Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lý do chọn đề tài và bối cảnh thực tiễn

Sữa chua là thực phẩm lên men có giá trị dinh dưỡng cao và mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe đường ruột. Xu hướng tự làm sữa chua tại nhà ("sữa chua nhà làm") ngày càng phát triển nhằm bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm, kiểm soát thành phần dinh dưỡng và loại bỏ các chất bảo quản công nghiệp. Tuy nhiên, phương pháp ủ truyền thống (sử dụng khăn ấm, thùng xốp, bình giữ nhiệt hoặc nước ấm) tồn tại nhiều nhược điểm: không kiểm soát và giám sát được nhiệt độ, lượng nhiệt thất thoát ra môi trường lớn khiến vi khuẩn lactic không đạt điều kiện sinh trưởng tối ưu (dẫn đến hiện tượng sữa không đông hoặc lên men quá mức gây chua gắt), và không thể định thời gian chính xác.

Khảo sát các dòng máy làm sữa chua thương mại trên thị trường cho thấy sự phân hóa về tính năng và giá thành:

Dòng máy / Hãng Dung tích Kiểm soát nhiệt độ Cơ chế cơ khí Định thời gian Mức giá tham khảo
Misushia 3 lít Cố định ở 42 – 45°C Gọn nhẹ, dễ vệ sinh Không có 500.000 VNĐ
Kuvings 2 lít Điều chỉnh từ 20 – 65°C Cấu tạo phức tạp, khó tháo rời vệ sinh Cài đặt 1 – 99 giờ 2.000.000 VNĐ
Pensonic 1,4 lít Không điều chỉnh nhiệt độ Gọn nhẹ, dễ vệ sinh Không có 300.000 VNĐ

Từ thực trạng trên, đề tài "Thiết kế và thi công máy ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID" được thực hiện nhằm chế tạo một thiết bị dung tích 2 lít, có khả năng kiểm soát nhiệt độ hơi nước ổn định bằng thuật toán PID, định thời gian tự động, ngắt nhiệt và phát cảnh báo khi hoàn tất chu trình ủ, kết cấu cơ khí gọn gàng và dễ vệ sinh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Văn bản xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể bao gồm:

