Đồ án Thiết kế và thi công dây chuyền phân loại đai ốc ứng dụng xử lý ảnh

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: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI ĐAI ỐC ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH GVHD: THS. VÕ ĐỨC DŨNG SVTH: NGUYỄN VĂN TÀI 15141273 NGUYỄN MINH ĐỨC 15141135 Tp. Hồ Chí Minh - 6/2019 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 20 tháng 6 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Tài MSSV: 15141273 Nguyễn Minh Đức MSSV: 15141135 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử - truyền thông Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT2C I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI ĐAI ỐC ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Mô hình dây chuyền phân loại đai ốc ứng dụng xử lý ảnh sử dụng động cơ DC 12V, khung xây dựng bằng nhôm định hình, camera sử dụng là loại webcam C270, vi điều khiển sử dụng STM32F103C8T6, phần xử lý ảnh dùng máy vi tính. Giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển qua IC PL2303 dựa trên giao tiếp UART. Chương trình xử lý ảnh trên máy tính viết bằng ngôn ngữ C++ dựa trên bộ thư viện mã nguồn mở OpenCV và được tạo giao diện bằng phần mềm QT Creator. 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu cách thức hoạt động của các hệ thống phân loại dùng xử lý ảnh. - Tìm hiểu chuẩn giao tiếp UART, động cơ DC, cảm biến hồng ngoại, encoder. - Tìm hiểu về vi điều khiển STM32F103C8T6. - Thiết kế và thi công mô hình dây chuyền phân loại. - Thiết kế và thi công mạch điện cho hệ thống. - Viết chương trình xử lý ảnh trên máy tính dùng phần mềm QT Creator. - Viết chương trình điều khiển cho vi điều khiển STM32F103C8T6 - Chạy thử nghiệm mô hình, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống. - Thực hiện viết luận văn báo cáo. - Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/2/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/6/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii 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 18 tháng 02 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Minh Đức Lớp: 15141DT2C MSSV: 15141135 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Văn Tài Lớp: 15141DT2C MSSV: 15141273 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI ĐAI ỐC ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (18/02 - 24/02) - Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đề tài, GVHD tiến hành xét duyệt đề tài. Tuần 2 (25/02 - 03/03) - Viết đề cương tóm tắt nội dung đồ án. Tuần 3 (04/03 - 10/03) - Tìm hiểu tổng quan và phương thức hoạt động của các Module STM32f103c8t6, Camera - Tìm hiểu về công nghệ xử lý ảnh Tuần 4 (11/03 - 17/03) - Tìm hiểu và nghiên cứu điều khiển động cơ và khí nén dùng STM32f103c8t6. - Tìm hiểu kết nối Camera để thu thập hình ảnh Tuần 5 (18/03 - 24/03) - Tìm hiểu và nghiêm cứu giao tiếp Uart giữa máy tính và STM32f103c8t6. Tuần 6 - 7 (25/03 - 07/04) - Tìm hiểu cách lập trình và ngôn ngữ viết cho xử lý ảnh iii Tuần 8 (08/04 - 14/04) - Mô phỏng mạch, kiểm tra và cân chỉnh mạch. - Vẽ PCB. Tuần 9 - 10 (15/04 - 28/04) - Tiến hành thi công mạch. - Kiểm tra mạch thi công. Tuần 11 (29/04 - 05/05) - Kiểm tra và cải tiến hệ thống Tuần 12 – 13 (06/05 - 19/05) - Viết báo cáo những nội dung đã làm. Tuần 14 (20/05- 26/05) - Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo. Tuần 15 (27/05 - 02/06) - Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài. - Thiết kế Slide báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iv LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm tự thực hiện, dựa vào một số đề tài trước đó cũng như các tài liệu tham khảo và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. TP. Hồ Chí Minh, ngày 20/6/2019 Người thực hiện đề tài Nguyễn Văn Tài Nguyễn Minh Đức v LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, nhóm thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Võ Đức Dũng - giảng viên khoa Điện-Điện tử, 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. Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt ngiệp chúng em đã nhận được sự giúp đỡ và ủng hộ của các thầy, cô trong khoa Điện-Điện tử. Sự hỗ trợ của các thầy, cô đã góp phần không nhỏ giúp chúng em hoàn thành đề tài này. Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện-Điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm, chia sẻ kinh nghiệm. Những đóng góp của các bạn luôn được nhóm tiếp nhận và xem xét kĩ lưỡng. Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người thân đặc biệt là quý phụ huynh - những người luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài này. Dù đã cố gắng và nỗ lực tuy nhiên với những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, đề tài không thể tránh được còn nhiều thiếu sót. Nhóm mong nhận được sự đóng góp, nhận xét để của các thầy, cô và bạn bè để có thể hoàn thiện đề tài hơn Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Văn Tài Nguyễn Minh Đức vi MỤC LỤC LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................................... ii LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................................. iv LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................................... v LIỆT KÊ HÌNH ............................................................................................................................... viii LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................................. x TÓM TẮT .......................................................................................................................................... xi Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN ................................................................................................ 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 ảnh số .................................................................................................... 