Đồ án tốt nghiệp về máy pha cà phê tự động tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp về máy pha cà phê tự động là một trong những dự án thú vị và đầy… 123 trang · Ho Chi Minh City University of Technology and Education · 2024.

• Tác giả: Pham Quoc Huy
• Người hướng dẫn: Nguyen Tan Doi
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Automation and Control Engineering Technology
• Đề tài: Automatic Coffee Machine
• Loại tài liệu: graduation thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGMENTS
• CONTENTS
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW
• 1.1. Content: Giving an overview of the report, including the issues, goals and limitations of the topic
• 2. CHƯƠNG 2: THEORETICAL BASIS
• 2.1. Coffee machine presentation, including the sorts of coffee machines available today, a PLC overview, a system overview, and an explanation of how the system works
• 3. CHƯƠNG 3: CALCULATION AND DESIGN
• 3.1. List the hardware components that are used in the project
• 3.2. Present the system design and how to connect the system's hardware devices
• 4. CHƯƠNG 4: SYSTEM CONSTRUCTION
• 4.1. Describing the entire hardware and software construction process
• 5. CHƯƠNG 5: RESULT
• 5.1. Showing the results attained throughout the project's implementation
• 6. CHƯƠNG 6: CONCLUSION AND DEVELOPMENT
• 6.1. Presenting conclusions after completion and providing development directions for the topic

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp Máy pha cà phê tự động

Đồ án tốt nghiệp về máy pha cà phê tự động là một trong những dự án thú vị và đầy thách thức trong lĩnh vực công nghệ tự động hóa. Dự án này không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn mang lại giá trị thực tiễn cho người tiêu dùng. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và chế tạo một máy pha cà phê tự động sử dụng công nghệ PLC, giúp tối ưu hóa quy trình pha chế và nâng cao trải nghiệm người dùng.

1.1. Lịch sử phát triển của máy pha cà phê

Máy pha cà phê đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1800. Sự ra đời của các công nghệ mới đã giúp cải thiện chất lượng và tiện ích của máy pha cà phê, từ những thiết kế đơn giản đến các máy pha cà phê thông minh hiện đại.

1.2. Tầm quan trọng của máy pha cà phê tự động

Máy pha cà phê tự động không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo chất lượng đồng nhất cho mỗi ly cà phê. Điều này đặc biệt quan trọng trong ngành dịch vụ, nơi mà tốc độ phục vụ và chất lượng sản phẩm là yếu tố cạnh tranh hàng đầu.

II. Vấn đề và thách thức trong việc pha cà phê

Mặc dù việc pha cà phê là một nghệ thuật, nhưng nó cũng đối mặt với nhiều thách thức. Việc đảm bảo chất lượng đồng nhất cho mỗi ly cà phê là một trong những vấn đề lớn nhất mà các quán cà phê và nhà hàng phải đối mặt. Hơn nữa, thời gian phục vụ cũng là một yếu tố quan trọng trong việc thu hút khách hàng.

2.1. Khó khăn trong việc pha chế thủ công

Pha cà phê thủ công đòi hỏi sự tỉ mỉ và kỹ năng cao. Điều này có thể dẫn đến sự không đồng nhất trong chất lượng cà phê, ảnh hưởng đến trải nghiệm của khách hàng.

2.2. Nhu cầu về máy pha cà phê tự động

Với sự phát triển của công nghệ, nhu cầu về máy pha cà phê tự động ngày càng tăng. Những máy này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo chất lượng cà phê tốt hơn.

III. Phương pháp thiết kế máy pha cà phê tự động

Để thiết kế một máy pha cà phê tự động, cần phải áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng PLC trong thiết kế giúp tối ưu hóa quy trình pha chế và đảm bảo tính chính xác trong từng bước thực hiện.

3.1. Nguyên lý hoạt động của máy pha cà phê

Máy pha cà phê hoạt động dựa trên nguyên lý tự động hóa, sử dụng PLC để điều khiển các thiết bị như bơm, cảm biến và hệ thống nhiệt. Điều này giúp quy trình pha chế diễn ra một cách mượt mà và hiệu quả.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển của máy pha cà phê tự động được thiết kế dựa trên các yêu cầu cụ thể về chất lượng và tốc độ phục vụ. Việc lập trình PLC cho phép tùy chỉnh các công thức pha chế theo sở thích của người dùng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của máy pha cà phê tự động

Máy pha cà phê tự động có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, từ quán cà phê đến văn phòng làm việc. Sự tiện lợi và hiệu quả của máy giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và tiết kiệm thời gian cho nhân viên.

4.1. Ứng dụng trong quán cà phê

Trong các quán cà phê, máy pha cà phê tự động giúp tăng tốc độ phục vụ và đảm bảo chất lượng đồng nhất cho mỗi ly cà phê, từ đó thu hút khách hàng quay lại.

4.2. Ứng dụng trong văn phòng

Máy pha cà phê tự động cũng rất hữu ích trong môi trường văn phòng, nơi mà nhân viên cần nhanh chóng có được một ly cà phê để tăng cường năng suất làm việc.