  • Mục tiêu phần cơ khí:
    1. Thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp và vệ sinh các khay chứa.
    2. Thiết kế kết cấu khung vỏ giảm thiểu tối đa lượng nhiệt thất thoát ra môi trường bên ngoài.
    3. Sử dụng vật liệu chịu nhiệt, bảo đảm tính thẩm mỹ và an toàn thực phẩm.
  • Mục tiêu phần chức năng điện tử - điều khiển:
    1. Ổn định nhiệt độ môi trường hơi nước ủ luôn duy trì quanh mức xấp xỉ 46°C trong suốt quá trình vận hành (sai số dưới 3%).
    2. Tích hợp nút nhấn cài đặt các mốc thời gian ủ (trong đó có mốc 7,5 giờ).
    3. Tích hợp còi (buzzer) cảnh báo khi kết thúc thời gian ủ.
    4. Tự động ngắt khối gia nhiệt khi hoàn tất chu trình định thời.
  • Các nội dung/nhiệm vụ nghiên cứu triển khai (11 nội dung):
    1. Nghiên cứu quy trình, các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình lên men sữa chua tại nhà và tiêu chí đánh giá chất lượng sản phẩm.
    2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết giải thuật điều khiển PID ứng dụng trong ổn định nhiệt độ.
    3. Ghép nối vi điều khiển PIC16F887 với cảm biến LM35, thanh gia nhiệt để đọc dữ liệu nhiệt độ - thời gian truyền lên máy tính nhằm khảo sát đặc tuyến đáp ứng.
    4. Thiết kế sơ đồ khối toàn hệ thống.
    5. Thiết kế phần cứng điện tử và thiết kế cơ khí 3D.
    6. Lập trình thu thập dữ liệu nhiệt độ nước và thời gian phục vụ việc tìm, hiệu chỉnh hệ số $K_p, K_i, K_d$.
    7. Thi công phần cơ khí và chế tạo bo mạch điện tử (PCB).
    8. Lắp ráp phần cơ khí và mạch điện tử thành mô hình hoàn chỉnh.
    9. Chạy thử nghiệm các mẫu sữa chua, đo đạc độ pH, đánh giá chất lượng cảm quan và hiệu chỉnh thông số hệ thống.
    10. Viết báo cáo tổng kết đồ án.
    11. Bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Quy trình lên men sữa chua truyền thống; thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID) rời rạc; kỹ thuật dò điểm không (Zero-Crossing) của lưới điện xoay chiều; hệ thống nhúng điều khiển gia nhiệt dùng vi điều khiển PIC16F887 kết hợp Triac và cảm biến nhiệt độ LM35.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Dung tích mẻ ủ: 2 lít dung dịch sữa, phân chia vào các hũ thủy tinh chuyên dụng đặt trên vỉ đỡ.
    • Môi trường gia nhiệt: Ổn định nhiệt độ hơi nước đối lưu kín bên trong buồng ủ.
    • Nguồn cấp: Lưới điện xoay chiều 220VAC (50Hz) cho thanh nung nhiệt và nguồn một chiều 5VDC cho mạch vi điều khiển (hệ thống không hoạt động khi mất điện lưới).
    • Thời gian và địa điểm thực hiện: Từ ngày 05/10/2020 đến ngày 15/01/2021 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  1. Lý thuyết vi sinh và hóa lý của quá trình lên men sữa chua: Quá trình lên men lactic chuyển hóa đường lactose trong sữa thành axit lactic nhờ hoạt động của hai chủng vi khuẩn chính là Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (ST) và Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus, kết hợp cùng một số chủng khác như Lactobacillus acidophilus (LA), Lactobacillus casei, Bifidobacterium. Sự gia tăng nồng độ axit lactic làm giảm pH về ngưỡng 3,5 – 4,5, khiến protein casein biến tính và đông tụ tạo cấu trúc gel mịn đặc trưng của sữa chua truyền thống (set yogurt). Dữ liệu thực nghiệm đối chứng chỉ ra ở dải nhiệt độ 45 – 46°C, độ axit chuẩn vị đạt tối ưu, độ nhớt ở mức trung bình và độ pH giảm nhanh về mức ổn định.
  2. Lý thuyết điều khiển PID rời rạc: Nhóm tác giả áp dụng phương pháp biến đổi $Z$ cho phương trình vi tích phân kinh điển. Khâu tích phân được xấp xỉ bằng phương pháp tích phân hình thang: $$\int_{(k-1)T}^{kT} e(t)dt \approx \frac{T}{2} [e(k-1)T + e(kT)] \Rightarrow G_I(z) = \frac{K_i T}{2} \frac{z + 1}{z - 1}$$ Khâu vi phân được tính theo sai phân lùi: $$G_D(z) = \frac{K_d}{T} \frac{z - 1}{z}$$ Hàm truyền toàn phần của bộ điều khiển PID rời rạc có dạng: $$G_{PID}(z) = K_p + \frac{K_i T}{2}\frac{z + 1}{z - 1} + \frac{K_d}{T}\frac{z - 1}{z}$$ Từ đó suy ra phương trình sai phân tính toán tín hiệu điều khiển $u(k)$ tại mỗi chu kỳ lấy mẫu $T$: $$u(k) = \frac{\alpha e(k) + \beta e(k-1) + \gamma e(k-2) + \Delta u(k-1)}{\Delta}$$ Trong đó:
    • $\Delta = 2T$
    • $\alpha = 2TK_p + T^2 K_i + 2K_d$
    • $\beta = T^2 K_i - 4K_d - 2TK_p$
    • $\gamma = 2K_d$
  3. Lý thuyết chỉnh định thông số: Đối chiếu giữa phương pháp lý thuyết Ziegler–Nichols dựa trên độ lợi tới hạn $K_u$ và chu kỳ dao động $P_u$:
Dạng điều khiển $K_p$ $K_i$ $K_d$
P $0,5 K_u$ — —
PI $0,45 K_u$ $0,2 K_p / P_u$ —
PID $0,6 K_u$ $2 K_p / P_u$ $K_p P_u / 8$