5 2.1.2. Phương pháp thu nhận ảnh .......................................................................................... 6 2.1.3. Giới thiệu về thư viện OpenCV và camera Logitech C270 ........................................ 6 2.1.4. Điều chỉnh độ sáng và độ tương phản ......................................................................... 7 2.1.5. Lọc nhiễu ảnh .............................................................................................................. 8 2.2. TÌM ĐƯỜNG BIÊN CỦA ẢNH ...................................................................................... 13 2.3. GIAO TIẾP UART ........................................................................................................... 15 2.4. VI ĐIỀU KHIỂN STM32F103C8T6 ................................................................................ 17 2.4.1. Tổng quan ................................................................................................................. 17 2.4.2. Cấu trúc hệ thống ...................................................................................................... 18 2.4.3. Tìm hiểu GPIO .......................................................................................................... 21 2.4.4. Timer và PWM .......................................................................................................... 23 2.5. ĐỘNG CƠ DC .................................................................................................................. 25 2.6. ENCODER ........................................................................................................................ 26 2.7. CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI ............................................................................................. 29 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................... 31 3.1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI ................................................................................................. 31 3.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ..................................................................................... 32 3.2.1. Khối vi điều khiển và giao tiếp máy tính .................................................................. 32 vii 3.2.2. Khối cảm biến và encoder ......................................................................................... 35 3.2.3. Khối công suất điều khiển tải .................................................................................... 35 3.2.4. Khối nguồn ................................................................................................................ 39 3.2.5. Mạch PCB ................................................................................................................. 41 3.2.6. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ....................................................................................... 43 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ................................................................................ 44 3.3.1. Cơ cấu cấp phôi ......................................................................................................... 44 3.3.2. Băng tải ..................................................................................................................... 46 3.3.3. Cơ cấu phân loại ........................................................................................................ 46 3.3.4. Hộp điện .................................................................................................................... 49 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................................ 50 4.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................................... 50 4.2. THI CÔNG MẠCH ĐIỆN ................................................................................................ 50 4.2.1. Linh kiện sử dụng trong mạch điện ........................................................................... 50 4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra mạch điện .................................................................................. 51 4.3. THI CÔNG MÔ HÌNH ..................................................................................................... 52 4.3.1. Vật liệu, linh kiện sử dụng ........................................................................................ 52 4.3.2. Các bước thi công ..................................................................................................... 53 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................................. 57 4.4.1. Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển ........................................................................... 57 4.4.2. Lưu đồ giải thuật cho chương trình xử lý ảnh ........................................................... 63 4.4.3. Phần mềm QT Creator .............................................................................................. 65 4.4.4. Trình biên dịch Keil µVision 5 ................................................................................. 70 Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ........................................................................ 75 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................... 81 6.1. KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 81 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................. 82 PHỤ LỤC .......................................................................................................................................... 83 viii LIỆT KÊ HÌNH Hình Trang Hình 2. 1 Các bước xử lý ảnh ..................................................................................... 5 Hình 2. 2 Hình ảnh Webcam Logitech C270 .............................................................. 