Toàn văn Đồ án: Thiết kế mô hình máy pha chế nước uống tự động

Tham khảo đồ án thiết kế máy pha chế nước uống tự động bằng Arduino. Báo cáo chi tiết sơ đồ mạch, nguyên lý hoạt động cho sinh viên ngành kỹ thuật.

• Tác giả: Phùng Văn Mạnh
• Người hướng dẫn: Th.S Võ Thị Bích Ngọc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Máy Pha Chế Nước Uống Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Máy Pha Chế Nước Uống Tự Động Arduino

Máy pha chế nước uống tự động là một giải pháp hiện đại được phát triển dựa trên nền tảng Arduino microcontroller. Đây là một đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Kỹ Thuật Điện Tử Viễn Thông nhằm mang lại sự tiện lợi cho người dùng trong việc pha chế các loại đồ uống yêu thích. Sản phẩm này kết hợp các công nghệ hiện đại như cảm biến thông minh, cơ cấu chấp hành tự động và giao diện HMI để tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh. Thay vì phải chuẩn bị nhiều nguyên liệu và công thức phức tạp, người dùng chỉ cần tương tác với giao diện thân thiện để nhận được đồ uống đúng ý muốn trong tích tắc.

1.1. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Trong bối cảnh cuộc sống hiện đại, nhu cầu về sự tiện lợi ngày càng tăng cao. Máy pha chế tự động giải quyết các vấn đề như tiết kiệm thời gian, giảm công sức chuẩn bị và đảm bảo chất lượng độc lập. Sản phẩm này đặc biệt hữu ích trong các quán cà phê, nhà hàng và các cơ sở kinh doanh F&B, nơi mà tốc độ phục vụ và độ chính xác công thức là rất quan trọng.

1.2. Mục Đích Và Ý Nghĩa Thực Tiễn

Mục đích chính của đồ án máy pha chế nước uống là chứng minh khả năng áp dụng kiến thức điện tử trong thực tiễn. Sản phẩm mang tính ứng dụng cao, dễ dàng tiếp cận và sử dụng. Ngoài ra, nó cũng là bước đệm quan trọng trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa khác trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống.

II. Cấu Trúc Và Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống máy pha chế nước uống được thiết kế với kiến trúc phân tầng rõ ràng, bao gồm ba khối chính: khối cảm biến, khối xử lý, và khối hiển thị. Arduino hoạt động như bộ não điều khiển trung tâm, nhận dữ liệu từ các cảm biến siêu âm, cảm biến lưu lượng nước và cảm biến khoảng cách. Các dữ liệu này được xử lý theo logic lập trình để điều khiển động cơ bước và các cơ cấu chấp hành khác. Giao diện HMI cho phép người dùng tương tác dễ dàng với hệ thống, lựa chọn loại đồ uống và kiểm soát quá trình pha chế.

2.1. Khối Cảm Biến Và Bộ Xử Lý

Cảm biến siêu âm HC-SR05 được sử dụng để phát hiện mức độ chất lỏng trong bình chứa. Cảm biến lưu lượng nước đo lượng chất lỏng được phát ra với độ chính xác cao. Arduino Mega xử lý tất cả dữ liệu từ các cảm biến này trong thời gian thực, đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống.

2.2. Khối Hiển Thị Và Giao Diện Người Dùng

Giao diện HMI được thiết kế đơn giản, thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng lựa chọn loại đồ uống và điều chỉnh các tham số như nồng độ, lượng nước và nhiệt độ. Màn hình LCD hiển thị rõ ràng trạng thái hoạt động, cảnh báo lỗi và thông tin công thức pha chế.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Và Quy Trình Pha Chế

Nguyên lý hoạt động của máy pha chế tự động dựa trên chuỗi lệnh được lập trình trong Arduino. Khi người dùng chọn loại đồ uống trên giao diện HMI, hệ thống sẽ: đầu tiên kiểm tra mức độ nguyên liệu bằng cảm biến siêu âm, sau đó kích hoạt động cơ bước để mở các van điều khiển từng nguyên liệu, đồng thời sử dụng cảm biến lưu lượng nước để đo lượng chất lỏng được phát ra đạt đúng tỷ lệ công thức. Toàn bộ quá trình được giám sát liên tục, nếu phát hiện lỗi hệ thống sẽ dừng lại và thông báo.

3.1. Chu Kỳ Hoạt Động Của Hệ Thống

Chu kỳ pha chế bao gồm các bước: nhận lệnh từ người dùng, kiểm tra điều kiện hệ thống, mở van cấp nguyên liệu, đo lượng chất lỏng, đóng van khi đạt tỷ lệ, và kết thúc quy trình. Mỗi bước được thực hiện với độ chính xác cao nhờ vào sự phối hợp tốt của cảm biến và bộ điều khiển Arduino.