V. Kết luận và tương lai của máy pha cà phê tự động

Máy pha cà phê tự động không chỉ là một sản phẩm công nghệ mà còn là một giải pháp cho những thách thức trong việc pha chế cà phê. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của máy pha cà phê tự động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và tiện ích hơn nữa cho người tiêu dùng.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ

Công nghệ tự động hóa trong ngành thực phẩm đang phát triển mạnh mẽ. Máy pha cà phê tự động sẽ ngày càng thông minh hơn, với khả năng tùy chỉnh cao và tích hợp nhiều tính năng mới.

5.2. Tác động đến ngành cà phê

Sự phát triển của máy pha cà phê tự động sẽ không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn thay đổi cách thức phục vụ trong ngành cà phê, từ đó nâng cao trải nghiệm của người tiêu dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong đời sống hiện đại, cà phê là thức uống phổ biến và gắn liền với văn hóa, thói quen sinh hoạt của người Việt Nam. Nhu cầu thưởng thức cà phê ngày càng gia tăng và đa dạng về khẩu vị. Tuy nhiên, quy trình pha chế cà phê thủ công truyền thống đòi hỏi sự tỉ mỉ, thời gian cũng như tay nghề của người pha chế (barista). Việc pha chế thủ công thường gặp khó khăn trong việc duy trì tính đồng nhất về chất lượng giữa các ly cà phê, từ tỷ lệ pha trộn nguyên liệu, nhiệt độ đến thời gian khuấy trộn. Tại các quán cà phê, nhà hàng hoặc khu vực văn phòng, việc phục vụ chậm có thể ảnh hưởng đến trải nghiệm của khách hàng.

Nhằm giải quyết bài toán về tốc độ phục vụ và chuẩn hóa chất lượng sản phẩm, việc ứng dụng công nghệ điều khiển tự động hóa vào máy pha cà phê là hướng đi cần thiết. Đồ án tập trung nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) – một thiết bị công nghiệp có độ tin cậy cao, khả năng lập trình linh hoạt và chống nhiễu tốt – để tự động hóa toàn diện quy trình định lượng, gia nhiệt, pha trộn và rót đồ uống theo công thức định trước.

Đề tài xác định mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng máy pha cà phê tự động với kết cấu cơ khí và tủ điện đạt chuẩn an toàn thực phẩm và an toàn điện.
2. Lập trình hệ thống điều khiển tự động trên nền tảng PLC để xử lý các thuật toán định lượng, khuấy trộn và gia nhiệt.
3. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên màn hình HMI (Human-Machine Interface) phục vụ việc vận hành, cài đặt công thức và kiểm tra thiết bị.
4. Cung cấp đa dạng các loại đồ uống cài đặt sẵn (cà phê đen, cà phê đen đường, cà phê sữa, bạc xỉu) và hỗ trợ chế độ pha chế theo công thức tùy chỉnh.
5. Tiến hành lắp ráp, chạy thử nghiệm, đo đạc sai số định lượng, hiệu chỉnh và hoàn thiện báo cáo thuyết minh đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống máy pha cà phê tự động dạng bán tự động (Semi-Automatic) sử dụng nguyên liệu dạng lỏng pha sẵn (nước cà phê, sữa, đường).
• Phạm vi không gian và ứng dụng: Mô hình phục vụ trong môi trường văn phòng, hội nghị, sự kiện; không tích hợp hệ thống thanh toán tiền tự động.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được thực hiện từ tháng 02/2024 đến tháng 06/2024 tại Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ sử dụng

• Phân loại máy pha cà phê: Đồ án tổng hợp các dòng máy pha cà phê hiện nay gồm máy nhỏ giọt (Drip Coffee Makers), máy pha Espresso áp suất cao, máy pha cà phê viên nén (Pod Coffee Machines), bình ép kiểu Pháp (French Press) và dòng máy bán tự động (Semi-Automatic Coffee Machines). Mô hình đồ án áp dụng nguyên lý của dòng bán tự động: nguyên liệu lỏng được chứa trong các bình riêng biệt, hệ thống bơm định lượng sẽ bơm vào buồng trộn theo tỷ lệ rồi rót ra ly.
• Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller): Đồ án tìm hiểu tổng quan các dòng PLC phổ biến trên thị trường (Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, Omron, Schneider Electric, ABB, Panasonic, Fatek). Nghiên cứu lựa chọn nền tảng board mạch điều khiển PLC FX3U-24MR mô phỏng tập lệnh Mitsubishi, hỗ trợ lập trình qua phần mềm GX Developer / GX Works2 với ngôn ngữ Ladder Logic.
• Động cơ một chiều (DC Motor): Cơ sở lý thuyết về động cơ DC (gồm Stator, Rotor, Cổ góp, Chổi than, Trục quay) hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ và quy tắc bàn tay trái; được ứng dụng trực tiếp cho cụm cánh khuấy tạo bọt.
• Chuẩn truyền thông nối tiếp RS232: Giao thức truyền thông nối tiếp bất đồng bộ qua cổng DB9, quy định mức điện áp logic (-3V đến -12V cho mức 1/MARK; +3V đến +12V cho mức 0/SPACE), tốc độ truyền (baud rate) và cấu hình chân kết nối giữa PLC và HMI.

Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Phân chia hệ thống thành hai phân hệ độc lập gồm phân hệ cơ khí (khung máy, bình chứa nguyên liệu, buồng trộn, khay đá, giá đỡ ly) và phân hệ điện - điều khiển (nguồn, PLC, HMI, rơ le, cảm biến, cơ cấu chấp hành).
• Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm: Chế tạo mô hình thực tế, đo đạc lưu lượng bơm trong các khoảng thời gian xác định (thực nghiệm đo thể tích trong 20 giây), kiểm tra độ chính xác của tỷ lệ phối trộn các loại đồ uống, đo thời gian hoàn thành từng chu trình pha chế và đánh giá sai số thể tích rót vào ly (chuẩn ly 150ml).

---

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống được thiết kế thành các khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối Cảm Biến]    [Khối Gia Nhiệt]     [Khối Bơm Định Lượng]  [Khối Khuấy Trộn]
- Quang: E3F-DS30C4 - Tấm nhiệt          - 4 Bơm rung ULKA EP4  - Động cơ DC 775
- Nhiệt độ: W1209   - Cảm biến NTC       - Đo lưu lượng: YF-S401- Cánh khuấy Inox
- Lưu lượng: YF-S401

Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật các thiết bị chính trong hệ thống:

STT	Thiết bị / Module	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Mục đích sử dụng
1	Board điều khiển PLC	FX3U-24MR-6AD-2DA	24VDC, 14 DI (NPN), 10 DO (Relay), 6 AI, 2 AO, cổng RS232 DB9	Điều khiển trung tâm toàn bộ chu trình hệ thống
2	Màn hình giao diện HMI	Touchwin OP320A	Kích thước màn hình 4 inch, kết nối RS232, baud rate 38400 bps	Giao diện cài đặt thông số và điều khiển vận hành
3	Bộ nguồn tổ ong	12VDC - 10A	Công suất 120W, điện áp vào 180–240VAC	Cấp nguồn cho động cơ khuấy, rơ le trung gian
4	Bộ chuyển đổi DC-DC Boost	XL6009	Điện áp vào 3–32V, ngõ ra 5–35V (chỉnh 24V), dòng max 4A	Tăng áp từ 12VDC lên 24VDC cấp cho PLC và HMI
5	Bộ chuyển đổi DC-DC Buck	XL4015	Điện áp vào 4–38V, ngõ ra 1.25–36V (chỉnh 10V), dòng max 5A	Hạ áp từ 12VDC xuống 10VDC cho motor khuấy 775
6	Động cơ khuấy trộn	DC 775	Nguồn 10VDC (qua XL4015), tốc độ thiết kế 6000–8000 rpm	Dẫn động cánh khuấy inox tạo bọt và trộn đều
7	Cảm biến quang nhận diện ly	E3F-DS30C4	Loại phản xạ khuếch tán, ngõ ra NPN NO, khoảng cách 0–30cm	Phát hiện ly đã đặt đúng vị trí trước khi rót
8	Module cảm biến nhiệt độ	W1209	Kèm đầu dò NTC, dải đo -50 đến 110°C, hiển thị LED 7 đoạn	Đo và duy trì nhiệt độ ổn định cho bình cà phê
9	Bơm định lượng nguyên liệu	ULKA EP4	Bơm rung (vibration pump), 4 chiếc	Bơm nguyên liệu vào buồng trộn và bơm ra ly
10	Rơ le trung gian	OMRON LY2N-J	Nguồn cuộn hút 12VDC, 8 chân (2 cặp tiếp điểm NO/NC), dòng 10A	Cách ly công suất giữa ngõ ra PLC và tải chấp hành
11	Aptomat bảo vệ	NXB-63 C32	Dòng định mức 32A, 2 cực (2P), dòng cắt ngắn mạch 10kA	Đóng cắt và bảo vệ quá tải, ngắn mạch toàn hệ thống

Thiết kế cơ khí và bố trí không gian

• Kích thước khung máy: 52cm x 38cm x 42cm, khung chế tạo bằng các thanh nhôm định hình chịu lực, xung quanh ốp các tấm mica trong suốt và thẩm mỹ. Khung được chia thành hai khoang: khoang cơ khí và khoang điện.
• Hệ thống bình chứa: Gồm 3 bình chứa nguyên liệu lỏng (cà phê, sữa đặc, đường lỏng) đặt ở tầng trên, dung tích mỗi bình 600ml, kích thước 25x20cm, gia công bằng vật liệu inox không gỉ (độ dày 2–3mm) đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Bình cà phê được tích hợp tấm nhiệt gia nhiệt bên dưới.
• Buồng trộn (Mixing tank): Dung tích 600ml bằng inox dày 2–3mm, gắn cơ cấu khuấy cánh gạt inox bán kính 2cm nối trực tiếp với trục động cơ DC 775.
• Khoang chứa ly và khay đá: Khoang để ly kích thước 110x110mm làm bằng mica; khay chứa đá viên bằng nhựa ABS kích thước 130x100x80mm có nắp mở. Khung màn hình mặt trước kích thước 17x9 cm chứa màn hình HMI và 2 đèn báo trạng thái LED.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan (Overview)

