Tóm tắt đồ án Thiết kế hệ thống tưới cây tự động sử dụng Arduino

Nội dung text: Tóm tắt đồ án Thiết kế hệ thống tưới cây tự động sử dụng Arduino

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ  THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƢỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG ARDUINO TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG Sinh viên thực hiện : Trần Hồng Chung Mã sinh viên : K12C08065 Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Thị Trà Vinh Khóa đào tạo : 2018 - 2021 Đà Nẵng - 01/2021
2. LỜI NÓI ĐẦU 1. Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài 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 củaArduino 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. Trên cơ sở kiến thức đã học trong suốt quá trình ở trường cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, em đã quyết định thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống tƣới cây tự động sử dụng Arduino. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu – Tìm hiểu về các hệ thống tưới cây tự động. – Tìm hiểu và arduino. – Tìm hiểu về hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino. – Thiết kế thi công hệ thống tứi cây tự động sử dụng arduino. – Kiểm tra đánh giá tính ứng dụng của đề tài. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu – Nghiên cứu về kích thướt mô hình hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino. – Nghiên cứu sử dụng arduino uno r3 trong hệ thống. 1
3. – Tập trung nghiên cứu dùng cảm biến độ ẩm đất làm tín hiệu chủ động để hệ thống hoạt động. – Sử dụng các nề tảng có sẵn và sử dụng các thư viện mở để phát triển sản phẩm. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong đề tài này em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu: – Phương pháp tham khảo tài liệu: thu thập thông tin từ nhiều nguồn sách, báo, tạp chí, và cổng thông tin điện tử. – Phương pháp quan sát: Đi khảo sát thực tế những nơi áp dụng hệ thống tưới cây tự động, tưới cây tự động sử dụng arduino – Phương pháp thực hành: Tiến hành thiết kế và thi công hệ thống để kiểm tra tính thực tế để có những cải tiến phù hợp. 5. Dự kiến kết quả Dự kiến kết quả hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino sẽ có các tính năng: – Cảm biến độ ẩm đất làm tín hiệu chủ động để hệ thống hoạt động. – Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ giúp em có nhiều kinh nghiệm để sau khi em tốt nghiêp có đủ khả năng nghiên cứu phát triển thành một hệ thống có nhiều ứng dụng hơn, đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn hơn từ đó có thể giúp con người càng càng có cuộc sống hiện đại hơn tiết kiệm sức lao động của con người 2
4. CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. KHÁI QUÁT VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 1.2. THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI 1.3. KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƢỚI NƢỚC TỰ ĐỘNG Thiết kế hệ thông tưới cây tự động đòi hỏi phải có một số thông tin về các vật tư thiết bị, về bộ vi xử lí, các bộ cảm biến, bộ điều khiển đóng cắt Vậy nên việc đặt ra bài toán thiết kế là rất cần thiết. 1.3.1. Tổng quan về thiết kế một hệ thống tƣới. 1.3.2. Thiết kế hệ thống tƣới. 1.4 . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ARDUINO 1.5. BOARD ARDUINO UNO R3 Khi nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình hay nghiên cứu chế tạo thì dòng đầu tiên mà người ta thường tìm hiểu đó chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3). Mọi người sử dụng Arduino Uno R3 để phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu của mình hơn là các dòng Arduino khác vì dòng Arduino Uno R3 có kích thước nhỏ gọn, đầy đủ tính năng và rất dễ sử dụng đối với những người mới tiếp cận về lập trình. Hình 1.4. Board Arduino uno r3 1.6. LCD 1602 LCD 1602 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu. 3
