Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cà phê là thức uống phổ biến trên thế giới kể từ khi được phát hiện vào thế kỷ thứ 9 tại vùng cao nguyên Ethiopia. Tại Việt Nam, thói quen tiêu dùng hình thành hai phương pháp pha chế chính: pha luộc (chi phí thấp, thao tác đơn giản) và pha phin (đòi hỏi kỹ thuật và độ tinh tế cao). Phương pháp pha phin truyền thống tạo ra chất lượng đồ uống đậm đà nhưng phụ thuộc chặt chẽ vào các yếu tố vật lý: nhiệt độ nước sôi nhanh nguội khi rót vào phin trong điều kiện thời tiết lạnh; lực nén bột cà phê nếu quá chặt sẽ làm kéo dài thời gian nhỏ giọt, khiến dung dịch ngâm nước lâu làm tăng hàm lượng caffeine và nguội dần; ngược lại, nếu nén không đủ chặt thì bột cà phê dễ lọt xuống ly và không chiết xuất hết hương vị. Bên cạnh đó, việc sử dụng phin nhôm thông thường với lỗ phin lớn và không có ren xoáy điều chỉnh độ nén gây khó khăn cho việc kiểm soát độ đồng đều của chất lượng đồ uống so với phin inox có ren xoáy.

Trên thị trường hiện nay, phần lớn các dòng máy pha cà phê tự động công nghiệp (như máy pha Espresso, Americano) được thiết kế theo tiêu chuẩn phương Tây, không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và thị hiếu thưởng thức cà phê phin truyền thống của người Việt Nam. Xuất phát từ thực tiễn đó, đề tài "Đồ án thiết kế và chế tạo máy pha café dạng phin" được thực hiện nhằm tự động hóa quy trình pha chế truyền thống, kết hợp kỹ thuật vi xử lý và công nghệ gia công cơ khí chính xác (CNC) để tạo ra sản phẩm tiện lợi, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm và giữ nguyên hương vị đặc trưng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  • Mục tiêu tổng quát: Thiết kế và chế tạo mô hình máy pha cà phê tự động kiểu phin truyền thống, thực hiện đúng chu trình pha chế, đảm bảo vệ sinh thực phẩm, giữ trọn hương vị đặc trưng và tích hợp giao diện màn hình tương tác với người dùng.
  • Nhiệm vụ cụ thể:
    1. Gia công phần cứng của mạch điện và các chi tiết cơ khí của máy.
    2. Gia công vỏ máy và các kết cấu bao che.
    3. Lập trình điều khiển toàn bộ chu trình hoạt động của máy.
    4. Thiết kế các bộ phận chức năng chính bên trong máy.
    5. Thiết kế và gia công các chi tiết truyền động, định vị cơ khí.
    6. Nghiên cứu thị trường và định hướng phát triển của dòng máy pha tự động.
    7. Lắp ráp hoàn thiện các chi tiết cơ - điện vào khung mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống tự động hóa máy pha cà phê dạng phin; vi điều khiển PIC16F877A; cảm biến nhiệt độ LM35; mạch công suất đóng cắt và đảo chiều động cơ DC; cơ cấu đun, van xả, băng chuyền và cơ cấu ép cơ khí.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mạch phần cứng và lập trình mô hình thực nghiệm trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp tại Khoa Điện, Trường Đại học Đông Á (Đà Nẵng), hoàn thành vào năm 2015.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng hệ thống lý thuyết về điều khiển nhúng, kỹ thuật điện tử công suất, đo lường cảm biến và kỹ thuật cơ khí tự động hóa:

  • Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng:
    • Vi điều khiển Microchip PIC16F877A: Cấu trúc phần cứng 8-bit dựa trên kiến trúc Harvard RISC, tách biệt bus dữ liệu và bus chương trình, tập lệnh gồm 35 lệnh độ dài cố định 14-bit, hoạt động với tần số thạch anh tối đa 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns). Bộ nhớ Flash chương trình 8K $\times$ 14-bit (8192 từ lệnh), bộ nhớ dữ liệu RAM 368 $\times$ 8-byte (chia làm 4 bank) và EEPROM 256 $\times$ 8-byte lưu trữ dữ liệu trên 40 năm.
    • Cảm biến nhiệt độ tương tự LM35: Cung cấp dải điện áp hoạt động từ 4V đến 30V, độ nhạy tuyến tính $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, dải đo tiêu chuẩn $0^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$ (hoặc mở rộng $-55^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$ khi kết hợp phân cực diode), tín hiệu điện áp xuất ra được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC 10-bit) của vi điều khiển.
    • Kỹ thuật đóng cắt công suất và cách ly tín hiệu: Sử dụng bộ ghép quang (Optocoupler) để cách ly quang giữa mạch vi xử lý 5V và mạch lực; transistor lưỡng cực (BJT) làm tầng kích trung gian; transistor hiệu ứng trường MOSFET (IRF540 / IRF250) và rơ le (Relay) điện từ để đóng cắt nguồn 24VDC cho động cơ và nguồn 220VAC cho thanh gia nhiệt, van xả.
    • Cảm biến hành trình cơ khí (CTHT): Khí cụ điện hạ áp đóng cắt mạch tiếp điểm để phản hồi vị trí chuyển động cơ học của cơ cấu ép và băng tải về vi điều khiển, đảm bảo giới hạn hành trình và an toàn liên động.
Thành phần hệ thống Thông số / Công nghệ áp dụng Chức năng kỹ thuật
Vi điều khiển Microchip PIC16F877A (20 MHz, 40 chân, 33 chân I/O) Xử lý trung tâm, quản lý ngắt, định thời, đọc ADC và xuất tín hiệu điều khiển
Cảm biến nhiệt độ LM35 ($10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, tuyến tính, 4V - 30V) Đo nhiệt độ bình đun nước/sữa trong dải $0^\circ\text{C} - 150^\circ\text{C}$
Cách ly & Công suất Opto cách ly, Transistor BJT, MOSFET IRF540/IRF250, Rơ le Cách ly xung điều khiển, khuếch đại dòng kích và đảo chiều động cơ DC
Chấp hành nhiệt & van Bộ đun ấm siêu tốc 220VAC, van điện từ xả 220VAC Đun sôi nước/sữa và cấp xả dung dịch tại ngưỡng $95^\circ\text{C} - 100^\circ\text{C}$
Cảm biến vị trí Công tắc hành trình (CTHT) Định vị cơ học, ngắt hành trình động cơ ép và băng chuyền
Giao diện tương tác Màn hình LCD, nút ấn định lượng (1 lần/2 lần), nút dừng sự cố Hiển thị trạng thái hoạt động và tiếp nhận lệnh điều chỉnh từ người dùng
  • Phương pháp nghiên cứu thực tế:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp: Nghiên cứu sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A, tập lệnh hợp ngữ ASM, cấu tạo các cổng xuất nhập (PORTA đến PORTE), các bộ định thời Timer0/1/2 và các module chuyển đổi ADC.
    • Phương pháp thiết kế và mô phỏng hệ thống: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tổng, mạch in (PCB) điều khiển động cơ và mạch đảo chiều trên phần mềm chuyên ngành; biên dịch chương trình trên môi trường MPLAB IDE.
    • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Lắp ráp phần cứng mô hình, kiểm tra mạch nạp vi điều khiển qua các chuẩn ICSP, đo đạc điện áp ngõ ra của cảm biến LM35 và hiệu chỉnh các mốc tác động của rơ le công suất.
  • Nguồn dữ liệu: Tài liệu tra cứu vi điều khiển "Select PIC guide" của Microchip; dữ liệu kỹ thuật các linh kiện bán dẫn (IRF540, BJT, Opto, PIC16F877A, LM35); các thông số vận hành thực tế đo đạc trực tiếp trên mô hình máy pha cà phê.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển máy pha cà phê dạng phin tự động được tổ chức thành các khối phần cứng và mạch chức năng liên kết chặt chẽ:

[Nguồn 5VDC / 24VDC / 220VAC] 
     [Mạch đảo chiều & Động cơ DC]                        [Mạch công suất 220VAC]
  (Opto + BJT + IRF540 + Rơ le đảo cực)               (Bình đun siêu tốc & Van xả)