Chương 1 trình bày tổng quan về đề tài, lý do lựa chọn nghiên cứu máy pha cà phê tự động ứng dụng PLC trong bối cảnh nhu cầu tự động hóa dịch vụ ăn uống ngày càng tăng. Tác giả xác định các mục tiêu cốt lõi, nhiệm vụ thiết kế, phạm vi nghiên cứu (mô hình bán tự động phục vụ hội nghị/văn phòng, không tích hợp thanh toán) và xây dựng kế hoạch thực hiện chi tiết trong 20 tuần (từ 08/01/2024 đến 01/06/2024).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết (Theoretical basis)

Chương này đi sâu vào cơ sở khoa học của các thành phần trong hệ thống:

• Lịch sử phát triển của máy pha cà phê từ thế kỷ 19, phát minh giấy lọc năm 1908 của Melitta Bentz, máy pha espresso năm 1945 của Achille Gaggia và các cấu trúc máy hiện đại.
• Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC, chu kỳ quét chương trình, các chuẩn ngôn ngữ lập trình; phân tích ưu điểm về giá thành, tính linh hoạt và tính sẵn có của dòng PLC Mitsubishi tại thị trường Việt Nam; giới thiệu cấu tạo board FX3U-24MR.
• Cấu tạo và nguyên tắc vận hành của động cơ DC theo quy tắc bàn tay trái.
• Chi tiết chuẩn truyền thông RS232, sơ đồ chân kết nối DB9 (TXD, RXD, GND, RTS, CTS, DTR, DSR, DCD, RI) và các ưu - nhược điểm về cự ly truyền dẫn và tốc độ.

Chương 3: Tính toán và thiết kế (Calculation and Design)

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình vận hành 5 bước của hệ thống và tính toán lựa chọn thiết bị:

• Yêu cầu kỹ thuật đối với từng khối chức năng (cơ khí, điện, đo lường, giám sát).
• Thiết kế bản vẽ 3D và kích thước chi tiết khung máy, bình nguyên liệu inox 600ml, buồng trộn cánh khuấy 600ml, khay đá ABS, giá đỡ ly và màn hình.
• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống, sơ đồ mạch cấp nguồn 220VAC/12VDC/24VDC, sơ đồ đấu nối ngõ vào (DI) / ngõ ra (DO) của PLC FX3U-24MR, sơ đồ mạch lực điều khiển tải qua rơ le trung gian LY2N-J.
• Lựa chọn giải pháp hạ áp động cơ khuấy từ 12V xuống 10V qua module XL4015 nhằm triệt tiêu tiếng ồn và tránh quá nhiệt; dùng module XL6009 nâng áp lên 24V nuôi PLC/HMI.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể và lưu đồ chi tiết cho từng chế độ vận hành.

Chương 4: Chế tạo hệ thống (System construction)

Tác giả mô tả quá trình gia công, lắp ráp và lập trình:

• Lắp dựng khung nhôm, ốp tấm mica, gá đặt cố định vị trí 4 bơm ULKA EP4, 3 bình nguyên liệu inox, tấm gia nhiệt đáy bình cà phê, buồng trộn và motor khuấy.
• Bố trí và đi dây tủ điện điều khiển bên trong khoang điện; đấu nối cảm biến quang E3F-DS30C4 nhận diện ly và mạch W1209 điều khiển nhiệt độ.
• Kết nối truyền thông nối tiếp RS232 giữa cổng DB9 của PLC FX3U-24MR và màn hình HMI OP320A.
• Thiết kế giao diện HMI gồm màn hình chính, màn hình chế độ tự động (giao diện chọn 4 món: Cà phê đen, Cà phê đen đường, Cà phê sữa, Bạc xỉu), giao diện chế độ thủ công (Manual mode) và giao diện kiểm tra từng bơm (Pump Testing mode).

Chương 5: Kết quả (Result)

Chương này công bố các kết quả thực nghiệm hoàn thiện mô hình:

• Hình ảnh hoàn thiện cơ khí mặt trong, mặt ngoài máy và tủ điện điều khiển.
• Các màn hình hiển thị vận hành thực tế trên HMI OP320A.
• Dữ liệu thực nghiệm đo lường thể tích bơm của từng đầu bơm trong 20 giây, lượng nguyên liệu bơm vào buồng trộn theo từng công thức pha chế, tổng thể tích dung dịch rót vào ly (dung tích mục tiêu 150ml) và bảng tổng hợp thời gian vận hành chi tiết cho từng loại đồ uống.

