Tải bản đầy đủ

Đồ án tưới nước tự động bằng vi điều khiển

LỜI NÓI ĐẦU

Nền kinh tế Việt Nam trong gần 30 năm đổi mới vừa qua (1986-2016) đã đạt được
nhiều thành tựu phát triển khả quan. Trong lĩnh vực nông nghiệp, sản lượng các loại
nông sản đều tăng, nổi bật nhất là sản lượng lương thực tăng với tốc độ cao.Nông
nghiệp ngày càng có nhiều đóng góp tích cực hơn vào tiến trình phát triển, hội nhập
của kinh tế cả nước vào nền kinh tế toàn cầu.
Để đạt được những thành tựu như ngày hôm nay, thì việc ứng dụng công nghệ cao vào
sản xuất và nuôi trồng đóng một vai trò không nhỏ. Một trong những công nghệ được
áp dụng nhiều trong các nền nông nghiệp thế giới, đặc biệt là Israel mang lại hiệu quả
kinh tế cao là công nghệ nhà kính. Nhà kính phù hợp với yêu cầu để phát triển nông
nghiệp bền vững, cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá
trình sản xuất như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí ôxy…, kể cả việc sử
dụng tối ưu đất canh tác để đáp ứng cho sự sinh trưởng, phát triển tốt nhất của cây
trồng và kiểm soát được sâu bệnh hại để đạt sản lượng cao nhất.
Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều khiển AVR và vi điều
khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện hơn , nhưng có thể nói sự xuất hiện của
Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự xuất
hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, nhất là
đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức,
hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử . Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều

chức năng cơ bản và là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ
sử dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện rất phong phú và được chia sẻ
miễn phí. Chính vì những lý do như vậy nên Arduino hiện đang dần phổ biến và được
phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới.
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế, cũng như việc mong muốn ứng dụng những kiến
thức đã được học vào một hệ thống có tính thực tiễn, đồng thời dưới sự hướng dẫn tận
tình của thầy giáo, chúng em đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt mô
hình tưới nước tự động”. Loại cây chúng em lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài là
cây cà chua bởi độ phổ biến trong ngành nông nghiệp sản xuất thực phẩm ở nước ta.
+ Nội dung nghiên cứu:
Chương 1 : Giới thiệu chung.
Chương 2 : Thiết kế và lắp đặt mô hình.
Chương 3 : Hướng phát triển đề tài và kết luận.

1


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG
Phần 1 : Đối tượng lựa chọn cho mô hình tưới nước thông minh.
A, Đối tượng lưạ chọn chăm sóc là cây cà chua.
Cây cà chua (Lycopersicon esculentum Mill) là một trong những loại rau ăn quả phổ
biến và được trồng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, chiếm vị trí thứ hai sau khoai
tây.Cây cà chua là 1 loại rau quả, quả cà chua có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều
glucid, nhiều axit hữu cơ, là nguồn cung cấp chất chống ô xy hóa quan trọng
như Lycopen, Phenolic, Vitamin C cần thiết cho cơ thể người.Quả cà chuacó giá trị
dược liệucao do có vị ngọt tính mát, giải nhiệt, chống hoạt huyết, kháng khuẩn, chống
độc, giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch, có khả năng ngăn ngừa sự hình thành các gốc
tự do gây ung thư, đặc biệt là ung thư tiền liệt tuyến. Ngoài ra,cà chua còn được
dùng làm mỹ phẩm, chữa mụn trứng cá...
Vì thế hiện nay, sản phẩm cà chua được sử dụng phổ biến hàng ngày và rất đa dạng,
không chỉ dùng ăn tươi, nấu chín mà những giống cà chua có thịt quả dày, có sắc tố (βcaroten, lycopen, caroten và xantophyl) và độ Brix cao còn là nguyên liệu chế biến
công nghiệp tạo ra thực phẩm bổ dưỡng như nước cà chua cô đặc, bột cà chua, tương
cà chua đóng hộp có giá trị xuất khẩu.
B, Mô hình hệ thống nhà kính hiện đại hiện nay.
Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất,đặc biệt tự động hóa
quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông
nghiệp ,giảm công lao động ,tiết kiệm năng lượng,hạ giá thành sản phẩm ,tăng cường
sức mạnh cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụng sản xuất
Nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết.


2


Nhà kính là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông
nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao.Đặc biệt các nước có môi trường bất
thuận lợi,thiên tai,hạn hán ,cũng như hiện tượng ấm lên toàn cầu . Nhà kính phù hợp
với yêu cầu để phát triển nông nghiệp bền vững, cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt
chẽ hầu hết các thông số của quá trình sản xuất như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí
carbonic, khí ôxy…, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng
trong thời vụ,do nhà kính đáp ứng cho sự sinh trưởng, phát triển tốt nhất của cây trồng
và kiểm soát được sâu bệnh hại để đạt sản lượng cao nhất.