5. Hình 1.9. LCD 1602 1.7. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT Cảm biến độ ẩm đất bao gồm hai thành phần. Một thành phần có hai đầu dùng để cắm vào đất hoặc bất cứ nơi nào khác cần đo hàm lượng nước. Phía trên của thành phần này có 2 chân kết nối với mạch khuếch đại dùng để kết nối với Arduino. Hình 1.10. Cảm biến độ ẩm đất 1.8. GIỚI THIỆU VỀ MODULE RELAY 1 KÊNH 5V Relay hình 1.12 là thiết được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống và trong các thiết bị đièu khiển điện tử. – Cấu tạo relay gồm 2 phần: + Cuộn hút: tạo ra năng lượng từ trường để hút các tiếp điểm về mình. + Cặp tiếp điểm: khi không cấp điện tiếp điểm 1 được tiếp xúc tiếp điểm 2 (tiếp điểm thường đóng). Khi cấp điện tiếp điểm 1 bị hút chuyển sang tiếp điểm 3 (tiếp điểm thường mở). 4
6. Hình 1.12. Hình ảnh và sơ đồ của modulee relay 5 1.9. MẠCH CHUYỂN ĐỔI I2C CHO LCD 1.10. MÁY BƠM NƢỚC MINI 3V-5V DC Hình 1.16. Máy Bơm Nước Mini 3V-5V DC Máy bơm nước mini 3v - 5V DC được sử dụng trong các ứng dụng bơm mini công suất nhỏ như bơm bể cá, bơm thí nghiệm,  Thông số kỹ thuật Máy bơm nƣớc mini 3V - 5V DC – Nguồn sử dụng: DC 3 - 5V – Dòng tiêu thụ: 100 - 200mA – Mức đẩy tối đa: 0.3 - 0.8 mét – Công suất bơm: 1.2 - 1.6L/ phút – Trọng lượng: 28 gram 5
7. 1.11. ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO. 1.12. NGUỒN SỬ DỤNG Hình 1.18. Adapter 9V 2A 6
8. CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC 2.1. MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ Trong đề tài này, hệ thống tưới cây tự động hoạt động như sau: Cảm biến độ ẩm đất sẽ đóng vai trò trực tiếp tiếp nhận tín hiện gửi về bộ phận điều khiển bằng cách cắm trực tiếp xuống đất để lấy thông tin. Phần mềm được lập trình trong board arduino uno r3, đặt ra các điều kiện điều khiển cho hệ thống, giá trị thay đổi độ ẩm được nhận biết qua các cảm biến giá trị của cảm biến đó sẽ đưa về bộ điều khiển so sánh với các giá trị cài đặt qua bộ điều khiển. Bộ điều khiển xử lí đưa ra các tín hiệu điều khiển sang bộ biến đổi để thực hiện việc điều khiển động cơ hoạt động hợp lí. Động cơ hoạt động sẽ đưa nước tới các téc phun tưới cây đảm bảo việc chăm sóc các cây trồng phát triển tốt. Hệ thống làm việc liên tục khoa học tránh các thao tác thừa khi điều khiển động cơ. Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống. 2.2. YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG 2.2.1. Yêu cầu về chức năng 2.2.2. Yêu cầu phi chức năng 7
9. CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆ THỐNG Hệ thống tưới tự động cho máy bơm nước tự động được biểu diễn trên hình 3.1 như sau: Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống 3.2. THIẾT KẾ Hình 3.2. Sơ đồ mạch 3.2.1. Phƣơng án thiết kế Trong mạch chủ yếu là dùng các module nên chọn phương án là kết nối dây. Điều kiện hoạt động ngoài trời, chụi tác động của môi trường xung quanh như nhiệt độ độ ẩm và các tác nhân vật lí làm hư hỏng, không đảm bảo cho mạch hoạt động ổn định nên cần có một lớp bảo vệ bên ngoài để tránh các tác nhân trên. 8
