Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, các dây chuyền sản xuất tự động ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao năng suất, chuẩn hóa chất lượng và giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Tại nhiều doanh nghiệp sản xuất trong nước, các công đoạn kiểm tra nguyên liệu đầu vào, dán nhãn và phân loại sản phẩm đầu ra ở một số khâu vẫn còn áp dụng phương thức thủ công hoặc công nghệ chưa đồng bộ, dẫn đến năng suất hạn chế và chi phí nhân công cao. Khâu phân loại sản phẩm đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng, ảnh hưởng trực tiếp đến tính đồng nhất của thành phẩm trước khi xuất xưởng.

Đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển" được tác giả lựa chọn thực hiện tại Trung tâm Thực nghiệm (Fact) thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phan Văn Hiếu.

Mục đích nghiên cứu của đồ án bao gồm 4 nội dung chính:

  1. Vận dụng kiến thức khoa học công nghệ tiên tiến vào quá trình sản xuất tự động nhằm gia tăng năng suất, đảm bảo chất lượng và giảm thiểu tối đa sức lao động của con người trong công nghiệp.
  2. Xây dựng mô hình phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh phục vụ làm tài liệu học tập, nghiên cứu thực nghiệm cho sinh viên các khóa sau.
  3. Củng cố và hệ thống hóa toàn bộ kiến thức lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện tử, vi điều khiển và cơ khí chế tạo đã được đào tạo tại nhà trường.
  4. Hoàn thành đồ án tốt nghiệp kỹ sư, chứng minh năng lực thiết kế, chế tạo và giải quyết bài toán kỹ thuật thực tế.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành các nội dung kỹ thuật cụ thể:

  1. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, tập lệnh và phương pháp lập trình cho vi điều khiển chuyên dụng (trọng tâm là vi điều khiển 8-bit ATmega8).
  2. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và phương pháp ghép nối khối hiển thị gồm màn hình tinh thể lỏng (LCD 16x2 sử dụng chip HD44780) và LED 7 đoạn.
  3. Làm chủ ngôn ngữ lập trình điều khiển (C, C++, Assembly) để biên dịch chương trình điều khiển trung tâm và điều khiển truyền động động cơ điện một chiều.
  4. Khai thác các công cụ phần mềm thiết kế cơ khí 2D/3D (AutoCAD, Autodesk Inventor 2011) và phần mềm thiết kế, mô phỏng mạch điện tử (Proteus, Eagle).
  5. Tính toán, lựa chọn vật liệu cơ khí và chế tạo các cơ cấu: khung máy, băng chuyền tải, trục truyền động, ổ bi đỡ và cơ cấu chấp hành phân loại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm theo đặc trưng màu sắc trong dây chuyền sản xuất tự động.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm; đối tượng phân loại là các mẫu phôi hình trụ tròn có kích thước tiêu chuẩn với đường kính $d = 40\text{ mm}$ và chiều cao (đường sinh) $h = 45\text{ mm}$; hệ thống băng tải chuyển động liên tục có chu vi $1500\text{ mm}$ và chiều rộng bản băng $80\text{ mm}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  1. Cơ sở quang học và lý thuyết màu sắc:

