Luận văn thạc sĩ về thiết kế và thi công máy ấp trứng công nghiệp tại HCMUTE

Chuyên đề nghiên cứu Thiết kế và thi công máy ấp trứng công nghiệp tại HCMUTE, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên gia chuyên

• Tác giả: Huỳnh Kim Tú
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Mạnh Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Máy Ấp Trứng Công Nghiệp
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC
• 2.1.1. Giới thiệu chung
• 2.1.2. Giới thiệu họ vi điều khiển PIC
• 2.1.3. Tổ chức bộ nhớ
• 2.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 2.2.1. Lý thuyết điều khiển PID
• 2.2.3. Các phương pháp điều chỉnh PID
• 2.2.3.1. Phương pháp thủ công
• 2.2.3.2. Phương pháp thủ công Ziegler–Nichols
• 2.2.3.3. Phương pháp điều chỉnh bằng phần mềm
• 2.3. KỸ THUẬT XỬ DỤNG MÁY ẤP TRỨNG
• 2.3.1. Các yêu cầu kỹ thuật (khảo sát trên trứng gà)
• 2.3.1.1. Chọn trứng ấp
• 2.3.1.2. Xử lý trứng ấp
• 2.3.1.3. Các thao tác kỹ thuật
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
• 3.1. Khối hiển thị LCD
• 3.2. Khối cảm biến đọc nhiệt ẩm
• 3.3. Khối điều khiển
• 3.4. Khối đảo khay trứng
• 3.5. Khối tạo nhiệt
• 3.6. Hệ thống quạt điều hòa
• 3.7. Khối thời gian thực
• 3.8. Khối tạo độ ẩm
• 3.9. Tủ ấp trứng
• 3.10. KẾT NỐI PHẦN CỨNG
• 3.11. Hình ảnh thực tế
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
• 4.1. Chương trình điều khiển
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 5.1. HÌNH ẢNH THỰC TẾ
• 5.2. CÁCH VẬN HÀNH
• 5.3. KẾT QUẢ VẬN HÀNH
• 5.3.1. Khối quạt điều hòa, đảo khay trứng, bộ đếm thời gian ấp
• 5.3.2. Khối phun sương – tăng độ ẩm
• 5.3.3. Khối tăng - giảm nhiệt độ
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy ấp trứng công nghiệp

Máy ấp trứng công nghiệp là thiết bị quan trọng trong ngành chăn nuôi, giúp tăng tỷ lệ nở cho trứng gia cầm. Thiết kế máy ấp trứng hiện đại sử dụng công nghệ điều khiển tự động, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người chăn nuôi. Các máy ấp trứng truyền thống thường sử dụng phương pháp điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm bằng tay, dẫn đến hiệu quả không cao. Việc áp dụng công nghệ mới vào thiết kế máy ấp trứng công nghiệp tại HCMUTE nhằm nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình ấp trứng.

1.1. Tầm quan trọng của máy ấp trứng

Máy ấp trứng đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất con giống. Việc sử dụng máy ấp trứng giúp người chăn nuôi dễ dàng kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ và độ ẩm, từ đó tạo ra môi trường lý tưởng cho trứng nở. Theo nghiên cứu, máy ấp trứng công nghiệp có thể đạt tỷ lệ nở lên đến 90%, cao hơn nhiều so với phương pháp ấp trứng truyền thống.

II. Thiết kế máy ấp trứng

Thiết kế máy ấp trứng công nghiệp tại HCMUTE được thực hiện dựa trên các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật điều khiển tự động. Sử dụng vi điều khiển PIC 16F887 làm trung tâm điều khiển, máy ấp trứng có khả năng tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm. Hệ thống cảm biến DHT22 được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm, từ đó điều chỉnh hoạt động của quạt và bóng đèn sưởi. Thiết kế này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả ấp trứng.

2.1. Nguyên lý hoạt động

Máy ấp trứng hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển PID, cho phép điều chỉnh liên tục các thông số nhiệt độ và độ ẩm. Khi nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá ngưỡng cho phép, vi điều khiển sẽ tự động điều chỉnh quạt hoặc bóng đèn để đưa các thông số về mức an toàn. Điều này giúp tạo ra môi trường ổn định cho trứng, từ đó nâng cao tỷ lệ nở.

III. Thi công máy ấp trứng

Quá trình thi công máy ấp trứng bao gồm nhiều bước, từ việc lắp ráp các linh kiện phần cứng đến lập trình phần mềm điều khiển. Các linh kiện như cảm biến, vi điều khiển, và các thiết bị điều khiển được kết nối với nhau theo sơ đồ nguyên lý đã thiết kế. Sau khi lắp ráp, máy sẽ được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hoạt động ổn định. Việc thi công máy ấp trứng công nghiệp tại HCMUTE không chỉ giúp sinh viên thực hành kỹ năng mà còn tạo ra sản phẩm có giá trị thực tiễn.

