểm đếm sản phẩm HCMUTE cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ LoRa trong kiểm đếm dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, đồ án cũng nêu ra một số hạn chế như kích thước mô hình, số lượng trạm đếm, và khả năng kết nối internet. Hướng phát triển tập trung vào việc mở rộng quy mô hệ thống, tích hợp các công nghệ mới như IoT trong kiểm đếm, AI trong kiểm đếm, và học máy trong kiểm đếm để nâng cao độ chính xác và khả năng tự động hóa. Nghiên cứu khoa học HCMUTE liên tục cập nhật và ứng dụng các công nghệ mới nhất nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của sản xuất công nghiệp. Đào tạo kỹ sư HCMUTE cũng được chú trọng, trang bị kiến thức và kỹ năng cần thiết để đáp ứng yêu cầu của ngành công nghiệp 4.0.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình sản xuất tại các nhà máy và xí nghiệp, việc kiểm đếm và quản lý số lượng sản phẩm trên các dây chuyền đóng vai trò cốt lõi nhằm giảm thiểu thất thoát và tối ưu hóa vận hành. Các hệ thống truyền nhận dữ liệu truyền thống thường sử dụng cáp mạng truyền thông có dây hoặc sóng Wi-Fi. Mặc dù cáp mạng mang lại độ ổn định cao, phương thức này bộc lộ nhược điểm lớn khi số lượng máy móc tăng lên: chi phí dây cáp gia tăng đáng kể, việc bố trí không gian sản xuất bị xáo trộn và công tác bảo trì, sửa chữa khi có sự cố rất phức tạp. Ngược lại, phương thức kết nối qua mạng Wi-Fi lại có nhược điểm về cự ly truyền ngắn, đòi hỏi phải lắp đặt nhiều trạm chuyển tiếp nếu muốn truyền xa.

Công nghệ truyền thông không dây bằng sóng vô tuyến RF LoRa (Long Range) sử dụng chip điều chế dải tần phụ cận ban đầu được phát triển cho lĩnh vực quân sự và hàng không vũ trụ nhờ ưu điểm cự ly xa, tiêu thụ năng lượng thấp và giá thành hợp lý. Mặc dù đã có nhiều ứng dụng dân dụng, công nghệ này còn ít được áp dụng trong sản xuất công nghiệp do tâm lý ưu tiên tính ổn định tuyệt đối của cáp mạng. Nhằm giải quyết bài toán tối ưu chi phí, diện tích lắp đặt và mở rộng khoảng cách truyền thông không cần qua trạm trung gian cho các nhà máy quy mô vừa và nhỏ, đề tài "Thiết kế mô hình kiểm đếm trên dây chuyền" đã được thực hiện.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là xây dựng hoàn chỉnh mô hình giám sát, quản lý và điều khiển hệ thống đếm sản phẩm bao gạo trên dây chuyền sản xuất, bao gồm trạm đếm tại băng tải, trạm hiển thị quang báo và trạm điều hành trung tâm kết nối máy tính.

Các nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu được xác định cụ thể theo 8 nội dung:

1. Nội dung 1: Tìm hiểu và nghiên cứu về cấu tạo phần cứng, nguyên lý hoạt động, tính năng của các module Arduino Nano, module truyền nhận sóng LoRa AS32-TTL-100, cảm biến quang BX700-DDT, cảm biến đo độ dài (bộ mã hóa vòng quay Encoder Omron E6B2-C), bảng hiển thị LED ma trận P10 (kích thước $16 \times 32\text{ cm}$) và LED 7 đoạn.
2. Nội dung 2: Lựa chọn các giải pháp thiết kế hệ thống, thi công mô hình cơ khí băng chuyền và mô hình đếm sản phẩm.
3. Nội dung 3: Thiết kế hệ thống mạch điều khiển, xây dựng lưu đồ giải thuật, lập trình điều khiển nhúng cho các khối vi xử lý và phát triển phần mềm quản trị hệ thống trên máy tính.
4. Nội dung 4: Thiết kế và hoàn thiện mô hình thực tế.
5. Nội dung 5: Chạy thử nghiệm hệ thống đếm sản phẩm trên băng chuyền thực tế.
6. Nội dung 6: Cân chỉnh độ chính xác của hệ thống phần cứng và phần mềm.
7. Nội dung 7: Soạn thảo sách luận văn tốt nghiệp.
8. Nội dung 8: Bảo vệ đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn cụ thể:

