Bài tập lớn Thiết kế hệ thống giám sát độ ẩm đất trồng cây trong nhà kính môn Kỹ thuật cơ điện tử | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 59421307
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ
BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC:
NHẬP MÔN CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài:
Thiết kế hệ thống giám sát độ ẩm đất trồng cây trong nhà kính. Nhóm thực hiện: Nhóm 11 Lớp: 129343 - ME2002 STT Mã số sinh viên Họ và tên sinh viên Vị trí 1 20205372 Lê Công Minh Trưởng nhóm 2 20205375 Phùng Công Minh Thành viên 3 20205376 Lê Thị Hà My Thành viên 4 20205380 Nguyễn Trọng Nam Thành viên 5 20205381 Nguyễn Tuấn Nam Thành viên
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Xuân Thuận. Hà Nội, 2-2022. lOMoAR cPSD| 59421307 LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, cơ điện tử góp
phần phát triển các hệ thống sản xuất theo hướng hiện đại, nâng cao hiệu quả và
năng suất lao động, tạo nên lợi thế cạnh tranh cho các sản phẩm được chế tạo và
sản xuất trong nước. Cơ điện tử góp phần không nhỏ vào công cuộc công nghiệp
hóa - hiện đại hóa đất nước.
Sau hơn 30 năm đổi mới, nông nghiệp Việt Nam đã chủ động tiếp cận và ứng dụng
nhiều công nghệ tiên tiến trong các quá trình sản xuất nông nghiệp, do đó đã góp
phần đưa Việt Nam trở thành một trong những nước xuất khẩu nông sản hàng đầu
thế giới. Do đó việc ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp đang là
nhu cầu cấp thiết với sản xuất nông nghiệp Việt Nam hiện nay. Việc làm này sẽ
giúp giảm nhân công lao động, nâng cao hiệu quả kinh tế, tạo bước đột phá về
năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã hội và
đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững.
Môi trường trong nhà kính nông nghiệp công nghệ cao thường đòi hỏi rất khắt khe
việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây
cũng như thời gian sinh trưởng của chúng. Điều này đòi hỏi cần phải giám sát và
thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trong nhà kính.
Nhóm sinh viên chúng em đã được giao cho đề tài :”Thiết kế hệ thống giám sát độ
ẩm đất trồng cây trong nhà kính”. Đề tài này sẽ giúp chúng em làm quen với ngành
cơ điện tử và cũng là cơ sở cho chúng em bước vào chuyên ngành sau này. Vì
lượng kiến thức và trình độ chuyên môn có hạn nên trong tài liệu không tránh khỏi
những sai sót, nhóm sinh viên chúng em rất mong nhận được sự góp ý từ thầy cô và bạn đọc.
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn! lOMoAR cPSD| 59421307 Mục lục Lời mở đầu
Chương 1: Yêu cầu kĩ thuật về hệ thống ........................................................................ 4
Chương 2: Phân tích, đánh giá hoạt động của hệ thống ................................................. 4
2.1 Phân tích hoạt động của hệ thống ........................................................................ 4
2.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống ........................................................................ 5
Chương 3: Xây dựng hệ thống ........................................................................................ 6
3.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của hệ thống .................................................... 6
3.2. Tìm hiểu, lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống ....................................... 7
3.2.1. Cảm biến ..................................................................................................... 7
3.2.2 Arduino Uno R3 ........................................................................................... 8
3.2.3 Text LCD 16x2 ............................................................................................ 9
3.2.4. Một số thiết bị khác ................................................................................... 11
3.3. Sơ đồ kết nối các thiết bị và mô phỏng hoạt động thiết bị trên phần mềm
protues. ........................................................................................................................ 11
3.3.1. Mô phỏng mạch nối:…………………………………………...…10
3.3.2 Chương trình điều khiển trên Arduino IDE: .............................................. 12
3.3.3 Mô phỏng trên phần mềm Proteus ............................................................. 13
Chương 4: Kết luận ....................................................................................................... 15
Nội dung báo cáo lOMoAR cPSD| 59421307
Chương 1: Yêu cầu kĩ thuật về hệ thống
- Hệ thống phải giám sát được độ ẩm đất trong nhà kính, luôn duy trì độ ẩm ở
80% và phải hiện thị được trên màn LCD 16x2
- Có thể dễ dàng sử dụng đối với mọi đối tượng người dùng - Phù hợp với khí hậu của Việt Nam.
- Giá thành hợp lý để nhiều nông dân có thể tiếp cận.
- Sửa chữa và bảo dưỡng thuận tiện.
- Nhỏ gọn, linh động dễ dàng lắp đặt ở mọi nơi.
Chương 2: Phân tích, đánh giá hoạt động của hệ thống
2.1 Phân tích hoạt động của hệ thống
Hệ thống cơ điện tử có nhiều ứng dụng từ đời sống sản xuất đến sinh hoạt của con
người. Dù trog bất kì lĩnh vực nào cảm biến cũng đóng 1 vai trò rất quan trọng
Ví dụ: ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp. Ta có 1 nhà kính trồng rau rộng mới
gieo trồng 100m2, vì là cây non nên ta cần duy trì độ ẩm không khí ở 85% cho cây
phát triển tốt và tránh sâu bệnh. Bình thường ta sẽ phun sương để tăng độ ẩm cho
không khí nhưng cách này thường không đạt được độ ẩm mong muốn, nhưng với hệ
thống cơ điện tử ta có thể duy trì độ ẩm ở chính xác 85%.
Hệ thống sẽ dùng cảm biến độ ẩm để đo độ ẩm của nhà kính. Hiện thị độ ẩm lên
màn hình LCD. Đồng thời tín hiệu từ cảm biến sẽ được chuyển tới khối điều khiển,
sau đó khối điều khiển sẽ xử lý tín hiệu đối chiếu với tín hiệu đã được thiết lập từ
trước để xử lý gửi rồi gửi tín hiệu để điều khiển cơ cấu chấp hành ( thiết bị tăng
giảm độ ẩm : Quạt gió, dàn phun sương,…) lOMoAR cPSD| 59421307
+Nếu độ ẩm >85% thì sẽ kích hoạt hệ thống hút ẩm giúp giảm không khí trong nhà kính.
+ Nếu độ ẩm < 85% thì sẽ kích hoạt hệ thống phun sương giúp tăng độ ẩm.
Hệ thống sẽ ngưng hoạt động khi độ ẩm đạt 85%.
2.2 Đánh giá hoạt động của hệ thống.
Hệ thống trên là một hệ thống đơn giản nhưng nó mang lại lợi ích rất lớn trong việc
nâng cao chất lượng và số lượng sản phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên nó vẫn còn khá
mới mẻ ở nước ta nên cũng kéo theo nhiều khó khắn.
Tóm lại, hệ thống có những: - Ưu điểm:
+ Chất lượng sản phẩm được nâng cao.
+ Tăng cao năng suất cây trồng.
+ Hiện đại việc sản xuất nông nghiệp giúp làm giảm khối lượng công việc của người nông dân.
+ Không bị tác động của thời tiết tránh mất mùa do thiên tai. - Nhược điểm:
+ Công nghệ này còn khá mới ở nước ta nên người dân khó tiếp cận.
+ Cần số vốn đầu tư lớn .
+ Cần sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống định kì.
+ hệ thống đôi khi xảy ra lỗi.
Ta có thể dùng hệ thống tương tự để giám sát độ ẩm đất trồng cây trong nhà kính (độ ẩm duy trì 80%).
Nói chung việc ứng dụng hệ thống cơ điện tử có tác dụng rất lớn đối với con người.
Em nghĩ trong tương lai không xa thì hệ thống cơ điện tử sẽ phổ biến tới mọi người cũng như mọi lĩnh vực. lOMoAR cPSD| 59421307
Chương 3: Xây dựng hệ thống
3.1. Xây dựng sơ đồ khối hoạt động của hệ thống.
Máy bơm t ắ t Đ >= 80% INPUT
C ả m bi ế n
Vi đi ề u khi ể n LCD OUTPUT
Máy bơm b ậ t Đ < 80%
B ậ t LED
Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Cảm biến đo độ ẩm đất được lắp đặt tại vị trí đất cần theo dõi, độ ẩm tại đây sẽ liên
tục được cảm biến thu thập và gửi dữ liệu về bộ điều khiển trung tâm. Khi độ ẩm
đo được nhỏ hơn 80% , vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu đến để bật máy bơm đông thời
bật đèn LED để cảnh báo. Khí độ ẩm đo được lớn hơn hoặc bằng 80% máy bơm sẽ
không được kích hoạt, trên mà LCD sẽ hiển thị phần trăm độ ẩm và trạng thái của
máy bơm. Ngoài ra chúng ta có thể kết nối với ứng dụng để thông báo các thông
tin cần thiết đến với người dùng. lOMoAR cPSD| 59421307
3.2. Tìm hiểu, lựa chọn các thiết bị phù hợp cho hệ thống.
3.2.1. Cảm biến
Ta lựa chọn cảm biến Tensiometer Moisture Sensor.
Cảm biến đo độ ẩm đất Tensiometer Moisture Sensor là một loại cảm biến được
sử dụng rộng rãi và thành công trong một số phép đo độ ẩm của đất. Cảm biến độ
ẩm đất Soil Moisture Sensor thường được sử dụng trong các mô hình tưới nước
tự động, vườn thông minh,..., cảm biến giúp xác định độ ẩm của đất qua đầu dò
và trả về giá trị Analog, Digital qua 2 chân tương ứng để giao tiếp với Vi điều
khiển để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC 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. IC so sánh : LM393 Sơ đồ chân VCC 3 V .3 ~ 5V GND GND của nguồn ngoài
DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)
AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog) Nguyên lý hoạt động
Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu
vào của ic LM393. Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để
báo hiệu. và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất. + Cảm biến lOMoAR cPSD| 59421307
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 thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển như
(Arduino,PIC,AVR,STM), để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất.
+ Đầu ra Analog AO 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. 3.2.2 Arduino Uno R3.
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một
nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P.
Với Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông
qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Thông số kĩ thuật Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động
5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA lOMoAR cPSD| 59421307
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PW ) M Số chân Analog 6 (đ ộ phân giải 10bi ) t
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega 328) EEPROM 1 KB (ATmega 328) 3.2.3 Text LCD 16x2.
Hiện giờ, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được dùng trong rất
nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng
hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (kí tự đồ họa, chữ, số, ); đưa vào
mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau dễ dàng , tiêu tốn rất ít tài
nguyên hệ thống, giá thành rẻ,…
Thông số kĩ thuật của mà hình LCD 1602: - Điện áp MAX : 7V - Điện áp MIN : - 0,3V
- Điện áp ra mức thấp : <0.4V
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V
- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C lOMoAR cPSD| 59421307
Chức năng của từng chân LCD 1602:
- Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều
khiển - Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển
- Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1":
+ Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi”
- write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD -
Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0”
để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này
như sau: + Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi
bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên
(low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông
tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu lOMoAR cPSD| 59421307
được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên
4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7) -
Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền -
Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền -
LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN). -
5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
3.2.4. Một số thiết bị khác.
Ngoài các thiết bị trên ta còn sử dụng một số các thiết bị khác như: motor bơm
nước, đèn LED, điện trở, biến trở…
3.3. Sơ đồ kết nối các thiết bị và mô phỏng hoạt động thiết bị trên phần mềm protues.
3.3.1. Mô phỏng mạch nối:
• Các chân 2, 3, 4, 5 (Arduino) nối lần lượt với D7, D6, D5, D4( LCD)
• Chân 8(Arduino) nối với relay RL1 ( RLY-SPCO)
• Chân 10(Arduino) nối với điện trở và nối tiếp qua đèn led (GREEN LED)
• Chân 11, 12(Arduino) nối với 2 chân 6,4(LCD)
• Chân 13(Arduino) nối với đèn led2 (GREEN LED)
• Nối từ relay với motor
• Chân A0(Arduino) nối với cuộn cảm L
• Từ cuộn cảm L nối với tụ điện C và nối với chân A0 CỦA cảm biến độ ẩm
đất ( Soil Moisture Sensor)
• Chân TestPin của cảm biến nối với biến trở (POT-HG) lOMoAR cPSD| 59421307
3.3.2 Chương trình điều khiển trên Arduino IDE: #include
// khoi tao thu vien va so luong chan
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); #define motor 8 #define sensor A0 #define led 10 void setup() { pinMode(motor,OUTPUT); pinMode(sensor, INPUT);
// thiet lap so cot va so hang cua lcd: lcd.begin(16, 2); // in ra LCD. lcd.print("Do am"); } void loop() { int value=analogRead(sensor);
// dat con tro vao column 0, line 1 // (line 1 la
dong thu hai, vi dem bat dau tu 0):
lcd.setCursor(8, 0); // in so giay ke tu khi dat lai: lcd.print((1000-value)/10 ); lcd.setCursor(10,0); lOMoAR cPSD| 59421307 lcd.print("%"); if((1000- value)/10<80) { digitalWrite(motor,HIGH); digitalWrite(led,HIGH); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Motor bat"); } if((1000-value)/10>=80) { digitalWrite(motor,LOW); digitalWrite(led,LOW); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Motor tat"); }
3.3.3 Mô phỏng trên phần mềm Proteus. •
Khi độ ẩm đo được lớn hơn 80% thì hệ thống hiện thị độ ẩm trên mà LCD ,
đèn LED không sáng, motor máy bơm không chạy. lOMoAR cPSD| 59421307
Hình 3.3.3a: Mô phỏng khi độ ẩm đất là 85%. •
Khi độ ẩm giảm xuống thấp hơn 80%, thì led xanh sáng báo hiệu đất khô,
motor máy bơm kích hoạt để bơm nước và hiển thị độ ẩm lên màn LCD. lOMoAR cPSD| 59421307
Hình 3.3.3b: Mô phỏng khi độ ẩm đất là 50%
Chương 4: Kết luận.
Đề tài: “Thiết kế hệ thống giám sát độ ẩm đất trồng cây trong nhà kính” là một đề tài
vô cũng hữu ích mang tính ứng dụng cao. Sau một thời gian nghiên cứu và phát triển ý
tưởng nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài song vẫn còn một số ưu nhược điểm sau: - Ưu điểm
+Mạch phổ biến dễ tìm, giá thành rẻ, hoạt động tốt và có độ chính xác cao.
+ Mô hình hệ thống an toàn, dễ sử dụng. lOMoAR cPSD| 59421307
+ Nhìn chung, mô hình đã có thể hoạt động tương đối ổn định và đạt được
gần như 100% yêu cầu ban đầu. - Nhược điểm:
Bên cạnh đó, do vẫn còn nhiều hạn chế về kiến thức và thời gian nghiên cứu
nên sản phẩm vẫn tồn tại một số hạn chế:
+ Hệ thống vẫn chưa thể tối ưu hóa
+ Mạch còn sơ sài, đơn giản
+ Cần được bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống định kỳ.
+ Mô hình sản phẩm còn chưa gọn gàng, thiếu thẩm mỹ.
+ Số lượng thiết bị còn hạn chế.
Một số đề xuất phát triển cho đề tài:
+ Phát triển mở rộng hơn về mạch điều khiển ( không giới hạn là sử dụng mạch adruino )
+ Giảm thời gian cần được bảo dưỡng của hệ thống.
+ Hệ thống có thể tích hợp một số hệ thống như điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm không
khí, phun nước, phân bón nhằm tối ưu hóa năng suất cho cây trồng đồng thời
giảm sức lao động của con người.
Thông qua việc tìm hiểu và nghiên cứu đề tài này giúp chúng em có sự hiểu biết
sâu sắc hơn về kiến thức thực tế ngành cơ điện tử, biết cách lựa chọn phương
pháp giải quyết một vấn đề trên cơ sở tư duy logic, kết nối các kiến thức đã
học…Giúp chúng em có cái nhìn toàn diện hơn về việc ứng dụng cơ điên tử vào
giải quyết vấn đề thực tế.
Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Anh Tuấn và thầy Nguyễn
Xuân Thuận đã giúp đỡ em hoàn thiện tiểu luận này.