3.2. Giao Diện Sử Dụng Và Trải Nghiệm Người Dùng

Giao diện sử dụng được thiết kế với quy trình đơn giản: chọn đồ uống, xác nhận, máy tự động pha chế. Người dùng có thể theo dõi quá trình thông qua màn hình hiển thị với các thông tin như tiến độ, lượng chất lỏng còn lại, và thời gian hoàn thành. Tính năng này làm tăng trải nghiệm người dùng đáng kể.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Máy pha chế nước uống tự động có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong quán cà phê, nhà hàng, cửa hàng tiện lợi và các sân bay. Hệ thống có thể dễ dàng mở rộng để pha chế các loại đồ uống khác nhau như nước trái cây, sinh tố, cà phê, trà và các loại cocktail. Với sự phát triển của công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo, sản phẩm này có thể được nâng cấp để tự học các công thức mới, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và kết nối với các hệ thống quản lý kho hàng.

4.1. Ứng Dụng Trong Các Lĩnh Vực Khác Nhau

Máy pha chế có thể được triển khai trong các quán cà phê tự phục vụ, nhà hàng nhanh, bệnh viện, trường học, và các sự kiện lớn. Tại mỗi nơi, hệ thống có thể được tùy chỉnh để phù hợp với danh sách đồ uống và yêu cầu chất lượng cụ thể. Điều này giúp tiết kiệm chi phí nhân công và nâng cao hiệu suất hoạt động.

4.2. Hướng Phát Triển Và Cải Tiến Tương Lai

Trong tương lai, hệ thống máy pha chế có thể được tích hợp kết nối mạng, cho phép quản lý từ xa, thu thập dữ liệu sử dụng, và phân tích hành vi người dùng. Việc thêm các cảm biến nhiệt độ và cảm biến pH sẽ đảm bảo chất lượng đồ uống tốt hơn. Ngoài ra, nghiên cứu các vật liệu thân thiện môi trường và công nghệ tiết kiệm năng lượng là các hướng phát triển quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Sự phát triển kinh tế của xã hội ngày càng cao đã làm cho cuộc sống của con người ngày càng thay đổi về mặt vật chất lẫn tinh thần. Sống trong thời đại công nghiệp hóa - hiện đại hóa, đòi hỏi con người phải chạy đua với thời gian để có thể đáp ứng nhu cầu kinh tế của thị trường, và nhất là nhu cầu của chính mình với một vài vấn đề trong cuộc sống. Với xu thế phát triển xã hội càng cao đã khiến không ít người rơi vào tình trạng căng thẳng, stress…, thật tốt khi có một ly nước ngọt, coffee để giải tỏa căng thẳng, còn gì bằng khi chúng ta có thể tự pha một ly soda hương hoa quả nhanh chống và dễ dàng để rồi thưởng thức và thư giãn. Một thực trạng đặt ra ở đây là ở những nơi như công sở mọi người luôn phải tất bật với những công việc của họ và thời gian nghỉ ngơi là rất hạn hẹp, đôi khi muốn uống những loại nước do chính mình pha chế nhưng lại quá mất thời gian cho việc chuẩn bị cũng như pha chế.

Vậy nên họ chọn cách đi ra ngoài mua nước đóng chai hoặc phải chịu tốn thêm chi phí cho các dịch vụ giao thức ăn, đồ uống. Xuất phát từ thực trạng như trên, nhóm tác giả đã lên ý tưởng cho hướng nghiên cứu là cùng nhau tìm ra vấn đề cần giải quyết, ý tưởng là gì? Hướng giải pháp ra sao? Cách thực hiện như thế nào? Sau khi hoàn thành giải pháp sẽ mang lại được những lợi ích gì? Với những câu hỏi mang đầy tính thử thách nhóm đã xây dựng và hình thành ý tưởng một sản phẩm đó là máy pha chế nước tự động. Chế biến đồ uống là một công việc tốn thời gian. Công việc trên là tập hợp của một loạt những quá trình mở chai hoặc bao bì, rót, pha trộn theo một công thức cực kỳ chính xác để đảm bảo hương vị hảo hạng cho món đồ uống, do vậy đòi hỏi người thực hiện sự tỉ mỉ và khéo léo.