• Đối tượng nghiên cứu: Quy trình kiểm đếm sản phẩm bao gạo di chuyển trên băng tải trong các trường hợp di chuyển rời rạc, nối tiếp hoặc dính liền nhau; tín hiệu truyền thông vô tuyến tầm xa LoRa giữa các trạm thiết bị.
• Phạm vi không gian và quy mô: Hệ thống chế tạo ở quy mô mô hình thực nghiệm với 01 băng chuyền kích thước $100 \times 40 \times 50\text{ cm}$, 01 trạm đếm con, 01 trạm quang báo hiển thị tại hiện trường và 01 trạm trung tâm. Dữ liệu chỉ quản lý cục bộ tại máy tính trạm trung tâm, không phát triển qua môi trường Internet.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao thực hiện từ ngày 10/03/2017 và hoàn thành bảo vệ vào ngày 15/08/2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ của đề tài được xây dựng trên sự kết hợp giữa kỹ thuật vi điều khiển, kỹ thuật truyền thông vô tuyến và nguyên lý cảm biến công nghiệp:

• Công nghệ truyền thông LoRa: Dựa trên nền tảng chip Semtech SX1278 dải tần 433 MHz, sử dụng module AS32-TTL-100. Giao thức hỗ trợ 4 chế độ làm việc (Bình thường, Báo thức, Tiết kiệm pin, Ngủ cấu hình) và 3 chế độ truyền gói tin (Điểm - Điểm, Cố định theo địa chỉ/kênh - Target, Quảng bá - Broadcast qua địa chỉ 0xFFFF).
• Cảm biến quang điện công nghiệp: Lý thuyết phản xạ khuếch tán hồng ngoại, sử dụng cảm biến Autonics BX700-DDT với ngõ ra cực thu hở NPN/PNP, tầm bắt 700 mm, phục vụ nhận diện bề mặt vật thể không cố định như bao tải gạo.
• Kỹ thuật đo xung vòng quay (Encoder): Bộ mã hóa vòng quay tương đối Omron E6B2-CWZ6C với độ phân giải 1000 xung/vòng, đếm xung pha ngõ ra để quy đổi quãng đường dịch chuyển, giải quyết triệt để lỗi đếm sai khi nhiều bao gạo đi sát hoặc dính liền nhau.
• Chuẩn giao tiếp nối tiếp: Sử dụng chuẩn UART kết nối vi xử lý với module LoRa và máy tính; chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp SPI đồng bộ tốc độ cao giữa vi xử lý với bảng điều khiển LED ma trận P10.
• Mô hình tham khảo: Khảo sát và phân tích nguyên lý của hai hệ thống công nghiệp thực tế gồm hệ thống đếm bao thức ăn trên băng tải của Công ty Cổ phần Giải pháp Kỹ thuật Ấn Tượng (ATPro Corp) và hệ thống đếm bao xi măng của Công ty Vietcontrol Solutions JSC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích cấu tạo, nguyên lý của các cảm biến và linh kiện điện tử để tính toán phối ghép mạch công suất, mạch đệm dòng và mạch hạ áp.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo phần cứng: Thiết kế mạch in nguyên lý, vẽ mạch layout, gia công mạch điều khiển cho từng trạm và lắp ráp khung cơ khí băng tải.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Viết code nhúng C/C++ trên môi trường Arduino IDE, xây dựng lưu đồ giải thuật cho các ngắt ngoại vi, ngắt bộ định thời Timer 1 và ngắt so sánh điện áp Analog. Lập trình giao diện C# trên nền Microsoft Visual Studio 2010 kết nối hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server Management Studio 2008.
• Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành mô hình băng tải với các tình huống vật thể di chuyển tuần tự, dừng đột ngột và dính liền nhau nhằm đánh giá sai số kiểm đếm thực tế.

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu trích xuất từ tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các nhà sản xuất linh kiện (Semtech, Omron, Autonics, Atmel), thông số khảo sát thực tế từ hai hệ thống của công ty Vietcontrol và ATPro Corp, cùng dữ liệu thu thập trực tiếp từ các đợt chạy thực nghiệm trên mô hình băng chuyền.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mạng phân tán gồm 3 trạm độc lập giao tiếp qua sóng vô tuyến LoRa:

Trạm chức năng	Thành phần phần cứng chính	Chức năng kỹ thuật	Giao tiếp ngoại vi
Trạm đếm	Arduino Nano, LoRa AS32-TTL-100, BX700-DDT, E6B2-CWZ6C, 5 LED 7 đoạn 2.3", IC 74HC595, ULN2803, Relay, Mạch EEPROM	Phát hiện sản phẩm, đo độ dài bao dính liền, đếm số lượng, lưu trữ số liệu vào EEPROM khi mất điện, điều khiển relay cảnh báo	UART (LoRa), Ngắt ngoài D2/D3 (Encoder), Ngắt so sánh Analog, Ngõ ra dịch bit nối tiếp
Trạm quang báo	Arduino Nano, LoRa AS32-TTL-100, 2 module LED Matrix P10 ($16 \times 32\text{ cm}$), Nguồn hạ áp LM2596	Nhận dữ liệu từ trạm trung tâm và trạm đếm; hiển thị 3 thông số: biển số xe vận chuyển, số lượng dự xuất và số lượng đang xuất	UART (LoRa), Giao tiếp bus SPI điều khiển bảng ma trận
Trạm trung tâm	Arduino Nano, LoRa AS32-TTL-100, 3 LED đơn báo trạng thái, Máy tính cá nhân (PC)	Làm cầu nối dữ liệu giữa phần mềm quản lý trên máy tính và mạng không dây LoRa; hiển thị trạng thái hệ thống qua LED đơn	UART (kết nối máy tính qua cáp USB chuyển đổi), UART (LoRa)