Chương 6: Kết luận và phát triển (Conclusion and Development)

Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, khẳng định tính ổn định và khả năng hoạt động với tỷ lệ lỗi thấp của mô hình; đồng thời nêu rõ các hạn chế và đề xuất giải pháp phát triển trong tương lai.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Hoàn thiện mô hình phần cứng: Chế tạo thành công mô hình máy pha cà phê tự động nhỏ gọn (kích thước 52cm x 38cm x 42cm), khoang cơ khí và khoang điện tách biệt rõ ràng, kết cấu vững chắc, giảm thiểu rung lắc khi 4 bơm hoạt động đồng thời.
2. Hệ thống điều khiển ổn định: Tích hợp thành công board PLC FX3U-24MR kết nối màn hình HMI OP320A qua giao thức RS232 ở tốc độ 38400 bps, thực hiện điều khiển chính xác các chu trình pha chế.
3. Đa dạng chế độ vận hành:
   • Chế độ tự động (Auto): Pha chế chính xác 4 loại đồ uống theo công thức nạp sẵn:
     • Cà phê đen (Black Coffee)
     • Cà phê đen đường (Black Coffee with Sugar)
     • Cà phê sữa (Milk Coffee)
     • Bạc xỉu (White Coffee)
   • Chế độ thủ công (Manual) & Kiểm tra bơm (Pump Testing): Cho phép người vận hành kích hoạt độc lập từng bơm nguyên liệu và bơm buồng trộn để bảo trì, kiểm tra đường ống và căn chỉnh lưu lượng.
4. An toàn và vệ sinh: Toàn bộ bình chứa (3 bình nguyên liệu 600ml, 1 buồng trộn 600ml) và cánh khuấy đều làm từ thép không gỉ (inox) dày 2–3mm. Nhiệt độ bình cà phê được kiểm soát liên tục nhờ mạch ổn nhiệt W1209 và tấm gia nhiệt đáy.
5. Cải tiến độ ồn và vận hành: Việc sử dụng mạch hạ áp XL4015 đưa điện áp cấp cho động cơ khuấy DC 775 về mức 10V giúp cơ cấu khuấy đạt tốc độ tối ưu để tạo bọt mịn nhưng không gây tiếng ồn lớn và bảo vệ động cơ không bị quá nhiệt.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

• Ứng dụng thành công giải pháp tự động hóa bằng board PLC công nghiệp chi phí thấp vào thiết bị dịch vụ đồ uống, chứng minh tính khả thi của việc thay thế PLC đắt tiền bằng các dòng board tương thích trong các ứng dụng quy mô vừa và nhỏ.
• Xây dựng mô hình máy pha cà phê bán tự động có khả năng định lượng chính xác nguyên liệu lỏng, duy trì chất lượng đồ uống đồng nhất, rút ngắn thời gian phục vụ tại các sự kiện và văn phòng.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống chỉ hoạt động với nguồn nguyên liệu pha sẵn ở dạng lỏng (cà phê pha sẵn, sữa đặc dạng lỏng, nước đường), chưa tích hợp cơ cấu xay hạt và trích xuất cà phê trực tiếp từ hạt cà phê nguyên chất.
• Chưa tích hợp cảm biến báo mức chất lỏng trong các bình nguyên liệu để cảnh báo khi sắp hết nguyên liệu.
• Chưa tích hợp module thanh toán tự động (thanh toán không tiền mặt, thẻ từ, mã QR) để trở thành máy bán hàng tự động hoàn chỉnh.

Hướng phát triển tiếp theo

• Nghiên cứu tích hợp thêm cối xay hạt cà phê tự động và cụm ép trích xuất áp suất cao để pha chế trực tiếp từ hạt.
• Bổ sung cảm biến mức chất lỏng không tiếp xúc hoặc cảm biến điện dung cho 3 bình nguyên liệu nhằm gửi cảnh báo về PLC khi mức dung dịch xuống thấp.
• Mở rộng giao tiếp PLC với các module IoT hoặc đầu đọc mã thanh toán điện tử để phát triển thành trạm pha chế cà phê tự động thông minh phục vụ thương mại.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

• Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo cấu trúc ghép nối board PLC FX3U với HMI qua chuẩn RS232, sơ đồ đấu nối I/O NPN/Relay, giải pháp phối hợp nguồn 12V-24V-10V và lập trình điều khiển chu trình tuần tự.
• Kỹ thuật Cơ điện tử: Tham khảo thiết kế phân khoang cơ - điện, kết cấu bình chứa inox an toàn thực phẩm, cơ cấu khuấy tạo bọt dẫn động bằng động cơ DC 775 và tích hợp các loại bơm rung công nghiệp.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển nào và kết nối với màn hình HMI qua giao thức gì?

Đề tài sử dụng board điều khiển PLC FX3U-24MR-6AD-2DA (tương thích tập lệnh Mitsubishi FX3U, gồm 14 ngõ vào NPN, 10 ngõ ra Relay, 6 ngõ vào tương tự và 2 ngõ ra tương tự). PLC kết nối truyền thông với màn hình HMI Touchwin OP320A (4 inch) qua cổng nối tiếp RS232 (chuẩn cổng DB9) với tốc độ truyền 38400 bps.

