(Đồ án hcmute) thiết kế và thi công hồ cá đa năng sử dụng board ardunio mega 2560

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỒ CÁ ĐA NĂNG SỬ DỤNG BOARD ARDUINO MEGA 2560 GVHD: TS NGUYỄN THANH HẢI SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM - 12141197 HỒ MINH THÁI - 12141202 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chương KH ĐÀ TẠ CH T Ư NG C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỒ CÁ Đ NĂNG SỬ DỤNG BOARD ARDUINO MEGA 2560 SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM - 12141197 HỒ MINH THÁI - 12141202 Khóa: 12 Ngành: Ngành CNKT Điện Tử - Truyền Thông GVHD: TS NGUYỄN TH NH HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KH ĐÀ TẠ CH T Ư NG C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỒ CÁ Đ NĂNG SỬ DỤNG BOARD ARDUINO MEGA 2560 SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM - 12141197 HỒ MINH THÁI - 12141202 Khóa: 12 Ngành: Ngành CNKT Điện Tử - Truyền Thông GVHD: TS NGUYỄN TH NH HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an ỜI CẢM ƠN Nhóm thực đề tài “Thiết kế thi công hồ cá đa sử dụng board Arduino Mega 2560” xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM tận tình giảng dạy, hướng dẫn suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Những kiến thức, kinh nghiệm mà q thầy dạy giúp nhóm thực có tảng vững để hồn thành chương trình học đồ án tốt nghiệp cách tốt đẹp Nhóm xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Nguyễn Thanh Hải tận tình hướng dẫn, góp ý tạo điều kiện để nhóm thực hoàn thành đề tài cách tốt Đề tài thực với cẩn thận cố gắng nhóm khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong nhận góp ý q thầy để nhóm thực rút nhiều học kinh nghiệm quý báu qua đồ án Nhóm thực đề tài: Nguyễn Thành Tâm Hồ Minh Thái Trang i an TĨM TẮT Cơng nghệ kỹ thuật điện tử nói chung hay cơng nghệ khơng dây nói riêng ngày đóng vai trị quan trọng giúp người tạo sản phẩm mới, đa năng, đại hầu hết lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ, y tế, quốc phòng,… Dựa kiến thức học chương trình đào tạo ngồi sống thực tiễn, nhóm thực đề tài định nghiên cứu, thiết kế thi cơng mơ hình thu thập, giám sát thông số điều khiển thiết bị thơng qua hệ thống nút nhấn sóng điện thoại di động dành cho hồ ni cá Mơ hình hệ thống thiết kế có hai chương trình điều khiển tự động chương trình điều khiển tay tùy theo nhu cầu sử dụng người Để giải yêu cầu vấn đề mô hình, nhóm thực tiến hành xem xét phương pháp lựa chọn, tính tốn, thiết kế phần cứng mạch điện tử phần mềm hệ thống Về phần cứng, nhóm lựa chọn Board vi xử lí Arduino Mega 2560 làm trung tâm xử lý kết nối mạch cảm biến nhiệt độ nước độ pH, mạch thời gian thực DS1307, mạch giao tiếp từ xa Module Sim800L, mạch nút nhấn – hiển thị LCD mạch kích relay điều khiển thiết bị Bên cạnh đó, nhóm thiết kế mạch báo nguồn chuyển nguồn pin để dự phòng cho trường hợp điện hệ thống Về phần mềm, nhóm nghiên cứu thiết kế giao diện hiển thị hình LCD để người dùng giám sát thơng tin liệu điều khiển thiết bị Dữ liệu giám sát gồm có nhiệt độ nước, độ pH, hẹn bật tắt trạng thái hoạt động thiết bị Người dùng cịn tương tác với giao diện qua hệ thống nút nhấn để cài đặt chỉnh sửa hẹn bật tắt tự động thủ cơng thiết bị Ngồi ra, hệ thống lập trình tự động gửi tin nhắn điện thoại cảnh báo liệu cảm biến sau phát tín hiệu điều khiển cho thiết bị giúp kiểm sốt giá trị vượt ngưỡng Mơ hình đề tài sau hoàn thành đáp ứng phần lớn yêu cầu đề tính đa hệ thống nhiên mặt hạn chế chắn, ổn định, tính thẩm mỹ hiệu áp dụng thực tiễn Trang ii an ABSTRACT Electronic Technology in general and Wireless Technology in particular have been importantly contributing to help people create new, modern, multifunctional products in industry, agriculture, service, healthcare and military,… Based on knowledge achieved in study program and real life, our group decided to research, design and build