Mái che thông minh với audruino

I TĨM TẮT NỘI DUNG : Hiện cơng nghệ phát triển tiên tiến công việc người nông dân vất vả hơn, mà cơng việc việc phơi, che đậy nông sản khiến họ thấy vất vả Hay xem phim hay, trầm tư suy nghĩ chuyện mưa đến, bạn phải chạy tất tả sân để che đậy nông sản Hoặc vườn cách xa nhà chẳng hạn, vào ngày mưa người nông dân vừa làm vừa nhà chuẩn bị che đậy, mở bạt che nơng sản Và đặt câu hỏi ta không nghĩ giải pháp để tự động kéo mái che trời mưa che lại, sau lại mở mái che phơi tiếp trời nắng, mà không cần người chạm tay vào II GIỚI THIỆU: Lý chọn đề tài: Ngày khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ, có rất nhiều thiết bị phục vụ cho sống dựa ứng dụng khoa học công nghệ máy giặt, tủ lạnh, ti vi, máy điện thoại nhiên bên cạnh chúng em nhận thấy nhiều cơng việc áp dụng khoa học công nghệ lại chưa áp dụng, sử dụng rộng rãi Một ứng dụng nhỏ mà chúng em nhận thấy chưa chế tạo sử dụng mái che thơng minh tự động kéo mái che trời mưa che lại, sau lại mở mái che phơi tiếp trời nắng Từ tình hình thực tế chúng em hình thành ý tưởng để thực cơng việc “hệ thống mái che thông minh” Ý nghĩa khoa học , ý nghĩa thực tiễn đề tài: Ý nghĩa khoa học: + Góp phần nhỏ vào tiến trình cơng nghiệp hóa đại đất nước + Thấy lợi ích khoa học kỹ thuật sống Ý nghĩa thực tiễn: + Mọi người cảm thấy yên tâm phơi nông sản mà không sợ trời mưa, tối 1Trang + Tiết kiệm sức lao động + Phát triển hệ thống tư duy, sáng tạo để từ nghiên cứu, triển khai hệ thống khác phức tạp Những điểm đề tài: Trên thực tế có số sản phẩm tương tự đề tài này, qua tham khảo chúng em nhận thấy sản phẩm nhiều hạn chế như: Tính linh động sản phẩm, tính “thơng minh” sản phẩm mở mái che trời mưa, lại kéo mái che trời nắng từ hạn chế chúng em đưa hệ thống hồn tồn mới, “thơng minh” thật Hệ thống mái che thông minh sản phẩm hoạt động dựa kết hợp hoàn hảo kĩ thuật khí, kĩ thuật điện kĩ thuật lập trình vi xử lý Đảm bảo thực yêu cầu mà mong muốn bảo vệ nơng sản trước mưa gió, sương Ngồi việc đạt yêu cầu hệ thống mái che cần vài cải tiến nhỏ thiết bị triển khai thành hệ thống kéo rèm cửa tự động, hệ thống tưới nước, vòi nước cảm ứng, thiết bị hẹn giờ, robot… Mục đích nghiên cứu: + Giúp người thỏa mái phơi nông sản + Bảo vệ nông sản trước mưa, gió sương + Tiết kiệm sức lao động Kết hy vọng đạt được: Nghiên cứu chế tạo thành công “hệ thống mái che thông minh” Sau hồn thành thành cơng mơ hình dự án, nhân rộng đưa vào sản xuất để phục vụ cho sống III PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM Mục tiêu: + Mục tiêu chung: Chế tạo hệ thống mái che thông minh dựa vi xử lý trung tâm arduino nuno R3 kết hợp với hệ thống cảm biến mưa, module blutooth điều khiển qua điện thoại Smartphone để bảo vệ nơng sản trước mưa gió sương 2Trang + Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu chế tạo thành công “hệ thống mái che thông minh” Sau hồn thành thành cơng mơ hình dự án, nhân rộng đưa vào sản xuất để phục vụ cho sống Kế hoạch nghiên cứu Đề tài liên quan tới nhiều lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi phải có kế hoạch cụ thể để thực Với thời gian khoảng tháng (9/2017 - 11/2017) chúng em đặt cho kế hoạch để thực đề tài cụ thể sau: - Từ 01/9 - 08/9: lên mơ hình tổng qt sản phẩm đề tài, yêu cầu cần có cho sản phẩm - Từ 09/9 - 15/9: Thiết kế mơ hình khí sản phẩm - Từ 16/9 - 29/9: Tìm hiểu linh kiện điện tử module Relay kênh, module giảm áp, vi điều khiển ; thiết kế mạch điện điều khiển sản phẩm - Từ 30/9 - 12/10: Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình arduino cho Vi điều khiển - Từ 13/10 – 17/11: Kết hợp phần khí, điện tử, lập trình với thành sản phẩm thống nhất, thử nghiệm điều kiện thực tế; Khắc phục vấn đề phát sinh từ đưa sản phẩm hoàn chỉnh Phương pháp nghiên cứu Hệ thống thực dựa nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm: - Nghiên cứu lý thuyết: tìm cấu tạo nguyên tắc hoạt động mạch điện tử, vi điều khiển, động Nghiên cứu tìm hiểu ngơn ngữ lập trình arduino, lập trình android đơn giản - Xây dựng mơ hình thử nghiệm - Thử nghiệm, hoàn chỉnh vấn đề phát sinh - Đưa vào sử dụng thực tế Thiết bị thí nghiệm 4.1 Hệ thống khí, điện Sử dụng vật liệu thông dụng sắt, nhôm để đảm bảo tính thơng dụng chắn sản phẩm sản thiết kế mô hình thiết bị mái che 3Trang thủ cơng thơng thường có cải tiến số phần để phù hợp Trong hệ thống thu kéo mái che trời mưa thực thông qua 01 động 12V; động có khả hoạt động linh hoạt, xác nhờ hệ thống điều khiển thiết bị trung tâm, cơng tắc hành trình cảm biến Năng lượng cung cấp cho động hoạt động nguồn pin 12V thông qua chuyển đổi adaptor Khung thiết bị: + Sắt hộp vng 20mm*20mm, sắt tròn phi 21mm + động 12V DC + Dây cáp, bạc đạn, trục quay, ốc vít Mơ hình khí thiết kế đơn giản dạng hình khung có kích thước rộng 0,6m * dài 0,9m * cao 0,6m cao Trong có phận thu kéo mái che, mái che mưa, sương + Động thực thu kéo mái che che mưa, sương + Dây kéo + Bạt che trượt dọc theo ngang Động DC: Bộ phận quan trọng phần khí hệ thống truyền động Hệ thống truyền động thiết bị động chiều DC Động đảo Các ngõ chiều nhờ module relay kênh: Các chân tín hiệu vào Hình ảnh: Module relay kênh mạch đảo chiều động Điều khiển tốc độ động cơ: Điều khiển tốc độ động thông qua mạch giảm tốc: 4Trang Hình: Mạch giảm tốc Hệ thống cảm biến: Hình: Module cảm biến mưa Khi gặp trời mưa hệ thống cảm biến báo tín hiệu cho điều khiển trung tâm, từ lệnh cho động thực nhiệm vụ kéo mái che Module cơng tắc hành trình: Hình: Module cơng tắc hành trình Khi kéo mái che ra, vào chạm cơng tắc hành trình cơng tắc hành trình đóng Khi tín hiệu chuyển vào vi điều khiển điều khiển relay để dừng động Module thu phát tín hiệu bluetooth HC-05 5Trang Hình: Module bluetooth HC-05 Module Bluetooth HC-05: Nhiệm vụ thu, phát tín hiệu khơng dây qua điện thoại Smartphone để điều khiển thiết bị bán tự động 6Trang Cảm biến mưa kéo mái che Dây kéo Motor Trục kéo dây Công tắc hành trình Mơ hình khí sản phẩm 4.2 Hệ thống điều khiển Sử dụng mạch điện tử điều khiển trung tâm Arduino Uno R3 xây dựng với