Đồ án điện công nghiệp thiết kế hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ Đ án ĐỐ ÁN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP n iệ -đ ện THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG ARDUINO tử Cán hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths Hoàng Đăng Khoa Lê Trường Thuận B1603753 Phan Thành Nam B1603734 Cần Thơ, 2019 Đồ án điện cơng nghiệp LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, vi điều khiển AVR vi điều khiển PIC ngày thơng dụng hồn thiện Nhưng nói 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 vi điều khiển mà khơng có q nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc vật lý điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở Ngơn ngữ lập Đ trình Java lại vơ dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C/C++ hệ thống thư viện phong phú chia sẻ miễn phí Chính lý án nên Arduino dần phổ biến phát triển ngày mạnh mẽ toàn giới Trong đề tài này, em thiết kế hệ thống tưới tự động ện xây dựng với trung tâm Arduino UNO R3 (một loại Board Arduino), chi phí thấp, thiết kế đơn giản, có ứng dụng rộng rải từ mơ hình nhỏ đơn n iệ -đ giản đến mơ hình lớn phức tạp tử GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang i Đồ án điện công nghiệp LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này, nhóm em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa giúp đỡ cho chúng em 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 Ngoài ra, nhờ thầy hướng dẫn nên chúng em hoàn thành mạch in, hiểu trình làm mạch in với cơng đoạn thiết kế, làm mạch, khoan hàn linh kiện Qua giúp chúng em tiến có bước đầu hiểu Đ mạch điện tử Thơng qua đồ án, chúng em tích lũy học kinh nghiệm thực tế có cho việc học tập cơng việc chúng em sau Bên cạnh cịn có nhiều mặt hạn chế lần đầu tiếp xúc với linh kiện điện tử thực tế án kỹ yếu nên dẫn đến sản phẩm nhiều khuyết điểm, mông thầy thông cảm bỏ qua cho chúng em Một lần nửa tụi em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa n iệ -đ ện giúp đở nhóm em hồng thành đồ án tử GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang ii Đồ án điện cơng nghiệp MỤC LỤC LỜI NĨI 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 Đ 2.1 Arduino UNO R3 án 2.1.1 Các thông số Arduino UNO R3 2.1.2 Vi điều khiển 2.1.3 Các chân Arduino ện 2.1.4 Lập trình cho Arduino -đ 2.2 Cảm biến độ ẩm module chuyển đổi 2.2.1 Cảm biến độ ẩm iệ 2.2.2 Module chuyển đổi n 2.3 Module 5VDC kênh tử 2.4 Động bơm 12V 10 2.5 Điện trở 220Ω Led 11 2.6 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 14 3.4 Mô hệ thống 15 3.4.1 Mô mạch nguyên lý Proteus .16 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp 3.4.2 Nguyên lý hoạt động 16 3.4.3 Viết code chương trình cho Arduino 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Thiết kế mạch in 21 4.2 Thi công mạch 21 CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 5.1 Nhận xét 23 5.2 Kết luận 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Đ án n iệ -đ ện tử GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện cơng nghiệp MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình Hình dáng bên ngồi Arduino Hình Thông số Arduino .6 Hình Cảm biến độ ẩm Hình Module chuyển đổi Hình Module relay 5VDC kênh .9 Hình Động bơm 12V 10 Hình Điện trở 220Ω 11 Đ Hình Led 11 án Hình Bộ nguồn nhiều ngõ 12 Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.7 13 Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus 14 ện Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE 15 -đ Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 16 Hình 14 Viết code Arduino IDE .16 iệ Hình 15 Sơ đồ mạch in Proteus .21 n Hình 16 Mạch thực tế sau hoàn thành 22 tử Hình 17 Mơ hình thực tế sau lắp đặt 22 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUANG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thực tế sống ngày bận rộn, nhiều người có thú vui trồng cảnh, vườn rau khơng gian trống nhà sân thượng, ban công Tuy nhiên, lúc bạn bận cơng việc ngày cảnh vườn hoa nhà không tưới nước Ngồi phương pháp tưới phổ thơng, tạo hệ thống tưới tự động Đ đơn giản cho khu vườn nhỏ chí mở rộng hệ thống tưới cho khu vườn lớn án 1.1 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Mục tiêu đồ án thiết kế hệ thống tưới tự động đơn giản với ện nguyên lý thông qua cảm biến độ ẩm đất để truyền tín hiệu cho hệ thống để -đ biết lúc nên vận hành động bơm nước cho khu vườn Tất việc tự động diễn trình cài đặt sẵn qua cảm biến để điều tiết việc tưới n iệ hợp lí thời tiết Với mơ hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế nên áp dụng rộng GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang tử rải vào sống thực tế Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1 ARDUINO UNO R3 Arduino thực gây sóng gió trường giới nhiều năm qua với số lượng người dùng cực lớn đa dạng với trình độ 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) Đ án iệ -đ ện n Hình 1: Hình dáng bên ngồi Arduino tử 2.1.1 Các thơng số Arduino UNO R3 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp Đ án ện Hình 2: Thơng số Arduino Vi điều khiển -đ 2.1.2 iệ  Arduino Uno xây dựng với phân nhân vi điều khiển ATmega328P sử n dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có 14 ngỏ analog đánh ký hiệu từ A0 đến A5 tử ra/vào đánh số từ đến 13 Song song đó, ta có thêm ngỏ nhậ tín hiệu  Trên board cịn có nút reset, ngõ kết nối với máy tính qua cổng 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: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện cơng nghiệp 2.1.4 Lập trình cho Arduino  Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngôn riêng Ngôn ngữ dựa ngôn 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 2.2.1 Cảm biến độ ẩm đất Đ án -đ ện iệ Hình Cảm biến độ ẩm đất n  Hai đầu đo cảm biến cắm vào đất để phát độ ẩm Dùng dây nối tử cảm biến module chuyển đổi Thông tin độ ẩm đất đọc gởi tới module chuyển đổi 2.2.2 Module chuyển đổi Hình Module chuyển đổi GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp 2.5 ĐIỆN TRỞ 220Ω VÀ LED  Điện trở 220V Đ án ện Hình Điện trở 220Ω Led: -đ  n iệ Led hoạt động mức 1,8 đến 3V, dịng 10 đến 20mA tử GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 11 Đồ án điện cơng nghiệp Hình Led 2.6 BỘ NGUỒN NHIỀU NGÕ RA Đ án -đ ện Hình Bộ nguồn nhiều ngõ 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 n tử  iệ  Sử dụng nguồn DC 9V cấp cho Arduino UNO R3 qua jack cắm, sử dụng nguồn DC 12V cấp cho động bơm GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 12 Đồ án điện công nghiệp 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 Đ 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 điện tử án Labcenter Electronic, mô cho hầu hết linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola ện Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus phần mềm mô cho loại vi điều khiển -đ tốt, hỗ trợ dòng vi điều khiển PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11, giao tiếp I2C, n iệ SPI, CAN, USB, Ethenet, ngồi cịn mơ mạch số, mạch tương tự tử GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 13 Đồ án điện cơng nghiệp cách hiệu Đ án n iệ -đ ện tử Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.7 3.2 THƯ VIỆN ARDUINO TRONG PROTEUS Thư viện Arduino bổ sung hay cho phần mềm Proteus, giúp cho việc mô 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: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 14 Đồ án điện cơng nghiệp - 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 Đ án iệ -đ ện n Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus tử 3.3 ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính thơng dụng mang lại 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: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 15 Đồ án điện cơng nghiệp Đ án Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Mơi trường lập trình ện cho Arduino IDE chạy ba tảng phổ biến Windows, Macintosh OSX Linux Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình -đ hồn tồn miển phí mở rộng người dùng có kinh nghiệm iệ Ngơn ngữ lập trình mở rộng thông qua thư viện C++ Và ngôn n ngữ lập trình dựa tảng ngơn ngữ C AVR nên người dùng hồn tử tồn nhúng thê code viết AVR vào chương trình 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: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 16 Đồ án điện công nghiệp Đ Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 3.4.2 Nguyên lý hoạt động: án 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 giá trị tín hiệu gởi 0, điều khiển đưa tín hiệu cho đóng Rờ le động máy bơm bắt ện đầu hoạt động bơm nước tưới vào chậu Khi đủ nước, độ ẩm cao, cảm biến gởi động iệ -đ tín hiệu có giá trị 1, điều khiển đưa tín hiệu ngắt rờ le, máy bơm dừng hoạt Led đỏ có tác dụng báo hiệu độ ẩm thấp, chậu thiếu nước n Led xanh có tác dụng báo hiệu độ ẩm cao, chậu đủ nước tử Led vàng có tác dụng báo hiệu trạng thái hoạt động dừng máy bơm 3.4.3 Viết code chương trình cho Arduino Khởi động phần mềm Arduino IDE soạn code Sau lập trình xong, nhấn để biên dịch code sau vài giây phần mềm biên dịch cho ta file hex chương trình GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 17 Đồ án điện công nghiệp Đ án Hình 14 Viết code Arduino IDE Mã code hệ thống:  /** * Cao Hieu 2016 tử */ int const SENSOR_MH_D_PIN = 4; int const SENSOR_MH_A_PIN = A0; int const T_RELAY_PIN = 2; int const TIME_TO_GET_SAMPLE = 5000; //5s int const SAMPLE_TIME = 500; //0.5 s int const LED_PIN = 13; int const LED_BLUE_PIN = 10; GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa n * Automatic Watering using Arduino iệ -đ ện mô hệ thống Sau tạo file hex t nạp file vào linh kiện Arduino proteus để chạy Trang 18 Đồ án điện công nghiệp int const LED_YEWLOW_PIN = 9; int const LED_RED_PIN = 8; int const TREE_WATER_LEVEL_HIGH = 600; int const TREE_WATER_LEVEL_LOW = 300; int sensorMHValue = 0;//store sensor value int bumpStatus = 0; int waterStatus = 0;// -1: less water, 0: enough water, +1 : more water Đ án void setup() { //serial print // Serial.begin(9600); ện pinMode(SENSOR_MH_D_PIN,INPUT); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_BLUE_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_RED_PIN, OUTPUT); n pinMode(LED_YEWLOW_PIN, OUTPUT); iệ -đ pinMode(T_RELAY_PIN, OUTPUT); tử } void loop() { // process and checking to watering wateringProcess(); // Send information to serial port //printToSerialPort(); //show the led status showLedInfo(); } GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 19 Đồ án điện cơng nghiệp void wateringProcess(){ int sensorStatus = digitalRead(SENSOR_MH_D_PIN); int sensorValue = getSensorSampleValue(); if(sensorStatus == 0){ if(sensorValue > TREE_WATER_LEVEL_HIGH){ digitalWrite(T_RELAY_PIN, HIGH); bumpStatus = 1; waterStatus = -1; }else if(sensorValue < TREE_WATER_LEVEL_LOW){ digitalWrite(T_RELAY_PIN, LOW); bumpStatus = 0; waterStatus = +1; Đ }else{ digitalWrite(T_RELAY_PIN, LOW); bumpStatus = 0; án waterStatus = 0; } }else{ digitalWrite(T_RELAY_PIN, HIGH); waterStatus = -1; -đ } ện bumpStatus = 1; } n iệ int getSensorSampleValue(){ int t = TIME_TO_GET_SAMPLE/ SAMPLE_TIME; int total = 0; tử int value = 0; for(int i =0; i < t ; i++){ total += analogRead(SENSOR_MH_A_PIN); delay(t); } return total / t; } void printToSerialPort(){ Serial.print("Bumper enable: "); Serial.println(bumpStatus); Serial.print("Sensor value: "); Serial.println(sensorMHValue); } GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 20 Đồ án điện công nghiệp void showLedInfo(){ if(bumpStatus == 1){ digitalWrite(LED_YEWLOW_PIN, HIGH); }else{ digitalWrite(LED_YEWLOW_PIN, LOW); } if(waterStatus == 0){ digitalWrite(LED_RED_PIN, LOW); digitalWrite(LED_BLUE_PIN, HIGH); }else{ digitalWrite(LED_RED_PIN, HIGH); digitalWrite(LED_BLUE_PIN,LOW); } Đ } án n iệ -đ ện tử GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 21 Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Thiết kế mạch in Từ sơ đồ nguyên lý thiết kế phần mô Proteus, ta mở sang phần ARES để vẽ mạch in cho hệ thống Đ án ện Hình 15 Sơ đồ mạch in Proteus 4.2 n iệ -đ  Thông số mạch in: - Đường mạch điều khiển: T50 - Đường mạch động lực động AC: T100 - Đường mạch động lực động DC: T60 Thi công mạch tử Sau thi công mạch in, ta tiến hàn linh kiện vào mạch Sau đó, kết nối nguồn DC 12V vào domino cấp cho động DC cấp nguồn DC 9V cho vi điều khiển Arduino qua jack cắm Lắp hộp mica để bảo vệ mạch GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 22 Đồ án điện cơng nghiệp Đ Hình 16 Mạch thực tế sau hoàn thành Sau hoàn thành mạch ta tiến hành lắp đặt mơ hình thực tế taplo với án động bơm nước 12VDC 12W n iệ -đ ện tử Hình 17 Mơ hình thực tế sau lắp đặt GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 23 Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 5.1 Nhận xét Hệ thống sau hồnh thành sử dụng cho động bơm DC AC Công suất tối đa máy bơm dùng cho mạch 12W máy bơm DC 350W máy bơm AC - Ưu điểm: Mạch gọn nhẹ, 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 sơ sài, dễ hư hỏng, sử dụng cho tối đa máy 5.2 Kết luận án - Đ bơm lúc Hệ thống sau chạy thực tế nhiều lần khắc phục hoạt động ổn định, Với ưu nhược điểm nêu trên, ta nâng cấp mạch để nâng ện - đáp ứng với yêu cầu đồ án cao độ bền hiệu suất cho hệ thống -đ - Hệ thống mở rộng phát triễn rộng rãi áp dụng cho trại có quy mộ sản xuất diện rộng n iệ mơ hình trồng rau, cây, hoa cảnh hộ gia đình trang tử GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 24 Đồ án điện công nghiệp 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/ Đ http://arduino.vn/ http://arduino.cc/ án n iệ -đ ện tử GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 25