Thiết kế chế tạo hệ thống vườn thông minh smart garden

Trang 1

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

……… ……….

………

Hưng Yên, Ngày… tháng… năm 2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 2

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nền kinh tế của nước ta phát triển rất mạnh

mẽ và nhanh chóng, để đạt được kết quả này thì có sự đóng góp rất lớn củangành kĩ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý Với sự phát triển như vũ bão như hiệnnay thì kỹ thuật điện tử, kĩ thuật vi xử lý đang xâm nhập vào tất cả các ngànhkhoa học – kỹ thuật khác và đã đáp ứng được hầu hết nhu cầu của người dân

Sự ra đời của các vi mạch điều khiển với giá thành giảm nhanh, khả năng lậptrình ngày càng cao đã mang lại những thay đổi sâu sắc trong ngành kỹ thuậtđiện tử

Việt Nam là một nước có truyền thống về nông nghiệp trong khi đóngười dân vẫn canh tác theo phương thức truyền thống Theo phương thức cũngười dân phải bỏ ra nhiều sức lao động mà năng suất cây trồng thấp Trongkhi xã hội ngày càng tiến bộ, kỹ thuật ngày càng tiên tiến hơn, thì nhu cầu đòi hỏi

về những thiết bị ứng dụng thông minh, tự động càng nhiều hơn Và với mongmuốn ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp để tiết kiệm sức lao động và tăng năng

suất cây trồng, chúng em đã chọn đề tài: “ Thiết kế chế tạo hệ thống vườn thông

minh-Smart Garden“ để thực hiện.

Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi,tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên conđường đã chọn trong tương lai

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ởtrường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của

các thầy cô giáo,các bạn và đặc biệt là với sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê

Thành Sơn đã giúp chúng em đã hoàn thành được đồ án môn học lần này.

Trang 3

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án môn học của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤ

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 6

1.1 Giới thiệu đề tài 6

1.2 Nội dung nghiên cứu 6

1.3 Đối tượng nghiên cứu 6

1.4 Mục đích nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu 7

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình sinh trưởng của thực vật 8

2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 8

2.1.2 Biện pháp khắc phục 9

2.2 Vai trò của việc tưới nước tới quá trình sinh trưởng của thực vật 9

2.2.1 Vai trò của tưới nước 9

2.2.2 Xác định lượng nước cần tưới của cây trồng 10

2.3 ARDUINO UNO R3 12

2.4 Cảm biến DHT11 13

2.5 Máy bơm 15

Trang 4

2.6 LCD 15

2.6.1 Hình dáng và cấu tạo 16

2.7.2 Chức năng các chân 17

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ – CHẾ TẠO MẠCH 19

3.1 Sơ đồ khối 19

3.2 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 19

3.3 Các khối sử dụng trong mạch 21

3.3.1 Khối nguồn 21

3.3.2 Khối cảm biến 22

3.3.3 Khối vi xử lý 22

3.3.4 Khối hiển thị 23

3.3.5 Khối chấp hành 23

3.4 Sơ đồ broad của mạch 25

3.5 Lưu đồ thuật toán 26

PHỤ LỤC 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Trang 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay công nghệ khoa học kỹ thuật không ngừng phát triển Trong đónghành kỹ thuật điện tử đã đạt được nhiều thành tựu to lớn trong cuộc sống của conngười Cùng với sự phát triển đó ngành công nghệ kỹ thuật điện - điện tử cũng đã

có những bước phát triển vượt bậc Trong thời đại hiện nay máy móc đã và đangdần thay thế con người làm việc và để làm được việc đó các hệ thống tự động rấtquan trọng trong quá trình sản xuất Chính vì lí do đó mà trong đồ án môn học tích

hợp 2 lần này, chúng em đã quyết định lựa chọn đề tài: “ Thiết kế chế tạo hệ thống

vườn thông minh-Smart Garden“ Ứng dụng để điều khiển tự động hệ thống tưới

cây, trồng rau,… hiển thị thông báo và điều khiển máy bơm giúp con người giảiphóng sức lao động, nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng,…

1.2 Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu arduino, cách ổn định nhiệt độ, điều khiển hệ thống tưới cây, phunsương tự động trong nhà kính

 Nắm vững kiến thức về bộ môn vi điều khiển,vi xử lý

 Có khả năng lập trình với độ chính xác cao, ứng dụng được trong thực tế

 Hoàn thành mô hình sản phẩm thực tế

1.3 Đối tượng nghiên cứu

Với đề tài này chúng em tập trung vào:

 Các tài liệu liên quan đên công việc trồng cây trong nhà kính

 Thiết kế tính toán lựa chọn phương pháp tưới cây tự động và điều hòa nhiệt

độ vườn cây trong nhà kính

 Tìm hiểu arduino

 Cách kết nối giữa arduino và thiết bị ngoại vi

 Cách kết nối, lập trình giao tiếp arduino và cảm biến

Trang 7

Do đây là một đồ án sản phẩm, nên chúng em đã áp dụng phương pháp nghiêncứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm trực tiếp trên mô hình thật, chạy thử và hoànthiện chương trình.

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu

Đề tài này sẽ mang lại ý nghĩa to lớn về cả lý luận và thực tiễn:

Ý nghĩa lý luận:

Toàn bộ chương trình và bản thuyết minh của đề tài sẽ trở thành tài liệu nghiêncứu, tham khảo nhanh, dễ hiểu, thiết thực cho các bạn sinh viên, những người thíchtìm hiểu về đề tài này của chúng em

Ý nghĩa thực tiễn:

Với sự thành công của đề tài sẽ góp phần giúp cho các bạn sinh viên mới nóichung và các bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử nói riêng thấy rõ được ý nghĩa thực

tế và thêm yêu thích chuyên ngành mình đã chọn

Trong thực tế mô hình trồng cây trong nhà kính hiên nay đang rất phát triểnbởi chúng ta đang hướng đến một nền nông nghiệp hiện đại Với phương pháptrồng cây trong nhà kính con người có thể chủ động được các yếu tố tác động đếnsinh trưởng phát triển của cây như nhiệt độ, độ ẩm Những phương thức cũ ngườidân phải bỏ ra nhiều sức lao động mà năng suất cây trồng thấp Nên đề tài này

sẽ có ứng dụng thực tế rộng rãi khi tự động điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm phù hợp cho

sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng trong từng giai đoạn phát triển trong nhàkính

Trang 8

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình sinh trưởng của thực vật

2.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhỉệt độ là yêu tố ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng của cây Cây có thể sinhtrưởng trong một khoảng nhiệt độ khá rộng, vì vậy các loại cây trồng khác nhau tồntại những điểm nhiệt độ tối thấp và tối cao cũng khác nhau.Trong giới hạn nhiệt độsinh trưởng của cây thì có nhiệt độ tối thích cho sự sinh trưởng, ở nhiệt độ đó sựsinh trưởng của cây xảy ra thuận lợi nhất, trên dưới nhiệt độ tối thích thì tốc độ sinhtrưởng sẽ giảm Nhiệt độ tối thấp và nhiệt độ tối cao cho sự sinh trưởng của cây đó

là điểm nhiệt độ mà ở đó cây ngừng sinh trưởng Giới hạn nhiệt độ sinh trưởng thayđối theo sự thích nghi của cây trông ở những vùng sinh thái khác nhau Nhiệt độ tốithấp và tối cao của cây vùng nhiệt đới cao hơn cây vùng ôn đới và hàn đới Ở vùngnhiệt đới nhiều cây ngừng sinh trưởng ở nhiệt độ 100 ͦ C, trong khi đó ở vùng hànđới rất nhiều loại cây có khả năng sinh trưởng trong băng tuyết với nhiệt độ - 500 ͦ

C Biết được yêu cầu nhiệt độ sinh trưởng của từng loại cây trồng có ý nghĩa rất lớntrong việc xác định thời vụ gieo trồng thích hợp, chuyển vùng và nhập nội giống

Bảng 2.1 Giới hạn nhiệt độ thích hợp của một số loại cây

Cây trồng Nhiệt độ

Tối thấp Tối caoĐậu Hà Lan -2 ͦ C 44,5 ͦ C

Sinh trưởng của các cơ quan khác nhau của cây cũng nằm trong khoảng nhiệt

độ khác nhau Những cơ quan ở trên mặt đất thích nghi với nhiệt độ không khí caohơn so với những cơ quan ở dưới mặt đất,vì vậy ở nhiệt độ cao sự sinh trưởng của

rễ kém hơn thân và cành.Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm có ảnhhưởng rất lớn đến sự sinh trưởng của cây.Ban ngày nhiệt độ cao thuận lợi cho câyquang hợp và tích lũy chất hữu cơ, ban đêm nhiệt độ hạ thấp sẽ hạn chế hô hấp và

Trang 9

tiêu phí chất hữu cơ, giảm sự thoát hơi nước nên sinh trưởng nhanh hơn Sự chênhlệch nhiệt độ giữa ngày và đêm tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích lũy tinh bột trongcác cơ quan sinh sản và dự trữ như củ khoai lang, khoai tây, củ sắn, hạt hòa thảo ,

do đó làm tăng năng suất mùa màng Sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm phụ thuộcvào vùng địa lý, biên độ nhiệt độ ngày đêm lớn nhất ở vùng cận nhiệt đới và giảmdần về hai cực của quả đất Trong một năm thì mùa xuân và mùa thu có biênđộnhiệt độ lớn hơn các mùa khác, vì vậy sự sinh trưởng của cây trồng trong hai mùanày khá thuận lợi cho sự tích lũy chất khô, lại cũng phù hợp với hai mùa chính chocây trồng ở nước ta

- Tổn thương của cây do lạnh : khi nhiệt độ thấp cây sẽ có triệu chứng vàng dahay rụng lá, nhiệt độ thấp làm giảm khả năng sinh trưởng của cây, giảm quang hợp

- Tổn thương của cây do nóng, khi cây trồng tiếp xúc với nhiệt độ cao câythường có lớp vỏ dày, thân lùn màu lá đậm, tầng bầu phát triển để cách nhiệt Lánhỏ và dày do tạo thành lớp cutin hạn chế sự bốc hơi Nếu nhiệt độ quá cao sẽ gâyhiện tượng cháy rụp lá

2.1.2 Biện pháp khắc phục

- Cây trồng bị nóng ta có thể dùng lưới che bớt ánh sáng chiếu trực tiếp vàocây

- Làm thông thoáng hệ thống đối lưu trong nhà trồng

- Khi nhiệt độ tăng cao thì dùng hệ thống phun sương để làm giảm nhiệt độcho phù hợp với nhiệt độ phù hợp cho quá trình phát triển của cây

- Nếu cây bị lạnh thì nên có hệ thống lò sưởi hoặc trồng chỗ kín

2.2 Vai trò của việc tưới nước tới quá trình sinh trưởng của thực vật

2.2.1 Vai trò của tưới nước

Đất, nước, cây trồng và khí hậu là 4 yếu tố quan trọng đối với sản xuất nôngnghiệp, trong đó yếu tố quan trọng hàng đầu là nước Nước là tác nhân chuyển hoácác quá trình hỉnh thành, phát triển đất, quá trình hình thành phát triển môi sinh.Nước, chất dinh dưỡng, ánh sáng, nhiệt độ và không khí, cố liên quan chặt chẽ vớinhau nhưng không thay thế được cho nhau Tuy nhiên chế độ nước có ảnh hưởng rõrệt đến chế độ nhiệt, không khí và dinh dưỡng trong đất

Trang 10

Trong thiên nhiên nước phân bố không đều cả về không gian và thời gian Vìvậy, điều tiết chế độ nước trong đất phù hợp với nhu cầu của cây trồng là một biệnpháp kỹ thuật quan trọng để tăng vụ, tăng năng suất cây trồng, nâng cao độ phìnhiêu và cải tạo chất đất.

Tác dụng của tưới nước được thể hiện trên 2 mặt:

- Bổ sung thêm lượng nước và lượng chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng

mà đất không cung cấp

- Ảnh hưởng đến các quá trình biến đổi lý hoá, hoạt động của vỉ sinh vậttrong đât và điều kiện khỉ hậu trên đồng ruộng

2.2.2 Xác định lượng nước cần tưới của cây trồng

Lượng nước cần của cây trồng (còn gọi là lượng bốc hơi mặt ruộng) phụthuộc vào nhiều yếu tố Tuy nhiên nguyên lý chung là mổi quan hệ giữa lượng bốchơi mật ruộng với các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến nó như điêu kiện khí hậu, câytrồng

Các phương pháp xác định lượng bổc hơi mặt ruộng:

1) Phương pháp quan trác trực tiếp (phương pháp thực nghiệm) bằng các thiết

bị chuyên dùng ít được sử dụng trong sản xuất vì thời gian thực hiện dài và tốn kémthiết bị, công suất

2) Phương pháp lý luận, bán kinh nghiệm

Dựa trên các sổ liệu đo đạc trực tiếp lượng bốc hơi mặt ruộng rồi kết hợp vóiphần tích lý luận để tìm ra công thức kinh nghiệm thể hiện định lượng mối quan hệgiữa E, các yếu tố khí hậu (nhiệt độ, gió, độ ẩm không khí, độ chiếu sáng ) và câytrồng (giống, loại cây, và giai đoạn phát triển của cây trồng )

Phương pháp này được áp dụng phổ biến vì đơn giản, tiện lợi, ít tốn kém, kếtquả tương đối chính xác

Trang 11

3) Công thức xác định lượng bốc hơi mặt ruộng thông dụng

Công thức bán kinh nghiệm này đã được sử dụng phổ biến ở nhiều nước và ởViệt Nam ta đạt độ chinh xác tương đối cao và cao, gần sát và sát với thực tế

E = Kc.Y

Trong đó: E - lượng bốc hơi mật ruộng;

Kc - hệ số nước cần để tạo nên một đơn vị sản phẩm;

Y - năng suất phấn đấu

Ưu điềm: công thức thể hiện được quan hệ lượng nước cần với năng suất cây

trồng, quan hệ chặt chẽ với điều kiện khí hậu trong cùng một điều kiện nhất định,nhưng dưới dạng ẩn Tài liệu thí nghiệm và thực nghiệm phong phú đáng tin cậy cóthể sử dụng tính toán cho những điều kiện tương tự

Nhược điểm: Việc xác định chính xác Kc là khó khăn, chỉ sử dụng được trong

điều kiện khí hậu tương đối ổn định Thường gặp sai số lớn so với thực tế nếu điềukiện khỉ hậu biến động không chính xác

- Giá trị hệ số cây trồng K c được Tổ chức FAO của Liên hợp quốc nêu ra:

Bảng 2.2: Giá trị hệ số K c của một số loại cây trồng

Thời kỳ Đầu vụ Đầu vụ Giữa vụ Cuối vụ Thu hoạchLúa nước 1,1+1,15 1,1 + 1,5 1,1 + 1,3 0,95+1,05 0,95 + 1,05Ngô 0,3-0,5 0,7+0,9 1,05 + 1,2 0,8+0,95 0,55-0,6Khoai tây 0,4+0,5 0,7+08 1,05 + 1,2 0,85+0,95 0,7+0,75Lạc 0,4+0,5 0,7+08 0,95 + 1,1 0,95 + 1,1 0,55+0,60Đậu 0,3-0,4 0,65 + 0,75 0,95+1,05 0,9 + 0,95 0,85+0,95

- Thời kỳ cần tưới của một số cây trồng:

Bảng 2.3: Thời kỳ cần tưới nước của một số cây trồng

Trang 12

Cây trồng Thời kỳ cần tưới Cây trồng Thời kỳ cần tưới

Đậu tương Khi gieo hạt, khi ra hoa

kết quả, khi hạt đậu đã đẫy Đậu vàng

Khi gieo trồng và bắt đầu tạo

Trang 13

+ Điện áp đầu vào: 7-12V

+ Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

+ Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)

+ Chân vào tương tự: 6

+ Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

+ Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây

- Thông số kĩ thuật:

Trang 14

Đo độ ẩm: 20% - 95%

Đo nhiệt độ: 0 – 50 oC

Sai số độ ẩm: ±5%

Sai số nhiệt độ: ±2oC

- Sơ đồ kết nối vi xử lý:

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối DHT11 với VĐK

Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử

lý thực hiện theo 2 bước:

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảngthời gian >18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm +MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

+ Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us màchân DATA không được kéo xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11.+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được vớiDHT11 ko Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giaotiếp của MCU với DHT

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11

DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte

Trong đó: Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 2: giá trị phần thấp phân của độ ẩm (RH%)Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

Trang 15

Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)Byte 5: kiểm tra tổng

Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte 1 + Byte 2 + Byte3 + Byte 4) thì giá trị độ ẩm vànhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

+ Đọc dữ liệu: Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm

Sử dụng màn hình tinh thể lỏng LCD loại 2 dòng, 16 kí tự LCD1602 Màn hìnhLCD đã rất phổ biến trên thị trường và việc lập trình cho nó rất đơn giản thêm vào

đó là nó có mặt thẩm mĩ rất cao Sử dụng nguồn nuôi thấp (từ 2, 5 đến 5V) Có thểhoạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit

Thông số kỹ thuật:

- Máy bơm mini có điện áp: DC 6-12V

Định dạng
Số trang	30
Dung lượng	869,7 KB