a model that could collect, monitor data and control devices via buttons system and telephone system The model is specially designed for aquarium and to have both manual program and auto program depend on user’s demand To resolve the model’s requirements and problems, our group has considered some of the choices, computations, designs of our system’s electronic circuit and programs About electronic circuit, our group chose the Arduino Mega 2560 as the “central processing unit” connecting to sensors, IC DS1307, Module Sim800L, buttons-LCD system and relay circuit In addtion, our group also designed a circuit which could alert the power failure and pin power transition About programs, our group investigated and designed a LCD interface program for user to monitor the data and control devices The data monitored here include temperature, pH, setting time and devices operating status The user can also interact with the LCD interface program via buttons system to set and edit time to turn on/off devices Furthermore, the system was programmed to automatically send phone messages alerting about sensors data and then control devices itself to handle the situation when the value becomes too high The completed model has fulfilled most of the requirements and the system’s multifunction but there are still disadvantages about reliability, stability, esthetics and reality Trang iii an MỤC ỤC ỜI CẢM ƠN .i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii D NH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU vi CHƯƠNG 1: TỔNG QU N 1.1 Giới thiệu tình hình nghiên cứu nay, lí chọn đề tài .1 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Tính cấp thiết đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Bố cục Báo cáo Đồ án CHƯƠNG 2: TÍNH T ÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 2.1 Mô tả hệ thống 2.2 Sơ đồ khối hệ thống 2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống 2.4 Tính tốn, thiết kế khối 2.4.1 Khối xử lí trung tâm 2.4.2 Khối kích relay điều khiển thiết bị 2.4.3 Khối cảm biến 2.4.4 Khối thời gian thực 12 2.4.5 Khối giao tiếp từ xa 14 2.4.6 Khối nút nhấn hiển thị LCD .16 2.4.7 Khối nguồn 17 2.4.7.1 Mạch chuyển nguồn Pin cho Khối nguồn 17 2.4.7.2 Mạch báo điện 19 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG 20 3.1 Giao diện LCD .20 Trang iv an 3.2 Giải thuật cho chương trình nút nhấn .21 3.3 Giải thuật chương trình tự động điều khiển thiết bị hẹn 25 3.4 Giải thuật chương trình tự động gửi tin nhắn cảnh báo điều khiển relay theo nhiệt độ nước 27 3.5 Giải thuật đo cảm biến nhiệt độ nước 28 3.6 Giải thuật đo cảm biến pH 28 3.7 Giải thuật chương trình cho Module Sim800L 30 3.7.1 Giải thuật chương trình cấu hình Module Sim800L .30 3.7.2 Giải thuật chương trình Module Sim800L gửi tin nhắn 32 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, KIỂM TR , ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT 33 4.1 Hình ảnh mạch điện tử hệ thống 33 4.1.1 Mạch 33 4.1.2 Mạch relay nối thiết bị 34 4.1.3 Mạch chuyển nguồn mạch báo điện 35 4.2 Mơ hình hệ thống sau lắp ráp mạch 37 4.3 Hướng dẫn sử dụng nút nhấn giao diện LCD 40 4.4 Kiểm tra, đánh giá nhận xét kết 43 CHƯƠNG 5: KẾT UẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45 5.1 Kết luận 45 5.1.1 Ưu điểm 45 5.1.2 Nhược điểm .45 5.2 Hướng phát triển .45 TÀI IỆU TH M KHẢ 46 PHỤ ỤC 47 Trang v an D NH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .5 Hình 2.2 Arduino Mega 2560 Hình 2.3 Khối xử lý trung tâm Arduino Mega 2560 Hình 2.4 Sơ đồ kết nối Khối kích relay .8 Hình 2.5 Cảm biến DS18B20 Hình 2.6 Sơ đồ kết nối cảm biến DS18B20 .10 Hình 2.7 Bộ cảm biến ph DFRobot 11 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối cảm biến pH 12 Hình 2.9 Hai gói cấu tạo chip DS1307 12 Hình 2.10 Tổ chức nhớ IC DS1307 13 Hình 2.11 Sơ đồ kết nối mạch thời gian thực 14 Hình 2.12 Module Sim800L 14 Hình 2.13 