Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy ấp trứng

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Kỹ thuật ấp trứng đã được con người thực hành hơn 2500 năm, nhưng nhiều phương pháp truyền thống hiện nay tốn kém, vất vả và hiệu quả thấp, với tỷ lệ nở kém và nguy cơ lây nhiễm bệnh dịch Trong bối cảnh khoa học – công nghệ ngày càng phát triển, những phương pháp ấp trứng cổ điển không còn phù hợp và không đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ cũng như năng suất của ngành ấp trứng hiện đại.

Hiện nay, ngành gia cầm tiêu thụ hàng năm lên đến hàng chục triệu tấn, yêu cầu ngành ấp trứng cần có sự cải cách mạnh mẽ để nâng cao hiệu quả và dễ dàng hơn trong kỹ thuật ấp trứng Việc sử dụng máy ấp trứng là điều thiết yếu, vì chất lượng lứa gà phụ thuộc nhiều vào giai đoạn ấp trứng Máy ấp trứng hoạt động hoàn toàn tự động, tạo điều kiện tối ưu cho sự phát triển của trứng, đồng thời nâng cao tỷ lệ nở, giảm thiểu mầm bệnh và tăng cường sức đề kháng cho gà khi trưởng thành.

Nhận thức được tiềm năng trong ngành ấp trứng, nhóm đã chọn thực hiện đề tài

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ấp trứng nhằm nâng cao năng suất ngành ấp trứng, sử dụng kiến thức đã học để hoàn thiện sản phẩm.

2 Hình 1.1: Biểu đồ thể hiện mức tiêu thụ gia cầm ở Việt Nam

Hình 1.2: Thịt gà – loại thịt phổ biến nhất trên thế giới

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Đánh giá được tầm quan trọng của ngành ấp đối với bối cảnh tiêu thụ thịt gà hiện nay trên thế giới

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Việc nghiên cứu đề tài góp phần củng cố các kiến thức đã học để vận dụng giải quyết các mục tiêu đặt ra đối với máy ấp

- Kết quả nghiên cứu cũng góp phần nâng cao tầm quan trọng của máy ấp đối với ngành ấp.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Chế tạo máy ấp với năng suất 264 trứng/lần ấp, tỷ lệ nở đạt 95 – 98%

- Hiểu được nguyên lý hoạt động của máy ấp trứng

- Tính toán, thiết kế và chế tạo cơ cấu truyền động đảo trứng

Tính toán và thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống ấp trứng bao gồm các chức năng quan trọng như kiểm soát nhiệt độ, phun ẩm, cảnh báo mất kiểm soát và thiết lập thời gian đảo trứng Bộ điều khiển này giúp duy trì điều kiện ấp trứng ổn định, tối ưu hóa tỷ lệ nở và đảm bảo an toàn cho quá trình ấp trứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là đảm bảo tạo ra một môi trường thuận lợi trong suốt quá trình ấp một cách hoàn toàn tự động

1.4.1.1 Nghiên cứu các yêu cầu trong việc ấp trứng

Nhiệt độ là yếu tố quyết định trong quá trình ấp trứng, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của phôi Mỗi loại trứng yêu cầu một mức nhiệt độ khác nhau; nếu nhiệt độ quá thấp, phôi sẽ không phát triển, trong khi nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến việc gà nở sớm, tạo ra gà con kém chất lượng Đặc biệt, việc duy trì nhiệt độ trên 40 độ C trong 2 giờ có thể gây chết phôi.

2) Độ ẩm Độ ẩm của môi trường là một yếu tố rất quan trọng để đảm bảo quá trình trao đổi chất trong phôi phát triển một cách bình thường Độ ẩm lý tưởng trong khoảng từ 55 – 65% để đảm bảo trứng không bị khô trong quá trình ấp Độ ẩm thích hợp nhất khi gà bắt đầu khẻ mỏ là 80 – 85% để trứng không bị sát vỏ, gà có thể khẻ mỏ được

Theo lý thuyết, trung bình mỗi quả trứng gà cần 4000 cm 3 khí oxy và thải ra

Để phát triển, phôi cần 3536 cm³ khí cacbonic và các loại trứng có cấu trúc vỏ đặc biệt cho phép phôi hô hấp Do đó, trong quá trình ấp trứng, việc cung cấp oxy đầy đủ là rất quan trọng.

4 đủ trong quá trình ấp với nồng độ oxy chiếm 21% và cacbonic không được vượt quá 0.4%

4) Đảo trứng Đảo trứng là nhân tố vô cùng quan trọng trong quá trình ấp trứng Đảo trứng giúp nhiệt độ, độ ẩm được phân bố đều nhau trên bề mặt trứng giúp phôi phát triển tốt, ngoài ra tránh cho phôi dính vào vỏ gây chết phôi, trứng không nở được Thời gian đảo trứng tối ưu nhất là 2 giờ 1 lần với góc nghiêng 45 độ như Hình 1.3 [8]:

Hình 1 3: Mô hình đảo trứng

5) Nghiên cứu về điều kiện nở của trứng gà

- Nhiệt độ tối ưu ấp trứng gà: 37.5 o C

- Ngày ngừng đảo trứng: ngày 18

Bài viết này tập trung vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ấp trứng chuyên dụng cho trứng gà, với mục tiêu duy trì nhiệt độ ổn định và chính xác ở mức 37.5 o C, nhiệt độ lý tưởng cho quá trình ấp trứng gà Đồng thời, chúng tôi cũng sẽ thiết kế vỉ trứng và cơ cấu truyền động đảo trứng phù hợp với kích thước và khối lượng của trứng gà.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên tài liệu và nghiên cứu hiện có, bài viết phân tích ưu nhược điểm của các mẫu máy ấp trên thị trường trong và ngoài nước Từ đó, đề xuất các phương án khắc phục những hạn chế và bổ sung chức năng cần thiết, nhằm hoàn thiện máy ấp một cách tốt hơn.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

- Nghiên cứu tổng quan về ngành ấp trứng và vai trò của máy ấp đối với ngành ấp trứng

- Quan sát, tìm hiểu các sản phẩm, dự án máy ấp trứng trên thị trường hiện nay

- Tham khảo tài liệu có liên quan để tính toán, thiết kế bộ điều khiển và các phương pháp truyền động

- Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế mô hình cơ khí

- Sử dụng phần mềm Proteus + Arduino để thiết kế phần mạch điện

Sử dụng phần mềm Matlab để thiết kế bộ điều khiển PID giúp theo dõi sự thay đổi của hệ thống khi điều chỉnh các thông số Kp, Ki và Kd Việc này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất điều khiển mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về tác động của từng tham số đến hành vi của hệ thống.

Kết cấu của ĐATN

ĐATN bao gồm 6 chương, trong đó chương 2 cung cấp cái nhìn tổng quan về nghiên cứu đề tài, bao gồm các khái niệm và định nghĩa liên quan đến ngành ấp và máy ấp Chương 3 trình bày cơ sở lý thuyết để giải quyết các vấn đề đã đặt ra Chương 4 đưa ra phương hướng và giải pháp cụ thể cho các vấn đề liên quan đến tính toán và thiết kế Chương 5 thể hiện các tính toán và thiết kế cần thiết để hoàn thiện từng phần của máy ấp, bao gồm cơ cấu truyền động và bộ điều khiển Cuối cùng, chương 6 nêu rõ thực nghiệm và đánh giá đề tài, kết thúc bằng phần kết luận – đề nghị nhằm khẳng định những kết quả đạt được và các đóng góp, đề xuất mới.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

2.1.1 Lịch sử phát triển của ngành ấp trứng

Kỹ thuật ấp trứng đã được con người thực hành từ hơn 2500 năm qua, bắt đầu từ các lò ấp nhân tạo ở Ai Cập với đất sét và rơm Ở Châu Á, các phương pháp ấp trứng cũng đã xuất hiện từ lâu, sử dụng ổ đựng trứng treo trên nguồn nhiệt Mặc dù những phương pháp này tốn kém và vất vả, chúng vẫn được coi là thành tựu quý giá trong ngành chăn nuôi Tại Việt Nam, để đạt tỷ lệ nở cao, người dân chọn gia cầm mái có khả năng ấp tốt Ngoài ra, còn có các phương pháp như ấp trứng thủ công bằng trấu hoặc thóc nóng, và kỹ thuật ấp trứng bằng nước nóng cho trứng thủy cầm như vịt, ngan, ngỗng.