Thiết kế mạch điện tử và tính toán kỹ thuật

Mạch điều khiển hiển thị LED 7 đoạn tại trạm đếm sử dụng 5 LED 7 đoạn 2.3 inch Anode chung. Do dòng điện và điện áp yêu cầu vượt quá khả năng cấp trực tiếp từ chân vi điều khiển, tác giả sử dụng giải pháp ghép nối IC thanh ghi dịch 74HC595 kết hợp IC đệm dòng ULN2803:

• Điện áp nguồn cấp cho LED: $U_{\text{NGUỒN}} = 12\text{ V}$.
• Các đoạn LED chính (a, b, c, d, e, f, g): Điện áp rơi $U_{\text{LED}} = 7{,}4\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{\text{LED}} = 15\text{ mA} = 0{,}015\text{ A}$. Giá trị điện trở hạn dòng được tính toán: $$R = \frac{U_{\text{NGUỒN}} - U_{\text{LED}}}{I_{\text{LED}}} = \frac{12 - 7{,}4}{0{,}015} = 306{,}67\ \Omega \quad \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } 330\ \Omega \text{ (hoặc } 300\ \Omega\text{)}$$
• Đoạn dấu chấm (DP): Điện áp rơi $U_{\text{DP}} = 3{,}7\text{ V}$, dòng điện $I_{\text{LED}} = 0{,}015\text{ A}$. Điện trở tính toán: $$R_{\text{DP}} = \frac{U_{\text{NGUỒN}} - U_{\text{DP}}}{I_{\text{LED}}} = \frac{12 - 3{,}7}{0{,}015} = 553{,}33\ \Omega \quad \longrightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } 560\ \Omega$$

Khối hiển thị trạng thái tại trạm trung tâm gồm 3 LED đơn 8 mm (Đỏ, Vàng, Xanh) thể hiện 3 trạng thái START, STOP, DATA:

• Nguồn cấp: $U_{\text{NGUỒN}} = 5\text{ V}$, dòng điện chọn $I_{\text{LED}} = 10\text{ mA} = 0{,}01\text{ A}$, điện áp rơi trung bình $U_{\text{LED}} = 2{,}2\text{ V}$.
• Giá trị điện trở: $$R = \frac{5 - 2{,}2}{0{,}01} = 280\ \Omega \quad \longrightarrow \text{Chọn giá trị chuẩn } 330\ \Omega$$

Mạch bảo vệ dữ liệu khi mất nguồn điện lưới đột ngột sử dụng kỹ thuật ngắt so sánh điện áp Analog: Khi phát hiện điện áp giảm, mạch lập tức kích hoạt ngắt vi xử lý để ghi nhanh dữ liệu số đếm hiện hành vào bộ nhớ EEPROM của Arduino Nano, duy trì hoạt động trong vài mili-giây nhờ lượng điện tích còn lại từ tụ điện xả nguồn.

Phần mềm quản lý và giám sát

Phần mềm máy tính được xây dựng bằng C# trên nền Microsoft Visual Studio 2010, cơ sở dữ liệu quản trị bằng SQL Server Management Studio 2008. Ứng dụng cung cấp các phân hệ chức năng:

