Chương này sẽ trình bày cụ thể từng bước ứng dụng kiến thức điện tử để thiết kế và lập trình bộ điều khiển, với mục đích kiểm soát, điều khiển hoạt động của toàn bộ hệ thống vườn ươm: bật/tắt hệ thống tưới, quạt, đèn. Thiết kế hệ thống sạc pin mặt trời.
4.1 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG.
Hình 4.1: Sơ đồ khối của mô hình vườn ươm hoa lan.
Mô hình vườn ươm hoa lan được thiết kế gồm các khối chính:
- Pin mặt trời và mạch điều khiển sạc có nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng và nạp vào ac - qui.
- Nguồn nuôi là ac - qui cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
- Khối điều khiển có nhiệm vụ đọc các giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ mô hình và điều khiển các thiết bị trong khối cơ cấu chấp hành.
- Khối cơ cấu chấp hành gồm có đèn quạt và máy bơm hoạt động nhằm ổn định các thông số như nhiệt độ và độ ẩm của mô hình.
- Khối hiển thị là LCD có nhiệm vụ hiển thị các thông số nhiệt độ và độ ẩm của mô hình.
- Mô hình vườn hoa lan có kích thước 50x28x22 (cm).
4.2 QUY TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG.
4.2.1 Sơ đồ thuật toán của hệ thống điều khiển.
Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán điều khiển tưới theo thời gian và độ ẩm.
Đ S
S
S
Đ Đ S
Đ Đ
Nhiệt độ
>32oC
Hệ thống tưới hoạt động
Nhiệt độ
<31oC
Độ ẩm >
60%
Độ ẩm
<55%
Tắt hệ thống tưới
Bắt đầu
Hệ thống tưới hoạt động 10s Tưới theo thời gian
Kết thúc Kết thúc
Bắt đầu
S
Hệ thống tưới hoạt động
Tắt hệ thống tưới
Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán hệ thống ổn định nhiệt độ và độ ẩm.
S Đ
Nhiệt độ > 23
oC Nhiệt độ
< 20oC
Độ ẩm >
80%
Độ ẩm
<70%
S S
Đ
S
Đ Đ Hệ thống đèn
hoạt động
Hệ thống quạt hoạt động
Tắt hệ thống đèn Tắt hệ thống quạt
Bắt đầu Bắt đầu
Kết thúc
Kết thúc
4.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống.
Nguyên lý hoạt động hệ thống tự động giám sát và chăm sóc hoa lan.
Mô hình giám sát và chăm sóc hoa lan gồm hệ thống quạt, hệ thống đèn chiếu sáng và sưởi ấm, hệ thống tưới nước. Căn cứ vào điều kiện phát triển của hoa lan hệ thống giám sát sẽ điều khiển hệ thống tưới theo giờ trong ngày và theo các tháng trong năm. Cụ thể vào tháng 3 và tháng 4 hệ thống tưới sẽ hoạt động 3 lần trong ngày theo thời gian thực vào lúc 6h, 10h và 17h. Vào tháng 5, tháng 6, tháng 7 tháng 8, tháng 9, tháng 10 và tháng 11 hệ thống tưới sẽ hoạt động 2 lần trong ngày vào lúc 7h và 16h. Vào tháng 12, tháng 1, tháng 2 hệ thống sẽ tưới 1 lần trong ngày vào lúc 16h. Ngoài ra hệ thống còn hoạt động theo nhiệt độ và độ ẩm môi trường.
Nếu nhiệt độ trong vưởn ươm quá lớn hơn 320C thì hệ thống tưới sẽ hoạt động đến khi nhiệt độ bé hơn 310C. Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 200C thì hệ thống đèn sẽ hoạt động đến khi nhiệt độ lớn hơn 230C. Nếu độ ẩm trong vườn ươm xuống thấp hơn 55% thì hệ thống tưới sẽ hoạt động đến khi độ ẩm đo được lớn hơn 60%. Trong trường hợp độ ẩm cao hơn 80% thì hệ thống quạt sẽ hoạt động đến khi độ ẩm bé hơn70%.
Nguyên lý hoạt động của mạch sạc năng lượng mặt trời.