Các phương pháp ấp trứng truyền thống tuy dễ thực hiện nhưng tốn kém, vất vả và mang lại hiệu quả thấp, với tỷ lệ nở kém và nguy cơ dịch bệnh Hiện nay, nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, ngành ấp trứng đã phát triển vượt bậc với sự xuất hiện của các máy ấp trứng tự động hoàn toàn Những máy này tự điều chỉnh các yếu tố quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm và thông thoáng, cho phép ấp cùng lúc lên đến 57,800 trứng với tỷ lệ nở trên 85% Hơn nữa, người dùng có thể ấp trứng bất kỳ lúc nào trong năm, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết, từ đó tiết kiệm thời gian và nguồn nhân lực Sự phát triển này không chỉ nâng cao sản xuất thịt mà còn hỗ trợ công tác gây giống, giúp theo dõi huyết thống của gia cầm.

7 Hình 2.1: Máy ấp trứng vào những năm 1900

Hình 2.2: Ấp trứng bằng trấu, thóc nóng

2.1.2 Các công đoạn của dây chuyền ấp trứng trong công nghiệp

1) Công đoạn nhận trứng và xông sát trùng trứng trước khi đưa vào ấp:

• Thực hiện xông và sát trùng trứng

• Xếp trứng vào khay ấp của máy

• Bảo quản trứng trước khi ấp

2) Công đoạn ấp trứng và vận chuyển gà con

• Đưa trứng vào máy ấp

• Kiểm tra trứng hỏng bằng phương pháp sinh học trước khi vào máy nở

• Đặt trứng đã ấp vào máy nở

• Thu hoạch gà con từ máy nở

• Thực hiện tiêm chủng và bảo quản gà con mới nở

• Vệ sinh máy ấp, buồng ấp và máy nở

3) Công đoạn vệ sinh sát trùng trạm ấp

4) Công đoạn vệ sinh sát trùng cho khu vực phòng ấp

5) Công đoạn vệ sinh bên ngoài khu vực ấp (kho và khay đựng trứng)

6) Công đoạn thống kế số liệu (thời gian, nguồn gốc trứng, số lượng, giống gia cầm, …) [10]

9 Hình 2.3: Dây chuyền ấp trứng trong công nghiệp

Hình 2.4: Buồng ấp trứng trong công nghiệp

Hình 2.5: Bên trong buồng ấp trong công nghiệp

Đặc tính của máy ấp

- Ấp số lượng tương đối: có thể ấp cùng lúc 264 trứng

Máy ấp tự động điều chỉnh nhiệt độ nhờ vào cảm biến nhiệt độ và bộ điều khiển, giúp duy trì môi trường bên trong máy ấp một cách hoàn hảo và hiệu quả.

Cơ chế đảo trứng tự động giúp đảo tất cả trứng bằng cách xoay các khay đựng trứng, với quá trình này có thể được thực hiện tự động theo các thiết lập đã định sẵn.

Kết cấu của máy ấp

- Thanh gia nhiệt: bộ phận cung cấp nhiệt độ cho máy ấp

- Quạt đối lưu: đối lưu luồng gió di chuyển bên trong máy ấp,

- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: cho biết nhiệt độ và độ ẩm đo được hiện tại bên trong máy

- Khay đựng trứng: cố định vị trí của trứng để ổn định trong lúc đảo

- Máy phun ẩm: tạo độ ẩm bên trong máy ấp

Mạch điện điều khiển là thành phần quan trọng trong máy ấp, chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hoạt động của thiết bị Nó điều chỉnh các yếu tố thiết yếu như nhiệt độ, độ ẩm và quá trình đảo trứng, đảm bảo môi trường ấp trứng luôn ổn định và hiệu quả.

Nguyên lý hoạt động của máy ấp trứng

Sau khi xếp trứng vào khay, đóng kín cửa máy ấp và khởi động, bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong máy ấp Điều này tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của phôi trứng Hệ thống đảo trứng theo chu kỳ được thiết lập giúp ngăn ngừa tình trạng phôi dính vào vỏ trứng.

Quy trình ấp trứng

Phương pháp thực hiện: lựa chọn trứng theo các chỉ tiêu:

• Khối lượng trứng: chênh lệch 5 – 10g so với khối lượng trứng trung bình (53 – 60 gram)

• Hình dạng trứng: hình ovan rõ nét và đều

• Vỏ trứng: vỏ dày vừa phải, cứng, nhẵn, đồng màu

Hình 2.6: Lựa chọn trứng dựa vào hình dáng bên ngoài

- Soi trứng xem bên trong:

• Buồng khí vừa phải, ổn định và đúng vị trí

• Màu lòng đỏ không quá đậm hoặc bị méo, phôi phát triển bình thường

• Không bị vẩn đục (lòng đỏ lẫn vào lòng trắng)

• Loại bỏ trứng có mạch máu nhưng màu sẫm (phôi chết)

Hình 2.7: Chọn trứng ấp bằng cách soi trứng

2.5.2 Xếp trứng vào khay đựng trứng

- Phương pháp thực hiện: thao tác như sau:

• Xếp trứng thẳng so với đáy khay đựng

• Xếp đầu chứa buồng khí (đầu to) của trứng lên trên, đầu nhọn xuống dưới

Đối với khay có then ngang không có lỗ định vị quả trứng, cần xếp từng hàng chặt chẽ trong khay Các rãnh hoặc khu vực xung quanh khay phải được chèn bằng giấy mềm và sạch để đảm bảo an toàn cho quả trứng.

Hình 2.8: Xếp trứng lên khay đựng trứng

- Thiết lập nhiệt độ, độ ẩm, chu kỳ, số vòng đảo trứng và số ngày ấp trong Menu

- Lưu lại các thông số

- Nhấn nút “SET” để khởi động bộ điều khiển nhiệt độ

2.5.4 Thực hiện ấp trứng tự động

Sau khi thiết lập nhiệt độ, bộ xử lý trung tâm Arduino tự động điều chỉnh công suất của thanh sấy nhiệt để cung cấp và duy trì nhiệt độ ổn định theo yêu cầu.

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.6.1 Các nghiên cứu ngoài nước

2.6.1.1 Máy ấp trứng công nghi ệp dòng PL & HD

Trong các nước công nghiệp, gà là một trong những nguồn thực phẩm tiêu thụ nhiều nhất, do đó, việc cung cấp số lượng lớn gà với tiêu chuẩn cao và đảm bảo sức khỏe người tiêu dùng là rất quan trọng Để đáp ứng nhu cầu này, các nhà máy chăn nuôi gà công nghiệp đã áp dụng hệ thống tự động hóa trong nhiều công đoạn như chọn và bảo quản trứng, kiểm tra trứng hỏng, tiêm chủng cho gà con, vận chuyển và vệ sinh máy ấp Trong đó, chế độ ấp trứng là công đoạn quyết định sự thành công trong việc sản xuất gà khỏe mạnh Vì vậy, việc sử dụng máy ấp trứng công nghiệp được coi là giải pháp tối ưu, đáp ứng đầy đủ các tiêu chí đầu ra.

Hình 2.9: Máy ấp trứng công nghiệp

• Ấp được đa dạng các loại trứng: gà, gà tây, vịt, cút, công, đà điểu và trứng ngỗng

• Công suất từ 4800 đến 115200 trứng

• Đa dạng các tùy chọn: kiểm soát ấp trứng, tự động hóa và quản lý trại giống

- Mô hình chi tiết bộ định vị PL & Bộ giữ HD:

• Tấm cách nhiệt cao cấp độ dày 50mm

• Quạt lưu thông không khí tốc độ thấp, hạn chế tiếng ồn

• Hệ thống thông gió tự động, hệ thống điều khiển PLC

• Cảm biến nhiệt độ SH75, cảm biến độ ẩm SHT75, cảm biến quá nhiệt, tốc độ quạt, hệ thống quay, …

• Màn hình cảm ứng LCD

Hình 2.10: Hệ thống điều khiển máy ấp trứng công nghiệp

2.6.2 Các nghiên cứu trong nước

2.6.2.1 Phương pháp ấp trứng thủ công

Hiện nay, các nhà máy sản xuất và chăn nuôi gia cầm, thủy cầm đều áp dụng dây chuyền ấp trứng hiện đại với quy mô trên 10.000 trứng, đảm bảo cung cấp gia cầm chất lượng cao Tuy nhiên, ở những vùng quê xa xôi, ấp trứng thủ công vẫn phổ biến nhờ vào tính dễ lắp đặt và tiết kiệm chi phí, mặc dù hiệu quả đầu ra không cao, tỷ lệ nở thấp và gia cầm có sức đề kháng kém, dễ mang mầm bệnh.