1. Kiến trúc mạch điều khiển phần cứng

  • Mạch tổng (Main Control Circuit): Tích hợp khối nguồn hạ áp cấp 5VDC cho vi điều khiển PIC16F877A, khối tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ LM35, khối hiển thị màn hình LCD, khối nhận tín hiệu từ các nút bấm chọn chế độ và các công tắc hành trình (CTHT). Mạch tổng quản trị 2 ngõ ra điều khiển công suất 220VAC dành cho bình đun và van xả điện từ, cùng các đường bus điều khiển xuất sang mạch động cơ DC.
  • Mạch đảo chiều động cơ (Motor Reversing Circuit): Thiết kế với cấu trúc bảo vệ nhiều tầng gồm 2 con Opto cách ly quang nhận tín hiệu logic từ vi điều khiển, 2 transistor BJT đóng vai trò tầng đệm khuếch đại dòng, transistor công suất MOSFET IRF540 (hoặc IRF250) đảm nhiệm vai trò khóa đóng cắt dòng điện và 1 rơ le chuyển mạch tiếp điểm để đảo cực tính dòng điện cấp vào động cơ DC.
    • Nguyên lý quay thuận: Vi điều khiển kích dòng qua Opto 1 $\rightarrow$ BJT mở $\rightarrow$ dòng điện chạy qua chân dẫn của IRF $\rightarrow$ cấp nguồn qua tiếp điểm thường trực của rơ le làm động cơ quay thuận.
    • Nguyên lý quay ngược: Vi điều khiển cấp tín hiệu kích Opto tương ứng $\rightarrow$ BJT kích hoạt cuộn dây rơ le hút tiếp điểm chuyển mạch $\rightarrow$ đảo ngược chiều dòng điện chạy qua rotor làm động cơ quay ngược lại.
  • Mạch điều khiển động cơ băng chuyền (BC) và động cơ khuấy: Sử dụng 1 Opto cách ly, 1 transistor BJT và 1 rơ le. Khi vi điều khiển kích tín hiệu mức 0 logic, Opto dẫn điện kích mở BJT, cấp nguồn cho cuộn hút rơ le đóng tiếp điểm cấp điện 24VDC cho động cơ băng tải hoặc động cơ khuấy vận hành.

2. Kết cấu cơ khí và chu trình vận hành

  • Hệ thống cơ khí: Bao gồm khung đỡ bằng sắt gia công định hình, hệ thống các bình chứa nguyên liệu (cà phê, nước, đường, sữa), băng chuyền vận chuyển ly, bình đun sử dụng bộ gia nhiệt của ấm siêu tốc, van xả điện từ 220VAC chịu nhiệt và cơ cấu trục khuấy trộn.
  • Quy trình hoạt động tự động:
    1. Người dùng kích hoạt nút khởi động trên bảng điều khiển.
    2. Bình đun kích hoạt thanh nhiệt gia nhiệt nước/sữa trong dải từ $0^\circ\text{C}$ đến $150^\circ\text{C}$.
    3. Khi cảm biến LM35 ghi nhận nhiệt độ đạt ngưỡng $95^\circ\text{C} - 100^\circ\text{C}$, vi điều khiển đóng rơ le kích nguồn 220VAC mở van xả để rót nước nóng vào phin cà phê.
    4. Người dùng lựa chọn tỷ lệ nguyên liệu phụ gia qua hệ thống nút bấm: nhấn 1 lần để định lượng mức vừa, nhấn 2 lần để định lượng mức nhiều cho đường hoặc sữa.
    5. Động cơ khuấy vận hành trộn đều hỗn hợp cà phê, sữa và đường trong ly.
    6. Cơ cấu ép và băng tải hoạt động tuần tự dưới sự giám sát của các công tắc hành trình (CTHT). Nếu xảy ra sự cố cơ học hoặc tràn nguyên liệu, 2 nút ấn dừng khẩn cấp cho phép ngắt toàn bộ quy trình ngay lập tức.

3. Xây dựng phần mềm điều khiển

Chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ hợp ngữ (Assembly) và biên dịch qua MPLAB. Cấu hình phần cứng (Configuration Bits) được thiết lập với các cờ: vô hiệu hóa Watchdog Timer (_WDT_OFF), bật bộ định thời cấp nguồn (_PWRTE_ON), chọn dao động thạch anh ngoài (_XT_OSC), tắt chế độ nạp điện áp thấp (_LVP_OFF).

