Thiết Kế Hệ Thống Tưới Cây Tự Động | Báo cáo BTL Môn Lập Trình Nhúng

lOMoAR cPSD| 45474828 BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN LẬP TRÌNH NHÚNG ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐO ĐỘ ẨM CỦA ĐẤT ỨNG DỤNG TRONG
VIỆC TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn : Nhóm thực hiện : Nhóm Sinh viên nhóm : Chu Văn An -
Trần Thị Tố Uyên - 21103
Trần Thị Thuý Nga - 21103100112
Nguyễn Xuân Quân - 21103100050 Hà Nội - 2025 lOMoAR cPSD| 45474828 MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. 1
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... 3
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 4
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 4
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 4
3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 4
4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 5
5. Kết cấu .................................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................... 5
1.1. Tìm hiểu về hệ thống tưới tiêu tự động ............................................................... 5
1.2. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động ......................................................... 6
1.3. Vai trò của tự động hóa trong tưới tiêu cây trồng ............................................... 7
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ........................................... 7
2.1. PHÂN TÍCH BỘ ĐIỀU KHIỂN ......................................................................... 7
2.1.1. Nguyên lý hoạt động: của thiết kế bộ điều khiển đo độ ẩm của đất ứng
dụng trong việc tưới cây tự động ........................................................................... 8
2.1.2. Phân tích ưu và nhược điểm của hệ thống: .................................................. 9
2.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG DỰA VÀO ĐỘ ẨM9 .. 9
2.2.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ............................................................................ 9
2.2.2. THIẾT KẾ PHẦN MỀM ............................................................................ 32
CHƯƠNG 3: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN ................................................................ 34
3.1. Nhận xét ............................................................................................................ 34
3.2. Kết luận ............................................................................................................. 35
3.3. Hướng phát triển ............................................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 37
PHỤ LỤC................................................................................................................38 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ thiết kế tưới cây tự động...............................7 1 lOMoAR cPSD| 45474828
Hình 2. Mô phỏng Arduino Uno R3 trên Tinkercad................................................10
Hình 3. Mô phỏng LCD 16x2 trên Tinkercad..........................................................12
Hình 4 Mô phỏng Breadboard trên Tinkercad.........................................................14
Hình 5.Mô phỏng đèn LED trên Tinkercad.............................................................17
Hình 6. Mô phỏng Resistor(Điện trở) trên Tinkercad..............................................19
Hình 7. Mô phỏng đèn Transistor NPN trên Tinkercad...........................................21
Hình 8. Mô phỏng động cơ DC Motor trên Tinkercad............................................23
Hình 9.Mô phỏng Soil Moisture Sensor trên Tinkercad và thiết bị cảm biến độ ẩm
đất............................................................................................................................25
Hình 10. Mô phỏng Power Supply (Nguồn cấp) trên Tinkercad.............................27
Hình 11. Mô phỏng Relay SPDT trên Tinkercad.....................................................29 2 lOMoAR cPSD| 45474828 DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3.....................................................12
Bảng 2. Bảng chức năng các chân của LCD 16x2...................................................14
Bảng 3. Thông số kỹ thuật của Breadboard.............................................................16
Bảng 4. Thông số kỹ thuật của đèn LED.................................................................18
Bảng 5. Thông số kỹ thuật của điện trở...................................................................21
Bảng 6. Thông số kỹ thuật của một số Transistor NPN...........................................22
Bảng 7. Thông số kỹ thuật của động cơ DC Motor.................................................24
Bảng 8. Thông số kỹ thuật của cảm biến độ ẩm đất phổ biến..................................27
Bảng 9. Thông số kỹ thuật quan trọng của nguồn cấp.............................................28
Bảng 10. Thông số kỹ thuật của Relay SPDT..........................................................30
Bảng 11. Thông số kỹ thuật của Wire (dây điện)....................................................31 3 lOMoAR cPSD| 45474828 LỜI MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong khuôn viên các trường học, việc tưới tiêu cây xanh chủ yếu vẫn được
thực hiện thủ công, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức. Tuy nhiên, nếu không có sự
kiểm soát hợp lý, quá trình này có thể gây lãng phí nước hoặc ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng.
