Đề tài thiết kế mô hình hệ thống tưới cây tự Động theo thời gian thực

LỜI CẢM ƠNTrước hết, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến với thầy Vũ Đình Đạt đã nhiệt tình trực tiếp hướng dẫn, dạy bảo cùng các thầy cô giáo đãcung cấp cho chúng em hà

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

Hưng Yên, ngày….tháng….năm 2024 Giảng viên hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, chúng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến với thầy

Vũ Đình Đạt đã nhiệt tình trực tiếp hướng dẫn, dạy bảo cùng các thầy cô giáo đãcung cấp cho chúng em hành trang kiến thức bổ ích, chỉ dẫn cho chúng em và sựgóp ý của các bạn trong quá trình thực hiện tiểu luận để chúng em có thể thực hiện

đề tài môn học "Hệ thống nhúng" một cách tốt nhất

Bên cạnh đó, để kết quả đạt được yêu cầu của thầy và nhóm em đề ra, ngoàinhững kiến thức của thầy cô cung cấp, kiến thức tích lũy của bản thân, chúng em đãphải tìm tòi, tham khảo từ nhiều nguồn tài liệu trên mạng để học hỏi thêm kiến thức,

kỹ năng Vì vậy, chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến các tác giả của những trangweb điện tử đã mang đến cho chúng em cũng như mọi người những thông tin thậthữu ích giúp chúng em hoàn thành được đề tài này

Trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức, kỹ năng của chúng em cònnhiều hạn chế nên kết quả đạt được không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng

em rất mong được lắng nghe và tiếp thu những ý kiến đánh giá, góp ý của các thầy

cô giáo cùng các bạn giúp chúng em hoàn thiện kiến thức, kỹ năng bản thân hơntrong các đồ án, dự án sắp tới và trong tương lai

Chân thành cảm ơn sự quan tâm và góp ý của thầy, cô giáo và các bạn!

MỞ ĐẦU

I Đặt vấn đề

Trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như ngày nay, các thiết bịđiện tử, tự động hóa đóng một vai trò rất quan trọng, ngay cả trong lĩnh vực nôngnghiêp, tự động hóa cũng đã được ứng dụng một cách sâu rộng Trong nội dung đềtài này, chúng em muốn nghiên cứu việc ứng dụng của tự động hóa trong trồng cây

ở các nhà vườn.Áp dụng những kiến thức đạt được trong quá trình học môn Vi Điều

Khiển, chúng em quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống tưới cây tự động theo thời gian thực” với mục đích giúp việc giám sát và cân bằng độ ẩm của

vườn cây được thực hiện một cách tự động giúp nâng cao hiệu quả trong sản xuất

Sau một thời gian thực hiện, nhóm sinh viên đã được mở rộng và hiểu biếtthêm về các thiết bị chế tạo, cũng như phát hiện ra nhiều thiếu sót của bản thân.Ngoài ra, nó còn giúp nhóm sinh viên tìm hiểu thêm một số ứng dụng thực tế củanhiều thiết bị, linh kiện trong thực tiễn và làm cho kiến thức chúng em ngày càngđược nâng cao

Qua đó, nhóm sinh viên xin chân thành cám ơn thầy Vũ Đình Đạt đã nhiệttình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt nội dung của đề tài

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: hệ thống hệ thống tưới cây tự động theo thời gianthực cho vườn cây trong nhà kính

Phạm vi nghiên cứu: Những nội dung và kiến thức liên quan đến yêu cầu của

đề tài nghiên cứu

Thời gian: Kỳ 1 năm học 2024-2025

IV Ý nghĩa

Ý nghĩa khoa học: cung cấp giải pháp khoa học cho việc canhtác cây trồng

Góp phần phát triển kỹ thuật nông nghiệp tiên tiến, hiệu quả

Ý nghĩa thực tiễn: giúp nâng cao năng suất, chất lượng, giảm chiphí sản xuất, tăng lợi nhuận, tạo môi trường làm việc tốt và gópphần bảo vệ môi trường

V Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Những nội dung, kiến thức và tài liệu liên quan đến đềtài

Nghiên cứu thực nghiệm: Lựa chọn linh kiện, chế tạo và thử nghiệm sảnphẩm

VI Sản phẩm dự kiến đạt được

Quyển thuyết minh trình bày các nội dung của đề tài

Mô hình thực tế bộ điều khiển tưới nước cho vườn cây, có thể giám sát đượccác thông số theo thời gian thực và độ ẩm đất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG THEO THỜI GIAN

THỰC 1.1 Tổng quan về đề tài

Hệ thống tưới cây tự động là một cách để đảm bảo cây trồngnhận được lượng nước cần thiết, ngay cả khi không có người giámsát Có nhiều loại hệ thống tưới cây tự động khác nhau, có thểchọn loại phù hợp nhất với nhu cầu của mình

Một số hệ thống tưới cây tự động phổ biến bao gồm:

- Hệ thống tưới nước nhỏ giọt: hệ thống này sử dụng mạng lưới các ống vàđầu nhỏ giọt để tưới trực tiếp vào gốc cây Hệ thống tưới nhỏ giọt rất hiệu quả vàtiết kiệm nước

Hình 1.1 Hệ thống tưới nước nhỏ giọt

- Hệ thống tưới phun mưa: Hệ thống này sử dụng các đầu phun đểphun nước lên cây. Hệ thống tưới phun mưa là một lựa chọn tốtcho các khu vực rộng lớn

Hình 1.2 Hệ thống tưới phun mưa.

- Hệ thống tưới nước tự động bằng bộ hẹn giờ: Hệ thống nàykết nối với vòi nước và có thể được lập trình để tưới cây vào cácthời điểm cụ thể Hệ thống tưới tự động bằng bộ hẹn giờ là mộtlựa chọn đơn giản và dễ sử dụng

Hình 1.3 Hệ thống tưới nước tự động bằng bộ hẹn giờ

Khi chọn hệ thống tưới cây tự động theo thời gian thực, điềuquan trọng là phải xem xét các yếu tố sau:

- Kích thước khu vực trồng cây: cần một hệ thống đủ lớn đểtưới toàn bộ khu vực

- Loại cây trồng: Mỗi loại cây cần điều kiện về nhiệt độ và độ

ẩm khác nhau

- Ngân sách: Tùy theo độ khắt khe của yêu cầu

1.2 Vai trò và ứng dụng thực tiễn của hệ thống

- Hệ thống tưới cây theo thời gian thực và theo độ ẩm đất

có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, giúp cây trồng pháttriển tốt hơn, giúp tiết kiệm nhân công trong các nông trại rausạch lớn

- Trong các nông trại sản xuất cây và khu nông nghiệp, hệthống giúp tưới cây phù hợp và đúng thời điểm theo độ ẩm đất vàthời gian thực trong ngày

- Hệ thống còn có thể ứng dụng trong các nhà kính trồngcác loài hoa khó sinh trưởng như hoa hồng, hoa cúc họa mi,

1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG THEO THỜI GIAN THỰC 2.1 Yêu cầu đề tài:

- Hệ thống phải có khả năng đo được độ ẩm

- Hệ thống phải có khả năng xử lý được tín hiệu nhận được từ cảm biến

- Hệ thống phải có khả năng tưới cây tự động theo thời gian thực khi nhậnđược tín hiệu từ cảm biến

- Hệ thống phải có khả năng hoạt động ổn định và liên tục nhiều ngày

- Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Lựa chọn thiết bị cho hệ thống:

Dựa theo yêu cầu của bài toán ta chọn các thiết bị như sau cho hệ thống:

- Không cần bảo trì

-Có thể sạc lại nhiều lần, giúp tiếtkiệm chi phí trong dài hạn

- Thích hợp cho các ứng dụng yêucầu nguồn điện liên tục và lâu dài

- Một số loại ắc quy có khả năngtái chế tốt hơn

- Chi phí ban đầu cao hơn so vớipin

- Cần bảo trì và kiểm tra định kỳ

- Có thể nặng và cồng kềnh hơnpin

**Kết luận: Pin 18650 được chúng em chọn làm nguồn cho hệ thống vì các ưu điểmsau: pin có dung lượng lớn, cho phép cung cấp điện năng lâu dài cho thiết bị, pin cókích thước nhỏ gọn và phù hợp với nhiều thiết bị điện tử khác nhau Ngoài ra, pin

có khả năng sạc lại, độ bền và hiệu suất cao

Hình 2.2 Pin 18650

*Khối cảm biến:

+) Cảm biến độ ẩm đất:

Cảm biến độ ẩm đất là thiết bị được sử dụng để đo lượng nước có trong đất.Cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nông nghiệp,tưới tiêu tự động, và các ứng dụng khoa học môi trường

 DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

 AO: Đầu vào Analog

+) IC thời gian thực DS1307:

IC thời gian thực được lựa chọn vào đề tài vì những ưu điểm sau: Độ chínhxác cao (sai số khoảng ±2 phút mỗi tháng) giúp theo dõi thời gian chính xác, dễ sửdụng, giao tiếp I2C đơn giản, tích hợp tốt với các vi điều khiển như Arduino, có khảnăng lưu trữ khá lớn trên bộ nhớ EEPROM, tiêu thụ điện năng cực thấp, có pin dựphòng và giá cả rất rẻ (khoảng 20.000 VNĐ/1 chiếc)

IC thời gian thực DS1307 là một vi mạch tích hợp được sử dụng để đo vàhiển thị thời gian thực trong các ứng dụng điện tử Nó được sản xuất bởi hãngMaxim Integrated

DS1307 có khả năng giữ và theo dõi ngày, tháng, năm, giờ, phút và giây Nóhoạt động dựa trên nguồn điện cung cấp từ 5V và sử dụng giao tiếp I2C để truyềnthông giữa vi mạch và vi điều khiển hoặc vi mạch khác

Chip DS1307 có 7 thanh ghi 8 bit mỗi thanh ghi này chứa: Thứ, ngày, tháng,năm, giờ, phút, giây DS1307 được đọc thông qua chuẩn truyền thông I2C nên do

đó để đọc được và ghi từ DS1307 thông qua chuẩn truyền thông này

Dưới đây là sơ đồ chân IC DS1307:

Hình 2.3 Sơ đồ chân IC thời gian thực DS1307

*Khối điều khiển:

Có rất nhiều loại vi điều khiển thông dụng, một trong những vi điều khiểnđiển hình và dễ tiếp cận nhất là Arduino, những mô hình phổ biến nhất của Arduinobao gồm: Arduino Uno, Arduino Nano và Arduino Mega Dưới đây là bảng so sánhcác thông số và chi tiết của ba loại Arduino phổ biến này

Kích thước 68.6 mm x 53.4 mm 01.5 mm x 53.3

mm

45 mm x 18 mm

Số chân I/O 14 chân Digital, 6

Ứng dụng phổ biến Dự án cơ bản, điều

khiển đơn giản

Dự án phức tạp, điều khiển nhiều thiết bị

- Dễ sử dụng, có cộng đồng lớn và nhiều tài liệu hướngdẫn

Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều khiển nhiều thiết bị cùng lúc (như robot, hệ thống tự động hóa)

Kích thước nhỏ, dễ dàng sử dụng trong cáckhông gian hạn chế

Nhược điểm Giới hạn về số chân

I/O và bộ nhớ cho các dự án phức tạp

Kích thước lớn hơn, không phù hợp cho các dự ánnhỏ gọn

Số lượng chân I/O hạn chế, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu nhiều chân kết nối

** Kết luận: Việc chọn mô hình Arduino phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thểcủa dự án Ở đây, Arduino Uno R3 được lựa chọn vì nó phù hợp với mô hình điềukhiển nhỏ gọn, không quá phức tạp và giá cả hợp lý Arduino Mega quá đắt đỏ cònArduino Nano thì phù hợp với các thiết bị mang tính di động hơn.

Màn hình LCD 16x2 được lựa chọn vì các ưu điểm như: giá thành rẻ, dễ muasắm, phù hợp với những dự án nhỏ gọn, lắp ráp dễ dàng, dễ lập trình và điều khiển

vì có nhiều thư viện hỗ trợ, có độ tương phản khá tốt giúp người dùng dễ đọc, khảnăng hiển thị đa dạng và tiêu thụ điện năng cực thấp, phù hợp cho các ứng dụng cầntiết kiệm nguồn năng lượng

Màn hình LCD 16x2 được kết nối với vi điều khiển hoặc vi mạch thông quagiao diện song song Nó có các chân đầu vào và đầu ra để truyền dữ liệu và tín hiệuđiều khiển Để sử dụng màn hình LCD 16x2, bạn cần sử dụng một thư viện điềukhiển LCD phù hợp với vi điều khiển hoặc vi mạch bạn đang sử dụng.

2.3 Sơ đồ nguyên lý:

2.4 Thiết kế mạch in:

2.5 Chế tạo và lắp ráp phần cứng:

2.6 Thiết kế hộp mô hình sản phẩm:

2.7 Mô hình hoàn thiện của sản phẩm:

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN, KẾT NỐI VẬN HÀNH, THỬ

NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 3.1 Lưu đồ thuật toán

3.3 Chương trình điều khiển

- Trình bày mã nguồn trên CCS C dựa trên lưu đồ thuật toán

- Ghi chú chức năng, nhiệm vụ của từng đoạn chương trình (sử dụng /*

char daysOfTheWeek[7][12] = {"CN", "Thu Hai", "Thu Ba", "Thu Tu",

"Thu Nam", "Thu Sau", "Thu Bay"};

int len = 4; int gtlen; // Lên là trừ

int xuong = 5; int gtxuong; // Xuống là cộng

int menu = 2; int gtmenu;

int back = 3; int gtback;

int macdinh = 1;

int h; int m; int v=1;

int SHmax, SHmin; int cb = A0; //Các biến của code ẩm đất

int doc_cb, TBcb, SH;

int phantramao, phantramthuc;

int bom=7;

int congtru_tong = 0;

int demtong = 0;

int demback = 0;

int hour2=0; int hour1=0; int hour3=0; int hour4=0;