Thế nhưng, giờ đây, với sự trợ giúp của công nghệ, những lo lắng và khó khăng về pha chế đã không còn nữa. Dù bạn có là người thiếu khéo léo một chút, bạn cũng sẽ dễ dàng mở ngay một quầy bar tại nhà với sự hỗ trợ đắc lực từ những chiếc máy pha chế tự động. Trong tương lai, những chiếc 1 máy này được kỳ vọng sẽ là những sản phẩm phổ biến trong gian bếp của mỗi gia đình. Ý tưởng máy pha nước tự động có thể điều khiển bằng màn hình HMI đưa tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm để thực hiện quy trình pha nước.

Cấu trúc của máy bao gồm 2 phần chính đó là phần cứng và phần mềm. Đầu tiên khi nói tới phần cứng nhóm nhóm tác giả sẽ tìm kiếm những module tích hợp điều khiển thông dụng hiện nay như Arduino để điều khiển các module cảm biến và động cơ. Cuối cùng là phần mềm nhóm tác giả sẽ xây dựng một màn hình bao gồm việc theo dõi lượng dung dịch trong các bình chứa, thao tác chọn tỷ lệ và pha chế, hướng dẫn sự dụng và một số công thức nước pha chế theo tỷ lệ chuẩn. Với ý tưởng đơn giản này, tác giả muốn mang đến cho người sử dụng một trải nghiệm mới với nhiều thứ mới mẻ và thú vị, không những có tính đột biến về kết cấu, mà còn có sự đa dạng về các loại nước cũng đáng được chú ý.

Người sử dụng có thể chọn các loại nước đã được thiết lập sẵn theo phần trăm các loại nước mà nhóm đã quy định hoặc cũng có thể tự do lựa chọn các nguyên liệu mà mình thích để tự pha cho mình một loại nước theo sở thích. Đối với những nơi như công ty, phòng họp, các địa điểm tiếp khách, phòng chờ hay khuôn viên thư giãn cho giáo viên ở trường học thì đây là một trong những sản phẩm lý tưởng mà chúng ta nên lắp đặt để phục vụ một cách tối ưu cho mọi người cùng được sử dụng và trải nhiệm những loại thức uống do chính chúng ta lựa chọn 1.2 Tình hình nghiên cứu Sau đây là những sản phẩm đã được thực nghiệm và hiện thực hóa: Đầu tiên nói đến máy pha chế thì tác giả được biết ở Đà Nẵng đã có một nhóm sinh viên từng thực hiện máy pha chế cocktail. Máy được thiết kế gồm 2 phần: phần cơ khí và phần điện tử được điều khiển thông qua chiếc smartphone. Được đánh giá khá tốt về mặt sáng tạo, sản phẩm của nhóm đã mang đến một sản phẩm tuy đơn giản nhưng có tính ứng dụng cao.

Điểm 2 nổi bật của máy pha chế rượu này có thể thay đổi nhiều loại nguyên liệu theo ý muốn của người sử dụng, về mặt an toàn vệ sinh cũng khá ổn và rất dễ sử dụng. Điểm hạn chế của mô hình này là chưa có chức năng thông báo còn bao nhiêu nguyên liệu trong máy cho người dùng cũng như việc mất thời gian hay người dùng không thích tải app gì đó chỉ để dùng một lần. 1 Mô hình máy pha chế cocktail của nhóm sinh viên Đà Nẵng Kế tiếp phải kể đến mô hình của nhóm sinh viên FPT. Mô hình máy pha chế cocktail này của nhóm sinh viên FPT được các doanh nghiệp đánh giá rất cao.

Nhìn sơ qua mô hình rất đơn giản với mỗi đầu ống bơm được thiết kế đưa vào một bình hương liệu và tất cả đầu ra của ống bơm được đưa chung vào một đầu ra và chảy xuống ly. Nguồn hương liệu đa dạng, có thể pha chế được nhiều loại thức uống khác nhau. Một trong những nhược điểm ở đây là tốc độ xả vào ly quá mạnh gây ra nguyên liệu bị văng ra ngoài, việc đầu ra chỉ một vòi cho tất cả các dung dịch sẽ làm lẫn hương vị của dung dịch được chọn với dung dịch được chọn trước đó, điều này sẽ làm mất vị nguyên bản của các dung dịch tạo cảm giác không hài lòng cho người dùng khó tính. 2 Mô hình máy pha chế cocktail của nhóm sinh viên FPT Tiếp đến là mô hình máy pha chế của các sinh viên Hutech.

