Thiết kế và thi công máy ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY Ủ SỮA CHUA ỔN ĐỊNH
NHIỆT ĐỘ DÙNG PID

GVHD: TS. Nguyễn Mạnh Hùng
SVTH1: Đặng Tấn Phong
MSSV1: 16141228
SVTH2: Trần Thị Ngọc Gương
MSSV2: 16141139

Tp. Hồ Chí Minh – 01/2021


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn TS.
Nguyễn Mạnh Hùng đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho nhóm, đưa ra những ý
tưởng và góp ý chân thành nhất để nhóm có thể hồn thành tốt nhất luận văn này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện tử
đã nhiệt tình giải đáp cũng như hỗ trợ chúng em khi nhóm có những vấn đề khó khăn
cần xin ý kiến.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các bạn lớp 16941DT đã hỗ trợ và cùng chia sẽ
kiến thức cho nhau, góp phần bồi dưỡng và giúp nhóm hồn thiện đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Đặng Tấn Phong
Trần Thị Ngọc Gương

vii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................... iii
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... vi
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... vii
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................x
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... xii
TĨM TẮT .............................................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.....................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU.......................................................................................................2
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................2
1.4. GIỚI HẠN ........................................................................................................3
1.5. BỐ CỤC ...........................................................................................................3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................5
2.1. Lý thuyết cơ bản về sữa chua ...........................................................................5
2.1.1 Giới thiệu về sữa chua và đặc tính lí hóa ...................................................5
2.1.2 Quy trình ủ sữa chua truyền thống .............................................................8
2.2. Lý thuyết bộ điều khiển PID ............................................................................9
2.2.1 Lý thuyết PID liên tục ..............................................................................10
2.2.2 Lý thuyết PID rời rạc ...............................................................................15

2.2.3 Các phương pháp điều chỉnh ....................................................................19
2.3. Lý thuyết linh kiện Vi điều khiển PIC 161F887 ............................................20
2.3.1 ADC .........................................................................................................20
2.3.2 UART .......................................................................................................22
2.3.3 INTERRUPT ............................................................................................23
2.4. Lý thuyết linh kiện công suất .........................................................................23
2.4.1 Opto ..........................................................................................................23
2.4.2 Triac .........................................................................................................24
2.5. Lý tuyết cảm biến – LM35 .............................................................................25
2.6. Lý thuyết phần hiển thị - LCD .......................................................................26
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ .........................................................29
3.1. Giới thiệu........................................................................................................29
3.2. Tính tốn và thiết kế hệ thống ........................................................................29
viii


3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................29
3.2.2 Tính toán và thiết kế.................................................................................30
3.2.3 Thiết kế thuật toán PID ............................................................................42
3.3. Thiết kế cơ khí................................................................................................48
3.3.1 Kết cấu các loại máy ủ sữa chua trên thị trường ......................................49
3.3.2 Yêu cầu kỹ thuật phần cơ khí ...................................................................51
CHƯƠNG 4: THI CƠNG HỆ THỐNG ................................................................58
4.1. GIỚI THIỆU ..................................................................................................58
4.2. THI CƠNG HỆ THỐNG ...............................................................................58
4.2.1 Thi cơng bo mạch .....................................................................................58
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ..................................................................................60
4.2.3 Đóng gói bộ điều khiển ............................................................................61
4.2.4 Thi cơng mơ hình .....................................................................................62
4.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ..............................................................................63

4.3.1 Phần mềm sử dụng ...................................................................................63
4.3.2 Lưu đồ và giải thuật chương trình ............................................................68
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ...........................................76
5.1. Mạch điện .......................................................................................................76
5.1.1 Cảm biến ..................................................................................................77
5.1.2 Bộ vi điều khiển .......................................................................................77
5.1.3 Mạch bảo vệ dùng cầu chì và mạch phát hiện góc khơng .......................77
5.1.4 Mạch kích dùng triac BTA41...................................................................77
5.1.5 Hệ thống ổn định nhiệt độ dùng PID .......................................................78
5.2. Cơ cấu cơ khí .................................................................................................78
5.3. Chất lượng thành phẩm sản phẩm sữa chua...................................................79
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................86
5.4. KẾT LUẬN ....................................................................................................86
5.5. HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................86
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................1
PHỤ LỤC ....................................................................................................................1

ix


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus ...............................................5
Hình 2.2. Hình ảnh biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH ........7
Hình 2.3. Ảnh hưởng nhiệt độ ủ và nồng độ nuôi cấy đến chất lượng sữa chua ........8
Hình 2.4. Quy trình làm sữa chua truyền thống ..........................................................9
Hình 2.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục ......................................................11
Hình 2.6. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kp (Ki, Kd =const) .............................12
Hình 2.7. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kp (Ki, Kd =const) .............................13
Hình 2.8. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kd (Kp, Ki =const) .............................14
Hình 2.9. Sơ đồ mơ tả hệ thống.................................................................................15