• Đăng nhập bảo mật và phân quyền tài khoản, đổi mật khẩu.
• Giao diện quản lý chính: hiển thị số đếm thời gian thực, điều khiển bắt đầu (START), tạm dừng (STOP) hoặc cài đặt lại hệ thống.
• Quản lý danh mục đơn hàng, thông tin khách hàng, chủng loại sản phẩm và thông số các dây chuyền sản xuất.
• Truy vấn, tìm kiếm lịch sử đếm theo thời gian và xuất báo cáo thống kê trực tiếp ra định dạng bảng tính Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu kiểm đếm tự động trong sản xuất công nghiệp và những hạn chế của phương thức truyền thông dùng cáp mạng hoặc Wi-Fi. Tác giả giới thiệu tiềm năng ứng dụng của công nghệ truyền sóng RF LoRa nhằm tối ưu diện tích lắp đặt, giảm chi phí đầu tư và truyền khoảng cách xa mà không cần trạm trung gian. Chương này cũng công bố mục tiêu chế tạo hệ thống kiểm đếm cho nhà máy nhỏ, chi tiết hóa 8 nội dung nghiên cứu cần thực hiện, xác định các giới hạn kỹ thuật của mô hình (kích thước băng tải $100 \times 40 \times 50\text{ cm}$, 01 trạm đếm, module LoRa AS32-TTL-100, encoder Omron E6B2-C, cảm biến BX700-DDT) và phác thảo bố cục 6 chương của quyển báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này khảo sát mô hình thực tế của hai đơn vị cung cấp giải pháp kiểm đếm hàng đầu tại Việt Nam là ATPro Corp (hệ thống đếm bao thức ăn chăn nuôi dùng PLC và RS485) và Vietcontrol Solutions JSC (hệ thống đếm bao xi măng dùng cảm biến siêu âm kết hợp cảm biến đo chiều dài). Tiếp đó, tác giả phân tích chi tiết thông số và nguyên lý của từng linh kiện phần cứng được sử dụng trong đề tài:

• Module LoRa AS32-TTL-100: Kích thước $5 \times 20 \times 36\text{ mm}$, cấu hình chân (M0, M1, RXD, TXD, AUX, VCC, GND), nguyên lý điều khiển 4 trạng thái qua 2 chân M0 và M1, phân tích cơ chế truyền Point-to-Point, Target và Broadcast; phương pháp cấu hình thông số qua phần mềm RFSET_3x5x6x_v2 bằng mạch nạp UART-to-USB.
• Bo mạch vi điều khiển Arduino Nano: Nền tảng vi điều khiển Atmega328P 8-bit, thông số các chân vào/ra (I/O) kỹ thuật số, ngõ vào analog và cơ chế nạp qua cổng USB tích hợp IC chuyển đổi FT232.
• Cảm biến quang BX700-DDT: Cấu tạo bộ phát LED hồng ngoại, bộ thu phototransistor và mạch xử lý tín hiệu; so sánh ưu nhược điểm giữa ba dạng cảm biến quang (thu phát độc lập, phản xạ qua gương, phản xạ khuếch tán); phân tích lý do chọn loại phản xạ khuếch tán để phát hiện bề mặt gồ ghề của bao gạo và cơ chế chỉnh ngưỡng bằng biến trở.
• Cảm biến đo góc quay Encoder Omron E6B2-CWZ6C: Cấu tạo đĩa quang, sơ đồ xung 3 pha ngõ ra A, B, Z, độ phân giải 1000 xung/vòng, đóng vai trò giải thuật đo chiều dài để tách các bao gạo di chuyển sát nhau.
• Các chuẩn giao tiếp: Cấu trúc khung truyền nối tiếp UART (Start bit, Data, Parity, Stop bit, tốc độ baud) và chuẩn truyền thông đồng bộ tốc độ cao SPI (các đường tín hiệu SCK, MISO, MOSI, SS).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ khối chức năng của trạm đếm, trạm quang báo, trạm trung tâm và sơ đồ kết nối tổng thể toàn hệ thống. Tác giả tiến hành tính toán mạch chi tiết cho từng khối:

• Thiết kế mạch hiển thị LED 7 đoạn: Lựa chọn IC thanh ghi dịch 74HC595 phối hợp IC đệm dòng ULN2803 thay vì IC chuyên dụng 6B595 hay MAX7219 nhằm tối ưu chi phí và bố trí mạch in; tính toán chọn điện trở hạn dòng $330\ \Omega$ cho các thanh LED và $560\ \Omega$ cho dấu chấm DP ở mức nguồn 12V.
• Thiết kế khối quang báo: Kết nối hai tấm LED ma trận P10 kích thước $16 \times 32\text{ cm}$ màu đỏ với Arduino Nano theo giao tiếp SPI; tính toán cấp nguồn DC 5V dòng lớn từ nguồn tổ ong.
• Thiết kế khối hiển thị trạng thái LED đơn: Phân tích thông số sụt áp của từng loại LED màu, tính chọn điện trở chuẩn $330\ \Omega$ cấp nguồn 5V.
• Mạch hạ áp nguồn: Thiết kế bo nguồn sử dụng mạch giảm áp xung DC-DC LM2596 để chuyển đổi nguồn 12V/24V xuống 5V và 3.3V cấp cho Arduino và module LoRa.
• Thiết kế giải pháp lưu trữ chống mất điện: Ứng dụng mạch so sánh điện áp kết hợp ngắt analog vi điều khiển và tụ xả nguồn để kịp thời ghi giá trị biến đếm vào bộ nhớ ROM không bay hơi EEPROM.
• Bản vẽ nguyên lý: Xuất bản và giải thích chi tiết sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh của cả 3 trạm.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại toàn bộ tiến trình hiện thực hóa mô hình từ bản vẽ đến thiết bị thực tế:

• Thi công bo mạch: Quy trình vẽ mạch in layout, rửa mạch đồng, khoan lỗ, hàn linh kiện và kiểm tra thông mạch các khối trạm trung tâm, trạm quang báo, trạm đếm và bo LED 7 đoạn.
• Đóng gói và thi công mô hình: Chế tạo hộp bảo vệ cho các khối điều khiển, thiết kế mặt trước hộp hiển thị, lắp ráp khung băng tải kích thước $100 \times 40 \times 50\text{ cm}$ kết hợp động cơ kéo AC và giá đỡ cố định cảm biến quang, encoder.
• Lập trình hệ thống nhúng: Trình bày các lưu đồ giải thuật điều khiển chính cho trạm trung tâm, trạm quang báo và trạm đếm; chi tiết hóa các lưu đồ chương trình con ngắt Timer 1, ngắt đọc xung Encoder tại chân D2/D3 và ngắt so sánh Analog lưu EEPROM trên môi trường Arduino IDE.
• Lập trình ứng dụng quản lý trên PC: Thiết kế giao diện đồ họa C# trên Visual Studio 2010 kết nối hệ quản trị SQL Server 2008; cấu trúc các bảng dữ liệu đơn hàng, sản phẩm, khách hàng.
• Biên soạn tài liệu vận hành: Hướng dẫn chi tiết quy trình khởi động, thiết lập thông số đơn hàng từ máy tính, giám sát số đếm thực tế và xử lý thao tác xuất báo cáo thống kê.

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả vận hành thực tế thu được từ mô hình kiểm đếm:

• Hoàn thành đầy đủ các cụm thiết bị cơ khí và điện tử theo thiết kế ban đầu.
• Ghi nhận bảng số liệu chạy thực nghiệm kiểm đếm sản phẩm với các kịch bản khác nhau:

Tình huống kiểm đếm	Số lượng thực tế chạy qua	Số lượng hệ thống đếm được	Tỷ lệ chính xác	Ghi chú vận hành
Bao đi tuần tự (rời rạc)	100 bao	100 bao	100%	Cảm biến quang phản xạ khuếch tán nhận diện chính xác
Bao đi dính liền nhau	50 cặp (100 bao)	98 bao	98%	Giải thuật kết hợp xung Encoder đo độ dài tách thành công phần lớn các bao dính liền
Bao dừng đột ngột tại cảm biến	20 lần thử	Không đếm trùng	100%	Vi điều khiển xử lý trạng thái ổn định, không phát sinh xung giả
Sự cố mất điện đột ngột	10 lần ngắt nguồn	10 lần bảo toàn dữ liệu	100%	Ngắt analog và tụ xả kích hoạt ghi EEPROM kịp thời

• Nhận xét và đánh giá: Truyền thông vô tuyến LoRa giữa 3 trạm hoạt động ổn định, không bị nghẽn gói tin; bảng quang báo P10 và bảng LED 7 đoạn hiển thị rõ nét trong cự ly quan sát từ 10 đến 15 m; phần mềm quản lý trên máy tính phản hồi tức thời và lưu trữ dữ liệu chính xác vào SQL Server.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tác giả đúc kết những thành tựu mà đồ án đã hoàn thành: thiết kế thành công giải pháp kiểm đếm tự động ứng dụng truyền thông LoRa chi phí thấp, phân biệt và đếm chính xác sản phẩm bao dính liền nhờ kết hợp cảm biến quang và encoder, lưu trữ an toàn số liệu khi mất điện và cung cấp công cụ quản trị tiện lợi trên máy tính. Bên cạnh đó, chương này chỉ ra các điểm còn tồn tại của mô hình và đề xuất hướng mở rộng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể đã được kiểm chứng qua số liệu thực nghiệm:

• Chế tạo hoàn thiện mô hình hệ thống băng tải kích thước $100 \times 40 \times 50\text{ cm}$ tích hợp đồng bộ 3 trạm điều khiển phân tán.
• Mạng truyền thông không dây LoRa AS32-TTL-100 hoạt động ổn định ở dải tần 433 MHz, truyền nhận dữ liệu thông suốt giữa trạm đếm, trạm quang báo và trạm trung tâm mà không cần thiết bị lặp trung gian.
• Khả năng kiểm đếm sản phẩm đạt độ chính xác 100% đối với sản phẩm rời rạc và 98% đối với các trường hợp sản phẩm dính liền nhau nhờ giải thuật phối hợp tín hiệu quang điện từ BX700-DDT và phép tính độ dài dựa trên 1000 xung/vòng từ Encoder Omron E6B2-CWZ6C.
• Mạch hiển thị gồm 5 LED 7 đoạn kích thước 2.3 inch (driver bằng 74HC595 + ULN2803) và 2 module ma trận P10 ($16 \times 32\text{ cm}$) cho phép theo dõi rõ ràng các thông tin số xe, số lượng đặt, số lượng đếm ở khoảng cách từ 10 đến 15 m.
• Giải pháp lưu trữ tức thời vào EEPROM hoạt động với độ tin cậy tuyệt đối trong 10 lần thử nghiệm ngắt nguồn bất ngờ, bảo toàn toàn bộ dữ liệu kiểm đếm mà không cần trang bị bộ lưu điện dự phòng cồng kềnh.
• Phần mềm C# giao tiếp UART với trạm trung tâm quản lý đầy đủ cơ sở dữ liệu khách hàng, chủng loại hàng hóa và tự động kết xuất dữ liệu sang định dạng bảng tính Excel phục vụ kế toán.

Đóng góp của đồ án:

• Chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ vô tuyến tầm xa LoRa vào môi trường sản xuất công nghiệp quy mô nhỏ, khắc phục các trở ngại về chi phí đi dây cáp mạng và giới hạn cự ly của Wi-Fi.
• Đề xuất giải pháp kỹ thuật kết hợp cảm biến quang và bộ mã hóa xung vòng quay với chi phí linh kiện thấp nhưng vẫn xử lý thành công bài toán phức tạp về bao dính liền nhau trên băng tải, vốn trước đây thường đòi hỏi các bộ PLC và cảm biến siêu âm đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đồ án xác định:

• Hệ thống mới chỉ dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm với 01 trạm đếm con và 01 băng tải thử nghiệm, chưa được lắp đặt thử nghiệm dài hạn trong môi trường nhà máy công nghiệp chịu rung lắc và bụi bẩn thực tế.
• Hệ thống hoạt động dựa hoàn toàn vào nguồn điện lưới trực tiếp, chưa tích hợp khối nguồn điện pin/ắc quy dự phòng (UPS) để duy trì hoạt động liên tục cho động cơ và toàn bộ mạch điện tử khi mất điện kéo dài.
• Cơ sở dữ liệu và phần mềm giám sát mới chỉ vận hành cục bộ trên máy tính trạm trung tâm thông qua mạng nội bộ, chưa được phát triển hệ thống điều khiển giám sát từ xa qua nền tảng Internet hay Web Server.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng cấu trúc mạng LoRa để kết nối đồng thời nhiều trạm đếm con trên nhiều dây chuyền sản xuất về một trạm trung tâm duy nhất.
• Bổ sung hệ thống cấp nguồn phụ trợ bằng pin sạc hoặc ắc quy tự động chuyển mạch khi mất điện nguồn chính.
• Nâng cấp phần mềm quản lý lên nền tảng Web hoặc tích hợp hệ thống SCADA kết nối mạng Internet, hỗ trợ giám sát, gửi tin nhắn SMS cảnh báo và quản lý dữ liệu từ xa trên các thiết bị di động.
• Hoàn thiện thêm giải thuật lọc nhiễu quang học nhằm phát hiện chính xác các trường hợp bao gạo bị xô lệch góc hoặc biến dạng quá mức trên băng chuyền.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử hoặc Công nghệ Thông tin nghiên cứu về IoT công nghiệp:

• Thiết kế phần cứng và nhúng: Cung cấp chi tiết các sơ đồ nguyên lý tính toán phối ghép vi điều khiển Arduino Nano với các linh kiện công suất, mạch ghép tầng thanh ghi dịch 74HC595 và đệm dòng ULN2803 điều khiển LED 7 đoạn cỡ lớn, cũng như kỹ thuật hạ áp nguồn bằng LM2596.
• Lập trình truyền thông vô tuyến LoRa: Tài liệu chi tiết về phương thức đấu nối, chuyển đổi trạng thái hoạt động qua các chân M0/M1 và lưu đồ cấu hình module AS32-TTL-100 phục vụ truyền nhận dữ liệu công nghiệp.
• Giải thuật xử lý tín hiệu cảm biến: Phương pháp kết hợp ngắt ngoại vi đọc xung tần số cao từ Encoder với tín hiệu kích hoạt từ cảm biến quang để đo đạc kích thước thực tế của vật thể di chuyển.
• Giải pháp bảo vệ dữ liệu: Tham khảo mạch so sánh điện áp Analog kết hợp xả tụ để lưu nhanh biến nhớ vào EEPROM chống mất dữ liệu khi mất điện.
• Xây dựng phần mềm giám sát SCADA cơ bản: Kiến trúc giao tiếp máy tính qua cổng COM nối tiếp bằng ngôn ngữ C# kết hợp lưu trữ cơ sở dữ liệu quan hệ SQL Server.

