Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong các quy trình sản xuất công nghiệp và dân dụng—từ chế biến thực phẩm, bảo quản dược phẩm, nông sản, chế biến gỗ đến sấy và hấp kỹ thuật—việc kiểm soát ổn định các thông số môi trường đóng vai trò then chốt quyết định chất lượng và độ đồng đều của thành phẩm. Nhiệt độ và độ ẩm không phù hợp có thể gây biến tính sản phẩm, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển hoặc làm suy giảm cơ tính vật liệu. Để tự động hóa việc theo dõi và giảm thiểu sự can thiệp thủ công, đề tài "Thiết kế, chế tạo bo mạch giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho buồng hấp" (Mã số đề tài: CKM-38) được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Đồ án tập trung giải quyết bài toán đo lường chính xác, điều khiển nhiệt độ ổn định theo mô hình kín và truyền dữ liệu thời gian thực lên ứng dụng di động phục vụ giám sát từ xa.
Theo văn bản thuyết minh của đồ án, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm 4 nội dung cụ thể:
- Thiết kế mô hình buồng nhiệt đáp ứng yêu cầu kín khít, cách nhiệt và lưu thông khí tốt.
- Chế tạo hoàn chỉnh bo mạch điện tử có chức năng giám sát nhiệt độ, độ ẩm và tích hợp khối điều khiển công suất gia nhiệt.
- Thiết kế ứng dụng giám sát trên điện thoại thông minh để theo dõi từ xa, thu thập dữ liệu dạng bảng và biểu diễn đồ thị biến thiên theo thời gian.
- Xây dựng và cài đặt giải thuật điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) số để ổn định nhiệt độ buồng hấp theo giá trị đặt.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài được xác lập rõ ràng:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống buồng nhiệt mô hình; bo mạch vi điều khiển trung tâm; các cảm biến đo lường công nghiệp; mạch công suất AC; giải thuật điều khiển nhiệt độ PID và phần mềm ứng dụng di động kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực.
- Phạm vi không gian: Mô hình buồng nhiệt kích thước vật lý $(Dài \times Rộng \times Cao) = 400 \times 200 \times 200\text{ mm}$, thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
- Phạm vi thông số vận hành: Dải nhiệt độ điều khiển từ $35^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$; độ ẩm môi trường trong buồng được đo đạc, theo dõi liên tục cùng chu kỳ gia nhiệt.
- Thời gian thực hiện: Hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 07 năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Hệ thống buồng nhiệt được mô hình hóa dưới dạng một khâu quán tính nhiệt phi tuyến có trễ. Trong đó, thời gian đáp ứng của lò nhiệt tương đối dài và đặc tính truyền nhiệt tiệm cận trạng thái bão hòa khi cấp công suất tối đa $P = 100%$. Để điều khiển đối tượng này, đồ án sử dụng lý thuyết điều khiển PID số với tín hiệu điều khiển tổng quát:
$$u_k = u_k^P + u_k^I + u_k^D$$
Trong cấu trúc thuật toán điều khiển, tác giả phân tích và áp dụng các kỹ thuật xử lý số nâng cao:
- Khâu tỉ lệ ($P$): Khuếch đại sai số tức thời theo hệ số $K_p$.
- Khâu tích phân ($I$): Triệt tiêu sai số xác lập, khảo sát qua ba phương pháp rời rạc hóa (tích phân lùi, tích phân tiến và xấp xỉ hình thang).
- Khâu vi phân ($D$): Dự đoán xu hướng thay đổi của sai số, được kết hợp với bộ lọc thông thấp số có hệ số lọc $\alpha = \frac{1}{N + T}$ nhằm triệt tiêu nhiễu tần số cao gây dao động ngõ ra.
- Cơ chế chống bão hòa tích phân (Anti-windup): Khống chế tích lũy sai số khi tín hiệu điều khiển vượt ngưỡng bão hòa của bộ biến đổi công suất.
Về mặt truyền thông dữ liệu phần cứng, đồ án dựa trên các chuẩn giao tiếp tiêu chuẩn:
- UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): Truyền nhận dữ liệu bất đồng bộ nối tiếp giữa vi điều khiển trung tâm và màn hình LCD Nextion ở tốc độ truyền định trước.
- SPI (Serial Peripheral Interface): Chuẩn truyền thông đồng bộ tốc độ cao 4 dây (MOSI, MISO, SCK, CS) kết nối vi điều khiển với vi mạch chuyển đổi đo nhiệt độ chuyên dụng.