Hình 1.1. Một mô hình nuôi trồng cà chua trong nhà kính.
C, Lựa chọn phương pháp tưới tự động.
Trong quá trình trồng cà chua, yếu tố nước tưới và thời điểm tưới cho cà chua là cực
kì quan trọng. Hai yếu tố này đòi hỏi người lao động phải nắm vững phương pháp
canh tác để tưới làm sao cho cây đủ nước không thừa cũng không thiếu. Kết hợp với
thời điểm tưới là lúc nào, theo chu kì nào phù hợp với cây trồng nào là đạt hiêu quả
cao nhất.
Dựa vào 2 yếu tố trên mà phương pháp tưới nhỏ giọt hay tưới phun sương sẽ đáp
ứng được yêu cầu đó. Hai phương pháp này đạt hiệu quả cao trong việc cung cấp nước
tưới cho cà chua, giảm tổn thất rò rỉ cũng như bốc hơi, phương pháp này còn có ưu
điểm hơn các phương pháp khác là con người có thể kiểm soát được lượng nước tưới
cũng như chế độ tưới một cách chính xác thông qua bộ điều khiển tưới.phương pháp
tưới nhỏ giọt hay tưới phun sương.Sau đây là ưu nhược điểm của cây cà chua.
3


Ưu điểm:
Phương pháp trồng trong nhà kính cho phép cà chua không chịu được bất cứ yếu
tố bất lợi nào của thời tiết.
Năng suất sản lượng tăng cao, có thể lên đến 230%; Tiết kiệm nước đến 70% so
với tưới truyền thống.
Chi phí phân bón giảm đáng kể, hiệu quả sử dụng tăng 30%
Có thể canh tác trên mọi địa hình khó khăn, mà các hệ thống thông thường không
làm được.
Cà chua phát triển khỏe mạnh và trưởng thành nhanh chóng, do vậy mau thu
được lợi nhuận, thu hồi vốn nhanh chóng.
Cải thiện môi trường, ngăn ngừa các yếu tố bên ngoài như cỏ dại, sâu bệnh, theo
các đường nước,không khí, gió,.. từ bên ngoài.
Chủ động trong công tác chăm bón, chế độ tưới nước, thời điểm thu hoạch, diệt
trừ sâu bệnh.
Tiết kiệm diện tích gieo trồng, cũng như tăng khả năng thâm canh cây trồng để
tạo ra giá trị kinh tế và hiệu quả cao trên cùng đơn vị diện tích từ đó tăng cao giá trị
thu nhập cho người lao động.
Nhược điểm:
Giá thành tương đối cao nên giá trị đầu tư ban đầu khá lớn.
Yêu cầu thiết bị đi kèm khá phức tạp.
Hệ thống tưới tiêu trong nhà kính tới tận gốc gốc cà chua cũng phải đáp ứng
những yêu cầu khá cao, phức tạp nếu không nắm rõ kỹ thuật.Trong mô hình nhà kính
thì hai phương pháp này tỏ rõ sự ưu việt của chúng hơn các phương pháp khác vì dễ
dàng kiểm soát về tiết kiệm nước cũng như về chế độ tưới, cũng như phù hợp với yêu
cầu và đặc điểm của nhà kính.
Phần 2 : Tổng quan về hệ thống nhà xưởng .
1.1. Cấu tạo chung của mô hình hệ thống nhà xưởng.

4


NGUỒN NƯỚC

BỘ ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG

CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TƯỚI THÔNG MINH TRONG NHÀ
KÍNH

THIẾT BỊ ĐẦU HỆ THỐNG

HỆ THỐNG ỐNG DẪN VÀ PHÂN PHỐI

Hình 1.2: Cấu tạo chung của hệ thống tưới cà chua thông minh.
Hệ thống tưới thường bao gồm: nguồn nước, thiết bị đầu hệ thống, hệ thống đường
ống và béc tưới, và bộ điều khiển hoạt động hệ thống. (hình 2.1)
1.1.1 Nguồn nước.
Có thể là sông, hồ, giếng khoan. Chất lượng nước phải thoả mãn yêu cầu (thông qua
bộ lọc).
Để sử dụng có hiệu quả nguồn nước, cần phải xây dựng công trình dẫn, trữ và bơm
nước. Đây gọi là công trình nguồn nước.
1.1.2 Thiết bị đầu hệ thống.
Thiết bị đầu hệ thống gồm máy bơm, quạt đối lưu, van khống chế, thiết bị lọc nước,
và thiết bị bảo dưỡng. Thiết bị đầu hệ thống làm nhiệm vụ điều tiết, khống chế của hệ
thống.
1.1.3. Hệ thống ống dẫn và phân phối.
Hệ thống này bao gồm: ống chính, ống nhánh và vòi phun sương ,ống tưới làm
nhiệm vụ dẫn và phân phối nước, được chôn dưới mặt đất ở một độ sâu nhất định,phun
sương được treo trên cao với độ cao phù hợp tưới cho cây và giảm nhiệt độ cần thiết
cho cây, Do quy mô khu tưới mà số cấp đường ống khác nhau.
1.1.4. Bộ điều khiển hoạt động hệ thống.
Bộ điều khiển hoạt động hệ thống gồm có các thiết bị điều khiển Arduino mega
2560, relay module, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong đất, và cảm biến ánh sáng.
1.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển.
Trong mô hình sử dụng arduino mega 2560 để điều khiển,hoạt động dựa trên các tín
hiệu đầu vào là cảm biến DHT21,BH1750 và cảm biến độ ẩm trong đất để điều khiển
5


câp tín hiệu cho các đầu ra bật tăt các rơ-le điều khiển van điện từ, máy bơm nước,
quạt đối lưu không khí và ánh sáng.
Arduino mega 2650 là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương
tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Sử dụng

