Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, các hệ thống điều khiển tự động ngày càng được ứng dụng sâu rộng trong dây chuyền sản xuất công nghiệp nhằm thay thế lao động thủ công, nâng cao độ chính xác và tối ưu hóa năng suất phân loại hàng hóa. Trong lĩnh vực vi điều khiển, họ vi điều khiển AVR nói chung và nền tảng phần cứng mã nguồn mở Arduino nói riêng trở thành giải pháp phổ biến nhờ tính tinh gọn, khả năng mở rộng linh hoạt và chi phí chế tạo thấp. Tuy nhiên, theo tác giả trình bày, các tài liệu hướng dẫn chuyên sâu và mang tính hệ thống về việc ứng dụng kit Arduino trong các mô hình sản xuất, phân loại tự động tại các trung tâm đào tạo và diễn đàn kỹ thuật vẫn còn nhiều hạn chế. Xuất phát từ thực tiễn đó, tác giả Bùi Thị Linh (Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Công nghệ Đông Á) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc và chiều cao" (trong phiếu giao nhiệm vụ ghi: "Mô hình đếm và phân loại sản phẩm theo màu sắc và chiều cao"), dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Quang Hùng (tháng 6/2023).

Căn cứ theo phiếu giao nhiệm vụ và nội dung đồ án, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định bao gồm:

  1. Tìm hiểu, nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và chức năng của kit vi điều khiển Arduino Uno R3, màn hình LCD 20x4, cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK (E18-DNK50), động cơ RC Servo SG90, relay trung gian và mạch giảm áp.
  2. Thiết kế sơ đồ khối, tính toán và thiết kế mạch điện điều khiển hệ thống.
  3. Lập trình giải thuật điều khiển và mô phỏng hoạt động hệ thống trên phần mềm Proteus.
  4. Lập trình điều khiển trên môi trường Arduino IDE và nạp chương trình vào vi điều khiển.
  5. Thiết kế và chế tạo mô hình phần cứng thực tế gồm khung băng tải, cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm biến.
  6. Chạy thử nghiệm, đo đạc, xuất dữ liệu lên giao tiếp nối tiếp (Serial) và màn hình LCD.
  7. Cân chỉnh mô hình hệ thống nhằm đảm bảo độ ổn định khi phân loại và đếm các nhóm sản phẩm (cao, trung bình, thấp).
  8. Hoàn thiện báo cáo đồ án tốt nghiệp và bảo vệ đề tài.

Về phạm vi và giới hạn nghiên cứu: Đồ án tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình băng chuyền tự động quy mô phòng thí nghiệm; đối tượng phân loại thực tế được giới hạn ở việc nhận diện, đếm và phân loại sản phẩm mẫu theo 3 mức chiều cao (cao, trung bình và thấp) kết hợp đèn LED chỉ báo trạng thái quy ước, sử dụng hệ thống 3 cảm biến tiệm cận quang điện hồng ngoại lắp đặt ở các độ cao khác nhau dọc theo thân băng tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án được thực hiện dựa trên phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp thiết kế kỹ thuật, mô phỏng trên máy tính và chế tạo mô hình vật lý. Tác giả đã hệ thống hóa các cơ sở lý thuyết về linh kiện điện tử, vi điều khiển và cơ cấu cơ điện tử chuyên dụng:

1. Nền tảng xử lý trung tâm (Arduino Uno R3)

Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 phát triển trên nền tảng vi điều khiển 8-bit ATmega328P của hãng Atmel. Các thông số kỹ thuật cốt lõi được tác giả khảo sát và ứng dụng bao gồm:

  • Chip xử lý: ATmega328P-PU, tần số xung nhịp 16 MHz.
  • Bộ nhớ: 32 KB Flash Memory (lưu trữ mã lệnh chương trình), 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM.
  • Điện áp hoạt động: 5V DC; điện áp cấp qua chân Vin hoặc Jack DC từ 7V đến 12V.
  • Giao tiếp I/O: 14 chân Digital I/O (trong đó có 6 chân hỗ trợ điều chế độ rộng xung PWM 8-bit tại các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11); dòng tải tối đa mỗi chân I/O là 30 mA; dòng tải cổng 5V là 500 mA và cổng 3.3V là 50 mA.
  • Chân Analog: 6 kênh đầu vào Analog (A0–A5) với bộ biến đổi ADC độ phân giải 10-bit, dải đo điện áp chuẩn 0–5V.
  • Chip chuyển đổi giao tiếp USB-to-Serial: ATmega16U2 (thay thế FTDI ở các bản Uno đời trước).

2. Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK

Để khắc phục nhược điểm dễ bị nhiễu sóng của cảm biến siêu âm thông thường, tác giả lựa chọn cảm biến quang điện hồng ngoại E18-D80NK nhằm nhận diện vật cản với các đặc tính:

  • Điện áp làm việc: 5V DC; dòng kích ngõ ra: 300 mA.
  • Khoảng cách phát hiện: điều chỉnh linh hoạt trong phạm vi tối đa ~80 cm thông qua biến trở tích hợp ở đuôi thân cảm biến.
  • Góc quét: 15 độ; thời gian hồi đáp nhanh: xấp xỉ 2 ms; nhiệt độ môi trường hoạt động: -25°C đến 50°C.
  • Cấu trúc ngõ ra: Dạng NPN cực thu hở (Open Collector), tích hợp đèn LED báo trạng thái; sơ đồ nối dây gồm 3 màu chuẩn: Dây Nâu (VCC 5V), Dây Xanh dương (GND), Dây Đen (Tín hiệu Output).

3. Thiết bị hiển thị và module chuyển đổi giao tiếp I2C

  • Màn hình LCD 20x4 (20 ký tự x 4 dòng): Dựa trên chip điều khiển chuẩn HD44780, cấu trúc 16 chân chức năng gồm các chân nguồn (Vss, Vdd, V0), chân điều khiển (RS, R/W, E) và 8 chân dữ liệu (D0–D7). Màn hình lưu trữ ký tự tại DD RAM (Display Data RAM) và cho phép tạo ký tự đặc biệt qua CG RAM (Character Generator RAM).
  • Module chuyển đổi I2C: Đóng vai trò cầu nối giao tiếp nối tiếp 2 dây (SDA, SCL) giữa Arduino và LCD, giúp giảm số chân kết nối từ 6–8 chân xuống còn 2 chân trên vi điều khiển (chân SDA nối A4, chân SCL nối A5). Module sử dụng địa chỉ mặc định 0x27, tốc độ truyền tải đạt mức 400 Kbps.

4. Cơ cấu chấp hành và linh kiện phụ trợ

  • Động cơ kéo băng tải: Động cơ DC giảm tốc V1, điện áp định mức 24V DC, dòng tiêu thụ 500 mA, tỉ số truyền 1:120, tốc độ quay 52 vòng/phút, mô-men xoắn đạt ~1 kg.cm.
  • Động cơ phân loại: Micro RC Servo SG90 có trọng lượng 9g, mô-men xoắn 1.6 kg/cm, thời gian đáp ứng góc quay 0.12s/60°, dải điện áp 4.8V–5V DC. Servo được định vị góc quay chính xác nhờ kỹ thuật điều biến độ rộng xung PWM với chu kỳ 20 ms (tần số 50 Hz), độ rộng xung biến thiên từ 1 ms đến 2 ms.
  • Khung băng tải mini: Cấu tạo từ vật liệu INOX và dây đai cao su chịu lực, kích thước 500 x 60 x 100 mm, công suất tiêu thụ 3W, dòng định mức 0.8A.
  • Mạch nguồn và điều khiển công suất: Nguồn Adapter tổ ong 24V-2A kết hợp module hạ áp DC-DC LM2596 (dải điện áp vào 3–30V, ra 1.5–30V, dòng cực đại 3A, hiệu suất chuyển đổi 92%, công suất 15W) để cấp nguồn 6V cho cảm biến và servo; Transistor công suất NPN TIP41C (TO-220, điện áp chịu đựng 100V, dòng Collector định mức 6A, công suất tiêu tán 65W, tần số chuyển mạch 3 MHz).