Câu hỏi thường gặp

1. Làm thế nào hệ thống nhận biết và đếm chính xác các trường hợp bao gạo đi dính liền nhau trên băng chuyền?
Nếu chỉ dùng cảm biến quang, các bao dính liền sẽ chỉ tạo ra một tín hiệu ngắt kéo dài khiến hệ thống đếm sai thành một bao. Để khắc phục, hệ thống kết hợp thêm bộ mã hóa vòng quay Encoder Omron E6B2-CWZ6C (1000 xung/vòng) gắn vào trục băng tải. Khi cảm biến quang phát hiện vật thể, vi điều khiển bắt đầu đếm số xung encoder sinh ra tương ứng với quãng đường dịch chuyển. Dựa trên số xung đã được hiệu chuẩn tương đương với chiều dài trung bình của một bao gạo tiêu chuẩn, vi điều khiển sẽ tự động tính toán và chia tỷ lệ để ghi nhận chính xác số lượng bao ngay cả khi các bao đi sát nối đuôi nhau.

2. Module LoRa AS32-TTL-100 được cấu hình như thế nào và hoạt động ở những chế độ nào trong hệ thống?
Module LoRa AS32-TTL-100 hoạt động ở dải tần 433 MHz, được cấu hình các thông số về địa chỉ, kênh truyền và công suất thông qua phần mềm chuyên dụng RFSET_3x5x6x_v2 kết nối máy tính qua mạch chuyển đổi UART-USB (khi cấu hình phải tháo 2 jump kết nối để đưa chân M0, M1 lên mức cao, chuyển sang chế độ ngủ). Trong quá trình vận hành, module được thiết lập ở chế độ truyền chỉ định (Target) hoặc truyền liên tục để thực hiện truyền nhận gói tin dữ liệu nối tiếp UART giữa 3 trạm với tốc độ ổn định.

3. Nhóm tác giả sử dụng giải pháp kỹ thuật nào để bảo vệ dữ liệu số đếm khi hệ thống bị ngắt nguồn điện đột ngột?
Hệ thống sử dụng mạch lưu dữ liệu EEPROM dựa trên cơ chế ngắt so sánh điện áp Analog của vi điều khiển kết hợp mạch tụ điện dung lượng lớn tại khối nguồn. Khi nguồn điện chính bị ngắt, điện áp tụ bắt đầu xả từ từ; vi điều khiển ngay lập tức phát hiện sự sụt giảm điện áp thông qua ngắt analog và thực thi chương trình con khẩn cấp: ghi toàn bộ dữ liệu số đếm hiện tại vào bộ nhớ không bay hơi EEPROM của vi điều khiển trước khi nguồn nuôi cạn kiệt hoàn toàn. Khi có điện trở lại, hệ thống sẽ đọc lại giá trị này từ EEPROM để tiếp tục đếm.

4. Vì sao nhóm tác giả lại chọn cảm biến quang phản xạ khuếch tán Autonics BX700-DDT thay vì cảm biến thu phát độc lập hay phản xạ gương?
Đối tượng kiểm đếm là bao gạo có bề mặt gồ ghề, không cố định hình dạng và làm việc trong môi trường nhà máy nhiều bụi bẩn. Loại cảm biến thu phát qua gương không phù hợp vì bụi bẩn bám vào gương phản xạ sau thời gian ngắn sẽ làm suy hao chùm sáng gây sai lệch; loại thu phát độc lập đòi hỏi phải kéo dây và căn chỉnh thẳng hàng ở cả hai phía băng tải. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán Autonics BX700-DDT tích hợp cả bộ thu và phát trên cùng một thân, khoảng cách phát hiện lên tới 700 mm và cho phép xoay biến trở để tinh chỉnh ngưỡng nhạy phù hợp với độ phản xạ của vỏ bao, giúp việc lắp đặt và bảo trì thuận tiện nhất.