Thuật toán tạo trễ (Delay) phục vụ các chu trình định lượng và quét phím được tính toán dựa trên chu kỳ máy theo công thức: $$t_d = 3(1 + t_v)t_i$$ Trong đó $t_d$ là thời gian trễ thực tế, $t_v$ là giá trị nạp vào thanh ghi delay_reg, và $t_i$ là thời gian của một chu kỳ lệnh: $$t_i = \frac{4}{f_0}$$ Với $f_0$ là tần số của bộ dao động thạch anh ngoại vi (tại 20 MHz thì $t_i = 200\text{ ns}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Khái quát về máy pha cà phê tự động

Chương 1 trình bày tổng quan về lịch sử, sự phát triển của văn hóa cà phê và phân tích các phương pháp pha chế phổ biến trên thế giới như Espresso, Turkish coffee, Americano so với phương pháp pha phin truyền thống của Việt Nam. Tác giả chỉ ra các yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cà phê phin: nhiệt độ tráng phin, tốc độ rót nước, độ chặt của việc nén bột và chất liệu phin (so sánh giữa phin nhôm có lỗ phin to dễ lọt bột và phin inox có ren xoáy điều chỉnh lực nén).

Chương này xác định các yêu cầu kỹ thuật then chốt đối với mô hình máy pha tự động:

  • Yêu cầu về an toàn lao động đối với cơ cấu ép và nguồn điện gia nhiệt.
  • Yêu cầu về độ chính xác tuyệt đối tại từng công đoạn dừng/ngắt chuyển động để tránh làm giảm năng suất máy.
  • Cấu hình thiết bị cơ khí gồm khung sắt định hình, bình đun siêu tốc, van xả điện từ 220VAC, hệ thống khuấy trộn hỗn hợp và băng chuyền tải ly.

Chương 2: Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16F877A và chuẩn truyền thông RS485

Chương 2 tập trung khảo sát cấu trúc vi điều khiển PIC16F877A của hãng Microchip. Tác giả phân tích nguồn gốc phát triển từ dòng PIC1650 (năm 1975) của General Instrument, so sánh ưu điểm của kiến trúc Harvard (bus lệnh và bus dữ liệu độc lập, tăng tốc độ xử lý) so với kiến trúc Von-Neumann (dùng chung bộ nhớ, độ dài lệnh phụ thuộc byte).

        KIẾN TRÚC VON-NEUMANN                     KIẾN TRÚC HARVARD

Nội dung chương trình bày chi tiết các module chức năng của PIC16F877A:

  • Tổ chức bộ nhớ: Bộ nhớ chương trình Flash 8K $\times$ 14-bit (8192 địa chỉ lệnh từ 0000h đến 1FFFh, bộ đếm chương trình PC 13-bit); bộ nhớ dữ liệu RAM 368 byte chia thành 4 bank (chứa các thanh ghi chức năng đặc biệt SFR và thanh ghi mục đích chung GPR); bộ nhớ ngăn xếp (Stack) gồm 8 mức địa chỉ hoạt động theo cơ chế xoay vòng không cờ báo tràn; bộ nhớ EEPROM 256 byte.
  • Cổng xuất nhập (I/O Ports): 5 cổng với tổng cộng 33 chân (PORTA: 6 chân, PORTB: 8 chân có điện trở kéo lên nội, PORTC: 8 chân tích hợp module giao tiếp nối tiếp, PORTD: 8 chân hỗ trợ cổng song song PSP, PORTE: 3 chân tích hợp kênh analog). Hướng xuất/nhập của các cổng được điều khiển tương ứng bởi các thanh ghi TRISA (85h), TRISB (86h), TRISC (87h), TRISD (88h), TRISE (89h).
  • Hệ thống Timer:
    • Timer0: Bộ đếm 8-bit, đi kèm bộ chia tần số (prescaler) 8-bit dùng chung với Watchdog Timer (WDT), điều khiển qua thanh ghi OPTION_REG (81h).
    • Timer1: Bộ định thời/bộ đếm 16-bit (TMR1H:TMR1L), hỗ trợ chế độ đếm đồng bộ và bất đồng bộ, có khả năng đánh thức vi điều khiển từ trạng thái nghỉ (Sleep) và liên kết với khối CCP.
    • Timer2: Bộ định thời 8-bit (TMR2) với thanh ghi chu kỳ PR2 (92h), hỗ trợ 2 bộ chia tần số độc lập prescaler (1:1, 1:4, 1:16) và postscaler (1:1 đến 1:16), cung cấp xung đồng bộ cho khối SSP.
  • Module cảm biến LM35 và ADC: Phân tích nguyên lý cảm biến nhiệt độ LM35 với độ nhạy $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$, dải cấp nguồn $4\text{V} - 30\text{V}$, mạch đo dải nhiệt độ âm kết hợp 2 diode; nguyên lý chuyển đổi ADC 10-bit trên vi điều khiển với các thanh ghi cấu hình điện áp tham chiếu Vref và chọn kênh analog (ADCON0, ADCON1).
  • Mạch nạp và công cụ lập trình: Giới thiệu các công cụ nạp ICSP như PICSTART Plus, MPLAB ICD 2, JDM Programmer, P16PRO40, WARP-13A, MCP-USB và trình biên dịch MPLAB.
Tiêu chí Timer0 Timer1 Timer2
Độ phân giải 8-bit (Giá trị tối đa FFh) 16-bit (Giá trị tối đa FFFFh) 8-bit (Giá trị tối đa FFh)
Thanh ghi lưu trữ TMR0 (01h, 101h) TMR1H:TMR1L (0Eh:0Fh) TMR2 (11h) và PR2 (92h)
Bộ chia tần số Prescaler 8-bit (chia sẻ với WDT) Prescaler 2-bit (1:1, 1:2, 1:4, 1:8) Prescaler (1:1, 1:4, 1:16) + Postscaler (1:1 - 1:16)
Chế độ hoạt động Định thời (Timer) / Đếm (Counter) Định thời (Timer) / Đếm (Đồng bộ/Bất đồng bộ) Định thời (Timer), tạo xung cho module SSP
Đánh thức từ Sleep Không Có (ở chế độ đếm bất đồng bộ) Không