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống phân loại được thiết kế tích hợp theo sơ đồ 5 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

Tên khối Thành phần phần cứng Chức năng kỹ thuật
Khối nguồn Adapter 24V-2A, Module LM2596, Cáp USB Cung cấp nguồn 5V từ USB cho Arduino Uno; cấp nguồn 24V cho động cơ băng tải; hạ áp xuống 6V để nuôi cảm biến E18-D80NK và các động cơ RC Servo SG90.
Khối xử lý trung tâm Bo mạch Arduino Uno R3 (ATmega328P) Thu thập tín hiệu logic từ các cảm biến hồng ngoại, thực thi thuật toán phân loại, điều khiển đóng cắt relay băng tải, xuất xung PWM điều khiển servo gạt và gửi dữ liệu hiển thị.
Khối cảm biến 3 cảm biến hồng ngoại E18-D80NK (K1, K2, K3) Bố trí theo các mức cao độ khác nhau dọc thân băng tải để phát hiện sự hiện diện và xác định kích thước chiều cao của sản phẩm.
Khối chấp hành Động cơ DC giảm tốc, 02 Servo SG90, Relay, Băng tải mini Vận chuyển sản phẩm liên tục trên băng chuyền; điều khiển cần gạt servo đẩy sản phẩm vào các thùng chứa tương ứng với từng cấp chiều cao.
Khối hiển thị Màn hình LCD 20x4 (kèm module I2C), Đèn LED chỉ báo Hiển thị chuỗi thông tin số lượng sản phẩm phân loại theo từng nhóm (Cao, Trung bình, Thấp) và bật sáng đèn LED chỉ báo trạng thái (Đỏ, Vàng, Xanh).

2. Thiết kế mạch và kết nối chân phần cứng

Trong mô hình thực tế và mạch nguyên lý:

  • Cảm biến tiệm cận K1 (phân loại thấp/cao), K2 (trung bình), K3 (cao/thấp) được nối lần lượt vào các chân Digital I/O (chân 2, 0, 13 trên bo mạch thực tế; hoặc chân 0, 1, 2 trong sơ đồ mô phỏng).
  • Tín hiệu điều khiển động cơ Servo 1 và Servo 2 nhận xung PWM từ chân Digital 9 và Digital 10.
  • Tín hiệu điều khiển cuộn hút Relay đóng ngắt băng tải nối tại chân Digital 8.
  • Các đèn LED chỉ báo quy ước: LED Đỏ (nối chân Analog A0), LED Vàng (nối chân Analog A1), LED Xanh (nối chân Analog A2).
  • Màn hình LCD 20x4 kết nối thông qua module I2C với 4 đường dây: VCC (3.3V/5V), GND, SDA (chân A4 của Arduino), SCL (chân A5 của Arduino).

3. Thuật toán điều khiển và mô phỏng

Thuật toán điều khiển hệ thống vận hành theo chu trình khép kín:

  1. Khởi tạo: Khi cấp nguồn hoặc nhấn nút Reset, chương trình thiết lập cấu hình chân I/O, khởi tạo giao tiếp Serial ở tốc độ truyền 9600 bps, bật đèn nền LCD, đưa các góc quay của servo về vị trí ban đầu (0 độ), đặt các biến đếm dem1, dem2, dem3 về giá trị 0 và kích hoạt relay cho băng tải chạy.
  2. Quét cảm biến và phân loại:
    • Khi sản phẩm đi qua cụm cảm biến, nếu cảm biến K1 phát hiện vật cản (mức logic LOW do cấu trúc cực thu hở NPN), vi điều khiển gửi chuỗi thông báo qua cổng Serial, kích sáng LED đỏ, dừng băng tải tạm thời, gọi hàm dayra1() quay Servo 1 từ 0° đến góc giới hạn để đẩy sản phẩm vào thùng 1, sau đó gọi hàm thuvao1() đưa servo về vị trí cũ, tăng biến đếm dem1 = dem1 + 1, cập nhật lên LCD dòng 1 và kích hoạt lại băng tải.
    • Nếu cảm biến K2 tích cực, hệ thống kích sáng LED vàng, điều khiển Servo 2 thông qua hàm dayra2() và thuvao2() để gạt sản phẩm trung bình vào thùng 2, tăng biến đếm dem2 = dem2 + 1, cập nhật lên LCD dòng 2.
    • Nếu sản phẩm có chiều cao tương ứng cảm biến K3, hệ thống kích sáng LED xanh, cho phép sản phẩm chạy thẳng về cuối băng tải vào thùng 3 mà không cần gạt servo, tăng biến đếm dem3 = dem3 + 1 và hiển thị kết quả lên dòng 3 của màn hình LCD.
  3. Mô phỏng Proteus: Tác giả sử dụng phần mềm Proteus Professional (công cụ ISIS Schematic Capture kết hợp mô hình tương tác động PROTEUS VSM) để thiết kế mạch nguyên lý, nạp file nhị phân .HEX được biên dịch từ Arduino IDE để kiểm chứng hoạt động của thuật toán logic trước khi đấu nối trên mô hình thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về đề tài

Chương mở đầu tập trung phân tích lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu tự động hóa trong phân loại sản phẩm công nghiệp và khả năng ứng dụng của dòng vi điều khiển AVR / kit Arduino Uno. Tác giả trình bày các mục tiêu chính về việc nghiên cứu linh kiện, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch, mô phỏng hệ thống trên Proteus và chế tạo mô hình thực nghiệm. Đồng thời, chương này xác định rõ giới hạn nghiên cứu của đồ án là tập trung phân loại sản phẩm theo kích thước chiều cao sử dụng cảm biến tiệm cận quang điện.

Chương II: Cơ sở lý thuyết về các linh kiện

Chương này cung cấp hệ thống thông số kỹ thuật, cấu tạo, sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của toàn bộ linh kiện phần cứng được sử dụng trong hệ thống:

  • Lịch sử phát triển và cấu trúc phần cứng của nền tảng Arduino từ năm 2005 (bắt nguồn từ Viện Thiết kế Tương tác Ivrea, Ý), so sánh các đời vi điều khiển ATmega8U2, ATmega16U2 và chi tiết cấu hình chip ATmega328P.
  • Nguyên lý phát và thu chùm tia hồng ngoại chống nhiễu của cảm biến E18-D80NK; bảng tra cứu sơ đồ màu dây và các thông số điện áp, dòng tải, thời gian đáp ứng (2 ms).
  • Cấu tạo chi tiết 16 chân của LCD 20x4, cấu trúc các thanh ghi điều khiển RS, chân chốt xung Enable (độ rộng tối thiểu 450 ns), cờ bận Busy Flag (chân D7) và bảng tổng hợp các mã lệnh điều khiển HEX (lệnh xóa màn hình 0x01, dịch con trỏ, hiển thị).
  • Nguyên lý giao tiếp chuẩn I2C, ưu điểm tiết kiệm chân vi điều khiển và cấu trúc module phần cứng I2C dùng chip giải mã cho màn hình ký tự.
  • Cấu tạo 3 phần (stator, rotor, bộ phận chỉnh lưu chổi than - cổ góp) và nguyên lý đảo chiều từ trường 3 pha của động cơ điện một chiều giảm tốc DC V1; nguyên lý điều khiển hồi tiếp vòng kín, phân loại động cơ RC Servo (SG90) và phương pháp định vị góc quay bằng điều biến độ rộng xung PWM (1 ms tương ứng chiều quay thuận, 2 ms tương ứng chiều quay nghịch).

