Farbsortiermaschine

Autoren: Franziska Troja, Florian Leben
Gruppe: 2.6
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

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Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Realisierung einer Farbsortiermaschine mit der Steuerung über einen Arduino. Dieser soll Schüttgut nach Farbe sortieren, sowie nicht definierbares Gut ausschleusen. Zudem erfolgt eine Zählung der verschiedenen Farben, sowie das Anzeigen der mit dem Farbsensor bestimmten Farbe über eine RGB LED.
Ziel des Projektes im GET-Fachpraktikum im 5. Semester des Studiengangs Mechatronik ist es, ein mechatronisches System zu bauen und in Betrieb zu nehmen. Abschließend wird das Projekt im Rahmen einer digitalen Messe vorgestellt. In dem Projekt werden alle drei wesentlichen Disziplinen des Studiengangs benötigt: die mechanische Konstruktion der Anlage, die elektrische Funktionsfähigkeit, sowie die Programmierung eines Mikrocontrollers.

Anforderungen

Für das Projektes wurden die folgenden Anforderungen ausgearbeitet:

• Zuverlässige Vereinzelung des Schüttguts.
• Definieren des Farbspektrums und der Toleranzbereiche.
• Zuverlässige und wiederholbare Genauigkeit bei den Messungen.
• Abschirmung von Fremdlicht für eine genauere Messung.
• Zählung der gesamten Anzahl des Schüttguts.
• Zählung der Anzahl jeder Farbe.
• Ausschleusung von Schüttgut, welches außerhalb des Toleranzbereiches fällt.
• Automatische Abschaltung, wenn Schüttgut leer.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Das System besteht aus verschiedenen Komponenten. Das Schüttgut, welches sich in einem Vorratsbehälter befindet, wird vereinzelt und dann der Farberkennung übergeben. Zur Erfassung der Farbe wird ein Farbsensor des Typs TCS34725 eingesetzt. Die dadurch ermittelten Daten werden von einem Mikrocontroller verarbeitet. Anschließend wird das Gut mit einer Sortieranlage dem passenden Behälter der jeweiligen Farbe zugeführt. Der Sortiervorgang soll automatisch beendet werden, sobald ein Sensor am Vorratsbehälter meldet, dass der Behälter leer ist. Optional kann das System durch eine RGB LED, welche die gemessene Farbe anzeigt, sowie durch einen RFID-Sensor erweitert werden, der eine Freischaltung der Farbsortiermaschine nur mit einer passenden Chipkarte ermöglicht.

Systementwurf der Farbsortiermaschine (Skizze)

PAP der Farbsortiermaschine

Komponentenspezifikation

• Arduino UNO R3

Arduino UNO R3

In diesem Projekt werden zwei Arduino UNO Boards verwendet, die auf einem Atmel-AVR-Mikrocontroller basieren. Die Boards sind mit der SMD-Bauweise realisiert und können entweder über eine USB-Schnittstelle (5V) oder eine externe Spannungsquelle (7-12V) versorgt werden. Sie takten zudem mit einer Frequenz von 16 MHz. Der Arduino verfügt über 14 digitale I/Os und über sechs analoge Eingänge. An den Arduino können an die zur Verfügung gestellten I/O Pins verschiedene Aktoren und Sensoren angeschlossen werden. Es kann außerdem mit einem I²C-Bus kommuniziert werden.

• Micro-Servomotor SG90

Micro-Servomotor SG90

Der Servomotor besteht aus einem Elektromotor und einem Rotationssensor. Der Motor kann mit einer Spannung zwischen 4,8V bis 6V betrieben werden. Durch den Arduino wird er mit einer Spannung von ungefähr 5V betrieben, so dass er sich mit der Geschwindigkeit von 0,3sec pro 60° bewegt.

• Schrittmotor ULN2003 5V

Als einen weiteren Antrieb werden zwei Schrittmotoren verwendet. Der Motor verfügt über vier Spulen, die einpolig mit den 5V des Arduinos betrieben werden. Der Schrittmotor kann nicht direkt mit dem Arduino verbunden werden, da die Pins zu wenig Strom liefern. Dem Schrittmotor muss deswegen eine Treiberplatine vorgeschaltet werden. Er kann 2048 Schritte mit hoher Präzision anfahren.

• Farbsensor TCS34725 RGB-Sensor

TCS34725

Der RGB-Farbsensor der Firma Adafruit verfügt über einen Infrarotfilter und eine LED, die auch per Schaltung ausgeschaltet werden kann. Der Farbsensor besteht aus vier einzelnen Sensoren, die einen Rot-, Grün-, Blau- und Lichtstärkenwert zurückgeben. Der IR-Filter sorgt dafür, dass das IR-Spektrum minimiert wird und somit eine genauere Farbmessung durchgeführt werden kann. Der Farbsensor kommuniziert über den I²C-Bus.

• RGB-LED

Die RGB-LED besteht aus vier Leitungen. Eine Leitung ist jeweils für eine der Farben (Rot, Grün und Blau) und die längste Leitung für die gemeinsame Kathode, dementsprechend werden die anderen Leitungen über die Spannung versorgt. Im Inneren besteht die LED aus drei einzeln ansteuerbaren LEDs. Die RGB-LED kann verschiedene Farben darstellen, indem die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau gemischt werden. Es kann zudem die Intensität der Farbstärke variiert werden. Die Farbwerte können Werte zwischen 0 und 255 annehmen. Diese LED wird dazu verwendet, um zu zeigen, welche Farbe von dem Farbsensor aktuell gemessen wird.

• LCD-Display

16x2 LCD Display

Als Anzeige wird ein LCD-Display verwendet. Dieses kann 16 Zeichen auf jeweils zwei Zeilen anzeigen.

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Die Farbsortiermaschine besteht in ihrem Aufbau aus drei Bereichen: der Zuführung der Skittles, der Farbmessung und der Sortierung.

Die Zuführung der Skittles geschieht über einen Trichter, der auf dem Boden eine Scheibe mit 12 Löchern montiert hat. Diese Scheibe wird mit einem Schrittmotor betrieben und führt die Skittles nacheinander in ein Röhrchen mit einem kleinen Spalt auf der vorderen Seite zu.

Das Röhrchen endet auf einem Teller, auf dem sich eine weitere Scheibe mit 12 Löchern befindet. Diese Scheibe wird auch durch einen Schrittmotor angetrieben und nimmt immer ein Skittle aus dem Röhrchen. Das Skittle wird dann mit der Scheibe immer weiter transportiert, bis es unter den Farbsensor ist. Dieser Farbsensor ist über eine Halterung an dem Teller befestigt. Die Scheibe dreht sich anschließend weiter. Bei dieser Position befindet sich in dem Teller ein Loch, wodurch das Skittle dann hindurchfällt.

Das Skittle fällt dann durch das Loch in einen kleinen Trichter, der Ende in einem Schwenkarm endet. Dieser Arm kann sich zu sechs unterschiedlichen Positionen mithilfe eines Servomotors drehen. Das Skittle rutscht dann über eine Schiene zu dem jeweiligen Behälter. Diese Behälter sind einzeln zu entnehmen und können so sehr einfach entleert werden. Der sechste Behälter ist für den Ausschuss gedacht und die anderen fünf für die jeweilige Farbe (rot, orange, gelb, grün, lila).

Schwenkarm für Sortierung

Literatur

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