hệ thống tưới cây tự động sử dụng pin năng lượng mặt trời

MỤC LUC MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI .2 BỐ CỤC ĐỀ TÀI NỘI DUNG .4 CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 KHÁI QT VỀ MƠ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1.2 THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI 1.3 KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG ……………………………………………………………………………5 1.3.1 Tổng quan thiết kế hệ thống tưới 1.3.2 Thiết kế hệ thống tưới CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG 2.1 LỊCH SỬ CỦA PIN MẶT TRỜI .9 2.2 KHÁI QUÁT VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 2.3 SƠ LƯỢC VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO PIN MẶT TRỜI Si 13 2.4 VẬT LIỆU TRÔNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CÁC LOẠI PIN MẶT TRỜI 17 2.5 TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG CHO HỆ PIN MẶT TRỜI 19 2.6 ỨNG DỤNG .20 2.7 LỢI ÍCH CỦA PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 20 2.8 ỨNG DỤNG CẤP NGUỒN CHO ĐỀ TÀI 21 CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀARDUINO 22 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng iii MỤC LUC 3.2 BOARD ARDUINOMEGA2560 23 3.3 LCD 16x2 HD44780VÀ GIAO TIẾP I2C 28 3.4 CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT 31 3.5 CẢM BIẾN NGHIỆT ĐỘ LM35 34 3.6 Module Relay Kích H/L (12VDC) 36 3.7 MẠCH GIẢM ÁP 5V 3A CỔNG USB 37 3.8 MẠCH ỔN ÁP LM2596S 37 3.9 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 39 3.10 BỘ NẠP ẮC QUY TỰ ĐỘNG 12V - MODEl HKSL8686 39 3.11 ẮC QUY 42 3.12 BƠM TĂNG ÁP MINI 12VDCƠM 44 TĂNG ÁP MINI 44 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ 46 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆTHỐNG 46 4.2 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG CÀI ĐẶT CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT,ĐIỀU KHIỂN ĐÓNG NGẮT ĐỘNG CƠ .46 4.2.1 Giao diện IDE .46 4.2.2 Code 47 4.2.3 Lắp dặt mạch thực tế 51 CHƯƠNG V TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 5.1 TỔNG KẾT 54 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .54 TÀI LIỆU THAM KHẢO .55 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng iii DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động nhà lưới……………………… Hình 1.2: Cách tính tốn đương ống…………………………………………………… Hình 2.1: Pin lượng mặt trời ứng dụng cung cấp nguồn điện cho hộ gia đình…………………………………………………………………………………………….9 Hình 2.2:Một tế bào quan điện………………………………………………………… 11 Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động pin mặt Trời…………………………………… 13 Hình 2.4: Cấu tạo modun pin mặt Trời……………………………………………17 Hình 2.5: Pin lượng mặt trời cấp nguồn…………………………………………21 Hình 3.1: Những thành viên khởi xướng Arduino…………………………………… 22 Hình 3.2: Board Arduino Mega………………………………………………………….23 Hinh 3.3: Sơ đồ nguyên lý boar Arduino mega 2560…………………………….24 Hình 3.4:LCD 16x2……………………………………………………………………… 29 Hình 3.5: I2C……………………………………………………………………………….31 Hình 3.6: Cảm biến độ ẩm đất……………………………………………………… 32 Hình 3.7: Sơ đồ mạch nguyên lý…………………………………………………………33 Hình 3.8: LM35…………………………………………………………………………….34 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý…………………………………………………… ………….35 Hình 3.10: Relay thực tế………………………………………………………………… 36 Hình 3.11:Mạch giảm áp 5V 3A cổng USB………………………………………… 37 Hình 3.12: Mạch ổn áp LM2596S……………………………………………………….38 Hình 3.13: Pin lượng mặt trời…………………………………………………… 39 Hình 3.14: Model HKSL8686…………………………………………………………….40 Hình 3.15: Biểu đồ nạp nạp HKSL8686……………………………………….41 Hình 3.16: Ắc quy thực tế………………………………………………………………… 42 Hình 3.17: Mơ tơ 12v DC………………………………………………………………… 44 Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống………………………………………………………………….45 Hình 4.2: Giao diện IDE Arduino………………………………………………… 46 Hình 4.3: Nguyên liệu chuẩn bị………………………………………………………….50 Hình 4.4: Kết nối thử nghiệm…………………………………………………………….51 Hình 4.5: Bộ điều khiển………………………………………………………………… 51 Hình 4.6: Cấu trúc bên điề khiển…………………………………………… 52 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 4.7: Mơ hình hiển thị