Chương 3: Khảo sát và thiết kế lắp ráp

Chương 3 trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý, cấu tạo và bản vẽ mạch in của các khối chức năng trong mô hình máy pha cà phê:

  • Thiết kế mạch tổng điều khiển trung tâm kết nối nguồn 5V, màn hình LCD, cảm biến nhiệt LM35, cụm nút bấm, cụm tiếp điểm công tắc hành trình (CTHT) và các rơ le điều khiển ngõ ra 220VAC.
  • Thiết kế mạch đảo chiều động cơ DC sử dụng 2 Opto cách ly quang kết hợp transistor BJT, MOSFET công suất IRF540/IRF250 và rơ le chuyển mạch cực tính.
  • Thiết kế mạch đóng cắt động cơ kéo băng chuyền và động cơ khuấy trộn.
  • Phân tích nguyên lý làm việc của các linh kiện: công tắc hành trình cơ học đóng vai trò chuyển động tác va chạm cơ khí thành tín hiệu điện dừng khẩn; nguyên lý đóng ngắt của rơ le điện từ dựa trên lực hút từ trường của cuộn dây; đặc tính dẫn dòng của transistor hiệu ứng trường FET (với 3 cực Gate, Drain, Source có trở kháng ngõ vào cao) và transistor lưỡng cực BJT theo 2 tiếp giáp P-N ($J_1$ phân cực thuận, $J_2$ phân cực ngược).

Chương 4: Thiết kế chương trình điều khiển máy pha cà phê

Chương 4 thiết lập bảng phân công vào/ra (I/O Mapping) cho các cổng vi điều khiển trên mạch tổng và mạch đảo chiều. Xây dựng lưu đồ giải thuật và cấu trúc mã nguồn điều khiển tuần tự: tiếp nhận tín hiệu nút ấn $\rightarrow$ đọc và xử lý tín hiệu analog từ cảm biến LM35 $\rightarrow$ kích hoạt mạch gia nhiệt và van xả 220VAC khi đạt ngưỡng $95^\circ\text{C} - 100^\circ\text{C}$ $\rightarrow$ điều khiển động cơ định lượng sữa/đường theo số lần nhấn nút (1 lần hoặc 2 lần) $\rightarrow$ điều khiển động cơ khuấy $\rightarrow$ kích hoạt băng tải vận chuyển ly thành phẩm có sự giám sát của hệ thống công tắc hành trình.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Chế tạo thành công mô hình phần cứng máy pha cà phê tự động dạng phin vận hành dựa trên chip điều khiển PIC16F877A.
    • Tích hợp thành công khối gia nhiệt và mạch cảm biến nhiệt độ LM35, cho phép kiểm soát quá trình đun nước/sữa chính xác và kích mở van xả 220VAC tự động tại khoảng nhiệt độ $95^\circ\text{C} - 100^\circ\text{C}$.
    • Hoàn thiện mạch đảo chiều và mạch đóng ngắt động cơ DC với cấu trúc 3 tầng: Opto cách ly quang $\rightarrow$ Transistor BJT $\rightarrow$ MOSFET công suất (IRF540/IRF250) và rơ le chuyển mạch.
    • Xây dựng thành công cơ chế giao tiếp qua màn hình LCD và bảng nút bấm tương tác, cho phép người dùng tùy chọn mức phụ gia (đường, sữa) theo 2 mức định lượng (nhấn 1 lần: mức vừa; nhấn 2 lần: mức nhiều) và tích hợp 2 nút dừng sự cố khẩn cấp.
  • Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
    • Ứng dụng giải pháp cách ly quang (Optocoupler) toàn diện giữa khối logic điều khiển 5VDC và các khối chấp hành công suất cao (24VDC và 220VAC) nhằm loại trừ hoàn toàn hiện tượng xung nhiễu công nghiệp dội ngược về vi điều khiển.
    • Tận dụng bộ đun nhiệt của ấm siêu tốc kết hợp cùng van xả điện từ chịu áp để tối ưu hóa thời gian đun sôi nước pha chế.
    • Kết hợp hệ thống công tắc hành trình (CTHT) tại các vị trí giới hạn cơ học của băng tải và cơ cấu ép nhằm tạo cơ chế bảo vệ liên động an toàn tuyệt đối cho thiết bị.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Hiện thực hóa quy trình pha cà phê phin truyền thống của Việt Nam thành một hệ thống tự động hóa cơ điện tử hoàn chỉnh.
    • Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết về sơ đồ nguyên lý mạch in, sơ đồ phân bổ chân I/O và mã nguồn điều khiển vi điều khiển họ PIC phục vụ học tập và nghiên cứu ứng dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Mô hình dừng lại ở mức độ thử nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm Khoa Điện, kết cấu cơ khí chủ yếu sử dụng khung sắt hàn và các cụm chi tiết rời rạc.
    • Độ chính xác dừng cơ học của băng tải và cơ cấu ép phụ thuộc nhiều vào độ nhạy của công tắc hành trình cơ học, chưa tích hợp cảm biến tiệm cận hoặc encoder để phản hồi vị trí góc quay chính xác.
    • Phần truyền thông công nghiệp chuẩn RS485 mới chỉ dừng lại ở bước khảo sát lý thuyết trong đề cương, chưa được tích hợp hoàn chỉnh thành module giao tiếp mạng giám sát tầm xa trên mô hình phần cứng thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Hoàn thiện phần cứng module truyền thông nối tiếp chuẩn RS485 để kết nối máy pha cà phê với máy tính chủ hoặc hệ thống quản lý bán hàng từ xa.
    • Thay thế các công tắc hành trình cơ khí bằng cảm biến quang hoặc cảm biến từ không tiếp xúc nhằm tăng tuổi thọ và độ tin cậy vận hành.
    • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển nhiệt độ bằng giải thuật PID số thông qua module PWM của PIC16F877A nhằm duy trì nhiệt độ nước sôi ổn định hơn.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Cơ điện tử:

