Đồ án hệ thống tưới nước tự động

Đồ án hệ thống tưới nước tự động dựa theo nguyên lý đo độ ẩm của đất, hẹn giờ tưới, bật tắt thủ công,....Thiết kế đo độ ẩm của đất dựa trên cơ sở đó để điều khiển động cơ hoạt động. •VD: Độ ẩm đất nhỏ hơn 40% với điều kiện đó động cơ sẽ hoạt động lâu hơn việc tưới nước sẽ tăng lên đảm bảo cho cây trồng phát triển tốt.Thiết kế mảng thời gian thực bám sát thời gian thực tế đưa cho người dùng thông tin thời gian, cũng như hẹn thời gian điều khiển động cơ tưới cây tự động.Thiết kế LCD hiển thị đưa ra các thông tin trên LCD đưa thông tin cho người sử dụng các thông tin để đặt thời gian điều khiển hệ thống. Có file code + mạch mô phỏng trên Proteus. Liên hệ: 0347376684

Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp Việt Nam vẫn còn lạc hậu, thiếu ứng dụng khoa học kỹ thuật trong thực tiễn Nhiều quy trình trồng trọt và chăm sóc cây trồng được thực hiện một cách chủ quan, không đáp ứng đúng yêu cầu kỹ thuật Trong nông nghiệp, tưới nước là một trong những khâu quan trọng nhất, quyết định sự sinh trưởng và phát triển của cây Việc tưới đúng và đủ theo yêu cầu nông học không chỉ giúp cây khỏe mạnh, tránh sâu bệnh mà còn giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu, từ đó đảm bảo sản phẩm an toàn và nâng cao năng suất, hiệu quả.

Trên các tuyến phố trung tâm thành phố, xe bồn chở nước tưới cây thường gây ùn tắc và mất an toàn giao thông Đồng thời, nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, với việc áp dụng các thiết bị máy móc tự động để thay thế sức lao động của con người.

Thiết bị tưới ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi với nhiều loại như vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt, phục vụ cho các loại cây khác nhau Các sản phẩm này được sản xuất từ nhiều quốc gia như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, và Trung Quốc, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn phù hợp với nhu cầu Việc tính toán lựa chọn hệ thống tưới phù hợp với yêu cầu nông học và điều kiện kinh tế là rất cần thiết để đạt hiệu quả cao Hệ thống tưới phun cung cấp độ ẩm cần thiết cho cây trồng, tiết kiệm nước và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới tự động còn có thể kết hợp với bón phân và phun thuốc, giảm thiểu công sức lao động và giám sát thời gian tưới Nhờ vào công nghệ này, việc tưới cây sẽ tự động theo điều kiện thời tiết, giúp cây sinh trưởng và phát triển tốt hơn.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động là việc áp dụng kiến thức đã học, nhằm đưa ra các giải pháp mới cho việc tưới tiêu cây trồng tại Việt Nam Hệ thống này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả tưới tiêu mà còn góp phần cải thiện năng suất cây trồng, đáp ứng nhu cầu phát triển nông nghiệp bền vững.

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về các phương pháp tưới, tham khảo các mô hình , đề tài có sẵn trên thị trường

- Làm quen với các linh kiện điện - điện tử ngoài thực tế

- Tính toán và thiết kế mô hình tưới nước tự động

- Lập trình điều khiển với Arduino

Phương pháp nghiên cứu

- Thiết kế mạch điện tử

- Đánh giá ưu nhược điểm

Kết quả đạt được

- Mô hình tưới nước tự động theo yêu cầu

- Có cơ sở lý thuyết về hệ thống tự động nói chung và hệ thống tưới nước tự động cho cây lan nói riêng

- Hiểu thêm về mạch điện tử và một số linh kiện điện – điện tử

Kết cấu đồ án

- Tổng quan về hệ thống tưới nước tự động cho lan

- Thiết kế mạch hệ thống

- Lưu đồ thuật toán và code lập trình

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG

Khái niệm về hệ thống tự động

Hệ thống điều khiển tự động là một tập hợp các thành phần tự động, có khả năng quản lý và điều chỉnh các quá trình tự nhiên và hoạt động trong cuộc sống mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.

Hệ thống điều khiển tự động bao gồm các thành phần vật lý liên kết chặt chẽ với nhau, có khả năng chỉ huy, tự hiệu chỉnh và điều khiển một hệ thống khác một cách hiệu quả.

Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến như:

+ Hệ thống điều hoà không khí

+ Hệ thống điều chỉnh độ ẩm

+ Hệ thống tự động báo cháy v.v

+ Các đường dây sản xuất, lắp ráp tự động

+ Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính, Robot v.v

Vị trí và tầm quan trọng của hệ thống tự động

Lịch sử phát triển công cụ và phương tiện sản xuất gắn liền với cơ giới hóa và điện khí hóa Sự đột phá trong công nghệ vật liệu, điện tử và tin học đã mở ra cơ hội cho công nghệ tự động phát triển mạnh mẽ, mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho xã hội Đây chính là yếu tố quyết định đến năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm.

Áp dụng tự động hóa vào sản xuất mang lại hiệu quả đáng kể, giúp giảm chi phí và nâng cao năng suất lao động Điều này cải thiện điều kiện sản xuất, đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại với cường độ cao, đồng thời thực hiện chuyên môn hóa và hoán đổi sản xuất Nhờ đó, khả năng cạnh tranh được nâng cao, đáp ứng tốt hơn yêu cầu của thị trường.

Trong tương lai gần, tự động hóa sẽ trở thành một phần thiết yếu trong cả sản xuất và đời sống con người Nó không chỉ thay thế con người trong những công việc nặng nhọc, nguy hiểm và độc hại trong sản xuất, mà còn phục vụ nhu cầu sống hàng ngày của chúng ta Các công nghệ tự động hóa sẽ trở thành những công cụ quan trọng, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Ứng dụng của hệ thống tự động trong tưới tiêu cây trồng

Công trường thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc hiện đại hóa sản xuất nông nghiệp Tại đây, toàn bộ quy trình sản xuất được tự động hóa, giúp giảm thiểu sức lao động và tối ưu hóa năng suất.

Mặc dù tự động hóa trong tưới tiêu đã tồn tại từ lâu, nhưng chỉ phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển Các nước chậm phát triển, mặc dù nông nghiệp chiếm tỷ lệ lớn, vẫn chậm chạp trong việc áp dụng tự động hóa cho tưới cây Hiện nay, nhờ sự hỗ trợ từ nước ngoài, các nước đang phát triển, đặc biệt là ở Đông Nam Á như Việt Nam, đang dần đưa tự động hóa vào đời sống và sản xuất.

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo thiết bị tự động hóa, cùng với những tiến bộ trong công nghệ vi điện tử và công nghệ thông tin, đã tạo ra giải pháp tự động hóa cho mọi lĩnh vực Tự động hóa đang trở thành xu hướng tất yếu cho mọi quốc gia và vùng lãnh thổ.

Một số hệ thống tưới tự động trong và ngoài nước

1.4.1 Một số hệ thống trong nước Ở nước ta đã có nhiều nghiên cứu và ứng dụng hệ thống tự động vào trong cuộc sống Người dân đã sáng tạo ra các hệ thống bán tự động giúp tiết kiệm sức lao động, hiệu quả mang lại cao hơn so với tưới thủ công Tuy nhiên hệ thống này còn nhiều nhược điểm cần khắc phục để mang lại hiệu quả cao nhất có thể Ở các trường đại học chuyên ngành kĩ thuật đã có nhiều đề tài về hệ thống tưới nước tự động do sinh viên thực hiện Tuy nhiên vẫn còn nhiều mặt hạn chế cần khắc phục

Hệ thống tưới phun tự động đa năng, do tiến sĩ Lê Văn Luận và thạc sĩ Lê Đình Hiếu từ trường Cao đẳng Công nghiệp Huế phát triển, bao gồm cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm đất lắp đặt tại nhà màng trồng hoa Hệ điều khiển được lập trình trên PLC-S7-1200, cho phép tự động tưới khi cảm biến phát hiện độ ẩm đất hoặc nhiệt độ không khí cần nước, gửi tín hiệu đến hộp điều khiển PLC.

Hệ thống tưới phun tự động đa năng được thiết kế để tự động điều khiển việc nhận nước và tưới cây qua các vòi phun, tự ngừng hoạt động sau 6 phút khi cảm biến phát hiện độ ẩm hoặc nhiệt độ đạt yêu cầu Sản phẩm này không chỉ có ý tưởng sáng tạo mà còn thực tiễn và đã được thử nghiệm hiệu quả Ngoài ra, còn có một số hệ thống tưới tự động khác được áp dụng cho việc tưới cây hoa màu tại Vịnh Bắc Bộ.

