ĐỐ ÁN I THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ KÍNH NÔNG NGHIỆP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-THÔNG TIN ĐỐ ÁN I THIẾT KẾ MƠ HÌNH NHÀ KÍNH NƠNG NGHIỆP Cán hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: TS Lê Thị Thuý Nga Phạm Tiến Nam Anh_K22E Ngô Thành Đạt_K22E (NT) Lê Nho Duy_K22E Tạ Thái Duy_K22E Đỗ Tiến Dũng_K22E Hà Nội_2021 Đồ án I LỜI NÓI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát tri ển, vi ều ển AVR vi điều khiển PIC ngày thơng dụng hồn thiện Nhưng có th ể nói s ự xuất Arduino vào năm 2005 Italia mở hướng cho vi điều khiển Sự xuất Arduino hỗ trợ cho người nhiều lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tịi v ề vi ều khiển mà khơng có q nhiều kiến thức, hiểu biết sâu s ắc v ề v ật lý ện t Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã ngu ồn mở Ngơn ngữ lập trình Java lại vơ dễ sử dụng tương thích v ới ngơn ngữ C/C++ hệ thống thư viện phong phú chia sẻ mi ễn phí Chính lý nên Arduino dần phổ bi ến phát triển ngày mạnh mẽ toàn gi ới Trong đề tài này, chúng em thi ết kế hệ thống tưới tự động dựa nguyên lý hoạt động có ều ki ện xây dựng với trung tâm Arduino UNO R3 (một lo ại Board Arduino), chi phí thấp, thiết kế đơn giản, có ứng dụng rộng rãi từ mơ hình nh ỏ đơn giản đến mơ hình lớn phức tạp GVHD: TS Lê Thị Th Nga Trang Đồ án I LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này, nhóm em xin cảm ơn đến TS Lê Thị Thuý Nga giúp đỡ cho chúng em suốt q trình hồn thành đồ án Giúp chúng em hiểu rõ mạch Arduino, cách thiết kế mạch, chạy code hay biết nhiều ứng dụng hay mạch Arduino Ngồi ra, nhờ hướng dẫn nên chúng em hoàn thành báo cáo , hiểu số q trình làm cơng đoạn thiết kế, mô phỏng, sơ đồ nguyên lý hoạt động tính chất cụ thể linh kiện Qua giúp chúng em tiến có bước đầu hiểu mạch điện tử Thơng qua đồ án, chúng em tích lũy học kinh nghiệm thực tế có cho việc học tập công việc chúng em sau Bên cạnh cịn có nhiều mặt hạn chế lần đầu tiếp xúc với linh kiện điện tử thực tế kỹ yếu nên dẫn đến sản phẩm nhiều khuyết điểm, mông cô thông cảm bỏ qua cho chúng em Một lần nhóm chúng em xin chân thành cảm đến cô TS Lê Thị Thuý Nga giúp đỡ nhóm em hồn thành đồ án GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu đề tài CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1 Arduino UNO R3 2.1.1 Các thông số Arduino UNO R3 2.1.2 Vi điều khiển .6 2.1.3 Các chân Arduino .6 2.1.4 Lập trình cho Arduino .7 2.2 Cảm biến độ ẩm module chuyển đổi 2.3 Module 5VDC kênh 2.4 Động bơm 12V 10 2.5 Màn hình LCD 20x4 11 2.6 Điện trở 220Ω Led 11 2.7 Bộ nguồn nhiều ngõ .12 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Phần mềm mô Proteus 13 3.2 Thư viện Arduino cho Proteus 14 3.3 Arduino IDE lập trình cho Arduino 15 3.4 Mô hệ thống 16 3.4.1 Mô mạch nguyên lý Proteus 16 3.4.2 Nguyên lý hoạt động 16 GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I 3.4.3 Lưu đồ thuật toán .17 3.4.4 Viết code cho chương trình arduino 17 CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 4.1 Nhận xét 19 4.2 Kết luận .19 TÀI LIỆU THAM KHẢO .20 GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình Hình dáng bên Arduino Hình Thơng số Arduino Hình Cảm biến độ ẩm Hình Module relay 5VDC kênh Hình Động bơm 12V 10 Hình Màn hình LCD 20x4 11 Hình Điện trở 220Ω 11 Hình Led 12 Hình Bộ nguồn nhiều ngõ 12 Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.9 13 Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus 14 Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE 15 Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 16 Hình 14 Lưu đồ thuật toán 17 GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thực tế sống ngày bận rộn, nhi ều người có thú vui trồng cảnh, vườn rau khơng gian tr ống nhà sân thượng, ban công Tuy nhiên, lúc bạn bận cơng việc ngày cảnh vườn hoa nhà không tưới n ước Ngồi phương pháp tưới phổ thơng, tạo hệ th ống tưới tự động đơn giản cho khu vườn nhỏ chí mở rộng hệ th ống tưới cho khu vườn lớn 1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Mục tiêu đồ án thiết kế hệ th ống tưới tự đ ộng đ ơn gi ản v ới nguyên lý thông qua cảm biến độ ẩm đất để truyền tín hiệu đến trung tâm điều khiển (Arduino) với điều kiện độ ẩm đất nhỏ 70% máy bơm tự động vận hành động bơm tưới nước cho khu vườn độ ẩm đất đạt lớn 70% tự động ngắt Tất việc tự động di ễn trình cài đặt sẵn qua cảm bi ến đ ể ều ti ết vi ệc t ưới h ợp lí thời tiết cho khu vườn Với mơ hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế nên áp dụng rộng rãi vào sống thực tế GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1 ARDUINO UNO R3 (Thiết bị điều khiển)  Arduino board mạch vi điều khiển phát tri ển Arduino.cc, tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa vi ều ển AVR Atmega328P Với Arduino xây dựng ứng dụng ện tử tương tác với thông qua phần mền phần cứng hỗ trợ  Arduino thực gây sóng gió trường giới nhi ều năm qua với số lượng người dùng cực lớn đa dạng với trình đ ộ trải rộng từ bậc phổ thông đến bậc đại học  Arduino UNO R3 mạch Arduino sữ dụng phổ biến Hiện nay, dòng mạch phát triển đến hệ thứ (R3) Hình 1: Hình dáng bên ngồi Arduino UNO R3 2.1.1 Các thông số Arduino UNO R3 GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I Hình 2: Thơng số Arduino 2.1.2 Vi điều khiển  Arduino Uno xây dựng với phân nhân vi ều ển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi ều ển này, ta có 14 ngỏ ra/vào đánh số từ đến 13 Song song đó, ta có thêm ngỏ nhậ tín hiệu analog đánh ký hiệu từ A0 đến A5  Trên board cịn có nút reset, ngõ kết n ối v ới máy tính qua c USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn 2.1.3 Các chân Arduino  Các chân lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input), IOREF, RESET  Các cổng ra/vào: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu chân analog (A0 - A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit, để đọc giá trị điện áp khoảng 0V - 5V GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I 2.1.4 Lập trình cho Arduino  Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng Ngơn ngữ dựa ngơn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Wiring lại biến thể C/C++ Có người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C+ + tên gọi phổ biến ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C+ + phổ biến dễ học từ việc lập trình ta thiết kế mạch theo ý muốn vận hành cách hiệu tối ưu 2.2 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ MODULE CHUYỂN ĐỔI (Thiết bị đo lường cảm biến) Hình Cảm biến độ ẩm đất  Hai đầu đo cảm biến cắm vào đất để phát độ ẩm Dùng dây nối cảm biến module chuyển đổi Thông tin độ ẩm đất đọc gởi tới module chuyển đổi  Module chuyển đổi có cấu tạo gồm IC so sánh LM393, m ột bi ến trở, điện trở dán 100 Ohm tụ dán Biến trở có chức đ ịnh ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc từ cảm biến GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I  Đặc điểm: Điện áp hoạt động: 3.3V-5V Kích thước PCB: 3cm × 1.6cm Led báo hiệu o Led đỏ báo nguồn o Led xanh báo mức độ ẩm pin DO Mô tả pin module  Nguyên lý hoạt động cảm biến độ ẩm đất  Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, có thay đổi điện áp đầu vào IC LM393 Ic nhận biết có thay đổi đưa tín hiệu 0V để báo hiệu thay đổi th ế tính tốn để đọc độ ẩm đất GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I + Cảm biến độ ẩm đất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường sử dụng để phát độ ẩm đất + Khi độ ẩm đất vượt giá trị thiết lập, ngõ module D0 mức giá trị 0V + Ngõ D0 kết nối trực tiếp với vi điều khiển (Arduino,PIC,AVR,STM), để phát cao thấp, để phát độ ẩm đất + Đầu Analog AO kết nối với chuyển đổi ADC, có th ể nh ận giá trị xác độ ẩm đất 2.3 MODULE RELAY 5VDC KÊNH Hình Module relay 5VDC kênh  Relay Kênh gồm rơ le hoạt động điện áp 5VDC, chịu hiệu điện lên đến 250VAC 10A Relay kênh thiết kế chắn, khả cách điện tốt Trên module có sẵn mạch kích relay s dụng transistor IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn m ạch ều ển (vi điều khiển) với relay, bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định  Mạch relay kênh sử dụng chân kích mức thấp (0V), mức cao (5V) tùy thuộc vào chọn Jumper Ứng dụng với relay module nhiều bao gồm điện DC hay AC GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang Đồ án I Thông số kỹ thuật:  - Điện áp hoạt động: 5VDC - Tín hiệu kích: High (5V) Low (0V) chọn Jumper - Nguồn cấp: 5VDC - Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A 30VDC-10A - Kích thước: 52mm × 41mm × 19mm - Điện áp hoạt động: 5VDC - Có thể sử dụng relay để điều khiển thiết bị có cơng suất 30VDC10A 2.4 Điện áp kích mức thấp ĐỘNG CƠ BƠM 12V(Thiết bị động lực)  - 2.5 250VAC-10A Hình Động bơm 12V Thông số kỹ thuật: Máy bơm có điện áp: DC 12V Dịng tiêu thụ: 0.6-2A Cơng suất: 5-12W Lưu lượng bơm: 1-2 lít/phút Kích thước: 90×40×35 mm MÀN HÌNH LCD 20x4 (Màn hình hiển thị) GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 10 Đồ án I Hình Màn hình LCD 20x4  Thơng số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động 5V - Kích thước: 98 x 60 x 13.5 mm - Chữ trắng xanh dương/chữ đen xanh - Khoảng cách hai chân kết nối 0.1 inch ti ện dụng k ết n ối v ới - Breadboard Tên chân ghi mặt sau LCD hỗ trợ vi ệc kết n ối, - dây điện Có đèn led nền, dùng biến trở PWM ều chỉnh độ sáng đ ể sử dụng điện - Có thể điều khiển với dây tín hiệu 2.6 ĐIỆN TRỞ 220Ω VÀ LED  Điện trở 220V 2.7 Hình Điện trở  Led: Led hoạt động mức 1,8 đến 3V, dịng 10 đến 20mA Hình Led BỘ NGUỒN NHIỀU Hình Bộ NGÕ RA nguồn nhiều ngõ   220Ω Thông số kỹ thuật: Điện áp ngõ vào: AC 220V Điện áp ngõ ra: DC 3.3V, 5V, 9V, 12V Cường độ dòng điện: 1A Sử dụng nguồn DC 9V cấp cho Arduino UNO R3 qua jack cắm, s dụng nguồn DC 12V cấp cho động bơm GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 11 Đồ án I CHƯƠNG GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS Phần mềm Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, Proteus phần mềm mô mạch ện tử Labcenter Electronic, mô cho hầu hết linh ki ện ện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mô mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus phần mềm mô cho loại vi điều ển tốt, hỗ trợ dòng vi điều khiển PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11, giao ti ếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, cịn mơ mạch số, mạch tương tự GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 12 Đồ án I cách hiệu Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.9 3.2 THƯ VIỆN ARDUINO TRONG PROTEUS Thư viện Arduino bổ sung hay cho phần mềm Proteus, giúp cho việc mơ Arduino thuận tiện dễ dàng thay mơ chip Atmega328 (nhân Arduino), thư viện phát triển kỹ sư Cesar, Osaka, Daniel Cezar, Roberto Bauer đăng tải blog tiếng Bồ Đào Nha http://blogembarcado.blogspot.de/ Thư viện bao gồm linh kiện sau: GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 13 Đồ án I - Arduino UNO (Phiên chip Atmega328 chân DIP) - Arduino UNO (Phiên chip Atmega328 chân SMD) - Arduino mega - Arduino Lilypad - Arduino Nano - Cảm biến siêu âm Ultrasonic V2 - Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus 3.3 ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính thơng dụng mang l ại nhiều lợi cho Arduino, nhiên sức mạnh thực Arduino nằm phần mềm Mơi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu dựa tảng C/C++ quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng số lượng thư viện code viết sẵn chia cộng đồng nguồn mở lớn GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 14 Đồ án I Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Mơi trường lập trình cho Arduino IDE chạy ba tảng phổ biến hi ện Windows, Macintosh OSX Linux Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình hồn tồn miển phí mở rộng người dùng có kinh nghi ệm Ngơn ngữ lập trình mở rộng thơng qua thư viện C++ Và ngơn ngữ lập trình dựa tảng ngôn ngữ C AVR nên người dùng hồn tồn nhúng thê code viết AVR