vi điều

khiển ATmega2560. Nó có 54 chân kỹ thuật số đầu vào / đầu ra (trong đó 15 chân có
thể xuất ra xung PWM), 16 đầu vào analog, 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng),
16 MHz dao động tinh thể, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một
nút reset.
Nhân xét và kết luận :Qua chương này, chúng ta có thể thấy giá trị dinh dưỡng và
kinh tế của cây cà chua, tìm hiểu được đặc điểm sinh lý phát triển của cây cà chua .
Qua đây thấy được tính cấp thiết để tăng năng suất cây trồng nhóm đã thực hiện
nghiên cứu, từ những yếu tố nêu ra chúng em đã đưa mô hình nhà kính thực tế vào,
thu nhỏ lại và đưa về một mô hình điều khiển tưới nước thông minh trong đó có bao
gồm đầy đủ tất cả các yếu tố, điều kiện nêu ở trên. Từ đây chúng em đi vào thiết kế
lên phương án lắp đặt và điều khiển mô hình tưới nước tự động trong nhà kính, chi
tiết cụ thể sẽ được nói ở chương số 2.

6


CHƯƠNG II : THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MÔ HÌNH
Nhiệm vụ :
Thiết kế làm một hệ thống tưới nước dựa trên cảm biến độ ẩm, nhiệt độ , ánh
sáng được điều khiển bởi mạch điện tử Arduino điều khiển chu trình tưới, chăm sóc cà
chua trong nhà kính.
Xây dựng được một hệ thống tự động tương đối hoàn chỉnh, điều khiển bởi
mạch điện tử Arduino và hiển thị trên màn hình LCD giúp người dùng có thể quản lý
dễ dàng các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng từ đấy có thể biết được mô hình đang
hoạt động như thế nào.

7


Có thể điều khiển hệ thống mô hình bằng 2 chế độ : bằng tay hoặc tự động , 2 chế độ
này hoạt động phụ thuộc vào nhau, khi chế độ tự động hoạt động thì chế độ bằng tay
không hoạt động và ngược lại.
Mục tiêu nghiên cứu :
Sau khi nghiên cứu đề tài này sẽ lĩnh hội nhiều hơn về các vấn đề liên quan đến
board mạch Arduino mega 2560, làm quen với các thiết bị điện tử và hệ thống pin
năng lượng mặt trời giúp nâng cao hiểu biết cho bản thân.
Đối tượng nghiên cứu :
Hệ thống tưới cà chua tự động trong nhà kính, board ArduinoMega 2560, phần
mềm IDE, các cảm biến và phần mạch lực cho hệ thống.
Cách kết nối và truyền tải dữ liệu từ Arduino đến các cảm biến và các relay
phần mạch lực.
Yêu cầu và yếu tố cần thiết cho cây cà chua được trồng trong nhà kính sinh
trưởng và phát triển tốt trong mô hình nhà kính bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng.
Nhiệt độ: Cà chua là cây chịu ấm, một trong những điều kiện cơ bản để có được
sản lượng cao và sớm ở cà chua là tạo chế độ nhiệt độ tối hảo cho cây 21-24 oC, nếu
nhiệt độ đêm thấp hơn ngày 4-5oC thì cây cho nhiều hoa.
Ánh sáng: Cà chua là cây ưa sáng, không nên gieo cây con ở nơi bóng râm,
cường độ tối thiểu để cây tăng trưởng là 2.000 lux - 3.000 lux, độ sáng phù hợp giúp
cây quang hợp và phát triển tốt.
Độ ẩm : Cà chua thích hợp với độ ẩm đất từ 55-65% giúp cây sinh trưởng và
phát triển, độ ẩm cao từ 75 -80% sẽ ảnh hưởng đến qua trình phát triển của cây,dễ cây
sẽ bị hư hỏng và có thể xảy ra tình trạng úng. Thích hợp nhất vẫn là đất thịt pha cát,
nhiều mùn hay đất phù sa, đất bồi giữ ẩm và thoát nước tốt và chứa tối thiểu là 1,5%
chất hữu cơ. Độ ẩm tốt giúp cây khi ra quả sẽ đạt năng suất hơn, quả mọng hơn, và
nhìn mẫu mã đẹp so với những cây với độ ẩm thấp.
2.1 Xây dựng và lắp đặt mô hình hệ thống .
Mô hình được thiết kế với kích thước chiều dài 1.07m, chiều rộng là 0.65m,
chiều cao là 1.0m,được chia làm 3 phần phần đáy, phần thân và phần mái.Được dựng
chăc chắn với nhau bằng những ống nhựa và ghép kết nối với nhau qua các cút
vuông , cút chữ T hoặc cút thẳng .Mô hình bao gồm 8 đoạn thẳng dài 1.0m, 6 đoạn
8


thẳng dài 0.6m, 4 đoạn thẳng dài 0.4m, 4 đoạn thẳng dài 0.43m, 4 đoạn thẳng dài
0.15m. Bao gồm 18 cái cút vuông được cắt và ghép thêm ống vào để tạo thành cút 4
cạnh nhằm mục đích nối những vị trí có 3 đến 4 điểm nối chung , cút thẳng gồm 14
cái được dùng để gắn các đoạn thẳng ngắn với nhau, cút chữ T 2 cái dùng làm vị trí
nối giữa các thanh.
Phần đáy với kích thước: được dùng để đựng đất với diện tích đất trồng cấy
với diện tích là: , được chia thành 2 luống nhỏ với diện tích mỗi luống là 0,3.Mỗi
luống kích thước có thể trồng được 3 cây trên 1 luống với khoảng cách (m)
Phần thân với kích thước: , phần thân được bao phủ bởi lớp nilong xung quanh
với mục đích che chắn cho cây trồng, giữ nhiệt độ môi trường bên trong mô hình được
ổn định, giúp cây cách ly phòng chống những mần bệnh bên ngoài có thể ảnh hưởng
đến sinh trưởng và phát triển của cây.
Phần mái với kích thước là: ,cũng được lợp bằng 1 lớp nilong màu trắng cùng
với độ cao so với mặt đáy là giúp cây có độ thoáng mát, giúp ổn định nhiệt độ tốt
hơn,cung cấp một lượng ánh sáng cần thiết cho cây, để giúp cây sinh trưởng và phát
triển, đồng thời giảm lượng điện năng tiêu thụ cho việc sử dụng ánh sáng vào ban
ngày.
Bản vẽ mô hình được dựng lên như hình vẽ.

9



nh 2.1 Bản vẽ khung mô hình.
Lắp đặt mô hình:
Sử dụng các cây nhựa với đường kính là để lắp ghép mô hình .
Ban đầu dựng khối hình chữ nhật với kích thước 1.07 x 0.65 x 0.15 (m) tạo
thành 1 phần khung đáy được gắn bởi tấm nhựa cứng chắc chắn dùng làm bệ đỡ đồng
thời cũng là nơi trồng cây, từ 4 vị trí ghép nối trên khối chữ nhật dựng lên 4 thanh với
chiều cao là 0.45m , đây được xem như phần thân của mô hình. Từ 4 vị trí đầu của 4
thanh dựng phần mái che qua ghép nối giữa các cút và thanh ống. Mô hình sử dụng 1
ống làm bể chứa nước, là nơi cung cấp nước cho toàn bộ hệ thống tưới nhỏ giọt và
phun sương.,bể được làm với kích thước chiều cao , thể tích chứa nước của bể , tương
ứng với 1,5 lít nước.ống dẫn được gắn đến từng gốc cây trên mô hình, và được nhỏ
giọt trực tiếp vào phần gốc cay,để tăng lượng nước mà cây nhận được từ việc cung
cấp. Ống dẫn phun sương được đặt cách mặt đất với 2 vòi phun sương được gắn trên
đấy, hoạt động với công suất của máy bơm là 10w, lưu lượng truyền tải bình thường
1lit/1p.Mô hình thực tế được dựng lên như hình vẽ (2.2)

10


Hình 2.2 Mô hình hoàn thiện .
2.2 Thiết kế hệ thống phần mạch lực .
Mạch lực gồm có:
Trong mô hình hệ thống mạch lực bao gồm 1 máy bơm phun sương (dc), một van điện
từ (dc), 6 modunle relay (dc), 4 quạt(dc) và dây đấu nối.
Máy bơm phun sương với công suất 10(w), van điện từ với công suất nhỏ, quạt đối lưu
với công suất cả 4 quạt là 7,7(w). Toàn bộ hệ thống hoạt động với cống suất ước tính
là 30(w).
2.2.1 Lắp đặt mạch lực bơm nước.
Máy bơm được đặt ở vị trí gần bể nước nhất,thuận lợi cho việc hút nước dễ dàng, hệ
thống vòi phun sương lắp đặt bên trong mô hình cách mặt đất 20(cm) và có 1 thanh
nhựa làm giá đỡ.
Máy bơm cấp nước điều khiển phun sương với công suất max10w.

11


Hình 2.3 : Mạch lực điều khiển bơm nước.
Quá trình đấu nối như sau:
Ở chế độ điều khiển bằng tay : chân số 8 của arduino nối với chân IN1 của rơ-le
RL5.Cực COM (k2) của rơ-le này nối với cực dương nguồn 12V.Cực NO của tiếp
điểm này nối với cực dương của máy bơm và từ cực âm của máy bơm nối với cực âm.
Ở chế độ điều khiển tự động : chân số 12 trên bo mạch arduino được kết nối với cực
IN2 của rơ-le RL2 .Còn tiếp điểm thường mở của rơ-le RL2 được đấu nối với máy
bơm tương tự như ở chế độ điều khiển bằng tay.Chế độ này rơ-le RL2 đóng ,mở tác
động bởi nút ấn 2.
2.2.2 Lắp đặt mạch van điện từ
Van điện từ điều khiển tưới nhỏ giọt ,cung cấp độ ẩm cho đất, van điện từ được
lắp đặt cách mặt đất trong mô hình (1-2 ), với mục đích cho nước được dẫn đến các vị
trí nhỏ giọt tốt và ổn định.
Van điện từ cũng được điều khiển bằng 2 chế độ:

Hình 2.4 : Mạch lực điều khiển van điện từ.
Chế độ điều khiển tự động : chế độ này rơ-le RL1 điều khiển đóng, cắt van điện
từ theo thông số độ ẩm đất đặt trên bo mạch arduino.
12


Chế độ điều khiển bằng tay: chế độ này rơ-le RL4 điều khiển đóng, cắt van điện
từ khi ta tác động nút ấn 1.
Nhóm đã đấu nối van điện từ như sau:cực dương nguồn 12V được nối với cực
COM của 2 rơ-le RL1và RL4 là k1,k2 như hình vẽ,còn 2 chân NO của hai rơ-le này
nối với nhau và nối với cực dương của van điện từ ,chân còn lại của van điện từ nối
với âm nguồn.

2.2.3 Lắp đặt mạch quạt đối lưu không khí.
Quạt được gắn sát bên trên các thanh trụ nằm ngang trong mô hình, khoảng cách
mặt đất 35(cm)
Các quạt cũng được điều khiển qua hai chế độ như trên.Đặc biệt 4 quạt được đấu
song song với nhau,với 2 cặp quạt đặt thẳng nhau , 2 quạt hút không khí vào, 2 quạt
đẩy không khí ra có tác dụng đối lưu không khí.

Hình 2.5 : Mạch lực điều khiển quạt .
Chế độ điều khiển tự động : chế độ này rơ-le RL3 điều khiển bật tắt quạt theo
thông số đặt trên bo mạch arduino.
Chế độ điều khiển bằng tay: chế độ này rơ-le RL6 điều khiển bật tắt quạt theo
tác động của nút ấn 3.
Nhóm đấu nối quạt như sau: cực dương nguồn 12V nối với cực Com của 2 rơ-le RL3
và RL6 là k1,k2.Hai chân NO của 2 rơ-le này được nối với nhau và nối với cực dương
quạt.Cực âm quạt nối với âm nguồn.

13


2.3 Thiết kế phần điều khiển cho mô hình.
Thiết bị điều khiển và hoạt động trong mô hình bao gồm: Arduino mega 2560,
cảm biến nhiệt độ DHT21, cảm biến ánh sáng BH1750, cảm biến độ ẩm trong đất,
relay module, Transistor tip 122,nút ấn và màn hình hiển thị LCD.
Các cảm biến nhiệt độ DHT21, cảm biến ánh sáng BH1750, cảm biến độ ẩm
trong đất, modunle relay và nút ấn đều dùng nguồn dc 5v để hoạt động.
Arduino mega 2560 là 1 mạch vi xử lý bao gồm có 54 chân kỹ thuật số đầu vào
và đầu ra (trong đó 15 chân có thể xuất ra xung PWM), 16 đầu vào analog,
4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), trong đó phần điều khiển cho mô hình này sử
dụng các chân PWM trên Arduino, chân digital,chân analog, chân SCL và chân
SDA,chân PWM được sử dụng để đóng mở các van điện từ relay. Được cài đặt như
sau chân 13 kết nối với chân IN1 của relay 1 dùng để điều khiển độ ẩm của đất dựa
vào đóng mở van nhỏ giọt, chân 12 được đấu vào IN2 của relay 1 dùng để điều khiển
nhiệt độ dựa vào bật tắt máy bơm phun sương, chân 11 được đấu vào IN1 của relay 2
dùng điều khiển đóng mở hoạt động của quạt.sơ đồ đấu nối thể hiện qua hình vẽ (2.6)

Hình 2.6 Sơ đồ đấu đây arduino với relay.
Điều khiển các relay thông qua hệ thống điều khiển bằng nút ấn sử dụng các
chân trên PWM và Digital các chân được sử dụng:
Chân số 9 được kết nối với IN2 của relay RL4 để điều khiển chế độ nhỏ giọt
,đóng mở van điện từ, chân số 8 được kết nối với IN1 của relay RL5 dùng để điều
khiển bật tắt máy bơm phun sương, chân số 7 được kết nối với IN2 của relay RL6
dùng để điều khiển bật tắt quạt, tín hiệu từ các chân Digital được nối với nút ấn để
điều khiển ở chế độ bằng tay hoặc tự động, được kết nối như sau : Chân số 47 kết nối
14


với nút nhấn 1 thông qua 1 điện trở 10kΩ và 2 đầu điện cực 5V, được dùng để điều
khiển chuyển chế độ từ tự động sang bằng tay và ngược lại. Chân số 49 được kết nối
với nút nhấn (nút ấn sô 3) qua 1 điện trở 10kΩ để điều khiển bật tắt quạt trong mô
hình ở chế độ bằng tay. Chân số 51 kết nối với 1 nút nhấn (nút ấn sô2) qua 1 điện trở
10kΩ được dùng để bật tắt động cơ phun sương ở chế độ bằng tay, chân số 53 kết nối
với nút nhấn (nút ấn sô1) qua 1 điện trở 10kΩ dùng để điều khiển bật tắt van điện từ.
Sơ đồ hình vẽ thể hiên qua hình(2.7)

Hình 2.7 sơ đồ đấu nối nút ấn với arduino.
Mô hình được lắp đặt 1 màn hình LCD (20x4) để kiểm soát thông số nhiệt độ,
độ ẩm và ánh sáng bên trong mô hình, và người dùng có thể quan sát dễ dàng thông
qua các thông số hiển thị trên LCD để biết các thiết bị bên trong mô hình đang hoạt
động như thế nào,từ đây biết được những phần nào đang hoạt động và phần nào không
hoạt động, từ đó có thể sửa chữa và thay thế những phần không hoạt động 1 cách đơn
giản nhất.kết nối giữa màn hình LCD và Arduino được thông qua giao tiếp I2C, cổng
giao tiếp mới nhất và ngắn gọn nhất, với 4 chân bao gồm GND, VCc, SCL, SDA. 2
chân SCL và SDA được kết nối với chân SCL, SDA trên board Arduino, 2 chân còn lại
được đấu với nguồn 5vdc. Hình(2.8)

