Đề tài Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình đếm và phân loại sản phẩm theo cân nặng, màu sắc

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC GVHD: Th.S NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: 1. PHẠM THỊ THANH THẢO 15141284 2. PHAN TRẦN HOÀI VŨ 15141333 Tp. Hồ Chí Minh – 06/2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC GVHD: ThS. NGUYỄN ĐÌNH PHÚ SVTH: 1. PHẠM THỊ THANH THẢO 15141284 2. PHAN TRẦN HOÀI VŨ 15141333 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2019 i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Phạm Thị Thanh Thảo MSSV: 15141284 Phan Trần Hoài Vũ MSSV: 15141333 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT2A I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh, ) .............................................. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... 2. Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) ........................ ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ii ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày tháng năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Phạm Thị Thanh Thảo Lớp: 1514DT2A ............................................................ MSSV: 15141284 Họ tên sinh viên 2: Phan Trần Hoài Vũ Lớp: 1514DT2A ............................................................ MSSV: 15141333 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ĐẾM VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CÂN NẶNG, MÀU SẮC. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18-24/02/2019) Nhận đồ án, tìm hiểu đề tài. Tuần 2 (25-03/03/2019) Tìm hiểu hướng làm đề tài, chọn vi xử lý điều khiển, ngôn ngữ lập trình. Tuần 3 (04-10/03/2019) Tìm hiểu Raspberry Pi 3 mode B và ngôn ngữ lập trình Python Tuần 4 (11-17/03/2019) Tiến hành lập trình nhận diện phân loại màu sắc. Tuần 5 (18-24/03/2019) Hoàn chỉnh phân loại màu sắc, lập trình phân loại cân nặng Tuần 6, 7, 8 (25-14/04/2019) Tiến hành thiết kế phần cứng cho toàn bộ hệ thống. iv Tuần 9, 10, 11, 12 (15-12/05/2019) Chạy thử nghiệm hệ thống và hiệu chỉnh sao cho hệ thống hoạt động ổn định Tuần 13, 14, 15 (13-02/06/2019) Hoàn chỉnh báo cáo 03/06/2019 Hoàn thành nhiệm vụ đồ án GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình đếm và phân loại sản phẩm theo cân nặng và màu sắc” là nhóm đề tài tự thực hiện dựa vào tham khảo một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình nào khác. Người thực hiện đề tài Phạm Thị Thanh Thảo Phan Trần Hoài Vũ vi LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm đề tài xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Đình Phú - giảng viên khoa Điện-Điện tử, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM đã theo sát hỗ trợ và hướng dẫn nhóm một cách chi tiết trong quá trình thực hiện đề tài. Thầy luôn hỗ trợ hết mình, giải đáp thắc mắc, chỉ ra sai sót cũng như gợi ý những phương án thực hiện sao cho khả thi và dễ tiếp cận nhất. Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy(cô) trong khoa Điện-Điện tử đã tận tình giải đáp thắc mắc, nguyện vọng trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm. Sự hỗ trợ của quý thầy(cô) đóng góp một phần không nhỏ vào thành công ngày hôm nay. Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện-Điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm, đặc biệt là tập thể lớp 15141DT2A. Những đóng góp của các bạn luôn được nhóm tiếp nhận và đánh giá cao. Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cha, Mẹ - những người luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt những năm tháng qua. Thành công của đề tài ngày hôm nay chính là một phần đóng góp to lớn của mọi người. Một lần nữa, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy cô, bạn bè và quý phụ huynh đã hỗ trợ nhóm thực hiện đề tài hoàn chỉnh. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Phạm Thị Thanh Thảo Phan Trần Hoài Vũ vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... vi MỤC LỤC ................................................................................................................ vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ .................................................................................................... x LIỆT KÊ BẢNG BIỂU ........................................................................................... xiii Chương 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU .................................................................................................... 2 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 2 1.4. GIỚI HẠN ..................................................................................................... 3 1.5. BỐ CỤC ........................................................................................................ 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 5 2.1. TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ ẢNH .................................................................. 5 2.1.1. Giới thiệu về xử lý ảnh ........................................................................... 5 2.1.2. Những vấn đề xử lý ảnh[2] ..................................................................... 7 2.1.3. Ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV ................................................ 11 2.2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC, CÂN NẶNG .................................................................................................................... 12 2.2.1. Các màu sắc cơ bản của sản phẩm ........................................................ 