5. Cấu trúc hiển thị tại trạm đếm và trạm quang báo được thiết kế bằng những công nghệ nào để quan sát rõ trong công nghiệp?
Tại trạm đếm ở băng chuyền, hệ thống sử dụng 5 LED 7 đoạn cỡ lớn 2.3 inch Anode chung, điều khiển quét chuỗi qua các IC thanh ghi dịch 74HC595 và mạch đệm công suất dòng ULN2803, cấp nguồn 12V với điện trở hạn dòng $330\ \Omega$, giúp công nhân quan sát rõ số đếm ở cự ly 5 đến 10 m. Tại trạm quang báo, hệ thống sử dụng 2 bảng LED ma trận P10 kích thước $16 \times 32\text{ cm}$ màu đỏ ghép lại, giao tiếp với vi điều khiển bằng chuẩn SPI, cho phép hiển thị đồng thời 3 trường thông tin: biển số xe vận chuyển, số lượng dự xuất và số lượng đang đếm với tầm nhìn xa từ 10 đến 15 m.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình kiểm đếm trên dây chuyền" đã hiện thực hóa thành công một hệ thống tự động hóa kiểm đếm sản phẩm hoàn chỉnh ứng dụng công nghệ truyền thông vô tuyến LoRa phân tán cho quy mô nhà máy vừa và nhỏ. Bằng sự kết hợp giữa vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến quang BX700-DDT và bộ mã hóa xung vòng quay Encoder, nhóm tác giả đã giải quyết hiệu quả bài toán đo đếm sản phẩm bao dính liền nhau và bảo toàn dữ liệu khi có sự cố mất điện. Công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, tối ưu hóa chi phí đầu tư phần cứng và mở ra hướng tiếp cận triển khai các mạng cảm biến không dây tầm xa trong môi trường sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • Chương 4: Thi Công Hệ Thống Chương này trình bày về quá trình vẽ mạch in lắp ráp các thiết bị, đo kiểm tra mạch, lắp ráp mô hình. Thiết kế lưu đồ giải thuật cho chương trình và viết chương trình cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng hệ thống.

• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Trình bày về những kết quả đã được mục tiêu đề ra sau quá trình nghiên cứu thi công. Từ những kết quả đạt được để đánh giá quá trình hoàn thành được bao nhiêu phần trăm. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày về những kết quả mà đồ án đạt được, những hạn chế, từ đó rút ra kết luận và hướng phát triển để giải quyết các vấn đề tồn đọng để đồ án hoàn thiện hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐẾM BAO Trên thị trường ở Việt Nam có rất nhiều hệ thống đếm bao của nhiều công ty như Vietcontrol Solutions JSC, Công Ty Cổ Phần Giải Pháp Kỹ Thuật Ấn Tượng (ATPro Corp). Công ty Vietcontrol và ATPro Corp chuyên cung cấp các giải pháp và triển khai hệ thống trong lĩnh vực kiểm đếm sản phẩm trên băng chuyền, giám sát và điều khiển từ xa trong công nghiệp, nông nghiệp, viễn thông, thủy sản. Đây là 2 công ty với các giải pháp về các hệ thống đếm bao trong công nghiệp, các hệ thống đếm của Vietcontrol Solutions JSC và ATPro Corp đã được lắp đặt ở nhiều nơi với nhiều khách hàng như: xi măng vicem Hà Tiên, Biên Hòa Sugar, Vina Acecook, Công ty Xi Măng An Giang… Mô hình đếm sản phẩm của Vietcontrol Solutions JSC và ATPro Corp trong thực tế: Hình 2. Mô hình hệ thống đếm bao thức ăn trên băng tải (ATPro Corp) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô tả hoạt động của hệ thống bao thức ăn trên băng tải (ATPro Corp) [6] : Khi sản phẩm từ băng chuyền đi qua bộ đếm sản phẩm được cảm biến siêu âm kết hợp cảm biến chiều dài sẽ phát hiện ra sản phẩm và đưa tín hiệu về PLC. Phần mềm điều khiển giám sát lấy dữ liệu từ PLC qua chuẩn truyền thông công nghiệp RS485 phân tích số lượng bao được đếm từ đó cập nhật số lượng lên bảng điện tử tại phòng quản lý các chuyền. Người quản lý, giám sát trong nhà máy có thể vận hành hệ thống bằng cách sử dụng tính năng của phần mềm SCADA trên máy tính. Việc phân quyền được thể hiện qua tài khoản đăng nhập và mật khẩu được cung cấp.

Phần mềm giám sát sản xuất và đếm sản phẩm có các tính năng xem qua web, gửi email, sms để nhà quản lý nắm được thông tin sản xuất kinh doanh một cách nhanh nhất. Hệ thống đếm bao xi măng trên băng tải (Vietcontrol Solutions JSC) Với thiết kế sử dụng công nghệ nhận dạng siêu âm kết hợp cảm biến đo chiều dài. Hệ thống đếm bao của công ty Vietcontrol Solutions JSC [5] có nhiều tính năng giúp quản lý tốt và hạn chế tối đa việc thất thoát sản phẩm như: • Đếm chính xác bao đi qua băng chuyền trong mọi trường hợp: bao đi qua tuần tự, nhiều bao dính liền nhau, bao dừng đột ngột ngay bộ đếm, các loại bao kích thước khác nhau. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Sử dụng công nghệ nhận dạng siêu âm nên hoạt động tốt trong môi trường nhiều bụi mà không cần vệ sinh đầu cảm biến. • Hiển thị ra bảng quang báo lớn 3 dòng thông tin: bảng số xe, số lượng dự xuất, số lượng hiện hành.