Hình 2.10. Tín hiệu sau khi qua khâu ZOH ..............................................................16
Hình 2.11. Bộ điều khiển PID rời rạc. ......................................................................16
Hình 2.12. Tích phân hình thang ...............................................................................17
Hình 2.13. Sơ đồ khối của ADC PIC 16F887 ...........................................................21
Hình 2.14. Hình ảnh trạng thái truyền dữ liệu UART ..............................................22
Hình 2.15. Hình ảnh thực tế và kí hiệu của opto PC817 ...........................................24
Hình 2. 16. Cấu tạo và kí hiệu triac...........................................................................25
Hình 2.17. Cảm biến LM35 ......................................................................................26
Hình 2.18. Màn hình LCD 20x4 ...............................................................................27
Hình 2. 19. Sơ đồ kết nối vi điều khiển và LCD .......................................................28
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ............................................................................29
Hình 3. 2. Sơ đồ kết nối LM35 với vi điều khiển .....................................................32
Hình 3. 3. Mạch dị điểm 0 ........................................................................................33
Hình 3. 4. Cầu chì ơ tơ 5A ........................................................................................34
Hình 3.5. Dạng sóng mạch dị góc 0 mơ phỏng trên Proteus ....................................35
Hình 3.6. Quan hệ góc mở triac và thời gian ............................................................36
Hình 3.7. Khối cách ly và khối thiết bị .....................................................................36
Hình 3.8. Thanh điện trở nung nước .........................................................................37
Hình 3.9. Triac BTA41 .............................................................................................38
Hình 3.10. Khối cảnh báo .........................................................................................39
Hình 3. 11. Sơ đồ ngun lí tồn mạch .....................................................................40
Hình 3. 12. Lưu đồ hệ thống .....................................................................................41
Hình 3.13. Sơ đồ mơ tả hệ thống...............................................................................42
Hình 3.14. Đáp ứng của hệ thống khi Kp=7, Kd=0, Ki=0 ........................................43
Hình 3.15. Đáp ứng hệ thống khi Kp=10, Ki=0, Kd=0 ............................................43
Hình 3.16. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Ki=0, Kd=0 ..............................................44
Hình 3.17. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=0.001, Ki=0 .......................................44
Hình 3.18. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=1, Ki=0 ..............................................45
Hình 3.19. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=2, Ki=0 ..............................................45
Hình 3.20. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=3, Ki=0 ..............................................46

Hình 3.21. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=5, Ki=0 ..............................................46
Hình 3.22. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=0, Ki=1 ..............................................47
Hình 3.23. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=0, Ki=0.5 ...........................................47
Hình 3.24. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=0, Ki=0.001 .......................................48
Hình 3.25. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=1, Ki=0.001 .......................................48
Hình 3.26. Máy ủ sữa chua Vyogurt .........................................................................49
x


Hình 3.27. Cấu tạo máy ủ sữa chua Vyogurt ............................................................50
Hình 3.28. Máy ủ sữa chua Cuisine ..........................................................................51
Hình 3.29. Các dịng máy ủ sữa chua bằng nhựa trên thị trường..............................51
Hình 3.30. Hình ảnh 3D tồn bộ thiết kế ..................................................................52
Hình 3.31. Hình ảnh 3D của Khay nước ...................................................................52
Hình 3.32. Hình ảnh 3D của Vỉ đựng .......................................................................53
Hình 3.33. Hình ảnh 3D của Vỏ máy và cửa có khung trong suốt ...........................53
Hình 3.34. Hình ảnh 3D hộp điều khiển ...................................................................54
Hình 3.35. Hình ảnh bố trí các hủ sữa chua trên vĩ ...................................................55
Hình 3.36. Hình ảnh thực tế hũ thủy tinh được sử dụng. ..........................................55
Hình 3.37. Hình ảnh mặt chiếu của Vỉ đựng.............................................................56
Hình 4. 1. Mạch in lớp dưới ......................................................................................58
Hình 4. 2. Hàn lin kiện ..............................................................................................60
Hình 4. 3. Gắn linh kiện lên mạch in ........................................................................61
Hình 4. 4. Hình ảnh mạch hồn chỉnh .......................................................................61
Hình 4. 5. Mạch được đóng gói trong hộp ................................................................62
Hình 4. 6. Mặt trước hộp điều khiển .........................................................................62
Hình 4. 7. Máy ủ sữa chua sau khi thi cơng ..............................................................63
Hình 4. 8. Giao diện CCS..........................................................................................64
Hình 4. 9. Vùng lập trình của CCS ...........................................................................64
Hình 4. 10. Menu Complile của CCS .......................................................................65

Hình 4. 11. Giao diện Visual Studio Code ................................................................65
Hình 4. 12. Cách tạo thư mục mới trong VSC ..........................................................66
Hình 4. 13. Cách tạo file mới trong VSC ..................................................................67
Hình 4. 14. Giao diện góc phải màn hình của VSC ..................................................67
Hình 4. 15. Lưu đồ chương trình con tính_PID ........................................................68
Hình 4. 16. Lưu đồ báo ngắt trong (trái) và ngắt ngồi (phải) của hệ thống ............70
Hình 4. 17. Format khi gửi lên máy tính ...................................................................70
Hình 4. 18. Lưu đồ nhận dữ liệu và lưu vào file txt dùng Python ............................71
Hình 4. 19. Lưu đồ vẽ đáp ứng hệ thống khi có file dữ liệu trước ...........................72
Hình 4. 20. Lưu đồ vẽ đồ thị hệ thống quan sát trực tiếp trên máy tính ...................73
Hình 4. 21. Giao diện hiển thị của LCD ...................................................................74
Hình 4. 22. Quy trình thao tác sử dụng máy ủ sữa chua ...........................................74
Hình 5.2. Mạch điện được đóng gói bên trong họp điều khiển ................................77
Hình 5.3. Đáp ứng hệ thống khi Kp=9, Kd=1, Ki=0.001 .........................................78
Hình 5.4. Hình ảnh bên trong tủ ủ sữa chua..............................................................79
Hình 5.5. Màu pH của nước (trái) và coca (phải) .....................................................80
Hình 5.6. Sản phẩm sau khi ủ lần 1 ..........................................................................82
Hình 5.7. Đánh giá độ pH sau khi ủ lần 1 .................................................................82
Hình 5.8. Sản phẩm sau khi ủ lần 2 ..........................................................................83
Hình 5.9. Đánh giá độ pH sau khi ủ lần 2 .................................................................83
Hình 5.10. Hình ảnh sữa chua sau khi ủ lần 3 ..........................................................84
Hình 5.11. Đánh giá độ pH sau khi ủ lần 3 ...............................................................84
xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.2. So sánh thông số kỹ thuật một số loại máy làm sữa chua (2).....................1
Bảng 2.2. Định lượng nguyên liệu thực nghiệm .........................................................6
Bảng 2.3. Mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH của sữa chua truyền
thống ............................................................................................................................6

Bảng 2.4. Bảng điều chỉnh thông số PID theo phương pháp Ziegler–Nichols .........20
Bảng 2. 5. Mô tả chức năng các chân của LCD 20x4. ..............................................27
Bảng 3.2. Thông số dòng và áp cung cấp cho mạch. ................................................39
Bảng 3.3. Bảng kích thước tổng quan của các bộ phận phần cơ khí ........................56
Bảng 4.2. Danh sách các linh kiện. ...........................................................................58
Bảng 5. 2. Đánh giá chất lượng sữa chua thành phẩm ..............................................80

xii


TÓM TẮT
Sữa chua là sản phẩm được biết đến khá phổ biến hiện nay bởi nhiều lợi ích mà
nó mang lại cho sức khỏe con người. Nhu cầu sử dụng ngày càng tăng cao nhiều
doanh nghiệp, hộ kinh doanh tung ra thị trường nhiều loại sữa chua phù hợp với nhiều
khẩu vị, lứa tuổi, thành phần dinh dưỡng … Tuy nhiên khơng thể nào kiểm sốt được
chất lượng sữa chua có thực sự an tồn vệ sinh thực phẩm, chưa kể đến các doanh
nghiệp lớn vẫn phải sử dụng một lượng chất bảo quản cho sản phẩm của mình. Chính
vì lí do này mà gần đây cụm từ “sữa chua nhà làm” ngày càng được phổ biến hơn,
với ưu điểm về an toàn cho sức khỏe, đảm bảo đúng khẩu vị yêu thích, tiết kiệm …
Với phương pháp làm sữa chua tại nhà truyền thống, cần phải dùng vật chứa có cách
nhiệt tốt, dùng nước ấm và khăn để ủ ấm cho việc lên men sữa khá bất lợi, vì lí do
như: khơng điều chỉnh và giám sát được nhiệt độ, lượng nhiệt thất thốt bên ngồi
lớn, dẫn đến sữa chua kịp lên men, hay lên men quá lố tạo vị chua gắt, không cân
chỉnh được thời gian …
Trên thị trường cũng xuất hiện nhiều loại máy ủ sữa chua với nhiều mức giá,
chất lượng, chức năng và mẫu mã khác nhau nhưng mỗi dòng máy chỉ đáp ứng tốt
một đặc điểm nào đó, chưa thực sự mang lại trải nghiệm thực sự tốt cho người dùng.
Chính vì thế, nhóm thực hiện đưa ra ý tưởng “Thiết kế và thi công máy ủ sữa chua
ổn định được nhiệt độ dùng PID có kiểm tra pH”, ở sản phẩm này, nhóm sẽ kế thừa
và kết hợp những ưu điểm của các dịng máy ủ sữa chua hiện có bao gồm: ổn định