    • Ánh sáng mang bản chất lưỡng tính sóng - hạt. Sóng ánh sáng là sóng điện từ phẳng lan truyền trong chân không với vận tốc $c = 299.792\text{ km/s}$, liên hệ giữa tần số $\nu$ và bước sóng $\lambda$ qua công thức $\lambda = v/\nu$ (trong chân không $\lambda = c/\nu$).
    • Bản chất hạt thể hiện qua năng lượng hạt photon: $w = h/\lambda$ (với hằng số Planck $h = 6{,}626 \times 10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}$). Hiện tượng quang điện phát sinh khi năng lượng kích thích đạt ngưỡng bước sóng cực đại: $$\lambda_{\text{MAX}} = \frac{hc}{W_1} = \frac{1{,}237}{W_1}\text{ (eV)}$$ trong đó $W_1$ là năng lượng liên kết điện tử của vật liệu bán dẫn.
    • Không gian màu ba chiều theo tiêu chuẩn của Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (CIE) dựa trên 3 tọa độ: Sắc màu (Hue), Độ bão hòa (Saturation) và Cường độ sáng (Intensity). Về mặt lý thuyết, hệ 3 màu cơ bản Đỏ (Red - R), Xanh lá cây (Green - G), Xanh da trời (Blue - B) với độ phân giải 8-bit mỗi kênh tạo ra $256^3 = 16.777.216$ trạng thái màu sắc.
    • Cảm biến TCS3200 (TAOS) tích hợp ma trận $8 \times 8$ photodiode silicon (gồm 16 photodiode lọc màu Đỏ, 16 photodiode lọc màu Xanh lá, 16 photodiode lọc màu Xanh dương và 16 photodiode không lọc để thu ánh sáng trắng toàn phần). Dòng quang điện sinh ra được biến đổi thành chuỗi xung vuông có tần số $f_{\text{OUT}}$ dao động từ $2\text{ Hz}$ đến $500\text{ kHz}$, tỷ lệ thuận trực tiếp với cường độ bức xạ phản xạ từ vật thể.

  2. Cơ sở điều khiển vi xử lý / vi điều khiển:

    • Vi điều khiển trung tâm ATmega8 (họ AVR 8-bit) hoạt động trên kiến trúc RISC hiệu năng cao với 32 thanh ghi làm việc đa năng kết nối trực tiếp với Đơn vị logic học (ALU), cho phép xử lý lệnh trong 1 chu kỳ xung nhịp.
    • Các thông số tích hợp bao gồm: bộ nhớ Flash 8 KB (hỗ trợ nạp xóa 10.000 lần), bộ nhớ EEPROM 512 Byte (độ bền 100.000 chu kỳ ghi), SRAM nội 1 KB, 2 bộ định thời Timer 8-bit, 1 Timer 16-bit, 6 kênh biến đổi tương tự - số ADC 10-bit, hỗ trợ các chuẩn truyền thông nối tiếp UART, SPI, TWI ($I^2C$).

  3. Cơ sở truyền động điện và cơ cấu chấp hành:

    • Động cơ điện một chiều (DC) hoạt động theo định luật cảm ứng điện từ với mô men quay điện từ $M = k \Phi I$. Phương trình cân bằng điện áp ở trạng thái xác lập: $$U = E + R_a I_a = k \Phi \omega + R_a I_a$$
    • Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều: $$\omega = \frac{U}{k \Phi} - \frac{R_a}{(k \Phi)^2} M$$ Tốc độ góc của động cơ được điều chỉnh thông qua ba thông số vật lý: điện áp phần ứng $U$, điện trở phụ mạch phần ứng $R_a$, và từ thông kích từ $\Phi$.
    • Cơ cấu đẩy sản phẩm sử dụng hệ thống xy lanh khí nén tác động hai chiều điều khiển qua van điện từ $5/2$ hoặc kết hợp động cơ servo.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng phối hợp 3 nhóm phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kỹ thuật:

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Khảo sát các tài liệu kỹ thuật, chuẩn giao tiếp phần cứng vi điều khiển, tài liệu datasheet của cảm biến quang điện tử TCS3200, chip điều khiển hiển thị HD44780 và động cơ DC.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mô phỏng: Ứng dụng Autodesk Inventor 2011 để dựng mô hình động học 3D của khung máy và cụm băng tải; sử dụng Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch cấp nguồn, mạch điều khiển vi mạch.
  • Phương pháp chế tạo, thực nghiệm và hiệu chỉnh: Thi công mạch in, lắp ráp linh kiện điện tử, gia công cơ khí chi tiết băng chuyền, lập trình mã nguồn điều khiển và vận hành chạy thử hệ thống trên các mẫu sản phẩm chuẩn.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế hoàn chỉnh theo cấu trúc phân khối chức năng, đảm bảo tính liên kết chặt chẽ giữa phần cứng cơ khí, mạch điện tử và phần mềm điều khiển.