Hình 2.11: Ấp trứng thủ công

2.6.2.2 Máy ấp trứng đơn giản với thùng xốp

Ngoài các máy ấp trứng thương mại, hiện nay còn xuất hiện máy ấp trứng tự chế đơn giản từ thùng xốp Với chi phí thấp và các linh kiện dễ kiếm như module điều chỉnh nhiệt độ, box mica, thùng xốp kích thước 60x45x40cm, bóng đèn 220V-60W, quạt tản nhiệt 12V và adapter 12V, người dùng có thể tự tạo ra một thiết bị ấp trứng hiệu quả.

17 Hình 2.12: Máy ấp trứng tự chế từ thùng xốp

Hình 2.13: Module điều chỉnh nhiệt độ

Máy ấp trứng MACTECH, do Công ty Mactech Việt Nam nghiên cứu và sản xuất, nổi bật với khả năng ấp lên đến 5000 trứng và hoàn toàn tự động trong các quy trình như điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, thông gió, đảo trứng và báo hết nước Sản phẩm này đảm bảo tỷ lệ nở cao, đạt trên 85%, sử dụng điện áp 220V/50Hz và công suất 400W, với mạch điện tử được thiết kế chống ẩm tuyệt đối.

Hệ thống khay trứng được làm từ thép lưới sơn tĩnh điện, đảm bảo độ bền cao và thông thoáng tốt Thiết kế này cho phép nhiệt độ lưu thông đồng đều từ dưới lên trên, với chênh lệch nhiệt độ giữa các khay không vượt quá 0,2 oC Nhờ đó, tỷ lệ nở của trứng đạt mức cao và đồng nhất ở mọi vị trí trong buồng ấp.

Hình 2.14: Máy ấp trứng MACTECH

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh hiện nay, sự phát triển của khoa học – công nghệ đóng góp lớn cho công nghiệp hóa – hiện đại hóa, hướng đến cách mạng 4.0 Đối với Việt Nam, việc ứng dụng thành tựu khoa học – công nghệ trong sản xuất để tiết kiệm chi phí lao động và nâng cao năng suất, đặc biệt trong nông nghiệp, là rất quan trọng Nhằm đối phó với thách thức này, nhóm thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy ấp trứng” để nâng cao năng suất ngành ấp trứng, cung cấp gà đạt tiêu chuẩn cho ngành chăn nuôi, đáp ứng nhu cầu tiêu thụ và sức khỏe người tiêu dùng Qua khảo sát các loại máy ấp trứng trên thị trường (năng suất khoảng 200 đến 300 trứng mỗi lần ấp) và các phương pháp ấp trứng hiện tại, nhóm nhận thấy vẫn còn nhiều hạn chế cần khắc phục.

Bảng 2.1: Các hạn chế của máy ấp trên thị trường

- Trang bị cơ chế đảo trứng chưa hợp lý

- Không có chức năng báo ngày ấp

- Giao diện thiết lập không rõ ràng Ấp thủ công (thùng xốp)

- Điều khiển chưa hiệu quả

- Trang bị ít chức năng

Nhóm đã nhận thấy những hạn chế trong bảng 2.1 và quyết định thực hiện đề tài chế tạo máy ấp trứng với đầy đủ chức năng cần thiết Chúng tôi cải tiến cơ chế đảo trứng và bộ điều khiển nhiệt độ, đảm bảo giá thành hợp lý và giao diện dễ sử dụng, nhằm tiếp cận đại đa số người tiêu dùng Việt Nam.

Các tồn tại của máy ấp

Các nghiên cứu và dự án máy ấp trong và ngoài nước cho thấy máy ấp công nghiệp năng suất cao có khả năng ấp số lượng lớn trứng cùng lúc, tích hợp nhiều công nghệ hiện đại Tuy nhiên, giá thành của những máy ấp này thường rất cao, phù hợp cho các nhà máy quy mô lớn.

Máy ấp trung bình thường được sử dụng cho các xưởng ấp quy mô nhỏ, nhưng không được đầu tư nhiều về công nghệ, chủ yếu sử dụng module đóng ngắt bóng đèn sợi đốt bằng relay Mặc dù giá thành rẻ và dễ sử dụng, nhưng năng suất của các dòng máy này không cao và tỉ lệ nở kém Để khắc phục vấn đề này, dự án phát triển dòng máy ấp trung bình (264 trứng) với đầy đủ chức năng cần thiết cho quá trình ấp trứng Máy được điều khiển thông qua bộ điều khiển PID, giúp duy trì nhiệt độ ổn định bằng cách điều chỉnh công suất của thanh gia nhiệt Tuy nhiên, máy ấp vẫn còn một số hạn chế cần được cải thiện.

- Tính thẩm mỹ của máy chưa cao

- Các vỉ trứng cần phải được xếp cẩn thận, đúng vị trí để cơ cấu đảo trứng hoạt động hiệu quả

Bộ điều khiển hiện tại chưa có tính năng PID Autotuning, do đó không thể tự động dò tìm và tính toán các thông số PID phù hợp cho từng mức nhiệt độ thiết lập Hiện tại, chỉ có ba thông số Kp được cung cấp.

Ki, Kd chỉ phù hợp để bộ điều khiển nhiệt độ hoạt động ổn định nhất ở nhiệt độ thường dùng để ấp là 37.5 độ C

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Laminar Flow (K ỹ thuật Laminar Multi)

Dòng chảy đẳng hướng, hay còn gọi là laminar flow, là loại dòng chảy trong đó chất lỏng hoặc khí di chuyển mượt mà và theo đường thẳng, không có sự chồng lấn giữa các lớp Trong dòng chảy này, tốc độ của chất lỏng hoặc khí tại mỗi điểm là đồng nhất và không thay đổi theo thời gian Laminar flow thường xuất hiện trong các ống dẫn có đường kính nhỏ và ở tốc độ thấp Khi tốc độ dòng chảy tăng, hiện tượng này sẽ chuyển sang dòng chảy hỗn loạn, hay turbulent flow.

Trong lĩnh vực phòng sạch, Laminar Flow mô tả trạng thái dòng chảy của khí, nơi không khí di chuyển trong một mặt phẳng duy nhất Các phần tử không khí chuyển động song song, tạo ra một dòng chảy đồng nhất, không có sự chồng chéo hay hỗn loạn.

Trong Laminar Flow, chất lỏng hoặc khí có tính ổn định và dễ kiểm soát hơn so với dòng chảy bình thường có tính không đều

Hình 3.1: Mô tả dòng chảy không đẳng hướng (non-laminar flow) và đẳng hướng

Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một cơ chế phản hồi quan trọng trong lý thuyết điều khiển tự động, thường được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.

Bộ điều khiển PID tính toán sai số bằng cách so sánh giá trị đo được với giá trị đặt mong muốn, từ đó điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào để giảm thiểu sai số Nhờ vào quá trình này, hệ thống điều khiển hoạt động chính xác và hiệu quả hơn.

3.2.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Hình 3.2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID Trong đó:

- P (Proportional): là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu

I (Integral) là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu, với phương pháp điều khiển tích phân nhằm tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để giảm độ sai lệch về 0 Qua đó, ta có thể xác định tổng sai số tức thời theo thời gian và sai số tích lũy trong quá khứ Thời gian lấy mẫu càng nhỏ thì tác động đến điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.

D (Derivative) là vi phân của sai lệch, sử dụng phương pháp điều khiển vi phân để tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian càng lớn, phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, giúp bộ điều chỉnh phản ứng nhanh hơn với thay đổi đầu vào.