phân nhân vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) / vào đánh số từ tới 13 (trong có pin PWM, đánh dấu ~ trước mã số pin) Song song đó, ta có thêm pin nhận tín hiệu analog đánh kí hiệu từ A0 - A5, pin sử dụng pin / vào bình thường (như pin - 13) Arduino Uno R3 sử dụng rộng rãi nhiều ứng dụng thực mạch điều khiển nhà thông minh, mạch điện đèn quảng cáo, robot 14 chân tín hiệu Vi điều khiển Các chân cáp điện áp chân tín hiệu Analog Hình : Bo mạch Arduino Uno R3 Kết nối với hệ thống xử lý trung tâm thiết bị để nhận biết chuyển đổi 7Trang tín hiệu tương tự từ mơi trường thành tín hiệu điện (hệ thống cảm biến) Sau tín hiệu xử lý hệ thơng điều khiển trung tâm phát tín hiệu để điều khiển modul động hoạt động Bảng: Mơ hình hoạt động hệ thống Hệ thống cảm biến (sensor) nút điều khiển Bộ xử lý trung tâm (MCU) Hệ thống thực công việc Hình ảnh mơ tả kết nối mạch Hình ảnh thực tế kết nối phần điều khiển 8Trang Lập trình cho thiết bị: Chương trình điều khiển viết ngôn ngữ C arduino, ngôn ngữ trực quan, tương đối dễ sử dụng Nội dung lập trình vi điều khiển: #define MOTORPIN1 13 // Khai báo chân motor (relay 1) #define MOTORPIN2 12 // Khai báo chân motor (relay 2) #define CONGTAC1 // Khai báo chân công tắc hành trình #define CONGTAC2 // Khai báo chân cơng tắc hành trình int mua = 7; // Chân tín hiệu cảm biến mưa chân digital (arduino) int vitrihientai = 9; /* = kéo bạt = kéo bạt vào */ char blue;//Khai báo biến nhận liệu từ Bluetooth int tudong = ; void setup() { // initialize serial communication @ 9600 baud: for or other Serial.begin(9600); pinMode(CONGTAC1, INPUT_PULLUP); pinMode(CONGTAC2, INPUT_PULLUP); pinMode(mua,INPUT);// Đặt chân cảm biến mưa INPUT, tín hiệu truyền đến cho Arduino pinMode(MOTORPIN1, OUTPUT); pinMode(MOTORPIN2, OUTPUT); digitalWrite(MOTORPIN1, LOW); // đặt motor1 ngừng digitalWrite(MOTORPIN2, LOW); // đặt motor1 ngừng Serial.begin(9600); // Kết nối bluetooth module tốc độ 9600 } void loop() { // Chạy qua smartphone: if (Serial.available()>0){ blue=Serial.read(); switch (blue){ case '5': tudong=1; break; case '2'://Trời có mưa tudong=0; 9Trang while(vitrihientai !=2){ if (digitalRead(CONGTAC2)==HIGH){ digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN1,LOW); } if (digitalRead(CONGTAC2)==LOW){ digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); vitrihientai=2; //Serial.print("Trạng thái: Đóng mái che"); } } break; case '1'://khơng có mưa tudong=0; while (vitrihientai !=1){ if (digitalRead(CONGTAC1)==HIGH){ digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN2,LOW); } if ((digitalRead(CONGTAC1)==LOW)) { digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); vitrihientai=1; //Serial.print("Trạng thái: Mở mái che"); } } break; case '3'://Dừng toàn động tudong=0; digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); vitrihientai=0; //Serial.print("Trạng thái: Mở mái che phần"); 1Trang 10 break; case '6': tudong=0; break; } } if (tudong==1){ tdong(); } //Serial.println(tudong); } //Chạy tự động void tdong(){ int cambien=digitalRead(mua); switch (cambien){ case 0://có mưa while (vitrihientai !=2){ if (digitalRead(CONGTAC2)==HIGH){ digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN1,LOW); } if (digitalRead(CONGTAC2)==LOW){ digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); vitrihientai=2; //Serial.print("Trạng thái: Đóng mái che"); } } break; case 1://khơng có mưa while (vitrihientai !=1){ if (digitalRead(CONGTAC1)==HIGH){ digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); 1Trang 11 digitalWrite(MOTORPIN2,LOW); } if ((digitalRead(CONGTAC1)==LOW)) { digitalWrite(MOTORPIN1,HIGH); digitalWrite(MOTORPIN2,HIGH); vitrihientai=1; //Serial.print("Trạng thái: Mở mái che"); } } break; } } Nội dung lập trình cho thiết bị smartphone (lập trình kéo thả trang web: http://ai2.appinventor.mit.edu/): Thiết kế giao diện phần mềm điểu khiển mái che qua điện thoại: 1Trang 12 Button 1: Lựa chọn kết nối thiết bị bluethooth Button 2: Ngắt kết nối thiết bị bluethooth Label: Hiển thị thông báo kết nối Button 3: Kéo mái che lại Button 4: Mở mái che Checkbox1: Chọn điều khiển tự động Checkbox2: Chọn điều khiển qua điện thoại Khối lệnh khởi động Screen1: Khối lệnh kết nối: 1Trang 13 Khối lệnh thời gian: Khối lệnh chọn chế độ điều khiển: Khối điều khiển nút ấn: 1Trang 14 IV KẾT QUẢ Quá trình hoạt động thử nghiệm hệ thống (với điện áp cấp cho thiết bị pin laptop cũ) thành cơng tốt đẹp, hệ thống vận hành ổn định, xác, hoàn thành yêu cầu đặt - Phần điều khiển tự động: + Cảm biến mưa hoạt động với độ nhạy cao + Khi có nước mưa tiếp xúc vào module cảm biến mưa làm đóng mạch → tín hiệu truyền đến bo mạch → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay đóng mạch, Relay ngắt mạch → dòng điện cấp cho motor quay với chiều thuận để kéo mái che → chạm cơng tắc hành trình đóng → tín hiệu truyền đến bo mạch → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay 1và ngắt mạch→ ngắt dòng điện cấp cho motor → motor dừng hoạt động + Khi nước cảm biến mưa khơ → tín hiệu truyền cho bo mạch chính → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay đóng mạch, Relay ngắt mạch → dòng điện cấp cho motor quay với chiều ngược lại để kéo mái che → chạm công tắc hành trình đóng → tín hiệu truyền đến bo mạch → xuất tín hiệu qua module Relay làm relay 1và ngắt mạch→ ngắt dòng điện cấp cho motor → motor dừng hoạt động - Phần điều khiển bán tự động: Giao tiếp bo mạch điện thoại hoạt động ổn định qua module bluetooth phần mềm điều khiển mái che thông minh 1Trang 15 Hình ảnh khung sản phẩm Hình ảnh thực tế: Bảng mạch điều khiển 1Trang 16 Hình ảnh thực tế phần mạch điều khiển Hình ảnh thực tế sản phẩm chưa có mái che V THẢO LUẬN Ưu điểm: Hệ thống dùng module thiết kế sẵn nên không cần nhiều kiến thức điện, điện tử nắp ráp sản phẩm Mặt khác hư hỏng module mua thay dễ dàng Hệ thống khí khơng có chi tiết phức tạp, dễ thiết kế Phần mềm cho vi điều khiển viết ngơn ngữ lập trình C gần tương tự với ngơn ngữ lập trình pascal học sinh lớp nên việc lập trình cho vi điều khiển khơng có nhiều phức tạp với đối tượng học sinh THCS Phần lập trình cho thiết bị android chủ yếu kéo, thả đối tượng, câu lệnh nên dễ dàng thực Hạn chế: Về khí chưa thực tối ưu, cần cải tiến để linh hoạt thuận lợi sử dụng Nguồn điện cấp cho hệ thống cần sử dụng chuyển đổi adaptor để dòng điện ổn định 1Trang 17 Hệ thống dùng nhiều module chế tạo sẵn (giá thành cao), cần tìm hiểu thêm kiến thức vật lý để hạn chế việc sử dụng module nhằm giảm giá thành thiết kế sản phẩm Về lập trình cho vi điều khiển thiết bị andriod: cần có hiểu biết định ngơn ngữ lập trình thực Khả áp dụng vào thực tế: Sản phẩm áp dụng rộng rãi vào thực tế Tuy nhiên, thực tế trọng lượng mái che lớn, diện tích rộng nên phần khí cần thiết kế chắn hơn, chi tiết hơn; motor lớn chạy điện AC 220V nên việc đảo chiều động khó khăn hơn… Hệ thống cải tiến áp dụng vào việc tạo giàn phơi đồ thông minh, rèm cửa thông minh,… VI KẾT LUẬN Với cấu tạo ngun lí hệ thống mái che thông minh đáp ứng yêu cầu ban đầu đặt Quy trình hoạt động hồn tồn tự động, điếu khiến trực tiếp smartphone nên dễ sử dụng Ứng dụng chế tạo đế sử dụng rộng rãi yêu cầu thiết bị, linh kiện không cao giá thành thấp Bản thân mạch điều kiến mở rộng đế làm với nhiều mục đích khác như: điều khiến rèm cửa, tưới nước tự động, mạch quảng cáo, nhà thông minh Cuộc thi Nghiên cứu khoa học dành cho học sinh trung học thực sân chơi bổ ích, thi cho học sinh hội nghiệm, phát huy lực sở trường mình, thỏa mãn trí tò mò thích khám phá Giúp học sinh giảm bớt căng thẳng “phải tiếp thu” môn học nặng lý thuyết, khơ khan, khó nhớ, khó hiếu Đề tài nghiên cứu chế tạo “Chế tạo hệ thống mái che thông minh” thành công người ghi nhận tạo động lực cho em học tập nghiên cứu khoa học Với niềm say mê nghiên cứu sáng tạo chúng em mong muốn tổ chức nhiều 1Trang 18 thi đế học sinh chúng em có điều kiện tìm hiếu, nghiên cứu, nghiệm khẳng định Cuộc thi nghiên cứu khoa học với học sinh phổ thơng xem sân chơi lý thú bổ ích, trình tự khám phá tiềm thân Dự án chúng em thực ý tưởng nghiên cứu chế tạo thành công “hệ thống mái che thông minh” Em mong muốn tiếp tục nhận hỗ trợ thầy cô, bạn bè Sớm đưa ý tưởng ứng dụng vào thực tiễn sống đế sống có thêm nhiều ý nghĩa VII LỜI CÁM ƠN Thành công kết q trình làm việc, phấn đấu khơng ngừng Nhưng bên thành cơng khơng thể khơng kể đến giúp đỡ, ủng hộ gia đình, thầy bạn bè Trước tiên chúng em xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới thầy Phạm Văn Tĩnh, thầy Đồn Hữu Trì, thầy Cao Hồng Thành thầy giáo trực tiếp hướng dẫn bảo cho em thực đề tài khoa học Em xin chân thành cảm ơn bạn bè gia đình động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ chúng em suốt trình thực đề tài Sự giúp đỡ, ủng hộ nguồn động lực to lớn để giúp chúng em hoàn thành đề tài Một lần chúng em xin chân thành cám ơn! VIII TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang web: www.arduino.vn Các tài liệu arduino internet Giáo trình lập trình C vi điều khiển, Trường Đại Học SPKT Hưng Yên, 2010 1Trang 19 20