Khối chức năng Phần cứng / Thiết bị chính Thông số kỹ thuật / Đặc tính chế tạo
Khung và cơ khí Băng tải PVC, con lăn, ổ bi đỡ, khung thép Chu vi băng tải $1500\text{ mm}$, bề rộng $80\text{ mm}$, thiết kế 3D trên Inventor 2011
Khối nguồn cấp Biến áp hạ áp $220\text{ VAC} / 15\text{ VAC} - 24\text{ VAC}$, cầu diode $B1, B2$, IC ổn áp 7805, 7812, tụ lọc Điện áp ra $+5\text{ VDC}$ (cấp VĐK, cảm biến), $+12\text{ VDC}$ và $+24\text{ VDC}$ (cấp động cơ băng tải/van khí nén); dòng tải tính toán $951\text{ mA}$
Khối cảm biến Cảm biến màu TCS3200 (TAOS) Mảng $8 \times 8$ photodiode, chọn dải màu qua chân $S2, S3$, chia tỷ lệ tần số xung vuông đầu ra qua $S0, S1$
Khối xử lý trung tâm Vi điều khiển ATmega8 (họ AVR) Thạch anh ngoài $12\text{ MHz}$, 2 tụ gốm $33\text{ pF}$, mạch Reset định thời $R11 = 1\text{ k}\Omega$, $C3 = 10\ \mu\text{F}$ ($\tau = 10\text{ ms}$)
Khối hiển thị Màn hình LCD 16x2 (driver HD44780), LED 7 đoạn Giao tiếp 8-bit/4-bit, thanh ghi IR/DR, DDRAM 80x8 bit, hiển thị số lượng sản phẩm phân loại
Khối chấp hành Động cơ DC kéo băng tải, xy lanh khí nén 2 chiều / servo Động cơ DC chổi than điều khiển vận tốc, van đảo chiều điện từ 5/2, xy lanh gạt phân loại

Quy trình vận hành logic của hệ thống diễn ra theo các bước tuần tự:

  1. Khi cấp nguồn, khối nguồn cung cấp điện áp $+5\text{ VDC}$ chuẩn cho vi điều khiển, cảm biến màu và màn hình hiển thị; đồng thời cấp điện $+24\text{ VDC}$ kích hoạt động cơ DC kéo băng tải vận hành đưa sản phẩm vào khu vực kiểm tra.
  2. Mẫu phôi hình trụ tròn ($d=40\text{ mm}, h=45\text{ mm}$) đi qua vùng quét của cảm biến TCS3200. Cảm biến phát hiện màu sắc đặc trưng (Đỏ, Xanh lá, Xanh dương), biến đổi cường độ quang học thành tần số xung vuông $f_{\text{OUT}}$ gửi về chân ngắt/định thời của ATmega8.
  3. Vi điều khiển ATmega8 xử lý giá trị tần số nhận được, so khớp ngưỡng màu lập trình sẵn để phân định loại sản phẩm.
  4. ATmega8 phát lệnh điều khiển kích hoạt cơ cấu chấp hành (xy lanh khí nén tác động hai chiều hoặc động cơ servo tương ứng) đẩy sản phẩm vào đúng thùng chứa quy định.
  5. Đồng thời, vi điều khiển xuất dữ liệu mã ASCII qua bus dữ liệu để hiển thị số lượng sản phẩm từng màu lên màn hình LCD 16x2 và giải mã hiển thị trên LED 7 đoạn.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Nghiên cứu tổng quan về "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển"

Chương I trình bày cơ sở thực tiễn của công cuộc hiện đại hóa sản xuất tại Việt Nam, nêu bật yêu cầu tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt quy mô vừa và nhỏ thông qua máy CNC, robot và hệ thống phân loại chuyên dụng. Tác giả chỉ rõ thực trạng nhiều cơ sở sản xuất vẫn duy trì quy trình kiểm định chất lượng thủ công, dễ gây sai sót và năng suất không đồng đều. Từ đó, chương này xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, 5 nhiệm vụ trọng tâm của đề tài, phương pháp luận thực hiện và làm rõ ý nghĩa thực tiễn trong việc cắt giảm chi phí vận hành, nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm công nghiệp.