Chương III: Tính toán và thiết kế

Chương III trình bày quá trình thiết kế kỹ thuật từ sơ đồ khối tổng quát đến sơ đồ nối dây chi tiết của từng khối mạch:

  • Phân tích chức năng và luồng tín hiệu giữa 5 khối: Khối nguồn, Khối vi xử lý trung tâm, Khối cảm biến, Khối chấp hành và Khối hiển thị.
  • Tính toán thiết kế đường cấp nguồn: Nguồn Adapter tổ ong 24V-2A cấp trực tiếp cho động cơ kéo băng tải; mạch hạ áp LM2596 thực hiện giảm áp từ 24V xuống 6V (dùng đồng hồ VOM để đo và tinh chỉnh biến trở) nhằm cấp nguồn công suất ổn định cho cảm biến hồng ngoại và servo SG90, tránh hiện tượng sụt áp trên bo mạch Arduino.
  • Phân tích đặc tính kỹ thuật của transistor công suất NPN TIP41C và kết cấu cơ khí của hệ thống băng chuyền mini INOX 500x60x100 mm.

Chương IV: Lập trình và lắp đặt hệ thống

Chương cuối cùng trình bày quá trình hiện thực hóa phần mềm và phần cứng của đồ án:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật chi tiết cho toàn bộ quy trình nhận diện, gạt sản phẩm và cập nhật bộ đếm.
  • Giới thiệu môi trường lập trình Arduino IDE, giải thích các công cụ kiểm tra lỗi, công cụ nạp mã nguồn, cửa sổ giao tiếp nối tiếp Serial Monitor (Serial.begin(9600)).
  • Trình bày toàn bộ mã nguồn chương trình C/C++ điều khiển hệ thống thực tế (sử dụng các thư viện LiquidCrystal_I2C.h và Servo.h) cùng mã nguồn phục vụ mô phỏng.
  • Giới thiệu phần mềm mô phỏng Proteus (gồm ISIS Schematic Capture và ARES PCB Routing); triển khai vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện mô phỏng trên Proteus với các chân logicTest để mô phỏng tín hiệu cảm biến khi có vật thể cao, trung bình và thấp đi qua.
  • Lắp ráp mô hình thực tế hoàn chỉnh và tiến hành chạy thử nghiệm phân loại sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng phân loại và đếm sản phẩm tự động theo chiều cao với đầy đủ khung cơ khí băng tải, cơ cấu gạt servo, cụm cảm biến và bảng điều khiển trung tâm.
  • Xây dựng và kiểm chứng thành công sơ đồ mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus 8 Professional, đảm bảo tính đúng đắn của giải thuật logic trước khi triển khai phần cứng.
  • Hệ thống vận hành ổn định: phân loại chính xác các sản phẩm mẫu thành 3 nhóm kích thước (cao, trung bình, thấp); đếm chính xác số lượng từng loại sản phẩm và hiển thị số liệu đồng thời lên màn hình LCD 20x4 cùng cửa sổ Serial Monitor trên máy tính.
  • Module I2C hoạt động ổn định ở địa chỉ 0x27, tối ưu hóa việc sử dụng chân trên vi điều khiển Arduino Uno R3.

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Đề xuất giải pháp phối hợp nguồn phân tán: Tách biệt nguồn động lực 24V cho động cơ DC kéo băng chuyền và sử dụng module hạ áp LM2596 điều chỉnh về mức 6V để cấp nguồn cho các cơ cấu servo SG90 và cảm biến hồng ngoại, giúp cách ly nhiễu và bảo vệ mạch điều khiển trung tâm Arduino.
  • Ứng dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK có tần số thu phát riêng biệt và biến trở tinh chỉnh cự ly quét (~80 cm), thay thế cảm biến siêu âm nhằm khắc phục triệt để hiện tượng nhiễu quang và nhiễu sóng trong môi trường công nghiệp.
  • Sử dụng module chuyển đổi I2C giúp tiết kiệm tối đa tài nguyên chân I/O (chỉ sử dụng chân A4 và A5), cho phép hệ thống dễ dàng ghép nối thêm các cơ cấu chấp hành khác.

