Đồ án Vi Xử Lí

GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động LỜI NĨI ĐẦU Kính thưa thầy, cô! Công nghệ tự động ngành quan trọng bậc cơng nghiệp Nó phát triển mạnh mẽ không ngừng, thay đổi tiến hóa tới mức độ cao Là sinh viên, em cảm thấy tự hào tiếp thu kiến thức ngành công nghệ Hiểu mức độ quan trọng ngành nghề học, chúng em ln cố gắng tìm tịi học hỏi để hiểu, lập trình điều khiển cho đối tượng Điều khiển cho đối tượng có nhiều cách để thực hiện, nhiên giới hạn đồ án, chúng em điều khiển cho đề tài Hệ thống tưới tự động Vi điều khiển Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Lê Thị Vân Anh, người tận tình hướng dẫn, bảo nhóm chúngem để em hồn thành đồ án cách tốt Dù cố gắng chủ đề rộng lớn kĩ thuật trình độ có hạn nên chúng em khơng tránh khỏi sai sót Chúng em mong muốn nhận nhận xét, góp ý thầy giáo Nhóm sinh viên thực Nguyễn Anh Tuấn Trần Anh Tú Vũ Văn Lương Nguyễn Việt Dương Hà Nội, tháng năm 2016 GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động MỤC LỤC CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ Như bạn biết, ngày việc áp dụng khoa học, kĩ thuật vào sản xuất nông nghiệp việc làm cần thiết, giúp tăng suất, giảm thiểu sức nặng lao động tay chân, ảnh hưởng sức khỏe, thay cho phương thức truyền thống cũ kĩ, đem lại hiệu kinh tế cao…Và, hệ thống tưới tự động ví dụ tiêu biểu cho luẩn điểm nêu Hiện nay, việc sử dụng hệ thống tưới tự động trở nên phổ biến, chúng khơng tạo nên hình thái đẹp mà đáp ứng nhu cầu nước Chúng đóng góp cho sản xuất nơng nghiệp, đặc biệt ngành nông nghiệp công nghệ cao Một hệ thống tưới tự động có nhiều lợi ích mà bạn chưa nghĩ tới, đặc biệt vào mùa khô Việc thiết kế hệ thống tưới tự động địi hỏi bạn có số thơng tin vật tư thiết bị, điều khiển tưới tự động, van điện từ… Bên cạnh đó, việc lập trình, thiết kế hệ thống tưới tự động địi hỏi nhiều kiến thức kĩ Lập trình cho điều khiển hệ thống tưới tự động sử dụng nhiều công cụ như: Vi điều khiển, PLC,…Do yêu cầu môn học, đồ án này, nhóm chúng em sử dụng Vi điều khiển Arduino UNO R3, chip đồng hồ thời gian thực DS1307 LCDđể thiết kế cho hệ thống Tìm hiểu hệ thống tưới tự động 1.1 Tìm hiểu lợi ích hệ thống tưới tự động 1.1.1 Lợi ích hệ thống tưới tự động cắt giảm chi phí: Lý nhiều xây dựng hệ thống tưới tự động mà người thường nghĩ tới chi phí lắp đặt, nhiên người biết hệ thống tưới tự động không đem lại đủ số vốn đầu tư mà cịn mang lại lợi ích khác Tiết kiệm nước: hệ thống tưới tự động giúp giảm tới 60% lượng nước GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động so với tưới thủ công Điều giúp bạn cắt giảm đáng kể hóa đơn tiền nước hàng tháng Tạo giá trị cho cơng trình: bạn chưa biết, cảnh quan cơng trình chiếm 20% tổng giá trị cơng trình Một hệ thống tưới tốt cách làm cảnh quan thêm thu hút từ tạo giá trị Tiết kiệm thời gian: thời gian tiền bạc, thời gian vơ q giá Một hệ thống tưới tự độngsẽ thay bạn chăm sóc cho cối sân nhà, thời gian bạn chăm sóc cho gia đình hay thực ý tưởng sáng tạo Tiết kiệm đáng kể nguồn nhân công so với thực công việc tưới tiêu thủ công Hệ thống đầu tư cố định, đảm bảo tuổi thọ lâu dài cho thiết bị dùng tưới tiêu Hình ảnh minh họa 1.1.2 Lợi ích hệ thống tưới tự động bảo vệ mơi trường: Ngồi việc cắt giảm chi phí, hệ thống tưới tự động cịn có lợi cho mơi trường Bảo vệ nguồn nước: dòng chảy số nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước ngầm Một hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt cảm biến tắt tự động, làm giảm đáng dịng chảy mang theo nhiễm bụi bẩn vào nguồn nước ngầm GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động Tiết kiệm nước: nguồn tài nguyên nước ngày cạn kiệt, thời đại Hệ thống tưới tự động giúp bạn bảo vệ tài nguyên quý có cảnh quan thiên nhiên cối xanh tốt Hệ thống tưới khai thác nguồn nước ngầm để phục vụ tưới tiêu, điều làm cho chi phí phải trả nước tưới thấp Hệ thống tưới tự động thiết kế chuyên nghiệp tiết kiệm tới 60% lượng nước dùng tưới tiêu Tóm lại, hệ thống tưới tự động vơ có lợi mặt chi phí mơi trường, giúp bạn kiết kiệm thời gian cơng sức cơng trình xanh bạn ln ln tươi tốt 1.2 Các bước tiến hành lắp đặt hệ thống tưới tự động Dựa vào diện tích