Đồ án: tốt nghiệp khái quát về máy pha cà phê tự động

Dự án Khái quát về máy pha cà phê tự động áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho phục vụ đào tạo và nghiên cứ

• Tác giả: Hoàng Văn Nghĩa
• Người hướng dẫn: Nguyễn Tuấn
• Trường học: Đại học Đông Á
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Khái quát về máy pha cà phê tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Khái quát về máy pha cà phê tự động

Máy pha cà phê tự động là một thiết bị hiện đại được thiết kế để tự động hóa quy trình pha chế cà phê theo phương pháp phin truyền thống Việt Nam. Đây là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng về tiện lợi và chất lượng. Máy pha cà phê kết hợp công nghệ điều khiển tự động với quy trình pha cà phê truyền thống, giúp đảm bảo hương vị nguyên bản của cà phê Việt. Hệ thống hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ học và điều khiển điện tử, cho phép người dùng chỉ cần thiết lập tham số ban đầu là máy sẽ tự động thực hiện các công đoạn pha chế. Công nghệ này mang lại hiệu quả cao về mặt kinh tế và thời gian, phù hợp cho cả sử dụng gia đình lẫn các cửa hàng cà phê chuyên nghiệp.

1.1. Cấu tạo và nhiệm vụ cụ thể

Cấu tạo máy pha cà phê bao gồm các thành phần chính: bộ chứa nước, bộ gia nhiệt, hệ thống động cơ điện, bộ điều khiển tự động, và bộ lọc phin. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong quy trình pha chế. Nhiệm vụ cụ thể của máy bao gồm: kiểm soát nhiệt độ nước, điều chỉnh áp suất, quản lý thời gian pha chế, và tự động dừng khi hoàn thành. Hệ thống này yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo chất lượng cà phê ổn định.

1.2. Các loại động cơ và yêu cầu an toàn

Động cơ điện một chiều là loại động cơ chính được sử dụng trong máy pha cà phê tự động vì khả năng điều khiển tốc độ và mô-men xoắn linh hoạt. Yêu cầu an toàn cho máy bao gồm: bảo vệ chống quá tải, cách điện an toàn, hệ thống chống tăm, và kiểm soát nhiệt độ an toàn. Máy phải tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế và đảm bảo không gây tổn thương cho người sử dụng.

II. Vi điều khiển PIC 16F877A và hệ thống điều khiển

Vi điều khiển PIC 16F877A là bộ não của máy pha cà phê tự động, đảm nhận toàn bộ các chức năng điều khiển và xử lý dữ liệu. Đây là một vi điều khiển hiệu suất cao với khả năng xử lý nhanh, tiêu thụ điện năng thấp, và tích hợp nhiều module chức năng. Vi điều khiển này được lựa chọn vì tính ổn định, độ tin cậy cao, và chi phí hợp lý. PIC 16F877A hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông, cho phép kết nối với các cảm biến và thiết bị ngoại vi một cách dễ dàng. Nó có bộ nhớ chương trình đủ lớn để lưu trữ các thuật toán điều khiển phức tạp, giúp thực hiện các quy trình pha cà phê với độ chính xác cao.

2.1. Kiến trúc và thông số kỹ thuật

Kiến trúc vi điều khiển PIC 16F877A sử dụng kiến trúc Harvard, cho phép truy cập bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu độc lập. Thông số kỹ thuật chính: tần số nhịp xung tối đa 20MHz, bộ nhớ chương trình 14KB, bộ nhớ RAM 368 byte, 33 chân I/O. Vi điều khiển tích hợp các module Timer, ADC 10-bit, UART, I²C, giúp thực hiện các chức năng đo lường và điều khiển đa dạng cho máy pha cà phê.

2.2. Hệ thống cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến LM35 được sử dụng để đo và giám sát nhiệt độ nước trong quá trình pha chế. Đây là cảm biến tuyến tính, cho phép đầu ra điện áp tỉ lệ thuận với nhiệt độ. LM35 hoạt động ở dải nhiệt độ từ -55°C đến +150°C, có độ chính xác ±0.5°C. Cảm biến kết nối với ADC của PIC 16F877A, cho phép vi điều khiển đọc giá trị nhiệt độ và điều chỉnh hệ thống gia nhiệt để duy trì nhiệt độ tối ưu cho pha cà phê.

III. Thiết kế mạch điều khiển và lắp ráp

Thiết kế mạch điều khiển cho máy pha cà phê tự động bao gồm nhiều mạch con phục vụ các chức năng khác nhau. Mạch tổng quản lý toàn bộ hệ thống, kết nối các cảm biến, động cơ, và bộ điều khiển. Mạch đảo chiều động cơ cho phép thay đổi hướng quay, điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu. Mạch gia nhiệt kiểm soát phần tử gia nhiệt để duy trì nhiệt độ nước ở mức tối ưu. Các linh kiện được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo độ tin cậy, hiệu suất cao, và khả năng hoạt động lâu dài. Quá trình lắp ráp tuân theo sơ đồ nguyên lý chính xác, sử dụng công nghệ CNC hiện đại để cắt mạch in chính xác.