3.1. Quy trình thi công

Quy trình thi công máy ấp trứng bao gồm các bước như: lắp ráp phần cứng, kết nối các module, lập trình phần mềm, và kiểm tra hoạt động. Mỗi bước đều cần sự chính xác và tỉ mỉ để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả. Việc kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống là rất quan trọng, giúp phát hiện và khắc phục kịp thời các lỗi có thể xảy ra trong quá trình vận hành.

IV. Ứng dụng và hiệu quả

Máy ấp trứng công nghiệp được thiết kế và thi công tại HCMUTE không chỉ phục vụ cho việc ấp trứng gia cầm mà còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như nghiên cứu và phát triển giống. Sản phẩm này giúp nâng cao năng suất và chất lượng con giống, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất cho người chăn nuôi. Việc áp dụng công nghệ mới vào thiết kế máy ấp trứng cũng góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành chăn nuôi tại Việt Nam.

4.1. Lợi ích thực tiễn

Máy ấp trứng công nghiệp mang lại nhiều lợi ích cho người chăn nuôi, bao gồm tăng tỷ lệ nở, giảm thời gian ấp, và tiết kiệm chi phí. Hệ thống điều khiển tự động giúp người chăn nuôi không cần phải theo dõi thường xuyên, từ đó giảm bớt công sức và thời gian. Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ hiện đại cũng giúp nâng cao chất lượng con giống, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình chăn nuôi gia cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng, chim) nhằm sản xuất con giống chất lượng cao, máy ấp trứng đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát tỷ lệ nở và sức khỏe phôi thai. Ở các hệ thống ấp trứng truyền thống hoặc thế hệ cũ, phương pháp điều khiển chủ yếu dựa trên cơ chế đóng ngắt (ON/OFF) thủ công hoặc rơ-le nhiệt đơn giản. Người chăn nuôi phải trực tiếp theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và thực hiện đóng mở quạt làm mát hay bóng đèn sợi đốt bằng mắt thường và kinh nghiệm. Phương pháp này dẫn đến tình trạng dao động nhiệt lớn quanh điểm đặt, tiêu hao năng lượng cao, hiệu suất phôi nở không ổn định và tốn nhiều công sức giám sát.

Nhằm giải quyết bất cập trên, đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và thi công hệ thống máy ấp trứng tự động, ứng dụng vi điều khiển và giải thuật điều khiển tự động nhằm tạo ra môi trường vi khí hậu tối ưu cho phôi gia cầm phát triển.

Mục tiêu và các nội dung nghiên cứu được xác định theo 5 nhiệm vụ cụ thể:

1. Thu thập dữ liệu quy trình sinh học và nguyên lý vận hành máy ấp trứng gia cầm.
2. Xây dựng phần cứng, thiết kế mô hình cơ khí và thi công mạch điều khiển trung tâm.
3. Viết chương trình xử lý điều khiển vòng kín cho hệ thống.
4. Hiệu chỉnh hệ thống, chạy thử nghiệm và nghiệm thu kết quả thực tế.
5. Viết báo cáo thực hiện đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy ấp trứng gia cầm tự động điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, thời gian và cơ chế đảo trứng.
• Phạm vi kỹ thuật: Hệ thống áp dụng thuật toán vi tích phân tỷ lệ (PID) điều khiển liên tục công suất nhiệt qua xung PWM để đạt sai số nhiệt độ thấp; điều khiển độ ẩm sử dụng phương pháp đóng ngắt rơ-le do đặc thù sai số cho phép của độ ẩm lớn hơn (khoảng 20%).
• Phạm vi thực nghiệm: Mô hình khảo sát thực nghiệm trên trứng gà với quy mô 100 quả (gồm 2 khay, mỗi khay chứa 50 quả). Đề tài được thực hiện từ ngày 25/09/2016 đến ngày 03/01/2017 tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết điều khiển tự động, kiến trúc vi điều khiển nhúng và các yêu cầu kỹ thuật sinh học trong chăn nuôi gia cầm:

• Kiến trúc vi điều khiển: Họ vi điều khiển 8-bit RISC PIC16F887 do Microchip sản xuất, sở hữu 35 lệnh đơn, tần số hoạt động 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns), bộ nhớ chương trình Flash 8K Words, RAM 368 Bytes, EEPROM 256 Bytes, 35 chân I/O chia làm 5 cổng (Port A, B, C, D, E). Chip tích hợp 3 bộ định thời (Timer0 8-bit, Timer1 16-bit, Timer2 8-bit phục vụ điều chế độ rộng xung), 14 kênh biến đổi ADC 10-bit, khối ngắt đa nguồn quản lý qua các thanh ghi INTCON, PIE1, PIR1, PIE2, PIR2, cùng khối điều chế độ rộng xung PWM 10-bit cho phép điều khiển 1024 cấp công suất.
• Lý thuyết điều khiển PID: Mô hình điều khiển phản hồi vòng kín ba thành phần (Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân) với phương trình ngõ ra $u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$. Tác giả nghiên cứu các phương pháp xác định thông số gồm tinh chỉnh thủ công, phương pháp Ziegler–Nichols dựa trên độ lợi tới hạn $K_u$ và chu kỳ dao động tới hạn $P_u$, cùng phương pháp điều chỉnh tự động bằng phần mềm để tối ưu hóa đáp ứng nhiệt độ của lò sưởi.
• Kỹ thuật sinh học ấp trứng gia cầm: Các tiêu chuẩn chọn lọc trứng (khối lượng trứng gà nòi 40–50g, gà nòi chân vàng 38–45g; soi đèn loại bỏ trứng rạn nứt, lệch buồng khí), phương pháp xông khử trùng buồng ấp (17,5g thuốc tím kết hợp 35ml formol và 35ml nước cho 1 $\text{m}^3$ thể tích buồng xông trong 30 phút), quy trình cấp nhiệt, tạo ẩm theo từng giai đoạn ngày ấp và kỹ thuật đảo trứng góc 90° định kỳ 2 giờ/lần từ ngày 1 đến ngày 18.
• Phương pháp nghiên cứu thực tế: Kết hợp phương pháp tổng hợp tài liệu chuyên ngành; phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng - cơ khí; phương pháp lập trình nhúng phần mềm điều khiển; phương pháp đo lường, thực nghiệm và hiệu chỉnh thông số vòng kín trên mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy ấp trứng công nghiệp được thiết kế theo cấu trúc module phần cứng tích hợp chặt chẽ với phần mềm điều khiển:

+-------------------------------------------------------------+
|                      KHỐI NGUỒN CẤP                         |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
+------------------------------v------------------------------+
|             KHỐI ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM (PIC16F887)           |
+------+---------------+---------------+--------------+-------+
       |               |               |              |
+------v------+ +------v------+ +------v------+ +-----v-------+
| CẢM BIẾN    | | THỜI GIAN   | | HIỂN THỊ &  | | CƠ CẤU      |
| DHT22       | | THỰC DS1307 | | BÀN PHÍM    | | CHẤP HÀNH   |
| (Nhiệt/Ẩm)  | | (RTC - I2C) | | (LCD 20x4)  | | (Đèn, Quạt, |
+-------------+ +-------------+ +-------------+ | Bơm, Motor) |
                                                +-------------+

Kiến trúc phần cứng

Hệ thống phần cứng bao gồm các khối chức năng chính:

1. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm hạt nhân xử lý tín hiệu, tính toán giải thuật PID nhiệt độ, điều khiển trạng thái rơ-le và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi qua chuẩn I2C, 1-wire và các cổng xuất I/O.
2. Khối cảm biến nhiệt - ẩm: Sử dụng cảm biến số DHT22 đọc đồng thời nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong buồng ấp, giao tiếp qua 1 dây dữ liệu duy nhất với độ phân giải cao.
3. Khối hiển thị và cài đặt: Màn hình LCD 20x4 kết hợp hệ thống nút nhấn điều hướng cho phép người dùng theo dõi giá trị thực tế, cài đặt ngưỡng nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp theo từng chế độ.
4. Khối gia nhiệt và điều khiển công suất: Sử dụng bóng đèn hồng ngoại kết hợp mạch điều khiển công suất AC TAC-500 nhận xung PWM từ chân CCP của PIC16F887, cho phép biến đổi công suất đốt nóng liên tục 1024 mức mà không gây sốc nhiệt.
5. Khối tạo ẩm: Sử dụng thiết bị phun sương siêu âm đóng ngắt tự động qua mạch module 4 Rơ-le (Relay) cách ly quang.
6. Khối đảo trứng: Động cơ điện giảm tốc kết hợp cơ cấu trục quay cơ khí đảo khay trứng nghiêng một góc 90° theo chu kỳ định sẵn.
7. Khối quạt điều hòa: Hệ thống quạt làm mát và đối lưu không khí bố trí trong thùng ấp nhằm luân chuyển dòng nhiệt và độ ẩm đồng đều tại mọi vị trí khay trứng.
8. Khối thời gian thực: Sử dụng IC thời gian thực DS1307 kết nối thạch anh 32,768 kHz và pin nuôi dự phòng, giao tiếp I2C với vi điều khiển để đếm chính xác số ngày và chu kỳ ấp.
9. Kết cấu tủ ấp: Khung vỏ cách nhiệt chứa 2 khay trứng với dung lượng 50 quả/khay (tổng công suất 100 quả).

Thiết kế phần mềm

Chương trình điều khiển được xây dựng theo kiến trúc vòng lặp điều khiển chính (Main Loop) kết hợp ngắt định thời:

• Khởi tạo cấu hình các thanh ghi ngoại vi (Timer0, Timer1, Timer2, ADC, CCP/PWM, I2C).
• Khởi động giao diện màn hình LCD 20x4 và đọc thời gian từ DS1307.
• Quét trạng thái nút nhấn và xử lý chuyển đổi giữa các màn hình cài đặt (Màn hình khởi động, Màn hình cài đặt thông số nhiệt - ẩm, Màn hình cài đặt thời gian ấp, Màn hình chế độ tự động).
• Đọc chu kỳ dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm từ cảm biến DHT22.
• Thực thi giải thuật PID: Tính toán sai số giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ đặt, cập nhật giá trị Duty Cycle vào thanh ghi CCPR1L:CCPxCON<5:4> để điều chỉnh góc kích mở của mạch TAC-500.
• So sánh giá trị độ ẩm với ngưỡng cài đặt để kích hoạt đóng/ngắt rơ-le điều khiển máy phun sương.
• Kiểm tra bộ đếm thời gian thực để kích hoạt động cơ đảo khay 2 giờ/lần và tự động dừng chu kỳ đảo khi đạt đến ngày thứ 18.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương I trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng máy ấp trứng trong sản xuất nông nghiệp nhằm nâng cao tỷ lệ nở của gia cầm và giải phóng sức lao động thủ công. Tác giả phân tích hạn chế của phương pháp điều khiển đóng ngắt truyền thống (gây tổn thất năng lượng và biến động nhiệt độ lớn) và xác định mục tiêu thiết kế mô hình máy ấp trứng tự động điều chỉnh nhiệt độ liên tục bằng thuật toán PID dựa trên vi điều khiển PIC16F887. Chương này cũng phân định rõ phạm vi đề tài (nghiên cứu thực nghiệm trên 100 trứng gà, phân chia 2 khay) và cấu trúc toàn bộ báo cáo gồm 6 chương.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Chương II hệ thống hóa toàn bộ nền tảng lý thuyết kỹ thuật và sinh học phục vụ đề tài:

• Vi điều khiển PIC16F887: Phân tích chi tiết kiến trúc phần cứng, sơ đồ chân, tổ chức bộ nhớ (Flash, RAM, EEPROM), 3 bộ Timer (Timer0, Timer1, Timer2), nguyên lý hoạt động của các ngắt ngoại vi thông qua 5 thanh ghi ngắt (INTCON, PIE1, PIR1, PIE2, PIR2) và khối phát xung điều chế độ rộng PWM 10-bit với công thức tính chu kỳ và hệ số chu kỳ.
• Thuật toán điều khiển PID: Trình bày lý thuyết giải thuật điều khiển ba khâu P, I, D; phân tích ảnh hưởng của từng thông số $K_p$, $K_i$, $K_d$ đến chất lượng điều khiển hệ thống; giới thiệu phương pháp xác định tham số theo Ziegler–Nichols và tinh chỉnh phần mềm.
• Kỹ thuật ấp trứng gà: Nêu rõ các quy chuẩn kỹ thuật chọn trứng (theo hình dáng, khối lượng, soi buồng khí), quy trình vệ sinh sát trùng bằng dung dịch Benkocid và xông thuốc tím kết hợp formol (17,5g thuốc tím + 35ml formol/1 $\text{m}^3$). Cung cấp bảng dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm tiêu chuẩn theo từng giai đoạn ấp đơn kỳ và đa kỳ, cùng mục đích sinh học của việc đảo trứng góc 90° định kỳ 2 giờ/lần nhằm chống dính phôi vào vỏ.

Chương III: Thiết kế mô hình

Chương III miêu tả chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và sơ đồ nguyên lý của từng khối phần cứng:

• Thiết kế mạch vi điều khiển trung tâm PIC16F887 và các khối ngoại vi: mạch giao tiếp cảm biến DHT22, mạch hiển thị LCD 20x4 kèm khối nút bấm cấu hình, module thời gian thực DS1307.
• Thiết kế khối công suất gia nhiệt: Mạch điều khiển công suất AC TAC-500 kết nối với bóng đèn sưởi hồng ngoại, cho phép điều khiển nhiệt độ mịn qua tín hiệu PWM.
• Thiết kế khối tạo ẩm và chấp hành phụ trợ: Mạch module 4 Rơ-le điều khiển thiết bị phun sương tạo ẩm, động cơ đảo khay trứng và hệ thống quạt thông gió đối lưu.
• Trình bày sơ đồ nguyên lý toàn mạch, bản vẽ bố trí vị trí đặt quạt đối lưu trong buồng ấp và kết cấu cơ khí thùng ấp 2 tầng khay chứa 100 quả trứng.

Chương IV: Thiết kế phần mềm

Chương IV trình bày cấu trúc chương trình điều khiển hệ thống nhúng:

• Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính và các chương trình con xử lý ngắt, giao tiếp đọc cảm biến DHT22, đọc/ghi thời gian thực DS1307.
• Khai báo các thư viện phần mềm, định nghĩa các biến trạng thái và lập trình giao diện người dùng trên LCD 20x4 với các menu chức năng: Màn hình khởi động, Màn hình cài đặt thông số nhiệt - ẩm (Setting), Màn hình cài đặt thời gian ấp và Màn hình hiển thị trạng thái vận hành tự động.
• Cài đặt thuật toán PID điều khiển công suất gia nhiệt và thuật toán so sánh ngưỡng đóng ngắt độ ẩm tự động.