Hiện nay, công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển, đặc biệt là trong lĩnh vực nông
nghiệp thông minh. Hệ thống tưới tự động không chỉ giúp tối ưu hóa lượng nước sử
dụng mà còn đảm bảo cây xanh luôn được cung cấp độ ẩm phù hợp, từ đó phát triển tốt hơn.
Xuất phát từ thực tế trên, việc nghiên cứu và thiết kế một hệ thống đo độ ẩm đất kết
hợp tưới nước tự động là cần thiết. Hệ thống này sẽ giúp nâng cao hiệu quả chăm sóc
cây xanh, tiết kiệm nguồn nước và giảm tải công việc cho con người, đặc biệt là trong
khuôn viên Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu
Phát triển hệ thống đo độ ẩm đất và điều khiển bơm nước tự động nhằm tối ưu
hóa quá trình tưới tiêu.
Hiển thị thông tin độ ẩm đất trên màn hình LCD và Serial Monitor để dễ dàng theo dõi và giám sát.
Thiết kế và triển khai mạch điện sử dụng vi điều khiển Arduino để quản lý
hoạt động tưới nước.
Đánh giá hiệu quả vận hành của hệ thống trong điều kiện thực tế, đảm bảo tính
ổn định và hiệu suất cao. 3. Phạm vi nghiên cứu
Thực hiện thiết kế, lập trình và kiểm thử hệ thống trong phạm vi khuôn viên
Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp.
Ứng dụng các loại cảm biến đo độ ẩm đất phổ biến và sử dụng vi điều khiển
Arduino làm nền tảng điều khiển chính.
Xây dựng hệ thống với cấu trúc đơn giản, dễ triển khai và bảo trì, phù hợp với điều kiện thực tế. 4 lOMoAR cPSD| 45474828
4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu và thu thập tài liệu
• Khảo sát các tài liệu liên quan đến cảm biến độ ẩm đất và hệ thống tưới nước tự động.
• Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của các linh
kiện trong mạch điều khiển. Thiết kế và mô phỏng hệ thống
• Xây dựng sơ đồ mạch điện và triển khai lắp ráp phần cứng trên nền tảng mô phỏng như Tinkercad.
• Kiểm tra khả năng tương thích giữa các linh kiện và điều chỉnh kết nối
để đảm bảo hoạt động ổn định. Lập trình và kiểm thử hệ thống
• Viết chương trình điều khiển, tích hợp với cảm biến và các thiết bị đầu ra.
• Tiến hành kiểm tra thực tế, đánh giá hiệu suất hoạt động và ghi nhận các lỗi phát sinh.
• Dựa trên kết quả thử nghiệm, thực hiện các điều chỉnh cần thiết để tối ưu hóa hệ thống. 5. Kết cấu
Tổng quan đề tài: Cung cấp cái nhìn tổng quát về đề tài nghiên cứu: tìm hiểu,
khái niệm, vai trò, nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển tưới cây tự động.
Giới thiệu linh kiện sử dụng: Trình bày các thành phần chính trong mạch điều
khiển, bao gồm đặc điểm và vai trò của từng linh kiện.
Thiết kế hệ thống tưới tự động: Mô tả chi tiết nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết
nối và cách lập trình hệ thống.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Tìm hiểu về hệ thống tưới tiêu tự động
Khái niệm phổ quát về hệ thống nhúng: Hệ thống nhúng là:
• Một hệ thống thông tin hoạt động độc lập
• Được nhúng vào một môitrường/ hệ thống lớn hơn (hệ thống mẹ)
• Thực hiện một hoặc một vài chức năng chuyên biệt 5 lOMoAR cPSD| 45474828
Hệ thống tưới tiêu tự động là một phương pháp hiện đại giúp cung cấp nước
cho cây trồng mà không cần đến sự can thiệp trực tiếp của con người. Đúng như tên
gọi, hệ thống này hoạt động hoàn toàn tự động, đảm bảo cây trồng luôn nhận được
lượng nước cần thiết vào thời điểm thích hợp.
Có nhiều hình thức tưới tiêu tự động được áp dụng hiện nay, phổ biến nhất là
tưới phun sương, tưới nhỏ giọt và tưới phun mưa. Điểm đặc biệt của hệ thống này là
nó được tích hợp các thiết bị cảm biến để xác định chính xác nhu cầu nước của cây,
từ đó điều chỉnh lượng nước phù hợp nhằm tối ưu sự phát triển của cây trồng.