3.2.3 Các thành phần của hệ thống điều khiển

Quá trình điều khiển yêu cầu hệ thống tự vận hành để đạt được kết quả mong muốn, thông qua việc điều chỉnh các yếu tố đầu vào dựa trên thuật toán và lý thuyết điều khiển Các thành phần chính của hệ thống bao gồm:

- Cảm biến, dùng để đo lường các đại lượng cần điều khiển như dòng điện, nhiệt độ, độ ẩm, …

Bộ điều khiển có thể bao gồm từ các cơ cấu vật lý đơn giản đến các bộ điều khiển kỹ thuật số chuyên dụng phức tạp, hoặc thậm chí là các máy tính nhúng.

- Thiết bị chấp hành, dùng để tác động theo đáp ứng của cảm biến theo lệnh của bộ điều khiển

- Đối tượng điều khiển: Là các đối tượng được quan tâm điều khiển chẳng hạn là: lò nhiệt, động cơ và các thiết bị khác trong công nghiệp

3.2.4 Các chức năng của hệ thống điều khiển

3.2.5 Mục đích sử dụng bộ điều khiển:

Bộ điều khiển PID được xem là giải pháp tối ưu cho các quy trình sản xuất hiện đại, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tự động trong ngành công nghiệp Những ứng dụng cụ thể của bộ điều khiển này rất đa dạng, góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các quá trình sản xuất.

- Điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, kiểm soát lưu lượng khí qua đường ống, …

- Điều khiển mực nước, biến tần, …

- Giảm sai số xác lập tối thiểu, giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

- Hạn chế được độ dao dộng cho hệ thống

- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

Bộ điều khiển PID số (PID rời rạc)

Hệ thống điều khiển rời rạc là loại hệ thống điều khiển có hồi tiếp, trong đó tín hiệu tại một hoặc nhiều điểm được biểu diễn dưới dạng chuỗi xung, thay vì là hàm liên tục theo thời gian.

- Sơ đồ của bộ điều khiển PID rời rạc:

Hình 3.3: Sơ đồ của bộ điều khiển PID rời rạc

• 𝑦 𝑑 : tín hiệu đặt (tín hiệu mong muốn)

• 𝑦: ngõ ra hệ thống thực tế

• 𝑍𝑂𝐻: khối lưu trữ dữ liệu

• 𝐺 𝑃𝐼𝐷 (𝑧): hàm truyền PID rời rạc

• Hệ thống: hàm truyền hệ thống

• 𝑇: khóa đóng/ngắt với chu kỳ T (chu kỳ lấy mẫu)

Qua quá trình rời rạc hóa tín hiệu 𝑒(𝑡) theo chu kỳ T, ta thu được các giá trị 𝑒(𝑘) Các giá trị này được xử lý qua khối có hàm truyền rời rạc 𝐺 𝑃𝐷 (𝑧) để tạo ra tín hiệu điều khiển rời rạc 𝑢(𝑘) Nhờ vào khối lưu trữ dữ liệu 𝑍𝑂𝐻, tín hiệu rời rạc 𝑢(𝑘) được chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển liên tục 𝑢 𝑅 (𝑡) theo thời gian.

𝑢 𝑅 (𝑡) sẽ tác động vào hệ thống, từ đó hệ thống xuất ra tín hiệu 𝑦 Tín hiệu 𝑦 lại được hồi tiếp trở lại để hệ thống tiếp tục tính toán [2]

3.3.2 Hàm truyền của bộ điều khiển PID rời rạc [2]:

Hàm truyền của bộ điều khiển PID rời rạc như sau:

Phân tích công thức (1), ta được:

Suy ra, tín hiệu điều khiển PID cho hệ rời rạc [2]:

• u(k) là tín hiệu điều khiển ở thời điểm hiện tại

• e(k) là sai số ở thời điểm hiện tại

• e(k-1) là sai số trước đó một mẫu

• e(k-2) là sai số trước đó hai mẫu

• T là thời gian lấy mẫu [2]

3.3.3 Hàm truyền của lò nhiệt

Hình 3.4: Đặc tính chính xác của lò nhiệt

Hình 3.5: Đặc tính gần đúng của lò nhiệt

Dựa vào đặc tính của lò nhiệt, ta xác định hàm truyền gần đúng của lò nhiệt [2]:

Do tín hiệu vào là hàm nấc đơn vị (P = 100%) nên:

Tín hiệu ra gần đúng là hàm:

Tra bảng biến đổi Laplace ta được:

𝑠(1+𝑇 2 𝑠) (13) Áp dụng định lý chậm trễ ta được:

Suy ra hàm truyền của lò nhiệt là:

Suy ra: hàm truyền của lò nhiệt cũng có thể được tính như sau:

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP

Yêu cầu của đề tài

- Điều khiển nhiệt độ ổn định

- Cơ chế đảo trứng mượt mà, hiệu quả

- Tất cả trứng đều nhận được nhiệt độ và độ ẩm như nhau

Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.2.1 Phương hướng: Điều khiển nhiệt độ ổn định

Mỗi bộ điều khiển nhiệt độ đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, vì vậy việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp cần dựa vào nhu cầu sử dụng cụ thể của người dùng.

- So sánh ưu điểm, nhược điểm của các bộ điều khiển theo Bảng 4.1:

Bảng 4.1: Ưu, nhược điểm của các phương pháp điều khiển nhiệt độ

Giải pháp Ưu điểm Nhược điểm

Sử dụng Relay đóng/ngắt

- Mạch điện đơn giản, dễ sử dụng

- Không chiếm nhiều không gian máy

- Điều khiển nhiệt độ kém chính xác

- Quán tính nhiệt độ lớn, có thể dẫn đến hiện tượng sốc nhiệt với trứng, làm giảm tỷ lệ nở của trứng (Hình 4.1)

Sử dụng bộ điều khiển

- Điều khiển nhiệt độ chính xác

- Tăng tuổi thọ thanh gia nhiệt

- Giá thành tương đối cao

- Mất nhiều thời gian để dò tìm thông số phù hợp

Hình 4.1: Biểu đồ nhiệt độ khi sử dụng Relay

Hình 4.2: Biểu đồ thể hiện quán tính nhiệt nhiệt độ khi sử dụng bộ điều khiển PID

- Kết luận: Sau khi đánh giá 2 phương án đã nêu, chọn giải pháp: Sử dụng “Bộ điều khiển PID” làm bộ điều khiển nhiệt độ cho máy ấp

4.2.2 Phương hướng: Cơ chế đảo trứng mượt mà, hiệu quả

Trên thị trường hiện nay, có hai giải pháp đảo trứng phổ biến là khay đảo lăn và khay đảo nghiêng Mỗi loại khay đảo này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Việc lựa chọn giải pháp phù hợp cần dựa vào nhu cầu sử dụng cụ thể, như được trình bày trong Bảng 4.2 dưới đây.

Bảng 4.2: Ưu, nhược điểm của các khay đảo

- Vật liệu khung bằng nhôm, đựng trứng bằng tấm lưới thép

- Độ bền cao và chắc chắn hơn

- Yêu cầu tất trứng phải đặt nằm ngang thì mới đảo lăn hiệu quả

- Vật liệu nhựa, nhẹ, dễ dàng tháo lắp, di chuyển

- Đảo nghiêng trứng 1 góc 45 độ

- Sử dụng lâu dài dễ bị giòn, cong võng do sức nặng của trứng và nhiệt độ trong máy ấp

- Kết luận: Dựa trên những giải pháp nêu trên, cùng với những ưu, nhược điểm kèm theo, đề tài lựa chọn giải pháp “Khay đảo nghiêng”

4.2.3 Phương hướng: Tất cả trứng đều nhận được nhiệt độ và độ ẩm như nhau Để nhiệt độ và độ ẩm dễ dàng được cung cấp cho trứng, trên thị trường hiện nay áp dụng hai phương pháp, tùy vào mục đích sử dụng mà lựa chọn phương pháp phù hợp