Chương II: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển"

Chương II là chương trọng tâm về mặt lý thuyết và tính toán kỹ thuật, được chia làm hai phần chính:

  1. Thiết kế và chế tạo cơ khí:

    • Trình bày bản vẽ thiết kế 3D khung cơ khí và chi tiết vòng bi đỡ trên phần mềm Autodesk Inventor 2011.
    • Xác định kích thước hình học của cụm băng tải PVC (chu vi $1500\text{ mm}$, chiều rộng $80\text{ mm}$) và quy cách sản phẩm phân loại hình trụ tròn (đường kính đáy $40\text{ mm}$, chiều cao đường sinh $45\text{ mm}$).

  2. Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển:

    • Khối nguồn: Phân tích nguyên lý mạch nguồn ổn áp sử dụng biến áp hạ áp cách ly, cầu nắn diode, mạch lọc tụ điện ($100\ \mu\text{F}/50\text{V}$, $1000\ \mu\text{F}/25\text{V}$, $2200\ \mu\text{F}/25\text{V}$) và các IC ổn áp họ 7805 ($+5\text{VDC}$), 7812 ($+12\text{VDC}$) cùng đường nguồn $+24\text{VDC}$. Tính toán điện áp đỉnh sau chỉnh lưu $U_{\text{đỉnh}} = 12\text{V} \times 1{,}414 = 16{,}97\text{V}$ và lựa chọn tụ chịu điện áp $25\text{V}$, xác định tổng dòng tiêu thụ toàn mạch đạt $951\text{ mA}$ (trong đó IC vi điều khiển tiêu thụ $I_{\text{CC(max)}} = 20\text{ mA}$, bộ điều khiển trung tâm tiêu thụ $340\text{ mA}$).
    • Khối cảm biến: Trình bày bản chất sóng - hạt của ánh sáng, bước sóng ngưỡng giải phóng điện tử $\lambda_{\text{MAX}}$, đặc tính phổ bức xạ của diode phát quang (LED) và không gian màu CIE 3 chiều. Phân tích nguyên lý chip TCS3200 với mảng $8 \times 8$ photodiode tích hợp bộ lọc màu RGB và cơ chế chuyển đổi dòng - tần số từ $2\text{ Hz}$ đến $500\text{ kHz}$.
    • Khối xử lý trung tâm: Trình bày cấu trúc vi điều khiển ATmega8 kiến trúc RISC 8-bit, 32 thanh ghi làm việc trực tiếp với ALU, các cổng ngoại vi, bộ nhớ Flash 8 KB, EEPROM 512 Byte, RAM 1 KB. Tính toán giá trị linh kiện mạch tạo dao động thạch anh $12\text{ MHz}$ (2 tụ $33\text{ pF}$) và mạch Reset RC với $T = R_{11} \times C_3 = 1\text{ k}\Omega \times 10\ \mu\text{F} = 10\text{ ms}$.
    • Khối hiển thị: Phân tích chi tiết 16 chân giao tiếp của màn hình LCD 16x2 sử dụng chip HD44780, cấu tạo hai thanh ghi lệnh IR và thanh ghi dữ liệu DR, cờ báo bận BF (Busy Flag), bộ đếm địa chỉ AC, các vùng nhớ DDRAM (chứa 80 ký tự 8-bit), CGROM (chứa 208 mẫu ký tự $5 \times 8$ và 32 mẫu $5 \times 10$), CGRAM (8 mẫu tự tạo). Bảng mã lệnh điều khiển HEX bao gồm các lệnh tiêu chuẩn: 0x01 (xóa màn hình), 0x02 (về đầu dòng), 0x38 (khởi tạo 2 dòng ma trận $5 \times 7$).
    • Cơ cấu chấp hành: Trình bày cấu tạo stator (cực từ chính, cực từ phụ, gông từ, chổi than) và rotor (lõi sắt lá thép Fe-Si, cuộn dây, cổ góp) của động cơ điện một chiều. Thiết lập phương trình mô men quay $M = k \Phi I$, phương trình đặc tính cơ $\omega = f(M)$ và phân tích 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ DC. Giới thiệu cấu tạo hệ thống khí nén gồm van điện từ $5/2$ và xy lanh tác động hai chiều.

