I. Giới thiệu Hệ thống Đếm Số lượng trong Đóng gói Bánh kẹo tại HCMUTE
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công hệ thống đếm số lượng trong khâu đóng gói bánh kẹo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc xây dựng một hệ thống tự động đếm số lượng bánh kẹo trong quá trình đóng gói. Đây là một ứng dụng thực tiễn của kỹ thuật đóng gói tự động, hướng đến nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nhân công. Hệ thống sử dụng xử lý ảnh kết hợp với Raspberry Pi để nhận dạng và đếm sản phẩm, góp phần nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Hệ thống đếm số lượng sản phẩm này được thiết kế để hoạt động trong môi trường sản xuất bánh kẹo, đáp ứng yêu cầu chính xác và độ tin cậy cao. Thiết kế hệ thống đếm số lượng này là một giải pháp hữu ích cho các doanh nghiệp sản xuất bánh kẹo tại Việt Nam.
1.1. Mục tiêu và Phạm vi Nghiên cứu
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế hệ thống đếm số lượng bánh kẹo chính xác và hiệu quả. Hệ thống cần đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ, độ chính xác và khả năng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện có. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: thiết kế hệ thống nhúng sử dụng Raspberry Pi, lập trình xử lý ảnh bằng Matlab, thiết kế phần cứng bao gồm camera, băng tải, và các cảm biến cần thiết. Hệ thống giám sát sản xuất được tích hợp để theo dõi và quản lý quá trình đếm. Nghiên cứu cũng bao gồm việc đánh giá hiệu quả của hệ thống về mặt hiệu quả sản xuất và giảm chi phí sản xuất. Thiết kế điện tử và lập trình nhúng được xem xét kỹ lưỡng nhằm đảm bảo tính khả thi của hệ thống. Phần mềm đếm sản phẩm được phát triển dựa trên thuật toán xử lý ảnh hiện đại. Thiết kế hệ thống HCMUTE này tập trung vào tính ứng dụng thực tiễn trong môi trường công nghiệp.
1.2. Phương pháp nghiên cứu
Đồ án áp dụng phương pháp nghiên cứu định lượng và định tính. Phần định lượng tập trung vào việc phân tích dữ liệu thu thập được từ quá trình thử nghiệm hệ thống, đánh giá độ chính xác và hiệu suất của hệ thống đếm. Phần định tính tập trung vào việc phân tích, đánh giá các khía cạnh kỹ thuật của hệ thống, bao gồm: thiết kế hệ thống tự động, lựa chọn linh kiện, lập trình điều khiển logic lập trình, và quản lý sản xuất. Thiết kế cơ khí của hệ thống băng tải cũng được nghiên cứu kỹ lưỡng. Việc sử dụng PLC trong đóng gói hay SCADA trong đóng gói được xem xét để tối ưu hóa hệ thống. Ngôn ngữ lập trình chính là Matlab và các thư viện xử lý ảnh liên quan. Ngôn ngữ lập trình C hoặc ngôn ngữ lập trình Python có thể được sử dụng để lập trình cho Raspberry Pi. Arduino trong đóng gói hoặc Raspberry Pi trong đóng gói là hai lựa chọn được xem xét. Cảm biến đếm được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ chính xác cao. Thiết kế hệ thống này dựa trên nguyên lý xử lý ảnh và điều khiển tự động.
II. Thiết kế và Thực hiện Hệ thống
Phần này trình bày chi tiết về quá trình thiết kế hệ thống đóng gói bánh kẹo, bao gồm thiết kế phần cứng và phần mềm. Thiết kế phần cứng tập trung vào việc lựa chọn các linh kiện phù hợp, bao gồm camera, Raspberry Pi, băng tải, động cơ servo, và các cảm biến. Thiết kế phần mềm bao gồm việc phát triển thuật toán xử lý ảnh để nhận dạng và đếm số lượng bánh kẹo. Hệ thống đếm bánh kẹo được xây dựng trên nền tảng Raspberry Pi, sử dụng Matlab để lập trình xử lý ảnh. Máy đếm sản phẩm được tích hợp với hệ thống băng tải để tự động đếm số lượng bánh kẹo trên băng tải. Điều khiển logic lập trình được sử dụng để điều khiển các hoạt động của hệ thống. Thiết kế hệ thống này đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng.
