Máy bơm điện chìm là loại máy bơm nước thường hoạt động trong môi trường dưới nước, tuy vẫn có những loại máy hoạt động ở trên cạn, nhưng chủ yếu các dòng máy bơm nước chìm đúng như tên gọi của nó đều được đặt chìm sâu dưới nguồn nước (xem Hình 2.23).
Hình 2.23: Máy bơm chìm - Nguyên lý hoạt động:
Máy bơm chìm là loại máy bơm ly tâm kết hợp. Điện năng truyền qua dây dẫn làm mô-tơ quay. Nước được hút từ miệng hút nhờ lực hút từ cánh quạt của bơm ly tâm, sau khi vận chuyển qua thân bơm, nước được đưa qua ống đẩy bơm lên.
- Ứng dụng của máy bơm chìm:
Hút nước, hút bùn thải bẩn, làm sạch cho môi trường xung quanh Bơm nước lên các đài phun
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 3.1 Sơ đồ khối trong hệ thống
Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống - Nguyên lý hoạt động:
Khi có tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm đất thấp hơn hoặc vượt quá mức cho phép thì vi điều khiển sẽ xuất ra 1 tín hiệu đến Rơ-le, khi Rơ-le nhận được tín hiệu từ arduino thì lúc này mạch động lực sẽ được tác động đóng/mở máy bơm. Cảm biến mưa dùng để kiểm tra mực nước của hệ thống có còn nước hay không hoặc là báo hệ thống bị lỗi. LCD có chức năng là dùng để hiện thị các giá trị đọc được từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm của nhà kính. Điện thoại dùng để giao tiếp với mạch điều khiển để giám sát trạng thái và các giá trị nhiệt độ, độ ẩm của nhà kính. Mô–đun 2596 dùng để ổn định điện áp phù hợp cho mô-đun sim800L (xem Hình 3.1).
3.2 Thiết kế các khối trong hệ thống.
Việc tính toán thiết kế là công việc không thể thiếu khi thực hiện bất cứ đề tài nào. Chính công việc này sẽ quyết định phần lớn đến kết quả của đề tài. Mọi thiết bị, linh kiện cần được tính toán kỹ lưỡng mới đem đến kết quả tốt nhất cho đề tài.
Theo sơ đồ nguyên lý, nhóm chúng em sẽ thiết kế theo sơ đồ nguyên lý gồm có các phần:
Khối xử lý trung tâm : 1 Arduino Uno R3.
Khối hiển thị : LCD. Khối chấp hành : Rơ-le.
Khối chuyển đổi : Mô-đun hạ áp LM2596 Khối nguồn : Nguồn 12V lấy từ Adapter Smartphone : 1 điện thoại thông minh
- Khối xử lý trung tâm : gồm có 1 vi điều khiển được lập trình để (xem Hình 3.2): Giao tiếp với LCD
Nhận dữ liệu từ các mô-đun cảm biến. Điều khiển hệ thống qua mô-đun sim800L. Điều khiển Rơ-le.
Hình 3.2: Khối xử lý trung tâm. - Khối cảm biến
Cảm biến độ ẩm đất:
Dựa vào yêu cầu thiết kế, nhóm chúng em cần một loại cảm biến có khả năng đo độ ẩm đất 4W49, cảm biến độ ẩm đất điện dung… Trong quá trình nghiên cứu các loại cảm biến thì nhóm em đã quyết định chọn cảm biến độ ẩm đất E2000115 với ưu điểm
nhỏ gọn, giá thành thấp và dễ sử dụng. Trong sơ đồ nguyên lý Hình 3.3, cảm biến độ ẩm đất kết nối chân tín hiệu vào A2 của Arduino Uno R3.
Hình 3.3 Mô-đun cảm biến độ ẩm đất kết nối với Arduino Uno R3. Cảm biến mưa:
Dựa vào yêu cầu thiết kế, nhóm chúng em cần một loại cảm biến có khả năng phát hiện được hệ thống có còn nước hay không. Và sau khi tìm hiểu thì chúng em quyết định chọn cảm biến mưa. Vì giá thành rẽ, nhỏ gọn và dễ sử dụng (xem Hình 3.4).
Hình 3.4: Cảm biến mưa kết nối với Arduino Uno R3. Cảm biến nhiệt độ:
Dựa vào yêu cầu thiết kế, nhóm chúng em cần một loại cảm biến có khả năng đo nhiệt độ môi trường. Hiện nay trên thị trường có khá nhiều loại cảm biến như: Mô-đun cảm biến nhiệt độ DHT12, cảm biến nhiệt độ LM35 … Trong quá trình nghiên cứu các loại cảm biến thì nhóm đồ án chúng em đã quyết định chọn cảm biến nhiệt độ DS18B20 (xem Hình 3.5) với ưu điểm nhỏ gọn, giá thành thấp và dễ sử dụng. Trong sơ đồ nguyên lý (xem Hình 3.6), cảm biến nhiệt độ kết nối chân tín hiệu vào D9 của Arduino Uno R3.
Hình 3.5: Cảm biến nhiệt độ
- Khối hiển thị:
Dựa theo yêu cầu thiết kế, đề tài của chúng em cần một thiết bị có khả năng hiển thị được nhiệt độ, độ ẩm đất. Với yêu cầu đó thì chúng em quyết định sử dụng LCD 16x2 là lựa chọn tối ưu nhất vì có đủ số dòng yêu cầu và đã được thư viện hỗ trợ giao tiếp.
Trong sơ đồ nguyên lý (xem Hình 3.7) thì LCD được kết nối 2 chân SCL và SDA vào chân A4 và A5 của Arduino Uno R3 để truyền dữ liệu qua giao thức I2C.
Hình 3.7: LCD kết nối với Arduino Uno R3. - Khối chấp hành:
Sau khi nhận được tín hiệu từ Aruino truyền tới thì sẽ có một thiết bị chấp hành để đóng cắt dòng điện mà và giữ được an toàn cho thiết bị phần điều khiển tránh trường hợp xảy ra sự cố hoặc ngược lại. Với yêu cầu đó chúng em sẽ sử dụng rơ-le 12V (xem Hình 3.8) là lựa chọn tối ưu và hợp lý nhất với nhiều ưu điểm sẵn có như: nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ sử dụng …
- Khối chuyển đổi:
Để cấp nguồn được cho mô-đun Sim800L thì phải hạ áp cho mô-đun bởi vì nguồn vào của mô-đun Sim chỉ là 4.2V vì thế nên chúng em sẽ sử dụng mô-đun hạ áp LM2596 để cấp nguồn vào cho mô-đun Sim (xem Hình 3.9).
Hình 3.9: Mô-đun hạ áp LM2596 - Khối nguồn :
Nguồn cấp cho Arduino Uno R3, Rơ-le 12VDC
Nguồn cấp cho cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và LCD lấy từ chân 5V Arduino Nguồn cấp cho mô-đun Sim800L được cấp từ LM2596 với điện áp 4.2V/2A Nguồn cấp cho động cơ bơm là 220VAC
3.3 Các phần trong hệ thống
3.3.1Mạch in
Hình 3.10 là hình ảnh mạch in mà chúng em đã thiết kế và vẽ trên phần mềm Altium
3.3.2Phần mạch điều khiển
- Nguyên lý hoạt động:
Mạch điều khiển nhận giá trị từ cảm biến độ ẩm, nhiệt độ (độ ẩm < 60 % và nhiệt độ > 240C) làm cho rơ-le đóng tiếp điểm cấp điện áp cho Contactor và máy bơm bật đồng thời gửi về 1 tin nhắn về điện thoại “May bom bat” (Khi máy bơm đã bật nhưng cảm biến mưa không có tín hiệu thì hệ thống sẽ gửi một tin nhắn về số điện thoại đã được thiết đặt là “He thong het nuoc” và tắt máy bơm sẽ tắt). Khi hệ thống đọc giá trị của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm một lần nữa. Nếu độ ẩm > 70 % và nhiệt độ < 200C thì lúc này mạch điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến rơ-le và ngắn điện Contactor không nhận được điện và máy bơm tắt đồng thời sẽ gửi về điện thoại một tin nhắn là “May bom tat”. Xem Hình 3.11 để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của mạch
- Các linh kiện có trong mạch
Nguồn : Dùng Apdapter hạ áp 220VAC – 12VDC-2A. Mô-đun hạ áp LM2596 : hạ áp xuống 4.2V-2A.
Mô-đun Sim800L : nơi gắn sim trực tiếp và điều khiển qua điện thoại. Rơ-le 12V : Đóng cắt khi nhận tín hiệu điều khiển.
Cảm biến mưa : Cảm biến nước từ máy bơm để đưa tín hiệu về Arduino. ArduinoUno R3 : Bộ xử lý trung tâm. Nhận các tín hiệu từ Mô-đun Sim800L
và các cảm biến để xử lý và truyền tín hiệu đi để điều khiển Rơ-le.
3.3.3Phần mạch động lực
Hình 3.12: Phần động lực
Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn trong tủ điện điều khiển bằng giá trị điện áp định
mức của Contactor vào hai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định, thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động hình thành mạch kín. Lúc này máy bơm sẽ hoạt động (xem Hình 3.12).
3.3.4Mạch hoàn chỉnh
Hình 3.13: Sơ đồ hoàn chỉnh - Nguyên Lý hoạt động của Hình 3.13:
Mô hình được khởi động và vận hành như sau:
Đầu tiên ta cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sẽ sử dụng 2 nguồn điện đó là: nguồn 220V AC được lấy từ nguồn điện lưới để cấp điện cho mạch động lực. Nguồn 12V DC được lấy từ Apdapter để cấp nguồn cho mạch điều khiển. Sau khi ta đã cấp nguồn vào cho mạch điều khiển thì ta sẽ chờ 1 khoảng thời gian ngắn để hệ thống khởi động. Khi mạch điều khiển đã khởi động xong thì lúc này LCD sẽ hiển thị giá trị nhiệt độ và độ
ẩm mà các cảm biến đọc được. Đồng thời, mô-đun Sim800L cũng sẽ gửi một tin nhắn với nội dung “Da san sang”.
Để chọn chế độ tự động và chế độ bằng tay thì ta sẽ sử dụng công tắc 3 vị trị đã được nhóm thiết lập sẵn. Khi chọn chế độ tự động thì mạch điều khiển đọc các giá trị cảm biển của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Nếu nhiệt độ > 24°C hoặc độ ẩm < 60%, rơ- le sẽ đóng tiếp điểm cấp điện cho Contactor và máy bơm sẽ được bật. Khi máy bơm đã bật nhưng cảm biến mưa lại không tác động thì lúc này mạch điều khiển sẽ nhắn về số điện thoại đã được thiệt đặt sẵn với nội dung là “He thong het nuoc” và máy bơm sẽ tắt và dừng hệ thống. Lúc này nếu muốn hệ thống hoạt động lại cần bổ sung thêm nước và khởi động lại hệ thống một lần nữa. Hệ thống sẽ tắt máy bơm khi độ ẩm > 70% hoặc nhiệt độ < 20°C khi đạt được một trong hai yêu cầu trên thì mạch điều khiển sẽ điều rơ- le và làm hở mạch từ đó ngắt điện Contactor và máy bơm sẽ tắt. Nếu chưa đạt được điều kiện (độ ẩm > 70% hoặc nhiệt độ < 20°C) thì hệ thống sẽ tiếp tục bơm nước. Nếu đã thỏa mãn điều kiện rồi thì máy bơm mới dừng. Và khi máy bơm tắt thì sẽ gửi về cho chúng ta một tin nhắn với nội dung “may bom tat”
Khi mạch điều khiển gặp sự cố, chúng ta có thể điều khiển mạch động lực bằng cách xoay công tắc 3 vị trí sang chọn chế độ bằng tay. Lúc này máy bơm sẽ bơm nước cho đến khi ta tắt thì máy bơm mới dừng (xem Hình 3.13).
3.4 Hình ảnh sản phẩm thực tế
3.4.1Mạch điều khiển
- 1 Arduino. - 1 Mô-đun Sim800L. - 1 Mô-đun hạ áp LM2596. - 1 Cảm biến độ ẩm đất - 1 Cảm biến nhiệt độ - 1 Cảm biến mưa - 1 Rơ-le 3.4.2Mạch động lực
Những linh kiện có trong mạch điều khiển ở Hình 3.15 gồm: - 1 Contactor
- 1 Aptomat
3.4.3Mạch tổng quát
Hình 3.16: Mạch tổng quát
3.4.4Mô hình thực tế
Hình 3.16 là mô hình thực tế mà chúng em đã hoàn thành.
Chương 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
4.1 Quy trình công nghệ
Đầu tiên ta cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sẽ sử dụng 2 nguồn điện đó là: nguồn 220V AC được lấy từ nguồn điện lưới để cấp điện cho mạch động lực. Và nguồn 12V DC được lấy từ Apdapter để cấp nguồn cho mạch điều khiển. Sau khi ta đã cấp nguồn vào cho mạch điều khiển thì ta sẽ chờ 1 khoảng thời gian ngắn để mạch điều khiển hoạt động. Khi mạch điều khiển đã khởi động xong thì lúc này LCD sẽ hiển thị nhiệt độ cũng như độ ẩm mà các cảm biển đọc được. Đồng thời lúc này mô-đun Sim800L sẽ gửi một tin nhắn với nội dung là “Da san sang”.
