Báo cáo Đồ Án môn nhập môn kỹ thuật Đề tài hệ thống tưới nước tự Động bằng cảm biến Độ Ẩm Đất

HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN NHẬP MÔN KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG BẰNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT GVHD: ĐẶNG TUẤN KHANH LỚP: L07 NHÓM: CÙNG NHAU QUA MÔN... HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO Đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN NHẬP MÔN KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG

BẰNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

GVHD: ĐẶNG TUẤN KHANH

LỚP: L07 NHÓM: CÙNG NHAU QUA MÔN

TP.HCM, 12-2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN NHẬP MÔN KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG

BẰNG CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

GVHD: ĐẶNG TUẤN KHANH

LỚP: L07 NHÓM: CÙNG NHAU QUA MÔN

TP.HCM, 12-2023

Mục Lục

Mục Lục Hình Ảnh 1

Lời Nói Đầu 2

1 Tổng quan về đề tài 3

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Lý do chọn đề tài 3

1.3 Mục đích làm đề tài 4

1.4 Ưu điểm khi dùng hệ thống tưới nước tự động 4

1.5 Ứng dụng 4

1.6 Đối tượng hướng tới 5

2 Hệ thống tưới nước tự động 5

2.1 Cơ sơ lý thuyết 5

2.2 Linh kiện 5

2.3 Thuật toán điều khiển 11

2.4 Sơ đồ khối 11

2.5 Sản phẩm 12

3 Kết luận 12

3.1 Đánh giá kết quả 12

3.2 Hạn chế của đề tài 12

3.3 Định hướng phát triển đề tài 13

Tài liệu tham khảo 14

Mục Lục Hình Ảnh

Lời Nói Đầu

Đầu tiên, chúng em xin cảm ơn trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện cho chúng em làm việc nhóm với nhau, có thể nói làm việc nhóm là một trong những yếu tố quan trọng sẽ hỗ trợ chúng em trên con đường sự nghiệp sắp tới Trong quá trình làm việc nhóm, chúng em đã được trao dồi thêm nhiều kỹ năng mềm như kỹ năng giao tiếp, kỹ năng phản biện Chúng em cũng xin cảm ơn trường đã đưa bộ môn Nhập môn kỹ thuật vào chương trình giảng dạy, cung cấp cho chúng em nhiều kiến thức mới

Và đặt biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Tuấn Khanh, là giảng viên giảng dạy chính môn Nhập môn kỹ thuật cho chúng em Cảm ơn thầy đã truyền đạt những kiến thức quý báo, những kinh nghiệm giảng dạy của thầy cho chúng em Trong quá trình học môn Nhập môn kỹ thuật này, chúng em cảm thấy mình được trao dồi thêm nhiều kiến thức hay và bổ ích, giúp chúng em có thể hoàn thành bài báo cáo này

Bộ môn Nhập môn kỹ thuật là một bộ môn vô cùng hữu ích, môn học này đã dạy cho chúng em biết cách làm việc nhóm, biết cách viết báo cáo đúng cách, trao dồi cho chúng em kỹ năng thuyết trình và kỹ năng giao tiếp Tuy nhiên, với kiến thức còn hạn chế cũng như còn bỡ ngỡ nên mặc dù đã cố gắng hết sức cho bài báo cáo lần này nhưng vẫn không thể tránh khỏi những thiếu sót và những phần chưa chính xác Chúng

em mong thầy có thể xem xét và góp ý cho bài báo cáo của chúng em trở nên hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

BẢNG 1: TIẾN ĐỘ KẾ HOẠCH

BẢNG 2: CHI PHÍ THỰC HIỆN

1 Tổng quan về đề tài

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trh sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Việc tính toán để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây trồng và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc,

độ ẩm lá và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thu dinh dưỡng không gây ria trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm… Tất cả các điều kiện đó sẽ được đưa vào hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn

1.2 Lý do chọn đề tài

Hệ thống tưới tự động bằng cảm biến độ ẩm là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp

lý, tiết kiệm sức lao động và chi phí nhân công

Vốn đã rất phổ biến th nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ vài

ba năm trở lại đây việc vận dụng hệ thống này mới trở thành xu hướng Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạng đưa vào xi dụng vì chi phí đầu tư cao

