Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm soát môi trường nước nuôi tôm thương phẩm thâm canh qui mô trang trại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ SẢN *** CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC GIAI ĐỌAN 2001 – 2005 “ Khoa học và công nghệ phục vụ công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp và nông thôn “ ( Mã số KC. 07 ) BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ KIỂM SOÁT MÔI TRƯỜNG NƯỚC NUÔI TÔM THƯƠNG PHẨM THÂM CANH QUI MÔ TRANG TRẠI THUỘC ĐỀ TÀI TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐỒNG BỘ CÁC THIẾT BỊ PHỤC VỤ MÔ HÌNH NUÔI TÔM THƯƠNG PHẨM THÂM CANH QUI MÔ TRANG TRẠI” ( Mã số :KC.07.27 ) Chủ nhiệm đề tài : - PGS.TS Phạm Hùng Thắng Cộng tác viên : - Th.S Đinh Bá Hùng Anh - KS Nguyễn Đức Hải 6623-5 02/11/2007 Nha Trang - 2006 3 3 Chương I XÁC ĐỊNH YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ I. Tổng quan về môi trường ao nuôi tôm thương phẩm thâm canh. Điều hành ao nuôi tôm có hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết về mối quan hệ giữa tôm và môi trường sống của nó. Môi trường trong ao nuôi tôm bao gồm rất nhiều yếu tố, ở đây xin đưa ra những thông số môi trường chính đó là: ôxy, độ pH, độ mặn, độ đục, nhiệt độ. a. Ô xy. Ôxy là yếu tố đặc biệt quan trọ ng với quá trình sống của sinh vật. Đối với nghành nuôi tôm công nghiệp thì việc tăng hàm lượng Ôxy vào nước là một việc không thể thiếu. Ôxy được làm giàu cho nước từ hai nguồn cơ bản sau : Hoà tan trực tiếp từ khí quyển và quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh thải ra. Mức độ ôxy do thực vật nổi tạo ra tuỳ thuộc vào mật độ của chúng và cường độ ánh sánh mặt trời. Mật độ tảo và ánh sáng càng cao thì ôxy sinh ra càng nhiều. Lúc trời nắng, hàm lượng ôxy trong ao thường cao nhất vào lúc xế chiều, sau đó giảm dần và thấp nhất vào lúc sáng sớm. Máy sục khí cũng có thể cung cấp ôxy cho ao nhờ tăng trao đổi khí ở bề mặt của ao. Dòng chảy và hoạt động của máy sục khí còn giúp đưa phiêu sinh thực vật từ đáy ao lên tầng mặt để thực hiện quá trình quang hợp tạo ôxy vào ban ngày. Thay một lượng nước lớ n cũng có thể cung cấp ôxy nhanh chóng cho ao nuôi. Oxy từ các bình chứa cũng được dùng để cung cấp ôxy trong trường hợp khẩn cấp. Hàm lượng Ôxy tốt nhất để tôm sống khoẻ mạnh và phát triển tốt nhất là từ (5 - 7)ml/g. b. Độ pH. 4 4 Độ pH của nước ao rất quan trọng, có ảnh hưởng rất lớn đến tôm nuôi và phiêu sinh vật. Độ pH cũng là một trong vài chỉ tiêu về chất lượng môi trường ao dễ đo, dể theo dõi điều kiện môi trường trong ao. Độ pH biểu thị tính axit của nước ao. Khi pH<7 thì nước có tính axit, nếu pH>7 thì nước có tính kiềm. Nước có độ pH khoảng 7,5÷8,5 là phạm vi rất thích hợp cho tôm sú. c. Độ mặn. Độ mặn là tổng l ượng ( tính theo gam ) các chất hoà tan chứa trong 1 kg nước biển, các nhà hải dương học tính độ mặn bằng phần nghìn ( 0 / 00 ). Tuỳ theo loại tôm và thời điểm trong chu kỳ sinh sống của mỗi loại