Nhờ những lợi ích vượt trội, hệ thống tưới tự động ngày càng được ứng dụng
rộng rãi không chỉ trong lĩnh vực nông nghiệp mà còn trong các công trình cảnh quan.
Ngày nay, không khó để bắt gặp hệ thống này tại các khu biệt thự, sân vườn gia đình,
vườn rau hay khuôn viên công cộng, giúp tiết kiệm thời gian, công sức và nâng cao
hiệu quả sử dụng nước.
1.2. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động
Hệ thống điều khiển tự động là một tập hợp các thiết bị và cơ cấu có khả năng
tự vận hành, giúp kiểm soát và điều chỉnh các quá trình diễn ra trong tự nhiên cũng
như đời sống mà không cần sự can thiệp trực tiếp từ con người.
Về bản chất, đây là một hệ thống bao gồm nhiều thành phần vật lý có sự liên
kết chặt chẽ, tác động qua lại nhằm thực hiện chức năng điều khiển, tự điều chỉnh
hoặc vận hành một hệ thống khác. Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động xuất
hiện rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, tiêu biểu như:
Trong sinh hoạt và đời sống:
• Hệ thống điều hoà độ ẩm không khí
• Hệ thống cân bằng độ ẩm trong môi trường.
• Hệ thống cảnh báo cháy nổ tự động,.....
Trong lĩnh vực sản xuất:
• Máy móc tự động thực hiện thao tác kỹ thuật.
• Dây chuyền lắp ráp và sản xuất vận hành tự động.
• Hệ thống điều khiển bằng chương trình, bao gồm máy tính công nghiệp,
robot, và các thiết bị công nghệ hiện đại khác. 6 lOMoAR cPSD| 45474828
• Hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng
cao hiệu suất làm việc, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân lực, đồng thời
tối ưu hóa quy trình hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
1.3. Vai trò của tự động hóa trong tưới tiêu cây trồng
Hệ thống tưới tiêu tự động cóvai trò rất quan trọng trong việc tối ưu hóa quy
trình cung cấp nước cho cây trồng, giúp tiết kiệm tài nguyên và nâng cao hiệu quả
sản xuất. Nhờ sử dụng các cảm biến hiện đại, hệ thống có thể tự động điều chỉnh
lượng nước phù hợp với nhu cầu của cây, tránh lãng phí và giảm thiểu các ảnh hưởng
tác động tiêu cực đến môi trường.
Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ tự động giúp giảm bớt công sức lao
động, tạo điều kiện thuận lợi cho người nông dân và các hộ gia đình trong việc chăm
sóc cây trồng. Không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế cao thông qua việc tăng năng suất
và chất lượng sản phẩm, hệ thống này còn góp phần cải thiện cảnh quan đô thị, duy
trì độ ẩm đất và bảo vệ nguồn nước. Với khả năng ứng dụng linh hoạt trong nhiều
lĩnh vực như nông nghiệp, công viên, sân golf và vườn cây cảnh,...Hệ thống tưới tiêu
tự động dần trở thành giải pháp không thể thiếu, góp phần phát triển nông nghiệp bền
vững và nâng cao chất lượng cuộc sống.