Th những vấn đề thực tiễn hiện tại em đã lựa chọn đề tài: “ Hệ thống tưới nước tự động bằng cảm biến độ ẩm ” cho dự án lần này

1.3 Mục đích làm đề tài

Vận dụng kiến thức đã học để nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống tưới tự động, th đó đưa vào ứng dụng thực tiễn Giúp cho việc tưới tiêu cây trồng ở nước ta có những phương án mới và đạt được hiệu quả cao

1.4 Ưu điểm khi dùng hệ thống tưới nước tự động

Tăng năng suất cây trồng: Hệ thống tưới nước tự động giúp cung cấp nước đều đặn và theo lịch trình cho cây trồng, giúp chúng phát triển tốt hơn và có năng suất cao hơn

Tiết kiệm thời gian và công sức: Hệ thống tự động giảm sự phụ thuộc vào việc tưới nước thủ công, giúp người trồng cây tiết kiệm thời gian và công sức Tiết kiệm nước: Hệ thống tưới nước tự động có thể được thiết kế để tưới theo nhu cầu thực tế của cây trồng và môi trường, giúp tránh lãng phí nước Kiểm soát hiệu suất: Hệ thống có khả năng kiểm soát lượng nước và dưỡng chất được cung cấp cho cây, đảm bảo rằng chúng nhận được những yếu tố cần thiết cho sự phát triển tốt nhất

Tự động hóa: Hệ thống tưới nước tự động có thể được lập trình để hoạt động

tự động dựa trên thời gian, điều kiện thời tiết hoặc cảm biến độ ẩm đất, giúp tạo ra sự hiệu quả và hiệu suất tối ưu

Giảm nguy cơ sai sót: Loại bỏ sai sót con người trong quá trình tưới nước, giúp ngăn ngha tình trạng quên tưới hoặc tưới quá nhiều

Bảo vệ môi trường: Thiết kế hệ thống tưới nước tự động có thể giúp giảm thiểu sự lãng phí nước và si dụng nguồn nước hiệu quả hơn, đồng thời giảm tiềm ẩn các vấn đề về môi trường như sự xâm thực nước ngầm

Tạo điều kiện tốt cho cây trồng: Hệ thống tưới nước tự động có thể cung cấp nước và dưỡng chất đều đặn và chính xác cho cây trồng, giúp chúng phát triển mạnh khỏe và chống lại các tác nhân bệnh hại

1.5 Ứng dụng

Toàn bộ quá trình đều có thể điều khiển tự động để giảm bớt sức người, nâng cao sản lượng…

Mặc dù tự động hóa ứng dụng th rất lâu cho việc tưới tiêu, song nó chỉ phát triển ở một số nước phát triển, còn đối với các nước chậm phát triển tuy nền nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa cho việc tưới cây vẫn còn rất chậm Hiện nay, được sự trợ giúp của nước ngoài các nước đang phát triển đã đưa dần tự động hóa vào đời sống và sản xuất, đặc biệt là các nước đông nam á trong đó có Việt Nam

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, kết hợp với thành tựu trong công nghệ vi điện ti và công nghệ thông tin,

đã cho phép tạo nên một giải pháp tự động hóa trong mọi lĩnh vực Có thể nói

tự động hóa trở thành xu hướng tất yếu cho mọi lĩnh vực cho bất kì quốc gia, vùng lãnh thổ nào

1.6 Đối tượng hướng tới

Những hộ gia đình có sở thích trồng cây nhưng không có thời gian tưới Vườn cây thông minh, công viên và vườn hoa

Những vườn rau có quy mô vha và nhỏ

2 Hệ thống tưới nước tự động

2.1 Cơ sơ lý thuyết

2.1.1.Tự động hóa

Tự động hóa là quá trình một thiết bị hay vật dụng được hoạt động tự động bởi hệ thống máy moc thông minh, có thể si dụng trí tuệ nhân tạo [1]

Tự động hóa làm giảm sự can thiệp của con người vào các quy trình sản xuất, cung cấp hàng hóa và dịch vụ [2]

Tự động hóa nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và tốc độ của nhiều tác vụ à trước đây con người thực hiện [3]

Tự động hóa ứng dụng các công nghê, kỹ thuật và quy trình cơ khí hiện đại, điều khiển tự động bằng các phần mềm máy tính [4]