13 2.2.2. Phương pháp phân loại theo màu sắc ................................................... 18 2.2.3. Phương pháp phân loại theo cân nặng .................................................. 18 2.3. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ....................................................................... 19 2.3.1. Raspberry Pi 3 model B [5] .................................................................. 19 2.3.2. USB Camera ......................................................................................... 22 2.3.3. Cảm biến cân nặng ................................................................................ 23 2.3.4. Xi-lanh khí nén (air cylinder)[7] ........................................................... 26 2.3.5. Van điện từ (solenoid) .......................................................................... 28 Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................. 30 3.1. TỔ CHỨC CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG ........................................... 30 3.2. THIẾT KẾ CÁC KHỐI TRONG HỆ THỐNG ........................................... 31 viii 3.2.1. Khối thu tín hiệu hình ảnh (camera) ..................................................... 31 3.2.2. Khối thu tín hiệu cân nặng (loadcell) và khối ADC (module HX711). 34 3.2.3. Khối xử lý trung tâm (Raspberry Pi 3) ................................................. 36 3.1.1. Động cơ DC; Xi-lanh và Van điện từ ................................................... 37 3.1.2. Khối hiển thị ......................................................................................... 45 3.1.3. Khối nguồn ........................................................................................... 45 3.1.4. Sơ nguyên lý toàn mạch ........................................................................ 49 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 50 4.1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 50 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 50 4.2.1. Thi công board mạch ............................................................................ 50 4.4.2. Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................... 51 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH .................................................... 54 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................... 56 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................... 56 4.4.2 Giao diện hệ thống ................................................................................ 63 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................ 64 Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ........................................... 76 5.1. KẾT QUẢ TỔNG QUAN ........................................................................... 76 5.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .............................................................................. 77 5.2.1. Giao diện hiển thị Tkinter. .................................................................... 77 5.2.2. Giao diện Web và Cơ sở lưu trữ dữ liệu Realtime Database. ............... 78 5.2.3. Kết quả mô hình thực tế ........................................................................ 79 5.2.4. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 83 5.3. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ......................................................................... 84 5.3.1. Nhận xét kết quả đạt được .................................................................... 84 5.3.2. Đánh giá kết quả ................................................................................... 86 Chương 6: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 87 6.1. KẾT LUẬN ................................................................................................. 87 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 88 ix TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 89 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 90 x LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình 2. 1. Giới thiệu về xử lý ảnh ............................................................................... 5 Hình 2. 2 Quá trình xử lý ảnh ..................................................................................... 6 Hình 2. 3 Các lân cận ảnh ........................................................................................... 9 Hình 2. 4 Các trường hợp biên .................................................................................. 11 Hình 2. 5 Mô hình màu không gian màu RGB. ........................................................ 14 Hình 2. 6 Mô hình màu HSV .................................................................................... 15 Hình 2. 7. Dải màu sắc (H) trong hệ màu HSV ........................................................ 16 Hình 2. 8 Sắc đỏ hoặc đỏ hồng chiếm trên 90% diện tích bề mặt quả (quả đỏ) ....... 17 Hình 2. 9 Sắc vàng hoặc cam chiếm 30÷90% diện tích bề mặt quả (quả cam) ....... 17 Hình 2. 10. Sắc lục chiếm hầu như toàn bộ bề mặt quả (quả xanh) ......................... 18 Hình 2. 11 Raspberry Pi 3 Model B .......................................................................... 19 Hình 2. 12 Sơ đồ Raspberry Pi3 model B ................................................................. 20 Hình 2. 13. USB camera cho Raspberry Pi ............................................................... 22 Hình 2. 14 Sơ đồ khối USB Camera Raspberry Pi ................................................... 23 Hình 2. 15 Loadcell cân nặng ngoài thực tế.............................................................. 24 Hình 2. 16. Loadcell cảm nhận sự thay đổi của tải (dây điện trở strain gauges) và chuyển thành những tín hiệu điện. ............................................................................ 25 Hình 2. 17 Xi-lanh khí nén (air cylinder) .................................................................. 26 Hình 2. 18 Cấu tạo chính của một xi-lanh khí nén. ................................................... 27 Hình 2. 19 Van điện từ điều khiển xi-lanh. ............................................................... 29 Hình 3. 1. Sơ đồ khối hệ thống 30 Hình 3. 2 Sơ đồ kết nối module camera USB với Raspberry Pi qua 1 hub 32 Hình 3. 3. Đèn led K3E19-3 dùng để ổn định nguồn sáng trắng 32 Hình 3. 4 Sơ đồ bố trí buồng chụp ảnh (nhìn từ trên xuống) 33 Hình 3. 5 Sơ đồ bố trí buồng chụp ảnh (nhìn từ mặt bên) 33 Hình 3. 6 Sơ đồ nguyên lý module ADC HX711 (ảnh từ datasheet AVIA Semiconductor) 35 Hình 3. 7. Hình ảnh thực tế module HX711 35 Hình 3. 8 Sơ đồ kết nối loadcell, HX711 với Raspberry Pi 3 36 Hình 3. 9 Sơ đồ các cổng ngoại vi sử dụng 36 Hình 3. 10 Động cơ DC và trục quay băng tải 38 Hình 3. 11. Động cơ giảm tốc DC 12V JGB37-3530 38 Hình 3. 12. Nguyên lý làm việc của PWM – Điều chế độ rộng xung. 39 Hình 3. 13. Mạch điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM dùng IC 555 40 Hình 3. 14. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ 41 Hình 3. 15. Hình ảnh thực tế Module PWM 12-40VDC/10A 42 Hình 3. 17 Sơ đồ kết nối module PWM và động cơ DC 43 xi Hình 3. 18 Sơ đồ bố trí các xi-lanh và cảm biến tiệm cận trên băng tải 43 Hình 3. 19. Nguồn 5V 2.5A cung cấp cho Raspberry Pi 47 Hình 3. 20 . Nguồn 5V 1.5 A cung cấp cho board mạch chính 47 Hình 3. 21. Nguồn 12V 5A cung cấp cho băng tải 48 Hình 3. 22. Nguồn 24V 5A cung cấp cho van điện từ 48 Hình 3. 23. Mạch điện sơ đồ nguyên lý toàn mạch 49 Hình 4. 1. Mạch PCB board mạch chính của hệ thống ............................................. 51 Hình 4. 2. Van khí nén được kết nối với xi-lanh thông qua hệ thống dây dẫn khí ... 52 Hình 4. 3. Động cơ DC kéo trục quay băng tải nhờ hệ thống bánh răng và dây đai. ................................................................................................................................... 52 Hình 4. 4. Loadcell được đặt ở mặt dưới của băng chuyền ...................................... 53 Hình 4. 5. Buồng chụp ảnh nhìn từ trên cao ............................................................. 53 Hình 4. 6. Buồng chụp ảnh nhìn từ phía dưới lên trên .............................................. 54 Hình 4. 7. . Bố trí và lắp đặt các module, board mạch chính, kit Raspberry Pi 3 ..... 55 Hình 4. 8. Hệ thống sau khi được thi công hoàn thiện .............................................. 56 Hình 4. 9. Lưu đồ hoạt động của hệ thống ................................................................ 57 Hình 4. 10. Lưu đồ chụp và lưu ảnh ......................................................................... 59 Hình 4. 11. Lưu đồ chương trình con xử lý ảnh ........................................................ 60 Hình 4. 12. So sánh và dán nhãn phân loại ............................................................... 62 Hình 4. 13. Giao diện hoạt động của chương trình chính ......................................... 63 Hình 4. 14. Giao diện Web của hệ thống .................................................................. 63 Hình 4. 15. Giao diện firebase lưu dữ liệu của hệ thống .......................................... 64 Hình 4. 16. Đèn báo hiệu của Raspberry Pi sáng lúc mới cấp nguồn ....................... 65 Hình 4. 17. Đèn led của buồng chụp ảnh sáng lúc mới cấp nguồn .......................... 66 Hình 4. 18. Giao diện màn hình LCD của hệ thống khi mới cấp điện ...................... 67 Hình 4. 19. Màn hình LCD hiển thị Raspberry Pi đã kết nối Internet ...................... 67 Hình 4. 20. Núm xoay điều chỉnh tốc độ băng chuyền hệ thống .............................. 68 Hình 4. 21. Mở chương trình chính điều khiển hệ thống. ......................................... 69 Hình 4. 22. Màn hình LCD khi mới chạy chương trình điều khiển .......................... 69 Hình 4. 23. Màn hình LCD hiển thị chọn chương trình “WEB_HE_THONG.html” ................................................................................................................................... 70 Hình 4. 24. Giao diện web tùy chỉnh các thông số về loại sản phẩm ....................... 70 Hình 4. 25. Giao diện màn hình LCD sau khi điều chỉnh các thông số phân loại. ... 71 Hình 4. 26. Cà chua thứ nhất khi được đưa vào buồng chụp .................................... 72 Hình 4. 27. Cà chua sau khi ra khỏi buồng chụp của hệ thống ................................. 72 Hình 4. 28. Xi lanh đẩy cà chua thứ nhất xuống hộp chứa loại 3 ............................. 73 Hình 4. 29. Màn hình LCD sau khi xi-lanh tác động quả cà chua thứ nhất .............. 73 Hình 4. 30. Băng tải di chuyển cà chua loại 5 đến cuối băng chuyền ...................... 74 Hình 4. 31. Cà chua sau khi được hệ thống phân loại. ............................................. 75 xii Hình 5. 1. Giao diện màn hình LCD sau khi mở chương trình chính. ...................... 77 Hình 5. 2. Số lượng cà chua được cập nhật sau khi hệ thống xử lý mỗi quả ............ 78 Hình 5. 3. Giao diện web tùy chỉnh các thông số về loại sản phẩm ......................... 78 Hình 5. 4. Dữ liệu được lưu dữ tại f