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
2.1. PHÂN TÍCH BỘ ĐIỀU KHIỂN
Sử dụng phần mềm Tinkercad để thiết kế sơ đồ bố trí mạch: 7 lOMoAR cPSD| 45474828
Hình 1. Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ thiết kế tưới cây tự động
2.1.1. Nguyên lý hoạt động: của thiết kế bộ điều khiển đo độ ẩm của đất ứng
dụng trong việc tưới cây tự động
Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất dựa trên nguyên tắc đo độ dẫn
điện trong đất. Khi đất có độ ẩm cao, các phân tử nước làm tăng tính dẫn điện, dẫn
đến điện trở giảm và giá trị đo nhỏ. Ngược lại, khi đất khô, điện trở tăng lên và cảm
biến ghi nhận giá trị đo lớn hơn. Cảm biến sẽ chuyển đổi giá trị điện trở thành tín
hiệu analog, sau đó gửi dữ liệu đến vi điều khiển để xử lý. Sử dụng Arduino, cảm
biến độ ẩm đất kết nối với chân analog A0 của vi điều khiển, giúp đọc giá trị độ ẩm
dưới dạng tín hiệu ADC (0 - 1023). Khi độ ẩm đất thấp hơn các mức ngưỡng nhất
định (dưới 25%, 50%, 75%), hệ thống sẽ kích hoạt LED báo hiệu và xác định thời
gian bơm nước phù hợp. Nếu đất khô (< 25%), bơm sẽ hoạt động lâu hơn (30 phút),
trong khi nếu đất đủ ẩm (> 75%), hệ thống ngừng bơm.Thông tin về độ ẩm và trạng
thái bơm được hiển thị trên màn hình LCD và gửi đến Serial Monitor để theo dõi. 8 lOMoAR cPSD| 45474828
Nhờ đó, hệ thống có thể tự động điều chỉnh lượng nước tưới, giúp tiết kiệm nước và
đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp độ ẩm hợp lý.
2.1.2. Phân tích ưu và nhược điểm của hệ thống: 2.1.2.1. Ưu điểm:
Tự động hóa cao: Không cần tưới tay, tiết kiệm thời gian và công sức.
Tiết kiệm nước: Chỉ tưới khi cần, tránh lãng phí nước.
Dễ sử dụng: Có màn hình hiển thị độ ẩm và trạng thái bơm.
Tăng hiệu suất cây trồng: Cung cấp nước đúng thời điểm, giúp cây phát triển tốt hơn.
Có thể điều chỉnh dễ dàng: Chỉ cần thay đổi ngưỡng độ ẩm trong code.
2.1.2.2. Nhược điểm:
Phụ thuộc vào nguồn điện: Nếu mất điện, hệ thống không hoạt động.
Không có tính năng điều khiển từ xa: Cần bổ sung module IoT nếu muốn điều khiển qua điện thoại.
Chưa có cảnh báo sự cố: Nếu bơm hỏng hoặc đường ống tắc, hệ thống không có cơ chế phát hiện.
Ứng dụng thực tế tại khuôn viên trường ĐH Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp Hà Nội:
Hệ thống có thể triển khai tại các bồn cây, khu vực trồng xanh trong trường.
Giúp duy trì cảnh quan sạch đẹp mà không cần nhân công tưới thường xuyên.
Có thể nâng cấp bằng cách thêm kết nối WiFi để theo dõi từ xa và điều chỉnh linh hoạt.
2.2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG DỰA VÀO ĐỘ ẨM
2.2.1. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
Phần cứng của hệ thống sẽ bao gồm:
• Arduino R3: Vi điều khiển xử lý dữ liệu từ cảm biến, điều khiển bơm.
• LCD 16x2: Hiển thị thông tin độ ẩm đất, trạng thái bơm nước.
• Breadboard Mini: Dùng để kết nối linh kiện mà không cần hàn.
• LED: Báo hiệu trạng thái hệ thống (ví dụ: đỏ khi đất khô, xanh khi đủ ẩm). 9 lOMoAR cPSD| 45474828
• Điện trở (Resistor): Hạn dòng cho LED, bảo vệ các linh kiện khác.
• Transistor NPN: Điều khiển rơ-le đóng/ngắt bơm nước.
• Động cơ DC (DC Motor - Máy bơm nước): Dùng để tưới nước khi độ ẩm đất thấp.
• Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor): Đo độ ẩm của đất, gửi tín hiệu về Arduino.
• Nguồn cấp (Power Supply): Cung cấp điện cho hệ thống.
• Relay SPDT (Single Pole Double Throw): Đóng/ngắt bơm nước.
• Dây điện (Wire): Kết nối các linh kiện với nhau
2.2.2.1. Arduino R3: Vi điều khiển xử lý dữ liệu từ cảm biến, điều khiển bơm.
a. Giới thiệu chung về Arduino
Arduino là một trong những nền tảng phổ biến ở lĩnh vực phát triển các dự án
điện tử và IoT (Internet of Things). Đã được phát triển bởi một nhóm kỹ sư tại Ý,
Arduino cung cấp môi trường lập trình dễ sử dụng cùng với các board phần cứng linh
hoạt, giúp người dùng tạo ra các thiết bị điện tử từ đơn giản đến phức tạp.