3.1. Mạch đảo chiều và điều khiển động cơ

Mạch đảo chiều động cơ sử dụng các transistor công suất hoặc IC driver để điều khiển hướng dòng điện qua cuộn dây động cơ. Mạch điều khiển động cơ tích hợp PWM (Pulse Width Modulation) để điều chỉnh tốc độ quay mềm mại. Các linh kiện chủ chốt bao gồm: transistor MOSFET, diode bảo vệ, tụ lọc, và trở kéo. Thiết kế đảm bảo an toàn toàn diện với các tính năng chống quá dòng, quá nhiệt, và bảo vệ IC điều khiển.

3.2. Linh kiện và sơ đồ nguyên lý

Linh kiện chính sử dụng trong mạch máy pha cà phê bao gồm: IC PIC 16F877A, cảm biến LM35, transistor 2N2222/2N2907, diode 1N4007, IC driver motor L298N. Các tụ điện dùng cho lọc và nạp năng lượng, trở điều chỉnh dòng và phân áp. Sơ đồ nguyên lý hiển thị kết nối chi tiết giữa các linh kiện, đảm bảo tính logic và hiệu suất tối đa cho toàn hệ thống.

IV. Chương trình điều khiển và quy trình pha chế

Chương trình điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly, chạy trên vi điều khiển PIC 16F877A. Chương trình quản lý toàn bộ quy trình pha chế theo thuật toán được tối ưu hóa. Quy trình pha chế tự động bao gồm các bước: khởi động hệ thống, gia nhiệt nước đến nhiệt độ tối ưu (80-95°C), kiểm soát áp suất và tốc độ nhỏ giọt, quản lý thời gian pha chế, và dừng tự động khi hoàn thành. Chương trình sử dụng ngắt ngũng hàng để xử lý sự kiện từ các cảm biến, đảm bảo phản ứng nhanh và chính xác. Giao diện người dùng đơn giản, cho phép nhập thông số cơ bản như loại cà phê và lượng nước.

4.1. Bảng phân công vào ra và logic điều khiển

Bảng phân công vào/ra định nghĩa tất cả chân I/O của PIC 16F877A được sử dụng. Đầu vào bao gồm: cảm biến nhiệt độ LM35 (RA0), nút bấm khởi động (RB0), cảm biến mức nước (RB1). Đầu ra bao gồm: điều khiển phần tử gia nhiệt (RD0), điều khiển động cơ (RD1-RD2), LED trạng thái (RD3-RD4). Logic điều khiển sử dụng vòng lặp chính, các hàm chuyên biệt, và bảng tra cứu để tối ưu hiệu suất.

4.2. Nguyên lý hoạt động chi tiết

Nguyên lý hoạt động bắt đầu từ khởi động: kiểm tra cảm biến mức nước, nếu đủ nước thì bắt đầu gia nhiệt. Khi nhiệt độ đạt mục tiêu, kích hoạt động cơ để đẩy nước qua phin cà phê. Thuật toán điều khiển nhiệt độ sử dụng PID để duy trì nhiệt độ ổn định. Quá trình pha chế được giám sát bởi bộ đếm thời gian; khi hoàn thành, động cơ dừng lại tự động. Hệ thống có các chế độ khác nhau cho các loại cà phê khác nhau, cho phép tùy chỉnh thời gian và nhiệt độ pha chế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ MÁY PHA CÀ PHÊ TỰ ĐỘNG 1. NHIỆM VỤ: Thiết kế và chế tạo máy pha café kiểu truyền thống theo các yêu cầu sau: - Máy thực hiện đúng chu trình pha café và đảm bảo về vệ sinh thực phẩm và hương vị café đặc trưng - Ứng dụng màn hình tương tác, tạo sự gần gũi với người dùng. NHIỆM VỤ CỤ THỂ : - Gia công phần cứng của mạch và các chi tiết của máy - Gia công vỏ máy và các chi tiết của máy - Lập trình cho hoạt động của máy - Thiết kế các bộ phận chính trong máy - Thiết kế và gia công các chi tiết của máy - Nghiên cứu thị trường và định hướng phát triển của máy - Lắp ráp các chi tiết của máy 1.3: CÁC CHUYỀN ĐỘNG CƠ BẢN 1.1: Các loại động cơ thường dùng trong máy pha cà phê Hình 1.1: Motor điện 1 chiều Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 7 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á  Motor giảm tốc một chiều Động cơ có đặt tính điều chỉnh tốc độ động cơ phù hợp với mục đich sử dụng, do đó những công đoạn cần sự chính xác và tốc độ chậm thì motor giảm tốc 1 chiều là một giải pháp tối ưu Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích điện động cơ. Các yêu cầu đối với máy pha cà phê 1.1: Yêu cầu về an toàn Đối với máy ép do người vận hành, yêu cầu an toàn là yếu tố quan trọng, vì nếu xảy ra sự cố có thể trả giá bằng cả tính mạng người vận hành.