2.1.2.Hệ thống tự động

Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần ti tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của con người.[5]

Hệ thống điều khiển tự động là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chỉ huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác [5]

2.2 Linh kiện

2.2.1.Cảm biến độ ẩm đất

Hình 2.1: Cảm biến độ ẩm đất Hình 2.1 là hình ảnh về cảm biến độ ẩm đất, nó là một giải pháp được si dụng trong lĩnh vực nông nghiệp để giám sát và điều chỉnh mức độ ẩm trong đất một cách chính xác và hiệu quả Việc si dụng cảm biến đất

không chỉ giúp tiết kiệm nước và tối ưu hóa việc tưới tiêu, mà còn giúp nâng cao hiệu suất cây trồng và bảo vệ môi trường

Nguyên lý hoạt động: dựa trên sư tương tác giữa đất và điện trở Khi trong đất có độ ẩm, nước trong đất sẽ làm tăng khả năng dẫn điện của đất Cảm biến sẽ đo điện trở trong đất

Thông số kỹ thuật

 Nguồn điện: 10 ~ 30 V Nguồn DC: 1.2 W

 Phạm vi đo nhiệt độ: -40 C ~ 80 Co o

 Phạm vi độ ẩm đo: 0 ~ 100 %

 Cấp chính xác nhiệt độ: ± 0,5 ℃

 Độ chính xác của độ ẩm: ± 3 % (khi đo lớp đất đá đóng băng, giá trị

độ ẩm sẽ thấp, cần người si dụng bù)

 Lưu trữ Môi trường: -40 ℃ ~ 80 ℃

 Tín hiệu đầu ra: 4 ~ 20 mA, 2 đầu ra tuyến tính nhiệt – ẩm

 Thời gian đáp ứng: điện trở lấy mẫu <1 s: <100 Ohm

Tổng quan về phần cứng

 Đầu cảm biến

Hình 2.1: Đầu cảm biến Hình 2.2 là hình ảnh của đầu cảm biến, nó là phần tiếp xúc trực tiếp với đất, thường được làm th kim lọại không rỉ như thép hay đồng Hai đầu kim loại sẽ găm vào đất, tiếp xúc trực tiếp với đất và tương tác với nước trong đất

 Module

Hình 2.2: Module Hình 2.3 là hình ảnh của module cảm biến độ ẩm dùng mạch so sánh LM393 để so sánh tí hiệu đầu ra th bộ điện cực với một ngưỡng Khi

độ ẩm của đất vượt qua ngưỡng đã được cài đặt, mạch so sánh sẽ tạo

ra tín hiệu đầu ra để biểu thị trạng thái độ ẩm của đất

 Sơ đồ chân

Hình 2.3: Sơ đồ chân Hình 2.4 là chi tiết các chân và chức năng của nó là:

VCC: Chân cung cấp nguồn cho cảm biến (thường là 3.3 V hoặc 5 V) GND: Chân đất (Ground)

AO (Analog Output): Chân đầu ra analog, cung cấp tín hiệu analog tương ứng với độ ẩm của đất

DO (Digital Output): Chân đầu ra Digital, tạo ra tín hiệu số để biểu thị trạng thái độ ẩm của đất

2.2.2.Arduino UNO R3 DIP

Hình 2.4: Arduino Hình 2.5 là hình ảnh của arduino, nó là một nền tảng phần cứng mở (open-source hardware) và một môi trường phần mềm (IDE - Integrated Development Environment) giúp phát triển các dự án điện ti Nó được thiết kế để làm cho việc lập trình và xây dựng các thiết bị điện ti trở nên

dễ dàng và tiện lợi, đặc biệt là đối với những người mới bắt đầu trong lĩnh vực điện ti và lập trình nhúng

Dưới đây là một số điểm quan trọng về Arduino:

 Bản Chất Mở: Arduino là một dự án mở, điều này có nghĩa là thông số

kỹ thuật của phần cứng và mã nguồn mở của phần mềm đều được công bố và có sẵn để cộng đồng si dụng, chỉnh sia và phát triển

 Boards và Module: Arduino có nhiều loại board và module phổ biến, như Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, và nhiều phiên bản khác Mỗi loại board có đặc điểm và tính năng riêng