2. Dung tích các bình chứa và dung tích ly thành phẩm được thiết kế là bao nhiêu?

Hệ thống gồm 3 bình chứa nguyên liệu lỏng (cà phê, sữa, đường) và 1 buồng trộn, mỗi bình đều có dung tích 600ml và được gia công bằng inox dày 2–3mm. Ly chứa sản phẩm cuối cùng có dung tích thiết kế là 150ml.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng module hạ áp XL4015 cho động cơ khuấy DC 775?

Khi cấp trực tiếp nguồn 12VDC từ bộ nguồn tổ ong, động cơ DC 775 hoạt động với lực quay rất mạnh và phát ra tiếng ồn lớn. Nhóm tác giả sử dụng mạch Buck DC-DC XL4015 để hạ điện áp cấp cho động cơ từ 12V xuống 10V, giúp động cơ vận hành êm ái, giảm tiếng ồn, hạn chế quá nhiệt nhưng vẫn đảm bảo dải tốc độ (6000–8000 rpm) cần thiết để khuấy đều và tạo bọt cho cà phê.

4. Hệ thống nhận diện sự có mặt của ly bằng cảm biến nào và hoạt động ra sao?

Hệ thống sử dụng cảm biến quang phản xạ khuếch tán E3F-DS30C4 (ngõ ra NPN, tiếp điểm thường mở NO) với khoảng cách phát hiện điều chỉnh từ 10 đến 30cm, đặt tại khoang chứa ly (kích thước 110x110mm). Khi người dùng đặt ly vào đúng vị trí, ánh sáng phản xạ từ ly kích hoạt cảm biến gửi tín hiệu mức thấp (NPN) về ngõ vào PLC, hệ thống kích hoạt đèn báo LED màu xanh và cho phép bắt đầu chu trình pha chế.

5. Máy hỗ trợ những chế độ hoạt động và những loại đồ uống nào?

Hệ thống có 3 chế độ hoạt động chính: Chế độ tự động (Auto mode), Chế độ thủ công (Manual mode) và Chế độ kiểm tra bơm (Pump Testing mode). Ở chế độ tự động, người dùng có thể lựa chọn 4 loại đồ uống cài đặt sẵn gồm: Cà phê đen (Black Coffee), Cà phê đen đường (Black Coffee with Sugar), Cà phê sữa (Milk Coffee) và Bạc xỉu (White Coffee), hoặc tùy biến theo công thức riêng.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Máy pha cà phê tự động" của sinh viên Phạm Quốc Huy và Nguyễn Quốc Vinh (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã thiết kế và chế tạo thành công một mô hình máy pha chế bán tự động hoàn chỉnh. Bằng việc kết hợp hiệu quả giữa board PLC FX3U-24MR, màn hình HMI OP320A, hệ thống bơm rung định lượng và buồng khuấy tạo bọt inox, mô hình đảm bảo khả năng pha chế nhanh, tỷ lệ pha trộn chính xác và duy trì chất lượng đồng đều cho từng ly đồ uống. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu mà còn cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tế cao trong lĩnh vực tự động hóa ngành dịch vụ thực phẩm và đồ uống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION GRADUATION THESIS AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY AUTOMATIC COFFEE MACHINE INSTRUCTOR: NGUYEN TAN DOI STUDENT: PHAM QUOC HUY NGUYEN QUOC VINH SKL013405 Ho Chi Minh City, June 2024 HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION -----------------⸙∆⸙----------------- GRADUATION THESIS AUTOMATIC COFFEE MACHINE Instructor: NGUYEN TAN DOI Student name: PHAM QUOC HUY Student ID: 20151284 NGUYEN QUOC VINH Student ID: 20151324 Major: AUTOMATION AND CONTROL ENGINEERING TECHNOLOGY Class: 20151CLA1 Ho Chi Minh City, June 2024 HCMC University of Technology and Education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of International Education INDEPENDENCE - FREEDOM – HAPPINESS Department of Automatic Control ----o0o---- Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 MISSION OF GRADUATION PROJECT Student name 1: Pham Quoc Huy Student ID: 20151284 Student name 2: Nguyen Quoc Vinh Student ID: 20151324 Major: Automation and Control Engineering Technology Class: 20151CLA1 Instructor: Nguyen Tan Doi Date of receiving the topic: February 2024 Date of submitting the topic: June 2024 I. TOPIC: Automatic coffee machine II. Initial figures: - Model dimensions: 52cm x 38cm x 42cm. - Product cup volume: 150ml.

- Specifications and documentation for PLC board FX3U-24MR. Implementation Contents: - Design and construct the hardware model. - Write the control program. - Design the HMI screen for control and operation.

