Đồ án thiết kế hệ thống giám sát ao tôm

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI :Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát hoạt động ao nuôi tôm sử dụng lƣợng mặt trời Giáo viên hƣớng dẫn: TS Nguyễn Anh Tú Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Hà Đào Xuân Hảo Lớp - 2018604613 : ĐH Cơ điện tử 02_k13 Hà Nội : 2022 2018604897 Mục lục Mục lục Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI Chƣơng Tổng quan hệ thống giám sát ao tôm 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng Cơ sở thiết kế hệ thống giám sát ao tôm 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 10 2.2.1 Pin lƣợng mặt trời .10 2.2.2 Cảm biến đo độ pH 11 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển 11 2.4 Phƣơng pháp đo độ PH nồng độ ô xy nƣớc 16 2.4.1 Phƣơng pháp đo nồng độ pH .16 2.4.2 Đo nồng độ oxi nƣớc( DO ) .18 2.5 Hệ thống chuyển đổi điện từ lƣợng mặt trời 19 2.5.1 Hệ thống điện mặt trời 19 2.5.2 Cấu tạo hệ thống điện mặt trời 20 2.5.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống điện lƣợng mặt trời .21 Chƣơng Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống 22 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống 22 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống khí 22 3.3 Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển .24 3.4 Chế tạo, thử nghiệm đánh giá hệ thống .24 Danh mục hình ảnh Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống .9 Hình 2.2: Pin lƣợng mặt trời .10 Hình 2.3: Cảm biến đo độ pH 11 Hình 2.4: Arduino uno 12 Hình 2.5: Sơ đồ mạch arduino uno Error! Bookmark not defined Hình 2.6: LCD 16*2 13 Hình 2.7:Modun chuyển đổi i2c 14 Hình 2.8: Relay 15 Hình 2.9: Sơ đồ chân relay 15 Hình 2.10: Cảm biến đo pH 18 Hình 2.11: Pin lƣợng mặt trời .20 Hình 3.1: Mặt bên bể 22 Hình 3.2: Mặt đáy bể 23 Hình 3.3: Bể hồn thành 23 Danh mục bảng biểu BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNGĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆPHÀNỘI CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Hà Đào Xuân Hảo Mã SV: 2018604897 Mã SV: 2018604613 Lớp: Cơ điện tử Khóa: 13 Lớp: Cơ điện tử Khóa: 13 Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống giám sát hoạt động ao nuôi tôm sử dụng lƣợng mặt trời Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu yêu cầu sinh học ao nuôi tôm; - Nghiên cứu phƣơng pháp cảm biến đo pH oxy môi trƣờng nƣớc; - Nghiên cứu hệ thống chuyển đổi lƣợng điện từ lƣợng mặt trời; - Thiết kế, chế tạo mơ hình hệ thống giám sát hoạt động ao nuôi tôm sử dụng lƣợng mặt trời Kết dự kiến: - Báo cáo thuyết minh tổng hợp đề tài; - Bản vẽ hệ thống khí vẽ hệ thống điều khiển; - Chế tạo mơ hình hệ thống giám sát hoạt động ao nuôi tôm sử dụng lƣợng mặt trời Thời gian thực hiện: từ 21/03/2022 đến 22/05/2022 GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN TS Nguyễn Anh Tú TRƢỞNG KHOA PGS.TS Hoàng Tiến Dũng Chƣơng Tổng quan hệ thống giám sát ao tôm 1.1 Giới thiệu đề tài Ngành nuôi tôm thủy sản Việt Nam gần có bƣớc phát triển vƣợt bậc thơng tin đáng mừng: Chính phủ định tôm nƣớc lợ sản phẩm quốc gia kế hoạch đạt 10 tỷ USD xuất tôm vào năm 2025 Tuy nhiên, thời gian qua, nƣớc ta xảy số cố ảnh hƣởng đến môi trƣờng nƣớc nuôi thủy sản, gây nhiều thiệt hại Môi trƣờng nƣớc ô nhiễm tạo điều kiện thuận lợi cho dịch bệnh phát sinh Vào năm 2012, nƣớc có 100.000 ni tơm bị dịch bệnh (gần 15% diện tích ni tơm) Trong năm 2014, 2015, tổng diện tích ni tơm nƣớc lợ bị thiệt hại vào khoảng 50.000 Nguyên nhân thời tiết biến đổi, nắng nóng kéo dài dẫn đến thiếu nƣớc, nhiệt độ tăng độ mặn cao làm tôm bị suy yếu, tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển gây bệnh; mầm bệnh lƣu hành rộng rãi; yếu tố đầu vào nhƣ tơm giống, hóa chất dùng xử lý cải tạo môi trƣờng, chế phẩm sinh học chất lƣợng không đảm bảo Nuôi tôm nuôi nƣớc Để nuôi tôm thành công, cần đảm bảo hàng loạt tiêu chất lƣợng nƣớc nhƣ: nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, TAN, NH3, Nitrit, H2S, độ kiềm, độ mặn, nồng độ khoáng chất, nồng độ nitrat, nồng độ phốt pho, mật độ vi khuẩn, mật độ tảo,…phải nằm ngƣỡng cho phép Chỉ cần số tiêu vƣợt khỏi ngƣỡng tơm bị ảnh hƣởng, chậm lớn, giảm sức đề kháng, nhiễm bệnh chết Do vậy, việc kiểm soát tất tiêu chất lƣợng nƣớc để kịp thời xử lý nhằm đảm bảo chúng nằm ngƣỡng cho phép quan trọng Chính thế, có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề hệ thống giám sát nuôi tôm V ới thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát ao tơm” mang tính ứng dụng cao, nhằm mục đích phát kịp thời cảnh báo điều kiện ao tôm không đảm bảo giúp ngƣời nuôi đạt đƣợc suất cao hạn chế rủi ro 1.2 Mục đích nghiên cứu  Tạo thiết bị giám sát độ pH ao  Thiết bị có khả tạo bọt khí theo thời gian thực  Đo oxi hòa tan (DO)  Hệ thống sử dụng pin mặt trời Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 1.3 Đối tƣợng nghiên cứu: -  Hoạt động cảm biến đo pH , đo oxi  Hoạt đơng đóng ngắt relay  Gửi liệu hiển thị lên LCD  Cách điều khiển động - Phạm vi nghiên cứu:  Sử dụng Arduino để lập trình  Khơng kết nối đƣợc với thiết bị ngoại vi  Đề tài thực mô hình ni tơm giả định 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan ảnh hƣởng thông số môi trƣờng đến phát triển thủy sản, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia ngƣỡng thơng số ao ni tơm Nghiên cứu tìm hiểu cảm biến pH, nồng độ DO; vi điều khiển, module truyền liệu không dây để làm sở cho việc lựa chọn thiết bị hệ thống giám sát, cảnh báo Sử dụng phƣơng pháp đồ họa kết hợp với phần mềm (cad, proteus, altium designer ) để thiết kế mạch nguyên lý, mạch in, lập trình chƣơng trình điều khiển, cảnh báo lƣu trữ liệu Phƣơng pháp thực nghiệm đƣợc áp dụng để thử nghiệm, đánh giá quy trình hoạt động hệ thống; độ xác thông số pH, nồng độ DO mà hệ thống đo đƣợc độ tin cậy tín hiệu cảnh báo thông số vƣợt ngƣỡng cho phép Chƣơng Cơ sở thiết kế hệ thống giám sát ao tôm 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Động Năng lƣợng mặt trời Vi điều Cảnh báo khiển Màn hình LCD Cảm biến đo pH , oxi hịa tan Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 10 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Pin lƣợng mặt trời Hình 2.2: Pin lượng mặt trời THƠNG SỐ KỸ THUẬT Cơng suất pin NL mặt trời Điện áp danh định Dòng danh định Điện áp hở mạch Dịng hở mạch Kích thƣớt Cấu tạo pin mặt trời P Vmp Imp Voc Isc mm 15W 12V 0.83A 20,8V 0.86 A 390*350*17 - Kính cƣờng lực & Khung nhôm 11 2.2.2 Cảm biến đo độ pH Hình 2.3: Cảm biến đo độ pH Thơng số kĩ thuật + Cơng suất mơ-đun: 5.00V + Kích thƣớc mô-đun: 43*32mm + Phạm Vi đo: - 14PH + Nhiệt độ đo: - 80 ° C + Độ xác: ± 0,1ph (25 ° C) + Thời gian đáp ứng: ≤ phút + Cảm biến PH với đầu nối BNC 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển a Arduino uno - Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà ngƣời ta thƣờng nói tới dịng Arduino UNO) Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản nhƣ điều khiển đèn LED nhấp nháy, 12 xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm, đo tốc độ động hiển thị lên hình LCD,… Hình 2.4: Arduino uno Thông số kĩ thuật Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật 13 d Các thiết bị điện , điện tử khác : LCD 162: - Thiết bị hiển thị LCD 162 đƣợc dùng nhiều ứng dụng vi điều khiển LCD 162 có nhiều ƣu điểm so với thiết bị khác nhƣ: khả hển thị kí tự da dạng đƣa vào mạch ứng dùng nhiều giao thức giao tiếp khác dễ dàng, tiêu tốn tài nguyên hệ thống , giá thành rẻ, … Hình 2.5: LCD 16*2 - Chức chân LCD 162: - Chân số - VSS : chân nối đất cho LCD đƣợc nối với GND mạch điều khiển - Chân số - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, đƣợc nối với VCC=5V mạch điều khiển - Chân số - VE : điều chỉnh độ tƣơng phản LCD - Chân số - RS : chân chọn ghi, đƣợc nối với logic "0" logic "1": - Chân số - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), đƣợc nối với logic “0” để ghi nối với logic “1” đọc - Chân số - EN : chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đƣợc đặt lên bus DB0-DB7, lệnh đƣợc chấp nhận có xung cho phép 14 - Chân số đến 14 - D0 đến D7: đƣờng bus liệu dùng để trao đổi thông tin với MPUChân số 15 - A : nguồn dƣơng cho đèn - Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn Modun chuyển đổi i2c giao tiếp LCD : Hình 2.6:Modun chuyển đổi i2c Mục đích sử dụng : Chuyển đổi giao tiếp vi điều khiển LCD Thơng số kĩ thuật : - Kích thƣớc: 41.5mm(L)X19mm(W)X15.3MM(H) - Trọng lƣợng : 5g - Điện áp hoạt động ; 2.5v-6v Relay Rơle (relay) chuyển mạch hoạt động điện Dòng điện chạy qua cuộn dây rơle tạo từ trƣờng hút lõi sắt non làm thay đổi cơng tắc chuyển mạch Dịng điện qua cuộn dây đƣợc bật tắt rơle có hai vị trí chuyển mạch qua lại Nó cơng tắc có trạng thái ON OFF Rơ le trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dịng điện chạy qua rơ le hay khơng 15 Hình 2.7: Relay Thơng số kỹ thuật: Điện áp điều khiển: 12V Dòng điện cực đại: 10A Thời gian tác động: 10ms Thời gian nhả hãm: 5ms Nhiệt độ hoạt động: -45 ~ 75 độ C Sơ đồ chân: Hình 2.8: Sơ đồ chân relay 16 Chân chân đƣợc nối vào cuộn hút, có điện vào cuộn hút hút tiếp điểm chuyển từ vị trí xuống tiếp điểm Chân 3: đặt điện áp (nếu loại Relay 12V đặt 12V DC vào đây) Chân 4, chân 5: tiếp điểm - Ứng dụng rờ-le:  Rờ-le đƣợc dùng thông dụng ứng dụng điều khiển động chiếu sáng  Khi cần đóng ngắt nguồn lƣợng lớn, rờ-le thƣờng đƣợc ghép nối tiếp Nghĩa rờ-le nhỏ điều khiển rờ-le lớn hơn, rơ-le lớn điều khiển nguồn công suất 2.4 Phƣơng pháp đo độ PH nồng độ ô xy nƣớc 2.4.1 Phƣơng pháp đo nồng độ pH Ảnh hƣởng pH đến ao nuôi tôm (hệ sinh thái ao sức khỏe tôm) * Hệ sinh thái ao - Khi pH cao (mang tính bazo) thƣờng làm nƣớc, khó gây màu thủy sinh vật đáy phát triển tạo biến động pH ngày lớn Nguồn nƣớc không phù hợp cho ni tơm, cần hạ pH xuống mức 7,5-8 phù hợp cho tôm nuôi - pH thấp (mang tính axit) ảnh hƣởng đến tảo vi sinh vật nƣớc Ngồi ra, pH cịn thấp nƣớc bị nhiễm phèn, sụp tảo trình phân hủy vật chất hữu nƣớc - Tảo quang hợp phát triển mạnh gây dao động pH điều cho thấy môi trƣờng bị phú dƣỡng thành phần loài tảo thay đổi theo chiều hƣớng khơng tốt (ví dụ: ao bị tảo lam thƣờng có pH cao) * Đối với sức khỏe tôm: 17 - Khi pH vƣợt ngƣỡng có ảnh hƣởng bất lợi tôm nhƣ làm tôm chậm lột, suy giảm miễn dịch, stress - Mất cân áp suất thẩm thấu - Khi nuôi tôm giai đoạn lột vỏ, pH giảm thấp dễ gây tƣợng tôm dính chân khơng lột đƣợc khỏi vỏ pH biến đổi ảnh hƣởng đến q trình tiêu hóa tơm khiến tơm cịi cọc, khơng lớn suy giảm hệ miễn dịch dễ nhiễm mầm bệnh tồn ao - Suy giảm khả trao đổi khí mang, làm tôm ngạt đầu - Làm chậm khơng liên tục q trình trao đổi chất, ảnh hƣởng đến tiêu hóa - Làm biến đổi độc tính chất khác nƣớc, đặc biệt loại khí độc NH3, NO2, H2S,…dễ bùng phát ảnh hƣởng cho tôm - pH tăng cao làm nồng độ khí độc NH3 nƣớc tăng cao, pH giảm thấp làm bùng phát khí độc H2S ao Hai loại khí độc nguy hiểm ảnh hƣởng đến tôm nuôi nhiều Phƣơng pháp đo nồng độ pH Máy đo pH đƣợc dùng để đo nồng độ axit tính kiểm dung dịch, chất lỏng Nguyên lý hoạt động máy đo pH để xác định nồng độ ion hydro Axit hịa tan nƣớc tạo thành ion hydro tích điện dƣơng (H +) Nồng độ ion hydro lớn tính axit lớn Cũng tƣơng tự: Kiềm bazơ hòa tan nƣớc tạo thành ion hydro âm (OH-) Khi nồng độ mạnh, nồng độ ion hydro tích điện âm cao 18 Hình 2.9: Cảm biến đo pH Khi độ pH=7 chứng tỏ dung dịch có tính trung hịa Giá trị pH dƣới cho biết dung dịch có tính axit Độ pH lớn dung dịch có tình kiềm 2.4.2 Đo nồng độ oxi nƣớc( DO ) Ảnh hƣởng Oxi đến ao ni tơm Ơxy hịa tan (cịn đƣợc gọi tắt DO) lƣợng dƣỡng khí oxy tinh khiết hòa tan nƣớc, nồng độ oxy cần thiết cho hô hấp trao đổi sinh vật dƣới nƣớc nhƣ cá, tôm, Nồng độ oxy yếu tố quan trọng cho việc trì sống sinh vật sống mơi trƣờng nƣớc Nồng độ DO nƣớc đƣợc tạo hịa tan khơng khí tảo Khi nồng độ DO thấp dẫn đến tƣợng khó hơ hấp, giảm hoạt động tơm gây chết cho loài sinh vật sống dƣới nƣớc Nồng độ DO tự nhiên khoảng 19 từ 8-10ppm mức độ dao động phụ thuộc vào nhiệt độ, phân hủy hóa chất số tác nhân khác Nguyên lí hoạt động cảm biến đo oxi hịa tan (DO) Với máy thơng thƣờng thực tế, để đo đƣợc lƣợng oxy hịa tan cần đo áp suất riêng oxy nƣớc Máy phản ứng với cực âm để tạo đƣợc dòng điện Khi có nhiều oxy khuếch tán nƣớc áp suất nƣớc cao Từ đó, nhờ kết hợp đo dòng điện áp suất quy đổi đƣợc sang nồng độ mẫu Máy quang đo áp dụng nguyên lý hoạt động ánh sáng đƣợc hấp thụ từ xạ Mỗi xạ phát phụ thuộc vào nồng độ khác Máy đo oxy thêm thuốc thử vào mẫu nƣớc để chúng phản ứng với trƣớc Sau đó, hệ thống quang học hoạt động để đo độ phản ứng Sau quy đổi nồng độ 2.5 Hệ thống chuyển đổi điện từ lƣợng mặt trời 2.5.1 Hệ thống điện mặt trời Hệ thống điện mặt trời hệ thống có tác dụng biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện thông qua pin mặt trời Năng lƣợng mặt trời cung cấp nguồn lƣợng vơ hạn, khơng sinh khí thải CO2 đặc biệt khơng chi phí sử dụng, nguồn lƣợng tái tạo vô sạch, đáng tin cậy mang lại nhiều giá trị cho ngƣời 20 Hình 2.10: Pin lượng mặt trời 2.5.2 - Cấu tạo hệ thống điện mặt trời Các thành phần bao gồm: Các pin mặt trời, Biến tần, sạc lƣợng mặt trời, ắc quy lƣu trữ:  Pin mặt trời: thành phần pin mặt trời silic tinh khiết – có chứa bề mặt số lƣợng lớn cảm biến ánh sáng điốt quang có nhiệm vụ thu nhận chuyển hóa lƣợng mặt trời thành điện năng, sau cung cấp nguồn điện cho hệ thống hoạt động  Biến tần: có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện chiều DC pin mặt trời sang điện xoay chiều AC  Sạc lƣợng mặt trời: Có nhiệm vụ đảm bảo sạc lƣợng từ pin mặt trời sang hệ thống ắc quy 21  Ắc quy lƣu trữ: Vì điện mặt trời không đƣợc sản xuất liên tục thời gian chiếu sáng cố định, bình ắc quy đƣợc sử dụng để lƣu trữ nguồn điện Khi điện lƣới bị hệ thống điện mặt trời khơng sản xuất điện bình ắc quy lƣu trữ cung cấp cho tải tiêu thụ từ hệ thống điện lƣới 2.5.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống điện lƣợng mặt trời Nhìn vào cấu tạo ta thấy chế hoạt động hệ thống điện lƣợng mặt trời dựa hiệu ứng quang điện vật lý học Hệ thống pin lƣợng mặt trời đƣợc lắp lên mái nhà vị trí có nhiều ánh sáng mặt trời nhiều Những pin có tác dụng hấp thu photon ánh sáng mặt trời sản sinh thành dòng điện chiều Dịng điện chiều thơng qua chuyển đổi chuyển dòng điện chiều thành dòng điện xoay chiều Dịng điện xoay chiều có cơng suất tần số với điện hịa lƣới Tiếp đến, hệ thống sử dụng sạc lƣợng mặt trời để sạc đầy ắc quy lƣu trữ, hòa vào mạng lƣới điện nhà nƣớc Từ đó, hai nguồn điện lúc cung cấp điện cho tải tiêu thụ Tuy nhiên hệ thống tự động ƣu tiên sử dụng nguồn điện mặt trời hệ thống điện mặt trời không sản sinh cung cấp đủ nguồn điện sử dụng chuyển sang sử dụng nguồn điện lƣới 22 Chƣơng Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống khí - Bể đƣợc làm mica dày 3mm Hình 3.1: Mặt bên bể 22 23 Hình 3.2: Mặt đáy bể Hình 3.3: Bể hồn thành 23 24 3.3 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 3.4 Chế tạo, thử nghiệm đánh giá hệ thống 24 ... trời .21 Chƣơng Thiết kế chế tạo thử nghiệm hệ thống 22 3.1 Thiết kế tổng thể hệ thống 22 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống khí 22 3.3 Tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển... thống giám sát nuôi tôm V ới thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu nghiên cứu đề tài ? ?Thiết kế hệ thống giám sát ao tôm? ?? mang tính ứng dụng cao, nhằm mục đích phát kịp thời cảnh báo điều kiện ao tôm. .. nghiên cứu 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng Cơ sở thiết kế hệ thống giám sát ao tôm 2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 10 2.2.1