Mạch sạc năng lượng mặt trời sẽ lấy điện áp từ pin mặt trời đưa qua khối băm xung sau đó qua khối đọc dòng điện và điện áp để nạp vào ac - qui. Đầu tiên vi điều khiển sẽ đọc điện áp từ ac - qui và pin mặt trời nếu điện áp ac - qui bé hơn hoặc bằng 11.6V và điện áp từ pin mặt trời lớn hơn hoặc bằng 14,6V thì tiến hành sạc.
Đèn đỏ báo hiệu sạc sẽ được bật, đèn xanh và đèn vàng sẽ tắt. Quá trình sạc sẽ dừng khi điện áp từ pin mặt trời thấp hơn 14,6V hoặc ac - qui đã được sạc đầy khi đó điện áp ac - qui lớn hơn 14V và dòng điện nạp vào ac - qui nhỏ hơn hoặc bằng 100mA đèn xanh sẽ bật đèn đỏ và đèn vàng sẽ tắt. Khi ac - qui đã được sạc đầy thì mạch sẽ chuyển sang chế độ sạc đệm. Nếu điện áp của ac - qui nhỏ hơn hoặc bằng 13V thì chế độ sạc đệm hoạt động lúc này đèn vàng sẽ được bật đèn xanh đèn đỏ sẽ tắt.
Ngoài ra nếu điện áp ac - qui thấp hơn 12V thì hệ thống sẽ chuyển sang hoạt động bằng nguồn điện lưới đến khi ac - qui được pin mặt trời sạc đầy hệ thấy sẽ chuyển sang sử dụng nguồn điện từ ac - qui.
4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.
Từ nguyên lý hoạt động của hệ thống, vì chức năng điều khiển không quá phức tạp, mô hình vườn hoa lan nhỏ nên lựa chọn phương án thiết kế như sau:
- Bộ điều khiển: Sử dụng Atmega16 giao tiếp với ngoại vi là cảm biến nhiệt độ độ ẩm, màn hình LCD và cơ cấu chấp hành.
- Cơ cấu chấp hành: Hệ thống quạt và bóng đèn sợi đốt.
- Nguồn nuôi: Nguồn nuôi là ac - qui (12V – 4Ah).
- Mô hình vườn hoa lan có kích thước 50x28x22 (cm).
4.3.1 Thiết kế bộ điều khiển.
Chức năng của bộ điều khiển hệ thống.
Bộ điều khiển sẽ được thiết kế để đảm nhiệm chức năng:
• Điều khiển hệ thống tưới theo thời gian thực, theo các mùa trong năm.
• Tự động đọc các giá trị nhiệt độ và độ ẩm của mô trời để điều khiển hệ thống quạt làm mát và hệ thống đèn sưởi ấm.
Thiết kế phần cứng cho bộ điều khiển.
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển hệ thống.
• Khối 1: Sơ đồ kết nối vi điều khiển Atmega16 được lập trình để xử lý chức năng của toàn bộ hệ thống.
• Khối 2: Sơ đồ kết nối nguồn ổn áp 7805 - 5V/500mA dùng nuôi toàn bộ linh kiện của bộ xử lý.
• Khối 3: Khối hiển thị dung màn hình LCD hiển thị các thông số của hệ thống.
• Khối 4: Sơ đồ kết nối IC thời gian thực DS1307 (Real time clock), chạy thời gian thực cho hệ thống.
Mạch in của bộ điều khiển hệ thống.
Hình 4.5: Mạch in bộ điều khiển.
4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển rơle.
Chức năng của mạch điều khiển rơle.
Mạch điều khiển rơle được thiết kế để đảm nhiệm chức năng:
• Nhận tín hiệu đóng ngắt các thiết bị từ mạch điều khiển hệ thống thông qua rơle cung cấp dòng điện lớn để điều khiển hoạt động các thiết bị chấp hành của mô hình gồm hệ thống máy bơm, hệ thống quạt và hệ thống đèn.
Thiết kế phần cứng cho mạch điều khiển rơle.
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển rơle.
• Khối 1: Khối điểu khiển rơle gồm các IC 4N35 và các rơle có nhiệm vụ bảo vệ khối xử lý trung tâm khỏi sự tác động của mạch rơle (vì các rơle vận hành với dòng rất lớn) và truyền tín hiệu điều khiển từ vi xử lý điểu khiển các rơle.
• Khối 2: Sơ đồ kết nối nguồn ổn áp 7805 - 5V/500mA và transistor B688 cấp dòng điện đủ để nuôi toàn bộ linh kiện của mạch điều khiển rơle.
Mạch in của bộ điều khiển rơle.
Hình 4.7: Mạch in bộ điều khiển rơle.
4.3.3 Thiết kế mạch sạc năng lượng mặt trời.
Chức năng mạch sạc năng lượng mặt trời.
Mạch sạc năng lượng mặt trời được thiết kế để đảm nhiệm chức năng:
• Sử dụng năng lượng từ pin mặt trời sạc vào ac - qui thông qua việc kiểm soát điện áp và dòng điện từ pin mặt trời để quyết định sạc hay dừng sạc.
• Kiểm soát dung lương ac - qui thông qua việc đọc điện áp và thông qua đèn báo báo hiệu dụng lượng ac - qui để quyết định chế độ sạc hay sạc đệm.
• Tự động chuyển sang sử dụng nguồn điện từ lưới điện nếu điện áp ac - qui xuống mức thấp.
Thiết kế phần cứng cho mạch sạc năng lượng mặt trời.
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc năng lượng mặt trời.
• Khối 1: Sơ đồ kết nối nguồn ổn áp 7805 - 5V/500mA dùng nuôi toàn bộ linh kiện sử dụng trong mạch điện.
• Khối 2 : Khối băm xung sử dụng mosfet IRF540 và IC 4N35 nhận tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển để thực hiện băm xung điều khiển sạc.
• Khối 3: Sơ đồ kết nối vi diều khiển Atmega8 được lập trình để xử lý chức năng của toàn bộ quá trình sạc.
• Khối 4: Khối đọc điện áp từ pin mặt trời và ac - qui sử dụng cầu phân áp.
• Khối 5: Khối điểu khiển rơle chuyển nguồn gồm các IC 4N35 và các rơle có nhiệm nhận tín hiệu từ vi điều khiển để thực hiện việc chuyển nguồn điện.
Mạch in của mạch sạc năng lượng mặt trời.
Hình 4.9: Mạch in của mạch sạc năng lượng mặt trời.
4.3.4 Máy bơm.
Hệ thống bơm phun sương tưới nước cho hoa lan được sử dụng trong mô hình là máy bơm 12VDC.
4.3.5 Hệ thống quạt.
Hệ thống quạt của mô hình tượng trưng cho hệ thống làm mát đồng thời cũng là hệ thống làm giàm độ ẩm của hệ thống nuôi trồng hoa lan trong thực tế. Mô hình được lắp đặt nối tiếp hai cánh quạt 12 V DC.
Hình 4.10: Hệ thống quạt và máy bơm 12VDC.
4.3.6 Hệ thống đèn.
Hệ thống đèn của mô hình sẽ tượng trưng cho hệ thống sưởi ấm cho hoa trong hệ thống thực. Mô hình được lắp đặt song song hai bóng đèn sợi đốt điện áp 12 VDC, công suất 21W.
Hình 4.11: Đèn sợ đốt 12VDC.
4.3.7 Ac - qui sử dụng trong mô hình.
Ac - qui sử dụng trong mô hình là ac - qui PTZ5S. Hãng sản xuất: Đồng Nai.
Điện thế: 12V. Dung lượng: 4Ah. Kích thước: Chiều dài: 113mm, chiều rộng:
70mm, chiều cao: 85mm.
Hình 4.12: Ac - qui PTZ5S.
4.3.8 Pin năng lượng mặt trời.
Pin năng lượng mặt trời được sử dụng trong mô hình có chức năng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành điện năng sạc vào ac - qui cung cấp điện năng cho toàn
bộ hoạt động của mô hình. Tấm Pin mặt trời gồm các thông số như bảng 4.1.
Bảng 4.1: Thông số pin mặt trời.