Trong thực tế thi công, tác giả sử dụng phương pháp chỉnh định bằng tay (manual tuning) trên mô hình thực nghiệm để tìm bộ thông số triệt tiêu độ vọt lố và giảm sai số xác lập.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thiết kế và tích hợp phần cứng - phần mềm: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, tính toán phối hợp trở kháng và chọn linh kiện; vẽ bo mạch in PCB; lập trình nhúng C trên vi điều khiển PIC16F887 bằng trình biên dịch CCS C Compiler; thu thập dữ liệu nối tiếp qua module PL2303 (UART) và vẽ đặc tuyến đáp ứng thời gian thực bằng ngôn ngữ Python trên nền tảng Visual Studio Code.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra chất lượng sản phẩm: Đo đạc nhiệt độ hơi nước bằng cảm biến LM35 có lọc nhiễu trung bình 50 lần; đánh giá chất lượng sữa chua sau các chu trình ủ thực tế thông qua phương pháp định tính (độ đông tụ, độ mịn, mùi vị) và định lượng (đo độ pH dung dịch).

Thiết kế và thi công hệ thống

Kiến trúc phần cứng và tính toán linh kiện

Hệ thống được tổ chức thành 7 khối chức năng chính:

  1. Khối vi điều khiển trung tâm (PIC16F887): Sử dụng thạch anh ngoài 20MHz để tạo dao động ổn định phục vụ định thời và truyền thông nối tiếp. Vi điều khiển sử dụng bộ chuyển đổi ADC 10-bit nội tại kênh AN0 để đọc điện áp cảm biến. Dòng tiêu thụ thiết kế đạt tối thiểu 550mA cho 22 chân I/O hoạt động.
  2. Khối cảm biến nhiệt độ (LM35): Cảm biến LM35 (dải đo -55°C đến 150°C, điện áp ra tuyến tính 10mV/°C, sai số 0,5°C) được cấp nguồn 5V. Đầu ra nối với kênh AN0, đồng thời tích hợp mạch lọc thông thấp RC gồm điện trở $R = 75\Omega$ và tụ điện $C = 1\mu\text{F}$.
    • Tính toán độ phân giải ADC (Step Size): $$SS = \frac{V_{REF+} - V_{REF-}}{2^{10} - 1} = \frac{5\text{V}}{1023} \approx 4,887\text{ mV}$$
    • Tỉ số quy đổi điện áp sang nhiệt độ: $$\text{Tỉ lệ} = \frac{10\text{ mV}}{4,887\text{ mV}} \approx 2,046 \Rightarrow \text{Nhiệt độ (°C)} = \frac{\text{Giá trị ADC đọc được}}{2,046}$$
    • Dữ liệu được lấy trung bình cộng 50 lần đo liên tiếp để loại bỏ nhiễu ngẫu nhiên.
  3. Khối phát hiện điểm không (Zero-Crossing Detector): Điện áp 220VAC (50Hz, chu kỳ $T = 20\text{ms}$, nửa chu kỳ $T/2 = 10\text{ms}$) đi qua cầu chì bảo vệ 5A, đưa vào cầu diode chỉnh lưu toàn phần tạo điện áp nhấp nháy đỉnh $220\sqrt{2} \approx 310\text{V}$. Dòng định mức qua LED của opto PC817 là 10mA. Điện trở hạn dòng được tính toán: $$R = \frac{310\text{V} - V_D}{10\text{mA}} \approx \frac{310\text{V}}{10\text{mA}} = 31\text{ k}\Omega \Rightarrow \text{Chọn điện trở chuẩn } R = 33\text{ k}\Omega / 1\text{W}$$ Khi điện áp lưới về gần 0V, transistor của PC817 ngắt, chân cực C được kéo lên 5V qua điện trở $4,7\text{ k}\Omega$, tạo xung sườn lên kích hoạt ngắt ngoài (External Interrupt tại chân RB0) của vi điều khiển.
  4. Khối công suất và cách ly: Tín hiệu điều khiển xung kích từ PIC16F887 được cách ly quang trước khi kích mở cực cổng (Gate) của Triac BTA41. Triac chịu trách nhiệm điều chỉnh góc kích dẫn dòng AC cung cấp cho thanh điện trở nung nước ở đáy máy.
  5. Khối hiển thị và giao tiếp: Màn hình LCD 20x4 được kết nối qua giao thức 4-bit (sử dụng 7 chân điều khiển và dữ liệu). Cổng UART cấu hình tốc độ Baud 9600 bps truyền thông tin nhiệt độ và trạng thái lên máy tính qua cáp chuyển đổi USB-TTL PL2303.
  6. Khối cảnh báo: Còi buzzer tích cực phát tín hiệu âm thanh khi bấm phím và khi hết thời gian ủ.