15


Hình 2.8 Kết nối LCD với Arduino mega.
Kết nối và điều khiển giữa arduino và các cảm biến :
Điều khiển ánh sáng sử dụng : Cảm biến ánh sáng Bh1750 được kết nối với 2 vị
trí SCL và SDA trêns board arduino,phần điều khiển ánh sáng được kết nối với chân
PWM số 5 đưa qua chân B của Transistor tip 122, chân E của típ 122 được đấu với
nguồn âm 12v và 5v, chân C của típ được đấu trực tiếp vào chân âm của đèn led, tín
hiệu cảm biến BH 1750 được cấp vào arduino và hiển thị trên màn LCD, Arduino điều
khiển băm xung trên chân số 5 để cho transistor mở to hay nhỏ, cấp điện áp vào đèn
sáng hay tối, phụ thuộc vào tín hiệu cảm biến Bh1750 đưa ra. sơ đồ đấu thể hiện qua
hình (2.8 )

Hình 2.8 Sơ đồ đấu nối típ 122.
Điều khiển nhiệt độ : Cảm biến DHT21 , chân D0 của cảm biến được kết nối
với Chân PWM số 2 dùng để nhận biết nhiệt độ môi trường bên trong mô hình.Nhiệt
độ môi trường bên trong mô hình được arduino thu thập và xử lý dữ liệu thông qua
chân số 2. Sau đó arduino điều khiển và đưa ra các chân PWM vị trí 12,11 để điều
khiển cho rơ-le RL2 và rơ-le RL3đóng mở theo điều kiện nhiệt độ.
16


Điều khiển độ ẩm trong đất: Sử dụng cảm biến tích hợp IC 393 , chân A0 của
cảm biến độ ẩm trong đất được kết nối với chân tín hiệu analog A0 trên board
arduino,chân A0 với tín hiệu là analog dùng để thu thập thông tin từ cảm biến đất và
cho ra % độ ẩm đất. Arduino với nhiệm vụ và xử lý tín hiệu từ chân A0 và đưa ra tín
hiệu chân PWM vị trí 13 điều khiển rơ-le RL1 đóng mở theo điều khiện độ ẩm.
Sơ đồ đấu nối cảm biến với arduino như hình(2.9)

Hình 2.9 : Sơ đồ đấu nối cảm biến với Arduino.

2.4. Kết quả thực nghiệm .
a, Bảng thiết lập đầu vào, ra của board mạch Arduino mega 2560
17


Cảm biến độ ẩm đất

Chân A0

Cảm biến nhiệt độ

Chân số 2

Cảm biến ánh sáng

Chân SCL,SDA

Màn hình LCD

Chân SCL,SDA

Điều khiển ánh sáng (tip 122)

Chân số 5

Relay 1

Chân số 13

Relay 2

Chân số 12

Relay 3

Chân số 11

Relay 4

Chân số 9

Relay 5

Chân số 8

Relay 6

Chân số 7

Nút ấn chuyển chế độ hoạt động

Chân số 47

Nút ấn bằng tay điều khiển độ ẩm

Chân số 53

Nút ấn bằng tay điều khiển nhiệt độ

Chân số 51

Nút ấn bằng tay điều khiển quạt

Chân số 49

b, Sơ đồ đấu nối Arduino với hệ thống điều khiển và cảm biến.

18


Hình 2.10 :Sơ đồ đấu nối Arduino.
2.4.1 Thuật toán và chương trình điều khiển của hệ thống .
19


a, Sơ đồ thuật toán .
Bắt đầu
`

Lấy mẫu giá trị độ
ẩm

Lấy mẫu giá trị
nhiệt độ

T>29o

lux<3000

độ ẩm <65%

S

lux

Lấy mẫu giá
ánh sáng

S

S

Đ

Quạt bật
Máy bơm bật

Đ

Đ

25
Quạt bật
Máy bơm
tắt

Van nhỏ giọt
được mở
Van nhỏ giọt
được đóng

Quạt tắt
Máy bơm
tắt

S

Stop = 1

Đ
Kết thúc

b, Chương trình điều khiển .
//thu vien
#include
20

Cường độ
ánh sáng
được tăng
lên

Cường độ
ánh sáng
được giảm
dần


#include
#include "DHT.h"
#include
//Goi ham
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,20,4);
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
BH1750 lightMeter;
//bien toan cuc
int do_am_dat;
float nhiet_do;
uint16_t lux;
const int DHTPIN = 2;
const int DHTTYPE = DHT21;
int giatri = 0;
int dem0 = 1;
int dem1 = 1;
int dem2 = 1;
int dem3 = 1;
unsigned long current_time = 0;
unsigned long previous_time = 0;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
dht.begin();
lcd.begin();
lcd.backlight();
lightMeter.begin();
//dau ra che do tu dong
pinMode(13,OUTPUT); //dau ra nho giot
pinMode(12, OUTPUT);//dau ra phun suong
pinMode(11, OUTPUT);//dau ra quat
pinMode(5,OUTPUT);//dau ra tip122
pinMode(53,INPUT);//dau vao nut an dieu khien nho giot
pinMode(51,INPUT);//dau vao nut an dieu khien phun suong
pinMode(49,INPUT);//dau vao nut an dieu khien quat
pinMode(47,INPUT);//dau vao nut bam chuyen che do
pinMode(9,OUTPUT);//dau ra nut bam dieu khien nho giot
pinMode(8,OUTPUT);//dau ra nut bam dieu khien phun suong
pinMode(7,OUTPUT);//dau ra nut bam dieu khien quat
}
void loop() {
doccambien();
hienthi();
chedo();

Trên đây là một đoạn code của chương trình điều khiển được viết bằng phần
mềm IDE, phần còn lại được chú thích trong phần phụ lục.

