Đồ án điện công nghiệp thiết kế hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ĐỐ ÁN ĐIỆN CÔNG NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG ARDUINO Cán hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Ths Hoàng Đăng Khoa Lê Trường Thuận B1603753 Phan Thành Nam B1603734 Cần Thơ, 2019 Đồ án điện cơng nghiệp LỜI NĨI ĐẦU Ngày khoa học công nghệ ngày phát tri ển, vi ều ển AVR vi điều khiển PIC ngày thơng dụng hồn thiện Nhưng có th ể nói s ự 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 tịi v ề vi ều khiển mà khơng có q nhiều kiến thức, hiểu biết sâu s ắc v ề v ật lý ện t Phần cứng thiết bị tích hợp nhiều chức mã ngu ồn mở Ngơn ngữ lập trình Java lại vô dễ sử dụng tương thích v ới ngơn ngữ C/C++ hệ thống thư viện phong phú chia sẻ mi ễn phí Chính lý nên Arduino dần phổ bi ến phát triển ngày mạnh mẽ toàn giới Trong đề tài này, em thi ết k ế m ột hệ thống tưới tự động xây dựng với trung tâm Arduino UNO R3 (m ột loại Board Arduino), chi phí thấp, thi ết kế đơn gi ản, có ứng d ụng r ộng rải từ mơ hình nhỏ đơn giản đến mơ hình lớn phức tạp GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này, nhóm em xin cảm ơn thầy Hồng Đăng Khoa giúp đỡ cho chúng em q trình hồn thành đồ án Giúp chúng em hiểu rõ mạch Arduino, cách thiết kế mạch, chạy code hay biết nhiều ứng dụng hay mạch Arduino Ngoài ra, nhờ thầy hướng dẫn nên chúng em hoàn thành mạch in, hiểu trình làm mạch in với công đoạn thiết kế, làm mạch, khoan hàn linh kiện Qua giúp chúng em tiến có bước đầu hiểu mạch điện tử Thông qua đồ án, chúng em tích lũy học kinh nghiệm thực tế có cho việc học tập công việc chúng em sau Bên cạnh cịn có nhiều mặt hạn chế lần đầu tiếp xúc với linh kiện điện tử thực tế kỹ yếu nên dẫn đến sản phẩm cịn nhiều khuyết điểm, mơng thầy thơng cảm bỏ qua cho chúng em Một lần nửa tụi em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa giúp đở nhóm em hồng thành đồ án GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang Đồ án điện cơng nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu đề tài CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1 Arduino UNO R3 2.1.1 Các thông số Arduino UNO R3 2.1.2 Vi điều khiển .6 2.1.3 Các chân Arduino .6 2.1.4 Lập trình cho Arduino .7 2.2 Cảm biến độ ẩm module chuyển đổi 2.2.1 Cảm biến độ ẩm 2.2.2 Module chuyển đổi 2.3 Module 5VDC kênh .9 2.4 Động bơm 12V 10 2.5 Điện trở 220Ω Led 11 2.6 Bộ nguồn nhiều ngõ .12 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 Phần mềm mô Proteus 13 3.2 Thư viện Arduino cho Proteus 14 3.3 Arduino IDE lập trình cho Arduino 14 3.4 Mô hệ thống 15 3.4.1 Mô mạch nguyên lý Proteus 16 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp 3.4.2 Nguyên lý hoạt động 16 3.4.3 Viết code chương trình cho Arduino 16 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Thiết kế mạch in 21 4.2 Thi công mạch 21 CHƯƠNG NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 5.1 Nhận xét 23 5.2 Kết luận .23 TÀI LIỆU THAM KHẢO .24 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình Hình dáng bên ngồi Arduino Hình Thơng số Arduino Hình Cảm biến độ ẩm Hình Module chuyển đổi Hình Module relay 5VDC kênh Hình Động bơm 12V 10 Hình Điện trở 220Ω 11 Hình Led 11 Hình Bộ nguồn nhiều ngõ 12 Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.7 13 Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus 14 Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE 15 Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 16 Hình 14 Viết code Arduino IDE .16 Hình 15 Sơ đồ mạch in Proteus 21 Hình 16 Mạch thực tế sau hoàn thành .22 Hình 17 Mơ hình thực tế sau lắp đặt .22 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG TỔNG QUANG VỀ ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Thực tế sống ngày bận rộn, nhiều người có thú vui trồng cảnh, vườn rau khơng gian tr ống nhà sân thượng, ban công Tuy nhiên, lúc bạn bận cơng việc ngày cảnh vườn hoa nhà không tưới n ước Ngồi phương pháp tưới phổ thơng, tạo hệ th ống tưới tự động đơn giản cho khu vườn nhỏ chí mở rộng hệ th ống tưới cho khu vườn lớn 1.1 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Mục tiêu đồ án thiết kế hệ th ống tưới tự đ ộng đ ơn gi ản v ới nguyên lý thông qua cảm biến độ ẩm đất để truyền tín hiệu cho h ệ th ống để biết lúc nên vận hành động bơm n ước cho khu v ườn T ất c ả m ọi vi ệc tự động diễn trình cài đặt sẵn qua cảm bi ến đ ể ều ti ết việc tưới hợp lí thời tiết Với mơ hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế nên áp dụng rộng rải vào sống thực tế GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp CHƯƠNG GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1 • ARDUINO UNO R3 Arduino thực gây sóng gió trường giới nhi ều năm qua v ới số lượng người dùng cực lớn đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thơng đến bậc đại học • Arduino UNO R3 mạch Arduino sữ dụng phổ biến Hiện nay, dòng mạch phát triển đến hệ thứ (R3) Hình 1: Hình dáng bên ngồi Arduino 2.1.1 Các thơng số Arduino UNO R3 GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện cơng nghiệp Hình 2: Thông số Arduino 2.1.2 Vi điều khiển • Arduino Uno xây dựng với phân nhân vi ều ển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động 16 MHz V ới vi ều ển này, ta có 14 ng ỏ ra/vào đánh số từ đến 13 Song song đó, ta có thêm ngỏ nhậ tín hi ệu analog đánh ký hiệu từ A0 đến A5 • Trên board cịn có nút reset, ngõ k ết n ối v ới máy tính qua c USB ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thơng qua ắc-quy nguồn 2.1.3 Các chân Arduino • Các chân lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input), IOREF, RESET • Các cổng ra/vào: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu chân analog (A0 - A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit, để đọc giá trị điện áp khoảng 0V - 5V GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang Đồ án điện công nghiệp 2.1.4 Lập trình cho Arduino • Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng Ngơn ngữ dựa ngôn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Wiring lại biến thể C/C++ Có người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++ tên gọi phổ biến ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học từ việc lập trình ta thiết kế mạch theo ý 2.2 2.2.1 muốn vận hành cách hiệu tối ưu CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ MODULE CHUYỂN ĐỔI Cảm biến độ ẩm đất Hình Cảm biến độ ẩm đất • Hai đầu đo cảm biến cắm vào đất để phát hi ện đ ộ ẩm Dùng dây n ối cảm biến module chuyển đổi Thông tin độ ẩm đất đọc 2.2.2 gởi tới module chuyển đổi Module chuyển đổi • Hình Module chuyển đổi Module chuyển đổi có cấu tạo gồm IC so sánh LM393, biến trở, điện trở dán 100 Ohm tụ dán Bi ến tr có chức định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc từ cảm biến GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 10 Đồ án điện cơng nghiệp • Mạch relay kênh sử dụng chân kích mức thấp (0V), mức cao (5V) tùy thuộc vào chọn Jumper Ứng dụng với relay module nhiều bao gồm điện DC hay AC • Thơng số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 