/* */ DÙNG ĐỂ KHỞI TẠO CÁC THIẾT BỊ, GÁN GIÁ TRỊ BAN ĐẦU CHO CÁC BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT, THIẾT LẬP CÁC CHÂN I/O

else if (demtong == 2 && congtru_tong == 3)

else if (demtong == 2 && congtru_tong == 6)

/* */ HIỂN THỊ NỘI DUNG MENU TỔNG

void menu_tong()

{

//đổi thành tiếng việt

for (int i = 0; i <= 9; i++) //Đọc 10 lần giá trị cảm biến, sau đó lấy giá trị trung bình để được giá trị chính xác nhất.//

{

doc_cb += analogRead(cb);

}

TBcb = doc_cb / 10; //Tính giá trị trung bình

phantramao = map(TBcb, 0, 1023, 0, 100); //Chuyển giá trị Analog thànhgiá trị %

Thử nghiệm như sau:

Đọc giá trị độ ẩm từ cảm biến hiển thị lên LCD theo thời gian thực

Thử nghiệm toàn hệ thống: Chạy chương trình với hệ thống phần cứng đầy

đủ Nhận dữ liệu từ cảm biến độ ẩm đất

3.4.1 Khảo sát mô hình:

a) Khảo sát cảm biến DHT22, IC thời gian thực DS1307 và màn hình LCD:

Bước 1: Kết nối cảm biến DHT22, DS1307 và LCD với Arduino như sơ đồ

Bước 2: Nạp code cho arduino.

Bước 3: Cấp nguồn cho hệ thống, quan sát độ ẩm đo được được hiển thị lênmàn hình LCD theo thời gian thực

Bước 4: Thay đổi giá trị đổ ẩm bằng cách tưới nước vào đất và quan sát sựthay đổi của giá trị độ ẩm hiện trên màn hình LCD tại thời gian đó

b) Khảo sát toàn bộ hệ thống:

Bước 1: Kết nối tất cả các thiết bị theo sơ đồ kết nối

Bước 2: Nạp chương trình điều khiển cho arduino

Bước 3: Cấp nguồn cho hệ thống và tiến hành cài đặt thời gian tưới cây tựđộng theo thời gian thực và độ ẩm đất:

VD: H=16h00 và Độ ẩm = 20% < 50% ( đã cài đặt) thì hệ thống khởi độngmáy bơm tiến hành tưới cây tự động làm tăng độ ẩm đất Khi độ ẩm đất đạt 50% thì

- Hiển thị khá chính xác thời gian thực tế trên LCD.

- Mạch chạy khá ổn định, sai lệch về thời gian không đáng kể

- Hoạt động đúng yêu cầu mà người sử dụng cài đặt

- Sản phẩm có thể đưa vào ứng dụng trong thực tế

b) Ưu, nhược điểm

- Độ chính xác chưa phải là quá cao.

- Chức năng còn đơn giản và ít, chưa đáp ứng được tất cả nhucầu khắt khe trên thực tiễn

c) Hướng phát triển của đề tài

Qua quá trình thử nghiệm và đánh giá sản phẩm, chúng em

đã có những định hướng phát triển sau đây:

- Trong tương lai sản phẩm có thể nhỏ gọn, thẩm mỹ hơn đểthu hút người tiêu dùng

- Tích hợp thêm nhiều chức năng: cảm biến cường độ ánhsáng, …

- Điều khiển qua module SIM, sóng Wifi

- Điều khiển qua Web (ứng dụng INUT

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS.Phạm Ngọc Thắng ( Chủ biên)_ ThS.Nguyễn Thành Long,Giáo trình Linh kiện và mạch điên tử cơ bản, NXB Giáo dụ ViệtNam, 2013

[2] Phạm Quang Huy_ Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển vớiArduino, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2014

[3] Giáo trình điện tử căn bản - Trương Minh Tới

[4] Website: www.diendandientu.com

www.dientuvietnam.net

www.alldatasheet.com

www.dientumaytinh.com