Để đảm bảo cho máy ép hoạt động an toàn tuyệt đối thì mọi bộ phận của máy phải có độ chính xác cao 1.2: Yêu cầu chính xác từng công đoạn Các công đoạn hoạt động của máy pha cà phê yêu cầu phải hoạt động và dừng chính xác, khi công đoạn dừng không chính xác sẽ dẫn đến việc không hoạt động hoặc sẽ giảm năng suất làm việc.3: Yêu cầu khác Vì máy pha cà phê hoạt động liên tục nên cần phải có nguồn cấp điện liên tục để đảm bảo cho quá trình hoạt động. Vì khâu vận hành cũng khá đơn giản, hầu hết là tự động nên các yêu cầu về sử dụng đơn giản và dễ hiểu.5: Hoạt động chung của máy pha cà phê Những loại máy pha cà phê hiện đại có câu tạo phức tạp, độ an toàn và tin cậy cao. Các thiết bị điện được đưa về một mạch tổng trên máy pha cà phê nhằm đảm bảo độ bền cho mạch. Các dây điện được đi từ động cơ theo cách thanh sắt về mạch tổng.

Khi hoạt động, bình đun sẽ đun sữa sôi từ 0- 150°C, khi đó van sẽ mở cà phê chảy xuống ly cà phê, tại đây tùy vào yêu cầu của người cần uống cà phê sẽ bấm cho sữa hoặc cho đường tùy vào khả năng uống nhiều hay ít sữa hay đường người ta sẽ bấm 1 lần để bỏ vừa, hoặc bấm 2 lần tương ứng với bỏ nhiều. 2 nút ấn bật và dừng phòng cho trường hợp dừng pha cà phê khi có sự cố bất ngờ xảy ra Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 8 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á 1.6: Thiết bị cơ khí của máy pha cà phê - Hệ thống thiết bị cơ khí dùng để chế tạo máy pha cà phê bao gồm : khung sắt, các bình chứa, và băng chuyền. - Bình đun: với bộ đun nước của ấm diêu tốc ta có thể đun sôi cà phê. - Van xả: khi LM35 tới 95-100°C, dòng điện 220V sẽ kích cho van xã.

- Hệ thống trộn để quay trộn hỗn hợp cà phê, đường, sữa. Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 9 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A VÀ CHUẨN TRUYỀN THÔNG RS485 2. Giới thiệu chung về VĐK PIC: 2. Khái niệm cơ bản về VĐK PIC: PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology.

Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument. PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General Instrument đặt cho dòng sản phẩm đầu tiên của họ là PIC1650. Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với cái tên "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600.

PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM, và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động). Năm 1985 General Instrument bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời. Tuy nhiên PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình. Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởng với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC.), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word.

Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 10 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á Hình 2.1: Vi điều khiển PIC 16F877A Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM,. Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đại học, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau: Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam. Giá thành không quá đắt. Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập.

Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051. Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC. Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển này được sử dụng khá rộng rãi. Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,… Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình từ đơn giản đến phức tạp,… Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không ngừng được phát triển.

PIC sử dụng tập lệnh RISC, với dòng PIC low-end (độ dài mã lệnh 12 Bit ví dụ PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit , ví dụ PIC16Fxxx), tập lệnh bao gồm khoảng 35 lệnh, và 70 lệnh đối với dòng PIC high-end( có độ dài mã lệnh 16bit PIC18Fxxxx). Tập lệnh bao gồm các lệnh tính toán trên các thanh ghi, và các hằng số, hoặc các vị trí ô nhớ, cũng như có các lệnh điều kiện, nhảy/ gọi hàm, và các lệnh quay trở về, nó cũng có các chức năng phần cứng khác như ngắt hoặc sleep( chế độ hoạt động tiết kiệm Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 11 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á điện ). Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB0, nó bao gồm phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM + Ứng dụng của VĐK VĐK thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử, thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.2 Kiến trúc của VĐK PIC Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến trúc: kiến trúc Von Neuman và kiến trúc Havard.2: Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard.

Điểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình. Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển.

Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai bộ nhớ riêng biệt. Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể Trang SVTH: HOÀNG VĂN NGHĨA 12 GVHD: NGUYỄN TUẤN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÔNG Á tương tác với cả hai bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể. Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu. Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh luôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte).

Đặc điểm này được minh họa cụ thể trong hình 2.3 Các dòng PIC và cách lựa chọn VĐK Các kí hiệu của vi điều khiển PIC: PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM) F: PIC có bộ nhớ flash LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash). Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC. Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất.