Mô hình máy ấp trứng tự động là một hệ thống được thiết kế để cung cấp các điều kiện môi trường lý tưởng cho quá trình ấp trứng mà không cần sự can thiệp liên tục của con người. Mục tiêu chính của máy ấp trứng tự động là tăng tỷ lệ nở của trứng và đảm bảo an toàn, hiệu quả trong quá trình ấp. Dưới đây là một số yếu tố và tính năng chính của một máy ấp trứng tự động: Điều khiển nhiệt độ: Máy ấp trứng tự động được trang bị hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất trong quá trình ấp, và cần phải được duy trì ổn định ở mức độ phù hợp cho từng loại trứng. Điều khiển độ ẩm: Độ ẩm cũng là một yếu tố quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn cuối của quá trình ấp. Máy ấp trứng tự động thường có hệ thống điều khiển độ ẩm để duy trì mức độ ẩm cần thiết. Quạt thông gió: Để đảm bảo không khí lưu thông và cung cấp đủ oxy cho trứng, máy ấp trứng tự động được trang bị quạt thông gió. Điều này giúp ngăn ngừa sự tích tụ của CO2 và giữ cho không khí trong máy luôn tươi mới. Hệ thống lật trứng: Để đảm bảo sự phát triển đều của phôi, trứng cần được lật đều đặn. Máy ấp trứng tự động thường có cơ chế lật trứng tự động, giúp lật trứng một cách đều đặn mà không cần can thiệp của con người. Bộ điều khiển vi xử lý: Máy ấp trứng tự động thường được trang bị bộ điều khiển vi xử lý để quản lý tất cả các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, quạt thông gió và hệ thống lật trứng. Bộ điều khiển này có thể được lập trình để điều chỉnh các thông số theo nhu cầu cụ thể của từng loại trứng. Cảm biến: Các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng để giám sát và điều chỉnh các điều kiện môi trường bên trong máy. Điều này giúp đảm bảo các điều kiện luôn được duy trì ổn định. Báo động và cảnh báo: Một số máy ấp trứng tự động có tích hợp hệ thống báo động và cảnh báo khi có sự cố xảy ra, chẳng hạn như nhiệt độ hoặc độ ẩm vượt quá ngưỡng cho phép. Thiết kế cách nhiệt: Máy ấp trứng cần có thiết kế cách nhiệt tốt để duy trì nhiệt độ ổn định và giảm thiểu sự ảnh hưởng của môi trường bên ngoài. Mô hình máy ấp trứng tự động mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm thời gian, tăng tỷ lệ nở, và đảm bảo chất lượng của quá trình ấp. Sự phát triển của công nghệ đã giúp cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của các hệ thống ấp trứng tự động, làm cho chúng trở thành công cụ hữu ích trong ngành chăn nuôi.
Tổng quan
Giới thiệu chung về đề tài
- Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều những thành tựu vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân.
Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xoá đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức bức xúc. ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao Chính vì vậy việc để đáp ứng được nhu cầu thiết thực trên em đã nghiên cứu và chế tạo ra lò ấp trứng mini cho hộ gia đình
Hình 1 1 Máy ấp trứng mini
Các vấn đề đặt ra
- Như chúng ta đã biết điều khiển tự động đã trở thành nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Một trong yếu tố được điều khiển tự đông nhiều là nhiệt độ.Để làm được điều đó chúng ta cần phải sử dụng các thiết bị đo và điều khiển tự động ví dụ như cảm biến, rơle, ADC…Một trong những ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của điều khiển tự động nhiệt độ là ứng dụng để điều khiển nhiệt độ trong lò ấp trứng công nghiệp Với ưu điểm của lò ấp trứng công nghiệp là tỉ lệ ấp thành công lớn, cho hiệu quả kinh tế cao Vì vậy hệ thống lò ấp trứng công nghiệp ứng dụng rộng rãi trong phát triển kinh tế địa phương
- Đa số máy ấp trứng công nghiệp hiện nay đều hoạt động trên nguyên lý tạo ra môi trường phù hợp nhất cho trứng phát triển Các điều kiện đó bao gồm có nhiệt độ, độ ẩm và độ thoáng khí
Hình 1.2 Máy ấp trứng công nghiệp
- Năng suất cao từ 500 đến 6000 trứng mỗi lần ấp
- Bộ khung chắc chắn ổn định
- Tỉ lệ ấp thành công từ 95% trở lên
- Giá thành chỉ phù hợp cho trang trại vừa và lớn
- Chưa có hệ thống tự cân bằng độ ẩm mà phải tạo độ ẩm thủ công
- Phải thường xuyên kiểm tra và điều khiển trực tiếp trên máy b Giải quyết vấn đề.
- Từ những nhược điểm trên em đã nghiên cứu và thiết kế máy ấp trứng mini dành cho quy mô hộ phù hợp với hộ gia đình với những ưu điểm:
+ Chi phí đầu tư thấp
+ Dùng dây meso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt Điều khiển và ổn định nhiệt độ bằng vi xử lý
+ Nguyên lý làm việc: sử dụng cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ lò ấp rồi chuyển tín hiệu cho khối điểu khiển thông qua rơle để điều khiển hệ thống nhiệt của lò ấp trứng và sử dụng cảm biến độ ẩm đo độ ẩm lò ấp từ đó cho phép kích hoạt phun sương để cân bằng độ ẩm Thiết kế chu kì tự động đảo trứng để tranh tình trạng phôi ấp ra bị dị tật
- Thiết kế mạch nhỏ gọn dễ lắp ráp, sửa chửa
- Cân bằng nhiệt độ bằng phương pháp điều chỉnh điện áp đầu bóng đèn nhờ vào thuật toán PID qua đó tiết kiệm năng lượng và tăng độ ổn định cho môi trường trong lồng ấp
- Tự cân bằng độ ẩm bằng hệ thống phun sương.
- Có động cơ đảo trứng theo thời gian để hạn chế tối đa tình trạng gà con bị dị tật
- Cần phải có kiến thức sâu rộng điện tử, cảm biến, vi xử lý, lập trình
Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu, dựa trên các mẫu máy ấp sẵn có trên thị trường đưa ra nguyên lý làm việc cụ thể từ đó suy ra ưu nhược điểm Tận dụng ưu điểm sẵn có và khắc phục nhược điểm còn hiện hữu bằng các kiến thức đã tích lũy được trong quá trình học tập và nghiên cứu
- Áp dụng các giải pháp tự động hóa để giải quyết các vấn đề trước đây làm bằng thủ công như công đoạn đảo trứng, tạo độ ẩm, căn chỉnh nhiệt độ
- Bám sát các số liệu thực tế để tạo ra môi trường ấp tốt nhất cho trứng :
+ Thời gian ấp trứng tùy thuộc vào đối tượng ấp
+ Nhiệt độ và độ ẩm trong lòng ấp : Trứng gia cầm phát triển theo từng giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn trứng lại cần nhiệt độ và độ ẩm khác nhau: Ví dụ như trứng gà
Giai đoạn 1 (1 – 7 ngày): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,8 độ C, độ ẩm khoảng 65%
Giai đoạn 2 (8 – 18 ngày): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,5 độ C, độ ẩm phù hợp là 55%
Giai đoạn 3 (18 ngày đến khi khẻ nở): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,2 độ C, độ ẩm phù hợp là 60%.
- Khi ấp trứng gà bằng máy ấp trứng, thường các nhà sản xuất đều khuyên người dùng cài đặt nhiệt độ ấp 37,5 độ C và độ ẩm trong khoảng 55 – 65%
Hình 1.3 Kỹ thuật ấp trứng gà bằng máy
Phạm vi giới hạn nghiên cứu
- Vì điều kiện thời gian và chi phí hạn chế, mặt khác do nghiên cứu về máy ấp trứng là một đề tài lớn nên em tập trung và nghiên cứu và chế tạo máy ấp trứng loại nhỏ cho hộ gia đình
- Máy có công suất nhỏ,và số lượng trứng từ 50-100 quả cho một lần ấp
Lịch sử phát triển lò ấp trứng
- Trong các sách gia cầm ngày nay, chúng ta vẫn nghe nói rằng phương pháp ấp trứng nhân tạo cổ xưa nhất được phát minh ở Ai Cập Diodorus Siculus (sử gia
Hy Lạp) viết về điều này trong thời của mình – từ năm 80 đến 20 trước công nguyên Những tác giả cổ hơn, chẳng hạn như Aristotle và Pliny, viết rằng người
Ai Cập từ lâu đã sử dụng một loại “lò” đặc biệt để ấp trứng gia cầm, nhưng không ai biết rõ quy trình này Điều duy nhất mà mọi người biết là phân lạc đà được sử dụng để cung cấp nhiệt cần thiết cho việc ấp
Hình 1 4 Lò ấp trứng thời cổ đại
- Vào thời đó, nhiều nhà phát minh cố gắng chế tạo máy ấp trứng dựa trên phương pháp của người Ai Cập Nỗ lực đầu tiên được thực hiện bởi Jean Baptiste Della Porta vào năm 1588 ở Ý Ông bị buộc phải ngưng công việc bởi Tòa án Dị giáo Tây Ban Nha
- Ở Mỹ, Lyman Byce, một thanh niên 26 tuổi người Canada, người đến Petaluma để chữa bệnh, đã phát minh ra lò ấp điều khiển nhiệt độ vào năm 1879 cùng với Isaac Dias, một nha sĩ địa phương Cha của Byce nuôi gà và dùng phân gia súc để sưởi ấm chuồng Với hình ảnh đó trong đầu, anh phát minh ra cách ấp nhân tạo trứng gà Lò ấp này là một đột phá trong ngành công nghiệp gia cầm
Mỹ, nhanh chóng đánh dấu Petaluma trên bản đồ như là “Rổ trứng của thế giới”
- Với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp hiện nay lò ấp trứng đã được cải tiến nhân rộng về hiệu quả và năng suất cao khác xa vưới lò ấy trứng của nhà phát minh ra nó và đây là kết quả đã được kết tụ của nhiều năm qua
Hình 1.5 Máy ấp trứng hiện đại
- Nhờ vào việc áp dụng khoa học kỹ thuật vào việc chế tạo và cải tiến nhiều loại máy ấp trứng Kỹ thuật chăn nuôi gia cầm nói riêng và ngành chăn nuôi nói chung đã phát triển vượt bật, đáp ứng được nhu cầu về nguồn thực phẩm cho xã hội
Cơ sở lý thuyết
Cấu tạo của máy ấp trứng
a Thùng máy và giàn khay trứng.