Mô hình này cơ bản đã hoàn thiện hầu hết các nhược điểm mắc phải của hai máy trước đó. Tuy nhiên vẫn còn một nhược điểm là nếu người sử dụng muốn yêu cầu nước bắt buộc phải tải app mà không thể trực tiếp thao tác tại quầy bán nước. Từ đó mô hình không hoàn toàn phù hợp với tất cả mọi người nhất là những người không có nhiều kiến thức về sử dụng và các thao tác cài đặt ứng dụng trên smartphone 4 Hình 1. 3 Mô hình máy pha chế cocktail của nhóm sinh viên HUTECH Qua những thực nghiệm của các sản phẩm đi trước nhóm đã học hỏi được nhiều ưu điểm và nhược điểm nhằm để cải thiện và nâng cấp đưa ra mô hình tối ưu hơn.

Tuy còn nhiều thiếu sót về nhiều khâu nhưng nhóm đã đưa ra những giải pháp nhằm tối ưu những khuyết điểm hiện hữu trong quá trình chạy sản phẩm. Ban đầu nhóm dùng cảm biến khối lượng (load cell) nhằm để cân chính xác từng phần nước một và trong quá trình thực hiện đã xảy ra những vấn đề không mong muốn, do nhiệt độ môi trường thay đổi, dòng điện không ổn định nên khối lượng đã có sự sai lệch so với tính toán thực tế ban đầu. Và nhóm đã đưa giải pháp thay thế là cảm biến lưu lượng nước với sự nhanh nhạy, độ chính xác đến từng ml. Tạo nên chuẩn mực rõ ràng không bị sai lệch tránh gây ra những rủi ro không đáng có như hàm lượng bị thừa gây đổ ra ngoài hoặc là sự thiếu hụt không được như ý muốn của người sử dụng.

Mô hình của nhóm được thiết kế mang lại sự tiện nghi tiện lợi và dễ sử dụng cho mọi người, tiết kiệm được thời gian và chi phí. Ta chỉ cần thực hiện các thao tác trên màng hình HMI, chúng ta không phải mất nhiều thời gian để chuận bị cho bất kỳ điều gì, trên màn hình sẽ có nhiều lựa chọn để chọn, có thể chon công thức được 5 gợi ý hoặc là người sử dụng sẽ được hóa thân thành một người pha chế “chuyên nghiệp” chọn loại nước mình thích và tùy chỉnh theo ý muốn của bản thân sau đó chỉ cần nhấn vào lệnh pha chế trên màn hình, chỉ cần đợi sau khoảng một phút là chúng ta đã có một ly nước tuyệt vời để thưởng thức.3 Mục đích nghiên cứu Mỗi một sáng kiến hay sản phẩm điều có một chức năng trong xã hội này. Nó có thể không giải quyết vấn đề này nhưng có thể lại giúp ích trong trong những trường hợp khác. Và sản phẩm máy pha chế nước uống tự động sẽ hướng đến giải quyết 2 vấn đề cấp thiết đó là sự tiện lợi và tính kinh tế.

Đầu tiên phải nói đến đó là sự tiện lợi, tiết kiệm thời gian cho người sử dụng. Màn hình điều khiển được thiết kế đơn giản nhất có thể giúp cho mọi người nhìn vào dù chỉ lần đầu cũng có thể sử dụng một cách thành thạo. Về tính kinh tế được nói đến ở đây là chi phí sản xuất ra một cái máy pha nước tự động không quá cao mà phạm vi sử dụng lại được rộng rãi. Vậy nên đây là sản phẩm đáng chú ý đối với các nhà đầu tư về các mô hình kinh doanh quán cà phê, tiệm nước giải khát thông minh.4 Nhiệm vụ nghiên cứu Để đáp ứng những nhu cầu của thị trường, dễ dàng sử dụng đối với mỗi người mà chi phí bỏ ra lại không quá cao.

Không những thế lại còn giải quyết được những vấn đề về thời gian cho những người luôn luôn tất bật với công việc. Nhóm đã tìm hiểu và đưa ra bài toán phải xử lý quy trình pha nước làm sao cho thời gian ngắn nhất có thể cùng với đó là sự chính xác, hiệu quả cao cùng với màn hình điều khiển được thiết kế tinh gọn bắt mắt dể dàng cho người sự dụng ngay cả khi đó là lần đầu.5 Các kết quả đạt được của đề tài Sau khi tìm hiểu và phát hiện những vấn đề hiện hữu trong những thực nghiệm trước đó. Kết quả mà đề tài có thể đạt được là: 6 - Tạo ra mô hình tối ưu hơn về kích thước, dễ dàng di chuyển, lắp đặt tại nhiều vị trí. - Quy trình pha chế nhanh, chính xác.

- Khá hợp vệ sinh. - Tạo ra sự đa dạng các loại thức uống.