Hình 1.1: Hệ thống tưới cây hoa màu tự động

1.4.2 Một số hệ thống ngoài nước Ở nước ngoài đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng về hệ thống tưới cây tự động: Đầu những năm 80, Liên Xô ( cũ ) đã chế tạo ra một loại máy tự động ứng dụng trong nông nghiệp Khi làm việc loại máy này có thể quan sát được độ ẩm của thổ nhưỡng, nhiệt độ không khí, sức gió… Nó có thể xác định được phương pháp tưới và tiến hành tưới cho cây trồng, nhờ một loại máy làm mưa nhân tạo khác

Hãng robot Droplet đã giới thiệu một robot tưới cây tiên tiến, tích hợp công nghệ tự động hóa, điện toán đám mây và các dịch vụ kết nối hiện đại Robot này có khả năng tự động điều chỉnh hướng vòi phun, lượng nước và tần suất tưới, giúp tưới cây theo lịch trình được tính toán dựa trên phân tích dữ liệu đầu vào.

Vòi phun tự động có khả năng điều chỉnh hướng nước phun đến thân cây trong bán kính 9,14 mét Người dùng chỉ cần khai báo tên các loại cây trong vườn qua điện thoại hoặc máy tính bảng kết nối không dây với robot trước khi vận hành.

Dựa trên tên các loại cây, Droplet tự động tra cứu thông tin để xác định lượng nước và tần suất tưới phù hợp Đồng thời, Droplet cũng kiểm tra dữ liệu thời tiết tại khu vực làm việc để xác định điều kiện mưa hoặc nắng, từ đó đưa ra lịch tưới hợp lý.

Bộ điều khiển tưới cây tự động Israel cho phép người dùng lập trình dễ dàng theo nhu cầu tưới cây Chỉ cần thực hiện vài bước đơn giản, cung cấp nguồn nước và dẫn các đầu tưới đến vị trí cần thiết, bạn đã hoàn tất việc lắp đặt hệ thống tưới tự động với công nghệ tiên tiến.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG

Lựa chọn phương pháp tưới

2.1.1 Các phương pháp tưới phổ biến a) Phương pháp tưới ngập

Tưới ngập, hay còn gọi là phương pháp tưới cho lúa, là kỹ thuật cung cấp và duy trì nước liên tục trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, giúp cây lúa phát triển khỏe mạnh và tăng năng suất.

 Điều hòa nhiệt độ của cây trồng

 Kìm hãm sự phát triển của cỏ dại

 Giảm bớt nồng độ các chất có hại

 Giảm hoạt động của các vi sinh vật trong đất

 Tốn nhiều nước, gây khó khăn cho việc cơ giới hóa đồng ruộng

 Làm dâng cao mực nước ngầm, gây hiện tượng lầy hóa b) Phương pháp tưới theo luống

Tưới theo luống, hay còn gọi là phương pháp tưới rãnh, là kỹ thuật sử dụng các rãnh nhỏ để dẫn nước từ nguồn chính vào ruộng, giúp nước ngấm sang hai bên và cung cấp độ ẩm cho cây trồng Phương pháp này rất phù hợp với các loại cây trồng cạn như ngô, khoai, mía và đậu, đặc biệt là những cây không chịu ngập tốt Ưu điểm của tưới theo luống là hiệu quả trong việc duy trì độ ẩm cho đất mà không làm ngập úng cây trồng.

 Nước từ rãnh thấm vào đất, lớp đất mặt vẫn tơi xốp, kết cấu đất ít bị phá vỡ

 Đất ít bị bào mòn, chất dinh dưỡng không bị rửa trôi

 Không làm ngập mặt ruộng nên công tác canh tác, cơ giới hóa dễ dàng hơn

 Lãng phí lượng nước ở cuối rãnh

 Tốn chi phí nhân công cho việc tạo rãnh

GVHD: T.S Lê Thượng Hiền 9 c) Phương pháp tưới phun sương

Hình 2.1: Mô hình tưới phun sương cho cây lan

Tưới phun mưa là phương pháp hiệu quả giúp cung cấp nước đều cho cây trồng, đảm bảo cây nhận đủ độ ẩm mà không gây hại Phương pháp này không chỉ phù hợp với hiện tại mà còn mang tính hiện đại và bền vững cho tương lai.