nhiệt độ, có thể điều chỉnh thời gian, dung tích ủ lớn đến 2 lít, cách nhiệt tốt, dễ dàng
tháo lắp và vệ sinh, cảnh báo người dùng và tự động ngắt nguồn khi hết thời gian ủ.
Trong đề tài này, nhóm sử dụng vi điều khiển PIC, dựa trên thuật tốn PID theo
phương pháp dị để điều khiển ổn định nhiệt độ hơi nước, dựa trên kỹ thuật dò góc
khơng điện áp xoay chiều 220V để chiều chỉnh thời gian đóng mở triac, từ đó có thể
điều chỉnh thanh gia nhiệt nung nong nước. Hơn nữa, nhóm thực hiện ủ thử 3 mẫu
với 3 khoảng thời gian mà người dùng dùng để cài đặt để đánh giá độ pH của sữa
chua cũng như đánh giá chất lượng mà hệ thống mang lại.

xiii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sữa chua là một sản phẩm thơng dụng vì nhiều lợi ích mà nó mang lại cho sức
khỏe con người (1). Các dịng máy ủ sữa chua trên thị trường có những đặc điểm kỹ
thuật khác nhau, dưới đây trình bày so sánh về tính năng của các sản phẩm trên thị
trường.
Bảng 1.1. So sánh thông số kỹ thuật một số loại máy làm sữa chua (2)

Hãng sản

Dung tích

xuất
Misushia

Kuvings

3 lít

2 lít

Điều khiển

Cơ chế cơ

nhiệt độ

khí

Nhiệt độ ổn

Cấu tạo

định 42-

gọn nhẹ, dễ

45oC.

vệ sinh

Điều chỉnh

Thiết kế

Định thời

Giá
thành

Không

Thời gian

được nhiệt

phức tạp,

thiết lập từ 1-

độ từ 20-

phải tháo rời

99 giờ

65oC

các bộ phận

500.000đ

2.500.000đ

mới dễ vệ
sinh
Pensonic

1.4 lít

Khơng

Cấu tạo

Khơng

300.000đ

gọn nhẹ, dễ
vệ sinh
Dựa trên những phân tích, nhóm thiết kế và thi cơng máy ủ sữa chua có đảm
bảo trọn vẹn những mong muốn của người dùng trong cùng một sản phẩm, đó là:
dung tích hỗn hợp ủ lớn 2 lít, giữ nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình ủ, có thiết kế
gọn gàng dễ dàng tháo lắp và vệ sinh, có thể cài đặt thời gian ủ, báo động và ngắt

1
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
điện khi hết thời gian ủ. Chính vì vây, nhóm quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và
thi công máy ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID”.
1.2. MỤC TIÊU
- Phần cơ khí:
+ Có thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng tháo lắp, vệ sinh
+ Thiết kế phần khung có kết cấu đảm bảo lượng nhiệt thất thốt là ít nhất
+ Dùng vật liệu an tồn, thẩm mỹ, chịu nhiệt tốt

- Phần chức năng:
+ Có cơ chế ổn định nhiệt độ hơi nước luôn đạt giá trị ~ 46 độ trong suốt quá
trình ủ (sai số < 3%)
+ Có nút nhấn cài đặt thời gian ủ ở 3 mức: 7.5 giờ, 8 giờ, 8.5 giờ
+ Có loa báo động khi hết thời gian ủ.
+ Tự động ngừng gian nhiệt khi hết thời gian ủ.
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công máy
ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID, nhóm chúng em tập trung giải quyết và hoàn
thành được những nội dung sau:
- Nội dung 1: Nghiên cứu về quy trình và các nhân tố ảnh hưởng đến việc ủ sữa
chua tại nhà, tiêu chí đánh giá và đo lường chất lượng sản phẩm.
- Nội dung 2: Nghiên cứu về giải thuật điều khiển PID để ổn định nhiệt độ.
- Nội dung 3: Kết nối PIC 16F887 với cảm biến LM35, thanh gia nhiệt để thực
hiện đọc nhiệt độ và thời gian lên máy tính, vẽ đặc tuyến liên hệ giữa thời gian và
nhiệt độ
- Nội dung 4: Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
- Nội dung 5: Thiết kế phần cứng, thiết kế cơ khí.
- Nội dung 6: Nghiên cứu lập trình đọc nhiệt độ nước và thời gian làm cơ sở
tìm và điều chỉnh hệ số Kp, Ki, Kd
- Nội dung 7: Thiết kế và thi cơng phần cơ khí, phần mạch điện
2
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
- Nội dung 8: Lắp ráp phần cơ khí và phần mạch, hồn thiện sản phẩm.
- Nội dung 9: Chạy thử nghiệm mẫu sữa chua đầu tiên, đánh giá chất lượng sản
phẩm và hiệu chỉnh hệ thống.
- Nội dung 10: Viết báo cáo thực hiện.

