CHƯƠNG 2 : ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.3. Các thành phần cơ bản của vườn rau thủy canh
2.3.4. Hệ thống chạy dinh dưỡng
2.3.4.1. Ống nhựa thủy canh
Trên thị trường vật tư thủy canh hiện nay có nhiều loại ống trồng rau thủy canh như dạng tròn, chữ nhật…và tại Minh Hòa đang sử dụng loại ống thủy canh lục giác.
Với loại ống này, khoảng cách của các cây được bố trí phù hợp là 20cm. Đây là khoảng cách phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của các loại rau, đảm bảo thơng thốn và đủ ánh sáng cho cây phát triển đồng điều. 2.3.4.2. Ống dẫn dinh dưỡng
Đường ống cấp dinh dưỡng
Từ máy bơm chính, dinh dưỡng được bơm qua ống dẫn có đường kính 60mm, sau đó sẽ chia ra các nhánh nhỏ với đường kính ống là 49mm đến các giàn thủy canh, từ đây dinh dưỡng sẽ theo ống dẫn lên đường kính 27mm và cuối cùng các ống cấp dinh dưỡng có đường kính 6mm sẽ đưa dinh dưỡng vào ống thủy canh lục giác.
Hình 2. 17: Ống cấp dinh dưỡngĐường ống hồi lưu dinh dưỡng về bồn chứa Đường ống hồi lưu dinh dưỡng về bồn chứa
Với mỗi giàn thủy canh đều được thiết kế có độ nghiên nhất định với mục đích dinh dưỡng sẽ chảy theo một chiều từ ống cấp đến ống hồi lưu. Khi dinh dưỡng được cấp ở một đầu thì đầu cịn lại sẽ là phần ống hồi lưu giúp đưa dinh dưỡng chảy về bồn chứa.
Dinh dưỡng sẽ chảy từ giàn thủy canh đến một ống hình chữ nhật và từ đây dinh dưỡng theo đường ống có đường kính lần lược 60mm-90mm và 114mm để chảy về bồn chứa dinh dưỡng.
Hình 2. 18: Đường ống hồi lưu dinh dưỡng
Dinh dưỡng sau khi đi từ ống cấp qua các bộ rễ của rau sẽ chảy về ống hồi lưu và sau đó sẽ chảy về bồn chứa. Mũi tên màu xanh ở hình 2.18 thể hiện đường đi của dinh dưỡng.
2.4. Thành phần hệ thống điều khiển2.4.1. Arduino 2.4.1. Arduino
Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, khơng tốn kém cho những người u thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.
Đi cùng với nó là một mơi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thơng thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngơn ngữ C hoặc C++.
Arduino Mega 2560
Board mạch arduino mega 2560 là một mạch vi xử lý điều khiển bằng chip ATmega2560, một board như thế bao gồm:
54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM) 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 1 thạch anh 16 MHz,
1 cổng kết nối USB, 1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset.
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì khơng sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một cơng cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngồi ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3.
Hình 2.19: Arduino Mega 2560 Một số thành phần của arduino mega2560:
3 chân 5V. 1 chân 3.3v.
16 chân analog. 6 Chân lập trình ISP.
Và một số thành phần khác.
Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 2.4.2. NODE MCU ESP8266 Mega 2560 2.4.2. NODE MCU ESP8266
ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử. Điều đặc biệt của nó, đó là sự kết hợp của module Wifi tích hợp sẵn bên trong con vi điều khiển chính. Hiện nay, ESP8266 rất được giới nghiên cứu tự động hóa Việt Nam ưa chuộng vì giá thành cực kỳ rẻ, nhưng lại được tích hợp sẵn Wifi, bộ nhớ flash 8Mb.
Hình 2. 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module)
ESP8266 có nhiều phiên bản và được đóng gói theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên nó lại khá giống nhau về chức năng và khả năng lập trình. Trên thị trường
phổ biến nhất hiện nay là ESP8266v1, ESP8266v7 và ESP8266v12. Các mạch này được đóng gói theo nhiều cách khác nhau dưới các tên gọi như hình 2.23.
Hình 2.22: Một số Module ESP8266Thông số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n. Điện áp hoạt động: 3.3V.
Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB.
Số chân I/O: 11 (tất cả các I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0).
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V). Bộ nhớ Flash: 4MB.
Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ). Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2.
Tích hợp giao thức TCP/IP.
Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0 2.4.3. Cảm biến DHT21 12 V1.0 2.4.3. Cảm biến DHT21
DHT21 là module tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, đầu ra tín hiệu số có thể kết nối với một Vi điều khiển 8-bit, Sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh, giao tiếp duy nhất 1 dây. Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lên đến 20m.
Điện năng tiêu thụ cực thấp, khoảng cách truyền dẫn, hiệu chuẩn hoàn toàn tự động, sử dụng các cảm biến độ ẩm điện dung, hồn tồn hốn đổi cho nhau, tiêu chuẩn kỹ thuật số đầu ra duy nhất - một bus, ổn định lâu dài, thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao.
Thơng số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC. Dòng tiêu thụ: 300 uA. Kích thước: 58.8 x 26.7 x 13.8 (mm). Model: AM2301. Độ phân giải chính xác: 0.1. Khoảng đo độ ẩm: 0~100% RH. Khoảng đo nhiệt độ: -40 ℃ ~ 80 ℃. Đo lường chính xác độ ẩm: ± 3% RH.
Đo lường chính xác nhiệt độ: ± 0.5 ℃.
Hình 2. 24: Sơ đồ chân DHT21
Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý 2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750 xử lý 2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính tốn nào thơng qua giao tiếp I2C.
Thông số:
Nguồn: 3~5VDC.
Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC. Chuẩn giao tiếp: I2C.
Khoảng đo: 1 -> 65535 lux. Kích cỡ: 21*16*3.3mm.
Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux. Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux.
Trời nhiều mây trong nhà : 5 - 50 lux. Trời nhiều mây ngoài trời : 50 - 500 lux. Trời nắng trong nhà : 100 - 1000 lux.
Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux. 2.4.5. Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS
TDS là viết tắt của “Total Dissolved Solids”, có thể gọi nơm na là Tổng chất rắn hòa tan. TDS là một trong những chỉ số dùng để kiểm tra chất lượng của nước, hàm lượng tất cả các chất hữu cơ, vô cơ chứa trong chất lỏng (cụ thể là nước).
Đơn vị TDS: mg/l (minigrams/liter) hoặc ppm (part/million). Chỉ số TDS càng nhỏ thì nước càng sạch, nhưng nếu nhỏ quá mức thì nước gần như khơng có khống chất, tuy nhiên khơng phải chỉ số TDS cao là nước bẩn.
TDS không được coi là chỉ số gây ơ nhiễm, nó là chỉ số tổng hợp về sự hiện diện của các hợp chất hóa học. Cảm biến TDS giúp đo được chỉ số TDS của nước. Ứng dụng:
Kiểm tra chất lượng nước ở sơng ngịi, nước sinh hoạt, quá trình xử lý nước thải hay bất kỳ ứng dụng nào cần đo chỉ số TDS.
Trong đề tài này là để kiểm tra nồng độ hịa tan chất rắn của dung dịch dinh dưỡng.
Hình 2.27: Chỉ số TDS của nướcThông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật
Với mạch chuyển đổi phát tín hiệu Điện áp hoạt động: 3.3V -> 5V.
Tín hiệu đầu ra : Analog 0V -> 2.3V tương ứng dải đo TDS: 0 -> 1000ppm. Dòng điện làm việc: 3mA -> 6mA.
Độ chính xác: 10% FS (25*C). Kích thước: 42mm * 32mm.
Kết nối với đầu đo TDS qua Jack kết nối.
Kết nối với mạch chuyển đổi phát tín hiệu qua Jac kết nối. Độ dài: 83cm.
Đầu đo chống nước.
Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của Cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến ( loại digital ) đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12bit ). IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC cịn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data ( parasite power ).
Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc nhựa PVC nên giữ nó dưới 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên khơng bị suy hao tín hiệu đường dây dài.
Hình 2. 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nốiThông số của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm: Thông số của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm:
Nguồn: 3 – 5.5V.
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F). Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C.
Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits. Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây ).
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms ( khi chọn độ phân giải 12bit ). Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp
nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây.
Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm. Đường kính đầu dị: 6mm.
Chiều dài dây: 1m.
2.4.7. Module 4 relay với Opto cách ly
Mạch 4 Relay Opto cách ly (có hai loại 5VDC và 12VDC) thích hợp với các ứng dụng đóng ngắt tải AC hoặc DC, mạch có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0VDC) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.
Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC
Thông số kỹ thuật:
Điện áp sử dụng: Có hai loại 5VDC và 12VDC.
Tín hiệu kích: mức thấp Low (GND 0VDC) Relay đóng, mức cao High (VCC 5 hoặc 12VDC tùy loại) Relay ngắt.
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an tồn nên dùng cho tải có cơng suất <100W).
Tích hợp Opto cách ly, Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích. Kích thước: 75 x 55 x 20mm.
2.4.8. Cơng tắc tơ
Cơng tắc tơ (Contactor) hay cịn gọi là Khởi động từ là khi điện hạ áp thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực. Công tắc tơ là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện. Nhờ có cơng tắc tơ ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng,... thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa.
Hình 2.32: Cơng tắc tơ A. Cấu tạo cơng tắc tơ bao gồm 3 bộ phận chính:
1. Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm; Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu.
2. Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mịn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang.
Hình 2.33: Cấu tạo cơng tắc tơ
- Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dịng điện lớn đi qua. Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của công tắc tơ trong tủ điện làm mạch từ hút lại.
- Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dịng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở.
- Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong công tắc tơ ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này mở ra khi công tắc tơ ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường mở.
Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của công tắc tơ. B. Nguyên lý hoạt động công tắc tơ
Khi cấp nguồn trong mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của công tắc tơ vào hai đầu cuộn dây quấn trên phần lõi từ đã được cố định trước đó thì lực từ sinh ra sẽ hút phần lõi từ di động và hình thành mạch từ kín (lúc này lực từ sẽ lớn hơn phản lực của lị xo). cơng tắc tơ bắt đầu trạng thái hoạt động.
Nhờ bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (khi thường đóng sẽ mở ra và khi thường hở sẽ đóng lại), trạng thái này sẽ được duy trì. Khi nguồn điện ngưng cấp cho cuộn dây thì cơng tắc tơ ở trạng thái nghỉ và các tiếp điểm lại trở về trạng thái ban đầu.
C. Phân loại cơng tắc tơ
Có nhiều cách phân loại cơng tắc tơ:
Theo nguyên lý truyền động: Ta có cơng tắc tơ kiểu điện từ, kiểu hơi ép, kiểu thủy lực,… Thường thì ta gặp contactor kiểu điện từ. Theo dạng dịng điện: Công tắc tơ điện một chiều và công tắc tơ điện xoay chiều.
Theo kết cấu: Người ta phân công tắc tơ dùng ở nơi hạn chế chiều cao (như bảng điện ở gầm xe) và ở nơi hạn chế chiều rộng (ví dụ buồng tàu điện).
Theo dịng điện định mức: Công tắc tơ 9A, 12A, 18A,.... 800A hoặc lớn hơn. Theo số cực: Công tắc tơ 1 pha, công tắc tơ 2 pha, công tắc tơ 3 pha, công tắc tơ 4 pha.
Theo cấp điện áp: Công tắc tơ trung thế, công tắc tơ hạ thế.
Theo điện áp cuộn hút: Cuộn hút xoay chiều 220VAC, 380VAC,... cuộn hút 1 chiều 24VDC, 48VDC,…
2.4.9. Cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình là dạng cơng tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như cơng tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Cơng tắc
hành trình là loại khơng duy trì trạng thái, khi khơng cịn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu.
Cơng tắc giới hạn hành trình này có ngun lý hoạt động vơ cùng đơn giản. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Có nghĩa là dựa vào sự di chuyển của một vật để điều khiển đóng ngắt tín hiệu điện. Như tên gọi của nó, chức năng chính là để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động.
Hình 2.35: Cơng tắc hành trình
Như hình 2.37 trên, chúng ta có thể thấy cấu tạo vơ cùng đơn giản của