- I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp nối tiếp 2 dây (SDA, SCL) đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm kỹ thuật số.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài kết hợp hai phương pháp nghiên cứu chính:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên khảo về truyền nhiệt, nguyên lý cảm biến nhiệt điện trở RTD, linh kiện bán dẫn công suất (TRIAC, Optocoupler), vi điều khiển IoT và các giải thuật điều khiển tự động.
- Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Tính toán tham số mạch điện tử nguồn và công suất; thiết kế mạch in (PCB); gia công cơ khí vỏ buồng nhiệt; lập trình vi điều khiển ESP32; hiệu chỉnh thực nghiệm các thông số bộ điều khiển PID và đo lường sai số hệ thống trên mô hình thực tế.
Nguồn dữ liệu
Dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu là số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp từ cảm biến nhiệt điện trở PT100 (thông qua IC MAX31865) và cảm biến SHT30-SJ95 lắp đặt trong buồng hấp; dữ liệu thời gian thực được số hóa, truyền và lưu trữ trên nền tảng đám mây Firebase Realtime Database.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được tổ chức thành cấu trúc tích hợp gồm phần cứng cơ khí buồng nhiệt, bo mạch điều khiển - đo lường - công suất và ứng dụng phần mềm giám sát.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| MÔ HÌNH BUỒNG NHIỆT |
| +---------------------------------------------------------------------------+ |
| | Lớp trong (Kim loại) | Lớp giữa (Bông cách nhiệt) | Vỏ ngoài (Gỗ) | |
| +---------------------------------------------------------------------------+ |
| | Cơ cấu chấp hành: Đèn hồng ngoại 220VAC (Gia nhiệt) + Quạt 12VDC (Tản gió)| |
| | Cảm biến: PT100 (Nhiệt độ buồng) + SHT30-SJ95 (Nhiệt độ & Độ ẩm) | |
+---+---------------------------------------------------------------------------+---+
^
| (Đo lường / Điều khiển công suất)
v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| BO MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM (PCB) |
| |
| [Khối Nguồn Đa Cấp] |
| 220VAC -> HLK-PM24 (24VDC) -> LM7812 (12VDC) -> TPS5430 (5VDC) -> AMS1117 (3.3V) |
| |
| [Khối Xử Lý & Đo Lường] |
| - ESP32-WROOM (Tensilica Xtensa Dual-Core, Wi-Fi 2.4GHz) |
| - IC MAX31865 (Chuyển đổi tín hiệu RTD PT100 qua SPI) |
| |
| [Khối Công Suất AC] |
| - Mạch AC Detector: Cầu chỉnh lưu MB10F + Opto EL357 (Bắt điểm Zero) |
| - Mạch kích TRIAC: Opto cách ly MOC3021 + TRIAC BTA16-600BRG |
+-------------------+-------------------------------------------+-------------------+
| (UART) | (Wi-Fi)
v v
+--------------------+ +------------------------+
| MÀN HÌNH LCD TẠI CHỖ| | NỀN TẢNG ĐÁM MÂY |
| Nextion LCD | | Firebase Realtime DB |
| - Hiển thị số đo | +-----------+------------+
| - Cài đặt Setpoint | |
| - Đồ thị trực quan | v
+--------------------+ +------------------------+
| ỨNG DỤNG DI ĐỘNG |
| - Giám sát từ xa |
| - Lưu trữ bảng dữ liệu |
| - Biểu đồ biến thiên |
+------------------------+
Kết cấu cơ khí buồng nhiệt
Buồng nhiệt có kích thước phủ bì $400 \times 200 \times 200\text{ mm}$, thiết kế gồm ba lớp vật liệu:
- Lớp vỏ trong: Chế tạo bằng kim loại chịu nhiệt, chống ăn mòn do độ ẩm, trực tiếp tiếp xúc với môi trường gia nhiệt; gồm các thành cố định, thành đỡ quạt thông gió và thành đỡ đèn hồng ngoại.
- Lớp cách nhiệt: Sử dụng bông thủy tinh hoặc bông khoáng kẹp giữa hai lớp vỏ, hạn chế thất thoát nhiệt ra môi trường.
- Lớp vỏ ngoài: Làm từ gỗ đã qua xử lý, có tính thẩm mỹ và tăng cường cách nhiệt, bảo vệ cơ học cho toàn bộ buồng.