5VDC Tín hiệu kích: High (5V) Low (0V) chọn Jumper Nguồn cấp: 5VDC Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A 30VDC-10A Kích thước: 52mm × 41mm × 19mm Điện áp hoạt động: 5VDC Có thể sử dụng relay để điều khiển thiết bị có cơng suất 30VDC-10A 250VAC-10A Điện áp kích mức thấp 2.4 ĐỘNG CƠ BƠM 12V Hình Động bơm 12V • Thơng số kỹ thuật: Máy bơm có điện áp: DC 12V Dịng tiêu thụ: 0.6-2A Cơng suất: 5-12W Lưu lượng bơm: 1-2 lít/phút Kích thước: 90×40×35 mm ĐIỆN TRỞ 220Ω VÀ LED 2.5 • Điện trở 220V • GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 13 Hình Điện trở 220Ω Led: Đồ án điện công nghiệp Led hoạt động mức 1,8 đến 3V, dịng 10 đến 20mA Hình Led 2.6 BỘ NGUỒN NHIỀU NGÕ RA Hình Bộ nguồn nhiều ngõ • Thơng số kỹ thuật: - Điện áp ngõ vào: AC 220V - Điện áp ngõ ra: DC 3.3V, 5V, 9V, 12V - Cường độ dòng điện: 1A GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 14 Đồ án điện cơng nghiệp • Sử dụng nguồn DC 9V cấp cho Arduino UNO R3 qua jack cắm, s dụng nguồn DC 12V cấp cho động bơm CHƯƠNG GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS Phần mềm Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, Proteus phần mềm mô mạch ện tử Labcenter Electronic, mô cho hầu hết linh ki ện ện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho MCU PIC, 8051, AVR, Motorola Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Proteus phần mềm mô cho loại vi điều ển tốt, hỗ trợ dòng vi điều khiển PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11, giao ti ếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet, ngồi cịn mơ mạch số, mạch tương tự GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 15 Đồ án điện công nghiệp cách hiệu Hình 10 Giao diện phần mềm Proteus 8.7 3.2 THƯ VIỆN ARDUINO TRONG PROTEUS Thư viện Arduino bổ sung hay cho phần mềm Proteus, giúp cho việc mô Arduino thuận tiện dễ dàng thay mơ chip Atmega328 (nhân Arduino), thư viện phát triển kỹ sư Cesar, Osaka, Daniel Cezar, Roberto Bauer đăng tải blog tiếng Bồ Đào Nha http://blogembarcado.blogspot.de/ Thư viện bao gồm linh kiện sau: GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 16 Đồ án điện công nghiệp - Arduino UNO (Phiên chip Atmega328 chân DIP) Arduino UNO (Phiên chip Atmega328 chân SMD) Arduino mega Arduino Lilypad Arduino Nano Cảm biến siêu âm Ultrasonic V2 Hình 11 Các linh kiện thư viện Arduino cho Proteus 3.3 ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính thơng dụng mang l ại nhiều lợi cho Arduino, nhiên sức mạnh thực Arduino nằm phần mềm Mơi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngơn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu dựa tảng C/C++ quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng số lượng thư viện code viết sẵn chia cộng đồng nguồn mở lớn GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 17 Đồ án điện cơng nghiệp Hình 12 Giao diện phần mềm Arduino IDE Arduino IDE phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Mơi trường lập trình cho Arduino IDE chạy ba tảng phổ biến hi ện Windows, Macintosh OSX Linux Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình hồn tồn miển phí mở rộng người dùng có kinh nghi ệm Ngơn ngữ lập trình mở rộng thông qua thư viện C++ Và ngôn ngữ lập trình dựa tảng ngơn ngữ C AVR nên người dùng hồn tồn nhúng thê code viết AVR vào chương trình n ếu muốn Hiện tại, Arduino IDE download từ trang chủ http://arduino.cc/ 3.4 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG 3.4.1 Mơ mạch nguyên lý Proteus GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 18 Đồ án điện cơng nghiệp Hình 13 Mạch nguyên lý vẽ Proteus 3.4.2 Nguyên lý hoạt động: Giá trị độ ẩm đất nhận biết qua cảm biến độ ẩm đưa điều khiển Arduino UNO R3 tín hiệu Digital Khi đất khơng đủ độ ẩm giá trị tín hiệu gởi 0, điều khiển đưa tín hiệu cho đóng Rờ le động máy bơm bắt đầu hoạt động bơm nước tưới vào chậu Khi đủ nước, độ ẩm cao, cảm biến gởi tín hiệu có giá trị 1, điều khiển đưa tín hi ệu ngắt rờ le, máy bơm dừng hoạt động Led đỏ có tác dụng báo hiệu độ ẩm thấp, chậu thiếu nước Led xanh có tác dụng báo hiệu độ ẩm cao, chậu đủ nước Led vàng có tác dụng báo hiệu trạng thái hoạt động dừng máy bơm Viết code chương trình cho Arduino 3.4.3 Khởi động phần mềm Arduino IDE soạn code Sau l ập trình xong, nhấn để biên dịch code sau vài giây phần mềm biên dịch cho ta file hex chương trình GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 19 Đồ án điện cơng nghiệp Hình 14 Viết code Arduino IDE Sau tạo file hex t nạp file vào linh kiện Arduino proteus để chạy mô hệ thống  Mã code hệ thống: /** * Aut om atic Wat erin g usin g Ard uin o * Cao Hie u 201 */ GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 20 Đồ án điện công nghiệp int st SEN SOR _MH _D_ PIN = 4; int st SEN SOR _MH _A_ PIN = A0; int st T_R ELA Y_PI N= 2; int st TIM E_T O_G ET_ SA MPL E= 500 0; // 5s int st GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 21 Đồ án điện công nghiệp SA MPL E_TI ME = 500 ; //0 s int st LED _PIN = 13; int st LED _BL UE_ PIN = 10; int st LED _YE WL OW _PIN = 9; int st LED _RE D_P IN = 8; GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 22 Đồ án điện cơng nghiệp int st TRE E_W ATE R_L EVE L_HI GH = 600 ; int st TRE E_W ATE R_L EVE L_L OW = 300 ; int sen sor MH Valu e= 0;// stor e sen sor valu e int bu GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 23 Đồ án điện công nghiệp mp Stat us = 0; int wat erSt atu s= 0;// -1: less wat er, 0: eno ugh wat er, +1 : mor e wat er void set up() { //se rial prin t // Seri al.b egi n(9 600 ); pin GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 24 Đồ án điện công nghiệp Mod e(S ENS OR_ MH_ D_P IN,I NPU T); pin Mod e(T_ REL AY_ PIN, OUT PUT ); pin Mod e(L ED_ PIN, OUT PUT ); pin Mod e(L ED_ BLU E_PI N, OUT PUT ); pin Mod e(L ED_ GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 25 Đồ án điện cơng nghiệp YE WL OW _PIN , OUT PUT ); pin Mod e(L ED_ RED _PIN , OUT PUT ); } void loop () { // pro ces s and che ckin g to wat erin g wat erin gPr oce ss() ; // GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 26 Đồ án điện công nghiệp Sen d info rma tion to seri al port //pri ntTo Seri alPo rt(); //sh ow the led stat us sho wLe dInf o(); } void wat erin gPr oce ss() { int sen sor Stat us = digi talR GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 27 ... Hoàng Đăng Khoa Trang 35 Đồ án điện công nghiệp GVHD: Th.s Hồng Đăng Khoa Trang 36 Đồ án điện cơng nghiệp CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Thiết kế mạch in Từ sơ đồ nguyên lý thiết kế phần mô Proteus, ta... dòng điện: 1A GVHD: Th.s Hoàng Đăng Khoa Trang 14 Đồ án điện cơng nghiệp • Sử dụng nguồn DC 9V cấp cho Arduino UNO R3 qua jack cắm, s dụng nguồn DC 12V cấp cho động bơm CHƯƠNG GIỚI THIỆU ARDUINO. .. Trang Đồ án điện cơng nghiệp LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này, nhóm em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa giúp đỡ cho chúng em q trình hồn thành đồ án Giúp chúng em hiểu rõ mạch Arduino, cách thiết kế mạch,