 Phun hạt mịn, tưới đều cho cây

 Cách lắp đặt hệ thống phun dễ dàng, đơn giản

 Chi phí béc tưới phun sương không quá cao

 Thích hợp với mọi loại địa hình, không gây xói mòn, trôi màu, không phá vỡ kết cấu đất

 Thích hợp với những mô hình trồng lan, nấm, hoa và trồng rau sạch

 Tia nước mịn nên dễ bốc hơi

 Do khoảng cách phun nhỏ nên phải bố chí nhiều béc tưới

 Các béc tưới phun sương yêu cầu áp suất nước của hệ thống cao

 Một số loại béc phun sương không chỉnh được lưu lượng nước tưới

GVHD: T.S Lê Thượng Hiền 10 d) Phương pháp tưới nhỏ giọt

Thiết bị tưới áp lực thấp bao gồm nhiều phương pháp như tưới nhỏ giọt, tưới phun, tưới ngầm, tưới sủi và hệ thống ứng dụng chính xác với nguồn năng lượng thấp.

Vi tưới là phương pháp tưới không làm ướt toàn bộ bề mặt đất mà chỉ cung cấp nước vào bộ phận cẩn thiết của cây trồng

Hình 2.2: Mô hình tưới nhỏ giọt vườn rau gia đình

Các phương pháp của vi tưới:

Tưới phun là phương pháp cung cấp nước liên tục cho bề mặt đất hoặc khu vực rễ cây, nhằm duy trì độ ẩm tối ưu cho vùng đất thiết yếu này.

- Tưới nhỏ giọt: cung cấp nước thành các giọt rời rạc, chậm và gần như liên tục

- Tưới ngầm: Cung cấp nước dưới bề mặt của đất bằng các hệ thống ống ngầm dưới đất, có đục lỗ

- Tưới sủi: cung cấp nước trên bề mặt đất trong một vùng nhỏ từ ống được cố định, với các ông chính bị chôn dưới đất

Tưới phun sương là phương pháp cung cấp nước giống như sương mù trên bề mặt đất, sử dụng các vòi phun nhỏ gọi là vi tưới phun sương.

2.1.2 Lựa chọn phương pháp phù hợp cho đề tài

Để tiết kiệm chi phí thiết kế cho hệ thống tưới lan gia đình, tôi đã chọn phương pháp tưới phun sương Với diện tích vườn lan 10m², việc sử dụng béc tưới phun sương không chỉ đáp ứng yêu cầu thiết kế mà còn mang lại hiệu quả tưới tối ưu.

Sơ đồ khối hệ thống tưới nước cho cây lan

Hình 2.3: Sơ đồ khối hệ thống

Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống

- Hệ thống được bật tắt thủ công bằng nút

- Hệ thống phải có tính năng tưới tự động theo thời gian hẹn trước

- Hệ thống bơm nước dựa theo độ ẩm của đất

- Hệ thống phải có chế độ đóng ngắt khẩn cấp

Lựa chọn béc tưới

Việc chọn béc tưới phù hợp với loại cây cần tưới là rất quan trọng Đối với cây lan, béc tưới phun sương 4 hướng là lựa chọn tối ưu, vì đây là dòng béc phổ biến cho lan, nấm, hoa và rau sạch Sản phẩm này mang lại độ đồng đều cao trong việc tưới, với chi phí đầu tư hợp lý cho người sử dụng Ngoài ra, thiết bị còn có độ phủ nhỏ và có thể điều chỉnh lưu lượng nước dễ dàng.

Hình 2.4: Béc tưới phun sương 4 hướng

Các thông số kỹ thuật của Béc tưới phun sương 4 hướng:

Khớp nối d 8mm Áp suất lý tưởng bar 2,5 - 4

Tốc độ gió Phù hợp Gió nhỏ

Chiều cao cọc đỡ béc cm 200

Lựa chọn máy bơm nước cho đề tài

2.5.1 Những yếu tố để chọn bơm tưới Để chọn máy bơm, thường chúng ta phải căn cứ vào yếu tố chính sau đây:

- Áp suất nước: Mọi thiết bị tưới đều cần một mức áp suất nhất định để có thể hoạt động

Nguồn điện cho máy bơm có thể là 1 pha, thường dùng trong sinh hoạt hàng ngày, với công suất tối đa 3HP Ngoài ra, có thể sử dụng nguồn điện chuyển đổi từ 220V sang 12V DC cho các loại máy bơm mini.

Có nhiều loại máy bơm như bơm Hỏa tiễn, bơm ngang, bơm trục đứng và bơm mini Việc lựa chọn loại máy bơm phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về lưu lượng và cột áp (áp suất) Để chọn công suất máy bơm thích hợp, cần tra cứu biểu đồ hoạt động của từng loại máy bơm.