giá trị……………………………………………………52 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng v DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Hiệu suất lý thuyết số vật liệu pin mặt Trời…………………… 18 Bảng 2.2: Các vật liệu công nghệ pin mặt trời màng mỏng………………… 18 Bảng 3.1:Chi tiết thông số…………………………………………………………24 Bảng 3.2 : Chức chân LCD………………………………………….29 Bảng 3.3: Thông số pin lượng mặt trời…………………………………… 39 Bảng 3.4: Thông số nạp HKSL8686………………………………………… 42 Bảng 3.5: Cách nạp ắc quy……………………………………………………… 42 Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật ắc quy……………………………………………….43 SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng vii MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Page | Nhìn chung vào thực trạng Việt Nam quốc gia có khinh tế nơng nghiệp chủ lực có số loại nơng sảng đứng hàng đầu giới, chưa có nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành cách chủ quan không đảm bảo yêu cầu làm cho chất lượng sản phẩm nơng sản khơng ổn định Chính cần đẩy mạnh áp dụng tiến khoa học kỹ thuật vào sản suất nông nghiệp Riêngđối với ngành nông nghiệp trồng trọtnhững kỹ thuật trồng chăm sóc tưới nước khâu quan trọng nhất, để đảm bảo sinh trưởng phát triển bình thường, tưới tưới đủ theo yêu cầu trồng hạn chế sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt suất, hiệu cao Mặt kháctrong bối cảnh Việt Nam ngày hội nhập kinh tế quốc tế sâu rộng, đồi hỏi sản phẩm nông sản phải chất lượng đạt chuẩn xuất thị trường quốc tế Các thiết bị máy móc tự động đưa vào phục vụ thay sức lao động củacon người Vì thiết bị tưới nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vàothực tiễn ngày áp dụng nhiều Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm đất độ ẩm khơng khí cho trồng phát triển tốt Với hệ thống này, việc tínhtốn đưa thời gian xác để bơm nước, gười lao động không cầnphải quan tâm đến việc tưới cây, sinh trưởng phát triển ổn định LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhận thấy nhu cầu xu hướng áp dụng tiến khoa học kỹ thuật vào ngành nông nghiệp Việt Nam trọng, nên thân tơi q trình đào tạo ngành tự động hóa muốn kết hợp phát triển với kinh tế SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng MỞ ĐẦU mạnh nông nghiệp nước ta nghiên cứu đưa đề tài “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” “Hệ thống tưới tự động sử dụng pin lượng mặt trời” nghiên Page | cứu thiếc kế nhằm đáp ứng nhu tạo môi trường sống phù hợp ổn định để sinh trưởng, phát triển tốt Đồng thời hệ thống sử dụng pin lượng mặt trời, nguồn lượng sạch, phù hợp với điều kiện Việt Nam nguồn lượng nhiều quốc gia phát triển giới ứng dụng MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” hoàn thành đáp ứng nhu cầu áp dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp trồng trọt Giúp nâng cao sản lượng, chất lượng, gia tăng giá trị kinh tế để khẳng định vai trò quan trọng nghành nông nghiệp Việt Nam Tạo điều kiện để người nơng dân nâng cao trình độ, biết áp dụng tiến khoa học canh tác Hạn chế thời gian, giảm công lao động, giảm di vất vã người nông dân Đồng thời tiếp tục nghiên cứu chế tạo hệ thống giá thành thấp, cách sử dụng không phức tạp Đề tài nghiên cứu Đồng Bằng Sông Cửu Long, Khi nơi dẫn đầu nước sản xuất nông nghiệp trồng trọt nơi có nhu cầu lớn áp dụng công nghệ tự động vào tưới Về mặt thời gian nghiên cứu đề tài hoàn thành sản phẩm trình chuẩn bị kỉ lưỡng, phải hội đủ điều kiện từ nhiều giai đoạn phải nhiều thời gian Đề tài nghiên cứu áp dụng khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long Nhưng hệ thống nghiên cứu thành cơng hồn thiện, sản xuất đại trà để cung cấp cho nhu cầu lớn nhiều quốc gia có Bởi vì, điều kiện nhiều quốc gia khác tương đối giống với điều kiện tự nhiên Đồng Bằng Sông Cửu Long (Việt Nam) SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng MỞ ĐẦU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN ĐỀ TÀI Đề tài “HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI” áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến vào nông nghiệp Page | trồng trọt, tạo nên mối liên kết hai lĩnh vực