Bảng 4.3: Ưu, nhược điểm của các phương pháp thổi gió

- Đơn giản, dễ lắp đặt

- Nhiệt độ phân bố không đồng đều

- Yêu cầu thường xuyên di chuyển các khay đảo trứng Đối lưu không khí

- Nhiệt độ, độ ẩm ở mỗi vị trí là như nhau

- Mỗi quả trứng đều được tiếp xúc với điều kiện môi trường giống nhau

- Yêu cầu thiết kế phần cơ khí của máy để đảm bảo tạo dòng chảy không khí như mong muốn

32 sẽ phát triển đồng đều

Hình 4.5: Phương pháp thổi gió trực tiếp

Hình 4.6: Phương pháp đối lưu không khí

- Giải thích về phương pháp đối lưu không khí (kỹ thuật Laminar Flow):

Theo như Hình 4.6, giải pháp được thực hiện như sau:

1) Sử dụng quạt đối lưu để hút không khí từ dưới đáy máy ấp ngược lên thanh sấy nhiệt

2) Không khí sau khi được xử lý nhiệt sẽ được quạt thổi đẩy lên trên nắp máy (nóc máy) và phân tán qua hai bên hông máy, sau đó được đẩy thẳng xuống đáy máy ấp

3) Tiếp đến, không khí được quạt hút lên trở lại, trong quá trình hút lên, luồng không khí mang nhiệt độ sẽ di chuyển luồn lách qua từng khe hở của các khay đựng trứng

Kết luận: Dựa trên những ưu điểm và nhược điểm đã được phân tích trong Bảng 4.3, đề tài đã chọn phương pháp "Thiết kế đối lưu khí (Kỹ thuật Laminar Flow)" để áp dụng cho máy ấp.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Giới thiệu

Dựa trên yêu cầu của đề tài và các phương hướng đã đề xuất trong Chương 3, bài viết sẽ tiến hành tính toán và thiết kế một máy ấp trứng hoàn chỉnh.

- Tính toán, thiết kế máy ấp 264 trứng (gà) trong 20 ngày liên tục

• Khối lượng trung bình của 1 quả trứng gà: 40gram

• Kích thước trung bình của 1 quả trứng gà: dài 53mm, rộng 43mm

• Số lượng 4 khay trứng, mỗi khay chứa 66 trứng theo phân chia 11 trứng theo hàng dọc và 6 trứng theo hàng ngang Khoảng cách giữa 2 khay là 80mm.

Tính toán, thiết kế phần cơ khí

5.2.1 Thiết kế vỉ trứng và khay trứng

Hình 5.1: Thiết kế vỉ trứng

- Thiết kế vỉ đựng trứng dựa trên lý thuyết về cân bằng bền

- Hệ gồm 1 trứng và 1 vỉ đựng trứng, đặt trọng tâm của hệ tại điểm C (như Hình 5.1)

Khi trứng được đặt vào vỉ với độ sâu lớn hơn 50% chiều cao của nó, trọng tâm của hệ (điểm C) sẽ nằm thấp hơn trục quay (điểm B) Điều này tạo ra một hệ cân bằng bền, giúp trứng trong vỉ ổn định và ngăn không cho chúng rơi ra ngoài.

Khoảng cách giữa đoạn BC cần phải nhỏ hơn nhiều so với đoạn AB, vì moment cản của hệ trứng sẽ thấp hơn nhiều so với moment tác động của thanh ngang Điều này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc đảo trứng.

Kết luận: Thiết kế vỉ trứng có kích thước dài x rộng x cao: 535 x 50 x 35 (mm) Thông số vỉ trứng:

- Chất liệu nhựa, khối lượng nhẹ

- Không dẫn nhiệt làm nóng bề mặt vỏ trứng

- Phù hợp sử dụng trong môi trường có độ ẩm cao như không gian máy ấp

Thiết kế bề mặt dạng rổ giúp tăng cường khả năng thoáng khí cho trứng, cho phép khí nóng tiếp xúc tối đa với diện tích bề mặt của trứng, từ đó nâng cao hiệu quả trong quá trình bảo quản và xử lý.

- Phía dưới mỗi vỉ có lỗ để giữ cố định vị trí quả trứng trong suốt quá trình ấp (như Hình 5.3)

5.2.1.2 Thiết kế khay trứng Đặc điểm:

- Vật liệu: nhựa, mỏng, nhẹ

- Có khoảng trống rộng để khí nóng có thể tuần hoàn và len lỏi trên từng bề mặt quả trứng

- Kích thước dài x rộng x cao: 548 x 374 x 52 (mm)

Khay đựng trứng gồm vỉ trứng và khay trứng như hình:

5.2.2 Tính toán độ bền vỉ trứng

Giả sử vỉ trứng chứa 11 quả trứng, mỗi quả nặng 40 gram và được sắp xếp cách đều nhau với khoảng cách a = 46 mm Lực tác dụng của mỗi quả trứng lên vỉ được ký hiệu là P, và các vị trí lực này được thể hiện trong hình dưới đây.

Hình 5.5: Tính độ bền vỉ trứng

- Tính ứng suất vỉ trứng:

• Khối lượng quả trứng (m) = 40 (g) = 0,04 (kg)

• Khoảng cách a = 46 (mm) = 0,046 (m) o Giải phóng liên kết: xuất hiện hai phản lực Y A và Y M như Hình 5.6

Hình 5.6: Tính ứng suất vỉ trứng a a a a a a a a a a a a

• Moment hệ lực đối với điểm A = 0

 – Pa – 2Pa – 3Pa – 4Pa – 5Pa – 6Pa – 7Pa – 8Pa – 9Pa – 10Pa – 11Pa + 12Y M a = 0

• Tổng hợp lực theo phương Y = 0

Hình 5.7: Biểu đồ lực cắt Q y và biểu đồ moment uốn M x

39 o Ứng suất của vỉ trứng với khả năng chịu tải là 11 quả trứng:

• Điều kiện bền: σ max = M x (max)

- Moment quán tính của mặt cắt ngang đối với trục trung hòa x:

- Khoảng cách từ đường trung hòa đến biên xa nhất: y max = 35

- Vỉ trứng được làm nhựa POM có ứng suất cho phép [12]:

 0,5 (N/mm 2 ) < 65,5 (N/mm 2 ) => Thỏa điều kiện bền

5.2.3 Tính toán chọn động cơ

• L1: khoảng cách từ trục quay đến trọng tâm của hệ (đoạn BC)

• L2: khoảng cách từ trục quay đến thanh ngang (đoạn AB)

• L3: chiều dài cánh tay đòn của motor = 15mm

• mtrứng+vỉ: khối lượng trứng + vỉ = 0,05 kg

• mtn: khối lượng thanh ngang = 0,022 kg

• Fqt1: lực quán tính ly tâm khi hệ (trứng + vỉ) chuyển động theo cung tròn bán kính

• Fqt2: lực quán tính của thanh ngang dao động điều hòa với chu kỳ T = 24s

• Fms: lực ma sát ở các khớp trượt

• a tn : gia tốc thanh ngang

• a ht : gia tốc hướng tâm

Khi hệ chuyển động để đảo trứng:

• Vỉ trứng (Hình 5.8) lắc quanh tâm quay B => Lực quán tính ly tâm Fqt1

• Thang ngang chuyển động qua lại => Lực quán tính thanh ngang Fqt2

 F qt2 của 4 thanh ngang = F qt2 4 = 2,3.10 −4−5 4 = 9,2.10 −5 (N)

• F qt1 = m trứng+vỉ a ht = m trứng+vỉ ( 2π

• Lực cần lắc khi hệ (trứng + vỉ) lệch góc 45 o

Hình 5.9: Vỉ trứng lệch góc 45 o

Moment trên trục động cơ:

Công suất động cơ được xác định theo công thức sau:

• T: moment trên trục động cơ (N.mm)

• n: số vòng quay của động cơ (vòng/phút)

Chọn động cơ thỏa điều kiện [1]:

 Chọn động cơ đảo trứng có thông số như sau:

• Kích thước: 81mm x 60mm x 60mm

Hình 5.10: Động cơ đảo trứng

Hình 5.11: Thiết kế 3D cơ cấu

Hình 5.12: Cơ chế đảo trứng thực tế

Hình 5.13: Chi tiết cơ cấu đảo trứng

- Giải thích: Khi motor quay, tay quay của motor kéo thanh truyền động

Trong quá trình hoạt động, thanh truyền động hình chữ T di chuyển lên xuống qua rãnh, kéo theo mối nối hình chữ L Mối nối này sẽ làm cho thanh truyền vỉ trứng di chuyển ngang, dẫn đến việc đảo trứng nghiêng qua lại ở một góc α Góc này phụ thuộc vào tỉ số giữa chiều dài tay quay motor và chiều dài cạnh của mối nối chữ L, được biểu diễn bằng công thức sin(𝛼) = 𝐿 3.