tôm mà nồng độ mặn có khác nhau. Đối với tôm sú thì có thể chịu đựng được sự biến thiên về độ mặn từ 3÷45 0 / 00 . Độ mặn lý tưởng cho tôm sú sống và phát triển mạnh là từ 15÷25 0 / 00 . d. Độ đục. Độ trong của nước được đo dựa vào độ sâu còn nhìn thấy được nhờ một dụng cụ gọi là đĩa Secchi. Còn hàm lượng Seston thường được xác định theo phương pháp trọng lượng. Seston là tập hợp các sinh vật sống trong tầng nước và thể vẩn lơ lững trong nước. Chúng gồm các hợp phần sau: chất vẩn vô cơ được đưa vào thuỷ vực từ đất, mùn bã h ữu cơ, sinh vật phù du ( kể cả động vật và thực vật). Do đó trong các ao nuôi thuỷ sản tồn tại mối quan hệ độ trong và thực trạng của ao. Giá trị độ trong <20 Cm thì ao được gọi là ao đục, ao đục sẽ cản trở sự quang hợp của sinh vật phù du trong nước do đó sẽ dẫn đến trình trạng thiếu ôxy trong ao nuôi. Ngược lại, nếu ao nuôi có độ trong từ 45÷60 cm thì nước ao gọi là nghèo chấ t dinh dưỡng. Độ trong khoảng từ 0,4÷0,5m là tình trạng ao tốt nhất. 5 5 e. Nhiệt độ. Nhiệt độ môi trường ao nuôi tôm cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển và tăng trưởng của tôm. Nhiệt độ trong ao nằm trong khoảng 25÷30 0 C là tốt nhất. Bảng 1: Yêu cầu kỹ thuật về các thông số môi trường theo tiêu chuẩn ngành Thủy sản 28 TCN 171:2001. Điều kiện Yêu cầu kỹ thuật 1. Nguồn nước. Vùng ven biển có nguồn nước mặn, lợ, ngọt không bị nhiễm bẩn do chất thải của các nghành sản xuất nông, công nghiệp và chất thải từ khu dân cư. 2. Độ mặn 0 / 00 . Từ 10 đến 30 ( thích hợp 15÷25). 3. Độ trong (m). 0,4÷0,5 4. Độ cứng CaCO 3 (mg/l). >80 5. pH nước. 7,5÷8,5 6. H 2 S (mg/l). <0, 02 7. NH 3 (mg/l). < 0,10 8. Chất đất. Đất thịt hoặc thịt pha cát, hoặc thịt pha bùn ít mùn bã hữu cơ có độ dính kết cao. 9. pH đất. > 5,0 10. Cao trình đáy ao. Cao triều hoặc trên cao triều. 11. Nhiệt độ 25÷30 0 C 6 6 II. Xác định các yêu cầu kỹ thuật cơ bản. Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản của thiết bị: + Kiểm soát tổng hợp 5 thông số môi trường (nhiệt độ, pH, độ mặn, độ đục, nồng độ Oxy hòa tan trang nước). Có chế độ cảnh báo tự động bằng LED 3 màu + Các ngưỡng đo của thiết bị phải đạt như sau: - pH: 6÷10, độ phân giải 0.1. - Độ mă n: 10÷30, độ phân giải 0.1. - Độ đục: 10cm÷60cm, độ phân giải 1cm. - Nhiệt độ: 15÷35 0 C, độ phân giải 0.5 0 C. - Nồng độ Oxy hòa tan: 3÷9, độ phân giải 0.1 + Thiết bị làm việc theo thời gian được định sẵn trong ngày. + Kết quả đo được hiển thị trên LCD và được đưa lên máy tính thông qua cổng COM. 7 7 Chương II THIẾT KẾ KỸ THUẬT THIẾT BỊ III. Xây dựng phương án thiết kế. III.1. Các phương án hiện dùng. Hiện nay để đo các thông số môi trường trong ao nuôi tôm người ta thường dùng các máy đo từng thông số riêng (máy đo pH, máy đo độ mặn, máy đo nồng độ oxy hòa tan trong nước) có bán trên thị trường với các độ chính xác khác nhau. Sau đây là một số thiết bị đo có độ chính xác cao và được dùng phổ biến trên thị trường. a) Máy đo nồng độ Oxy hòa tan trong nước của phân viện v ật lý TPHCM. Hình 1: Thiết bị DO-802 dùng để đo nồng độ Oxy hòa tan trong nước của phân việt vật lý TPHCM Đây là thiết bị có độ chính xác cao: 0.1mg/lít. Khoảng đo 0÷20mg/lít, giá trị đo được hiển thị trên màn hình LCD dễ nhìn, nguồn nuôi là pin 9V, dễ sử dụng. 8 8 b) Thiết bị đo pH: Hình 2: Thiết bị đo pH-62K của phân việt vật lý TPHCM + Các phần tử của máy đo: 1. Jack BNC 2. Ngõ ra analog 3. Chỉ thị LCD 4. Công tắc mV-0-pH 5. Ổ cắm 10 VDC 6. Núm chỉnh pH X 7. Núm chỉnh t 0 C 8. Núm chỉnh pH 7 Khoảng đo pH từ 0÷14. Độ chính xác 0.1, nguồn nuôi là pin 9V, màn hình hiển thị LCD dễ nhìn, dễ sử dụng. 9 9 c) Thiết bị đo độ mặn SM-802 của phân viện vật lý TPHCM. Hình 3: Thiết bị đo độ mặn SM-802 của phân việt vật lý TPHCM + Đặc trưng kỹ thuật : Chỉ thị số : tinh thể lỏng LCD 16x2 Thang đo : 0 –50 g / lít Độ chính xác : ± 1% Điện cực : graphit siêu sạch, trơ với hoá chất ăn mòn Nguồn điện : 2 pin 9V hoặc đi ện lưới dùng với adaptor kèm theo máy Tự động báo nguồn điện yếu : mặt hiển thị LCD hiện chữ “LB” Khoảng bù trừ nhiệt độ tự động : 0 – 60 o C Kích thước : 195 mm x 100 mm x 48 mm 10 10 Trọng lượng : 600 gam (gồm cả pin và điện cực). d) Đo độ đục của nước. Để đo độ đục của nước người ta dùng đĩa Secchi. Đĩa Secchi là một chiếc đĩa tròn bằng INOX trên bề mặt đĩa được chia thành 4 phần bằng nhau. Trên các phần đó người ta sơn xen kẽ các màu đen và trắng. Khi đo ta thả đĩa xuống nước cho tới khi nào không phân biệt được màu trắng và đen s ơn trên mặt đĩa nữa thì độ sâu của đĩa chính là độ đục của nước. Đây là phương pháp thủ công, độ chính xác không cao vì kết quả đo còn phụ thuộc vào ánh sáng của mặt trời. e) Đo nhiệt độ. Để đo nhiệt độ của nước trong ao nuôi tôm người ta dùng nhiều cách. Có thể dùng nhiệt kế thông thường hay nhanh hơn là dùng các máy đo nhanh cầm tay có độ chính xác vừa phải, tùy theo người nuôi tôm lựa chọn vì khâu đ o nhiệt độ đơn giản, không phức tạp như các thông số khác. *Nhận xét: Như vậy các thiết bị đo các thông số môi trường trong ao nuôi tôm hiện nay là riêng biệt không tổng hợp. Các thiết bị này mới chỉ hiển thị cho người nuôi tôm kết quả các thông số môi trường, còn việc xử lý các kết quả đo là do người nuôi dựa vào kinh nghiệm của mình là chính. Việc điều chỉnh các thông số môi trường trong ao nuôi tôm rất quan trọng đòi hỏi thường xuyên trong ngày và phải chính xác. Công việc này gây mất nhiều công sức và th ời gian cho người nuôi tôm. Hiện nay trong nước chưa có thiết bị kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm tự động. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm thương phẩm thâm canh là việc làm rất cần thiết hiện nay, nhằm giúp người nuôi tôm nói riêng và ngành nuôi tôm công nghiệp nói chung giảm sức lao động, tăng hiệu quả trong sản xuất góp phần tự động hóa ngành nuôi tôm công nghiệp ở n ước ta. 11 11 III.2. Xây dựng phương án thiết kế. Để thiết kế bộ kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm trước hết ta cần xây dựng quy trình kiểm tra các thông số môi trường trong ao nuôi tôm. Một ngày quá trình trên diễn ra 4 lần, mỗi lần cách nhau 4 tiếng đồng hồ. + Khâu kiểm tra tổng hợp phải đáp ứng được yêu cầu: kiểm tra 1 lúc 5 thông số của ao nuôi tôm (nhiệt độ, độ đục, độ pH, nồng độ Oxy hòa tan, độ mặn) một cách tự động, nhanh chóng và chính xác. + Khâu hiển thị kết quả đo phải đảm bảo yêu cầu: Dễ nhìn, rõ ràng từng thông số. + Khâu so sánh với các thông số theo tiêu chuẩn phải đảm bảo chính xác. + Khâu cảnh báo bằng LED 3 màu đảm bảo dễ phân biệt giúp người nuôi tôm bằng mắt bình thường có thể biết được thông số nào đang ở mức cao, mức TB (cho phép) và mức thấp. + Khâu tác động Rơle đảm bảo chính xác phải có 2 chế độ tự động và bằng tay để vừa có thể vừa tự động điều chỉnh các thông số môi trường và chịu sự can thiệp của ngườ i nuôi tôm. + Khâu đưa các kết quả đo tổng hợp lên máy tính nhằm giúp cho công việc sau này như lưu trữ kết quả đo, xử lý kết quả đo… Kiểm tra tổng hợp Hiển thị kết quả đo tổng hợp lên LCD So sánh với các thông số theo tiêu chuẩn Cảnh báo bằng LED 3 màu Tác động Rơle để điều chỉnh lại các thông số (nếu cần) Đưa kết quả đo lên máy tính [...]... sơ đồ khối thiết bị kiểm sốt tổng hợp mơi trường ao ni tơm thương phẩm thâm canh Hộp điều khiển Đồng hồ định thời gian 5 LED cảnh báo LCD 8 đường ra để điều chỉnh các thơng số mơi trường Thùng đựng nước ngọt để rửa các đầu dò 5 đầu đo Van cấp nước ngọt Thùng đựng nước ao để kiểm tra 5 thơng số mơi trường Van xả Van cấp nước ao Bộ cấp nguồn DC cho hộp điều khiển Hình 4: Sơ đồ khối thiết bị kiểm sốt tổng... các thơng số mơi trường ao ni tơm thương phẩm thâm canh 12 13 * Ngun lý hoạt động của thiết bị: Đây là thiết bị thực hiện quy trình kiểm sốt tổng hợp mơi trường ao ni tự động theo thời gian được lập trình sẵn bằng kỹ thuật vi xử lý Trong hộp điều khiển có một bộ định thời gian, được định sẵn các thời điểm kiểm tra trong 1 ngày Tới thời điểm kiểm tra hộp điều khiển tự động mở bơm để cấp nước trong ao ni... xả, xả hết nước trong ao, tiếp đó đóng van xả lại và mở van cấp nước ngọt để rửa sạch và bảo quản các đầu đo Q trình kiểm tra đã kết thúc và màn hình LCD lúc này hiển thị dòng thơng báo “ĐÃ KIỂM TRA XONG” Đến giờ kiểm tra lần sau q trình lại tiếp tục diễn ra như trên Ngồi ra thiết bị còn có chế độ kiểm tra bất kỳ lúc nào mà người ni tơm muốn Và ngồi chế độ điều chỉnh tự động các thơng số mơi trường trong... 36 IV.2.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình định thời gian START Khởi tạo timer 1 chế độ 1 Chờ ngắt từ timer 1 No Yes Giảm R7 1 giá trị Kiểm tra đủ 20 lần chưa No Yes Tăng 1s Kiểm tra đủ 60giây chưa No Yes Tăng 1phút Kiểm tra đủ 60phút chưa No Yes Tăng 1giờ Yes Kiểm tra đủ 24 giờ chưa No 36 37 IV.2.3 Lưu đồ tht tốn kiểm tra 5 thơng số mơi trường START Chọn kênh Gọi chương trình con biến đổi AD Đọc và lưu... tự động và tiếp điểm NO được nối với tiếp điểm COM, tiếm điểm NC bị ngắt khỏi tiếp điểm COM 3 4 6 5 7 1 8 COM 2 Hình 26: Cấu tạo rơle điện từ 34 35 IV.2 Tính tốn thiết kế phần mềm IV.2.