Thiết kế cơ khí và vỏ máy

Kết cấu cơ khí được thiết kế 3D gồm các bộ phận:

  • Vỏ máy bên ngoài dạng hình hộp kín, cửa trước tích hợp khung quan sát trong suốt, nắp trên bố trí hộp chứa bo mạch điều khiển và màn hình LCD.
  • Khay nước bằng kim loại đặt dưới đáy buồng để ngập thanh gia nhiệt.
  • Vỉ đựng hũ sữa chua bằng vật liệu chịu nhiệt, bố trí các lỗ định vị giữ chắc chắn các hũ thủy tinh dung tích phân chia đều cho tổng thể tích 2 lít hỗn hợp sữa.

Thuật toán điều khiển và lưu trình phần mềm

  • Ngắt Timer 1 (100ms): Định thời gian đếm biến dem và bdn. Khi dem = 10 (đủ 1 giây), vi điều khiển đọc cảm biến LM35, cập nhật đếm ngược thời gian ủ trên LCD và truyền dữ liệu qua UART. Khi thời gian ủ đếm về 0, hệ thống ngắt kích Triac và bật còi buzzer.
  • Chu kỳ lấy mẫu PID: Thiết lập tại $T = 1,5\text{ giây}$ (tương ứng bdn = 15). Tại mỗi chu kỳ, chương trình con tinh_PID() tính toán sai số $e(k) = SP - PV$ (với $SP = 46^\circ\text{C}$), tính giá trị ngõ ra $u(k)$, quy đổi ra thời gian trễ mở góc kích cho Triac trong khoảng nửa bán kỳ 0 – 10ms.
  • Ngắt ngoài RB0: Bắt tín hiệu điểm 0 từ mạch phát hiện góc để thiết lập lại mốc thời gian kích dẫn Triac đồng bộ với pha điện áp lưới.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan. Nội dung nghiên cứu

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài từ nhu cầu thực tiễn của người tiêu dùng đối với dòng sản phẩm sữa chua tự làm tại nhà; phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp ủ truyền thống và các máy thương mại (Misushia, Kuvings, Pensonic). Tác giả xác định rõ các mục tiêu cơ khí (gọn nhẹ, cách nhiệt tốt, dễ vệ sinh) và mục tiêu chức năng (ổn định nhiệt độ ~46°C với sai số dưới 3%, cài đặt định thời, cảnh báo buzzer, tự ngắt). Chương này cũng liệt kê chi tiết 11 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của hệ thống và bố cục toàn văn đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết sinh hóa về quy trình lên men sữa chua, các điều kiện ảnh hưởng đến hoạt lực của vi khuẩn lactic (ST, Bulgaricus), và mối quan hệ giữa nhiệt độ ủ (37°C so với 45 – 46°C), thời gian ủ và tốc độ giảm độ pH. Tiếp theo, chương trình bày chi tiết toán học của bộ điều khiển PID liên tục và PID rời rạc (sử dụng tích phân hình thang và sai phân lùi), các phương pháp chỉnh định tham số ($K_p, K_i, K_d$) bằng tay và phương pháp thực nghiệm Ziegler–Nichols. Phần cuối chương phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của các linh kiện: vi điều khiển PIC16F887 (ADC 10-bit, UART, các chế độ ngắt), cảm biến nhiệt độ LM35 (đối chiếu với DHT11 và DHT22), linh kiện công suất (Opto PC817, Triac BTA41) và màn hình LCD 20x4.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 chi tiết hóa sơ đồ khối hệ thống và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Tác giả trình bày các công thức tính toán độ phân giải bước nhảy ADC ($SS = 4,887\text{mV}$), tỷ số quy đổi nhiệt độ ($2,046$), mạch lọc RC cho LM35, và tính toán điện trở hạn dòng $33\text{k}\Omega/1\text{W}$ cho khối phát hiện điểm 0 của lưới điện 220VAC/50Hz. Chương này cũng phân tích thuật toán PID rời rạc chuyển đổi sang phương trình sai phân nhúng trên vi điều khiển, cơ chế tính duty điều khiển góc kích Triac, đồng thời thuyết minh các bản vẽ thiết kế 3D phần cơ khí (khay nước gia nhiệt, vỉ đỡ hũ thủy tinh, khung vỏ cách nhiệt, hộp điều khiển).