2.5.2 Chọn máy bơm cho đề tài

 Những yêu cầu đưa ra như sau :

- Sử dụng Béc tưới phun sương 4 hướng với các thông số kỹ thuật như trên

- Bố trí các béc tưới :

Hình 2.5: Bố trí béc tưới cho 10m 2

Ta chọn bơm tưới là SUMO TH2203 với các thông số kỹ thuật sau :

 Áp lực đầu vào: 0.2 MPA

 Áp lực nước ra: 0.8 MPA

 Lưu lượng nước: 7.0 lít/phút = 0,42 m 3 /giờ

 Giá tiền: 320.000đ (bao gồm cả bộ nguồn tổ ong 12VDC)

Hình 2.6: Máy bơm mini SUMO TH2203

Nguồn tổ ong 12V – 10A, còn được biết đến là bộ nguồn một chiều 12V, được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220V AC thành nguồn một chiều 12VDC, nhằm cung cấp năng lượng cho các thiết bị hoạt động.

Nguồn tổ ong 12V-10A là một giải pháp phổ biến cho các thiết bị công nghiệp và dân dụng Trong lĩnh vực công nghiệp, nguồn này thường được sử dụng để cung cấp điện cho các thiết bị trong tủ điện.

Hình 2.7: Hình ảnh nguồn tổ ong 12V-10A

- Điện áp ngõ vào : 110/220 VAC (Chân L và N)

- Điện áp ngõ ra 12 VDC (Chân V+, GND, V-)

- Sai số điện áp đầu ra 1-3%

2.5.3 Tính toán thiết kế đường ống Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó, ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọn loại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa – tốn tiền vô ích, ống nhỏ quá không cung cấp đủ nước cho khu tưới, ống kém dễ hỏng dẫn đến tốn kém…)

 Tính chiều dài đường ống chính:

Sử dụng thước kẻ ly để đo tổng chiều dài của đường ống chính trên bản vẽ, sau đó nhân với tỷ lệ của bản vẽ để tính toán chiều dài thực tế của đường ống chính.

Để xác định đường kính của đường ống chính, cần tính toán tổng nhu cầu nước tưới cho khu tưới lớn nhất trong vùng Việc này dựa vào chiều dài của mỗi hàng trong khu vực tưới.

Với cách bố trí 9 béc tưới Mỗi béc tưới cách nhau 4m Vậy nên đường ống ta phải bố trí khoảng: 36m Và ống phát sinh khi đi đường nước khoảng 10m

Ta sử dụng ống dây phun sương PE 8mm

Hình 2.8: Ống phun sương PE 8mm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT – CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG

Board mạch điều khiển Arduino

3.1.1 Giới thiệu về thế giới Arduino

Arduino là một bo mạch vi xử lý cho phép lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ và đèn Điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình dễ học, phù hợp cho cả những người không có nhiều kiến thức về điện tử và lập trình Hiện tượng Arduino được tạo nên bởi mức giá thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng đến phần mềm.

Hình 3.1: Một số chức năng của các chân trên board mạch Arduino

Arduino đã tạo ra một cơn sốt trong cộng đồng DIY toàn cầu, tương tự như sự thành công của Apple trong lĩnh vực thiết bị di động Sự đa dạng và số lượng người dùng, từ học sinh phổ thông đến sinh viên đại học, đã khiến ngay cả những người sáng lập Arduino cũng phải ngạc nhiên về độ phổ biến của nó Vậy Arduino thực sự là gì mà thu hút được sự quan tâm của cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT?

Stanford và Carnegie Mellon đã phát triển bộ kit Arduino Mega ADK nhằm hỗ trợ việc phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và thiết bị khác, và ngay cả Google cũng tham gia vào dự án này.

Arduino được ra đời tại thị trấn Ivrea, Ý, và mang tên vua Arduino từ thế kỷ 9 Được giới thiệu vào năm 2005 bởi giáo sư Massimo Banzi tại trường Interaction Design Institute Ivrea (IDII), Arduino ban đầu là công cụ dành cho sinh viên Mặc dù không được tiếp thị mạnh mẽ, nhưng sự lan tỏa của Arduino diễn ra nhanh chóng nhờ vào những đánh giá tích cực từ người dùng đầu tiên.

Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino

Hình 3.2: Những thành viên khởi xướng Arduino

3.1.2 Các thông số chính của BOARD ARDUINO UNO R3

Khi nói đến lập trình với dòng mạch Arduino, Arduino UNO luôn là cái tên nổi bật nhất Hiện tại, thế hệ thứ ba (R3) của dòng mạch này đã chính thức được phát hành trên thị trường.

Nếu đấy là lần đầu tiên bạn tìm hiểu về điện tử và lập trình thì Arduino UNO R3 là bản mạch tốt nhất để bạn có thể bắt đầu

Arduino UNO sử dụng ba vi điều khiển 8 bit AVR: ATmega8, ATmega168 và ATmega328 Bộ vi điều khiển này có khả năng xử lý các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và tạo ra trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị trên màn hình LCD.

Hình 3.4: Sơ đồ chân Arduino UNO R3

Arduino Uno R3 kết nối với máy tính qua cáp USB và cần được cấp điện bằng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC Sau khi hoàn tất lắp đặt, mạch sẽ tự động kích hoạt và bắt đầu hoạt động.

 Các thông số kỹ thuật của Arduino UNO R3

Hình 3.5: Các thông số kỹ thuật của Atmega328P trong Arduno UNO

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

 32KB bộ nhớ Flash: Những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ

Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng hiếm khi nào cần quá 20KB bộ

SRAM có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị của các biến được khai báo trong lập trình Số lượng biến càng nhiều thì yêu cầu về bộ nhớ RAM càng lớn Tuy nhiên, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi có sự cố mất điện.

EEPROM 1KB hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép lưu trữ và truy xuất dữ liệu mà không lo bị mất khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM.

 Các chân điện của Arduino UNO

GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị với nguồn điện riêng biệt, cần phải kết nối các chân GND này với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, thì nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo tại chân IOREF, và giá trị này luôn là 5V Tuy nhiên, không nên lấy nguồn 5V từ chân này vì chức năng của nó không phải là cung cấp nguồn.

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Arduino UNO không được trang bị chức năng bảo vệ chống cắm ngược nguồn, vì vậy cần kiểm tra kỹ các cực âm và dương trước khi cấp nguồn Việc cấp nguồn sai có thể gây chập mạch và hư hỏng thiết bị Do đó, nếu có thể, nên sử dụng nguồn từ cổng USB để đảm bảo an toàn cho Arduino UNO.

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino được thiết kế để cung cấp nguồn cho các thiết bị khác, không phải để nhận nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể gây hư hỏng cho board, điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện vượt quá 40mA qua chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO có thể gây hỏng vi điều khiển Vì vậy, nếu không sử dụng để truyền nhận dữ liệu, bạn cần mắc một điện trở hạn dòng để bảo vệ thiết bị.

Hình 3.6: Các cổng vào ra của Arduino UNO R3

Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA, và các điện trở pull-up được tích hợp trong vi điều khiển ATmega328 nhưng không được kết nối mặc định.

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive

ARDUINO LCD 20*4

Màn hình LCD 20x4 là thiết bị hiển thị chữ và số theo mã ASCII, với mỗi ô hiển thị một ký tự duy nhất Các chấm tinh thể lỏng trong màn hình được sắp xếp theo trình tự “ẩn” hoặc “hiện” để tạo ra các ký tự cần thiết.

Màn hình LCD 20x4 là loại màn hình có 4 dòng, mỗi dòng hiển thị 20 ký tự, rất phổ biến trong các mạch điện.

 Điện áp hoạt động là 5 V

 Chữ trắng, nền xanh dương

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

 Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật

Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị

4 RS Lựa chọn thanh ghi RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh

RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu R/W=0 thanh ghi viết

Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7

15 A Cực dương led nền 0V đến 5V

Cảm biến độ ẩm Soil Moisture Sensor

Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống tưới nước tự động và vườn thông minh Nó hoạt động bằng cách xác định độ ẩm của đất thông qua đầu dò, sau đó truyền tải giá trị dưới dạng tín hiệu Analog và Digital qua hai chân tương ứng để giao tiếp với Vi điều khiển, mở ra nhiều ứng dụng đa dạng.

Hình 3.8: Cảm biến độ ẩm Soil Moisture Sensor

GND GND của nguồn ngoài

DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)

AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)

 Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC

 Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng

 Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp

Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện sự thay đổi, điện áp tại đầu vào của IC LM393 sẽ thay đổi IC này sẽ nhận biết sự thay đổi và phát tín hiệu 0V để báo hiệu Sự thay đổi này được tính toán để đọc độ ẩm đất Để biết thêm chi tiết, bạn có thể tham khảo Datasheet của LM393.

 Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất

 Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V

Ngõ ra D0 có khả năng kết nối trực tiếp với các vi điều khiển như Arduino, PIC, AVR, và STM, giúp phát hiện tín hiệu cao và thấp, từ đó xác định độ ẩm của đất một cách hiệu quả.

 Đầu ra Analog A0 có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất.

Module relay 5VDC

Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, module 1 Relay với opto cách ly hl 5v được sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi kích mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper

 VCC: Chân cấp nguồn đầu vào cho mạch điều khiển và cuộn dây relay

 GND: Chân nguồn tham chiếu 0V.

 IN: Nhận tín hiệu ngõ vào.

 NO: Tiếp điểm ngõ ra thường hở của rơ le

 COM: Chân tiếp điểm chung của rơ le

 NC: Tiếp điểm ngõ ra thường đóng của rơle

 Sử dụng điện áp nuôi DC 5V

 Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA

 Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A

 Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

 Có thể chọn mức tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua jumper

 Kích thước: 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in (5.0 cm x 2.6 cm x 1.9 cm)

 Trong khi vận hành có một số bước cơ bản xảy ra khi rơ le cơ điện được cấp điện hay ngắt điện

 Điện được cung cấp cho cuộn dây tạo ra từ trường

 Từ trường được chuyển thành lực cơ học bằng cách hút phần ứng

 Phần ứng động đóng/mở một hoặc nhiều tiếp điểm điện

 Các tiếp điểm cho phép chuyển mạch điện sang tải như động cơ, bóng đèn,…

 Sau khi điện áp cuộn bị loại bỏ từ trường biến mất các tiếp điểm tách ra và trở về vị trí bình thường

 Các tiếp điểm có thể thường đóng hoặc thường mở

Module thời gian thực (DS1302)

Module Thời Gian Thực DS1302 được sử dụng làm đồng hồ các loại hiện thị bằng led 7Segs, lcd, hiện thị lên màn hình máy tính

Module Thời Gian Thực DS1302 tích hợp chip đồng hồ DS1302, cung cấp chức năng theo dõi thời gian thực và lịch, cùng với 31 byte RAM tĩnh Giao tiếp với vi điều khiển được thực hiện qua giao diện nối tiếp đơn giản.

Mạch đồng hồ thời gian thực cung cấp thông tin chính xác về giây, phút, giờ, ngày, tuần, tháng và năm, đồng thời tự động điều chỉnh số ngày trong mỗi tháng và bước nhảy năm.

Hoạt động của đồng hồ có thể được thiết lập với định dạng 24 giờ hoặc 12 giờ AM/PM Để nhận và xử lý dữ liệu, có thể sử dụng các loại chip phổ biến như 8051, AVR, PIC và Arduino.

Hình 3.10: Hình ảnh module thời gian thực (DS1302)

PCB là một bảng điều khiển duy nhất, kích thước: 44mm * 23mm * 1.6mm

 Với 4 lỗ định vị, đường kính 3,1mm

 Kích thước: 47mm x 17mm x 6mm (L x W x H)

 Chip chính: DS1302 IC thời gian thực

 Điện áp làm việc: DC 3.3~ 5V

 Phạm vi nhiệt độ chịu đựng được (độ C): 0 ~ 70

Phương thức mối dây cho phép kết nối bất kỳ cổng IO nào trong chương trình, đồng thời người dùng có thể dễ dàng sửa đổi định nghĩa cổng theo nhu cầu.

- Không đảo ngược kết nối giữa VCC và GND để tránh làm cháy chip

Điện trở kéo lên cần được kết nối với cổng P0 của vi điều khiển 2.51 Nếu không kết nối với điện trở kéo lên, bạn có thể sử dụng các cổng khác để kết nối cáp dữ liệu.

Phần mềm mô phỏng PROTEUS

Phần mềm Proteus 3.11 cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử, bao gồm thiết kế mạch và lập trình điều khiển cho các vi điều khiển như MCS-51, PIC, và AVR Được phát triển bởi Lancenter Electronics, Proteus hỗ trợ mô phỏng hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt là các MCU như PIC, 8051, AVR và Motorola.