• 𝐿 3 là chiều dài tay quay motor

• 𝐿 là chiều dài cạnh của mối nối chữ L

Motor đảo trứng Thanh cố định

Thanh truyền động (chữ T) Mối nối chữ L

Cơ chế đảo trứng mới được phát triển bởi nhóm nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế của các thiết bị hiện có trên thị trường, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình đảo trứng.

- Những điểm khác biệt so với cơ chế đảo trứng có sẵn trên thị trường như

Bảng 5.1: Đặc điểm các cơ chế đảo trứng

Cơ chế đảo trứng Trong đề tài Trên thị trường Đặc điểm

- Chỉ sử dụng duy nhất một motor để vận hành cơ cấu truyền động cho tất cả các vỉ trứng

- Sử dụng mỗi motor cho mỗi vỉ trứng (như

Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ giữa chiều dài tay quay motor và chiều dài cạnh của mối nối chữ L, bạn có thể thay đổi góc nghiêng khi đảo trứng theo mong muốn.

- Không thể thay đổi góc nghiêng đảo trứng như mong muốn

Hình 5.14: Cơ chế đâo trứng phổ biến trên thị trường hiện nay

Thiết kế phần điện và điều khiển

Bộ điều khiển là yếu tố thiết yếu trong mô hình cơ khí, đóng vai trò như "bộ não" để giao tiếp và thực hiện yêu cầu của con người Trong bối cảnh hiện nay, với xu hướng tự động hóa, các máy móc cần phải hiện đại và đa năng hơn Do đó, thiết kế bộ điều khiển là phần không thể thiếu trong máy ấp trứng.

5.3.1 Sơ đồ khối của máy ấp trứng

Sơ đồ khối của máy ấp trứng được mô tả như Hình 5.15:

Hình 5.15: Sơ đồ khối của máy ấp trứng

- Khối nguồn: cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống điện và điều khiển

- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm: đo nhiệt độ và độ ẩm trong không gian máy

Arduino đóng vai trò là khối điều khiển trung tâm, nhận dữ liệu từ cảm biến để xử lý và điều khiển khối công suất thông qua mạch điều khiển Triac.

Mạch phát hiện điểm không (zero) là thiết bị dùng để xác định điểm tham chiếu điện áp bằng không của tín hiệu AC hoặc sóng hình sin, được xác định tại điểm giao nhau bằng không của tín hiệu.

- Mạch điều khiển Triac (Khối công suất): nhận tín hiệu điều khiển từ Arduino để điều chỉnh công suất của thanh sấy nhiệt

- Motor đảo trứng: đảo trứng

- Máy phun ẩm: cung cấp độ ẩm

- Module thời gian thực: cung cấp thông tin thời gian thực để thiết lập số ngày ấp

5.3.2 Thiết kế và lựa chọn các linh ki ện

1) Sơ đồ nguyên lý của mạch

Hình 5.16: Sơ đồ nguyên lý của mạch Arduino chức năng

2) Board điều khiển và các linh ki ện, thiết bị

Board điều khiển và các linh kiện, thiết bị điện tử được sử dụng trong mạch bao gồm: a) Khối điều khiển trung tâm: Arduino Nano FT232RL

Arduino Nano FT232RL là một bảng vi điều khiển nhỏ gọn, nặng chỉ khoảng 7g và có kích thước 1,8cm x 4,3cm Nó nổi bật với tính tiện dụng, đơn giản và khả năng lập trình trực tiếp từ máy tính, tương tự như Arduino UNO R3 Với giá thành hợp lý, Arduino Nano rẻ hơn so với Arduino Uno nhưng vẫn tương thích với tất cả các thư viện của mạch Arduino UNO.

Hình 5.17: Board Arduino Nano FT232RL

Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật của board Arduino Nano FT232RL

Bộ nhớ Flash 32 KB, 2 KB sử dụng Bootloader

SRAM 2 KB Điện áp ngõ vào 7 – 12 Volts Điện áp hoạt động 5 Volts

- Sơ đồ chân của board như Hình 5.18:

Hình 5.18: Sơ đồ chân Arduino Nano

Hình 5.19: Sơ đồ chân chi tiết của board Arduino Nano b) Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT22

Cảm biến DHT22 là một thiết bị kỹ thuật số tiết kiệm chi phí, tích hợp cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để đo lường điều kiện không khí xung quanh Nó cung cấp tín hiệu số qua chân dữ liệu, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý môi trường.

Cảm biến DHT22 khá đơn giản trong việc sử dụng nhưng đòi hỏi thời gian cần thiết để có thể lấy dữ liệu

Để kết nối, chỉ cần thực hiện các bước đơn giản: kết nối chân đầu tiên bên trái với nguồn điện áp khoảng 3 – 5 VDC, chân thứ hai với chân dữ liệu và chân còn lại với mass.

Hình 5.20: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22

Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật của cảm biến DHT22

Dòng sử dụng tối đa 2.5 mA (trong lúc yêu cầu dữ liệu)

Khoảng độ ẩm đo được 0 – 100%

Khoảng nhiệt độ đo được -40 ~ 80 o C Độ chính xác độ ẩm 2 – 5% Độ chính xác nhiệt độ +- 0.5 o C

Tốc độ lấy mẫu 0.5Hz (2 giây 1 lần)

Kích thước 27 x 59 x 13.5mm c) Màn hình LCD 20x4 kèm I2C Driver

Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) là một công nghệ hiển thị sử dụng tinh thể lỏng để trình bày chữ và số trong bảng mã ASCII Mỗi ô của màn hình LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng có khả năng kết hợp theo trình tự hiện hoặc ẩn, cho phép tạo ra các ký tự hiển thị theo yêu cầu, với mỗi ô chỉ hiển thị một ký tự duy nhất.

Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật màn hình LCD

Loại LCD I2C 2004 V1-GP Điện áp 5V

Module hỗ trợ giao tiếp với vi điều khiển Giao tiếp I2C

Giao tiếp I2C là một trong ba chuẩn giao tiếp nối tiếp cơ bản cùng với UART và SPI, kết hợp những ưu điểm nổi bật của cả hai Với giao thức I2C, người dùng có thể kết nối nhiều thiết bị slave với một master duy nhất, tương tự như SPI, đồng thời cũng cho phép nhiều master điều khiển một hoặc nhiều slave Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng như ghi dữ liệu từ nhiều vi điều khiển vào một thẻ nhớ chung hoặc hiển thị ký tự trên màn hình LCD.

Giống như UART, giao tiếp I2C sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị:

• SDA (Serial Data): đường truyền gửi và nhận dữ liệu được truyền cho master và slave

• SCL (Serial Clock): đường tín hiệu xung nhịp

Hình 5.23: Sơ đồ chân của I2C Driver

55 e) Mạch thời gian thực TinyRTC DS1307 giao ti ếp I2C

TinyRTC DS1307 là mạch thời gian thực cung cấp thông tin về ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây cho vi điều khiển qua giao tiếp I2C Mạch còn tích hợp IC EEPROM AT24C32, cho phép lưu trữ thông tin, rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển và đồng bộ dữ liệu thời gian thực.

Hình 5.24: Mạch thời gian thực TinyRTC DS1307

• Sử dụng IC DS1307 giao tiếp I2C real-time clock chip (RTC)

• IC DS1307 không thể đọc, viết và lưu data khi không có pin

• Sau khi sạc đầy, có thể sử dụng cho 1 năm

Mạch bao gồm một bộ rung điện áp điện hoạt động, tạo ra âm thanh tần số 2.5kHz khi tín hiệu ở mức cao, tương thích với các bộ vi điều khiển như Arduino.

Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật của mạch Buzzer KY-012 Điện áp hoạt động 3.5V ~ 5.5V

Dòng hoạt động 30mA 5VDC

Tần số cộng hưởng 2500Hz ± 300Hz Đầu ra âm thanh tối thiểu 85dB @ 10cm Nhiệt độ làm việc -20 o C ~ 70 o C

Kích thước 18.5 x 15mm g) Thiết bị tạo ẩm

Dùng để tạo độ ẩm trong không gian máy, phục vụ nhu cầu cấp ẩm cho trứng trong quá trình ấp

Bảng 5.6: Thông số kỹ thuật của thiết bị tạo ẩm Điện áp hoạt động 5VDC

5.3.2.2 Mạch Arduino đi ều khiển nhiệt độ

Sơ đồ nguyên lý của mạch Arduino điều khiển nhiệt độ như Hình 5.27 [4]:

Hình 5.27: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nhiệt độ Trong sơ đồ nguyên lý bao gồm:

1) Bộ cảm biến nhiệt độ Type K MAX6675

Cảm biến nhiệt độ Thermocouple loại K kết hợp với mạch MAX6675 là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng đo nhiệt độ chính xác Mạch MAX6675 có khả năng khuếch đại giá trị đo từ Thermocouple loại K, đảm bảo độ chính xác và ổn định cao Ngoài ra, mạch này sử dụng giao thức SPI để truyền tải giá trị cảm biến tới vi điều khiển một cách hiệu quả.

Hình 5.28: Bộ cảm biến nhiệt độ Type K MAX6675

Bảng 5.7: Thông số kỹ thuật của bộ cảm biến nhiệt độ

Hoạt động Thermocouple loại K Điện áp hoạt động 3~5.5VDC Độ phân giải ADC 12 bit 0.25 độ trên một đơn vị

2) Mạch phát hiện điểm không (zero) a) Mạch phát hiện điểm không (zero) được lắp ráp theo sơ đồ nguyên lý như Hình 5.29 dưới đây [4]:

Mạch phát hiện điểm không (zero) sử dụng điện áp xoay chiều 220VAC, sau khi qua cầu chỉnh lưu, điện áp này sẽ được điều chỉnh qua diode zener với điện áp đánh thủng ngược 𝑉𝑧 = 4.7V.

Trong mạch nguyên lý, diode zener hoạt động như một nguồn điện áp 4.7V Khi điện áp qua cầu chỉnh lưu nhỏ hơn điện áp đánh thủng ngược, diode zener sẽ dẫn thuận, cho phép điện áp đi qua điện trở 470Ω vào opto PC817 Ngược lại, khi điện áp qua cầu chỉnh lưu lớn hơn điện áp đánh thủng ngược, diode zener sẽ dẫn nghịch, khiến điện áp chạy ngược trở lại nguồn Như vậy, diode zener không chỉ cung cấp điện áp cho opto PC817 mà còn giúp đèn LED phát sáng để kích dẫn chân 3.

Khi chân 3 và 4 được dẫn thông với nhau thì chân tín hiệu “zero_cross” sẽ được nối mass và mang mức tín hiệu LOW

Khi diode zener hoạt động ở chế độ dẫn nghịch, điện áp sẽ trở về nguồn, dẫn đến việc chân 3 và 4 không dẫn thông Do đó, chân tín hiệu “zero_cross” sẽ duy trì mức tín hiệu mặc định là HIGH nhờ vào điện trở kéo lên.

61 c) Các linh kiện được sử dụng trong mạch bao gồm:

Cầu chỉnh lưu có chức năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC)

Hình 5.30: Cầu chỉnh lưu RS207

Bảng 5.8: Thông số kỹ thuật của cầu chỉnh lưu RS207

Loại diode 1 Pha Điện áp ngược cực đại 1kV

Dòng điện chỉnh lưu trung bình 2A Điện áp Forward max 1.1V @ 2A

Diode Zener là một linh kiện điện tử đặc biệt, tương tự như diode thông thường, nhưng có khả năng cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều Khi điện áp đặt vào diode Zener vượt quá điện áp đánh thủng, nó cho phép dòng điện chạy theo hướng ngược lại, giúp điều chỉnh và ổn định điện áp trong các mạch điện.

Bảng 5.9: Thông số kỹ thuật của diode zener 1N4732A Điện áp Zener 4.7V

THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ

Kết quả

Một số hình ảnh thực tế của máy ấp trứng sau khi hoàn thành đề tài:

Hình 6.1: Tổng quay máy phần cơ khí

76 Hình 6.2: Tổng quan hệ thống điện của máy ấp

Hình 6.3: Tổng quan bộ điều khiển của máy ấp

Hình 6.4: Màn hình hiển thị và các phím chức năng

Máy có chức năng chính ấp trứng Sau đây là các tính năng của máy phục vụ cho việc ấp trứng như sau:

• Điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

• Cảnh báo mất kiểm soát

Máy được vận hành như sau:

- Sau khi bật máy, màn hình sẽ hiện nhiệt độ, độ ẩm, thời gian đảo trứng và số ngày ấp còn lại như Hình 6.5:

Hình 6.5: Màn hỉnh hiển thị các thông số

- Tiến thành thiết lập các thông số bằng các phím chức năng như Hình 6.6:

Hình 6.6: Các phím chức năng của máy ấp

Trong đó: Chức năng các phím như Bảng 6.1 sau:

Bảng 6.1: Chức năng của các phím nhấn

Menu (M) Mở giao diện thiết lập các thông số

DOWN (-) Giảm giá trị thông số đang chọn

UP (+) Tăng giá trị thông số đang chọn

SET (S) Gửi dữ liệu nhiệt độ đặt lên cổng Serial

PID (PID) Nhận tín hiệu nhiệt độ đặt và tiến hành quá trình điều khiển nhiệt độ

- Nhấn phím “M” để tiến hành vào giao diện thiết lập các thông số như Hình 6.7:

Hình 6.7: Thiết lập nhiệt độ

- Tại đây, ta có thể sử dụng phím “-” để giảm giá trị hoặc phím “+” để tăng giá trị thiết lập

Sau khi chọn thông số mong muốn, nhấn phím “M” để chuyển sang thiết lập thông số tiếp theo Tiếp tục thực hiện tương tự để thiết lập toàn bộ các thông số trong giao diện Menu, như được minh họa trong các hình dưới đây.

80 Hình 6.8: Thiết lập dung sai nhiệt độ

Hình 6.9: Thiết lập độ ẩm

81 Hình 6.10: Thiết lập dung sai độ ẩm

Hình 6.11: Thiết lập cảnh báo nhiệt độ

82 Hình 6.12: Thiết lập cảnh báo độ ẩm

Hình 6.13: Thiết lập số ngày ấp

Hình 6.14: Thiết lập thời gian đảo trứng

Hình 6.15: Thiết lập số vòng đảo trứng

Sau khi thiết lập các thông số, bạn cần nhấn phím “M” để lưu lại các tùy chọn đã chọn Nếu muốn hủy bỏ thiết lập, hãy nhấn phím “UP” hoặc “DOWN” như hình dưới đây.

84 Hình 6.16: Lưu lại các thông số đã chọn

Hình 6.17: Tiến hành lưu lại

Hình 6.18: Thiết lập thành công

Hình 6.19: Hủy bỏ thiết lập

- Sau khi đã tiến hành thiết lập các thông số, nhấn giữ phím “SET” để tiến hành gửi dữ liệu nhiệt độ đã thiết lập lên cổng Serial

- Tiếp tục nhấn phím “PID” để tiến hành quá trình điều khiển nhiệt độ

- Sau đó, máy ấp sẽ ấp trứng hoàn toàn tự động

Thực nghiệm

6.2.1 Thực nghiệm bộ PID điều khiển nhiệt độ

6.2.1.1 Các tiêu chí đánh giá bộ điều khiển PID

1) Độ vọt lố (POT%): POT% = 𝑃𝑂𝑇% = 𝑦 𝑚𝑎𝑥 −𝑦 𝑥𝑙

• 𝑦 𝑚𝑎𝑥 là giá trị (nhiệt độ) cao nhất của hệ thống trong quá trình hoạt động

• 𝑦 𝑥𝑙 là giá trị xác lập của hệ thống sau một khoảng thời gian không còn thay đổi