- Nội dung 11: Bảo vệ luận văn.
1.4. GIỚI HẠN
Đề tài Thiết kế và thi công máy ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID có
kiểm tra pH có giới hạn như sau:
- Phần khung cơ khí phù hợp với quy mơ hộ gia đình có kích thước: dài 380 cm,
rộng 320 cm, cao 320cm
- Dung tích hỗn hợp ủ là 2 lít, sử dụng hủ thủy tinh để chia nhỏ dung dịch trước
khi ủ
- Sử dụng nguồn điện 220VAC và nguồn 5VDC, không dùng được khi mất điện.
- Hộp điều khiển được đặt trên đầu tủ ủ, nơi chưa màn hình hiển thị và các nút
nhấn
- Thực hiện việc cài đặt trực tiếp trên máy thông qua các nút nhấn.
- Hiển thị thời gian ủ đếm ngược và trạng thái hoạt động của máy trên màn hình
LCD 20x4.
- Sử dụng cảm biến LM35 để đo nhiệt độ hơi nước
- Sử dụng module giao tiếp máy tính chuẩn truyền UART TTL PL2303
1.5. BỐ CỤC
Đề tài Thiết kế và thi công máy ủ sữa chua ổn định nhiệt độ dùng PID có bố
cục bao gồm các phần như sau:
Chương 1. Tổng quan
Trình bày tổng quan về lí do chọn đề tài cũng như giá trị mà sản phẩm máy ủ
sữa chua mang lại ở quy mơ dành cho hộ gia đình. Dựa trên những lí do đó nhóm
trình bày các mục tiêu cần hướng tới để đáp ứng tốt nhất cho người tiêu dùng thơng
qua việc cải thiện những tính năng, tăng cường dung tích, các chế độ khác…, thêm

3
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

vào đó là các nội dung chính mà nhóm cần thực hiện để hồn thành sản phẩm và
những giới hạn mà nhóm chỉ có thể thực hiện trong đề tài này.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Trình bày về giải thuật điều khiển PID và trình đặc tính, thơng số kỹ thuật của
các thiết bị chính được sử dụng trong đề tài này bao gồm: PIC 16F887, cảm biến đo
nhiệt độ LM35, màn hình LCD 20X4, module USB UART PL2303, thanh gia nhiệt,
buzzer, các linh kiện công suất …
Chương 3. Tính tốn và thiết kế
Trình bày việc tính tốn và thiết kế phần khung cơ khí dựa trên những sản phẩm
đã có trên thị trường và mục tiêu của đề tài
Trình bày việc xây dựng sơ đồ khối hệ thống; vẽ sơ đồ ngun lí; tính tốn, lựa
chọn linh kiện dựa trên mục tiêu đề tài
Mục đích của việc sử dụng chuẩn giao tiếp UART
Trình bày chương trình hệ thống
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Trình bày q trình thi công mạch điện bao gồm: mạch in, mạch điện sau khi
thi cơng
Trình bày hình ảnh phần khung cơ khí sau khi thi cơng
Trình bày sản phẩn hồn thiện sau khi kết nối phần cơ khí và mạch điện
Chương 5. Kết quả, nhận xét, đánh giá
Tiến hành lấy mẫu sữa chua và phân tích kết quả bằng phương pháp định định
tính (cảm quan) và định lượng (kiểm tra độ pH), từ đó đánh giá hệ thống và điều
chỉnh hồn thiện hệ thống
Kết luận giá trị tối ưu của các hệ số Kp, Ki, Kd, kiểm tra và đánh giá hệ thống
dựa trên các tiêu chí chất lượng: độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian đáp ứng …
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển
Kết luận về ứng dụng PID trong điều chỉnh hệ thống, giá trị mà nó mang lại cho
sản phẩm máy ủ sữa chua; các hướng phát triển của đề tài.
4
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết cơ bản về sữa chua
2.1.1 Giới thiệu về sữa chua và đặc tính lí hóa
Sữa chua là một loại thực phẩm được sản xuất bởi quá trình lên men vi khuẩn
của sữa. Các vi khuẩn ăn đường sữa tự nhiên và giải phóng axit lactic như một chất
thải. Độ axit tăng lên làm cho protein sữa đông lại thành một khối rắn (sữa đơng)
trong một q trình gọi là biến tính (Robinson, R.K. and Tamime, A.Y., 1986). Loài
vi khuẩn thường được dùng Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (ST) và
Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus. Hai loại này sẽ kết hợp với vi khuẩn acid
lactic khác để tạo nên hương vị hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc sản phẩm, bao gồm
Lactobacillus acidophilus (LA), Lactobacillus casei, và Bifidobacterium