Phần mềm Proteus bao gồm hai chương trình chính: ISIS, cho phép mô phỏng mạch, và ARES, dùng để thiết kế mạch in Đây là công cụ mô phỏng vi điều khiển hiệu quả, hỗ trợ nhiều dòng vi điều khiển như PIC, 8051, dsPIC, AVR, và HC11 Proteus còn tích hợp các giao tiếp như I2C, SPI, CAN, USB và Ethernet, đồng thời mô phỏng cả mạch số và mạch tương tự một cách hiệu quả.

Hình 3.11: Giao diện khởi động phần mềm Proteus.

Thư viện ARDUINO trong PROTEUS

Thư viện Arduino là một công cụ hữu ích cho phần mềm mô phỏng Proteus, giúp việc mô phỏng Arduino trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn Thay vì chỉ mô phỏng chip ATmega328, thư viện này được phát triển bởi các kỹ sư Cesar, Osaka, Daniel Cezar và Roberto Bauer Thông tin chi tiết về thư viện có thể được tìm thấy trên blog tiếng Bồ Đào Nha: http://blogembarcado.blogspot.de/.

Thư viện bao gồm các linh kiện sau:

- Arduino Uno (Phiên bản chip ATmega328 chân DIP)

- Arduino Uno (Phiên bản chip ATmega328 chân SMD

- Cảm biến siêu âm Ultrasonic V2

Hình 3.12 lấy minh họa cho mô phỏng là Arduino Uno:

Hình 3.12: Các linh kiện trong thư viện Arduino cho Proteus.

ARDUINO IDE và lập trình cho ARDUINO

Arduino nổi bật với thiết kế bo mạch nhỏ gọn và nhiều tính năng hữu ích, nhưng sức mạnh thực sự của nó nằm ở phần mềm Môi trường lập trình của Arduino rất dễ sử dụng, với ngôn ngữ Wiring thân thiện và dựa trên nền tảng C/C++, giúp người làm kỹ thuật dễ dàng tiếp cận Đặc biệt, cộng đồng nguồn mở đã cung cấp một lượng lớn thư viện code được viết sẵn, hỗ trợ người dùng trong việc phát triển dự án Hình ảnh 3.13 minh họa giao diện của Arduino IDE khi được mở lên.

Hình 3.13: Giao diện phần mềm Arduino IDE

Arduino là phần mềm lập trình cho bo mạch Arduino, sử dụng môi trường IDE có thể hoạt động trên ba hệ điều hành phổ biến: Windows, Macintosh OSX và Linux Với tính chất mã nguồn mở, phần mềm này hoàn toàn miễn phí và cho phép người dùng có kinh nghiệm mở rộng tính năng.

Ngôn ngữ lập trình C++ có thể mở rộng thông qua các thư viện, cho phép người dùng tích hợp mã AVR vào chương trình Người dùng có thể tải Arduino IDE từ trang chủ http://arduino.cc/ để bắt đầu lập trình.

Tổng thể chi phí đầu tư lắp đặt

STT Thiết bị Số lượng Giá thành

2 Béc tưới phun sương 4 hướng 9 9x7.000đ

3 Ống nước phun sương 8PE 40m 160.000đ

6 Cảm biến độ ẩm Soil Moisture

8 Module thời gian thực (DS1302) 1 20.000đ

9 Các thiết bị khác (điện trở, đèn led, ) + chi phí phát sinh

THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT MẠCH MÔ PHỎNG

Giới thiệu chung hệ thống

Hệ thống tưới tự động cho máy bơm nước tự động được biểu diễn trên hình 4.1 như sau:

Hình 4.1: Hệ thống tưới tự động

Tín hiệu đặt là điều kiện do lập trình viên thiết lập để kiểm soát hệ thống tưới cây Các cảm biến nhận diện sự thay đổi độ ẩm và gửi giá trị về bộ điều khiển Bộ điều khiển so sánh các giá trị cảm biến với giá trị cài đặt, từ đó xử lý và phát tín hiệu điều khiển cho bộ biến đổi Bộ biến đổi điều khiển động cơ hoạt động, cung cấp nước cho các téc phun tưới cây, đảm bảo sự phát triển tốt cho cây trồng Hệ thống hoạt động liên tục và khoa học, giúp tránh các thao tác thừa trong quá trình điều khiển động cơ.

Thiết kế mạch trên PROTEUS

Hình 4.2: Sơ đồ mạch sơ bộ

Lưu đồ thuật toán

Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán

Các chế độ hoạt động của hệ thống tưới nước tự động

Hình 4.4: Các chế độ hoạt động