- Cơ cấu phân phối nhiệt: Sử dụng quạt thông gió để cưỡng bức đối lưu không khí, đảm bảo trường nhiệt độ đồng đều trong không gian buồng.
Thiết kế phần cứng và lựa chọn linh kiện bo mạch
Bo mạch PCB 2 lớp được thiết kế tích hợp toàn bộ các khối chức năng:
- Khối nguồn đa cấp: Cung cấp các mức điện áp khác nhau từ nguồn điện lưới $220\text{ VAC}$:
- Chuyển đổi $220\text{ VAC}$ sang $24\text{ VDC}$ thông qua module nguồn cách ly HLK-PM24 ($3\text{ W}$, $0{,}9\text{ A}$), bảo vệ ngõ vào bằng cầu chì $0{,}5\text{ A} / 250\text{ V}$, tụ lọc chống nhiễu $C_1 = 0{,}1,\mu\text{F} / 275\text{ V}$, cuộn cảm lọc EMI $L_1 = 10\text{ mH}$ ($70 - 500\text{ mA}$) và tụ lọc ngõ ra $C_2 = 220,\mu\text{F}$ giúp gợn sóng điện áp duy trì trong ngưỡng $30\text{ mV}$.
- Hạ áp $24\text{ VDC}$ sang $12\text{ VDC}$ bằng IC ổn áp LM7812 (dòng tối đa $1{,}5\text{ A}$) cấp nguồn cho quạt tản nhiệt.
- Hạ áp $24\text{ VDC}$ sang $5\text{ VDC}$ bằng IC chuyển mạch xung TPS5430DDA (dòng ra $3\text{ A}$, tần số chuyển mạch $500\text{ kHz}$), với cuộn cảm lọc tính toán đạt $L = 13{,}19,\mu\text{H}$ và tụ lọc ngõ ra tiêu chuẩn $330,\mu\text{F}$.
- Hạ áp $5\text{ VDC}$ sang $3{,}3\text{ VDC}$ bằng IC ổn áp tuyến tính AMS1117-3.3 (dòng tối đa $1\text{ A}$) cấp cho vi điều khiển và các module logic.
| Linh kiện chính |
Chức năng kỹ thuật |
Thông số thông số định mức |
| HLK-PM24 |
Biến đổi nguồn AC sang DC |
Điện áp vào $100 - 240\text{ VAC}$, ngõ ra $24\text{ VDC}$, công suất $3\text{ W}$, $0{,}9\text{ A}$ |
| LM7812 |
Ổn áp tuyến tính hạ nguồn quạt |
Điện áp vào tối đa $35\text{ V}$, ngõ ra $12\text{ VDC}$, dòng tải $1{,}5\text{ A}$ |
| TPS5430DDA |
IC hạ áp xung DC-DC |
Điện áp vào $5{,}5 - 36\text{ V}$, ngõ ra $5\text{ VDC}$, dòng định mức $3\text{ A}$ |
| AMS1117-3.3 |
Ổn áp vi sai thấp (LDO) |
Điện áp vào tối đa $15\text{ V}$, ngõ ra $3{,}3\text{ VDC}$, dòng $1\text{ A}$ |
| ESP32-WROOM |
Vi điều khiển xử lý trung tâm |
Lõi kép Tensilica Xtensa LX6, Wi-Fi $2{,}4\text{ GHz}$, Bluetooth 4.2 |
| MAX31865 |
Bộ biến đổi tín hiệu RTD sang số |
Giao tiếp SPI, độ phân giải 15-bit, hỗ trợ PT100 |
| PT100 |
Cảm biến nhiệt điện trở công nghiệp |
Dải đo rộng, độ tuyến tính cao |
| SHT30-SJ95 |
Cảm biến kỹ thuật số nhiệt - ẩm |
Chuẩn I2C, đo nhiệt độ và độ ẩm không khí |
| EL357 |
Opto cách ly mạch nhận điểm 0 |
Ngõ vào DC, ngõ ra Transistor, điện áp cách ly cao |
| MB10F |
Cầu diode chỉnh lưu toàn kỳ |
Chỉnh lưu điện áp AC lấy mẫu nhận điểm 0 |
| MOC3021 |
Opto-TRIAC cách ly kích pha |
Kích ngõ ra không qua điểm 0 (Non-Zero Crossing) |
| BTA16-600BRG |
Van bán dẫn công suất AC (TRIAC) |
Điện áp đánh thủng $600\text{ V}$, dòng điện định mức $16\text{ A}$ |
| Bóng hồng ngoại |
Tải gia nhiệt buồng hấp |
Tải thuần trở, bức xạ nhiệt hồng ngoại |
| Nextion LCD |
Màn hình giao diện HMI tại chỗ |
Giao tiếp nối tiếp UART, hiển thị đồ thị và nhận Setpoint |
-
Khối điều khiển công suất gia nhiệt:
- Mạch phát hiện điểm 0 (Zero-Crossing Detector): Tín hiệu điện áp $220\text{ VAC}$ được nắn qua cầu chỉnh lưu MB10F, sau đó dẫn qua optocoupler EL357. Tại điểm điện áp chuyển tiếp qua $0\text{ V}$, opto xuất xung báo ngắt về vi điều khiển ESP32 để đồng bộ pha điện áp.