Hình 2.1. Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus
Trên thị trường hiện nay, sản phẩm sữa chua rất đa dạng về chủng loại, cấu trúc
và mùi vị như: sữa chua khuấy (Stirred yogurt), sữa chua uống ngọt (Drinking sweet
yogurt), sữa chua lạnh đông (Frozen yogurt),…Và loại sữa chua truyền thống (set
yogurt) là sản phẩm mà nhóm hướng đến, sữa chua truyền thống có cấu trúc gel mịn,
trong quy trình sản xuất yaourt truyền thống, sữa nguyên liệu sau khi được xử lý, cấy
giống rồi được rót vào bao bì. Quá trình lên men diễn ra trong bao bì làm xuất hiện
khối đông (coagulum) và tạo cấu trúc đặc trưng cho sản phẩm.
5
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình lên men làm thay đổi thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sữa
tươi, chuyển hóa sữa tươi thành sản phẩm yaourt.Trong quá trình lên men, acid lactic

được sinh tổng hợp và làm giảm giá trị pH của sữa. Sản phẩm yaourt có giá trị pH từ
3.6 đến 4,5 (5). Giá trị pH thấp có tác dụng ức chế vi sinh vật (kể cả vi khuẩn lactic
giơng), góp phần kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng sữa chua như: nguyên liệu, dụng
cụ chế biến, men giống, nhiệt độ lên men, điều kiện tối ưu để lên men sữa chua, nồng
độ nuôi cấy, …
Trong đề tài này, nhóm đánh giá mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian ủ và độ
Ph làm căn cứ cho việc thi công và hiệu chỉnh hệ thống ổn định nhiệt độ ủ cho sữa
chua.
Dựa theo nghiên cứu thực nghiệm lên men sữa bò thành sữa chua [5], thời gian
ủ có ảnh hưởng rất lớn đến độ Ph trong sữa chua. Thí nghiệm cụ thể như sau:
Bảng 2.1. Định lượng nguyên liệu thực nghiệm
Mẫu

Sữa

Sữa đặc

Yaourt cái

tươi

Chủng

Nhiệt độ ủ

lactic

Mẫu sử dụng chủng vi khuẩn từ yaourt cái
K/s

M1

80g

25g

7,35g

-

37oC

nhiệt

M2

80g

25g

7,35g

-

45oC

độ
Mẫu sử dụng chủng vi khuẩn lactic
K/s

M7

80g

25g

-

5,25g

37oC

nhiệt

M8

80g

25g

-

5,25g

45oC

độ
Bảng 2.2. Mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH của sữa chua truyền
thống

Mẫu

1h

2h

3h

4h

5h

6h

7h

8h
6

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
M1

5.97

5.91

5.47

5.08

4.75

4.73

4.58

-

M2

5.88

5.38

4.87

4.67

4.57

-

-

-

M7

6.00

5.93

5.90

5.51

5.25

4.95

4.88

4.85

M8

5.92

5.80

5.42

5.12

4.92

4.80

4.76

4.73

Hình 2.2. Hình ảnh biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH
Từ bài thí nghiệm (7) ta thấy ở nhiệt độ 45, cho dù là chủng vi khuẩn từ sữa
chua cái hay vi khuẩn lactic thì độ Ph giảm nhanh và đạt pH < 4.5 nhanh hơn so với
ở 37 độ. Khi thời gian ủ càng lớn thì pH sẽ giảm dần đến mức bão hòa.
Dựa theo báo cáo nghiên cứu thực nghiệm làm sữa chua từ việc lên men sữa dê
và sữa bị [5].

7
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.3. Ảnh hưởng nhiệt độ ủ và nồng độ nuôi cấy đến chất lượng sữa chua
Ở các điều kiện tối ưu như trên, ở 46 độ trạng thái đông đặc (Average of Total
Solids) của sữa thấp hơn, độ nhớt (Average of Viscosity) ở mức trung bình, độ axit
chuẩn vị (Average of Titratable Adcidity ) cao nhất, độ Ph (Average of pH) thấp và
ổn định nhất so với ở các thử nghiệm còn lại.
2.1.2 Quy trình ủ sữa chua truyền thống

8
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.4. Quy trình làm sữa chua truyền thống

Trong đề tài này, giai đoạn ủ là giai đoạn mà nhóm thực hiện sẽ tác động vào
– tức là thiết kế và thi công máy để ủ, cịn các giai đoạn khác ảnh hưởng từ
cơng thức pha chế.
2.2. Lý thuyết bộ điều khiển PID
PID là một bài tốn điều khiển kinh điển, nó làm giúp tăng hiệu quả đáp ứng
cho hệ thống. Phương pháp điều khiển PID sẽ cần một cảm biến nhiệt độ cố chức
9
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
năng đo nhiệt độ của hệ thống. Khi đó ta sẽ kiểm tra xem nhiệt độ hệ thống đã đáp
ứng 46oC chưa bằng cách tính sai số, sai số bằng 46(nhiệt độ mong muốn) trừ đi nhiệt
độ cảm biến đo được hiện tại. Nếu sai số <0 thì tăng độ rộng xung lên, và ngược lại,
giá tăng và giảm sẽ được nhóm giới thiệu cơng thức tính ở phần sau. Cứ kiếm tra và
điều chỉnh như vậy thì hệ thống dần sẽ có nhiệt độ đúng hoặc gần đúng.
PID là gì? PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có
khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn
chế sự dao động.
Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:


P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai

lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.


I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là

phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về
0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá
khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương
ứng với độ lệch càng nhỏ.


D: là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao

cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều
chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào
càng nhanh. [i]
PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy trình
hiện đại. Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển q trình tự động
trong cơng nghiệp hiện nay. Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, …
Mục tiêu sử dụng bộ điều khiển PID:
 Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất.
 Hạn chế độ dao động.
 Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
2.2.1 Lý thuyết PID liên tục
Bộ điều khiển PID liên tục có sơ đồ khối như sau:
10
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.5. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều
khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều
khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ
điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của
giải thuật PID trong điều khiển khơng đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều
này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một
bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác
động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với
các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không
đạt được giá trị mong muốn.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba
khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có:
MV(t) = Pout +Iout +Dout

(2.1)

Trong đó Pout, Iout, Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển
PID.
a. Khâu tỉ lệ

11
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khâu tỉ lệ làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ
lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là
độ lợi tỉ lệ

Thành phần khâu tỉ lệ được tính như sau: 𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝐾𝑝 . 𝑒(𝑡)

(2.2)

Trong đó:
Pout: thừa số tỉ lệ đầu ra
Kp: độ lợi tỉ lệ, thông số điều chỉnh
Sai số e=SP-PV (Setpoint: Giá trị đặt, Process Value: Giá trị thực) [i]

Hình 2.6. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kp (Ki, Kd =const)
Khi sử dụng cơng thức này thì Pout tỉ lệ thuận với sai số, Kp do ta chọn. Lúc này
sai số càng lớn thì hệ thống nhanh chóng đạt được giá trị mong muốn và có thể xảy
ra vọt lố. Cịn khi sai số càng nhỏ thì Pout nhỏ, hệ thống khơng đạt được giá trị mong
muốn.
b. Khâu tích phân
Trong một số ứng dụng điều khiển khơng tải thì có thể sử dụng duy nhất hệ số
Kp, hệ thống cũng có thể đạt được đáp ứng mong muốn. Nhưng nếu trường hợp động
12
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
cơ có tải, tải cịn thay đổi theo thời gian như lúc xe lên dốc, xuống dốc. Trường hợp
này là khi có tải, tải thay đổi liên tục theo thời gian thì việc chỉ dùng hệ số Kp sẽ rất
khó khăn. Tốc độ động cơ không phải là giá trị mà ta mong muốn nữa, mà sẽ biến
đổi, dao dộng quanh giá trị đó tùy thuộc vào tải và hệ số Kp. Tải càng lớn thì dao
dộng càng lớn.
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ dốc
của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ)

trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd.
𝑡

Thành phần khâu tích phân được tính như sau: Iout = 𝐾𝑖 ∫0 𝑒(𝜏)𝑑𝜏

(2.3)

Trong đó:
Iout: thừa số tích phân đầu ra
Ki: độ lợi tích phân, thông số điều chỉnh
Sai số e=SP-PV (Setpoint: Giá trị đặt, Process Value: Giá trị thực) [i]

Hình 2.7. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kp (Ki, Kd =const)

13
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Bản chất của tích phân là phép cộng, cứ mỗi lần tính ra E(t) thì ta sẽ cộng E(t)
của thời điểm hiện tại vào 1 biến tổng: Tích phân thời điểm hiện tại = Tích phân lần
trước + E(t).
Hệ số Ki được nhân vào tích phân để điều chỉnh độ lớn của tích phân. Nếu Ki
quá lớn hệ thống sẽ vọt lố, nhỏ quá thì thời gian đáp ứng sẽ lâu.
c. Khâu vi phân
Tốc độ thay đổi của sai số qua trình được tính tốn bằng cách xác định độ dốc
của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này
với độ lợi tỉ lệ Kd. Biên độ của phân phối khâu vi phân (đôi khi được gọi là tốc độ)
trên tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ lợi vi phân, Kd
Thành phần khâu vi phân được tính như sau: Dout = 𝐾𝑑

𝑑𝑒(𝑡)
𝑡

(2.4)

Trong đó:
Dout: thừa số vi phân đầu ra
Kd: độ lợi vi phân, thông số điều chỉnh
Sai số e=SP-PV (Setpoint: Giá trị đặt, Process Value: Giá trị thực) [i]

Hình 2.8. Đồ thị PV theo thời gian thay đổi Kd (Kp, Ki =const)
14
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Phép vi phân của e(t) dùng để tính ra tốc độ thay đổi e(t) theo thời gian. Phép
tính vi phân được tính theo cơng thức đơn giản là:
Vi phân = [E(t2) – E(t1)] / Delta

(2.5)

Trong đó:
+ E(t2) là E(t) hiện tại
+ E(t1) là E(t) của lần tính E(t) trước đó
+ Delta t: Là khoảng thời gian giữa 2 lần tính E(t). Delta t thường là 1 số không
thay đổi.
Hệ số Kd nhân vào E(t) để thay đổi độ lớn của vi phân E(t).

