Arduino Uno R3 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328. Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:
Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ máy tính lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Jack nguồn: nguồn từ 9V - 12V.
Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0-13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
Vi điều khiển AVR: sử dụng ATMega328.
4 chân analog (A0 đến A5).
Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino UNO R3. Trong quá trình kết nối các module và lập trình cho hệ thống:
Bộ nhớ sử dụng hết 3303 bytes vào khoảng 43% bộ nhớ
Tổng số chân I/O sử dụng là 17 chân, công thức tính dòng tiêu thụ (3.1) Dòng tiêu thụ = 17 x 20mA = 340mA (3.1)
3.2.2 Khối module wifi ESP 8266 V1
Hình 3.4: Module wifi ESP 8266 V1. Điện áp cung cấp: 3.3V DC.
Dòng điện tiêu thụ:300mA.
Cách nối dây cho ESP 8266 vào Arduino UNO R3 theo thứ tự chân ở bảng 3.5 ở trên như sau:
VCC: 3.3V
GND: 0V
Tx: Chân Tx của giao thức UART, kết nối đến chân Rx của vi điều khiển.
RST: chân reset, kéo xuống mass để reset.
CH_PD: chân này nếu được kéo lên mức cao module sẽ bắt đầu thu phát wifi, kéo xuống mức thấp module dừng phát wifi. Vì ESP8266 khởi động hút dòng lớn nên chúng ta giữ chân này ở mức 0V khi khởi động hệ thống của mình , sau 2 s hãy kéo chân CH_PD lên 3.3V, để đảm bảo module hoạt động ổn định.
GPIO0: kéo xuống thấp cho chế độ upgrade firmware.
GPIO2: không sử dụng.
Dưới đây là cách nối dây vào Arduino UNO R3 với ESP 8266 V1, được thể hiện trong hình 3.5:
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý Module wifi ESP 8266 V1 với Arduino UNO R3.
Cách kết nối chân Arduino UNO với module ESP 8266:
Chân VCC và chân CH_PD của ESP nối với nguồn 3.3V.
Chân GND của ESP nối với GND của nguồn 3.3V và GND của Arduino.
Chân RX của ESP kết nối với chân TX của Arduino.
3.2.3 Khối cảm biến độ ẩm đất.
Hình 3.6: Hình ảnh thực tế của Module cảm biến độ ẩm đất.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng tiêu thụ: 5mA.
Tín hiệu đầu ra:
o Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.
o Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
Kích thước: 3 x 1.6cm.
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý Module độ ẩm đất kết nối Arduino UNO R3.
Cách kết nối chân Arduino UNO với cảm biến độ ẩm đất:
Chân A0 nối với chân A0 của Arduino.
Chân vcc nối với 5V của Jack DC 5V.
3.2.4 Khối cảm biến DHT11
Thông số kỹ thuật
Nguồn 3-5V DC.
Chuẩn giao tiếp TTL, 1wire
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
Đo tốt độ ẩm 20% - 80%RH với sai số ±5%
Đo tốt ở nhiệt độ 0-50℃ sai số ±2%
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến DHT11 vào Arduino UNO
Cách kết nối giữa cảm biến DHT11 và Arduino UNO
Chân số 2 nối vào chân 6 của Arduino để truyền nhận dữ liệu.
Chân số 3 nối với GND của Arduino và Jack DC 5V.
Chân số 1 nối với 5V của Jack DC 5V.
3.2.4 Khối chấp hành.
a. Máy bơm 5V
Hình 3.9: Động cơ 5V DC.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp 5V
Lưu lượng: 1.5 lít/phút
Dòng điện: 100-200mA
Động cơ: Chổi than
b. Mạch tạo độ ẩm không khí
Hình 3.10: Mạch tạo hơi sương 5V.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: 5V
Dòng tiêu thụ:100mA
Cộng hưởng tần số của đầu phun sương: 1.70MHz.
Lượng sương: 380ml / h
3.2.5 Khối hiển thị
Hình 3.11: LCD 20x4.
Vì ta sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD 20x4 sang I2C, chỉ cần 2 chân SDA và SCL của Arduino Mega 2560 kết nối với 2 chân SDA và SCL của module là đã có thể hiển thị thông tin lên LCD.
Hình ảnh thực tế của mạch chuyển giao tiếp được thể hiện ở hình 3.12:
Hình 3.12: Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C.
Cách kết nối giữa LCD 20x4 sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C và Arduino UNO R3, được thể hiện trong hình 3.12 dưới đây:
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO R3 với I2C.
Cách kết nối giữa LCD 20x4 sử dụng mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C và Arduino UNO
Hai chân nguồn VCC và GND được kết nối với 5V 2A để dòng điện cho sim hoạt động ổn định lâu dài.
SDA được nối vào chân số A4 của Arduino UNO R3 để truyền nhận dữ liệu theo chuẩn I2C.
SCL được nối vào chân số A5 của Arduino UNO R3 để truyền nhận dữ liệu theo chuẩn I2C.
3.2.6 Khối ngoại vi
Trong khối này có nút nhấn đơn và led đơn. Sơ đồ nối dây và hình ảnh thực tế được biểu hiện trong hình 3.13 sau:
ILED=15mA
R1=R2=R3=R4=R5=V/ILED=5/0,015=330 Ω (3.1) INUT NHAN =2.2mA
R=V/INUT NHAN =5/0,0022=2.2KΩ (3.2) Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với nút nhấn và led được thể hiện trong hỉnh 3.14
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với nút nhấn.
3.2.7 Khối relay
Do dùng nguồn 5V để cách ly với nguồn 9V cung cấp cho Arduino, mục đích để chống nhiễu từ cuộn dây của relay khi điều khiển thiết bị mức điện áp 220V nên sử dụng loại relay 5V. Chịu được điện áp và dòng tối đa là 250VAC/10A.
Hình 3.16: Relay 5V 10A 5 chân
Theo thông số kỹ thuật của relay, ta có dòng trong cuộn dây IL=30mA, điện áp trong cuộn dây UL=5, điện trở cuộn dây được tính như sau:
RL = UL
IL = 5V
30mA=167Ω (3.3) Từ đó ta có thể tính hFE và IC của transistor với dòng ra tối đa trên mỗi chân Arduino là I = 20mA: hFE ≥ 5×𝐼𝐿 𝐼 = 5×30 20 = 7.5 (3.4) Chọn hFE = 100 Và IC > IL = 30mA (3.5) Chọn Ic = 150 mA
Chọn transistor thực tế là C1815, từ đó ta tính Rb cho mạch relay
Rb = 𝑉𝐶𝐶 × ℎ𝐹𝐸
5×𝐼𝐿 =
5𝑉×100
5×20𝑚𝐴 = 5000Ω (3.6) Chọn điện trở thực tế trong mạch là 5.1KΩ
Mạch nguyên lý hoạt động của khối relay được thể hiện trong hình 3.17 dưới đây:
Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý hoạt động khối Relay.
3.2.8 Khối nguồn
Board Arduino UNO R3 sử dụng hết 17 chân (N). Dòng DC trên mỗi chân I/O (I1C) là 20mA.
IAr = I1C x N
= 20 x 17 = 340 mA (3.7) Dòng tiêu thụ ESP 8266 (IESP) là 300mA.
Dòng tiêu thụ cảm biến DHT11 (IDHT11) là 2.5mA. Dòng tiêu thụ cảm biến độ ẩm đất (IĐỘ ẨM) là 5mA. Dòng tiêu thụ bơm nước 5V(IBƠM) tối đa là 200mA.
Dòng tiêu thụ mạch tạo hơi sương 5V(IHƠI SƯƠNG) tối đa là 100mA. Dòng tiêu thụ quạt 5V(IQUẠT) tối đa là 200mA.
Dòng tiêu thụ LCD 20x4 (ILCD) là 5mA. Tổng dòng tiêu thụ trên là:
I max = IAR+ IESP + IDHT11 + IĐỘ ẨM +IBƠM + IHƠI SƯƠNG + IQUẠT + ILCD = 340 + 300 + 2.5 + 5.0 + 200 + 100 + 200 + 5 = 1152.5 mA (3.8)
Theo tính toán thì sẽ cấp dòng tối thiểu là 1152.5mA. Vì vậy, nhóm sinh viên sử dụng mạch giảm áp LM2596 từ nguồn ắc-quy 12V 5A để có ngõ ra là 5V 3A và nguồn 3.31V 3A cung cấp cho ESP 8266. Nguồn dự phòng nguồn tổ ong 12V 3A để có ngõ ra dự phòng khi không sử dụng nguồn năng lượng mặt trời do thời tiết xấu.
Vì vậy, nhóm sinh viên sử dụng công tắc 3 cực để chuyển đổi nguồn sử dụng từ nguồn ắc-quy 12V 5A hay nguồn tổ ong có thông số là 12V 3A khi không sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
a. Nguồn bình ắc-quy
Hình 3.18: Bình ắc-quy 12V-5Ah.
Loại bình VRLA, siêu kín siêu bền, miễn bảo dưỡng, an tâm trên mọi hành trình
Dung lượng: 12V - 5Ah (10HR)
b. Tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 3.19: Tấm pin năng lượng mặt trời 10W.
Công suất tấm pin NL mặt trời: Pmax=10W
Điện áp danh định:U sac=17.5V
Hình 3.20: Sơ đồ kết nối hệ thống năng lượng mặt trời.
Công thức cụ thể được tính bằng Dung lượng ắc quy chia cho dòng điện nạp. tsac= Iac-quy /Isac =5/0.55= 9 giờ (3.9)
Trong đó:
- Isac:Dòng sạc từ pin năng lượng mặt trời.
- Iac-quy :Dòng ắc-quy khi đầy. - Tsac: thời gian sạc đầy ắc-quy.
Công thức tính thời gian duy trì tiêu thụ của hệ thống khi ắc-quy ngưng sạc. Thời gian sử dụng của Ắc quy phụ thuộc vào dung lượng của Ắc quy và công suất của tải. Công thức tính như sau:
t = (Ah.V. η)/P =(5.12.0,7)/(5.1,152)=7.3 giờ (3.10) Trong đó:
- t : là thời gian tối thiểu sử dụng điện từ Ắc quy (Giờ) ở mức liên tục. - Ah: Dung lượng Ắc quy (Ah)
- V: Điện áp Ắc quy (Volt) - P: Công suất tải(W)
c. Nguồn dự phòng.
Sử dụng nguồn tổ ong 12V 3A.
Hình 3.21: Nguồn tổ ong 12V 3A.
d. Giảm áp 12V 5A xuống 5V và 3.3V
Hình 3.22: Mạch giảm áp LM2596 .
3.2.9 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch
Dưới đây là hình 3.23 là sơ đồ nguyên lý toàn mạch thể hiện tất cả các khối và kết nối các thiệt bị lại với nhau rồi cắm vào Arduino UNO R3.
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Sau quá trình tính toán và thiết kế chọn các thiết bị hợp lý nay nhóm tiến hành thi công, lắp ráp và test mạch.
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2.1 Thi công mạch hệ thống điều khiển
Sau khi thiết kế xong sơ đồ nguyên lý và tiến hành thủ công. Với kích thước bo mạch là 150 x 150 mm bằng mica. Trên bo gồm Arduino UNO R3, module giảm áp L2596, module lelay 4 kênh 5V 10A, domino nhựa 4 kênh để nối nguồn.
Kích thước lỗ khoan lắp linh kiện trên bo mica: 2.5mm.
Sử dụng vít 2.5mm dài 25mm để lắp module vào mạch.
Kích thước lỗ khoan đi dây kết nối các linh kiện: 6mm.
Kích thước lỗ khoan lắp bo mạch vào tủ điều khiển:4mm
Mạch được lắp với bord mica như hình Hình 4.1 thể hiện sơ đồ bố trí module.
Danh sách các linh kiện sử dụng của mạch điều khiển được liệt kê trong bảng 4.1
Bảng 4.1. Danh sách các linh kiện.
STT Tên linh kiện Giá trị Loại
1 Relay 5V 10A 4 kênh
2 Aduino uno R3
3 L2596 5V
4 Domino 4 kênh
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch hệ thống
Quy trình lắp ráp – kiểm tra mạch :
Bước 1: Chuẩn bị bo mica có kích thước 150mm x 150mm màu trắng.
Bước 2: Tiến hành sắp xếp các module lên bo mica sao cho hợp lý, đánh dấu vị trí cần khoan.
Bước 3: Tiến hành khoan lỗ vít đã đánh dấu.
Bước 4: Lần lượt gắn board Arduino, relay 4 kênh 5V 10A , L2596 và domino vào bo mica bằng vít.
Bước 5: Cố định vít bằng kềm.
Bước 7: Dùng dây dẫn đầu ghim kết nối các module với nhau.
Bước 8: Cấp nguồn vào Arduino, cấp nguồn 5V cho các cảm biến và LCD. Dùng đồng hồ đo áp ở ngõ vào và ngõ ra gắn với các module và các cảm biến.
Bước 9: Cấp nguồn 3.3V cho module wifi ESP 8266 V1.
Bước 10: Cuối cùng nạp chương trình và test chương trình có đạt như yêu cầu ban đầu không.
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển
Sau khi kiểm tra mạch hoạt động tốt ta tiến hành đóng hộp thành mô hình hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển được trong 1 tủ hình hộp vuông bằng nhựa trắng với kích thước 20x20x10 cm có khóa bảo vệ. Hình 4.2 là ảnh thực tế tủ điều khiển. Hình 4.3 là sơ đồ bố trí linh kiện hiển thị ra bên ngoài mặt trước.
Hình 4.2. Tủ điện thực tế 20x20x10 cm.
Hình 4.4: Sơ đồ bố trí mặt trước hệ thống.
4.3.2 Thi công mô hình
Mô hình bằng meca và khung nhôm kết nối bằng linh kiện cơ khí.
Khung nhôm 60x60x60 cm. Sử dụng nhôm V10x20mm độ dày 1,5mm.
Sử dụng mica trong suốt có kích thước 58x58cm độ dày 1,7mm.
Lắp ráp hệ thống khung và mica với nhau bằng vít 4mm dài 10mm.
Gá treo lan: Ống PVC đường kính 16mm, số lượng 2 gá.
Ống tưới: Ống PVC đường kính 16mm, 4 đầu tưới nhỏ giọt.
Ống tạo hơi sương: Ống PVC đường kính 16mm, 2 đầu tạo sương.
Hình 4.6: Giao diện mặt trước tủ điều khiển. Hình 4.7: Hình dạng bên trong tủ.
Mô tả:
Hình 4.6: Giao diện mặt trước của tủ điều khiển theo bố cục đã thiết kế khi hoàng chỉnh.
Hình 4.7: Giao diện bên trong tủ điều khiển theo bố cục đã thiết kế vị trí lắp đặt các thiết bị khi hoàng chỉnh.
Hình 4.8: Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời.
Mô tả:
Hình 4.8: Bộ điều khiển sạc được lắp bên trái tủ điều khiển tránh được các tác động bên ngoài và hoạt động ổn định. Đèn báo chế độ sạc sáng khi có ánh nắng chiếu vào tấm pin mặt trời.
Hình 4.9: Hình dạng mặt trước mô hình Hình 4.10: Hình dạng mặt trên mô hình.
Mô tả:
Hình 4.9: Sau khi thiết kế và thi công mô hình phần cứng hệ thống chăm sóc vườn lan ứng dung năng lượng măt trời hoàn chỉnh.
Hình 4.10: Hình ảnh nhìn từ trên xuống của hệ thống.
Hình 4.11: Vị trí các ống dẫn. Hình 4.12: Vị trí các khối trong mô hình.
Mô tả:
Hình 4.11: Vị trí lắp các ống điện từ tắm pin mặt trời xuống bộ điều khiển sạc.
Hình 4.12: Hình ảnh nhìn từ trên xuống các khối thực thi và bồn chứa có dung tích 1.5lit.
Hình 4.13: Vị trí chậu lan . Hình 4.14: Vị trí treo chậu lan.
Mô tả:
Hình 4.11: Vị trí lắp treo chậu lan vào vị trí vòi tưới.
Thể tích mô hình tính theo công thức số (4.1).
V = A x B x C = 60 x 60 x 60 = 0,216 m3 (4.1) Với A, B C lần lượt là chiều dài, rộng, cao của mô hình vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời.
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG4.4.1 Lưu đồ giải thuật 4.4.1 Lưu đồ giải thuật
Hệ thống có các chức năng như sau:
Hệ thống chính là tưới lan tự động thông qua các giá trị cài đặt nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí và độ ẩm đất sao cho phù hợp với chỉ số sinh trưởng của cây lan . Sau đó, các giá trị cảm biến sẽ được gửi lên web để giám sát quá trình trồng lan. Thêm nữa là chế độ tay cho phép người chăm sóc vườn lan trực tiếp điều khiển tưới lan hay phun sương khi cần thiết. Nguồn cấp từ pin năng lượng mặt trời.
Hệ thống mở rộng bao gồm:
Hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua web, hiển thị trạng thái đóng mở của thiết bị thông qua giao diện web điều khiển.
Hệ thống đo đạc nhiệt độ, đổ ẩm thông qua cảm biến, được hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD, đồng thời cũng được hiển thị trên giao diện web điều khiển tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng có thể giám sát hệ thống từ xa thông qua Internet.
Khi cấp điện vào hệ thống, khởi động Arduino, module wifi ESP 8266 V1, cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11, LCD, …. Sau khi khởi động xong mặc định sẽ hiển thị giá