canh tác, giống trồng, cần tiến hành đo đạc, thiết kế mơ hình hệ thống tưới tự động cho hợp lý Xác định loại thiết bị tưới phù hợp với mơ hình thiết kế việc dựa vào áp lực, lưu lượng nước, cơng suất hệ thống thiết kế Chọn bình tưới vị trí đặt bình tưới: bình tưới quạt dùng cho khu vực lớn, bình tưới phun cho khu vực nhỏ Tùy theo thực tế khu canh tác mà đặt vị trí bình tưới cho nước cung cấp khắp nơi Phân chia hệ thống tưới tự động thành vùng khác Lượng nước thường khơng có sẵn để tiến hành tưới đồng loạt diện rộng, phải phân chia khu vực tưới, chọn vị trí đặt van để kiểm sốt áp lực lượng nước khu vực Tiến hành lắp đặt hệ thống tưới tự động: chọn vị trí đặt bảng điều khiển, máy bơm, đường ống van theo thiết kế 1.3 Thời gian tưới hệ thống tưới tự động ưa chuộng 1.3.1 Thời gian tưới: Tưới nước vào buổi sớm ngày, tránh tưới nước trời gió: Tưới nước vào sáng sớm thường tốt so với lúc chiều tối giúp ngăn ngừa phát triển nấm Tưới nước vào lúc sáng sớm lúc chiều muộn, giảm lượng nước thất thoát bay Tưới nước vào buổi sớm ngày GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động cách phòng tránh tốt loại ốc sên sâu chuột hại vườn Tránh tưới nước trời gió gió thổi tạt tia nước làm tăng trình bốc Trong đồ án này, chúng em lập trình điều khiểu cho hệ thống tự động phun nước tưới phút vào thời điểm 7h 16h hàng ngày 1.3.2 Các hệ thống tưới ưa chuộng Hệ thống tưới tự động kiểu phun sương Hệ thống tưới tự động kiểu phun mưa Hệ thống tưới tự động kiểu nhỏ giọt Vv CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG Sơ đồ khối chức Sensor Sensor Vi Điều Khiển Relay LCD display RTC Water plumb Nguồn Hình 2.1: Sơ đồ khối chức hệ thống tưới tự động GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động Trong đó: - Vi Điều Khiển: Module Arduino UNO R3 Relay: module Relay kênh RTC: Chip đồng hồ thời gian thực DS 1307 Sensor: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Water plumb: máy bơm nước (12V) LCD display: hình hiển thị LCD Nguồn: 12V + chuyển nguồn LM2596 Khâu cảm biến – đo lường (Dùng cảm biến nhiệt độ DS18B20) 2.1 Cấu tạo Cảm biến đo nhiệt độ DS18b20 sử dụng chuẩn giao tiếp WIRE (đường dẫn tín hiệu đường dẫn điện áp nguồn ni dùng chung dây dẫn) Ngồi ra, nhiều cảm biến dùng chung đường dẫn (Rất thích hợp với ứng dụng đo lường đa điểm) Cảm biến DS18b20 thường dùng gồm có chân: VCC, GND, DATA hình dưới: Hình 2.2: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt độ DS18B20 GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động Hình 2.3: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt độ DS18B20 2 Đặc tính kĩ thuật Các đặc điểm kỹ thuật cảm biến DS1820 kể cách tóm tắt sau: - Độ phân giải đo nhiệt độ bit Dải đo nhiệt độ -55oC đến 125oC, bậc 0,5oC, đạt độ xác đến 0,1oC việc hiệu chỉnh qua phần mềm (Có thể đạt đến độ phân giải 10 bit, 11 bit, 12 bit) - Điện áp nguồn ni thay đổi khoảng rộng (từ 3,0 V đến 5,5 V) - Dòng tiêu thụ chế độ nghỉ cực nhỏ - Thời gian lấy mẫu biến đổi thành số tương đối nhanh, không 200 ms - Mỗi cảm biến có mã định danh 64 bit chứa nhớ ROM chip (on chip) Khâu điều khiển Khâu điều khiển não toàn hệ thống Trong khâu này, dùng Vi điều khiển Arduino Uno R3 làm trung tâm điều khiển 3.1 Arduino Arduino sử dụng rộng rãi giới, ngày chứng tỏ sức mạnh chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo người GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động dùng cộng đồng nguồn mở (open-source) Tuy nhiên Việt Nam Arduino chưa biết đến nhiều 3.1.1 Hiện tượng Arduino Arduino thực gây sóng gió thị trường người dùng DIY (là người tự chế sản phẩm mình) toàn giới vài năm gần đây, gần giống với Apple làm thị trường thiết bị di động Số lượng người dùng cực lớn đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học làm cho người tạo chúng phải ngạc nhiên mức độ phổ biến Arduino mà khiến sinh viên nhà nghiên cứu trường đại học danh tiếng MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; Google muốn hỗ trợ cho đời kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển ứng dụng Android tương tác với cảm biến thiết bị khác? Arduino thật bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng sở hữu bo Arduino có 20 ngõ I/O tương tác điều khiển chừng thiết bị Arduino đời thị trấn Ivrea thuộc nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin Arduino thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ khiêm tốn dành cho sinh viên giáo sư Massimo Banzi, người phát triển Arduino, trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù khơng tiếp thị cả, tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Hiện Arduino tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea để tham quan nơi sản sinh Arduino GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động 3.1.2 Khả bo mạch Arduino Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel với hai chip phổ biến ATmega328 ATmega2560 Các dòng vi xử lý cho phép lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp trang bị cấu hình mạnh với loại nhớ ROM, RAM Flash, ngõ vào digital I/O có nhiều ngõ có khả xuất tín hiệu PWM, ngõ đọc tín hiệu analog chuẩn giao tiếp đa dạng UART, SPI, TWI (I2C) 3.1.3 Sức mạnh xử lý - Xung nhịp: 16MHz - EEPROM: 1KB (ATmega328) 4KB (ATmega2560) - SRAM: 2KB (Atmega328) 8KB (Atmega2560) - Flash: 32KB (Atmega328) 256KB (Atmega2560) 3.1.4 Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào - Digital:Các bo mạch Arduino có cổng digital cấu hình làm ngõ vào ngõ phần mềm Do người dùng linh hoạt định số lượng ngõ vào ngõ Tổng số lượng cổng digital mạch dùng Atmega328 14, Atmega2560 54 - Analog: Các bo mạch Arduino có trang bị ngõ vào analog với độ phân giải 10-bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn 5V độ phân giải khoảng 0.5mV) Số lượng cổng vào analog Atmega328, 16 Atmega2560 Với tính đọc analog, người dùng đọc nhiều loại cảm biến nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, gyro, accelerometer… 3.1.5 Xuất tín hiệu điều khiển ngõ - Digital output:Tương tự cổng vào digital, người dùng cấu hình phần mềm để định dùng ngõ digital ngõ Tổng số lượng cổng digital mạch dùng Atmega328 14, Atmega2560 54 - PWM output: Trong số cổng digital, người dùng chọn số cổng dùng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM Độ phân giải tín hiệu PWM 8-bit Số lượng cổng PWM bo dùng Atmega328 6, bo dùng Atmega2560 14 PWM có nhiều ứng dụng viễn thông, xử lý GVHD: Th.S Lê Thị Vân Anh Đề tài: Hệ thống tưới tự động âm điều khiển động mà phổ biến động servos máy bay mơ hình 3.1.6 Chuẩn giao tiếp Serial: Đây chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng phổ biến bo mạch Arduino Mỗi bo có trang bị số cổng Serial cứng (việc giao tiếp phần cứng chip thực hiện) Bên cạnh đó, tất cổng digital cịn lại thực giao tiếp nối tiếp phần mềm (có thư viện chuẩn, người dùng khơng cần phải viết code) Mức tín hiệu cổng TTL 5V Lưu ý cổng nối tiếp RS232 thiết bị PC có mức tín hiệu UART 12V Để giao tiếp hai mức tín hiệu, cần phải có chuyển mức, ví dụ chip MAX232 Số lượng cổng Serial cứng Atmega328 Atmega2560 Với tính giao tiếp nối tiếp, bo Arduino giao tiếp với nhiều thiết bị PC, touchscreen, game console… USB: Các bo Arduino tiêu chuẩn có trang bị cổng USB để thực kết nối với máy tính dùng cho việc tải chương trình Tuy nhiên chip AVR khơng có cổng USB, bo Ardunino phải trang bị thêm phần chuyển đổi từ USB thành tín hiệu UART Do máy tính nhận diện cổng USB cổng COM cổng USB tiêu chuẩn SPI: Đây chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng có bus gồm có dây Với tính bo Arduino kết nối với thiết bị LCD, điều khiển video game, điều khiển cảm biến loại, đọc thẻ nhớ SD MMC… TWI (I2C): Đây chuẩn giao tiếp đồng khác bus có hai dây Với tính này, bo Arduino giao tiếp với số loại cảm biến thermostat CPU, tốc độ quạt, số hình OLED/LCD, đọc real-time clock, chỉnh âm lượng cho số loại loa… 10 ... EEPROM KB (ATmega328) Vi điều khiển Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều... thống tưới tự động sử dụng nhiều công cụ như: Vi điều khiển, PLC,…Do yêu cầu môn học, đồ án này, nhóm chúng em sử dụng Vi điều khiển Arduino UNO R3, chip đồng hồ thời gian thực DS1307 LCDđể thiết... 3.1.2 Khả bo mạch Arduino Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR Atmel với hai chip phổ biến ATmega328 ATmega2560 Các dòng vi xử lý cho phép lập trình ứng dụng điều khiển phức tạp