  • Tài liệu tham khảo chuyên sâu về vi điều khiển PIC: Chương 2 cung cấp bản phân tích cấu trúc phần cứng của vi điều khiển PIC16F877A (tổ chức bộ nhớ Flash, RAM, EEPROM; cấu hình các cổng I/O; nguyên lý 3 bộ Timer; module ADC; tập lệnh RISC).
  • Mạch lực và ghép nối ngoại vi: Bản vẽ thiết kế mạch đảo chiều động cơ DC sử dụng Opto - BJT - MOSFET (IRF540) - Rơ le tại Chương 3 là mẫu thiết kế chuẩn có thể tái sử dụng cho các đề tài điều khiển cơ cấu chấp hành công suất nhỏ và vừa.
  • Kỹ thuật đo lường nhiệt độ và đóng cắt 220VAC: Phương pháp ghép nối cảm biến LM35 với vi điều khiển và sơ đồ điều khiển phụ tải xoay chiều 220VAC (thanh nhiệt, van từ) có giá trị ứng dụng cao trong các hệ thống thiết bị gia dụng tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển PIC16F877A sử dụng trong đồ án có cấu trúc bộ nhớ và tần số xung nhịp như thế nào?
Vi điều khiển PIC16F877A sử dụng kiến trúc Harvard RISC với tập lệnh 35 lệnh (độ dài lệnh 14-bit). Tần số dao động thạch anh tối đa là 20 MHz, tương ứng với chu kỳ một lệnh máy là 200 ns. Bộ nhớ chương trình Flash có dung lượng 8K $\times$ 14-bit (8192 từ lệnh); bộ nhớ dữ liệu RAM có dung lượng 368 $\times$ 8-byte chia làm 4 bank; bộ nhớ EEPROM dung lượng 256 $\times$ 8-byte với độ bền lưu trữ dữ liệu trên 40 năm.

2. Cảm biến LM35 đo nhiệt độ và kích hoạt van xả nước sôi theo nguyên lý nào?
Cảm biến LM35 là cảm biến tương tự hoạt động trong dải điện áp từ 4V đến 30V, điện áp ngõ ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo hệ số $10\text{ mV/}^\circ\text{C}$. Vi điều khiển đọc giá trị điện áp này thông qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit. Khi nhiệt độ bình đun đạt ngưỡng từ $95^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$, vi điều khiển sẽ kích hoạt rơ le đóng nguồn 220VAC để mở van xả, cho phép nước sôi rót trực tiếp vào ly cà phê.

3. Mạch đảo chiều động cơ DC trong mô hình được cấu tạo từ những linh kiện nào và vận hành ra sao?
Mạch đảo chiều gồm có 2 Opto cách ly quang, 2 transistor BJT, 1 MOSFET công suất IRF540 (hoặc IRF250) và 1 rơ le chuyển mạch tiếp điểm. Khi vi điều khiển kích Opto 1, BJT dẫn dòng kích mở MOSFET cho dòng điện chạy qua rơ le làm động cơ quay thuận. Khi kích Opto tương ứng còn lại, BJT kích cuộn dây rơ le hút đóng tiếp điểm đảo cực dòng điện, làm động cơ quay theo chiều ngược lại.

4. Người dùng tương tác và lựa chọn định lượng phụ gia (đường, sữa) trên máy như thế nào?
Máy được trang bị màn hình LCD hiển thị trạng thái và cụm nút bấm điều khiển. Tùy theo khẩu vị, người dùng chọn thêm đường hoặc sữa bằng cách nhấn nút tương ứng: nhấn 1 lần để máy định lượng mức vừa, nhấn 2 lần để định lượng mức nhiều. Ngoài ra, trên bảng điều khiển có bố trí 2 nút ấn bật nguồn và nút dừng khẩn cấp để ngắt hệ thống khi xảy ra sự cố.

5. Công tắc hành trình (CTHT) đóng vai trò gì trong hệ thống máy pha cà phê?
Công tắc hành trình là khí cụ điện hạ áp đóng cắt tiếp điểm khi có tác động va chạm cơ khí từ các bộ phận chuyển động. Trong mô hình, CTHT được bố trí tại các vị trí giới hạn của cơ cấu ép và băng chuyền nhằm chuyển đổi chuyển động cơ học thành tín hiệu điện báo về vi điều khiển, giúp cơ cấu dừng chính xác tại vị trí định sẵn, không vượt quá giới hạn an toàn và bảo vệ liên động cho toàn bộ hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Văn Nghĩa (ngành Điện, Trường Đại học Đông Á, năm 2015) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy pha cà phê dạng phin tự động ứng dụng vi điều khiển PIC16F877A. Đề tài giải quyết tốt bài toán tự động hóa quy trình pha chế truyền thống thông qua việc tích hợp mạch cảm biến nhiệt độ LM35 kiểm soát van xả ở ngưỡng $95^\circ\text{C} - 100^\circ\text{C}$, mạch đảo chiều động cơ DC cách ly quang và hệ thống công tắc hành trình an toàn. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao trong lĩnh vực thiết bị cơ điện tử dân dụng và tự động hóa công nghệ thực phẩm.