- Mạch kích TRIAC: ESP32 tính toán góc kích trễ theo thuật toán PID, phát xung qua opto-TRIAC MOC3021 để kích mở van công suất BTA16-600BRG, qua đó điều chỉnh công suất hiệu dụng đặt lên bóng đèn nhiệt hồng ngoại.
-
Giao tiếp ngoại vi và ứng dụng di động:
- Màn hình Nextion nhận và truyền dữ liệu qua UART, cung cấp giao diện nhập giá trị Setpoint, hiển thị nhiệt độ tức thời và đồ thị tại chỗ.
- ESP32 kết nối mạng Wi-Fi $2{,}4\text{ GHz}$, gửi các bản tin trạng thái (nhiệt độ, độ ẩm, thời gian) lên Firebase Realtime Database. Ứng dụng điện thoại truy xuất cơ sở dữ liệu để vẽ biểu đồ và xuất bảng dữ liệu thời gian thực.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong sản xuất công nghiệp nhằm giảm tỷ lệ hư hỏng sản phẩm và tiết kiệm nhân lực. Tác giả phân tích mục tiêu nghiên cứu gồm 4 nhiệm vụ cốt lõi: chế tạo buồng nhiệt, thiết kế bo mạch vi điều khiển, xây dựng ứng dụng giám sát di động và lập trình thuật toán PID. Phạm vi giới hạn được xác định cụ thể với kích thước buồng $400 \times 200 \times 200\text{ mm}$ và dải nhiệt độ khảo sát từ $35^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa lý thuyết về:
- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ (sức điện động sinh ra theo hiệu nhiệt độ) và cảm biến độ ẩm (sự biến thiên điện trở/điện dung khi màng polymer hấp phụ hơi nước).
- Cơ sở giải thuật PID số, chi tiết hóa 3 công thức xấp xỉ khâu tích phân $I$ (tích phân lùi, tích phân tiến, hình thang), phương trình khâu vi phân $D$ có lọc thông thấp và mô hình Anti-windup.
- Mô hình hóa toán học đối tượng lò nhiệt dưới dạng khâu quán tính có trễ dựa trên đường đặc tính nung nóng thực nghiệm ở $100%$ công suất.
- Nguyên lý truyền thông UART (cấu trúc khung truyền gồm Start bit, Data bits, Parity, Stop bit), I2C (cơ chế Master/Slave trên 2 dây SDA, SCL) và SPI (truyền đồng bộ 4 dây).
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Chương 3 chi tiết hóa quy trình thiết kế cơ khí và điện tử:
- Kết cấu 3 lớp của buồng nhiệt (vỏ kim loại trong, lớp bông cách nhiệt, vỏ gỗ ngoài) kèm hệ thống quạt tuần hoàn không khí.
- Tính toán chi tiết các tham số mạch nguồn: chọn module HLK-PM24 hạ từ $220\text{ VAC}$ xuống $24\text{ VDC}$; tính toán chọn cuộn cảm lọc $L = 13{,}19,\mu\text{H}$ và tụ ngõ ra $C = 330,\mu\text{F}$ cho mạch xung TPS5430 ($24\text{ V} \to 5\text{ V}$); tính chọn LM7812 ($24\text{ V} \to 12\text{ V}$) và AMS1117-3.3 ($5\text{ V} \to 3{,}3\text{ V}$).