2.2.2 Lý thuyết PID rời rạc
PID rời rạc( PID số) cũng tương tự với PID liên tục, PID rời rạc có tín hiệu là
một chuỗi xung, không phải là một hàm liên tục theo thời gian. Hệ thống điều khiển
số nhiều ưu điểm so với hệ thống điều khiển liên tục như uyển chuyển, linh hoạt, dễ
dàng thay đổi thuật toán bằng cách lập trình. (4)
Hệ thống PID rời rạc là hệ thống có sử dụng vi xử lí, PLC, máy tính để điều
khiển. Bộ điều khiển sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và xuất ra tín hiệu để điều khiển
các đối tượng như driver cơng suất, động cơ, lị nhiệt, …
Sơ đồ mơ tả hệ thống PID rời rạc có dạng:

Hình 2.9. Sơ đồ mơ tả hệ thống
Tín hiệu sẽ được lấy mẫu ở thời gian T. Khâu lấy mẫu mục đích là biến tín hiệu
liên tục theo thời gian thành tín hiệu rời rạc. Sau đó sẽ qua khâu ZOH (Zeri-OrderHold) là khâu giữ dữ liệu để chuyển tín hiệu rời rạc theo thời gian thành tín hiệu liên
tục theo thời gian.
15
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.10. Tín hiệu sau khi qua khâu ZOH
Đối với hệ thống điều khiển rời rạc khi chuyển sang phép biến đổi Laplace thì
gặp nhiều khó khăn nên người ta đã dùng một phép mơ tả tốn học khác đó là phép
biến đổi Z, sẽ giúp cho việc tính tốn dễ dàng hơn.
Bộ điều khiển PID sau khi qua phép biến đổi Z sẽ có dạng:

Hình 2.11. Bộ điều khiển PID rời rạc.
Sai số được nhân với Kp, hệ số Kp cao có thể gây cho hệ thống khơng ổn định, ngược
lại Kp thấp thì hệ thống đạt không đạt được setpoint mong muốn.
𝐺𝑃 (𝑧) = 𝐾𝑃

(2.6)

a. Khâu tích phân:
16
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khâu tích phân rời rạc:
(𝑘−1)𝑇

𝑘𝑇

𝑢(𝑘𝑇) = 𝐾𝐼 ∫0 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡 = 𝐾𝐼 ∫0

(𝑘−1)𝑇

𝑒(𝑡 )𝑑𝑡 + 𝐾𝐼 ∫(𝑘−1)𝑇 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡

(2.7)

𝑘𝑇

 𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇] + 𝐾𝐼 ∫(𝑘−1)𝑇 𝑒(𝑡 )𝑑𝑡
Tích phân có nhiều cách tính, nhưng do tích phân hình thang cho kết quả chính xác
nhất, nên thực tế người ta sử dụng cơng thức:

Hình 2.12. Tích phân hình thang
𝑘𝑇

∫(𝑘−1)𝑇 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 ≈
 𝑢(𝑘𝑇) = 𝑢[(𝑘 − 1)𝑇] +
 𝑈(𝑧) = 𝑧 −1 𝑈(𝑧) +
 𝐺𝐼 (𝑧) =

𝑈(𝑧)
𝐸(𝑧)

=

𝐾𝐼 𝑇
2

𝐾𝐼 𝑇
2

𝑇(𝑒[𝑘−1]𝑇)+𝑒(𝑘𝑇)
2

(𝑒(𝑘 − 1)𝑇 + 𝑒(𝑘𝑇))

(𝑧 −1 𝐸 (𝑧) + 𝐸 (𝑧))

𝐾𝐼 𝑇 𝑧 −1 +1
2 1−𝑧 −1

=

𝐾𝐼 𝑇 𝑧+1

2 𝑧−1

Tích phân của sai số được lấy và nhân với hệ số Ki. Hệ số Ki có thể được điều chỉnh
để đẩy sai số về 0 trong thời gian cần thiết
b. Khâu vi phân:
Khâu vi phân rời rạc được tính bằng cơng thức sai phân lùi:
𝒖(𝒌) = 𝑲𝑫

𝒆(𝒌)−𝒆(𝒌−𝟏)

=> 𝑼(𝒛) = 𝑲𝑫
=>𝑮𝑫 (𝒛) =

(2.8)

𝑻

𝑼(𝒛)
𝑬(𝒛)

𝑬(𝒛)−𝒛−𝟏 𝑬(𝒛)
𝑻

=

𝑲𝑫 𝒛−𝟏
𝑻

𝒛

17
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH