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

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 60 
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 
RESEARCHING, DESIGNING AND MANUFACTURING THE DEGITAL 
COMPASS SYSTEM FOR FISHING AND INLAND VESSELS IN VIETNAM 
PGS. TS. PHẠM KỲ QUANG; ThS. NGUYỄN ĐÌNH THẠCH; 
ThS. VŨ XUÂN HẬU 
Trường ĐHHH Việt Nam 
TS. NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG 
Trường Đại học GTVT TP. Hồ Chí Minh 
Tóm tắt 
Bài báo giới thiệu các kết quả nghiên cứu và chế tạo hệ thống la bàn từ kỹ thuật số lắp đặt 
trên tàu cá và tàu biển chạy tuyến nội địa của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo 
hệ thống la bàn từ kỹ thuật số đã thành công và được kiểm nghiệm bởi Trung tâm Tiêu 
chuẩn - Đo lường - Chất lượng 1(Cục Kỹ thuật Hải quân). 
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. Đặt vấn đề 
 Khi hành trình trên biển, hệ thống la bàn đóng vai trò quan trọng, giúp người đi biển xác định 
hướng đi của tàu. Hệ thống này đưa tín hiệu hướng đi vào hệ thống máy lái tàu thủy, giúp cho tàu 
đi đúng hướng, tiết kiệm thời gian và khoảng cách đi ngắn nhất [1]. Trên tàu thủy hiện đại được 
trang bị hệ thống la bàn điện hiện đại. Nhưng do điều kiện giá thành của hệ thống la bàn điện là rất 
lớn, nên đối với tàu cá hoặc tàu chạy tuyến nội địa của Việt Nam, thường không được trang bị hệ 
thống la bàn điện. 
 So với hệ thống la bàn điện tàu thủy, thì hệ thống la bàn từ kỹ thuật số có cấu tạo đơn giản 
hơn, dễ sử dụng hơn so với hệ thống la bàn điện. Các thiết bị được chế tạo từ những linh kiện 
điện tử có độ tin cậy khá cao. Hơn nữa, hệ thống la bàn từ kỹ thuật số được thiết kế và chế tạo 
thành công có giá thành rẻ, có những chức năng quan trọng tương đương hệ thống la bàn điện 
 Đã có những công trình khoa học của các tác giả Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, 
Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh,... công bố liên quan đến vấn đề mà tác giả 
nghiên cứu, nhưng kết quả mới dừng lại ở nghiên cứu thiết kế một phần của hệ thống [3, 4]. Vì 
vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn thiện hệ thống la bàn từ kỹ thuật số có thể đáp ứng 
và trang bị trên tàu cá, tàu chạy tuyến nội địa Việt Nam, góp phần thực hiện nội địa hóa sản phẩm 
công nghệ hàng hải của Việt Nam [1]. 
2. Thiết kế và chế tạo thiết bị của hệ thống 
2.1. Sơ đồ khối của hệ thống la bàn từ 
kỹ thuật số 
Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số trang 
bị trên tàu thủy gồm những khối như sau 
(hình 1): 
- La bàn chủ từ số: Là thiết bị la bàn 
chủ kỹ thuật số, chức năng tương đương 
như la bàn điện, có nhiệm vụ cảm ứng từ 
trường Trái đất và biến đổi từ trường thành 
tín hiệu điện truyền đi cho các thiết bị khác. 
Dữ liệu góc hướng đi của tàu được đóng 
gói theo bản tin chuẩn hàng hải 
NMEA0183. 
- Nguồn cung cấp 24 VDC: Lấy trên tàu 
hoặc lấy từ các bộ thiết bị nguồn dự trữ 
chuyên dụng. 
bé ®Öm tÝn hiÖu
nmea0183
mÆt lÆp la
bµn chØ thÞ
kim
la bµn chñ tõ sè
mÆt lÆp la bµn
sè
nmea
0183
nguån 24Vdc
24vdc
24vdc
24vdc
nmea
0183
nmea
0183
24vdc
nmea
0183
output
Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống la bàn từ kỹ thuật số 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 61 
- 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 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 62 
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. 
C1
22p
C2
22p
IC1
ATmega8-DIL28
PC6 (RESET)
1
PD0 (RxD)
2
PD1 (TxD)
3
PD2 (INT0)
4
PD3 (INT1)
5
PD4 (XCK/T0)
6
VCC
7
GND
8
PB6 (XT1/TOSC1)
9
PB7 (XT2/TOSC2)
10
PD5 (T1)
11
PD6 (AIN0)
12
PD7 (AIN1)
13
PB0 (ICP)
14
(OC1A) PB1
15(SS/OC1B) PB2
16(OC2/MOSI) PB3
17(MISO) PB4
18(SCK) PB5
19AVCC
20AREF
21AGND
22(ADC0) PC0
23(ADC1) PC1
24(ADC2) PC2
25(ADC3) PC3
26(SDA/ADC4) PC4
27(SCL/ADC5) PC5
28
+5V
0 do
RxD
EN
T/P
CLK
R1
10K
C3
0.1u
SW1
RESET
RESET
Y1
12M
Hình 5. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển và cơ cấu chỉ báo mặt lặp la bàn kim 
L
2
9
7
L
2
9
7
SY N C
1
G
N
D
2
H OM E
3
A
4
I N H 1
5
B
6
C
7
I N H 2
8
D
9
EN A B LE
1 0
R E S ET
2 0
C W / C C W
1 7
C LO C K
1 8
H A L F / F U LL
1 9
O S C
1 6 VR EF
1 5
SE N S2
1 4SE N S1
1 3
V
C
C
1
2
C ON T R OL
1 1
C
A
B
D
U
2
L
2
9
8
/M
U
L
T
IH
V S
4
I N 1
5
I N 2
7
V S S
9
I N 3
1 0
I N 4
1 2
O U T 1
2
O U T 2
3
O U T 3
1 3
O U T 4
1 4
I SE N A
1
I SE N B
1 5
EN A
6
EN B
1 1
C
4
3
.3
n
R
3
2
2
k
D
1
4
0
0
7
D
2
4
0
0
7
D
3
4
0
0
7
D
4
4
0
0
7
D
5
4
0
0
7
D
6
4
0
0
7
D
7
4
0
0
7
D
8
4
0
0
7
C L K
T / P
E N
C
53
.3
n
+12 V+5V / 3A
R
2
1
R
2
W
R
3
1
R
2
W
R ES E T
+5V
U3
LED7SEG1
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
J1
DC IN
1
2
U1
LM7805
IN
1
OUT
3
G
N
D
2
C1
1000uF/50V
C2
1000uF/16V
A4
U4
LED7SEG2
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
C3
104
C4
104
R89
1K
+5V
D8
U5
LED7SEG3
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
A1
U6
LED7SEG4
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
A2
J2
5V OUT
1
2R1
330
D1
Power
A3
Q1
A1015
Q2
A1015 A4
Q3
A1015
RXD
Q4
A1015
5V
U2
ATMega16
PB0 (XCK/T0)
1
PB1 (T1)
2
PB2(INT2/AIN0)
3
PB3(OC0/AIN1)
4
PB4(SS)
5
PB5(MOSI)
6
PB6(MISO)
7
PB7(SCK)
8
RESET
9
VCC
10
GND
11
XTAL2
12
XTAL1
13
PD0 (RXD)
14
PD1 (TXD)
15
PD2 (INT0)
16
PD3 (INT1)
17
PD4 (OC1B)
18
PD5 (OC1A)
19
PD6 (ICP1)
20
(OC2) PD7
21(SCL) PC0
22(SDA) PC1
23(TCK) PC2
24(TMS) PC3
25(TDO) PC4
26(TDI) PC5
27(TOSC1) PC6
28(TOSC2) PC7
29AVCC
30GND1
31AVEF
32
(ADC0) PA0
40
(ADC1) PA1
39
(ADC2) PA2
38
(ADC3) PA3
37
(ADC4) PA4
36
(ADC5) PA5
35
(ADC6) PA6
34
(ADC7) PA7
33
K1
K2
J3
NMEA INPUT
1 2 3
A B
TXD
R85
1K
R86
1K
+5V
D5
U7
MAX485
RO
1
DI
4
G
N
D
5
V
C
C
8
RE
2 DE
3
A
6
B
7
+5V
ENX
R4
1K
+ C53
10uF
K3
R5
1K
R6
1K
ENX
K4
K5
R3
1K
S2
K6
S3
K7
K8
5V
K1
K2
K3
D+
K4
K5
D-
K6
K7
D-
K8
D+
K1
K2
K3
U8
LED7SEG5
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
U9
LED7SEG6
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
U10
LED7SEG7
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
A5
U11
LED7SEG8
a
7
b
6
c
4
d
2
e
1
f
9
g
10
p
5
A
N
O
D
E
8
A
*
3
A7A6
K4
Q5
A1015
Q6
A1015 A8
Q7
A1015
Q8
A1015
R7
1K
R11
1K
K5
R12
1K
R13
1K
5V
K3
K2
K1
K6
K5
K4
K8
K7
K3
K2
K1
K6
K5
K4
K6
K8
K7
K3
K2
K1
K6
K5
K4
K8
K7
K7
K1
R87
1K
K8
K2
K1
R88
1K
K3 K2
D6
LED
A5
K4
K3
D7
LED
K5
K4
A6
K5
K6
K6
A7
K7
K7
K8
K8
A8
K1
J13
BURNER
1
2
3
4
5
6
+5V RES
MISO
MOSI
SCK
RES
K2
SCK
MISO
MOSI
K3
K4
K5
5V
K6
R2
10k
K7
C5
10uF
K8
LED1
4,7K
LED2
5V
S1
RESET
LED1Y1
12MHz
C7
22P
LED2
C8
22P
X2X1
X1
X2
RXD
TXD
5V
A1
A2
A3
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý mạch điện thiết bị mặt lặp la bàn từ kỹ thuật số 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 63 
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. 
 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. 
Hình 8. Bộ đệm tín hiệu NMEA0183 
CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 64 
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. 
Bảng 1. Kết quả kiểm tra về độ chính xác của hệ thống 
Chỉ thị trên la bàn chuẩn 
(độ) 
Chỉ thị trên la bàn của hệ thống 
(độ) 
Sai số (độ) Kết quả 
0.0 0.3 0.3 Đạt 
128.5 128.9 0.4 Đạt 
250.1 250.6 0.5 Đạt 
338.4 338.8 0.4 Đạt 
Bảng 2. Kết quả kiểm tra về chịu nhiệt độ ẩm 400C, độ ẩm 93% 
Chỉ thị trên la bàn chuẩn 
(độ) 
Chỉ thị trên la bàn của hệ thống 
(độ) 
Sai số (độ) Kết quả 
0.0 0.3 0.3 Đạt 
128.4 128.8 0.4 Đạt 
234.1 234.2 0.1 Đạt 
332.4 332.6 0.2 Đạt 
Bảng 3. Kết quả kiểm tra về chịu rung 30Hz, biên độ ± 1mm 
Chỉ thị trên la bàn chuẩn (độ) 
Chỉ thị trên la bàn của hệ 
thống (độ) 
Sai số (độ) Kết quả 
0.0 0.6 0.6 Đạt 
121.0 120.3 0.7 Đạt 
264.9 264.0 0.9 Đạt 
357.4 358.2 0.8 Đạt 
4. Kết luận 
 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. 
Hình 9. Hệ thống la bàn từ kỹ thuật số 
sau khi nghiên cứu, thiết kế và chế tạo