- Thiết kế mạch bắt điểm 0 sử dụng cầu MB10F phối hợp opto EL357 nhằm cách ly nhiễu và bảo vệ MCU; mạch kích TRIAC BTA16-600BRG qua tầng đệm MOC3021; mạch đo RTD sử dụng IC MAX31865.
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT
Chương này tập trung vào cấu trúc tích hợp hệ thống:
- Xây dựng sơ đồ khối và sơ đồ kết nối dây nguồn phân phối cho toàn hệ sinh thái thiết bị.
- Triển khai thuật toán PID số trên vi điều khiển ESP32-WROOM, liên kết phản hồi từ cảm biến PT100 qua MAX31865 để điều chỉnh góc mở pha của TRIAC.
- Thiết kế giao diện đồ họa cho màn hình cảm ứng Nextion LCD (màn hình chính hiển thị giá trị thực đo, màn hình bàn phím ảo cài đặt giá trị Setpoint, và màn hình đồ thị biến thiên nhiệt độ).
- Lựa chọn bóng đèn hồng ngoại công suất phù hợp để đảm bảo tốc độ tăng nhiệt nhanh và độ trễ thấp.
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRÊN ĐIỆN THOẠI
Chương 5 trình bày việc xây dựng phần mềm di động kết nối IoT:
- Tích hợp nền tảng đám mây Google Firebase, sử dụng dịch vụ Realtime Database để đồng bộ thông số đo đạc từ ESP32 theo chu kỳ thời gian thực.
- Thiết kế giao diện ứng dụng bao gồm 3 phân hệ chính: màn hình quan sát và điều khiển giá trị Setpoint; màn hình trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ thời gian thực; màn hình tổng hợp và lưu trữ dữ liệu dưới dạng bảng chỉ số.
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Chương 6 công bố các số liệu thu được sau khi lắp ráp hoàn thiện:
- Hình ảnh hoàn thiện của bo mạch PCB (mặt trước, mặt sau) và mô hình tổng quan buồng nhiệt khi vận hành.
- Dữ liệu thử nghiệm quá trình gia nhiệt: đồ thị đáp ứng nhiệt độ thực tế bám sát giá trị đặt trong dải $35^\circ\text{C} - 80^\circ\text{C}$.
- Đối sánh dữ liệu hiển thị đồng thời giữa màn hình LCD Nextion, bảng cơ sở dữ liệu Firebase và giao diện ứng dụng di động.
- Tính toán sai số đo lường và sai số xác lập của hệ thống điều khiển nhiệt độ.
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tổng kết mức độ hoàn thành so với mục tiêu đề ra; chỉ rõ các điểm giới hạn còn tồn tại về quy mô thử nghiệm và đưa ra các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Kết quả kỹ thuật đạt được
- Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công mô hình buồng nhiệt kích thước $400 \times 200 \times 200\text{ mm}$ cách nhiệt tốt; gia công bo mạch in PCB 2 lớp tích hợp khối nguồn xung đa mức áp ($24\text{ V}$, $12\text{ V}$, $5\text{ V}$, $3{,}3\text{ V}$), khối MCU ESP32, khối chuyển đổi tín hiệu MAX31865 và mạch công suất AC phát hiện điểm 0 - kích TRIAC.
- Khả năng điều khiển nhiệt độ: Hệ thống thực hiện điều khiển ổn định nhiệt độ buồng hấp trong dải từ $35^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$ bằng giải thuật PID số, có khả năng lọc nhiễu đạo hàm và chống bão hòa tích phân.
- Giám sát hai kênh song song:
- Tại chỗ: Màn hình LCD Nextion hiển thị chính xác giá trị thực tế, cho phép nhập trực tiếp Setpoint và quan sát đồ thị nhiệt độ.
- Từ xa: Đồng bộ dữ liệu qua Wi-Fi lên Firebase Realtime Database và hiển thị mượt mà trên ứng dụng di động (bao gồm giao diện điều khiển, biểu đồ thời gian thực và bảng dữ liệu lịch sử).
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Ứng dụng giải pháp điều khiển công suất bằng phương pháp cắt pha kết hợp phát hiện điểm 0 qua opto EL357 giúp triệt tiêu dòng rò và nhiễu sóng hài trên lưới điện xoay chiều.
- Sử dụng IC đo chuyên dụng MAX31865 cho cảm biến RTD PT100 thay vì các mạch cầu Wheatstone tự chế, giúp tăng độ phân giải, tự động bù điện trở dây dẫn và hạn chế sai số chuyển đổi.