Chương III: Xây dựng lưu đồ thuật toán và lập trình cho "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển"

Chương III thiết lập thuật toán điều khiển tổng thể của hệ thống. Lưu đồ thuật toán quy định: khởi tạo hệ thống (START) $\rightarrow$ kích hoạt băng tải hoạt động (BĂNG TẢI = 1) $\rightarrow$ đưa sản phẩm vào $\rightarrow$ khối cảm biến nhận dạng màu (CB MÀU) $\rightarrow$ rẽ nhánh nhận diện màu sắc hợp lệ (Đỏ, Xanh) $\rightarrow$ kích hoạt cơ cấu chấp hành tương ứng (XL = 1) đẩy phôi vào thùng chứa $\rightarrow$ cập nhật bộ đếm hiển thị LCD $\rightarrow$ nếu không phân biệt được màu thì bỏ qua $\rightarrow$ cảm biến hành trình kiểm tra và dừng băng chuyền (BĂNG TẢI = 0) khi kết thúc chu kỳ.

Mã nguồn điều khiển được cấu trúc bằng ngôn ngữ lập trình nhúng, khai báo các thư viện phần cứng, định nghĩa cấu hình cổng I/O tốc độ cao và cấu trúc bảng mã giải mã LED 7 thanh:

#include "main.h"
#include "lcd16x2/lcd16x2.c"
#USE FAST_IO(ALL)

// Mảng chứa giá trị mã LED 7 thanh (Anode chung / Cathode chung)
uint8_t maled7[] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90};
uint16_t Count_Timer2 = 0; // Biến thời gian lấy mẫu định thời
uint16_t lcd_buff[20];     // Bộ đệm lưu chuỗi hiển thị lên LCD1602

Chương IV: Thực nghiệm lắp ráp, chạy thử "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển"

Chương IV trình bày quy trình triển khai phần cứng thực tế:

  • Thi công mạch in bo mạch nguồn và bo mạch điều khiển trung tâm, hàn lắp linh kiện bán dẫn, kết nối khối vi điều khiển ATmega8 với khối cảm biến TCS3200, màn hình LCD 16x2 và tầng đệm công suất điều khiển động cơ/xy lanh.
  • Lắp ráp cơ khí hoàn chỉnh khung đỡ, gá đặt trục băng tải PVC, cân chỉnh độ căng dây đai và định vị vị trí cảm biến quang học phía trên mặt băng chuyền.
  • Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống với các mẫu sản phẩm hình trụ chuẩn, kiểm tra độ ổn định của tín hiệu phản hồi tần số từ cảm biến và khả năng tác động chính xác của cơ cấu đẩy.

Chương V: Kết luận

Chương V tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp, đánh giá các hạng mục đã hoàn thành về mặt cơ khí, điện tử và lập trình; chỉ ra các điểm còn tồn tại trong điều kiện thực nghiệm và vạch ra các định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế và chế tạo phần cứng hoàn chỉnh:

    • Hoàn thành bộ bản vẽ thiết kế cơ khí 3D trên phần mềm Autodesk Inventor 2011; gia công hoàn chỉnh khung máy và hệ thống băng chuyền tải kích thước chu vi $1500\text{ mm}$, bề rộng $80\text{ mm}$.
    • Chế tạo thành công khối nguồn cấp đa mức hoạt động ổn định: điện áp $+5\text{ VDC}$ cho mạch logic/VĐK, $+12\text{ VDC}$ và $+24\text{ VDC}$ cho động cơ truyền động với tổng dòng định mức đáp ứng $951\text{ mA}$.
    • Tính toán và lắp ráp chính xác mạch tạo xung dao động thạch anh $12\text{ MHz}$ và mạch Reset RC có hằng số thời gian $\tau = 10\text{ ms}$ cho vi điều khiển ATmega8.

