sử dụng aduino mega trong đồ án tưới nước nhà vườn.Đây là đồ án của sinh viên tự động hóa trường ĐH Công Nghiệp.Có thể ứng dụng vào thục tế với mô hình nhân lên với kích thuóc lớn.Trong mô hình sử dụng arduino mega 2560 để điều khiển,hoạt động dựa trên các tín hiệu đầu vào là cảm biến DHT21,BH1750 và cảm biến độ ẩm trong đất để điều khiển câp tín hiệu cho các đầu ra bật tăt các rơle điều khiển van điện từ, máy bơm nước, quạt đối lưu không khí và ánh sáng. Arduino mega 2650 là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Sử dụng vi điều khiển ATmega2560. Nó có 54 chân kỹ thuật số đầu vào đầu ra (trong đó 15 chân có thể xuất ra xung PWM), 16 đầu vào analog, 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 16 MHz dao động tinh thể, kết nối USB, một jack cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset.
LỜI NÓI ĐẦU Nền kinh tế Việt Nam gần 30 năm đổi vừa qua (1986-2016) đạt nhiều thành tựu phát triển khả quan Trong lĩnh vực nông nghiệp, sản lượng loại nông sản tăng, bật sản lượng lương thực tăng với tốc độ cao.Nơng nghiệp ngày có nhiều đóng góp tích cực vào tiến trình phát triển, hội nhập kinh tế nước vào kinh tế toàn cầu Để đạt thành tựu ngày hôm nay, việc ứng dụng cơng nghệ cao vào sản xuất ni trồng đóng vai trò khơng nhỏ Một công nghệ áp dụng nhiều nông nghiệp giới, đặc biệt Israel mang lại hiệu kinh tế cao công nghệ nhà kính Nhà kính phù hợp với yêu cầu để phát triển nơng nghiệp bền vững, cho phép kiểm sốt đầy đủ chặt chẽ hầu hết thông số trình sản xuất nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí ơxy…, kể việc sử dụng tối ưu đất canh tác để đáp ứng cho sinh trưởng, phát triển tốt trồng kiểm soát sâu bệnh hại để đạt sản lượng cao Ngày khoa học công nghệ ngày phát triển, vi điều khiển AVR vi điều khiển PIC ngày thơng dụng hồn thiện , nói xuất Arduino vào năm 2005 Italia mở hướng cho vi điều khiển Sự xuất Arduino hỗ trợ cho người nhiều lập trình thiết kế, người bắt đầu tìm tòi vi điều khiển mà khơng có q nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc vật lý điện tử Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã nguồn mở Ngơn ngữ lập trình Java lại vô dễ sử dụng tương thích với ngơn ngữ C hệ thư viện phong phú chia sẻ miễn phí Chính lý nên Arduino dần phổ biến phát triển ngày mạnh mẽ toàn giới Xuất phát từ nhu cầu thực tế, việc mong muốn ứng dụng kiến thức học vào hệ thống có tính thực tiễn, đồng thời hướng dẫn tận tình thầy giáo, chúng em lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế lắp đặt mơ hình tưới nước tự động” Loại chúng em lựa chọn để nghiên cứu đề tài cà chua độ phổ biến ngành nông nghiệp sản xuất thực phẩm nước ta + Nội dung nghiên cứu: Chương : Giới thiệu chung Chương : Thiết kế lắp đặt mơ hình Chương : Hướng phát triển đề tài kết luận CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG Phần : Đối tượng lựa chọn cho mơ hình tưới nước thơng minh A, Đối tượng lưạ chọn chăm sóc cà chua Cây cà chua (Lycopersicon esculentum Mill) loại rau ăn phổ biến trồng rộng rãi nhiều nước giới, chiếm vị trí thứ hai sau khoai tây.Cây cà chua loại rau quả, cà chua có giá trị dinh dưỡng cao, chứa nhiều glucid, nhiều axit hữu cơ, nguồn cung cấp chất chống xy hóa quan trọng Lycopen, Phenolic, Vitamin C cần thiết cho thể người.Quả cà chuacó giá trị dược liệucao có vị tính mát, giải nhiệt, chống hoạt huyết, kháng khuẩn, chống độc, giảm nguy mắc bệnh tim mạch, có khả ngăn ngừa hình thành gốc tự gây ung thư, đặc biệt ung thư tiền liệt tuyến Ngoài ra,cà chua dùng làm mỹ phẩm, chữa mụn trứng cá Vì nay, sản phẩm cà chua sử dụng phổ biến hàng ngày đa dạng, khơng dùng ăn tươi, nấu chín mà giống cà chua có thịt dày, có sắc tố (βcaroten, lycopen, caroten xantophyl) độ Brix cao ngun liệu chế biến cơng nghiệp tạo thực phẩm bổ dưỡng nước cà chua cô đặc, bột cà chua, tương cà chua đóng hộp có giá trị xuất B, Mơ hình hệ thống nhà kính đại Với yêu cầu ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất,đặc biệt tự động hóa q trình sản xuất vấn đề bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp ,giảm công lao động ,tiết kiệm lượng,hạ giá thành sản phẩm ,tăng cường sức mạnh cạnh tranh nội địa thị trường giới việc áp dụng sản xuất Nông nghiệp công nghệ cao điều cần thiết Nhà kính hệ thống sở hữu ích quan trọng việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao.Đặc biệt nước có mơi trường bất thuận lợi,thiên tai,hạn hán ,cũng tượng ấm lên toàn cầu Nhà kính phù hợp với yêu cầu để phát triển nơng nghiệp bền vững, cho phép kiểm sốt đầy đủ chặt chẽ hầu hết thông số trình sản xuất nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí ơxy…, kể việc sử dụng tối ưu đất canh tác sản lượng trồng thời vụ,do nhà kính đáp ứng cho sinh trưởng, phát triển tốt trồng kiểm soát sâu bệnh hại để đạt sản lượng cao Hình 1.1 Một mơ hình ni trồng cà chua nhà kính C, Lựa chọn phương pháp tưới tự động Trong trình trồng cà chua, yếu tố nước tưới thời điểm tưới cho cà chua quan trọng Hai yếu tố đòi hỏi người lao động phải nắm vững phương pháp canh tác để tưới cho đủ nước không thừa không thiếu Kết hợp với thời điểm tưới lúc nào, theo chu kì phù hợp với trồng đạt hiêu cao Dựa vào yếu tố mà phương pháp tưới nhỏ giọt hay tưới phun sương đáp ứng yêu cầu Hai phương pháp đạt hiệu cao việc cung cấp nước tưới cho cà chua, giảm tổn thất rò rỉ bốc hơi, phương pháp có ưu điểm phương pháp khác người kiểm sốt lượng nước tưới chế độ tưới cách xác thơng qua điều khiển tưới.phương pháp tưới nhỏ giọt hay tưới phun sương.Sau ưu nhược điểm cà chua Ưu điểm: Phương pháp trồng nhà kính cho phép cà chua không chịu yếu tố bất lợi thời tiết Năng suất sản lượng tăng cao, lên đến 230%; Tiết kiệm nước đến 70% so với tưới truyền thống Chi phí phân bón giảm đáng kể, hiệu sử dụng tăng 30% Có thể canh tác địa hình khó khăn, mà hệ thống thông thường không làm Cà chua phát triển khỏe mạnh trưởng thành nhanh chóng, mau thu lợi nhuận, thu hồi vốn nhanh chóng Cải thiện mơi trường, ngăn ngừa yếu tố bên cỏ dại, sâu bệnh, theo đường nước,khơng khí, gió, từ bên ngồi Chủ động cơng tác chăm bón, chế độ tưới nước, thời điểm thu hoạch, diệt trừ sâu bệnh Tiết kiệm diện tích gieo trồng, tăng khả thâm canh trồng để tạo giá trị kinh tế hiệu cao đơn vị diện tích từ tăng cao giá trị thu nhập cho người lao động Nhược điểm: Giá thành tương đối cao nên giá trị đầu tư ban đầu lớn Yêu cầu thiết bị kèm phức tạp Hệ thống tưới tiêu nhà kính tới tận gốc gốc cà chua phải đáp ứng yêu cầu cao, phức tạp khơng nắm rõ kỹ thuật.Trong mơ hình nhà kính hai phương pháp tỏ rõ ưu việt chúng phương pháp khác dễ dàng kiểm soát tiết kiệm nước chế độ tưới, phù hợp với yêu cầu đặc điểm nhà kính Phần : Tổng quan hệ thống nhà xưởng 1.1 Cấu tạo chung mơ hình hệ thống nhà xưởng NGUỒN NƯỚC BỘ ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TƯỚI THƠNG MINH TRONG NHÀ KÍNH THIẾT BỊ ĐẦU HỆ THỐNG HỆ THỐNG ỐNG DẪN VÀ PHÂN PHỐI Hình 1.2: Cấu tạo chung hệ thống tưới cà chua thông minh Hệ thống tưới thường bao gồm: nguồn nước, thiết bị đầu hệ thống, hệ thống đường ống béc tưới, điều khiển hoạt động hệ thống (hình 2.1) 1.1.1 Nguồn nước Có thể sông, hồ, giếng khoan Chất lượng nước phải thoả mãn u cầu (thơng qua lọc) Để sử dụng có hiệu nguồn nước, cần phải xây dựng cơng trình dẫn, trữ bơm nước Đây gọi cơng trình nguồn nước 1.1.2 Thiết bị đầu hệ thống Thiết bị đầu hệ thống gồm máy bơm, quạt đối lưu, van khống chế, thiết bị lọc nước, thiết bị bảo dưỡng Thiết bị đầu hệ thống làm nhiệm vụ điều tiết, khống chế hệ thống 1.1.3 Hệ thống ống dẫn phân phối Hệ thống bao gồm: ống chính, ống nhánh vòi phun sương ,ống tưới làm nhiệm vụ dẫn phân phối nước, chôn mặt đất độ sâu định,phun sương treo cao với độ cao phù hợp tưới cho giảm nhiệt độ cần thiết cho cây, Do quy mô khu tưới mà số cấp đường ống khác 1.1.4 Bộ điều khiển hoạt động hệ thống Bộ điều khiển hoạt động hệ thống gồm có thiết bị điều khiển Arduino mega 2560, relay module, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng 1.2 Giới thiệu hệ thống điều khiển Trong mơ hình sử dụng arduino mega 2560 để điều khiển,hoạt động dựa tín hiệu đầu vào cảm biến DHT21,BH1750 cảm biến độ ẩm đất để điều khiển câp tín hiệu cho đầu bật tăt rơ-le điều khiển van điện từ, máy bơm nước, quạt đối lưu khơng khí ánh sáng Arduino mega 2650 board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng ứng dụng tương tác với với môi trường thuận lợi Sử dụng vi điều khiển ATmega2560 Nó có 54 chân kỹ thuật số đầu vào / đầu (trong 15 chân xuất xung PWM), 16 đầu vào analog, UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 16 MHz dao động tinh thể, kết nối USB, jack cắm điện, tiêu đề ICSP, nút reset Nhân xét kết luận :Qua chương này, thấy giá trị dinh dưỡng kinh tế cà chua, tìm hiểu đặc điểm sinh lý phát triển cà chua Qua thấy tính cấp thiết để tăng suất trồng nhóm thực nghiên cứu, từ yếu tố nêu chúng em đưa mơ hình nhà kính thực tế vào, thu nhỏ lại đưa mô hình điều khiển tưới nước thơng minh có bao gồm đầy đủ tất yếu tố, điều kiện nêu Từ chúng em vào thiết kế lên phương án lắp đặt điều khiển mơ hình tưới nước tự động nhà kính, chi tiết cụ thể nói chương số CHƯƠNG II : THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MÔ HÌNH Nhiệm vụ : Thiết kế làm hệ thống tưới nước dựa cảm biến độ ẩm, nhiệt độ , ánh sáng điều khiển mạch điện tử Arduino điều khiển chu trình tưới, chăm sóc cà chua nhà kính Xây dựng hệ thống tự động tương đối hoàn chỉnh, điều khiển mạch điện tử Arduino hiển thị hình LCD giúp người dùng quản lý dễ dàng yếu tố nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng từ biết mơ hình hoạt động Có thể điều khiển hệ thống mơ hình chế độ : tay tự động , chế độ hoạt động phụ thuộc vào nhau, chế độ tự động hoạt động chế độ tay không hoạt động ngược lại Mục tiêu nghiên cứu : Sau nghiên cứu đề tài lĩnh hội nhiều vấn đề liên quan đến board mạch Arduino mega 2560, làm quen với thiết bị điện tử hệ thống pin lượng mặt trời giúp nâng cao hiểu biết cho thân Đối tượng nghiên cứu : Hệ thống tưới cà chua tự động nhà kính, board ArduinoMega 2560, phần mềm IDE, cảm biến phần mạch lực cho hệ thống Cách kết nối truyền tải liệu từ Arduino đến cảm biến relay phần mạch lực Yêu cầu yếu tố cần thiết cho cà chua trồng nhà kính sinh trưởng phát triển tốt mơ hình nhà kính bao gồm: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Nhiệt độ: Cà chua chịu ấm, điều kiện để có sản lượng cao sớm cà chua tạo chế độ nhiệt độ tối hảo cho 21-24 oC, nhiệt độ đêm thấp ngày 4-5oC cho nhiều hoa Ánh sáng: Cà chua ưa sáng, không nên gieo nơi bóng râm, cường độ tối thiểu để tăng trưởng 2.000 lux - 3.000 lux, độ sáng phù hợp giúp quang hợp phát triển tốt Độ ẩm : Cà chua thích hợp với độ ẩm đất từ 55-65% giúp sinh trưởng phát triển, độ ẩm cao từ 75 -80% ảnh hưởng đến qua trình phát triển cây,dễ bị hư hỏng xảy tình trạng úng Thích hợp đất thịt pha cát, nhiều mùn hay đất phù sa, đất bồi giữ ẩm thoát nước tốt chứa tối thiểu 1,5% chất hữu Độ ẩm tốt giúp đạt suất hơn, mọng hơn, nhìn mẫu mã đẹp so với với độ ẩm thấp 2.1 Xây dựng lắp đặt mô hình hệ thống Mơ hình thiết kế với kích thước chiều dài 1.07m, chiều rộng 0.65m, chiều cao 1.0m,được chia làm phần phần đáy, phần thân phần mái.Được dựng chăc chắn với ống nhựa ghép kết nối với qua cút vuông , cút chữ T cút thẳng Mơ hình bao gồm đoạn thẳng dài 1.0m, đoạn thẳng dài 0.6m, đoạn thẳng dài 0.4m, đoạn thẳng dài 0.43m, đoạn thẳng dài 0.15m Bao gồm 18 cút vuông cắt ghép thêm ống vào để tạo thành cút cạnh nhằm mục đích nối vị trí có đến điểm nối chung , cút thẳng gồm 14 dùng để gắn đoạn thẳng ngắn với nhau, cút chữ T dùng làm vị trí nối Phần đáy với kích thước: dùng để đựng đất với diện tích đất trồng cấy với diện tích là: , chia thành luống nhỏ với diện tích luống 0,3.Mỗi luống kích thước trồng luống với khoảng cách (m) Phần thân với kích thước: , phần thân bao phủ lớp nilong xung quanh với mục đích che chắn cho trồng, giữ nhiệt độ mơi trường bên mơ hình ổn định, giúp cách ly phòng chống mần bệnh bên ngồi ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển Phần mái với kích thước là: ,cũng lợp lớp nilong màu trắng với độ cao so với mặt đáy giúp có độ thống mát, giúp ổn định nhiệt độ tốt hơn,cung cấp lượng ánh sáng cần thiết cho cây, để giúp sinh trưởng phát triển, đồng thời giảm lượng điện tiêu thụ cho việc sử dụng ánh sáng vào ban ngày Bản vẽ mơ hình dựng lên hình vẽ Hì nh 2.1 Bản vẽ khung mơ hình Lắp đặt mơ hình: Sử dụng nhựa với đường kính để lắp ghép mơ hình Ban đầu dựng khối hình chữ nhật với kích thước 1.07 x 0.65 x 0.15 (m) tạo thành phần khung đáy gắn nhựa cứng chắn dùng làm bệ đỡ đồng thời nơi trồng cây, từ vị trí ghép nối khối chữ nhật dựng lên với chiều cao 0.45m , xem phần thân mơ hình Từ vị trí đầu dựng phần mái che qua ghép nối cút ống Mơ hình sử dụng ống làm bể chứa nước, nơi cung cấp nước cho toàn hệ thống tưới nhỏ giọt phun sương.,bể làm với kích thước chiều cao , thể tích chứa nước bể , tương ứng với 1,5 lít nước.ống dẫn gắn đến gốc mơ hình, nhỏ giọt trực tiếp vào phần gốc cay,để tăng lượng nước mà nhận từ việc cung cấp Ống dẫn phun sương đặt cách mặt đất với vòi phun sương gắn đấy, hoạt động với công suất máy bơm 10w, lưu lượng truyền tải bình thường 1lit/1p.Mơ hình thực tế dựng lên hình vẽ (2.2) 10 2.3 Thiết kế phần điều khiển cho mơ hình Thiết bị điều khiển hoạt động mơ hình bao gồm: Arduino mega 2560, cảm biến nhiệt độ DHT21, cảm biến ánh sáng BH1750, cảm biến độ ẩm đất, relay module, Transistor tip 122,nút ấn hình hiển thị LCD Các cảm biến nhiệt độ DHT21, cảm biến ánh sáng BH1750, cảm biến độ ẩm đất, modunle relay nút ấn dùng nguồn dc 5v để hoạt động Arduino mega 2560 mạch vi xử lý bao gồm có 54 chân kỹ thuật số đầu vào đầu (trong 15 chân xuất xung PWM), 16 đầu vào analog, UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), phần điều khiển cho mơ hình sử dụng chân PWM Arduino, chân digital,chân analog, chân SCL chân SDA,chân PWM sử dụng để đóng mở van điện từ relay Được cài đặt sau chân 13 kết nối với chân IN1 relay dùng để điều khiển độ ẩm đất dựa vào đóng mở van nhỏ giọt, chân 12 đấu vào IN2 relay dùng để điều khiển nhiệt độ dựa vào bật tắt máy bơm phun sương, chân 11 đấu vào IN1 relay dùng điều khiển đóng mở hoạt động quạt.sơ đồ đấu nối thể qua hình vẽ (2.6) Hình 2.6 Sơ đồ đấu arduino với relay Điều khiển relay thông qua hệ thống điều khiển nút ấn sử dụng chân PWM Digital chân sử dụng: Chân số kết nối với IN2 relay RL4 để điều khiển chế độ nhỏ giọt ,đóng mở van điện từ, chân số kết nối với IN1 relay RL5 dùng để điều khiển bật tắt máy bơm phun sương, chân số kết nối với IN2 relay RL6 dùng để điều khiển bật tắt quạt, tín hiệu từ chân Digital nối với nút ấn để điều khiển chế độ tay tự động, kết nối sau : Chân số 47 kết nối 14 với nút nhấn thông qua điện trở 10kΩ đầu điện cực 5V, dùng để điều khiển chuyển chế độ từ tự động sang tay ngược lại Chân số 49 kết nối với nút nhấn (nút ấn sô 3) qua điện trở 10kΩ để điều khiển bật tắt quạt mơ hình chế độ tay Chân số 51 kết nối với nút nhấn (nút ấn sô2) qua điện trở 10kΩ dùng để bật tắt động phun sương chế độ tay, chân số 53 kết nối với nút nhấn (nút ấn sô1) qua điện trở 10kΩ dùng để điều khiển bật tắt van điện từ Sơ đồ hình vẽ thể hiên qua hình(2.7) Hình 2.7 sơ đồ đấu nối nút ấn với arduino Mơ hình lắp đặt hình LCD (20x4) để kiểm sốt thơng số nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng bên mơ hình, người dùng quan sát dễ dàng thông qua thông số hiển thị LCD để biết thiết bị bên mơ hình hoạt động nào,từ biết phần hoạt động phần không hoạt động, từ sửa chữa thay phần không hoạt động cách đơn giản nhất.kết nối hình LCD Arduino thơng qua giao tiếp I2C, cổng giao tiếp ngắn gọn nhất, với chân bao gồm GND, VCc, SCL, SDA chân SCL SDA kết nối với chân SCL, SDA board Arduino, chân lại đấu với nguồn 5vdc Hình(2.8) 15 Hình 2.8 Kết nối LCD với Arduino mega Kết nối điều khiển arduino cảm biến : Điều khiển ánh sáng sử dụng : Cảm biến ánh sáng Bh1750 kết nối với vị trí SCL SDA trêns board arduino,phần điều khiển ánh sáng kết nối với chân PWM số đưa qua chân B Transistor tip 122, chân E típ 122 đấu với nguồn âm 12v 5v, chân C típ đấu trực tiếp vào chân âm đèn led, tín hiệu cảm biến BH 1750 cấp vào arduino hiển thị LCD, Arduino điều khiển băm xung chân số transistor mở to hay nhỏ, cấp điện áp vào đèn sáng hay tối, phụ thuộc vào tín hiệu cảm biến Bh1750 đưa sơ đồ đấu thể qua hình (2.8 ) Hình 2.8 Sơ đồ đấu nối típ 122 Điều khiển nhiệt độ : Cảm biến DHT21 , chân D0 cảm biến kết nối với Chân PWM số dùng để nhận biết nhiệt độ mơi trường bên mơ hình.Nhiệt độ mơi trường bên mơ hình arduino thu thập xử lý liệu thông qua chân số Sau arduino điều khiển đưa chân PWM vị trí 12,11 để điều khiển cho rơ-le RL2 rơ-le RL3đóng mở theo điều kiện nhiệt độ 16 Điều khiển độ ẩm đất: Sử dụng cảm biến tích hợp IC 393 , chân A0 cảm biến độ ẩm đất kết nối với chân tín hiệu analog A0 board arduino,chân A0 với tín hiệu analog dùng để thu thập thông tin từ cảm biến đất cho % độ ẩm đất Arduino với nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ chân A0 đưa tín hiệu chân PWM vị trí 13 điều khiển rơ-le RL1 đóng mở theo điều khiện độ ẩm Sơ đồ đấu nối cảm biến với arduino hình(2.9) Hình 2.9 : Sơ đồ đấu nối cảm biến với Arduino 2.4 Kết thực nghiệm a, Bảng thiết lập đầu vào, board mạch Arduino mega 2560 17 Cảm biến độ ẩm đất Chân A0 Cảm biến nhiệt độ Chân số Cảm biến ánh sáng Chân SCL,SDA Màn hình LCD Chân SCL,SDA Điều khiển ánh sáng (tip 122) Chân số Relay Chân số 13 Relay Chân số 12 Relay Chân số 11 Relay Chân số Relay Chân số Relay Chân số Nút ấn chuyển chế độ hoạt động Chân số 47 Nút ấn tay điều khiển độ ẩm Chân số 53 Nút ấn tay điều khiển nhiệt độ Chân số 51 Nút ấn tay điều khiển quạt Chân số 49 b, Sơ đồ đấu nối Arduino với hệ thống điều khiển cảm biến 18 Hình 2.10 :Sơ đồ đấu nối Arduino 2.4.1 Thuật tốn chương trình điều khiển hệ thống 19 a, Sơ đồ thuật toán Bắt đầu ` Lấy mẫu giá trị độ ẩm Lấy mẫu giá trị nhiệt độ T>29o lux