- Bố trí quạt tản gió đối lưu cưỡng bức trong buồng để khắc phục hiện tượng phân tầng nhiệt độ, giúp nhiệt phân bố đều trong toàn bộ thể tích $16\text{ lít}$.
Đóng góp của đề tài
Tác giả tự xác định đề tài đã cung cấp một thiết kế bo mạch giám sát và điều khiển nhiệt - ẩm có tính module hóa cao, chi phí chế tạo hợp lý, tích hợp trọn vẹn cả giao diện vận hành cục bộ (HMI) lẫn nền tảng giám sát IoT di động không dây, phù hợp ứng dụng thực tế trong các hệ thống sấy, ấp, hấp quy mô nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế được ghi nhận
- Kích thước buồng nhiệt còn mang tính chất mô hình thử nghiệm ($400 \times 200 \times 200\text{ mm}$), chưa thử nghiệm trên các buồng hấp công nghiệp quy mô lớn.
- Dải nhiệt độ khảo sát chỉ mới giới hạn trong khoảng từ $35^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$.
- Đề tài mới dừng lại ở việc giám sát độ ẩm (thông qua cảm biến SHT30-SJ95), chưa tích hợp cơ cấu chấp hành điều khiển vòng kín đối với thông số độ ẩm (chưa có bộ tạo ẩm hoặc van hút ẩm chủ động).
- Hệ thống phụ thuộc vào kết nối mạng Wi-Fi tại chỗ để truyền dữ liệu lên Firebase; khi mất kết nối mạng, chức năng giám sát từ xa bị gián đoạn.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng thể tích buồng nhiệt và tăng công suất cơ cấu gia nhiệt để nâng dải nhiệt độ làm việc lên các ngưỡng cao hơn phục vụ quy trình công nghiệp nặng.
- Thiết kế bổ sung phần cứng và giải thuật điều khiển tự động cho cơ cấu chấp hành độ ẩm (bơm phun sương, điện trở sấy ẩm hoặc cửa xả ẩm đối lưu) nhằm tạo thành hệ thống điều khiển đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm hoàn chỉnh.
- Bổ sung bộ nhớ lưu trữ đệm (như thẻ nhớ SD trên bo mạch) để bảo toàn dữ liệu lịch sử đo đạc khi gặp sự cố mất kết nối mạng Internet.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên và giảng viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ IoT; các kỹ sư đang thiết kế tủ sấy thực phẩm, tủ bảo quản dược liệu hoặc buồng ấp trứng tự động.
- Các nội dung đáng tham khảo chuyên sâu:
- Quy trình tính toán thông số mạch nguồn hạ áp xung sử dụng IC TPS5430DDA kèm công thức xác định cuộn cảm và tụ điện lọc ngõ ra.
- Sơ đồ nguyên lý mạch công suất AC: mạch nhận diện điểm 0 (Zero-Crossing Detector) dùng cầu MB10F + EL357 kết hợp tầng kích TRIAC BTA16-600BRG qua MOC3021.
- Phương pháp đọc và xử lý tín hiệu cảm biến nhiệt điện trở PT100 qua IC MAX31865 giao tiếp SPI trên vi điều khiển ESP32.
- Thuật toán PID số tích hợp bộ lọc vi phân thông thấp và giải thuật chống bão hòa tích phân (Anti-windup).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao đồ án sử dụng IC MAX31865 kết hợp với cảm biến PT100 thay vì đọc tín hiệu trực tiếp qua bộ ADC của ESP32?
Cảm biến PT100 là loại nhiệt điện trở bạch kim có sự thay đổi điện trở rất nhỏ theo nhiệt độ ($0{,}385,\Omega/^\circ\text{C}$). Bộ chuyển đổi ADC tích hợp sẵn trên ESP32 có độ phi tuyến cao và độ phân giải hạn chế, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu nguồn. IC MAX31865 là bộ biến đổi chuyên dụng chuẩn RTD-to-Digital 15-bit, tích hợp nguồn dòng kích thích, mạch lọc vi sai và tự động bù điện trở dây dẫn, truyền dữ liệu qua giao thức SPI giúp kết quả đo nhiệt độ đạt độ chính xác và ổn định cao.