- Thùng máy thường có dạng hình hộp bằng gỗ và có thể bọc tôn, nhôm ngoài mặt đáy để tăng cứng vững, có cửa lớn phía trước để đưa trứng vào ra, có cửa kính để quan sát trong máy, nhiệt kế, ẩm kế; có cửa sổ phía sau để mở và chăm sóc máy bên trong Ngoài ra còn có cửa thoát gió, thoát khí thải trong máy
- Giàn là một bộ khung, thường bằng kim loại, để đặt các khay trứng, có thể xoay nghiêng bên phải, bên trái để đảo trứng Giàn thường có 2 kiểu: giàn trống và giàn tầng.
- Khay xếp trứng ấp (khay ấp) thường hình chữ nhật, bằng gỗ, kim loại hoặc nhựa có những thanh ngăn giữ trứng Khe giữa các thanh có thể thay đổi rộng hẹp để phù hợp kích thước to nhỏ của các loại trứng.
- Khay xếp trứng nở (khay nở) cũng hình chữ nhật, có đáy bằng lưới thép (lỗ vuông hoặc tròn) Khi tới ngày nở trứng được chuyền từ các khay ấp sang khay nở để việc nở của trứng được dễ ràng Khi đảo trứng, các khay ấp sẽ nghiêng cùng với khung giàn một góc 45-47 0 so với mặt ngang, lần lượt theo 2 phía đối xứng b Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt.
- Bằng điện: bóng đèn đốt nóng, khi có dòng điện qua sẽ toả nhiệt cho máy Bộ điều nhiệt thường gồm một bộ cảm biến nhiệt đặt trong máy, tác động vào bộ đóng ngắt mạch điện cung cấp nguồn cho bóng đèn sợi tóc c Bộ tạo ẩm.
Làm việc theo nguyên lý sau:
- Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ mạng ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi theo ống dẫn hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua các lỗ nhỏ của vành lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù gây ẩm trong máy d Bộ thông gió và bộ điều gió.
- Bộ thông gió ở các máy ấp trứng đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau bên trong máy Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều chỉnh độ mở bằng tay Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành trước máy, có nắp điều gió, đóng mở bằng tay d Bộ đảo trứng.
Bao gồm có các nguyên lý làm việc sau:
- Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn trứng, thường gồm động cơ điện, bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối
- Dây kéo: dùng ở một số máy ấp trứng cỡ nhỏ, trong đó khay trứng có các đũa tròn xoay được, quấn một dây chung sao cho khi đảo, ta kéo một đầu dây thì các đũa xoay đủ để khay trứng xoay theo một góc nào đó
- Tay quay: dùng ở máy ấp trứng có giàn trống, dùng tay quay trống nghiêng một góc 45-47 0 (so với mặt nằm ngang) lần lượt cả hai phía theo từng thời gian qui định e Bộ điều khiển và báo hiệu.
- Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng, những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo hiệu f Bộ phận phụ trợ.
- Máy ấp trứng còn có những bộ phận phụ trợ như: giàn chuyển trứng, bộ bánh xe chuyển giàn trứng, bàn chuyển trứng, thang, dụng cụ soi trứng
Các thiết bị, linh kiện chính
- Khối nguồn là thành phần không thể thiếu trong hệ thống, nó cung cấp điện năng cho bộ xử lý và bộ điều khiển hoạt động Ở đây ta lựa chọn Module LM2596
- Output gate: OUTPUT+, OUTPUT- b Khối điều khiển.
- Khối điều khiển giữ vai trò điều khiển và xử lý các tín hiệu từ khối thiết bị và khối cảm biến
PIC16F877A là một Vi điều khiển PIC 40 chân và được sử dụng hầu hết trong các dự án và ứng dụng nhúng Nó có năm cổng bắt đầu từ cổng A đến cổng E.
Nó có ba bộ định thời trong đó có 2 bộ định thời 8 bit và 1 bộ định thời là 16 Bit Nó hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp như giao thức nối tiếp, giao thức song song, giao thức I2C PIC16F877A hỗ trợ cả ngắt chân phần cứng và ngắt bộ định thời
- Giao tiếp: Cable Micro USB
- Là khối chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ các cảm biến để xử lý và đưa ra tín hiệu Ta chọn Module Wifi ESP8266 NodeMCU
- ESP8266 có thể được sử dụng làm mô-đun Wi-Fi bên ngoài, sử dụng chương trình cơ sở tập lệnh AT tiêu chuẩn bằng cách kết nối nó với bất kỳ bộ vi điều khiển nào sử dụng UART nối tiếp hoặc trực tiếp dưới dạng vi điều khiển hỗ trợ Wi-Fi, bằng cách lập trình chương trình cơ sở mới bằng SDK được cung cấp
Hình 2 4 Sơ đồ cồng ESP8266
- Integrated standard TCP/IP d Khối thực thi.
- Là bộ phận thực hiện tín hiệu nhận được từ bộ điều khiển, điều khiển các thiết bị có trong hệ thống.
- G3MB-202P là rơle trạng thái rắn có khả năng xử lý tải lên tới 100-240V AC. G3MB-202P sử dụng nguyên lý ghép quang để kích hoạt mô-đun rơle SSR như G3MB-202P nhanh hơn, không tạo ra tiếng ồn và có tuổi thọ dài hơn so với rơle điện từ
Hình 2 5 Relay 1 channel 5VDC G3MB-202P
- Mô-đun 2 rơle phù hợp cho các ứng dụng ngắt điện áp cao AC hoặc DC, thiết bị tiêu thụ dòng điện lớn, mô-đun thiết kế nhỏ gọn, OPTO và bóng bán dẫn cách ly, đóng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế nguồn điện bên ngoài giúp sử dụng linh hoạt và dễ dàng.
- Điện áp hoạt động VCC: 5VDC
- Tải đầu ra tối đa AC 250V/10A, 30V/10A
- Kiểm soát đầu vào TTL đang hoạt động ở mức thấp
- Tích hợp đèn báo LED rơle e Khối cảm biến.
* Cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, điện áp ở đầu ra của cảm biến tỷ lệ với nhiệt độ tức thời và có thể dễ dàng được xử lý để có được giá trị nhiệt độ bằng độ C.
Hình 2 7 Cảm biến nhiệt độ LM35
- Hiệu chuẩn trực tiếp theo o C
- Điện áp hoạt động: 4-30VDC
- Dòng điện tiêu thụ: khoảng 60uA
- Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C
- Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C đến 150°C
- Điện áp thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
- Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08 o C trong không khí tĩnh
* Cảm biến độ ẩm DHT11
DHT11 là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( sử dụng 1 dây data để truyền dữ liệu). Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 bao gồm 3 thành phần chính Một cảm biến độ ẩm loại điện trở, một điện trở nhiệt NTC (Negative Temperature Coefficient – hệ số nhiệt âm) để đo nhiệt độ và một vi điều khiển 8 bit có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến và gửi ra tín hiệu số duy nhất.
Tín hiệu số này có thể được đọc bởi bất kỳ vi điều khiển hoặc bộ vi xử lý nào để phân tích.
Hình 2 8 Cảm biến độ ẩm DHT11
Thiết bị điều hành
- Mạch máy phun sương mini cổng DC 12V dùng để tạo ẩm khi buồng ủ có độ ẩm dưới giới hạn độ ẩm.
Hình 2 9 Máy phun sương tạo độ ẩm 24V
- Công suất tối thiểu: 2.5W (sử dụng bình thường 1.5W) b Quạt tản nhiệt 24V.
- Quạt tản nhiệt 24V sử dụng khi nhiệt độ trong máy ấp vượt quá nhiệt độ giới hạn, quạt sẽ được bật để tiêu tán nhiệt độ
- Công suất: 5W c Màn hình LCD
- LCD 16 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số LCD 16×2 có
16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN),
5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và chiếu sáng cho LCD 16×2 Các chân điều khiển giúp dễ dàng định cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc dữ liệu Chúng cũng giúp chúng ta định cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi Điện áp hoạt động 2,5-6v.
Phần mềm kết nối Blynk
- Blynk là phần mềm mã nguồn được thiết kế cho các ứng dụng IoT Ứng dụng giúp người dùng điều khiển phần cứng từ xa, có thể hiển thị dữ liệu cảm biến, lưu trữ dữ liệu hoặc thay đổi dữ liệu có 3 thành phần chính trong nền tảng ứng dụng Blynk.
+ Ứng dụng Blynk: cho phép tạo giao diện cho dự án của mình bằng nhiều tiện ích khác nhau.
+ Máy chủ Blynk: chịu trách nhiệm về mọi giao tiếp giữa điện thoại thông minh và phần cứng Bạn có thể sử dụng Blynk Cloud hoặc chạy máy chủ Blynk của riêng mình cục bộ Nó là nguồn mở, có thể dễ dàng xử lý hàng ngàn thiết bị. + Blynk Library: Thư viện chứa các nền tảng phần cứng phổ biến, cho phép giao tiếp với máy chủ và xử lý tất cả các lệnh đến và đi
Hình 2 13 Code mẫu trong app Blynk
Lựa chọn và thiết kế hệ thống
Yêu cầu chung của hệ thống
Mô hình được thiết kế sao nhằm mục đích tạo môi trường ấp trứng tối ưu nhất.
Vì thế trong quá trình thiết kế cần có các yêu cầu chung đặt ra cho hệ thống như sau:
- Thiết kế mô hình chắc chắn, chính xác về mặt cơ khí để hoạt động trơn tru
- Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm bằng các cảm biến phải chính xác, hạn chế sai số để tối ưu môi trường trong lòng ấp.
- Thiết kế trục đảo trứng chuyển động nhẹ nhàn hài hòa tránh làm ảnh hưởng đến phôi bên trong.
- Thiết kế hệ thống truyền nhận dữ liệu giữa bộ điều khiển trung tâm và các đầu vào cũng như đầu ra của hệ thống.
- Thiết kế dao diện giám sát các giá trị qua app Blynk
Sơ đồ tổng quan của hệ thống:
Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của các khối trong sơ đồ:
- Khối vi điều khiển : Sử dụng ESP8266 làm vi điều khiển trung tâm của hệ thống.
- Khối hiển thị : Hiển thị trực tiếp các thống số nhiệt độ và độ ẩm trong lòng ấp trên màn hình LCD.
- Khối nút nhấn: Điều chỉnh các giá trị đã cài đặt ở khối vi điều khiển
- Khối thiết bị: Bao gồm đèn, quạt tản nhiệt, quạt điều nhiệt, van phun sương, trục đảo trứng thực hiện các chức năng trong đề tài đưa ra.
+ Cảm biến đo nhiệt độ
+ Cảm biến đô độ ẩm
- Khối Blynk: là khối trung gian để giao tiếp giữa ESP với ứng dụng di động
Sơ đồ nguyên lý phần cứng :
Hình 3 2 Sơ đồ nguyên lý
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Thông số môi trường trong lòng ấp.
- Máy ấp trứng cần phụ thuộc vào từng giai đoạn phát triển của phôi trứng Ở từng giai đoạn khác nhau trứng sẽ cần nhiệt độ, độ ẩm cũng như độ thoáng khí khác nhau.
- Khi đưa vào sử dụng máy sẽ được cài đặt trước các thông số cho phù hợp với tình trạng phôi trứng cụ thể như :
+ Nhiệt độ và độ ẩm trong lòng ấp : Trứng gà phát triển theo từng giai đoạn khác nhau, mỗi giai đoạn trứng lại cần nhiệt độ và độ ẩm khác nhau:
Giai đoạn 1 (1 – 7 ngày): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,8 độ C, độ ẩm khoảng 65%.
Giai đoạn 2 (8 – 18 ngày): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,5 độ C, độ ẩm phù hợp là 55%
Giai đoạn 3 (18 ngày đến khi khẻ nở): nhiệt độ ấp phù hợp là 37,2 độ C, độ ẩm phù hợp là 60%.
- Sau khi cấp nguồn và cài đặt các thông số, máy sẽ so sánh tình trạng môi trường thực tế trong lòng ấp so với các thông số đã được cài đặt sẵn và điều chỉnh về môi trường phù hợp như đã cài đặt.
+ Với hệ thống cân bằng nhiệt độ, vì nhiệt độ là yếu tố tối quan trọng trong quá trình ấp trứng nên em đã áp dụng cơ chế phản hồi PID ( Proportional IntegralDerivative ):
Nếu nhiệt độ thấp hơn ngưỡng đã cài đặt vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu và cấp nguồn cho đèn để tăng nhiệt độ trong lòng ấp Lúc này cơ chế phản hồi PID sẽ so sánh nhiệt độ thực tế trong lòng ấp với các ngưỡng đã cài đặt sẵn nhằm mục đích hạn chế tối đa sai số và tăng độ ổn định nhiệt độ trong lòng ấp :
Thông qua cảm biến nhiệt độ LM35 gửi tín hiệu trạng thái nhiệt độ trong lòng ấp về vi xử lý sẽ ghi nhận và so sánh với nhiệt độ đã được cài đặt, từ đó tham chiếu và đưa ra mức điện áp phù hợp cho đèn, độ chênh lệch giữa nhiệt độ thực tế càng lớn điện áp đầu ra càng lớn và ngược lại
+ Với hệ thống cân bằng độ ẩm : Cảm biến DH11 sẽ giám sát độ ẩm, nếu độ ẩm tuột xuống ngưỡng cho phép vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu và cấp nguồn cho hệ thống phun sương để cân bằng độ ẩm Trong quá trình ấp trứng quy định về độ ẩm không quá khắc khe vì thế để giảm tính phức tạp dẫn đến nhiều sai số mang tính hệ thống cho nên em đã lập trình ngưỡng độ ẩm cho phép xuống tới 65%
- Trong quá trình ấp trứng mạch điều khiển sẽ kiễm soát chu trình đảo trứng của trục xoay để đảm bảo khay trứng sẽ được đảo đều đặng theo chu trình cài đặt ban đầu Ở đây em cài đặt động cơ đảo trứng sẽ nâng hạ khay trứng với gốc nâng thay đổi trong khoảng từ 0 o đến 7 o và về 0 o Chu trình đảo được thực hiện trong 2 phút và cách nhau giữa các lần đảo là 2 giờ.
- Sau khi đạt được môi trường ổn định bắt đầu cho trứng vào lòng ấp và bắt đầu quá trình ấp trứng Hệ thống sẽ tiếp tục giám sát và cân bằng môi trường trong lòng ấp qua giao diện ứng dụng Blynk
Hình 3 4 Bản điều khiển mát ấp trứng công nghiệp
Xử lý các trường hợp bất thường có thể xảy ra
- Trong quá trình ấp trứng gà có thể có những trường hợp bất thường có thể xảy ra Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà bạn sẽ có những cách xử lý khác nhau. Nếu bạn không biết cách xử lý thì nên gọi cho nhà sản xuất để được tư vấn cụ thể Còn thông thường thì có 3 trường hợp bất thường có thể xảy ra như sau:
Nếu thấy nhiều trứng gà nở sớm trước ngày 19 thì trường hợp này cũng nên giảm nhiệt độ ấp xuống 0,1 độ C.
Nếu thấy nhiều trứng gà nở muộn sau ngày 21 thì trường hợp này do thiếu nhiệt, các bạn cần tăng nhiệt độ ấp lên 0,1 độ C vào mùa hè và 0,2 độ C vào mùa đông để trứng nở tốt hơn.
Nếu thấy trứng gà mổ vỏ nhưng sùi nước vàng, con non chết ngay sau đó thì do nhiệt độ quá nóng và bạn cần giảm nhiệt độ ấp xuống 0,1 độ C.
Hình 3 5 Xuất hiện trứng nở sớm trong quá trình ấp
Lưu đồ thuật toán
* Lưu đồ thuật toán xử lý độ ẩm và quá trình đảo trứng.
Hình 3 6 Lưu đồ thuật toán xử lý độ ẩm và quá trình đảo trứng
- Điều khiển động cơ đảo trứng : Khi bắt đầu hệ thống sẽ đếm thời gian chờ đảo, hết thời gian chờ đảo thì cho phép đảo Cụ thể thời gian chờ đảo theo nghiên cứu sẽ cách nhau mỗi 2 tiếng và thời gian đảo mỗi lần là 1 phút.
- Điều khiển phun sương: Khi bắt đầu hệ thống sẽ đọc dữ liệu độ ẩm thực tế qua cảm biến gửi về và so sánh với giới hạn độ ẩm được cài đặt, nếu độ ẩm dưới ngưỡng được cài đặt thì cho phép mở phun sương cho đến khi độ ẩm tăng trên ngưỡng cài đặt thì ngắt phun sương.
* Lưu đồ thuật toán xử lý nhiệt độ lòng ấp.
Hình 3 7 Lưu đồ thuật toán xử lý nhiệt độ trong lòng ấp
- Điều khiển đèn sưởi và quạt : Khi bắt đầu hệ thống đọc dữ liệu nhiệt độ thực tế từ cảm biến gửi về, sau đó so sánh với giới hạn nhiệt độ đã được cài đặt Nếu nhiệt độ thực tế thấp hơn giới hạn nhiệt độ thì cho đèn sáng và ngược lại nếu nhiệt độ thực tế đo được caao hơn giới hạn nhiệt độ thì đèn tắt và bật quạt tản nhiệt Điện áp đầu ra của đèn sẽ tỉ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt
Thiết kế dao diện giám sát
Hình 3 8 Giao diện giám sát qua ứng dụng di động
- Giao diện giám sát hiển thị hai thông số chính là nhiệt độ và độ ẩm trong lòng ấp Bên cạnh đó là trạng thái hoạt động hay ngắt của các thiết bị như quạt tản nhiệt và trục đảo Cuối cùng là nút nhấn ON/OF để tắt mở hệ thống từ xa.
Thi công hệ thống
Giới thiệu
Sau khi thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ nguyên lý cho toàn hệ thống, em tiến hành thi công mô hình Hệ thống được thi công bao gồm hai phần chính là thi công phần cứng và thi công phần mềm Cụ thể như sau:
- Về phần cứng: Tiến hành lắp ráp bộ khung lòng ấp, thi công lắp ráp các linh kiện vào mạch dựa vào mạch in đã thiết kế Đấu nối dây điện từ các ngõ ra vào của mạch với các thiết bị thành phần có trong mô hình
- Về phần mềm: xây dựng thuật toán và viết chương trình cho hệ thống
Chương trình được lập trình dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống từ khi cấp nguồn cho đến khi hệ thống ngừng hoạt động, áp dụng được giải thuật điều khiển vào mô hình một cách tối ưu nhất.
Toàn bộ quá trình thi công hệ thống phải đảm bảo tất cả những yêu cầu về thiết kế mà ban đầu đã đặt ra.
Thi công phần cứng
Bảng 4.1 Dánh sách các linh kiện
STT Tên Chức năng Số lượng
1 16 f887A Đảm nhận quá trình điều khiển và ổn định nhiệt độ
2 ESP8266 nodeMCU Đảm nhận điều khiển quá trình cân bằng độ ẩm và điều khiển trục đảo trứng
3 Module LM2596 Điều chỉnh điện áp đầu cấp 1
4 Cảm biến LM35 Cảm biến đọc nhiệt độ trong lòng ấp
5 Cảm biến DHT11 Cảm biến đọc độ ẩm trong lòng ấp
6 Bóng đèn dây tóc 220V Cung cấp nhiệt độ cho lòng ấp
Cúng cấp độ ẩm cho lòng ấp 1
8 Động cơ Servo SG90 Đảm nhận chức năng đảo trứng
9 Màn hình LCD Hiển thị các thông số 1
10 Nút nhấn Điều chỉnh thông số trên lòng ấp
5 a Thi công bộ khung lòng ấp và bố trí các thiết bị
- Phần bộ khung của mô hình được lắp ráp bằng vật liệu bìa cứng gọn nhẹ nhưng vẫn đảm bảo được yếu tố ổn định nhiệt độ không bị ảnh hưởn từ thời tiết bên ngoài.
- Phần mạch điều khiển được đâu nối dựa trên mạch in đã thiết kế ban đầu và đảm bảo các linh kiện được bố trí hợp lý
- Phần các thiết bị chấp hành:
+ Đèn sưởi được đặt ở phía trên để tối ưu nhiệt độ được phân bố đều trong lòng ấp.
+ Quạt tản nhiệt được lắp bên cạnh đèn sưởi để tối ưu được thời gian tản nhiệt khi nhiệt độ quá cao và hướng quạt đảm bảo việc trứng ko bị thổi trực tiếp khiến nhiệt độ thay đổi đột ngột.
+ Máy phun sương được đặt góc của lòng ấp để tối ưu không gian trong lòng ấp.
Hình 4 1 Bên trong lòng ấp
Hình 4 2 Vỏ ngoài máy ấp trứng
Hình 4 4 Mạch điều khiển sau khi đấu nối với các thiết bị b Lập trình cho hệ thống.
- Đầu tiên tạo dao diện người dùng mới trên Blynk sau đó kết nối với phần lập trình trong Ardunio bằng đường dẫn có sẵn
Hình 4 5 Mẫu đường dẫn trong Blynk
Hình 4 6 Đường dẫn kết nối với Arduino
Hình 4 7 Lập trình trên Arduino IDE
Sau khi tạo đường dẫn dữ liệu từ Blynk về Ardunio ta bắt đầu thiết kế dao diện trên Blynk.
Các biến được khởi tạo bao gồm :
+ nd là nhiệt độ trong lòng ấp
+ da là độ ẩm trong lòng ấp
+ ss là trạng thái hoạt động hay ngừng của lòng ấp
+ quat thể hiện trạng thái hoạt động hay ngừng của thiết bị quạt tản nhiệt
+ dao thể hiện trạng thái đang đảo hay chờ đảo của trục đảo trong lòng ấp.
Hình 4 8 Giao diện hiển thị trên Blynk
Hình 4 9 Các hệ điều hành có thể cài đặt app Blynk
Bảng điều khiển trên di động có thể dễ dàng tải về cho cả điện thoại chạy trên cả hệ điều hành IOS và Android.
Chương trình đọc nhiệt độ và độ ẩm từ các cảm biến và hiển thị trên Ứng dụng Blynk bằng giao thức truyền thông Modbus RTU để giao tiếp với Bộ công cụ NodeMCU Từ Blynk cài đặt nhiệt độ và độ ẩm bật và tắt quạt Nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ cài đặt thì bật đèn để cung cấp nhiệt Độ ẩm xung quanh thấp hơn độ ẩm cài đặt thì bật máy phun sương Tương tự với quy đình đảo, ta có thể cài đặt thời gian chờ đảo và thời gian đảo để tham chiếu và từ đó bật tắt trục đảo theo ý muốn qua vi điều khiển.
- Để kết nối Pic 16f887 và ESP em sử dụng phương thức giao tiếp UART
Cách thức hoạt động của giao tiếp UART: UART sẽ truyền dữ liệu nhận được từ một bus dữ liệu (Data Bus) Bus dữ liệu được sử dụng để gửi dữ liệu đến UART bởi một thiết bị khác như CPU, bộ nhớ hoặc vi điều khiển Dữ liệu được chuyển từ bus dữ liệu đến UART truyền ở dạng song song Sau khi UART truyền nhận dữ liệu song song từ bus dữ liệu, nó sẽ thêm một bit start, một bit chẵn lẻ và một bit stop, tạo ra gói dữ liệu Tiếp theo, gói dữ liệu được xuất ra nối tiếp từng bit tại chân Tx UART nhận đọc gói dữ liệu từng bit tại chân Rx của nó UART nhận sau đó chuyển đổi dữ liệu trở lại dạng song song và loại bỏ bit start, bit chẵn lẻ và bit stop Cuối cùng, UART nhận chuyển gói dữ liệu song song với bus dữ liệu ở đầu nhận.
Hình 4 10 Cách thức hoạt động của kết nối UART
- Để điều chỉnh điện áp đầu ra cho đèn nhằm ổn định nhiệt độ trong lòng ấp em đã áp dụng thuật toán PID Cụ thể như sau :
Bước 1: Sau khi cảm biến đọc nhiệt độ thực tế về từ cảm biến LM35 vi xử lý. Bước 2 : Vi xử lý so sánh độ chênh lệch giữa nhiệt độ thực tế và giới hạn nhiệt độ Nhiệt độ thực tế càng thấp tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn vi xử lý sẽ cho điện áp đầu ra ở mức cao bằng cách giảm thời gian làm trễ dòng kích của Triac thông qua mạch phát hiện điểm không Tương tự như trên nếu độ chênh lệch nhiệt độ càng thấp dòng kích của Triac sẽ bị làm trễ càng nhiều khiến điện áp đầu ra càng thấp Điện áp đầu ra tối đa là 90 % và tối thiểu là20% Nếu nhiệt độ vượt qua giới hạn đã cài đặt đèn ngắt quạt bật để hạ nhiệt cho lòng ấp.
Hình 4 11 Mạch phát hiện điểm không
- Đối với độ ẩm, vì đây là điều kiện không quá khắc khe về độ chính xác nên quy trình điều khiển không quá phức tạp Khi cảm biến độ ẩm đo và trả về vi xử lý sẽ so sánh với giới hạn độ ẩm đã cài đặt, nếu độ ẩm ở dưới mức cho phép hệ thống sẽ bật phun sương cho đến khi độ ẩm được cân bằng.
- Đối với trục đảo, động cơ servo sẽ được chạy theo chu kì cài đặt sẵn.
Quy trình vận hành
Bước 1 : Cấp nguồn cho lòng ấp sử dụng nguồn 24V , Cấp nguồn cho bóng đèn sưởi sử dụng nguồn 220V
Bước 2 : Kết nối lòng ấp với ứng dụng di động
Bước 3 : Cài đặt tham số phù hợp cho đối tượng ấp và tiến hành ấp
Bảng 4.2 Tham số ấp các loại trứng gia cầm phổ biến
Loại trứng Thời gian ấp Nhiệt độ Độ ẩm
KẾT QUẢ-NHẬN XÉT-ĐÁNH GIÁ
Mô hình
Sau khi thi công toàn bộ hệ thống, với mô hình trên em đã đạt được những kết quả như sau
- Hoàn thành mô hình với các thiết bị được lắp đúng vị trí, ổn định chắc chắn.
- Các cảm biến được đặt ở những vị trí tối ưu nhất để truyền nhận dữ liệu
- Nhiệt độ trong lòng ấp được ổn định ở mức tốt
- Hoạt động ổn định trong thời gian dài
Hệ thống
- Giao diện hiển thị trên di động dễ kiễm soát dễ tiếp cận
- Giao diện hiển thị trên màn hình LCD và nút nhấn phản hồi chính xác
- Nhiệt độ, độ ẩm ổn định sai số không quá lớn
Kết quả sau khi ấp thử nghiệm
Bảng 5.1 : Bảng kết quả thử nghiệm ấp trứng
Tổng số trứng được ấp Số trứng nở thành công
Số trứng không nở Tỷ lệ nở
Hình 5.1 Vịt con bắt đầu phá vỏ
Hình 5.2 Vịt con mới nở