  2. Tích hợp cảm biến và thuật toán nhận dạng:

    • Ghép nối thành công cảm biến màu TCS3200 với vi điều khiển ATmega8, cấu hình linh hoạt chân chọn bộ lọc quang học $S2, S3$ và tỷ lệ tần số $S0, S1$ để chuyển đổi dải tần số từ $2\text{ Hz}$ đến $500\text{ kHz}$.
    • Xây dựng chương trình điều khiển nạp vào bộ nhớ Flash 8 KB của ATmega8, điều khiển động cơ DC vận hành băng tải, tiếp nhận dữ liệu cảm biến để kích hoạt chính xác cơ cấu gạt phân loại phôi trụ tròn ($d=40\text{ mm}, h=45\text{ mm}$).
    • Đồng bộ hiển thị dữ liệu thời gian thực lên màn hình LCD 16x2 thông qua chip điều khiển HD44780 và xuất mã số lượng trên LED 7 đoạn bằng mảng mã quét maled7[].

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp giải pháp công nghệ tự động hóa chi phí thấp sử dụng vi điều khiển 8-bit AVR kết hợp cảm biến màu số TCS3200, thay thế cho các thiết bị đo màu quang phổ đắt tiền và cồng kềnh trong các dây chuyền phân loại vừa và nhỏ.
  • Hoàn thiện mô hình học cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy, thí nghiệm chuyên ngành Tự động hóa và Kỹ thuật Điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.

Hạn chế và hướng phát triển đề tài

Hạn chế kỹ thuật tồn tại

  • Khả năng phân biệt màu sắc của cảm biến TCS3200 bị suy giảm độ chính xác khi cường độ ánh sáng môi trường bên ngoài thay đổi đột ngột hoặc khi bề mặt sản phẩm có độ bóng/độ phản xạ không đồng đều (nhiễu quang).
  • Mô hình thử nghiệm hiện tại chỉ tương thích với phôi sản phẩm có hình dạng và kích thước cố định (hình trụ tròn đường kính $40\text{ mm}$, chiều cao $45\text{ mm}$).
  • Hệ thống hoạt động độc lập tại chỗ, chưa có giao tiếp truyền thông nối tiếp để đồng bộ dữ liệu giám sát lên máy tính quản lý trung tâm.

Hướng phát triển tiếp theo

  • Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển thông minh (như logic mờ - Fuzzy Logic, bộ điều khiển PID) để nâng cao độ chính xác nhận dạng màu và tối ưu hóa quá trình điều khiển tốc độ động cơ DC.
  • Mở rộng chức năng giao tiếp nối tiếp (UART/RS232/RS485) hoặc giao tiếp máy tính để lưu trữ số liệu sản xuất theo ca, quản lý thống kê số lượng sản phẩm từ xa.
  • Nâng cấp cơ cấu chấp hành và kết cấu cơ khí để hệ thống có khả năng phân loại đa dạng chủng loại phôi với kích thước và dải màu sắc phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang giá trị tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán thiết kế mạch nguồn tuyến tính đa mức ($+5\text{V}, +12\text{V}, +24\text{V}$), phương pháp ghép nối vi điều khiển AVR (ATmega8) với cảm biến màu TCS3200 và màn hình hiển thị LCD 16x2 (chip HD44780).
  • Kỹ sư và học viên nghiên cứu hệ thống điều khiển: Tham khảo cơ sở lý thuyết điều khiển đặc tính cơ động cơ điện một chiều, nguyên lý hoạt động của ma trận photodiode và phương pháp lập trình điều chế/đo tần số xung quang học.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến màu TCS3200 trong mô hình nhận biết các màu sắc khác nhau dựa trên nguyên lý vật lý nào?
Cảm biến TCS3200 sử dụng một ma trận $8 \times 8$ gồm 64 photodiode silicon: 16 photodiode lọc màu đỏ (Red), 16 lọc màu xanh lá (Green), 16 lọc màu xanh dương (Blue) và 16 không lọc (Clear). Khi ánh sáng phản xạ từ sản phẩm chiếu vào bề mặt cảm biến, chỉ các thành phần ánh sáng có bước sóng tương ứng mới đi qua bộ lọc để tạo ra dòng điện quang. Dòng điện này sau đó được chuyển đổi thành chuỗi xung vuông có tần số $f_{\text{OUT}}$ trong dải từ $2\text{ Hz}$ đến $500\text{ kHz}$. Bằng cách điều khiển mức logic các chân $S2, S3$ để chọn kênh màu và chân $S0, S1$ để chia tỷ lệ tần số, vi điều khiển sẽ đo tần số đầu ra để xác định chính xác màu sắc của vật thể.