2. Mạch phát hiện điểm 0 (Zero-Crossing Detector) đóng vai trò gì trong việc điều khiển gia nhiệt?
Bóng đèn nhiệt hồng ngoại sử dụng nguồn điện xoay chiều $220\text{ VAC}$. Để điều khiển công suất đèn mà không gây xung nhiễu lớn lên lưới điện, mạch phát hiện điểm 0 (gồm cầu nắn MB10F và opto EL357) tạo tín hiệu ngắt báo cho vi điều khiển mỗi khi sóng sin điện áp đi qua mốc $0\text{ V}$. Dựa vào mốc thời gian này, ESP32 sẽ đếm trễ một khoảng thời gian chính xác trước khi phát xung mở TRIAC BTA16-600BRG, thực hiện phương pháp điều khiển góc kích pha (phase-angle control).
3. Cấu trúc nguồn điện trên bo mạch được phân tầng như thế nào để cung cấp cho các linh kiện khác nhau?
Bo mạch sử dụng cấu trúc hạ áp đa tầng bắt đầu từ nguồn lưới $220\text{ VAC}$:
- Tầng 1: Module HLK-PM24 biến đổi $220\text{ VAC}$ thành $24\text{ VDC}$ ($3\text{ W}$, $0{,}9\text{ A}$).
- Tầng 2: Nguồn $24\text{ VDC}$ chia làm hai nhánh: một nhánh qua IC LM7812 hạ thành $12\text{ VDC}$ cấp cho quạt tản nhiệt; nhánh còn lại qua IC xung TPS5430DDA hạ thành $5\text{ VDC}$ (dòng định mức $3\text{ A}$) cấp cho màn hình LCD và mạch chuyển đổi.
- Tầng 3: Từ mức $5\text{ VDC}$, nguồn được đưa qua IC LDO AMS1117-3.3 để tạo mức điện áp $3{,}3\text{ VDC}$ ổn định, chống nhiễu cấp riêng cho vi điều khiển ESP32 và các module logic.
4. Thuật toán PID trong đồ án được xử lý như thế nào để tránh hiện tượng vọt lố và nhiễu vi phân?
Đồ án đã bổ sung hai khâu xử lý toán học cho giải thuật PID số:
- Đối với khâu vi phân ($D$), tác giả áp dụng bộ lọc thông thấp số với hệ số $\alpha = \frac{1}{N + T}$ để làm mượt đạo hàm sai số, ngăn chặn các đột biến điện áp hoặc nhiễu đo lường làm rung lắc tín hiệu điều khiển góc kích.
- Đối với khâu tích phân ($I$), hệ thống cài đặt cơ chế Anti-windup nhằm ngắt hoặc giới hạn việc tích lũy sai số khi công suất ngõ ra chạm ngưỡng bão hòa ($0%$ hoặc $100%$), giúp triệt tiêu hiện tượng vọt lố lớn khi hệ thống khởi động hoặc đổi Setpoint.
5. Hệ thống giám sát trên điện thoại cập nhật dữ liệu và hiển thị những chức năng gì?
Hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase Realtime Database làm cầu nối trung gian. Vi điều khiển ESP32 gửi dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm qua mạng Wi-Fi lên Firebase theo chu kỳ. Ứng dụng di động truy xuất cơ sở dữ liệu này để cung cấp 3 chức năng: giám sát và điều chỉnh giá trị Setpoint từ xa; vẽ đồ thị biến thiên nhiệt độ và độ ẩm trực quan theo trục thời gian; và lập bảng tổng hợp số liệu lưu trữ phục vụ việc theo dõi và đánh giá quy trình sấy.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo bo mạch giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho buồng hấp" của nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ - điện tử - IoT trong đo lường và điều khiển công nghiệp. Đề tài đã chế tạo thành công mô hình buồng nhiệt đối lưu kích thước $400 \times 200 \times 200\text{ mm}$ cùng bo mạch PCB hoàn chỉnh, vận hành giải thuật PID số có lọc vi phân và chống bão hòa tích phân để ổn định nhiệt độ từ $35^\circ\text{C}$ đến $80^\circ\text{C}$. Hệ thống vận hành tin cậy nhờ cơ chế giám sát kép qua màn hình LCD Nextion tại chỗ và ứng dụng di động từ xa qua Firebase Realtime Database. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về thiết kế mạch nguồn xung, mạch kích công suất AC cắt pha và kỹ thuật lập trình nhúng điều khiển vòng kín.