Để bắt đầu chọn chế độ tự động và chế độ bằng tay thì ta sẽ sử dụng công tắc 3 vị trị mà chúng em đã thiết lập sẵn. Khi chọn chế độ tự động thì mạch điều khiển đọc các giá trị cảm biển của cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Nếu nhiệt độ > 24°C hoặc độ ẩm < 60% làm rơ-le đóng tiếp điểm cấp điện cho Contactor và máy bơm sẽ được bật. Khi máy bơm đã bật nhưng cảm biến mưa lại không tác động thì lúc này mạch điều khiển sẽ nhắn về số điện thoại đã được thiệt đặt sẵn với nội dung là “He thong het nuoc” và máy bơm sẽ tắt. Hệ thống sẽ tắt máy bơm khi độ ẩm > 70% hoặc nhiệt độ < 20°C, sau khi đạt được một trong hai điều kiện trên thì mạch điều khiển sẽ điều rơ-le và làm hở mạch từ đó ngắt điện Contactor và máy bơm sẽ tắt. Nếu chưa đạt được điều kiện (độ ẩm > 70% hoặc nhiệt độ < 20°C) thì hệ thống sẽ tiếp tục bơm nước. Nếu đã thỏa mãn điều kiện rồi thì máy bơm mới dừng. Và khi máy bơm tắt thì sẽ gửi về cho chúng ta một tin nhắn với nội dung “may bom tat”
Trong trường hợp mạch điều khiển gặp sự cố thì chúng ta vẫn hoàn toàn có thể điều khiển hệ thống bằng chế độ bằng tay. Khi đã chọn chế độ điều khiển bằng tay thì máy bơm sẽ bật cho đến khi nào ta xoay công tắc vào vị trí chính giữa thì máy bơm sẽ tắt
4.2 Lưu đồ thuật toán
Khi hệ thống đã được cấp điện thì lúc này mô-đun sẽ khởi tạo và đồng thời về với số điện thoại đã được thiết lập sẵn với nội dung “Da san sang”. Sau đó mạch điều khiển sẽ đọc các giá trị được trả về của các cảm biến như: cảm biến độ ẩm và cảm biến nhiệt độ. Sau đó, các giá trị này sẽ hiển thị lên LCD. Ngoài cách nhìn lên LCD để lấy được thông tin của độ ẩm và nhiệt độ của hệ thống thì chúng ta còn cách đó là chúng ta sẽ gửi một tin nhắn với số điện thoại đã thiết lập với cú pháp là “KT” thì ngay lập tức hệ thống sẽ trả về cho chúng ta thông tin về nhiệt độ và độ ẩm hiện tại của hệ thống. Sau khi hệ
thống đã hoạt động thì hệ thống sẽ kiểm tra điều khiển để máy bơm được bật đó là nhiệt độ > 240C hoặc là độ ẩm < 60%. Nếu sai thì hệ thống sẽ đi lại phần đọc giá trị cảm biến. Nếu như máy bơm đã được bật nhưng mà cảm biến mưa không được tác động thì lúc này hệ thống đã hết nước và mô-đun Sim800L sẽ gửi về tin nhắn với nội dung là “He thong het nuoc” và “May bom tat”. Còn nếu mà cảm biến mưa được tác động thì máy bơm sẽ dừng khi đạt được một trong hai điều kiện đó là: nhiệt độ dưới 200C và độ ẩm đạt trên 70% thì máy bơm sẽ tắt (xem Hình 4.1)
4.3 Chương trình điều khiển [4]
4.3.1Các chương trình con
Chương trình con cho hệ thống đã sẵn sàng.
Chương trình này có nhiệm vụ chính là sẽ gửi một tin nhắn về số điện thoại mà ta đã thiệt lập với nội dung là “Da san sang”.
Chương trình về hệ thống đã sẵn sàng
void sansang() {
mySerial.println("AT+CMGS=\"+84357770321\""); delay(500);
mySerial.print("Da san sang"); delay(500);
mySerial.write(26);
Serial.print("Da gui tin nhan\n");
Chương trình con về việc máy bơm tắt.
Chương trình con này có nhiệm vụ là nhắn tin về số điện thoại đã được thiết đặt với nội dung tin nhắn là “May bom da tat”
Chương trình con về máy bơm đã bật
void maybomtat() {
delay(500);
mySerial.println("AT+CMGS=\"+84357770321\""); delay(500);
mySerial.print("May bom da tat"); delay(500);
mySerial.write(26);
}
Chương trình này sẽ báo đến số điện thoại được thiết đặt với nội dung là “He thong het nuoc”
Chương trình con về máy bơm lỗi
{
delay(500);
mySerial.println("AT+CMGS=\"+84357770321\""); delay(500);
mySerial.print("He thong het nuoc"); delay(500);
mySerial.write(26); }
Chương trình con về việc máy bơm đã bật
Chương trình con này sẽ gửi tin nhắn về số điện thoại đã được thiết lập với nội dung là “ May bom da bat”.