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình gia công phần cứng: thiết kế layout mạch in PCB, quy trình hàn gắn linh kiện, đóng gói bo mạch vào hộp điều khiển chuyên dụng và lắp ráp cơ khí hoàn thiện máy. Phần lập trình hệ thống được trình bày qua việc sử dụng trình biên dịch CCS C để xây dựng các thuật toán đọc ADC, ngắt Timer 1 định thời 100ms, ngắt ngoài RB0 dò góc 0, và thuật toán tính PID. Bên cạnh đó, tác giả thiết kế chương trình nhận dữ liệu UART và vẽ đồ thị đáp ứng nhiệt độ thời gian thực bằng Python trên môi trường Visual Studio Code.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đo kiểm dạng sóng mạch dò góc không trên phần mềm Proteus và trên mạch thật. Tác giả trình bày các đồ thị đáp ứng nhiệt độ của hệ thống gia nhiệt khi thử nghiệm thay đổi các hệ số $K_p, K_i, K_d$:

  • Thử nghiệm thuần tỉ lệ: $K_p = 7; 10; 9$ (khi $K_i = 0, K_d = 0$).
  • Thử nghiệm khâu vi phân: $K_p = 9$ kết hợp lần lượt $K_d = 1; 2; 3; 5$ (khi $K_i = 0$).
  • Thử nghiệm khâu tích phân: $K_p = 9, K_d = 0, K_i = 1$.
  • Bộ thông số tối ưu được xác định qua thực nghiệm: $K_p = 9, K_d = 1, K_i = 0$, giúp hệ thống đáp ứng nhanh, triệt tiêu độ vọt lố và giữ ổn định nhiệt độ tại 46°C.

Chương này cũng báo cáo kết quả đánh giá chất lượng thành phẩm sữa chua qua 3 lần ủ thử nghiệm:

Lần ủ Đánh giá cảm quan (độ mịn, mùi vị, độ đông tụ) Kết quả đo pH
Lần 1 Sữa đông tụ tốt, bề mặt mịn, vị chua thanh Đạt dải chuẩn
Lần 2 Cấu trúc gel đồng đều, không tách nước, vị chuẩn Đạt dải chuẩn
Lần 3 Chất lượng cảm quan ổn định, độ chua phù hợp Đạt dải chuẩn