10. 3.2.2. Thiết kế mô hình Yêu cầu đặt ra: – Hình dạng vùng tưới: Hình chữ nhật – Diện tích vùng tưới; 500mm2 – Loại cây trồng: Cây cỏ voi – Nhu cầu nước của cây cỏ voi: cây cần nhiều nước phát triển tốt ở điều độ ẩm cao. Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào khác hơn là phải đo đạc. Khoảng cách giữ các cây cũng là yếu tố tạo nên chất lượng yêu cầu đề ra. Khoảng cách cũng tạo ra sự chênh lệch lượng nước tới nếu không đều chênh lệch cũng cao tạo sản phẩm kém. Với diện tích to quy hoạch lớn chúng ta nên đo chính xác vừa đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm. 3.3. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM 9
11. CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1. THI CÔNG MẠCH  Chuẩn bị: Bảng 4.1. Các module và linh kiện cần chuẩn bị Arduino Uno R3 Dây cắm Rào Cái Đơn Chân Thẳng 1x40 Chân (Female Pin Header) Cảm biến độ ẩm đất Biến trở LCD1602 Xanh Lá 10
12. Mạch Chuyển Giao Tiếp I2C Mạch 1 Relay Opto Chọn Mức Kích High/Low (5/12/24VDC) Động Cơ Bơm Chìm Mini Water Pump 5VDC Ống Mềm Silicone Tube 8x6mm (1 mét) Nguồn Power Adaptor AC- DC 9V 2A Hộp điện kĩ thuật 8*8 11
13.  Tiến hành: Bước 1: Nạp code cho arduino. Bước 2: Kết nối dây theo sơ đồ. Bước 3: Cấp nguồn kiểm tra mạch Bước 4: Hoàn thiện, bảo vệ mạch bằng hộp điện kĩ thuật. Hình 4.1. Mạch hoàn chỉnh đã đưa vào hộp điện kĩ thuật 4.2. THI CÔNG MÔ HÌNH  Chuẩn bị: Bảng 4.2. Chuẩn bị các dụng cụ và vật liệu thi công mô hình STT Tên dụng cụ Hình ảnh mô tả 1 Thùng xốp 20*30 Ống Mềm Silicone 2 Tube 8x6mm (1 mét) 12
14. 3 Dây thép 2 ly 4 Dây rút 1 tấc 5 Dao dọc giấy 6 Kìm mỏ nhọn 7 Keo nến 13
15. Hình 4.2. Hệ thống hoàn thành 14
16. KẾT LUẬN Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: Thiết kế hệ thống tƣới cây tự động sử dụng arduino em đã thiết kế và xây dựng được hệ thống tưới cây tự động mà động cơ hoạt động sẽ đưa nước tới các téc phun tưới cây đảm bảo việc chăm sóc các cây trồng phát triển tốt. Hệ thống làm việc liên tục khoa học tránh các thao tác thừa khi điều khiển động cơ. Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống. Trong quá trình thực hiện, lập trình cho mạch độ ẩm gặp phải nhiều khó khăn khác nhau như: do phải nghiên cứu nhiều tài liệu nước ngoài, datasheets, dẫn đến nhiều chỗ dịch sai, dịch nhầm dẫn đến áp dụng các hàm, câu lệnh bị sai ý nghĩa, cấu trúc , trong quá trình viết code gặp phải nhiều lỗi phát sinh mà không tìm ngay ra nguyên nhân cần đầu tư thời gian để giải quyết, nhiều linh kiện rất khó để tìm được thư viện chuẩn để lập trình Quá trình lắp mạch cũng gặp phải những khó khăn nhất định tuy nhiên em đã cố gắng giải quyết được vấn đề phát sinh để hoàn thành được đề tài. Do thời gian có hạn việc thiết kế hệ thống của em vẫn còn nhiều sai sót. Hệ thống vẫn chưa tối ưu. Phát triển các dữ liệu trên máy tính chưa phát huy được hết các tính năng tốt nhất. Em rất mong được sự ủng hộ và giúp đỡ của thầy giáo để đề tài chúng em thực hiện được hoàn thiện hơn và có thêm nhiều cải tiến đáng kể và ứng dụng tốt hơn vào thực tiễn.  Hƣớng phát triển của đề tài 1. Đo và thông báo đƣợc các thông số về môi trƣờng xung quanh – Đo được thông số độ ẩm của môi trường xung quanh – Đo các thông số nhiệt độ của thời tiết địa phương. – Đưa các thông tin đo lên thẻ nhớ dữ liệu thông báo việc tưới tiêu. 15
17. 2. Phát triển giao diện giám sát mô phỏng trên phần mềm C#. – Phát triển lập trình qua cổng COM lập trình trên arduino – Thêm phần điều khiển động cơ bơm, trực tiếp giao diện C#. – 16