2.4.2 Kết quả điều khiển.
21


Để điều khiển cho board Arduino mega hoạt động chúng ta cần sử dụng phần mền
IDE dùng viết code và nạp chương trình cho Arduino. Phân mền IDE là phần mền viết
chương trình cho riêng cho arduino, sử dụng ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa
trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Với khối lượng thư viện
code được viết sẵn và chia sẽ trên cộng đồng mạng vô cùng lớn. Cách kết nối và
truyền tải code lên board Arduino sử dụng dây jack kết nối usb để kết nối giữa máy
tính và Arduino giúp truyền tải code hoặc thay đổi code một cách dễ dàng.

A, Kết quả phần điều khiển tự động.
Mô tả nguyên lý hoạt động :
Khi cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống bao gồm : board mạch arduino , các thiết
bị cảm biến , nút ấn, rơ-le điều khiển và phần mạch lực. Hệ thống hoạt động lúc này
trên màn hình LCD (20x4) hiển thị 4 thông số là chế độ hoạt động, nhiệt độ, độ ẩm
đất, độ sáng.

Hình 2.11 : Hiển thị LCD.
Ban đầu hệ thống hoạt động ở chế độ điều khiển tự động, các cảm biến nhiệt
độ, cảm biến độ ẩm trong đất và cảm biến ánh sáng truyền dữ liệu từ các chân tín
hiệu của cảm biến đến board mạch điều khiển Arduino Mega 2560.
Cảm biến độ ẩm trong đất được xác định bằng cách, từ cảm biến độ ẩm đất đưa
ra chân AO (tín hiệu tương tự trên module độ ẩm đất) nối trực tiếp với chân AO của
bo mạch arduino. Arduino xử lý dựa theo code đã viết trên IDE.
do_am_dat = (1024-analogRead(A0))/6.90
Nếu độ ẩm đất >65% thì chân PWM số 13 trên mạch arduino đưa ra tín hiệu
mức cao vào chân IN1của rơ-le RL1, rơ-le hoạt động, đèn led báo của rơ-le sáng
lên,đóng tiếp điểm thường mở của rơ-le làm van điện từ hoạt động, thực hiện tưới nhỏ
22


giọt. Ngược lại nếu độ ẩm đất <65% thì arduino đưa tìn hiệu ra chân 13 mức thấp vào
chân IN1 làm rơ-le tắt, đèn led tắt, van không hoạt động.
Cảm biến đo cường độ sáng BH1750 với thông số cường độ ánh sáng được đo
trực tiếp ở môi trường xung quanh và được lấy theo đơn vị lux. Cảm biến có ADC nội
và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux.Từ 2
chân SCL, SDA của cảm biến đưa dữ liệu vào 2 chân SCL, SDA trên board mạch
arduino. Gán biến đo cường độ ánh sáng là: lux = lightMeter.readLightLevel. Khi giá
trị ánh sáng đọc được dùng lệnh ” lcd.print” để in giá trị độ sáng ra màn hình LCD .
Nếu cường độ ánh sáng nhỏ hơn 3000 lux thì biến “gia trị” tăng dần lên. Sau đó
xuất biến “giatri” ra chân B của transistor tip 122 bằng chân băm xung PWM số 5,
lúc này transistor típ 122 có tác dụng hạn chế dòng (cho van mở ra từ từ ) làm cho
cường độ ánh sáng được tăng dần lên đến mức cường độ sáng ổn định thì dừng lại.
Tương tự khi độ sáng lơn hơn 3000 lux thì biến “gia trị” giảm dần xuống. Xuất biến
“giatri” từ chân PWM số 5 của arduino ra chân B của tip 122, Tip 122 có tác dụng hạn
chế dòng và nó giống như 1 van bán dẫn( cho van đóng từ từ ) làm cường độ ánh sáng
giảm dần xuống, đến 1 mức độ sáng lớn quá lúc này tip 122 đóng không cho dòng
điện đi qua. Biến”giá trị” có giá trị từ 1đến 254 tương ứng với từ 0−>5V.
Transistor TIP122 như 1 khóa chuyển mạch, điều khiển dòng điện
Cảm biến DHT21 hoạt động với 1 chân đầu ra là tín hiệu digital. Khi hoạt động
DHT21 đo nhiệt độ từ môi trường bên trong mô hình và trả về giá trị Digital. Ta kết
nối chân đầu ra DO (màu vàng) của cảm biến với chân PWM số 2 của bo mạch
Arduino. Arduino đọc giá trị nhiệt độ qua “dht.readTemperature()”. Gán biến
“nhiệt_do = dht.readTemperature()” . Khi giá trị nhiệt độ được arduino đọc, giá trị
“nhiet_do” sẽ được hiển thị ra LCD thông qua câu lệnh “lcd.print”. Với giá trị nhiệt
độ: t >=29 ºC hệ thống sẽ tự động điều khiển, Arduino sẽ đưa tín hiệu ra các chân
PWM số 11 và 12 đưa vào chân RL2 và RL3 đang ở mức LOW chuyển sang mức
HIGH, lúc này RL2, RL3 có điện làm tiếp điểm thường mở NO đóng lại, quạt và máy
bơm được cấp điện, hệ thống hoạt động phun sương, quạt. Giá trị nhiệt độ:

23


25ºC =< t < 29ºC tín hiệu được đưa ra từ arduino đến chân PWM số 11 tới chân RL3,
đang ở mức thấp(LOW) chuyển lên mức cao (HIGH), rơ-le RL3có điện làm tiếp điểm
thường mở NO đóng lại,quạt được cấp điện và hoạt động. Giá trị nhiệt độ t<25ºC tín
hiệu từ các chân arduino không được đưa ra nên máy bơm, quạt không hoạt động.
B, Kết quả phần điều khiển bằng tay.
Khi hệ thống đang hoạt động ở chế độ tự động mà xảy ra một số lỗi như: cảm
biến nhiệt độ , cảm biến độ ẩm trong đất bị hư hỏng thì sẽ không gửi được tín hiệu
về Arduino lúc này phần mạch lực van điện từ, quạt và phun sương không hoạt động.
Khi đó ta có thể chuyển chế độ điều khiển tự động sang chế độ điều khiển bằng tay,
như vậy dễ dàng kiểm soát được những tác vụ bên trong mô hình. Có thể khắc phục
sửa chữa hệ thống phần cảm biến mà không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh bên
trong mô hình. Chế độ hoạt động bằng tay, hoạt động dựa trên 4 nút ấn bao gồm 1 nút
chuyển chế độ, 1 nút thể hiện ở trạng thái nhỏ giọt, 1 nút thể hiện trạng thái phun
sương và cuối cùng là trạng thái quạt. Thể hiện qua hình vẽ (2.11)

Hình 2.12: Nút ấn thể hiện chế độ bằng tay.
Ban đầu màn hình LCD đang hiển thị ở chế độ điều khiển tự động, khi ấn nút
chuyển chế độ màn hình LCD chuyển sang điều khiển ở chế độ bằng tay.

Hình 2.13: Chuyển chế độ tự động sang chế độ bằng tay.
24


Khi chuyển chế độ điều khiển bằng tự động chế độ điều khiển bằng tay, các rơle (RL1, RL2, RL3) ở phần điều khiển tự động vẫn đang được cấp điện từ các chân
điều khiển của Arduino (13, 12, 11) và phần mạch lực vẫn đang hoạt động, khi đó ta
nhấn các nút điều khiển nhỏ giọt, điều khiển phun sương và điều khiển quạt, các rơ-le
(RL4, RL5, RL6) đóng ,đồng thời các rơ-le (RL1, RL2, RL3) ở phần điều khiển tự
động mở ra và các chân rơ le(RL1, RL2, RL3) hoạt động trở lại khi chuyển về trạng
thái tự động.
Nút chuyển chế độ hoạt động được đấu với chân số 47 trên board arduino , Khi
nhấn nút chuyển chế độ lần 1 , hệ thống sẽ chuyển từ chế độ điều khiển tự động sang
chế độ điều khiển bằng tay và ngược lại.
Khi hệ thống đã chuyển sang chế độ bằng tay lúc này hệ thống hoạt động được
điều khiển thông qua nút ấn. Ban đầu khi chưa được tác động các rơ-le RL4, RL5,
RL6 đang ở mức thấp (rơ –le mở), phần mạch lực chưa hoạt động. Ta nhấn nút ấn
điều khiển nhỏ giọt lần thứ nhất, tín hiệu đầu ra của nút ấn được đưa vào chân 53 trên
arduino, lúc này arduino trả giá trị đầu ra đưa đến chân số 9 xuất mức LOW điều
khiển đóng rơ-le RL4 làm cho RL4 có điện đóng tiếp điểm thường mở NO trên
RL4 , van điện từ được cấp điện và mở ra cho nước đi qua, hệ thống nhỏ giọt hoạt
động. Khi nhấn nút lần thứ 2, tín hiệu được đưa vào chân 53, giá trị đầu ra không hoạt
động , tín hiệu không được đưa vào chân số 9 xuất mưc HIGH làm cho rơ-le RL4 mất
điện đồng thời mở tiếp điểm thường mở NO trên RL4, van điện từ mất điện và đóng
lại không cho nước đi qua, hệ thống nhỏ giọt dừng hoạt động. Tiếp theo ta nhấn nút
điều khiển máy bơm phun sương lần thứ nhất ,tín hiệu đầu ra của nút ấn được đưa vào
chân 51 trên Arduino, lúc này Arduino trả giá trị đầu ra đưa đến chân số 8 xuất mức
LOW làm cho rơ-le RL5 có điện, đóng tiếp điểm thường mở NO trên RL5, máy bơm
phun sương được cấp điện và hoạt động phun sương. Khi nhấn nút lần thứ hai, tín hiệu
đưa vào chân 51, giá trị đầu ra không hoạt động , tín hiệu không được đưa vào chân số
8 xuất mức HIGH làm cho RL5 mất điện, mở tiếp điểm thường mở NO trên RL5, bơm
phun sương mất điện và không hoạt động. Tương tự như vậy với chân đầu vào của nút
ấn số 3 là 49 và chân đầu ra trên arduino là chân số 7 dùng để điều khiển hoạt động
của quạt. Khi chế độ điều khiển bằng tay đang hoạt động nếu các rơ-le (RL4, RL5,
25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×