7 Hình 2. 3 Một mặt nạ lọc kích thước 3x3 ................................................................... 9 Hình 2. 4 Ví dụ về phần tử trung vị .......................................................................... 10 Hình 2. 5 Các hướng xét giá trị ................................................................................. 15 Hình 2. 6 Sơ đồ cấu trúc các khối của STM32F103C8T6 ........................................ 18 Hình 2. 7 Sơ đồ nguồn xung clock của STM32F103C8T6 ...................................... 20 Hình 2. 8 Thanh ghi cấu hình chức năng chân GPIO của port ................................. 22 Hình 2. 9 Thanh ghi đọc giá trị ngõ vào ................................................................... 23 Hình 2. 10 Thanh ghi chọn giá trị ngõ ra của port .................................................... 23 Hình 2. 11 Động cơ GA25 ........................................................................................ 26 Hình 2. 12 Đĩa encoder tương đối kiểu quay ............................................................ 28 Hình 2. 13 Hình ảnh encoder quang 100 xung ......................................................... 28 Hình 2. 14 Led phát hồng ngoại ................................................................................ 29 Hình 2. 15 Kí hiệu đi-ốt quang ................................................................................. 29 Hình 2. 16 Kí hiệu transistor quang .......................................................................... 30 Hình 2. 17 Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK ......................................................... 30 Hình 3. 1 Sơ đồ khối của hệ thống. ........................................................................... 31 Hình 3. 2 Sơ đồ mạch vi điều khiển .......................................................................... 33 Hình 3. 3 Mạch chuyển USB UART PL2303 ........................................................... 34 Hình 3. 4 Cổng domino kết nối cảm biến và encoder ............................................... 35 Hình 3. 5 Sơ đồ kết nối cảm biến và encoder ........................................................... 35 Hình 3. 6 Sơ đồ mạch công suất điều khiển động cơ DC dùng PWM...................... 36 Hình 3. 7 Sơ đồ mạch công suất điều khiển động cơ DC bằng relay ....................... 37 Hình 3. 8 Sơ đồ mạch công suất điều khiển servo .................................................... 38 Hình 3. 9 Sơ đồ mạch công suất điều khiển led rọi .................................................. 38 Hình 3. 10 Sơ đồ mạch led báo trạng thái các tải ..................................................... 39 Hình 3. 11 Sơ đồ mạch nguồn ................................................................................... 41 Hình 3. 12 Hình ảnh mạch PCB ................................................................................ 41 Hình 3. 13 Hình ảnh 3D của mạch in mặt trên ......................................................... 42 Hình 3. 14 Hình ảnh 3D của mạch in nhìn nghiêng .................................................. 42 Hình 3. 15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ..................................................................... 43 Hình 3. 16 Hình ảnh con lăn thiết kế ........................................................................ 44 Hình 3. 17 Hình ảnh bánh răng thiết kế .................................................................... 45 Hình 3. 18 Mặt trước puly ......................................................................................... 46 Hình 3. 19 Trục phụ của đĩa quay ............................................................................. 47 Hình 3. 20 Puly trục đĩa ............................................................................................ 48 Hình 3. 21 Sơ đồ nối dây hộp điện ............................................................................ 49 ix Hình 4. 1 Mạch sau khi hàn linh kiện ....................................................................... 51 Hình 4. 2 Hình ảnh bánh răng thực tế ....................................................................... 53 Hình 4. 3 Hình ảnh cơ cấu cấp phôi sau khi thi công ............................................... 53 Hình 4. 4 Băng tải mặt bên........................................................................................ 54 Hình 4. 5 Băng tải mặt trên ....................................................................................... 54 Hình 4. 6 Cảm biến hồng ngoại phát hiện phôi ........................................................ 55 Hình 4. 7 Hộp camera và khung đĩa quay ................................................................. 55 Hình 4. 8 Cơ cấu gạt phôi ......................................................................................... 56 Hình 4. 9 Encoder và puly truyền động cho đĩa quay ............................................... 56 Hình 4. 10 Mô hình nhìn từ phía trước ..................................................................... 57 Hình 4. 11 Mô hình nhìn từ trên xuống .................................................................... 57 Hình 4. 12 Lưu đồ chương trình chính ...................................................................... 58 Hình 4. 13 Lưu đồ hàm khởi tạo GPIO ..................................................................... 59 Hình 4. 14 Lưu đồ hàm khởi tạo UART ................................................................... 60 Hình 4. 15 Lưu đồ hàm xử lý PWM ......................................................................... 61 Hình 4. 16 Lưu đồ hàm điều khiển Servo ................................................................. 62 Hình 4. 17 Lưu đồ hàm nhận dữ liệu ........................................................................ 63 Hình 4. 18 Lưu đồ chương trình chính xử lý ảnh ....................