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính START Bộ định thời gian No Chương chình con kiểm tra thời gian Yes Bơm nước vào thùng chứa Gọi chương trình con kiểm tra Lưu kết quả đo và chuyển đổi Gọi chương trình con hiển thị... chương trình điều khiển các thơng số mơi trường ) Để thiết kế được thuận lợi rõ ràng ta lập sơ đồ khối của hộp điều khiển, sau đó sẽ thiết kế từng phần nhỏ rồi ghép lại thành 1 khối hồn chỉnh 14 15 * Sơ đồ tổng qt về cấu trúc của hộp điều khiển Van cấp nước ngọt Van xả Máy bơm Thùng chứa nước ao ni Đầu đo Nh/độ Đầu đo độ đục Máy đo pH Máy đo độ mặn Máy đo OXY Bơm nước cho đến khi đầy Mạch khuyếch đại... chỉnh tự động các thơng số mơi trường trong ao ni tơm thiết bị còn có chế độ điều chỉnh các thơng số bằng tay 13 14 IV Tính tốn các thơng số kỹ thuật cơ bản IV.1 Tính tốn các thơng số kỹ thuật phần cứng Hộp điều khiển là bộ phận quan trọng nhất Tất cả các q trình định thời gian, q trình kiểm tra, q trình cảnh báo, q trình điều chỉnh các thơng số mơi trường, q trình đưa kết quả đo lên máy vi tính, cũng... chức năng trên các chân 32 – 39 Trong các thiết kế cỡ nhỏ (khơng dùng bộ nhớ mở rộng) nó có chức năng như các đường I/O Đối với các thiết kế lớn với bộ nhớ mở rộng, nó được hợp kênh giữa bus dữ liệu và byte thấp của bus địa chỉ b/ Port 1: Port 1 là một port I/O trên các chân 1 – 8 Các chân được kí hiệu: P1.0 ; P1.1 ; P1.2 … có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngồi nếu cần Port 1 khơng có chức năng... thời gian, được định sẵn các thời điểm kiểm tra trong 1 ngày Tới thời điểm kiểm tra hộp điều khiển tự động mở bơm để cấp nước trong ao ni tơm vào trong thùng đựng nước kiểm tra, khi nước đã đủ đầy lúc này các đầu đo bắt đầu đo các thơng số mơi trường có trong thùng Các kết quả đo được hiển thị ngay lên màn hình LCD Thời gian đo diễn ra trong 5 phút Sau 5 phút từ các kết quả đo hộp điều khiển sẽ đưa ra... thay đổi 19 20 + Ngun lý đo độ đục: ` Dây tín hiệu Ống nước Quang trở Nước ao ni tơm Bóng đèn Dây cấp điện cho đèn Hình 12: Ngun lý đo độ đục Ngun lý đo độ đục như hình trên: khi độ đục của nước thay đổi thì cường độ sáng mà quang trở nhận được cũng thay đổi, do vậy làm điện trở của quang trở thay đổi Qua mạch khuyếch đại ta xác định được độ đục của nước 1K 0V 20K +5V Dây tín Hiệu Quang trở 10K LM 0V . NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ KIỂM SOÁT MÔI TRƯỜNG NƯỚC NUÔI TÔM THƯƠNG PHẨM THÂM CANH QUI MÔ TRANG TRẠI THUỘC ĐỀ TÀI TRỌNG ĐIỂM CẤP NHÀ NƯỚC: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO. người nuôi tôm. Hiện nay trong nước chưa có thiết bị kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm tự động. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm thương. thiết bị kiểm soát tổng hợp môi trường ao nuôi tôm thương phẩm thâm canh. Hình 4: Sơ đồ khối thiết bị kiểm soát tổng hợp các thông số môi trường ao nuôi tôm