Công suất (Pmax) 10W
Dung sai ±3 %
Điện áp ở mạch (Voc) 21,5 V Dòng điện ngắn mạch (Isc) 0.65A Điện áp tối đa (Vmp) 17.5 V
Cường độ dòng điện tối đa (Imp) 0.58A
Nhiệt độ hoạt động - 40°C~+85°C
Tiêu chuẩn IP65
Chiều dài 330mm
Chiều rộng 350mm
Chiều cao 25mm
Hình 4.13: Pin năng lượng mặt trời.
4.4 ĐÁNG GIÁ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.
4.4.1 Đánh giá chung.
Qua quá trình thực hiện, đề tài đạt được kết quả như sau:
• Trình bày cụ thể lý thuyết về một số thiết bị sử dụng trong đề tài như vi điều khiển atmega16, ac - qui và pin mặt trời.
• Trình bày về quy trình chăm sóc hoa lan vũ nữ Oncidium.
• Thiết kế hệ thống sạc và lưu trữ điện mặt trời.
• Thiết kế hệ thống tự động giám sát và chăm sóc hoa lan vữ nữ Oncidium.
• Có sản phẩm hoàn thiện: Mô hình vườn ươm hoa lan. Với mô hình quá trình điều khiển các thông số như nhiệt độ, độ ẩm của hệ thống giám sát tự động cho vườn ươm hoa lan.
• Báo cáo đề tài.
4.4.2 Hoạt động của mô hình.
Hoạt động của mạch điều khiển.
Hình 4.14: Hoạt động của hệ thống điều khiển.
Khi hệ thống điều khiển hoạt động vi điều khiển sẽ đọc các giá trị nhiệt độ và độ ẩm từ mô hình vườn ươm để hiển thị trên màn hình LCD và điều khiển các thiết bị chấp hành của mô hình như hệ thống đèn, hệ thống quạt và hệ thống tưới nước.
Hoạt động của mạch sạc ac - qui.
Hình 4.15: Hoạt động của mạch sạc ac - qui.
Khi mạch sạc ac – qui hoạt động vi điều khiển sẽ xử lý các giá trị như điện áp của ac – qui, điện áp của pin mặt trời dòng điện sạc từ pin mặt trời vào ac – qui để điều khiển khối băm xung sạc cho ac – qui. Đèn báo có tác dụng báo dung lượng của ac – qui và chế độ sạc tương ứng. ( sạc khi ac – qui ở mức thấp đèn đỏ sáng, sạc đệm khi dung lượng của ac – qui ở mức trung bình, đèn vàng sáng, dừng sạc khi ac – qui đầy đèn xanh sáng)
Mô hình hệ thống.
Hình 4.16: Mô hình vườn ươm hoa lan.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận.
• Đề tài đã trình bày lý thuyết một số thiệt bị điều khiển được sử dụng trong đề tài. Trình bày cấu tạo, và các đặc tính của các thiế bị điện sử dụng trong đề tài như: Cảm biến, pin mặt trời, ac - qui…
• Đã tìm hiểu về quy trình chăm sóc giống lan vũ nữ và xây dựng quá trình chăm sóc hoa lan tự động.
• Thi công thử nghiệm hệ thống sạc năng lượng mặt trời và giám sác tự động quy trình chăm sóc hoa lan theo yêu cầu đã xây dựng.
• Các mạch điện được thiết kế đáp ứng đầy đủ chức năng phục vụ cho quá trình kiểm soát, điều khiển.
Kiến nghị.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài do những hạn chế về thời gian, kinh phí và kiến thức nên đề tài không tránh khỏi những thiếu xót như:
• Hệ thống chỉ được thiết kế cho một giống hoa lan duy nhất.
• Mô hình nhỏ chưa sát thực với vườn hoa lan thực tế.
• Các thông số điều khiển của hệ thống được lập trình sẵn chứ không thể điều khiển nhập từ bàn phím nên khó thay đổi.
• Các thông số điều khiển chỉ được hiện thị trên LCD chưa được kết nối với máy tình.
Với những hạn chế đó tôi xin dưa ra một số kiến nghị để đề tài phát triển hơn:
• Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát các thông số của hệ thống bằng máy tính.
• Phát triền chương trình để hệ thống phù hợp cho nhiều giống hoa lan khác nhau. Các thông số điều khiển nên nhập từ bàn phím.