Sơ đồ kết nối Module Sim 15 Hình 2.14 Mạch nút nhấn 16 Hình 2.15 Mạch kết nối LCD 16 Hình 2.16 Khối nguồn 17 Hình 2.17 Mạch chuyển nguồn cho Khối nguồn .18 Hình 2.18 Pin sạc 18650 Panasonic 3.7V- 2A 18 Hình 2.19 Mạch báo điện 19 Hình 3.1 Khái quát phần mềm hệ thống 20 Hình 3.2 Giao diện LCD phần mềm hệ thống 21 Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật cho phím chuyển trang giao diện .22 Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật cho phím Mode .23 Hình 3.5 Lưu đồ giải thuật chương trình phím Up 24 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật chương trình tự động bật máy cho ăn theo hẹn 25 Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật chương trình tự động điều khiển đèn theo hẹn .26 Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật chương trình tự động điều khiển relay theo nhiệt độ nước 27 Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật đo cảm biến nhiệt độ nước 28 Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật đo cảm biến pH 29 Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật chương trình cấu hình Module Sim800L 31 Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật chương trình Module Sim800L gửi tin nhắn .32 Hình 4.1 Mạch in mạch 33 Hình 4.2 Mạch sau thi công .33 Trang vi an Hình 4.3 Mạch sau thi công .34 Hình 4.4 Mạch sau thi công .34 Hình 4.5 Mạch in mạch relay nối thiết bị 35 Hình 4.6 Mạch relay sau thi công 35 Hình 4.7 Mạch in mạch chuyển nguồn 36 Hình 4.8 Mạch chuyển nguồn sau thi cơng 36 Hình 4.9 Mạch báo điện 37 Hình 4.10 Mơ hình hệ thống nhìn từ xuống .37 Hình 4.11 Mơ hình hệ thống nhìn từ mặt bên 38 Hình 4.12 Mơ hình hệ thống nhìn từ xuống .39 Hình 4.13 Mặt mơ hình hệ thống 39 Hình 4.14 Mặt mơ hình hệ thống 40 Hình 4.15 Nút nhấn mạch 41 Hình 4.16 Trang khởi động giao diện LCD .41 Hình 4.17 Giao diện hiển thị thời gian tại, nhiệt độ nước độ pH 42 Hình 4.18 Giao diện cài đặt hẹn bật máy cho ăn, bật/tắt đèn, máy lọc, máy sủi oxi 42 Hình 4.19 Trạng thái hoạt động thiết bị .43 Hình 4.20 Giao diện cài đặt ngưỡng cảnh báo tin nhắn cho nhiệt độ nước độ ph, điều khiển thiết bị qua nút nhấn 43 Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật cảm biến pH DFRobot 11 Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật Module Sim800L 15 Trang vii an Hình 4.3 Mạch sau thi cơng Hình 4.4 Mạch sau thi công 4.1.2 Mạch relay nối thiết bị  Mạch in mạch relay nối thiết bị 34 an Hình 4.5 Mạch in mạch relay nối thiết bị  Mạch relay sau thi cơng Hình 4.6 Mạch relay sau thi công 4.1.3 Mạch chuyển nguồn mạch báo điện  Mạch in mạch chuyển nguồn 35 an Hình 4.7 Mạch in mạch chuyển nguồn  Mạch chuyển nguồn sau thi cơng Hình 4.8 Mạch chuyển nguồn sau thi cơng 36 an Hình 4.9 Mạch báo điện 4.2 Mơ hình hệ thống sau lắp ráp mạch Hình 4.10 Mơ hình hệ thống nhìn từ xuống 37 an Hình 4.11 Mơ hình hệ thống nhìn từ mặt bên 38 an Hình 4.12 Mơ hình hệ thống nhìn từ xuống Hình 4.13 Mặt mơ hình hệ thống 39 an Hình 4.14 Mặt mơ hình hệ thống 4.3 Hướng dẫn sử dụng nút nhấn giao diện CD nút nhấn đánh số từ 1-6 hình 4.10 có chức sau: Nút chuyển trang giao diện Phím Up – Tăng thời gian hẹn trang giao diện số (trang hẹn giờ) Phím Down – Giảm thời gian hẹn trang giao diện số (trang hẹn giờ) 10 Vào trang chỉnh sửa thời gian đồng hồ thời gian thực trang giao diện số (trang hiển thị) 11 Chọn mục cần chỉnh sửa trang chỉnh sửa thời gian đồng hồ thời gian thực 12 Phím Mode – Chọn mục cần cài đặt hẹn trang giao diện số (trang hẹn giờ) 40 an Hình 4.15 Nút nhấn mạch Khi hệ thống cấp nguồn, giao diện LCD hiển thị trang khởi động mô tả hình 4.11 Hình 4.16 Trang khởi động giao diện LCD Sau hình LCD tự động vào trang giao diện số (hình 4.12), trang giao diện hiển thị thời gian tại, nhiệt độ nước độ pH 41 an Hình 4.17 Giao diện hiển thị thời gian tại, nhiệt độ nước độ pH Khi bấm nút chuyển trang, hình LCD hiển thị trang giao diện số (hình 4.13), trang