Board Arduino thường được tích hợp một vi điều khiển (microcontroller) như
dòng ATmega của Microchip, với các chân kết nối và linh kiện hỗ trợ giúp giao tiếp
cùng với cảm biến, thiết bị điều khiển và các mô-đun mở rộng khác.
Môi trường phát triển Arduino (Arduino IDE) là một phần mềm mã nguồn mở,
giúp lập trình và nạp mã dễ dàng vào board Arduino. Do có cộng đồng hỗ trợ rộng
lớn, người dùng Arduino có thể truy cập vào kho tài nguyên phong phú như thư viện
mã nguồn mở, diễn đàn trao đổi kinh nghiệm và nhiều dự án mẫu.
Với sự linh hoạt và dễ sử dụng, Arduino đã trở thành một công cụ trong các
công cụ hữu ích cho cả người mới bắt đầu và các kỹ sư chuyên nghiệp trong nhiều
lĩnh vực như robotics, tự động hóa và ứng dụng IoT trong đời sống,... 10 lOMoAR cPSD| 45474828
Hình 2. Mô phỏng Arduino Uno R3 trên Tinkercad b. Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản mạch Arduino được sử dụng rộng
rãi nhất. Dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3) và được ứng dụng phổ
biến trong các dự án giáo dục, nghiên cứu và công nghiệp.
Thông số cơ bản của Arduino Uno R3: Vi điều khiển: ATmega328P Xung nhịp: 16 MHz Số chân Digital I/O:
14 (trong đó có 6 chân PWM) Số chân Analog Input: 6 (A0 - A5) Điện áp hoạt động: 5V Điện áp cấp nguồn:
7-12V (thông qua jack nguồn) hoặc 5V (qua cổng USB) Bộ nhớ Flash:
32 KB (trong đó 0.5 KB dùng cho Bootloader) SRAM: 2 KB EEPROM: 1 KB Cổng giao tiếp: USB Type-B Nút reset: Có
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 11 lOMoAR cPSD| 45474828
Arduino Uno R3 sử dụng vi điều khiển ATmega328P với chu kỳ dao động 16
MHz. Vi điều khiển này có 14 chân I/O kỹ thuật số (đánh số từ 0 đến 13), trong đó
có 6 chân hỗ trợ PWM. Ngoài ra, còn có 6 chân analog (A0 - A5) có khả năng đọc
giá trị điện áp từ 0V - 5V với độ phân giải 10-bit.
Trên board Arduino Uno còn có:
Nút reset: Giúp khởi động lại vi điều khiển.
Cổng USB: Dùng để kết nối với máy tính, nạp chương trình và cấp nguồn.
Jack nguồn 2.1mm: Cấp nguồn từ adapter AC-DC hoặc pin.
c. Các chân của Arduino Uno Chân nguồn:
• GND (Ground): Chân nối đất.
• 5V, 3.3V: Cung cấp điện áp cho các mô-đun bên ngoài.
• Vin: Điện áp đầu vào từ nguồn ngoài.
• IOREF, RESET: Điều khiển mức điện áp tham chiếu.
Chân I/O kỹ thuật số (Digital I/O):
• 14 chân Digital I/O có thể được thiết lập làm đầu vào hoặc đầu ra. 6
chân hỗ trợ PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển động cơ, đèn LED, v.v. Chân Analog:
• 6 chân (A0 - A5) có khả năng đo điện áp với độ phân giải 10-bit, sử
dụng trong cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, v.v. d. Lập trình cho Arduino
Arduino sử dụng ngôn ngữ lập trình dựa trên Wiring, một biến thể của C/C++,
giúp lập trình viên dễ dàng viết mã điều khiển phần cứng. Nhờ vào tính đơn giản và
tính linh hoạt, Arduino cho phép người dùng thiết kế và vận hành các dự án điện tử một cách tối ưu.
Lập trình cho Arduino được thực hiện thông qua phần mềm Arduino IDE, hỗ
trợ biên dịch và tải chương trình vào vi điều khiển. Với khả năng mở rộng thông qua
các thư viện và hỗ trợ từ cộng đồng, Arduino trở thành nền tảng lý tưởng để phát triển
các dự án điện tử và IoT.