vào chương trình n ếu muốn Hiện tại, Arduino IDE download từ trang chủ http://arduino.cc/ 3.4 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.4.1 Mơ mạch nguyên lý Proteus GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 15 Đồ án I Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 3.4.2 Nguyên lý hoạt động: Giá trị độ ẩm đất nhận biết qua cảm biến độ ẩm đưa điều khiển Arduino UNO R3 tín hiệu Digital Khi đất khơng đủ độ ẩm (tức độ ẩm lúc nhỏ 70%) giá trị tín hiệu gửi cho vi điều khiển (Arduino), điều khiển đưa tín hiệu cho đóng Rơ-Le, lúc đèn sáng động máy bơm bắt đầu hoạt động bơm nước tưới vào chậu Khi đủ nước, độ ẩm cao, cảm biến gởi tín hiệu trung tâm vi điều khiển (Arduino), điều khiển đưa tín hiệu ngắt Rơ-Le, đèn tắt, máy bơm dừng hoạt động Led sáng có tác dụng báo tín hiệu độ ẩm đất khơng đủ, máy bơm hoạt động Led tắt có tác dụng báo tín hiệu độ ẩm đất đủ điều ki ện, máy bơm ngừng hoạt động GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 16 Đồ án I 3.4.3 Lưu đồ thuật tốn Hình 14 Lưu đồ thuật tốn 3.4.4 Viết code chương trình cho Arduino Khởi động phần mềm Arduino IDE soạn code Sau l ập trình xong, nhấn để biên dịch code sau vài giây phần mềm biên dịch cho ta file hex chương trình GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 17 Đồ án I Sau tạo file hex ta nạp file vào linh kiện Arduino proteus đ ể chạy mô hệ thống  Mã code hệ thống: #include LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); #define sensor A1 #define led 13 #define motor // void setup() { Serial.begin(9600); lcd.init(); pinMode(sensor, INPUT); pinMode(led, OUTPUT); pinMode(motor, OUTPUT); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print(" VUON TU DONG "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Do am dat: %"); } // void loop() { int value = analogRead(sensor); value = map(value, 0, 1023, 0, 100); lcd.setCursor(11, 1); lcd.print(value); if (value < 100) { lcd.setCursor(13, 1); lcd.print(' '); } else if (value < 10) { lcd.setCursor(12, 1); lcd.print(' '); } if (value > 70) { Serial.println("Do am binh thuong"); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print(" Do am dat ok "); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(" "); digitalWrite(led, LOW); digitalWrite(motor, LOW); GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 18 Đồ án I } else { Serial.println("Dat kho thieu nuoc"); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print(" Dat kho thieu nuoc "); digitalWrite(led, HIGH); digitalWrite(motor, HIGH); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(" MOTOR dang chay "); } } CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 4.1 Nhận xét Hệ thống mơ sau hồnh thành tạo thành sản phẩm thực tế sử dụng cho động bơm DC AC Công suất tối đa máy bơm có th ể dùng cho mạch 12W máy bơm DC 350W máy bơm AC - Ưu điểm: Mạch gọn nhẹ, mô chi tiết, đơn giản, sử dụng linh kiện có chi phí thấp, dễ lắp đặt sửa chữa Có tính ứng dụng cao - thực tế, Nhược điểm: Mạch cịn sơ sài, mơ đưa vào thực tế gặp nhiều sai sót, sử dụng cho tối đa máy bơm lúc 4.2 - Kết luận Hệ thống sau mô phần mền qua nhiều lần tối ưu nhiều lần khắc phục hoạt động ổn định, đáp ứng với yêu cầu - đồ án Với ưu nhược điểm nêu trên, ta nâng cấp sơ đồ mơ để tạo thành sản phẩm thực tế nhằm nâng cao tính khả thi hiệu - suất cho hệ thống sản phẩm Hệ thống mở rộng phát triễn rộng rãi áp dụng cho mơ hình trồng rau, cây, hoa cảnh hộ gia đình trang trại có quy mộ sản xuất diện rộng, GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 19 Đồ án I TÀI LIỆU THAM KHẢO Massimo Banzi (2009), Getting Started with Arduino, O’Reilly Media Michael Margollis and Nicholas Weldin (2009), Arduino Cookbook, O’Reilly Media GS Phạm Văn Ất (2009), Kĩ thuật lập trình C sở nâng cao, Nhà xuất Giao thông vân tải http://learning.grobotronics.com/2014/09/arduino-lesson-14-dc-motor-l293/ http://www.adafruit.com/ http://arduino.vn/ http://arduino.cc/ GVHD: TS Lê Thị Thuý Nga Trang 20