Chương V: Kết quả thực nghiệm

Chương V trình bày quy trình vận hành và đánh giá thực nghiệm mô hình máy ấp hoàn chỉnh:

• Giới thiệu hình ảnh thực tế của mạch điều khiển, bảng điều khiển LCD, nút nhấn và khung vỏ máy ấp hoàn thiện.
• Đánh giá khả năng hoạt động của từng phân hệ: Khối quạt điều hòa luân chuyển khí tốt, khối đảo trứng hoạt động chính xác góc 90° theo chu kỳ 2 giờ, module thời gian thực DS1307 đếm ngày ấp chính xác.
• Đánh giá khối tạo ẩm qua cơ chế phun sương tự động đáp ứng dải độ ẩm cài đặt; khối gia nhiệt PID duy trì nhiệt độ ổn định, bám sát nhiệt độ đặt qua từng giai đoạn sinh trưởng của phôi trứng.

Chương VI: Kết luận và kiến nghị

Chương VI tổng kết các kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp: Chế tạo thành công mô hình máy ấp trứng 100 quả vận hành tự động, làm chủ thuật toán điều khiển PID trên vi điều khiển PIC16F887 và tích hợp thành công các cảm biến đo lường, cơ cấu chấp hành. Tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất các giải pháp phát triển, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính

Hệ thống máy ấp trứng công nghiệp được thi công và thử nghiệm đạt được các thông số kỹ thuật theo yêu cầu thiết kế:

• Hoàn thiện mô hình máy ấp trứng kích thước nhỏ gọn với sức chứa 100 quả trứng gà (2 khay x 50 quả/khay).
• Kiểm soát nhiệt độ tự động qua giải thuật PID và mạch công suất AC TAC-500, cho phép điều chỉnh công suất gia nhiệt theo 1024 mức xung PWM, triệt tiêu hiện tượng vọt lố và giữ nhiệt độ buồng ấp ổn định.
• Tự động duy trì độ ẩm buồng ấp thông qua bộ điều khiển đóng ngắt thiết bị phun sương.
• Tự động thực hiện chu kỳ đảo trứng góc 90° với tần suất 2 giờ/lần và tự động khóa chức năng đảo từ ngày thứ 18 theo đúng quy chuẩn sinh học.
• Đếm và hiển thị trực quan số ngày ấp, nhiệt độ, độ ẩm thực tế và thông số cài đặt lên màn hình LCD 20x4.

Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật ấp đơn kỳ cho trứng gà được tích hợp vào hệ thống:

Giai đoạn ngày ấp	Nhiệt độ cài đặt (°C)	Độ ẩm cài đặt (%)	Chế độ đảo trứng
Ngày 1 – 5	37,8	60 – 61	Đảo góc 90° (2 giờ/lần)
Ngày 6 – 7	37,8	55 – 57	Đảo góc 90° (2 giờ/lần)
Ngày 8 – 11	37,6	55 – 57	Đảo góc 90° (2 giờ/lần)
Ngày 12 – 18	37,6	50 – 53	Đảo góc 90° (2 giờ/lần)
Ngày 19	37,2	60	Ngừng đảo trứng
Ngày 20 – 21	37,2	70 – 75	Ngừng đảo trứng
Gà bắt đầu nở	Giảm về 35,0	Tăng ẩm tối đa	Ngừng đảo (cắt ẩm trước 6h khi ra gà)

Đóng góp của đề tài

• Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp máy ấp trứng tự động hóa ứng dụng thuật toán PID trên vi điều khiển 8-bit giá thành thấp (PIC16F887), thay thế phương pháp điều khiển đóng ngắt thô sơ ở các dòng máy ấp thế hệ cũ.
• Tích hợp đồng bộ nhiều khối chức năng (cảm biến số DHT22, RTC DS1307, điều khiển công suất AC qua xung PWM, hiển thị LCD và cơ cấu đảo trứng tự động) vào một hệ thống nhúng hoàn chỉnh.
• Chuẩn hóa quy trình cài đặt thông số nhiệt - ẩm theo từng ngày ấp dựa trên các dữ liệu sinh học thực nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi cho người chăn nuôi nâng cao tỷ lệ nở và chất lượng con giống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Quy mô mô hình mới dừng lại ở mức thử nghiệm 100 quả trứng gà, chưa mở rộng kiểm nghiệm trên quy mô công nghiệp lớn với hàng nghìn quả hoặc ấp đa kỳ liên tục nhiều loại gia cầm khác nhau.
• Kênh điều khiển độ ẩm vẫn sử dụng phương pháp đóng ngắt rơ-le (ON/OFF) đơn thuần, chưa áp dụng giải thuật điều khiển liên tục tương tự như kênh nhiệt độ.
• Hệ thống chưa được trang bị tính năng lưu trữ nhật ký dữ liệu (Data Logging) theo thời gian dài và chưa có module kết nối truyền thông không dây để giám sát từ xa qua máy tính hoặc điện thoại.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng công suất và thể tích buồng ấp để phục vụ quy mô trang trại lớn; tối ưu hóa luồng khí đối lưu trong buồng ấp thể tích lớn.
• Nghiên cứu ứng dụng giải thuật điều khiển mờ (Fuzzy Logic) hoặc PID cho cả kênh độ ẩm nhằm nâng cao độ mịn điều khiển.
• Tích hợp thêm các module truyền thông không dây (như Wi-Fi, GSM/GPRS hoặc IoT Web Server) để theo dõi thông số vi khí hậu buồng ấp và gửi cảnh báo sự cố (mất điện, quá nhiệt, hết nước phun sương) trực tiếp đến người quản lý.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Tự động hóa và Cơ điện tử:

• Tài liệu tham khảo về hệ thống nhúng: Cung cấp hướng dẫn chi tiết về cấu trúc phần cứng vi điều khiển PIC16F887, cách khai thác các khối ngoại vi Timer, ngắt, giao tiếp I2C, chuẩn 1-wire và tạo xung PWM.
• Tài liệu tham khảo về kỹ thuật điều khiển: Cung cấp mô hình triển khai thực tế giải thuật PID điều khiển công suất tải nhiệt AC qua module TAC-500 kết hợp xung PWM.
• Tài liệu ứng dụng nông nghiệp công nghệ cao: Cung cấp đầy đủ cơ sở dữ liệu sinh học, bảng thông số nhiệt độ, độ ẩm, kỹ thuật khử trùng buồng ấp và cơ chế đảo trứng cho quy trình ấp gia cầm.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển nào được sử dụng làm trung tâm điều khiển hệ thống và cấu hình phần cứng nổi bật là gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển 8-bit PIC16F887 của hãng Microchip, có cấu trúc RISC với 35 lệnh đơn, tần số thạch anh 20 MHz (chu kỳ lệnh 200 ns), bộ nhớ Flash 8K Words, RAM 368 Bytes, EEPROM 256 Bytes, tích hợp sẵn các khối Timer0, Timer1, Timer2, ADC 10-bit và khối CCP tạo xung điều chế PWM 10-bit.

2. Tại sao hệ thống lại kết hợp hai phương pháp điều khiển khác nhau cho nhiệt độ và độ ẩm?
Nhiệt độ buồng ấp đòi hỏi độ chính xác cao và sai số cực thấp để phôi phát triển bình thường, do đó tác giả áp dụng giải thuật PID điều khiển liên tục công suất gia nhiệt qua xung PWM và mạch TAC-500. Trong khi đó, độ ẩm trong buồng ấp cho phép sai số dao động lớn hơn (khoảng 20%), nên phương pháp đóng ngắt rơ-le (ON/OFF) đối với thiết bị phun sương vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật vừa đơn giản hóa phần cứng.

3. Quy trình đảo trứng được thiết lập hoạt động như thế nào trong mô hình?
Trứng được cơ cấu động cơ cơ khí đảo nghiêng một góc 90° với chu kỳ định kỳ 2 giờ/lần. Mục đích là chống dính phôi vào vỏ trứng và cải thiện quá trình trao đổi chất. Chức năng đảo trứng tự động dừng lại từ ngày thứ 18 của chu kỳ ấp.

4. Phương pháp xông khử trùng buồng ấp và trứng được quy định theo công thức nào?
Trước khi ấp, buồng ấp và trứng được xông khử trùng bằng hỗn hợp thuốc tím và formol trong khoang kín: Cứ mỗi 1 $\text{m}^3$ thể tích buồng xông cần 17,5g thuốc tím kết hợp với 35ml formol và 35ml nước, đóng kín cửa buồng trong 30 phút rồi mới mở cửa cho khí bay hết.

5. Chế độ nhiệt độ và độ ẩm ở giai đoạn gà bắt đầu nở (ngày 20–21) thay đổi như thế nào so với giai đoạn đầu?
Ở giai đoạn đầu (ngày 1–7), nhiệt độ yêu cầu cao (37,8°C) và độ ẩm 60–61%. Đến giai đoạn cuối (ngày 20–21), nhiệt độ được hạ xuống 37,2°C (và giảm về 35,0°C khi gà bắt đầu mổ vỏ nở) để tránh phôi quá nhiệt do tự tỏa nhiệt trao đổi chất; đồng thời độ ẩm được nâng cao lên 70–75% (phun nước ấm) để làm mềm vỏ, tránh gà con bị sát vỏ hoặc chết ngạt.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy ấp trứng công nghiệp" đã hoàn thành việc chế tạo mô hình máy ấp trứng gia cầm tự động quy mô 100 quả trứng gà dựa trên vi điều khiển PIC16F887. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán ổn định nhiệt độ nhờ giải thuật điều khiển PID kết hợp mạch điều khiển công suất AC qua xung PWM 1024 mức, đồng thời tự động hóa hoàn toàn các chức năng đo lường nhiệt - ẩm, phun sương tạo ẩm, đếm thời gian thực và đảo trứng góc 90°. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng kỹ thuật vi điều khiển và lý thuyết điều khiển tự động vào sản xuất nông nghiệp, mang lại giải pháp công nghệ tin cậy, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả ấp nở con giống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I.4 GIỚI HẠN Đề tài nghiên cứu máy ấp điều khiển nhiệt độ bằng thuật PID vì yêu cầu sai số thấp; điều khiển độ ẩm thì sử dụng phương pháp đóng ngắt do sai số cho phép lớn (khoảng 20%). Đề tài thực nghiệm trên trứng gà .Số lượng trứng ấp là 100 trứng, bao gồm 2 khay, mỗi khay chứa được 50 trứng.5 BỐ CỤC Chương II: Cơ sở lý thyết Chương này trình bày các khái quát về kỹ thuật ấp trứng, thuật toán điều khiển PID. Trình bày cấu trúc cơ bản về vi điều khiển PIC 16F887 và các tính năng của vi điều khiển được sử dụng để điều khiển nhiệt độ máy ấp. Chương III: Thiết kế mô hình Sau khi miêu ta khái quát các khối chức năng trong hệ thống ,sẽ trình bày chi tiết từ giai đoạn thiết kế các khối chức năng và trình bày sơ đồ nguyên lý.

Chương IV: Thiết kế phần mềm Trình bày , khai báo các thư viện, tập tin hỗ trợ. Giới thiệu chương trình xử lý chính. Chương V: Kết quả thực nghiệm Trình bày cách vận hành hệ thống , nêu ra ưu khyết điểm mà hệ thống có được. Chương VI: Kết luận và kiến nghị Đánh giá kết quả mô hình máy ấp đạt được, từ đó đưa ra hướng phát triển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2 Luan van CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 2.1 Giới thiệu chung Ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người. Thực tế hiện nay là hầu hết các thiết bị điện hiện nay đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lí. Ứng dụng vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống.

Trên thị trường hiện nay có nhiều nhà sản xuất vi điều khiển để lựa chọn như: AMCC, Atmel, Intel, Microchip, …. Lý do ta chọn họ PIC của Microchip: - Họ vi điều khiển Pic phát triển và sử dụng phổ biến ở nước ta => việc tìm mua và trao đổi kinh nghiệm là hết sức thuận lợi. - Giá thành các dòng Pic là không quá mắc. - Các dòng Pic có đầy đủ tính năng để hoạt động độc lập.

- Có sự hỗ trợ cao của nhà sản xuất vềcác công cụ lập trình, trình biên dịch, mạch nạp Pic từ đơn giản tới phức tạp. Không những vậy các tính năng đa dạng của các đòng Pic không ngừng được phát triển. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM)… - Bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip.2 Giới thiệu họ vi điều khiển PIC PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty Microchip Technology. PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) là một sản phẩm của hãng General BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 Luan van CHƯƠNG II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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). Họ vi điều khiển PIC của Microchip - PIC 8-bit (xử lý dữ liệu 8-bit, 8-bit data bus)  Từ lệnh dài 12-bit (Base-line): PIC10F, PIC12F và một vài PIC16F  Từ lệnh dài 14-bit (Mid-Range và Enhance Mid-Range): PIC16Fxxx, PIC16F1xxx  Từ lệnh dài 16-bit (High Performance): PIC18F - PIC 16-bit (xử lý dữ liệu 16-bit)  PIC điều khiển động cơ: dsPIC30F  PIC có DSC: dsPIC33F  Phổ thông: PIC24F, PIC24E, PIC24H - PIC 32-bit (xử lý dữ liệu 32-bit): PIC32MX 2.1 Giới thiệu Hình 2 – 1. Hình dạng thực tế của PIC 16F887 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 Luan van CHƯƠNG II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bảng 2 – 1 Tóm tắt cấu trúc 5 loại Pic16F88x Hình 2 - 2. Cấu hình của vi điều khiển PIC16F887 Vi điều khiển PIC 16F887 có các đặc điểm cơ bản: - Cấu trúc :  Bộ dao động nội chính xác  Có chế độ ngủ tiết kiệm công suất.  Điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5,5V.  Có mạch Reset khi có điện.

 Tầm nhiệt độ làm việc theo chuẩn công nghiệp.  Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện và có bộ định thời chờ dao động hoạt động ổn định mới cấp điện.  Có bộ định thời giám sát dùng dao động trong chip cho phép bằng phần mềm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 Luan van CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên.

 Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động.  Có tích hợp mạch gỡ rối. - Kiến trúc RISC :  Có 35 lệnh đơn.  Thời gian thực hiện tất cả các lệnh là 1 chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh là 2.

 Tốc độ hoạt động: o Ngõ vào xung clock có tần số 20MHz o Chu kỳ lệnh 200ns.  Có nhiều nguồn ngắt.  Có 3 kiểu định địa chỉ trực tiếp ,gián tiếp và tức thời. - Cấu trúc bộ nhớ :  368 bytes bộ nhớ dữ liệu RAM.