3. Đóng góp của đề tài

Đồ án đã hiện thực hóa việc ứng dụng kit vi điều khiển mã nguồn mở Arduino Uno R3 vào một bài toán tự động hóa cơ bản trong công nghiệp sản xuất. Toàn bộ quy trình từ tính toán, chọn lựa linh kiện, vẽ mạch nguyên lý, mô phỏng trên Proteus đến viết mã nguồn và thi công lắp ráp mô hình thực nghiệm được trình bày rõ ràng, tạo cơ sở thực hành trực quan cho sinh viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của mô hình:

    • Mặc dù tên đề tài ban đầu là "Mô hình phân loại sản phẩm theo màu sắc và chiều cao", trong nội dung thực hiện thực tế, tác giả chỉ tập trung hoàn toàn vào việc phân loại theo kích thước chiều cao bằng cảm biến tiệm cận quang điện; các màu sắc (đỏ, vàng, xanh) mới chỉ dừng lại ở mức độ gán đèn LED chỉ báo trạng thái quy ước chứ chưa tích hợp module cảm biến nhận diện màu sắc thực tế (như TCS230/TCS3200).
    • Cơ cấu gạt sử dụng động cơ Micro Servo SG90 vỏ nhựa có mô-men xoắn nhỏ (1.6 kg/cm), chỉ đáp ứng được việc gạt các sản phẩm mẫu có trọng lượng rất nhẹ ở quy mô mô hình thí nghiệm.
    • Tốc độ và khoảng cách phân loại cố định theo vị trí gá đặt cảm biến trên khung cơ khí, chưa có thuật toán linh hoạt thay đổi dải kích thước theo thời gian thực.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Tích hợp thêm module cảm biến quang học nhận diện màu sắc thực tế nhằm đáp ứng trọn vẹn cả hai tiêu chí phân loại theo màu sắc và chiều cao của sản phẩm.
    • Nâng cấp cơ cấu chấp hành sang các loại xi lanh khí nén hoặc động cơ servo công nghiệp có mô-men xoắn và độ bền cao hơn để đáp ứng tải trọng thực tế trong sản xuất.
    • Mở rộng thêm module truyền thông không dây (Wi-Fi/Ethernet) hoặc giao tiếp SCADA/IoT để giám sát và lưu trữ số lượng sản phẩm từ xa theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông đang thực hiện các đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống phân loại sản phẩm, băng tải tự động hoặc lập trình nhúng trên nền tảng Arduino.
  • Tài liệu tham khảo trực tiếp cho các kỹ sư, người học cần tìm hiểu về:
    • Cách đấu nối và xử lý tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN của cảm biến hồng ngoại công nghiệp E18-D80NK.
    • Phương pháp điều khiển vị trí động cơ Servo SG90 bằng kỹ thuật PWM trên Arduino.
    • Kỹ thuật lập trình và giao tiếp màn hình LCD qua bus I2C sử dụng driver HD44780.
    • Quy trình mô phỏng mạch vi điều khiển kết hợp trên phần mềm Proteus 8 Professional.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống lại sử dụng cảm biến hồng ngoại E18-D80NK thay vì cảm biến siêu âm?

Theo phân tích của tác giả trong đồ án, cảm biến siêu âm thường dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường và bề mặt phản xạ. Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK được lựa chọn vì sử dụng chùm tia hồng ngoại với mắt nhận và phát có tần số riêng biệt, giúp giảm thiểu tối đa hiện tượng nhiễu, thời gian phản hồi nhanh (~2 ms) và có biến trở tích hợp phía đuôi giúp dễ dàng tinh chỉnh cự ly phát hiện vật cản trong phạm vi lên tới 80 cm.