2) Thời gian xác lập (txl): là khoảng thời gian từ lúc hệ thống bắt đầu bị dao động cho đến lúc hệ thống ổn định, không còn dao động

3) Sai số xác lập (exl): sai số giữa giá trị xác lập và giá trị đặt (giá trị mong muốn)

Bộ điều khiển tối ưu nhất khi:

• Độ vọt lố POT% càng nhỏ càng tốt

• Sai số xác lập exl càng nhỏ càng tốt

• Thời gian xác lập txl càng nhỏ càng tốt

6.2.1.2 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển

Kết quả thực nghiệm từ máy ấp cho thấy:

• Ở nhiệt độ 37.5 độ C và thời gian lấy mẫu T = 1 giây thì hệ thống đáp ứng tốt như đồ thị Hình 6.20:

Hình 6.20: Đáp ứng hệ thống ở nhiệt độ đặt 37.5 o C

- Nhận xét: Ở nhiệt độ đặt và thời gian lấy mẫu T = 1 giây, với bộ ba thông số K P = 7.5, K I = 0.006, K D = 0, ta tính toán được:

• Nhiệt độ tối đa của hệ thống là 38.5 o C

• Nhiệt độ xác lập (trung bình) của hệ thống là 37.56 o C

• Thời gian xác lập là 250 giây

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID nhiệt độ của máy ấp hoạt động hiệu quả, với độ vọt lố chỉ 2.5%, sai số xác lập rất nhỏ ở mức 0.06, và thời gian xác lập chỉ mất 250 giây.

6.2.1.3 Đáp ứng của hệ thống khi tác động bộ ba thông số K P , K I , K D

Hình 6.21: Đáp ứng hệ thống khi KP = 0.5

• Hệ thống đáp ứng chậm, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là

• Nhiệt độ xác lập là 38.02 o C

• Sai số xác lập là 0.52

Khi giá trị KP giảm xuống, sai số xác lập sẽ tăng lên, dẫn đến hệ thống trở nên ổn định hơn nhưng gặp khó khăn trong việc giảm vọt lố Mặc dù thời gian xác lập kéo dài, giá trị KP = 15 vẫn thể hiện sự cân bằng giữa độ ổn định và thời gian xác lập trong quá trình điều chỉnh hệ thống.

Hình 6.22: Đáp ứng hệ thống khi KP = 15

• Hệ thống đáp ứng khá tốt, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là 38.5 o C

- Kết luận: Khi giá trị Kp càng lớn thì sai số xác lập nhỏ lại, hệ thống kém ổn định hơn

Hình 6.23: Đáp ứng hệ thống khi KI = 0.03

• Hệ thống đáp ứng khá tốt, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là 38.5 o C

- Kết luận: Khi giá trị KI càng nhỏ thì độ vọt lố có giảm đi nhưng tồn tại sai số xác lập

Hình 6.24: Đáp ứng hệ thống khi KI = 0.1

• Hệ thống đáp ứng kém, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là

- Kết luận: Khi giá trị KI càng lớn thì độ vọt lố càng cao, sai số xác lập càng lớn và thời gian xác lập cũng lâu hơn

Hình 6.25: Đáp ứng hệ thống khi KD = 0.5

• Hệ thống đáp ứng tương đối kém ổn định, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là 39 o C

- Kết luận: Khi tồn tại thông số KD làm tăng sai số xác lập và độ vọt lố dẫn đến hệ thống kém ổn định

Hình 6.26: Đáp ứng hệ thống khi KD = 10

• Hệ thống đáp ứng tương đối, nhiệt độ tối đa trong quá trình hoạt động là 38.75 o C

- Kết luận: Khi tăng KD thì độ vọt lố và thời gian xác lập giảm đáng kể nhưng tồn tại sai số xác lập tương đối lớn

❖ Kết luận: Dựa trên những kết quả từ thực nghiệm khi thay đổi lần lượt ba thông số

KP, KI, KD, rút ra được kết luận như sau:

Khi giá trị KP giảm, sai số xác lập sẽ nhỏ hơn, nhưng hệ thống sẽ trở nên kém ổn định Ngược lại, nếu tăng giá trị KP, hệ thống sẽ phản ứng chậm hơn và sai số xác lập sẽ lớn hơn.

Khi giá trị KI giảm, hệ thống hoạt động gần giống như chỉ có khâu tỷ lệ KP, dẫn đến việc vẫn tồn tại sai số xác lập Ngược lại, khi giá trị KI tăng, hệ thống có thể gặp hiện tượng vọt lố.

Khi giá trị khâu vi phân KD được thêm vào điều khiển với mức nhỏ, tác động của nó lên hệ thống là không đáng kể Tuy nhiên, khi giá trị KD tăng lên, hệ thống bắt đầu dao động mạnh mẽ, dẫn đến tình trạng kém ổn định.

❖ Thực nghiệm ấp trứng: Thực hiện ấp 264 trứng gà trong vòng 17 ngày ở nhiệt độ 37.5 o C, độ ẩm 60%, thiết lập đảo trứng 1 vòng sau mỗi 2 giờ Đến ngày thứ

18, thiết lập ngừng đảo trứng và tăng độ ẩm cài đặt lên 70%

❖ Kết quả thực nghiệm: sau khi tiến hành 4 lần ấp, thu được kết quả thực nghiệm như các bảng dưới đây sau:

Bảng 6.2: Kết quả thực nghiệm ấp trứng lần 1

Ngày thứ 20 Thu hoạch được 226 trứng đã nở

Ngày thứ 22 Còn lại 14 trứng chưa nở

Ngày thứ 23 14 trứng không nở

Từ kết quả sau 4 lần thực nghiệm ấp, rút ra được tỷ lệ nở như Bảng 6.6 sau:

Bảng 6.6: Tỷ lệ nở trung bình

Lần ấp Tỷ lệ nở

Tỷ lệ nở trung bình sau 4 lần thực nghiệm ấp trứng đạt 95.8%, cao hơn so với phương pháp ấp thủ công chỉ đạt 65 – 70% và tương đương với các máy ấp phổ biến trên thị trường có tỷ lệ nở từ 95 – 98% Kết quả này cho thấy máy ấp trong nghiên cứu đạt yêu cầu về hiệu suất nở trứng.

- Thiết kế, gia công và hoàn thiện phần cơ khí của máy ấp (bao gồm vỏ máy ấp và cơ cấu truyền động đảo trứng)

- Điều khiển nhiệt độ ấp trứng ổn định và tương đối chính xác với bộ điều khiển PID

- Các chức năng khác như tạo độ ẩm, cảnh báo mất kiểm soát, thiết lập đảo trứng hoạt động tốt

- Xây dựng giao diện menu thiết lập đầy đủ thông tin, dễ sử dụng

- Đáp ứng nhu cầu ấp trứng hoàn toàn tự động và hiệu quả

Hình 7.1: Tổng quan máy ấp trứng 3D và máy ấp trứng thực tế

- Thông số kỹ thuật của máy ấp:

Bảng 7.1: Thông số kỹ thuật của máy ấp Nguồn điện sử dụng 1 pha 220VAC

Năng suất 264 trứng/lần ấp

Hạn chế của đề tài

- Máy ấp chỉ mới diều khiển nhiệt độ ổn định ở nhiệt độ đặt là 37.5 o C (nhiệt độ thường dùng để ấp trứng)

- Phần khung vỉ của trứng chưa được gia công chính xác hoàn toàn

- Phần mạch điện chưa được bố trí hợp lý

- Chưa trang bị tính năng cấp nước tự động

Đề xuất và kiến nghị

Dựa trên những hạn chế đã nêu, nhóm thực hiện đề xuất một số giải pháp nhằm hoàn thiện đề tài như sau:

- Trang bị chức năng PID Auto-tuning cho bộ điều khiển hoặc trang bị bộ điều khiển PID-Fuzzy (PID – Mờ) cho máy ấp

- Trang bị tính năng cấp nước tự động

- Cải tiến: Ứng dụng thêm IoT để gửi dữ liệu các thông số và cảnh báo lên ThingSpeak

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Ấp Trứng
Tác giả	Nguyễn Phạm Thúy Vy
Người hướng dẫn	ThS. Phan Thị Thu Thủy
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	134
Dung lượng	10,68 MB