2.1 Thiết kế Phần cứng
Thiết kế hệ thống đóng gói tự động này bắt đầu bằng việc chọn lựa các thiết bị phần cứng phù hợp. Raspberry Pi 3 Model B+ được lựa chọn làm bộ điều khiển trung tâm vì khả năng xử lý và tính linh hoạt của nó. Camera Pi được sử dụng để thu thập hình ảnh bánh kẹo trên băng tải. Một hệ thống băng tải được thiết kế để vận chuyển bánh kẹo đến khu vực chụp ảnh. Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của bánh kẹo trên băng tải. Động cơ servo được dùng để điều khiển cơ cấu đẩy bánh kẹo ra khỏi băng tải trong trường hợp số lượng không đúng. Module relay được sử dụng để điều khiển động cơ servo. Thiết kế cơ khí của băng tải được thiết kế để vận hành ổn định và hiệu quả. Thiết kế điện tử được chú trọng để đảm bảo an toàn và hoạt động ổn định của hệ thống. Thiết kế hệ thống này được mô phỏng và kiểm tra kỹ lưỡng trước khi thực hiện.
2.2. Thiết kế Phần mềm
Phần mềm được phát triển trên nền tảng Matlab, sử dụng các hàm xử lý ảnh để nhận diện và đếm bánh kẹo. Thuật toán xử lý ảnh bao gồm các bước: tiền xử lý ảnh, phân đoạn ảnh, nhận dạng đối tượng và đếm số lượng. Phần mềm đếm sản phẩm được thiết kế để hoạt động độc lập trên Raspberry Pi. Giao diện người dùng đơn giản và dễ sử dụng, hiển thị số lượng bánh kẹo đã đếm được. Mã nguồn được viết rõ ràng và có chú thích đầy đủ. Lập trình nhúng được thực hiện cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống. Điều khiển logic lập trình được sử dụng để điều khiển các hoạt động của hệ thống dựa trên số lượng bánh kẹo đã đếm được. Phần mềm này được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả trên Raspberry Pi với độ trễ thấp. Thiết kế phần mềm này đảm bảo tính chính xác và khả năng mở rộng của hệ thống.
III. Kết quả và Thảo luận
Phần này trình bày kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và đạt được độ chính xác cao trong việc đếm số lượng bánh kẹo. Độ chính xác của hệ thống được đánh giá dựa trên số lượng bánh kẹo đếm được so với số lượng thực tế. Thời gian đếm được đo đạc và phân tích. Hiệu quả sản xuất được đánh giá thông qua việc so sánh thời gian đếm thủ công và thời gian đếm tự động. Giảm chi phí sản xuất được đánh giá thông qua việc giảm số lượng nhân công cần thiết cho công đoạn đếm. Các hạn chế của hệ thống cũng được nêu ra và đề xuất các giải pháp khắc phục. Thiết kế hệ thống này mang lại hiệu quả kinh tế cao cho doanh nghiệp.
3.1. Phân tích Kết quả Thử nghiệm
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đạt độ chính xác cao trong việc đếm số lượng bánh kẹo. Độ chính xác trung bình đạt trên 95%. Thời gian đếm trung bình giảm đáng kể so với phương pháp thủ công. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường sản xuất thực tế. Dữ liệu thu thập được từ quá trình thử nghiệm được phân tích bằng các phương pháp thống kê. Các thông số kỹ thuật quan trọng của hệ thống, như tốc độ xử lý và độ chính xác, được đánh giá dựa trên dữ liệu thử nghiệm. Thiết kế hệ thống này đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất. Quản lý sản xuất được cải thiện nhờ hệ thống đếm tự động này.
3.2. Đánh giá và Hướng phát triển
Hệ thống đếm số lượng bánh kẹo tự động này có nhiều ưu điểm như: tăng năng suất lao động, giảm chi phí nhân công, đảm bảo chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn một số hạn chế cần được khắc phục như: độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi yếu tố môi trường, khả năng thích ứng với các loại bánh kẹo khác nhau cần được cải thiện. Trong tương lai, hệ thống có thể được phát triển thêm các tính năng như: phân loại sản phẩm theo kích thước, phát hiện sản phẩm lỗi, tích hợp với hệ thống quản lý kho. Thiết kế hệ thống này có thể được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác. Nghiên cứu khoa học về xử lý ảnh và tự động hóa cần được tiếp tục để cải tiến hệ thống. Báo cáo khoa học này cung cấp những thông tin hữu ích cho các nghiên cứu tương lai.
