Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá và tàu biển chạy tuyến nội địa Việt Nam

CHC MNG NM MI 2016

NGHIấN CU THIT K V CH TO H THNG LA BN T K
THUT S CHO TU C V TU BIN CHY TUYN NI A VIT NAM
RESEARCHING, DESIGNING AND MANUFACTURING THE DEGITAL
COMPASS SYSTEM FOR FISHING AND INLAND VESSELS IN VIETNAM
PGS. TS. PHM K QUANG; ThS. NGUYN èNH THCH;
ThS. V XUN HU
Trng HHH Vit Nam
TS. NGUYN XUN PHNG
Trng i hc GTVT TP. H Chớ Minh
Túm tt
Bi bỏo gii thiu cỏc kt qu nghiờn cu v ch to h thng la bn t k thut s lp t
trờn tu cỏ v tu bin chy tuyn ni a ca Vit Nam. Kt qu nghiờn cu thit k, ch to
h thng la bn t k thut s ó thnh cụng v c kim nghim bi Trung tõm Tiờu
chun - o lng - Cht lng 1(Cc K thut Hi quõn).
Abstract
The article introduces the results of researching and manufacturing the system of digital
compass for fishing vessels and ships that are operated on domestic routes in Vietnam. The
results of these systems are checked successful by the Central for standards, metrology and
quality 1.
Key words: Digital compass, fishing vessels, inland vessels.
1. t vn
Khi hnh trỡnh trờn bin, h thng la bn úng vai trũ quan trng, giỳp ngi i bin xỏc nh
hng i ca tu. H thng ny a tớn hiu hng i vo h thng mỏy lỏi tu thy, giỳp cho tu
i ỳng hng, tit kim thi gian v khong cỏch i ngn nht [1]. Trờn tu thy hin i c
trang b h thng la bn in hin i. Nhng do iu kin giỏ thnh ca h thng la bn in l rt
ln, nờn i vi tu cỏ hoc tu chy tuyn ni a ca Vit Nam, thng khụng c trang b h
thng la bn in.
So vi h thng la bn in tu thy, thỡ h thng la bn t k thut s cú cu to n gin
hn, d s dng hn so vi h thng la bn in. Cỏc thit b c ch to t nhng linh kin

in t cú tin cy khỏ cao. Hn na, h thng la bn t k thut s c thit k v ch to
thnh cụng cú giỏ thnh r, cú nhng chc nng quan trng tng ng h thng la bn in
ó cú nhng cụng trỡnh khoa hc ca cỏc tỏc gi Trng i hc Hng hi Vit Nam,
Trng i hc Giao thụng vn ti TP. H Chớ Minh,... cụng b liờn quan n vn m tỏc gi
nghiờn cu, nhng kt qu mi dng li nghiờn cu thit k mt phn ca h thng [3, 4]. Vỡ
vy, vic nghiờn cu, thit k v ch to hon thin h thng la bn t k thut s cú th ỏp ng
v trang b trờn tu cỏ, tu chy tuyn ni a Vit Nam, gúp phn thc hin ni a húa sn phm
cụng ngh hng hi ca Vit Nam [1].
2. Thit k v ch to thit b ca h thng
2.1. S khi ca h thng la bn t
k thut s
24vdc
mặt lặp la bàn
H thng la bn t k thut s trang
số
b trờn tu thy gm nhng khi nh sau
(hỡnh 1):
nmea
0183
- La bn ch t s: L thit b la bn
nmea
nmea
ch k thut s, chc nng tng ng
mặt lặp la
0183
0183
bộ đệm tín hiệu
la bàn chủ từ số
bàn chỉ thị
nh la bn in, cú nhim v cm ng t

nmea0183
kim
trng Trỏi t v bin i t trng thnh
nmea
24vdc
tớn hiu in truyn i cho cỏc thit b khỏc.
0183
24vdc
output
24vdc
D liu gúc hng i ca tu c úng
gúi theo bn tin chun hng hi
NMEA0183.
nguồn 24Vdc
- Ngun cung cp 24 VDC: Ly trờn tu
hoc ly t cỏc b thit b ngun d tr
chuyờn dng.
Hỡnh 1. S khi h thng la bn t k thut s
Tp chớ Khoa hc Cụng ngh Hng hi

S 45 01/2016

60


CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016

- Khối mặt lặp la bàn số: Tổ hợp nhiều mặt lặp la bàn số trên tàu thủy, đặt ở vị trí cần thiết, như:
Buồng lái, buồng thuyền trưởng,… Khối mặt lặp la bàn số có chức năng hiển thị hướng đi hiện tại
và tốc độ quay trở tàu thủy trên 4 đèn Led 7 thanh trong từng mặt lặp.

- Khối mặt lặp la bàn chỉ thị kim: Là tổ hợp của nhiều mặt lặp dạng kim quay, trên tàu thủy cũng
yêu cầu nhiều vị trí phải trang bị thiết bị này để phục vụ cho nhu cầu quan sát hướng đi của tàu.
Khác với mặt lặp la bàn số, thiết bị này thực hiện chỉ thị góc hướng tàu bằng kim quay. Mặt lặp kim
cũng lấy tín hiệu NMEA0183 từ la bàn chủ từ số và sau đó quay kim chỉ thị theo đúng như giá trị
góc phương vị từ la bàn chủ phát ra. Ưu điểm của mặt lặp dạng kim là có độ bền cao, thẩm mỹ
đẹp và có thể đặt được ra các vị trí bên ngoài với điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất. Nhược
điểm của mặt lặp kim là chế tạo phức tạp và giá thành cao.
- Bộ đệm tín hiệu NMEA0183: Có tác dụng khuyếch đại tín hiệu NMEA0183 đầu vào từ la bàn
chủ và phát đến mặt lặp la bàn. Bộ đệm có vai trò quan trọng trong hệ thống, để thực hiện ghép
nối các thiết bị thành mạng. Bộ đệm tín hiệu có 1 đầu vào NMEA0183 và 2 đầu ra, cho phép ghép
nối cho rất nhiều thiết bị nhận tín hiệu này từ bên ngoài.
2.2. Thiết kế và chế tạo thiết bị la bàn chủ kỹ thuật số
- Hạt nhân của thiết bị la bàn chủ từ kỹ thuật số là chip HMC5883L. Đây là chip chuyên dụng
thường được ứng dụng trong các thiết bị bên ngoài như điện thoại, máy định vị,... Nhóm tác giả đã
sử dụng chip HMC5883L để cảm ứng từ trường Trái đất và biến đổi thành tín hiệu góc hướng tàu,
đưa đến vi điều khiển Atmega8 xử lý và cuối cùng đưa ra dữ liệu NMEA0183 phát tới các thiết bị
ngoại vi khác.
- IC Max485 dùng để biến đổi tín hiệu NMEA0183 từ dạng TTL phát ra từ vi điều khiển sang
điện áp vi sai 2 dây và truyền thông với các thiết bị ngoại vi khác theo mô hình mạng truyền thông.

Hình 2. Sơ đồ mạch in, mạch điện và thiết bị la bàn chủ kỹ thuật số sau khi thiết kế và chế tạo

2.3. Thiết kế và chế tạo thiết bị mặt lặp la bàn từ kỹ thuật số
- Trung tâm điều khiển của thiết bị mặt lặp la bàn chỉ thị số là vi điều khiển Atmega16. Vi
điều khiển sẽ thu nhận các dữ liệu chuẩn hàng hải NMEA0183 phát ra từ la bàn chủ, sau đó thực
hiện thuật toán xử lý, biến đổi và cuối cùng cho hiển thị giá trị góc hướng đi của tàu ra 4 Led 7
thanh 1, 2, 3, 4.
- 4 Led 7 thanh loại nhỏ 5, 6, 7, 8 có tác dụng hiển thị tốc độ quay trở của tàu, đơn vị tính là
(độ/phút). Đây cũng là thông số quan trọng bắt buộc trên các thiết bị mặt lặp số. Thông số này giúp
người điều khiển biết được tốc độ quay của tàu, từ đó đưa ra biện pháp xử lý an toàn nhất

- Trên thiết bị mặt lặp số có 2 nút ấn S1, S2 dùng để điều chỉnh độ sáng của 8 đèn Led 7
thanh hiển thị trên mặt lặp số. Để thuận lợi quan sát ban đêm cần tăng độ sáng và ban ngày thì
ngược lại.
- IC Max485 dùng để thu tín hiệu bản tin NMEA0183 từ la bàn chủ dạng điện áp vi sai và
biến đổi thành tín hiệu TTL giao tiếp với vi điều khiển Atmega16
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

61


CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016
5V
U1
LM7805
1

2
1

IN

C1
C3
104

1000uF/50V

J2

OUT

C2

1
2

R1
330

C4

5V OUT

2

DC IN

3

GND

J1

1000uF/16V

104
D1
Power

U2
4,7K

X2

C7
22P

C8
22P

A1015
Q1

A2

U4
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

A1015
Q2

A3

U5
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

A1015
Q3

A4

U6
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

3
8

U3
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

ATMega16

A1015
Q4

A1

R3
1K

A*
ANODE

Y1
12MHz
X1

5V
K8
K7
K6
K5
K4
K3
K2
K1

R6
1K

3
8

X1
X2
RXD
TXD
ENX
LED1
LED2

D+
D-

R5
1K

A*
ANODE

5V

10uF

R4
1K

3
8

S1
RESET

5V
A1
A2
A3
A4

40
39
38
37
36
35
34

33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21

A*
ANODE

MOSI
MISO
SCK
RES

C5

PB0 (XCK/T0)
(ADC0) PA0
PB1 (T1)
(ADC1) PA1
PB2(INT2/AIN0) (ADC2) PA2
PB3(OC0/AIN1) (ADC3) PA3

PB4(SS)
(ADC4) PA4
PB5(MOSI)
(ADC5) PA5
PB6(MISO)
(ADC6) PA6
PB7(SCK)
(ADC7) PA7
RESET
AVEF
VCC
GND1
GND
AVCC
XTAL2
(TOSC2) PC7
XTAL1
(TOSC1) PC6
PD0 (RXD)
(TDI) PC5
PD1 (TXD)
(TDO) PC4
PD2 (INT0)
(TMS) PC3
PD3 (INT1)
(TCK) PC2
PD4 (OC1B)
(SDA) PC1
PD5 (OC1A)
(SCL) PC0

PD6 (ICP1)
(OC2) PD7

3
8

R2
10k

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

A*
ANODE

A5
A6
A7
A8

5V

J13
LED7SEG1

LED7SEG2

LED7SEG3

LED7SEG4

5V
D+

BURNER

D-

R7
1K

LED1

R11
1K

R12
1K

R13
1K

LED2
S2

S3

A1015
Q8

A5
R88
1K

A1015
Q5

A6

A1015
Q6

A7

A1015
Q7

A8

J3
NMEA INPUT

LED7SEG6

LED7SEG7

3
8

U10
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

U11
K1 7

K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p
LED7SEG8

1
2
3

LED7SEG5

U9
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

A*
ANODE

A*
ANODE

U8
K1 7
K2 6 a
K3 4 b
K4 2 c
K5 1 d
K6 9 e
K710 f
K8 5 g
p

D7
LED

3
8

3
8

R87
1K

D6
LED

A*

ANODE

MISO
SCK
MOSI

1
2
3
4
5
6

3
8

RES

A*
ANODE

+5V

+5V

R86
1K

+5V
R85

1K

TXD

4
3
2

DI
DE
RE

A

A
B
RO

6
7
1

RXD
D8

5

ENX

B

C53
10uF
U7

GNDVCC

+

8

D5

MAX485
R89

+5V

1K

Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch điện thiết bị mặt lặp la bàn từ kỹ thuật số

Hình 4. Sơ đồ mạch điện mặt trên, mặt dưới và thiết bị mặt lặp số sau khi thiết kế và chế tạo

2.4. Thiết kế và chế tạo mặt lặp la bàn chỉ thị kim
- Trung tâm điều khiển của mạch điện mặt lặp la bàn kim là vi điều khiển Atmega8. Vi điều
khiển sẽ thu tín hiệu NMEA0183 từ la bàn chủ và thông qua thuật toán điều khiển, sau đó phát các
xung điều khiển làm quay cơ cấu chỉ thị bằng động cơ bước, từ đó chỉ thị giá trị góc hướng đi bằng
kim quay cho người điều khiển tàu.
+5V

+5V

+5V/3A

+12V

R1
10K
D4
4007
D8

D7
4007

4007

VS
VSS

U2
L298/MULTIH

1R2W

3.3n

1R2W

C5

R3

L297

R2

4
9

ISENA
ISENB
ENA
ENB

D3

1

A
B
C
D

2
3
13
14

4007

6
11

OUT1
OUT2
OUT3
OUT4

D6

1
15

13
14

IN1
IN2
IN3
IN4

4007

SYNC

5
7
10
12

4007

VREF
OSC

4
6
7
9
5
8

D5

CONTROL

A
B
C
D
INH1
INH2

SENS1
SENS2

2

ATmega8-DIL28

15
16

HOME

GND

22p

3
11

ENABLE
RESET
HALF/FULL
CW/CCW
CLOCK

C4

22p

R3

C2

10
20
19

17
18

T/P
CLK

3.3n

12M
C1

EN
RESET

EN
T/P
CLK

22k

Y1

28
27
26
25
24
23
22
21

20
19
18
17
16
15

4007

0 do

PC6 (RESET)(SCL/ADC5) PC5
PD0 (RxD) (SDA/ADC4) PC4
PD1 (TxD)
(ADC3) PC3
PD2 (INT0)
(ADC2) PC2
PD3 (INT1)
(ADC1) PC1
PD4 (XCK/T0)
(ADC0) PC0
VCC
AGND
GND
AREF
PB6 (XT1/TOSC1)
AVCC
PB7 (XT2/TOSC2) (SCK) PB5
PD5 (T1)
(MISO) PB4

PD6 (AIN0) (OC2/MOSI) PB3
PD7 (AIN1)
(SS/OC1B) PB2
PB0 (ICP)
(OC1A) PB1

4007

0.1u

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

VCC

RxD

12

IC1
RESET
C3

D2

D1

RESET

L297

SW1

Hình 5. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và cơ cấu chỉ báo mặt lặp la bàn kim

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

62


CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016

Hình 6. Động cơ bước và cơ cấu chỉ báo của mặt lặp la bàn kim

- Trung tâm chỉ báo của mặt lặp la bàn kim, nhóm tác giả đã sử dụng động cơ bước kết hợp
với một hệ bánh răng có tỉ số truyền phù hợp. Ưu điểm của cơ cấu chỉ báo kim là dễ quan sát, kín

nước và chịu khắc nghiệt môi trường.
- Thiết kế cơ khí của hộp điều khiển mặt lặp la bàn kim và mặt lặp kim đảm bảo đạt yêu cầu
tiêu chuẩn, thẩm mỹ đẹp có thể đặt bên ngoài trời. Bền bỉ với thời gian và chịu được điều kiện khí
hậu thời tiết khắc nghiệt trên biển.
- Trên hộp điều khiển mặt lặp la bàn kim có một nút ấn để lấy đồng bộ điểm “0”, gọi là nút
đồng bộ. Khi bắt đầu cấp nguồn điện hoặc khi la bàn kim đang chạy, nếu ấn nút đồng bộ, thì kim la
bàn sẽ đi về điểm 0 độ, sau khi kết thúc quá trình đó la bàn kim mới tiến hành truy theo giá trị góc
hướng đi của la bàn chủ.

Hình 7. Hộp điều khiển và mặt lặp la bàn kim

2.5. Bộ đệm tín hiệu NMEA0183
Trong mô hình hệ thống các thiết bị có
thể ghép nối trực tiếp với nhau. Tuy nhiên, để
thuận tiện ghép nối các thiết bị trong hệ thống
thành mô hình mạng, nhóm tác giả đã sử dụng
thiết bị bộ đệm tín hiệu NMEA0183.
Bộ đệm tín hiệu NMEA0183 có tác dụng
khuyếch đại tín hiệu NMEA0183 phát ra từ la bàn
chủ và đưa tín hiệu số đầu ra đến các thiết bị mặt
lặp. Việc sử dụng bộ đệm có tác dụng chống
nhiễu cho hệ thống, làm cho hệ thống hoạt động
ổn định và tăng độ tin cậy hơn.
Hình 8. Bộ đệm tín hiệu NMEA0183
3. Kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống la
bàn từ kỹ thuật số
Sau khi hoàn thiện công việc thiết kế và chế tạo, nhóm tác giả đã thực hiện thành công việc
ghép nối các thiết bị thành mô hình hệ thống la bàn từ kỹ thuật số hoàn chỉnh. Hệ thống hiện có
thể triển khai lắp đặt được trên tàu thủy.