cho phép tùy chỉnh cài đặt hẹn bật máy cho ăn, bật/tắt đèn, máy lọc, máy sủi oxi Hình 4.18 Giao diện cài đặt hẹn bật máy cho ăn, bật/tắt đèn, máy lọc, máy sủi oxi Tiếp tục bấm nút chuyển trang, hình LCD hiển thị trang giao diện số (hình 4.14), trang cho phép giám sát trạng thái hoạt động thiết bị 42 an Hình 4.19 Trạng thái hoạt động thiết bị Ở trang giao diện số 4, ta cài đặt ngưỡng nhiệt độ nước độ pH mà hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo Hình 4.20 Giao diện cài đặt ngưỡng cảnh báo tin nhắn cho nhiệt độ nước độ ph, điều khiển thiết bị qua nút nhấn 4.4 Kiểm tra, đánh giá nhận xét kết Về cảm biến:  Cảm biến nhiệt độ nước đo ổn định, không bị nhiễu Cảm biến pH đo khơng ổn định Về vấn đề sử dụng chương trình giao diện LCD nút nhấn:  Giao diện LCD bị treo số trường hợp  Nút nhấn khơng có tình trạng dội phím, hiệu nhấn khơng bị trì hỗn 43 an  Các trang giao diện LCD chuyển trang mượt, không bị trì hỗn, nhiễu hay chèn chữ Về chương trình tự động:  Các thiết bị tự động bật tắt theo giờ, hẹn cài đặt  Quạt làm mát que sưởi tự động bật tắt kịp thời để kiểm soát nhiệt độ  Hệ thống tự động chuyển sang nguồn pin dự trữ điện Tuy nhiên, mạch chuyển nguồn pin có thời gian phản hồi chậm so với điện, sử dụng nguồn pin người dùng phải cài đặt lại Về chương trình gửi tin nhắn:  Gửi tin nhắn cảnh báo kịp thời nhiệt độ nước độ pH vượt ngưỡng, khơng bị trì hỗn lâu  Gửi tin nhắn cảnh báo điện Về mơ hình hệ thống:  Chưa chắn dây nối nhiều 44 an CHƯƠNG 5: KẾT UẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Đề tài sau hồn thành nhìn chung đạt mục tiêu đề ra: Thiết kế thi cơng mơ hình hồ cá đa Nhưng, hệ thống tồn số nhược điểm cần khắc phục mà nhóm thực đề tài cần rút kinh nghiệm sâu sắc Bên cạnh đó, nhóm thực cố gắng tối ưu hóa chương trình phần mềm để hệ thống có ưu điểm, tính 5.1.1 Ưu điểm  Giao diện LCD nút nhấn đơn giản, dễ sử dụng  Giám sát điều khiển nhiều thiết bị  Nhiều chương trình tự động hỗ trợ người dùng  Có mạch chuyển nguồn pin dự trữ mạch báo điện điện 5.1.2 Nhược điểm  Giao diện LCD khơng ổn định số trường hợp  Mơ hình chưa thật chắn, dây nối nhiều cách bố trí khơng hợp lí  Mạch chuyển nguồn pin có thời gian phản hồi chậm so với điện, sử dụng nguồn pin người dùng phải cài đặt lại 5.2 Hướng phát triển  Lưu trữ liệu cảm biến lên Web Server  Giám sát liệu điều khiển thiết bị qua ứng dụng điện thoại di động  Giao diện hình cảm ứng  Đo mực nước, phát nước dơ, tự động bật máy bơm thay nước 45 an TÀI IỆU TH M KHẢ Tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Phú, Giáo Trình: Vi Xử Lý, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật [2] Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Trường Duy, Giáo Trình: Kỹ Thuật Số, Xuất ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013 [3] Nguyễn Ngọc Nam Phương – Thang Kiến Sang, Đồ Án Tốt Nghiệp: Xe Lăn Phương Thẳng Đứng, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, 2016 [4] Giao tiếp I2C sử dụng module realtime clock DS1307, www.arduino.vn, 2015 Tiếng nh [1] [2] [3] SIM800 Series_AT Command Manual_V1.05, SIMcom, 2014 LM2576 Datasheet, Texas Instruments, 2016 Arduino Workshop, John Boxall, 2016 46 an PHỤ ỤC (mã nguồn) 47 an S an K L 0 ... Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 an TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KH ĐÀ TẠ CH T Ư NG C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỒ CÁ Đ NĂNG SỬ DỤNG BOARD ARDUINO MEGA 2560. .. KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chương KH ĐÀ TẠ CH T Ư NG C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG HỒ CÁ Đ NĂNG SỬ DỤNG BOARD ARDUINO MEGA 2560 SVTH: NGUYỄN THÀNH TÂM - 12141197 HỒ MINH THÁI - 12141202... thơng qua việc thi cơng hồn thi? ??n mơ hình mini 1.2 Mục tiêu đề tài Đề tài thi? ??t kế thi cơng mơ hình hồ cá đa tự động sử dụng board vi điều khiển Arduino Mega 2560 thực công việc hẹn cho cá ăn, lọc