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được: hoàn thành thiết kế thi công mô hình máy ủ sữa chua 2 lít hoạt động ổn định, thuật toán PID kiểm soát tốt nhiệt độ hơi nước, đáp ứng đầy đủ các tính năng định thời và cảnh báo. Tác giả đồng thời nêu ra các định hướng phát triển nhằm nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  1. Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Hệ thống máy ủ sữa chua dung tích 2 lít hoàn chỉnh, tích hợp buồng ủ cách nhiệt, khay nước nung nhiệt, vỉ chứa các hũ thủy tinh, hộp điều khiển hiển thị LCD 20x4 và còi báo động.
  2. Mạch phát hiện điểm không và điều khiển công suất AC: Mạch dò góc 0 dùng diode cầu và PC817 bắt chính xác điểm chuyển mức điện áp của lưới 220V/50Hz, cho phép vi điều khiển PIC16F887 kích hoạt Triac BTA41 điều khiển công suất thanh nung mượt mà.
  3. Xác lập bộ tham số PID thực nghiệm: Qua quá trình hiệu chỉnh đáp ứng, tác giả xác định bộ tham số $K_p = 9, K_d = 1, K_i = 0$ là giá trị tối ưu, giúp nhiệt độ hơi nước duy trì ổn định tại ngưỡng xấp xỉ 46°C với sai số nhỏ hơn 3%, không xảy ra hiện tượng vọt lố gây chết men vi khuẩn.
  4. Kiểm chứng chất lượng thành phẩm: Thử nghiệm ủ sữa chua qua 3 đợt vận hành thực tế cho thấy sản phẩm đạt độ đông tụ tốt, cấu trúc gel mịn màng, không bị phân lớp tách nước và độ pH đạt chuẩn chất lượng thực phẩm.

Đóng góp của đề tài

  • Kết hợp thành công giải thuật điều khiển số PID rời rạc với kỹ thuật điều khiển góc pha AC vào một thiết bị gia dụng quy mô gia đình, giải quyết triệt để bài toán dao động nhiệt độ lớn vốn có của phương pháp điều khiển đóng/ngắt (ON/OFF) truyền thống.
  • Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu nhiệt độ - thời gian thời gian thực qua giao tiếp UART hiển thị trực quan trên máy tính, tạo công cụ đo kiểm trực tiếp hỗ trợ quá trình tinh chỉnh tham số PID.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Hệ thống vận hành phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện lưới xoay chiều 220VAC và nguồn 5VDC, chưa tích hợp nguồn điện dự phòng khi xảy ra sự cố mất điện.
  • Việc đo độ pH của sữa chua thành phẩm mới chỉ được thực hiện gián tiếp/thủ công bằng phương pháp thử nghiệm mẫu bên ngoài, chưa tích hợp cảm biến đo pH điện tử trực tiếp trong buồng ủ.
  • Cơ cấu cài đặt thời gian và giao diện điều khiển mới dừng lại ở các nút bấm cơ học trực tiếp trên máy và màn hình LCD 20x4, chưa có kết nối giám sát từ xa.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo

  • Tích hợp cảm biến đo pH trực tiếp vào hệ thống điều khiển để tự động ngắt chu trình ủ khi độ pH đạt mức tối ưu thay vì chỉ định thời gian cố định.
  • Mở rộng dải nhiệt độ cài đặt linh hoạt để máy có thể phục vụ nhiều mục đích lên men thực phẩm khác nhau (làm tỏi đen, ủ bột bánh mì, làm giấm, ủ phô mai).
  • Tích hợp module truyền thông không dây (Wi-Fi/Bluetooth) nhằm kết nối thiết bị với ứng dụng điện thoại thông minh (IoT), cho phép người dùng giám sát nhiệt độ và điều khiển từ xa.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị học thuật và thực tiễn đối với:

  1. Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Điện tử Viễn thông: Là tài liệu tham khảo chi tiết về việc ứng dụng vi điều khiển họ PIC (PIC16F887) trong các bài toán thu thập tín hiệu analog từ cảm biến (LM35), xử lý ngắt trong/ngắt ngoài, kỹ thuật dò điểm không (Zero-Crossing) và điều khiển công suất AC qua Triac.
  2. Người nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển nhiệt độ: Phần trình bày về thuật toán PID rời rạc, các bước toán học xấp xỉ tích phân hình thang, sai phân lùi và phương pháp dò chỉnh hệ số $K_p, K_i, K_d$ trên mô hình thực nghiệm là tài liệu tham khảo trực tiếp, có tính ứng dụng cao.
  3. Người phát triển sản phẩm gia dụng và chế biến thực phẩm: Bản vẽ kết cấu 3D, thiết kế cơ khí buồng nhiệt đối lưu kín và các dữ liệu thực nghiệm về nhiệt độ - thời gian - độ pH trong quá trình lên men sữa chua là nguồn tham khảo hữu ích cho việc thiết kế thiết bị ủ thực phẩm quy mô gia đình.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống chọn nhiệt độ đặt (Setpoint) là xấp xỉ 46°C mà không phải là nhiệt độ khác?