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

63


CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016

Để thử nghiệm và đánh giá hệ thống la bàn từ
kỹ thuật số, nhóm tác giả đã đưa hệ thống đến
Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1,
thuộc Cục kỹ thuật Hải quân (Trung tâm 1), để kiểm
tra các thông số kỹ thuật cơ bản như: Độ chính xác
chỉ hướng đi của tàu, nhiệt độ, độ rung, đo độ kín
nước, độ cách điện,…
- Trung tâm Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất
lượng 1, thuộc Cục kỹ thuật Hải quân đã kiểm tra
các thông số kỹ thuật theo tiêu chuẩn IEC 60945.
Kết quả kiểm tra được thể hiện chi tiết theo Biên
bản kiểm tra kỹ thuật số 26/BBKT-TT1, cấp ngày
21/10/2015. Trong khuôn khổ của bài báo, trích dẫn
một số thông số kỹ cơ bản từ Biên bản kiểm tra,
được mô tả trong các bảng 1, bảng 2 và bảng 3.

Hình 9. Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số
sau khi nghiên cứu, thiết kế và chế tạo

Bảng 1. Kết quả kiểm tra về độ chính xác của hệ thống
Chỉ thị trên la bàn chuẩn

Chỉ thị trên la bàn của hệ thống
Sai số (độ)
(độ)
(độ)
0.0
0.3
0.3
128.5
128.9
0.4
250.1
250.6
0.5
338.4
338.8
0.4
Bảng 2. Kết quả kiểm tra về chịu nhiệt độ ẩm 400C, độ ẩm 93%
Chỉ thị trên la bàn chuẩn
Chỉ thị trên la bàn của hệ thống
Sai số (độ)
(độ)
(độ)
0.0
0.3
0.3
128.4
128.8
0.4
234.1
234.2

0.1
332.4
332.6
0.2
Bảng 3. Kết quả kiểm tra về chịu rung 30Hz, biên độ ± 1mm
Chỉ thị trên la bàn của hệ
Chỉ thị trên la bàn chuẩn (độ)
Sai số (độ)
thống (độ)
0.0
0.6
0.6
121.0
120.3
0.7
264.9
264.0
0.9
357.4
358.2
0.8
4. Kết luận

Kết quả
Đạt
Đạt
Đạt
Đạt

Kết quả

Đạt
Đạt
Đạt
Đạt

Kết quả
Đạt
Đạt
Đạt
Đạt

Từ kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số cho tàu cá và tàu
chạy tuyến nội địa của Việt Nam, kết luận rằng:
- Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số đã đáp ứng được các yêu cầu tiêu chuẩn của một hệ
thống điện trên tàu thủy;
- Các kết quả kiểm định đã thỏa mãn yêu cầu lắp đặt cho tàu biển và có thể triển khai lắp
đặt vận hành trên tàu cá, tàu thủy cỡ vừa và nhỏ chạy tuyến nội địa của Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Các chuyên đề của đề tài cấp Bộ: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật
số cho tàu cá và tàu biển chạy tuyến nội địa của Việt Nam”, 2015.
[2] Nguyễn Văn Hòa. Giáo trình La bàn từ hàng hải. Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 2003.
[3] Đề tài NCKH cấp Bộ: Nghiên cứu chế tạo la bàn từ hàng hải phục vụ cho tiến trình nội địa hóa
sản phẩm, 2008.
[4] Đề tài NCKH cấp Trường: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo la bàn từ số đáp ứng các yêu cầu
của tiêu chuẩn tín hiệu hành hải, 2013.
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

64