 Ngôn Ngữ Lập Trình: Arduino si dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ IDE của Arduino cung cấp một giao diện đơn giản cho việc viết mã và tải chúng lên board

 Thư Viện Phong Phú: Cộng đồng Arduino đã phát triển nhiều thư viện (libraries) giúp đơn giản hóa việc lập trình với các cảm biến, mô-đun,

và các loại thiết bị khác

 Dễ Si Dụng Cho Người Mới: Arduino được thiết kế để làm cho lập trình và xây dựng mạch điện ti trở nên dễ hiểu và thân thiện với người mới học Nó cung cấp các ví dụ đơn giản và tài liệu hướng dẫn rộng rãi

 Dùng Cho Nhiều Ứng Dụng: Arduino có thể được si dụng cho nhiều mục đích, th các dự án nghệ thuật sáng tạo, dự án robot, đến các hệ thống tự động hóa nhỏ

 Cộng Đồng Lớn: Cộng đồng Arduino rất lớn, với hàng nghìn thành viên trên khắp thế giới chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm, và dự án

 Kích Thước Và Chi Phí Thấp: Arduino có kích thước nhỏ và giá cả phải chăng, điều này giúp làm giảm ngưỡng cho việc bắt đầu học và

si dụng

Với những đặc điểm trên, Arduino đã trở thành một công cụ phổ biến trong giáo dục, nghệ thuật sáng tạo, và trong cộng đồng làm phần cứng mở

Thông số kỹ thuật:

 Vi điều khiển: ATmega328 (8 bit)

 Điện áp hoạt động: 5 V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

 Tần số hoạt động: 16 MHz

 Điện áp vào khuyên dùng: 7-12 V DC

 Điện áp vào giới hạn: 6-20 V DC

 Số chân Digital I/O: 14 (có 6 chân PWM)

 Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10 bit)

 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

 Dòng ra tối đa (5V): 500 mA

 Dòng ra tối đa (3.3V): 50 mA

 Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

 SRAM: 2 KB (ATmega328)

 EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Vi điều khiển

Hình 2.5: Vi điều khiển Hình 2.6 là vi điều khiển Atmega328P là 8bit với bộ nhớ flash bên trong 3k byte Để lập trình chip chính, một tinh thể 16 MHz là một phần của bo mạch Bảng Arduino chỉ yêu cầu 5V DC để hoạt động

Bộ nhớ của vi điều khiển Atmega328:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memo ry): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Sơ đồ chân và chi tiết các chân:

 Bo mạch Arduino UNO có 5 chân analog và 14 chân kỹ thuật số (digital) Các chân này có thể là GPIO hoặc được si dụng cho các tín hiệu cụ thể

 Chân nguồn Vin: nó si dụng chân Vin cho 7-12 VDC áp dụng cho

bo mạch như một nguồn điện thoại bên ngoài Chúng ta có thể si dụng nguồn 9V cho điện áp cung cấp đầu vào

 Chân A0 đến A5 được si dụng làm chan đầu vào tương tự (giá trị đầu và th 0v đến 5V) hoặc si dụng làm đầu ra tuong tự Nó chứa 6 ADC (bộ chuyển đổi tương tự kỹ thuật số) với độ phân giải 10bit Các chân Arduino này có chức năng của các chân ra\vào kỹ thuật

số đa năng

 SDA/SCL: chúng ta si dụng nó giao tiếp I2C (liên mạch tích hợp) / TWI (giao diện hai dây) thư viện Wire có sẵn để giao tiếp với các thiết bị khác nhau bằng mạch Arduino

 Serial- UART (giao tiếp SPI): chân 0 được si dụng làm RX và 1

TX (trong hình trên là D0 và D1) được si dụng cho giao tiếp nối tiếp TT RX la để nhận dư liệu và TX là truyền dữ liệu

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MOSI), 13 (SCK) các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI

 Chân ngắt: chân 2 và chân 3 có thể si dụng như INT0 và INT1, chúng ta có thể cấu hình chúng hoạt động như ngắt bên ngòi cho một chức năng được viết trong chương trình

 Chân PWM: chân 3,5,6,9,10 và 11 được si dụng cho chức năng PWM (điều chế độ rộng xùn) hàm Analogwrite rất hiệu quả để