2. Các thông số phần cứng cơ bản của vi điều khiển ATmega8 được sử dụng trong đồ án là gì?
Vi điều khiển ATmega8 thuộc họ AVR 8-bit, cấu trúc RISC với 32 thanh ghi làm việc kết nối trực tiếp ALU. Chip tích hợp bộ nhớ Flash chương trình 8 KB (ghi xóa 10.000 lần), RAM nội 1 KB, EEPROM 512 Byte (độ bền 100.000 lần ghi), 2 bộ định thời Timer 8-bit, 1 Timer 16-bit, 6 kênh ADC 10-bit. Tốc độ hoạt động tối đa của chip là $16\text{ MHz}$, trong mạch đồ án sử dụng thạch anh ngoài có tần số $12\text{ MHz}$ kết hợp 2 tụ gốm $33\text{ pF}$.

3. Khối nguồn của hệ thống được tính toán và lựa chọn linh kiện như thế nào để đảm bảo cấp điện cho toàn mạch?
Khối nguồn sử dụng máy biến áp hạ điện áp xoay chiều $220\text{ VAC}$ xuống $15\text{ VAC}$ và $24\text{ VAC}$. Điện áp qua cầu chỉnh lưu diode và hệ thống tụ lọc ($100\ \mu\text{F}/50\text{V}$, $1000\ \mu\text{F}/25\text{V}$, $2200\ \mu\text{F}/25\text{V}$) để tạo ra điện áp một chiều. Mạch sử dụng IC ổn áp 7805 để cung cấp nguồn chuẩn $+5\text{ VDC}$ cho mạch điều khiển và IC 7812 cho nguồn $+12\text{ VDC}$, đồng thời cung cấp đường nguồn $+24\text{ VDC}$ cho động cơ băng tải. Mạch Reset cho vi điều khiển được tính toán với điện trở $R_{11} = 1\text{ k}\Omega$ và tụ $C_3 = 10\ \mu\text{F}$, đảm bảo thời gian trễ Reset chuẩn $T = R \times C = 10\text{ ms}$.

4. Kích thước quy chuẩn của cơ cấu cơ khí và mẫu sản phẩm phân loại trong đồ án là bao nhiêu?
Hệ thống băng chuyền tải PVC được thiết kế với chu vi vòng dây $1500\text{ mm}$ và bề rộng mặt băng $80\text{ mm}$. Mẫu sản phẩm phôi được chế tạo đồng bộ dưới dạng hình trụ tròn với kích thước đường kính đáy $d = 40\text{ mm}$ và chiều cao (đường sinh) $h = 45\text{ mm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế và chế tạo thực nghiệm mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega8 kết hợp cảm biến màu TCS3200. Toàn bộ các hạng mục từ tính toán động học cơ khí băng tải trên Autodesk Inventor, thiết kế mạch nguồn tuyến tính đa mức, giải mã hiển thị LCD 16x2 đến xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cơ cấu chấp hành đều được tác giả triển khai đồng bộ và kiểm chứng qua vận hành thực tế. Công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng trong lĩnh vực thiết kế hệ thống nhúng và tự động hóa cơ sở.