2.2.2.2. LCD 16x2: Hiển thị thông tin độ ẩm đất, trạng thái bơm nước: 12 lOMoAR cPSD| 45474828
a. Giới thiệu về LCD 16x2
LCD 16x2 là một loại màn hình hiển thị sử dụng công nghệ tinh thể lỏng, có thể
hiển thị 16 ký tự trên 2 hàng. Đây là một trong những loại màn hình phổ biến nhất
trong các hệ thống nhúng, đặc biệt là trong các ứng dụng điều khiển và hiển thị dữ liệu.
Hình 3. Mô phỏng LCD 16x2 trên Tinkercad
b Đặc điểm và thông số kỹ thuật
Số ký tự hiển thị: 16 cột x 2 hàng
Điện áp hoạt động: 4.7V - 5.3V
Giao tiếp: Parallel (4-bit hoặc 8-bit)
Điều khiển: Sử dụng IC HD44780
Đèn nền: LED (điều chỉnh độ sáng qua chân LED+ và LED-)
Số chân kết nối: 16 chân với các chức năng cụ thể Chức năng các chân Chân Chức năng VCC Nguồn cấp (5V) GND Nối đất VO
Điều chỉnh độ tương phản 13 lOMoAR cPSD| 45474828 RS
Chọn chế độ lệnh hoặc dữ liệu RW Chọn chế độ đọc/ghi E (ENA) Xung kích hoạt DB0-DB7
Dữ liệu hiển thị (sử dụng 4-bit hoặc 8-bit) LED+, LED Điều khiển đèn nền
Bảng 2. Bảng chức năng các chân của LCD 16x2
c. Vai trò của LCD 16x2 trong hệ thống tưới cây tự động
LCD 16x2 trong chương trình Arduino trên có nhiệm vụ hiển thị các thông tin quan
trọng về độ ẩm đất và trạng thái hoạt động của hệ thống tưới cây. LCD 16x2 giúp
trực quan hóa dữ liệu cảm biến và trạng thái hệ thống, giúp người dùng giám sát độ
ẩm đất và hoạt động tưới một cách thuận tiện mà không cần kết nối máy tính. Chức
năng của LCD 16x2 trong chương trình:
Hiển thị độ ẩm đất: Cảm biến độ ẩm đất đọc giá trị từ chân A0 và chuyển đổi
thành phần trăm (%), LCD hiển thị độ ẩm theo dòng chữ: Do Am: xx%. Điều
này giúp người dùng dễ dàng theo dõi tình trạng độ ẩm của đất.
Hiển thị trạng thái bơm nước: Dựa trên độ ẩm, hệ thống xác định thời gian
bơm nước (nếu cần), LCD hiển thị: Nếu không cần tưới: "Khong tuoi", nếu
cần tưới: "Bom: xx phut". Do đó: Người dùng có thể biết được hệ thống có
đang tưới nước hay không.
Cập nhật thông tin liên tục: Dữ liệu được làm mới mỗi 2 giây để đảm bảo
người dùng luôn có thông tin mới nhất
2.2.2.3. Breadboard: Dùng để kết nối linh kiện mà không cần hàn.
a. Giới thiệu về Breadboard
Breadboard, còn gọi là bảng mạch thử, là một công cụ quan trọng giúp kỹ sư và
người đam mê điện tử dễ dàng thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa mạch điện mà không
cần hàn. Nó được sử dụng phổ biến trong các dự án với vi điều khiển như Arduino,
ESP8266, ESP32, giúp người dùng dễ dàng kết nối các linh kiện như cảm biến, màn
hình LCD, relay, LED, module điều khiển máy bơm...
Trong các hệ thống nhúng, đặc biệt là hệ thống tưới cây tự động, Breadboard
giúp giảm thiểu thời gian lắp đặt, giúp lập trình viên kiểm tra tín hiệu cảm biến độ 14 lOMoAR cPSD| 45474828
ẩm, hiển thị thông tin lên LCD 16x2, điều khiển bật/tắt bơm nước thông qua relay mà
không cần tạo mạch in cố định.
Hình 4 Mô phỏng Breadboard trên Tinkercad
b. Đặc điểm của Breadboard
Không cần hàn: Các linh kiện có thể cắm và tháo rời dễ dàng, rất thuận tiện cho
việc thử nghiệm và sửa đổi mạch điện. Bố cục tiêu chuẩn:
Hai dãy hàng ngang trên và dưới dành cho cấp nguồn (+VCC và GND).
Các cột dọc ở giữa dùng để kết nối các linh kiện điện tử như điện trở, transistor,
cảm biến, vi điều khiển.
• Tái sử dụng nhiều lần: Do không cần hàn, linh kiện có thể tháo lắp
nhiều lần mà không gây hư hỏng.
• Tương thích tốt với Arduino và các module điện tử như cảm biến độ
ẩm, relay, LED, LCD, motor điều khiển máy bơm.
c. Thông số kỹ thuật của Breadboard
Bảng thông số kỹ thuật của Breadboard 15 lOMoAR cPSD| 45474828 Thông số Giá trị Kích thước phổ biến 170, 400, 830 lỗ cắm Dải điện áp hỗ trợ
3.3V - 5V (tương thích với Arduino) Dòng điện tối đa
Khoảng 1A, phù hợp với các mạch nhỏ Chất liệu
Nhựa ABS, tiếp điểm kim loại bên trong
Bảng 3. Thông số kỹ thuật của Breadboard
Các loại Breadboard phổ biến gồm:
• Mini Breadboard (170 lỗ): Dành cho các mạch đơn giản.
• Medium Breadboard (400 lỗ): Thường dùng với các vi điều khiển như Arduino Uno, ESP32, ESP8266.
• Large Breadboard (830 lỗ): Được sử dụng khi cần kết nối nhiều linh
kiện trong cùng một mạch điện.
d. Trong dự án hệ thống tưới tự động, Breadboard đóng vai trò quan trọng trong việc:
Trong dự án thiết kế, Breadboard đóng vai trò quan trọng giúp kết nối và thử
nghiệm mạch điều khiển trước khi đưa vào sử dụng thực tế. Các vai trò cụ thể gồm:
Kết nối linh kiện dễ dàng
• Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) để đo độ ẩm trong đất.
• Arduino để xử lý dữ liệu và đưa ra quyết định bật/tắt máy bơm.
• LCD 16x2 để hiển thị thông tin về độ ẩm đất, trạng thái máy bơm.
• Relay để điều khiển bật/tắt máy bơm nước.
• LED báo hiệu giúp hiển thị trạng thái tưới nước (đỏ: cần tưới, xanh: không cần tưới).
Dễ dàng kiểm tra và điều chỉnh mạch
• Kiểm tra cảm biến độ ẩm đất hoạt động chính xác chưa.
• Thử nghiệm xem LCD có hiển thị đúng độ ẩm đất hay không. Kiểm
tra relay có đóng/ngắt chính xác để điều khiển bơm nước hay không.
Thử nghiệm thuật toán điều khiển
• Lập trình Arduino để đọc giá trị từ cảm biến độ ẩm. 16 lOMoAR cPSD| 45474828
• So sánh với ngưỡng độ ẩm cài đặt để quyết định tưới hay không tưới.
Hiển thị các thông tin cần thiết lên LCD 16x2 để người dùng dễ theo dõi.
Tiết kiệm chi phí phát triển và thử nghiệm
• Không cần hàn linh kiện, có thể thay đổi và nâng cấp mạch dễ dàng.
Tái sử dụng nhiều lần cho các dự án khác mà không cần mua thêm linh kiện mới.
• Giảm chi phí sản xuất, vì có thể kiểm tra toàn bộ hệ thống trước khi
thiết kế mạch in PCB cố định.
Breadboard là một bảng mạch thử quan trọng giúp kết nối các linh kiện điện tử
mà không cần hàn, rất thích hợp cho các dự án Arduino và hệ thống nhúng.