phát triển Thực đề tài này, tạo điều kiện cho thân có nhìn tổng quang từ lý thuyết sách so với thực tiển thí nghiệm mơ hình cụ thể từ tơi vận dụng linh hoạt tất kiến thức học cách có hiệu từ nghành "Cơng Nghệ Kĩ Thuật Điều Khiển vàTự Động Hóa" BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI CHƯƠNG II: SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO HỆ THỐNG CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG VI:THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH,LẮP ĐẶT MẠCH THỰC TẾ CHƯƠNG V: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN SVTH: Huỳnh Quốc Trưỡng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NỘI DUNG CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Page | 1.1 KHÁI QT VỀ MƠ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Hình 1.1: Hệ thống tưới phun sương tự động nhà lưới Tại số địa phương canh tác số loại cây, hoa, rau có giá trị kinh tế mơ hình tự động đáp ứng điều kiện kinh tế, môi trường nước ta Thực tế sống ngày bận rộn, nhiều người có thú vui trồng cảnh, vườn rau khơng gian trống nhà sân thượng, ban công Tuy nhiên, lúc bạn bận công việc ngày cảnh vườn hoa nhà khơng tưới nước Nhìn chung, phương pháp tưới có dùng ống có nguyên lý tính ta tính tốn đường kính ống chính, ống phụ, ống nhánh, vận tốc nước chảy ống, áp lực nước ống; tính tốn chiều dài loại ống, chi tiết nối (co, tê, van, nối,.vv ), số lượng bét phun, bét đế chân, ống dẫn đến gốc vv cuối lập bảng tổng hợp số luợng loại vật tư, tính tốn chí mua vật tư, tiền cơng xây lắp vv SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Bộ nạp thiết kế nạp tự động với gia đoạn (nạp dòng [bulk], nạp áp [absorption], nạp thả nổi[float]), Led báo chế độ nạp led báo dung lượng ắc quy, bảo vệ chống ngược cực, bảo vệ đầu tải, bảo vệ ắc quy xuống thấp 10.8 (V) Page | 40 với dòng tiêu thụ cực thấp 0.4 (mA ) - Giai đoạn nạp Bulk (nạp dòng): dòng điện giữ nguyên không đổi Giai đoạn giúp cho acquy nạp từ 80% đến 90% dung lượng Do có chức hạn chế dòng nạp nên bảo vệ acquy trường hợp acquy cạn kiệt - Giai đoạn nạp Absorption (nạp áp): điện áp nạp ổn định mức khoảng 14,4V dòng nạp giảm dần (Amp) - Giai đoạn nạp Float (nạp trì hay thả nổi): thực chất nạp với điện áp không đổi, mức thấp (khoảng 13,5 –13.8V) để bổ xung phần lượng tự phóng acquy, ln đảm bảo acquy nạp đầy SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng 40 CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 3.14: Model HKSL8686 Đặc điểm: Page | 41 - Nguồn cấp PIN lượng mặt trời loại 12V nguồn DC (16 → 30V) - Lựa chọn đầu dòng nạp: 0.9A, 1.4A , 2A tương ứng với loại ắc quy - Ngưỡng áp bảo vệ ắc quy (ngắt tải) 10.8V với dòng tiêu thụ cực thấp 0.4mA - Ngưỡng áp hoạt động lại (cấp nguồn cho tải) : 11.3V - Chống đấu ngược cực PV Battery - Công suất nạp : 24W - Công suất đầu tải: 36W - Nhiệt độ hoạt động : -40°C - 80°C - Hiệu suất nạp : 85 – 87% SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng 41 CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 3.15: Biểu đồ nạp nạp HKSL8686 Thông số kỹ thuật : Page | 42 Bảng 3.4: Thông số nạp HKSL8686 Hướng dẫn sử dụng chọn ắc quy tương ứng: Bảng 3.5: Cách nạp ắc quy Dòng nạp Nạp = 1/10 dung lượng Nạp = 1/7 dung lượng 0.9 Ah 1.4 Ah 2.0Ah ( nạp thường) Ắc quy 12V>= 9Ah Ắc quy 12V>= 14Ah Ắc quy 12V>= 20Ah ( nạp nhanh) Ắc quy 12V>= 7Ah Ắc quy 12V>= 12Ah Ắc quy 12V>= 17Ah 3.11 ẮC QUY SVTH:Huỳnh Quốc Trưỡng 42 CHƯƠNG III: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Page | 43 Hình 3.16: Ắc quy thực tế Thơng số kỹ thuật : Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật ắc quy WP12-12SE 12V-12Ah (20HR) Công suất 20 hour rate (0.6A to 10.50V) 12Ah 10 hour rate (1.14A to 10.50V) 11.4Ah hour rate (2.04A to 10.20V) 10.2Ah 1C (12A to 9.60V) 7.6Ah 3C (36A to 9.60V) 4.8Ah Nội trở @1KHz ~ 11mΩ Điện cực F2 (Faston Tab 250) Trọng lượng 3.95kg (8.69Lbs.) Kích thước (mm) L151 x W98 x H93 x TH98 (±1) Tuổi thọ thiết kế 05 năm Dòng điện Nạp lớn < 3.6A | Phóng tối đa giây: 180A Nạp điện @25℃ Cycle: 14.4-15.0V (Solar, Xe điện) Standby: 13.5-13.8V (UPS) Nhiệt độ -15℃< nạp