Căn cứ vào nghiên cứu sinh hóa và thực nghiệm về lên men sữa bò thành sữa chua được trình bày trong Chương 2, ở nhiệt độ 45 – 46°C, hoạt lực của các chủng vi khuẩn lactic (Streptococcus thermophilus và Lactobacillus bulgaricus) đạt mức cao nhất, giúp độ pH giảm nhanh về mức ổn định, độ axit chuẩn vị đạt giá trị cao, độ nhớt ở mức trung bình và cấu trúc gel đông tụ mịn đều nhất so với nhiệt độ 37°C.

2. Vi điều khiển xử lý sự sai lệch giữa độ phân giải ADC và cảm biến LM35 như thế nào?

Cảm biến LM35 có độ nhạy $10\text{mV}/^\circ\text{C}$. Bộ ADC 10-bit của PIC16F887 với điện áp tham chiếu 0 – 5V có độ phân giải bước nhảy (Step Size) là: $$SS = \frac{5\text{V}}{1023} = 4,887\text{ mV}$$ Do bước nhảy ADC ($4,887\text{mV}$) không khớp với độ nhạy cảm biến ($10\text{mV}$), tác giả xác định tỉ lệ chênh lệch: $$\frac{10\text{mV}}{4,887\text{mV}} = 2,046$$ Nhiệt độ thực tế được tính bằng công thức: $\text{Nhiệt độ (°C)} = \frac{\text{Giá trị ADC}}{2,046}$, đồng thời lấy trung bình cộng 50 lần đọc liên tiếp để khử nhiễu.

3. Nguyên lý hoạt động của mạch phát hiện điểm không (Zero-Crossing Detector) trong đồ án là gì?

Điện áp 220VAC sau khi qua cầu chì và trở hạn dòng $33\text{k}\Omega/1\text{W}$ được chỉnh lưu toàn phần qua cầu diode thành các xung bán kỳ dương đỉnh 310V cấp vào LED của opto PC817. Trong hầu hết chu kỳ, LED sáng làm transistor của PC817 dẫn, kéo ngõ ra về mức 0V (GND). Tại thời điểm điện áp xoay chiều chuyển tiếp qua 0V, LED tắt làm transistor ngắt, ngõ ra được kéo lên 5V qua điện trở $4,7\text{k}\Omega$. Xung sườn lên này đưa vào chân ngắt ngoài RB0 của PIC16F887 để làm mốc đồng bộ thời gian kích mở Triac BTA41.

4. Bộ thông số PID tối ưu được xác định từ thực nghiệm là bao nhiêu và có đặc điểm gì?

Qua các đồ thị thực nghiệm đáp ứng trong Chương 5, bộ thông số tối ưu được chọn là $K_p = 9, K_d = 1, K_i = 0$. Cấu hình PD này giúp hệ thống đạt thời gian tăng trưởng nhanh, bám sát setpoint 46°C, và thành phần vi phân $K_d = 1$ đã triệt tiêu hoàn toàn độ vọt lố (overshoot), ngăn ngừa nguy cơ nhiệt độ tăng quá cao làm bất hoạt men vi khuẩn lactic.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành toàn diện mục tiêu thiết kế và chế tạo máy ủ sữa chua dung tích 2 lít quy mô gia đình ứng dụng giải thuật điều khiển PID rời rạc trên vi điều khiển PIC16F887. Hệ thống kiểm soát chính xác nhiệt độ hơi nước tại mức tối ưu xấp xỉ 46°C thông qua cơ chế dò điểm không và điều khiển góc kích Triac BTA41, kết hợp các tính năng định thời gian, cảnh báo âm thanh và tự động ngắt nguồn gia nhiệt an toàn. Kết quả thử nghiệm thực tế khẳng định thiết bị vận hành ổn định, thành phẩm sữa chua đạt chuẩn về độ đông tụ cảm quan và nồng độ pH.