Breadboard giúp kiểm tra cảm biến độ ẩm đất, điều khiển máy bơm, hiển thị thông
tin trên LCD 16x2 mà không cần thiết kế mạch cố định ngay từ đầu. Nhờ Breadboard,
người dùng có thể dễ dàng thử nghiệm, tinh chỉnh và tối ưu hóa mạch trước khi đưa
vào ứng dụng thực tế. 2.2.2.4. LED a. Giới thiệu về LED
LED (Light Emitting Diode) là đi-ốt phát quang, một loại linh kiện bán dẫn có khả
năng phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua. LED hoạt động dựa trên nguyên lý
của đi-ốt bán dẫn và được ứng dụng rộng rãi trong điện tử, chiếu sáng, hiển thị và
cảnh báo. Trong hệ thống tưới cây tự động, đèn LED được sử dụng để báo hiệu trạng
thái hệ thống, giúp người dùng dễ dàng nhận biết khi nào cần tưới nước và khi nào không cần tưới. 17 lOMoAR cPSD| 45474828
Hình 5.Mô phỏng đèn LED trên Tinkercad
b. Đặc điểm của đèn LED
Tiết kiệm điện: LED tiêu thụ năng lượng rất thấp so với bóng đèn truyền thống.
Tuổi thọ cao: Có thể hoạt động lên đến 50.000 giờ.
Kích thước nhỏ gọn: Dễ dàng tích hợp vào các mạch điện tử.
Phát sáng tức thì: Không cần thời gian chờ khởi động.
Màu sắc đa dạng: LED có nhiều màu như đỏ, xanh lá, xanh dương, vàng,
trắng,... tùy vào chất liệu bán dẫn bên trong.
c. Thông số kỹ thuật của đèn LEDBảng thông số kỹ thuật: Thông số Giá trị Điện áp hoạt động 1.8V - 3.3V (tùy màu) Dòng điện tối đa 20mA Công suất tiêu thụ 0.06W - 0.1W Tuổi thọ trung bình 30.000 - 50.000 giờ Màu sắc phổ biến
Đỏ, Xanh lá, Xanh dương, Vàng, Trắng
Bảng 4. Thông số kỹ thuật của đèn LED
d. Vai trò của đèn LED trong hệ thống tưới cây tự động
Trong hệ thống tưới cây tự động, LED được sử dụng để báo hiệu trạng thái của hệ thống như sau:
LED đỏ (Cảnh báo cần tưới nước) 18 lOMoAR cPSD| 45474828
Khi độ ẩm đất quá thấp (dưới 25%), hệ thống sẽ bật LED đỏ để báo hiệu rằng
đất đang khô và cần tưới nước. LED đỏ giúp người dùng biết rằng máy bơm đang hoạt động.
LED xanh (Báo hiệu đủ độ ẩm, không cần tưới)
Khi độ ẩm đất cao hơn ngưỡng cài đặt (trên 25%), LED xanh sáng lên để báo
hiệu rằng đất đủ ẩm, không cần tưới thêm. Hệ thống tự động ngắt máy bơm khi LED xanh sáng.
Giúp kiểm tra trạng thái hoạt động của hệ thống
Nếu không có LED nào sáng, có thể hệ thống gặp lỗi hoặc chưa được cấp nguồn.
Nếu LED đỏ nhấp nháy liên tục, có thể hệ thống đang thực hiện quá trình tưới
nước hoặc cảm biến độ ẩm gặp sự cố.
2.2.2.5. Resistor (Điện trở): Hạn dòng cho LED, bảo vệ các linh kiện khác.
a. Giới thiệu điện trở (Resistor)
Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử được sử dụng để giới hạn dòng điện
trong mạch. Nó là một thành phần thụ động, không tạo ra năng lượng mà chỉ tiêu thụ
một phần điện năng dưới dạng nhiệt. Điện trở hoạt động theo định luật Ohm, được
biểu diễn bằng công thức: V=I×R Trong đó:
V là hiệu điện thế (đơn vị: V - Vôn).
I là cường độ dòng điện (đơn vị: A - Ampe).
R là trị số điện trở (đơn vị: Ω - Ohm).
Trong hệ thống tưới cây tự động, điện trở được sử dụng để bảo vệ LED, cảm biến, vi
điều khiển (Arduino) và các linh kiện khác bằng cách giới hạn dòng điện, giúp chúng
hoạt động ổn định và không bị hư hỏng do dòng điện quá lớn. 19