- Conduct testing, fixing, and improvement of the model. - Write the graduation thesis report. Product: Automatic coffee machine. INSTRUCTORS DEPARTMENT OF AUTOMATIC CONTROL i HCMC University of Technology and Education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of International Education INDEPENDENCE - FREEDOM – HAPPINESS Department of Automatic Control ----o0o---- Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 GRADUATION PROJECT IMPLEMENTATION SCHEDULE Student name 1: Pham Quoc Huy Student ID: 20151284 Student name 2: Nguyen Quoc Vinh Student ID: 20151324 Topic: AUTOMATIC COFFEE MACHINE Instructor Week/day Content validation Weeks 1 - 2 Research and select a topic, set goals and research methods for the project.

(08/01 - 20/01) Weeks 3 - 4 Research about coffee machines, types of coffee and brewing methods. (21/01 - 04/02) Weeks 5 - 7 Conceptualize and design hardware. (05/02 - 25/02) Weeks 8 Select and purchase hardware devices that meet the requirements. (26/02 - 03/03) Weeks 9 - 12 Conduct hardware assembly and construction.

(04/03 - 01/04) Weeks 13 - 14 Write system control programs and design HMI interfaces (02/04 - 15/04) Weeks 15 - 17 Operate, check and repair machines. ii (16/04 - 07/05) Weeks 18 Testing and surveying the quality of the machine. (08/05 - 15/05) Weeks 19 - 20 Write a report for the topic. (16/05 - 01/06) Instructor (Sign and specify first and last name) iii HCMC University of Technology and Education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of International Education INDEPENDENCE - FREEDOM – HAPPINESS Department of Automatic Control ----o0o---- Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 INSTRUCTOR’S EVALUATION SHEET Student name 1: Pham Quoc Huy Student ID: 20151284 Student name 2: Nguyen Quoc Vinh Student ID: 20151324 Major: Control and Automation Engineering Technology Topic: Automatic coffee machine Instructor’s name: Nguyen Tan Doi COMMENT: 1.

Content of the topic and scope of work. Recommend for project defense or not? .) Instructor (Sign and specify first and last name) iv HCMC University of Technology and Education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of International Education INDEPENDENCE - FREEDOM – HAPPINESS Department of Automatic Control ----o0o---- Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name 1: Pham Quoc Huy Student ID: 20151284 Student name 2: Nguyen Quoc Vinh Student ID: 20151324 Major: Automation and Control Engineering Technology Topic: Automatic coffee machine Thesis advisor’s name: COMMENT: 1. Content of the topic. Recommend for project defense or not?.

Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 Thesis advisor (Sign and specify first and last name) v HCMC University of Technology and Education SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Faculty of International Education INDEPENDENCE - FREEDOM – HAPPINESS Department of Automatic Control ----o0o---- Ho Chi Minh City, June 30th , 2024 DECLARATION We guarantee that all results in this project are conducted by us, based on a serious research and implementation process, without copying or falsifying any data in the report. The results stated in the report are truthful and have not been published in any other work. If there is any false information in the report, we take full responsibility. Project team Pham Quoc Huy Nguyen Quoc Vinh vi ACKNOWLEDGMENTS We would like to express our gratitude to the leadership of Ho Chi Minh City University of Technology and Education and the Faculty of International Education for facilitating and supporting our group throughout the research and implementation of this project.

We would like to extend our sincere thanks to lecturer Nguyen Tan Doi, who enthusiastically assisted and provided the best conditions for our team to complete this project. Our group also sincerely thanks the lecturers in the council for taking the time to review and provide valuable feedback to help our project improve. Finally, we would like to extend our thanks to our families and friends who have always encouraged, supported, and created the most favorable conditions for our group during the execution of this project. Ho Chi Minh City, June 2024 Project team Pham Quoc Huy Nguyen Quoc Vinh vii CONTENTS MISSION OF GRADUATION PROJECT.

i GRADUATION PROJECT IMPLEMENTATION SCHEDULE .ii INSTRUCTOR’S EVALUATION SHEET. iv PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET .vii LIST OF ACRONYMS.xii LIST OF TABLES. xiii LIST OF FIGURES .3 Contents of project. Overview of coffee machines.

Introduction to automatic coffee machines. Types of coffee machines. Introduction to PLCs. General introduction to PLCs.

Types of PLCs. Application of PLC in practice. Mitsubishi FX3U-24MR PLC Board. Introduction to FX3U-24MR PLC Board.

Structure of PLC board. Benefits of using FX3U-24MR PLC board. Structure of DC motor. Principle operation of DC motor.

Introduction to RS232 communication. Overview of RS232 Communication. Key Characteristics of RS232. Typical Pin Configuration (DB9 Connector).

Advantages and limitations of RS232. Applications of RS232. 15 CALCULATION AND DESIGN .2 Mechanical system design .2 Frame for machine design .3 Tank for materials design .4 Mixing tank design .5 Glass frame design .7 HMI screen frame design .3 Electrical system design .1 Power supply wiring diagram.4 Load circuit diagram .5 Algorithmic flow chart .1 Control system description .2 Operation flow chart. Construction of the coffee machine's frame.

Construction of the internal parts of the coffee machine. Construction of electrical cabinets. Construction of HMI control interface. Connect PLC to HMI.