 8K Words bộ nhớ chương trình FLASH (trong đó mỗi word của dòng mid-range là 14 bit), cho phép xóa và lập trình 100 000 lần.  256 bytes EEPROM, cho phép xóa và lập trình 1 000 000 lần và có thể tồn tại trên 40 năm. - Cấu trúc ngoại vi:  Có 35 chân I/O – 5 Port A,B,C,D,E.  Có Module so sánh điện áp tương tự o 2 bộ so sánh điện áp tương tự o Có module nguồn điện áp tham chiếu có thể lập trình o Có nguồn điện áp tham chiếu cố định có giá trị bằng 0,6V.

o Có các ngõ vào và các ngõ ra của bộ so sánh điện áp. o Có chế độ chốt SR  Có 14 bộ chuyển đổi tương tự với độ phân giải 10 bit.  Timer0: 8 bit hoạt động định thời/ đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình.  Timer1: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 Luan van CHƯƠNG II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT o 16 bit hoạt động định thời/ đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình. o Có ngõ vào cổng của Timer1 để có thể điều khiển timer1 đếm tín hiệu từ bên ngoài o Có bộ dao động công suất thấp tần số 32KHz.  Timer2: 8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kỳ, có bộ chia trước và chia sau.  Có module capture, compare và điều chế xung PWM+ nâng cao o Bộ capture 16 bit có thể đếm được số xung với chu kỳ cao nhất là 12,5ns.

o Bộ điều chế xung PWM với số kênh ngõ ra là 1,2 hoặc 4, có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20KHz. o Có ngõ ra PWM điều khiển lái.  Có module capture, compare và điều chế xung PWM o Bộ capture 16 bit có thể đếm được số xung với chu kỳ cao nhất là 12,5ns. o Bộ so sánh16 bit có thể so sánh xung đếm với chu kỳ lớn nhất là 200ns.

o Bộ điều chế xung PWM có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20KHz.  Có thể lập trình trên bo ISP thông qua 2 chân.  Có các chuẩn giao tiếp: I2C, SPI, USART.2 Cấu trúc Theo tài liệu [2], các khối bên trong vi điều khiển bao gồm: - Khối ghi định cấu hình cho vi điều khiển. - Khối bộ nhớ chương trình có nhiều dung lượng cho 5 loại khác nhau.

- Khối bộ nhớ ngăn xếp 8 cấp (8 level stack). - Khối bộ nhớ Ram cùng với thanh ghi FSR để tính toán đìa chỉ cho 2 cách truy xuất gián tiếp và trực tiếp. - Có thanh ghi lệnh dùng để lưu mã lệnh nhận về từ bộ nhớ chương trình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 Luan van CHƯƠNG II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Thanh ghi bộ đếm chương trình (PC) dùng để quản lý địa chỉ của bộ nhớ chương trình. - Khối ALU cùng với thanh ghi working hay thanh ghi A để xử lý dữ liệu. - Khối các bộ định thời khi cấp điện PUT, có bộ định thời chờ dao động ổn định, có mạch reset khi có điện, có bộ định thời giám sát watchdog, có mạch reset khi phát hiện sụt giảm nguồn. - Có khối giải mã lệnh và điều khiển (Instruction Decode and Control).

- Khối giải mã dao động nội (Internal Oscillator Block). - Khối dao động kết nối với 2 ngõ vào OSC1 và OSC2 để tạo dao động. - Khối bộ dao động nội cho timer1 có tần số 32kHz kết nối với 2 ngõ vào T1OSI và T1OSO. - Có khối CCP2 và ECCP.

- Có khối mạch gỡ rối (In-Circuit Debugger IDC). - Khối timer0 với ngõ xung đếm từ bên ngoài là T0CKI. - Khối truyền dữ liệu đồng bộ/bất đồng bộ nâng cao. - Khối truyền dữ liệu đồng bộ MSSP cho SPI và I2C.

- Khối bộ nhớ Eeprom 256 byte và thanh ghi quản lý địa chỉ EEADDR và thanh ghi EEDATA. - Khối chuyển đổi tín hiệu tươn tự sang số ADC. - Khối 2 bộ so sánh với nhiều ngõ vào ra và điện áp tham chiếu. - Khối các Port A,B,C,D và E.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 Luan van CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2 – 3. Cấu trúc bên trong PIC 16F887 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 Luan van CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2 – 4.

Sơ đồ chân PIC 16F887 Các cổng vào ra của PIC : Port A : có 8 bit (tương ứng với 6 chân RA0 – RA7) các chân của cổng A có tích hợp một số chức năng ngoại vi, nếu một thiết bị ngoại vi được enable thì cổng này sẽ không hoạt động như một cổng vào ra. Bình thường Port A sẽ là một cổng vào ra 2 chiều. Thanh ghi xác định chiều tương ứng của các chân Port A là thanh ghi TrisA bằng 1 sẽ xác định các chân ở Port A là đầu vào và ngược lại sẽ là đầu ra. Port B : rộng 8 bit (tương ứng với chân RB0 – RB7) là một cổng vào/ra 2 chiều.

Thanh ghi quy định chiều của Port B là thanh ghi TrisB. Thiết lập các thanh ghi TrisB bằng 1 sẽ làm cho cổng B là cổng vào và ngược lại sẽ là cổng ra. Port C : rộng 8 bit (tương ứng với chân RC0 – RC7) là một cổng vào/ra 2 chiều. Thanh ghi quy định chiều của Port C là thanh ghi TrisC.