2. Module I2C đem lại lợi ích gì trong việc kết nối màn hình LCD 20x4 với Arduino Uno?

Màn hình LCD 20x4 thông thường yêu cầu từ 6 đến 8 chân tín hiệu Digital của vi điều khiển để truyền dữ liệu và lệnh điều khiển (RS, E, D4–D7). Khi sử dụng thêm module chuyển đổi I2C, toàn bộ quá trình giao tiếp được thu gọn chỉ còn 2 dây tín hiệu chuẩn I2C gồm SDA (nối chân A4 của Uno) và SCL (nối chân A5 của Uno), giúp tiết kiệm tài nguyên chân I/O trên vi điều khiển ATmega328P để phục vụ cho các cảm biến và cơ cấu chấp hành khác.

3. Nguồn điện cấp cho các khối trong hệ thống được thiết kế như thế nào?

Hệ thống sử dụng giải pháp chia nguồn đa cấp: Nguồn 5V từ cổng USB máy tính cấp riêng cho mạch xử lý trung tâm Arduino Uno; nguồn Adapter 24V-2A cấp trực tiếp cho động cơ DC kéo băng tải mini; đồng thời đường nguồn 24V được đưa qua module hạ áp DC-DC LM2596 để giảm áp xuống mức 6V cấp riêng cho 3 cảm biến hồng ngoại và các động cơ servo SG90, đảm bảo hiệu suất và tránh sụt áp hệ thống.

4. Nguyên lý phân loại 3 cấp chiều cao sản phẩm trong đồ án diễn ra như thế nào?

Hệ thống bố trí 3 cảm biến hồng ngoại K1, K2, K3 ở 3 vị trí và độ cao khác nhau trên băng chuyền:

  • Khi sản phẩm có kích thước cao đi qua kích hoạt cảm biến K1, đèn LED đỏ sáng, băng tải tạm dừng, Servo 1 quay để gạt sản phẩm vào thùng 1 và tăng bộ đếm dem1.
  • Khi sản phẩm kích thước trung bình kích hoạt cảm biến K2, đèn LED vàng sáng, Servo 2 quay để gạt sản phẩm vào thùng 2 và tăng bộ đếm dem2.
  • Khi sản phẩm kích thước thấp chỉ kích hoạt cảm biến K3, đèn LED xanh sáng, sản phẩm không bị gạt mà trôi thẳng về cuối băng tải vào thùng 3 và tăng bộ đếm dem3.

5. Đề tài có thực sự phân loại sản phẩm theo màu sắc như tiêu đề đồ án hay không?

Căn cứ theo nội dung và mã nguồn chương trình trong văn bản đồ án, hệ thống thực tế chỉ thực hiện phân loại theo 3 mức chiều cao của vật thể. Yếu tố "màu sắc" trong mô hình được quy ước thông qua 3 đèn LED chỉ báo (LED đỏ cho sản phẩm cao, LED vàng cho sản phẩm trung bình, LED xanh cho sản phẩm thấp), hệ thống chưa được trang bị cảm biến nhận diện màu quang học chuyên dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Bùi Thị Linh đã hoàn thành việc thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm mô hình phân loại và đếm sản phẩm theo chiều cao sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa cụm cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK, cơ cấu gạt servo SG90, băng tải mini INOX và màn hình hiển thị LCD 20x4 giao tiếp I2C. Các kết quả thử nghiệm và mô phỏng trên Proteus đã chứng minh tính khả thi, độ ổn định của giải thuật điều khiển trong việc phân loại chính xác các cấp kích thước sản phẩm. Đây là tài liệu tham khảo có tính thực tiễn cao cho việc nghiên cứu và ứng dụng vi điều khiển trong các bài toán tự động hóa dây chuyền sản xuất quy mô nhỏ.