Design user interface on HMI .2 Mechanical construction results .3 Electrical construction results .4 Control interface results .5 System operation results .1 The volume of ingredients pumped by each pump .2 Amount of ingredients pumped into the mixing tank according to the recipe .3 Volume from the mixing tank pumped into the cup. 76 CONCLUSION AND DEVELOPMENT. 78 xi LIST OF ACRONYMS PLC: Programmable Logic Controller HMI: Human – Machine Interface DC: Direct Current AC: Alternating Current NO: Normally Open NC: Normally Closed DO: Digital Output DI: Digital Input xii LIST OF TABLES Table 3. 2 Requirement for each block.

4 Module XL6009 paramaters. 5 FX3U-24MR parameters. 6 LY2N relay parameters. 8 ULKA EP4 specifications.

1 The volume of ingredients pumped in 20 seconds by each pump. 2 Amount of coffee pump into mixing tank. 3 Amount of coffee and sugar pump into mixing tank. 4 Amount of sugar and coffe pump into mixing tank.

5 Amount of coffee and sugar pump into mixing tank. 6 Amount of coffee and milk pump into mixing tank. 7 Amount of coffee and milk pump into mixing tank. 8 Amount of coffee and milk pump into mixing tank.

9 Amount of coffee and milk pump into mixing tank. 10 Volume from the mixing tank pumped into the cup. 11 Time operation for each type of coffee .74 xiii LIST OF FIGURES Figure 2. 1 Semi-Automatic Coffee Machine Melitta CI Touch Plus.

2 Types of PLC. 4 Board PLC FX3U-24MR. 5 Structure of board PLC FX3U-24MR. 6 Structure of a DC motor.

7 Principle operation of DC motor. 8 Pinout of RS232 port. 1 Frame before putting equipments. 2 Structure of three tanks.

3 Structure inside mixing tank. 4 Place to put the cup. 5 Ice tray in 3D. 6 3D design for operation and monitoring.

7 Frame after installing equipments. 8 Block diagram of the system. 9 Aptomat MCB NXB – 63 C32. 10 Wiring of MCB NXB – 63 C32.

12 Pinout of 12V 10A power supply. 14 Pinout of module XL6009. 16 Pinout of module XL4015. 17 FX3U-24MR PLC Board.

18 Pinout of FX3U-24MR Board. 19 LY2N-J OMRON 12VDC intermediate relay. 20 Optical sensor E3F-DS30C4. 21 Pinout of sensor E3F-DS30C4.

22 Operation of the diffuse reflection sensor. 23 Thermostat Sensor Module W1209. 24 Pinout of W1209 module. 25 Parameter setting table for W1209.

27 YF-S401 flow sensor. 28 Pinout of YF-S401 Sensor. 29 ULKA EP4 vibration pump. 32 LED signal 220VAC.

33 Power supply wiring diagram. 34 PLC input diagram. 35 PLC output diagram. 36 Load circuit diagram.

37 Operation flow chart. 1 Frame of the coffee maker. 2 Install mica for the frame. 3 Fix the position of the pumps.

4 Fix the position of the material tanks. 5 Open lid for ingredient tank. 6 Design a heating position for the coffee tank. 7 Fix the position for the mixing tank.

9 Connect PLC to HMI via RS232. 10 Configuration for HMI. 11 Configuration for PLC. 12 Design for Main Interface.

13 Interface design for Auto mode. 14 Interface design for Black Coffee option. 15 Interface design for Black Coffee With Sugar option. 16 Interface design for Milk Coffee option.

17 Interface design for White Coffee option. 18 Interface design for Manual mode. 19 Interface design for Pump Testing mode. 20 Interface design for Tank Pump Test option.

21 Interface design for Coffee Pump Test option. 22 Interface design for Milk Pump Test option. 23 Interface design for Sugar Pump Test option. 1 The inside of the machine after completing mechanical construction.

2 The outside of the machine after completing mechanical construction 58 Figure 5. 3 Results of electrical construction. 4 The main interface of the machine. 5 Interface in Auto mode.

6 Black coffee option. 7 Black coffee with sugar option. 8 Milk coffee option. 9 White coffee option.

10 Interface in Manual mode. 11 Interface in Pump Testing mode. 12 Pump Test options. 63 xvi SUMMARY The Automatic Coffee Machine project employs a unique approach to coffee brewing by integrating Programmable Logic Controller (PLC) technology into its design.

The main goal of the project is to revolutionize the coffee brewing experience by using a PLC to automate and precisely control every part of the coffee-making process. For this coffee machine model, users can choose from preset coffee types in the machine or brew coffee according to their own recipes. The coffee machine makes the brewing process faster and ensures that the ingredient ratios are combined more accurately. Moreover, the PLC system optimizes energy use and produces no waste, making the coffee machine both environmentally friendly and cost-effective.

With basic knowledge of PLCs and practical lessons on circuit design, programming, and assembling mechanical devices learned at the university, combined with the skills acquired during the internship at the company, we have applied these effectively to this project.