Chương I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 1. Khái niệm về hệ thống tự động Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống bao gồm các phần tử tự động nhằm điều khiển các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, cuộc sống mà không có sự tham gia trực tiếp của cong người. Hệ thống điều khiển tự động: là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chi huy, tự hiệu chỉnh hoặc điều khiển một hệ thống khác.
Hệ thống điều khiển tự động xuất hiện ngày nay rất phổ biến. - Hệ thống điều hòa không khí. - Hệ thống điều chỉnh độ ẩm. - Hệ thống tự báo cháy v.
Trong môi trường sản xuất: - Các máy tự động. - Các đường dây sản xuất, lắp ráp. - Các máy điều khiển theo chương trình, Máy tính , Robot v.2 Vai trò của tự đông hóa trong sản xuất Nền sản xuấ hiện đại hiện nay là thành quả của quá trình cơ giới hóa và điện khí hóa công cụ lao động và phương tiện lao đông. Mỗi khi có những đột phá mới trong lĩnh vực vật liệu hay điện tử và IT thì công nghệ tự động hóa lại có cơ hội phát triển mạnh mẽ, đem lại những giá trị thiết thực cho xã hội.
Tự động hóa là yếu tố then chốt cho sự phát trỉển của nền sản xuất hiện đại. Trong thực tiễn, khi tự đông hóa được áp dụng trong quá trình sản xuất sẽ mang lại lợi ích lớn hơn nhiều lần so với việc sử dụng lao động thủ công. Khi quá trình sản xuất được vận hành tự động thì không chỉ năng suất lao động tăng cao, chi phí nhân công được cắt giảm mà còn giúp nâng cao trình độ của người lao động… Từ đó sẽ tăng khả năng cạnh trạnh của doanh nghiệp cũng như cá nhân, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao hiện nay.3 Ứng dụng của tự động trong hệ thống tưới cây 3 Nền nông nghiệp lạc hậu yêu cầu một số lượng lớn người lao động trong quá trình sản xuất mà năng suất vẫn không đáp ứng được cả chất lượng cũng như năng suất, sản lượng. Ứng dụng tự động vào trong quá trình sản xuất sẽ giúp giảm bớt sức người, nâng cao giá trị sản phẩm,.
Mặc dù hiện nay tự động hóa đã được ứng dụng từ lâu cho viêc tưới tiêu song nó chỉ phổ biến ở các nước phát triển, còn đối với các nước đang phát triển hay các nước kém phát triển tuy nông nghiệp chiếm tỉ trọng lớn nhưng việc ứng dụng tự động hóa trong việc tưới cây còn chưa được phổ biến. Hiên nay để đáp ứng được nhu cầu từ thực tiễn thì tự động hóa đã và đang được mở rộng dần dần quy trong đời sống hiện nay. Ngày nay với những thành tựu to lớn của khoa học công nghệ thì tự động hóa đã có thể được áp dụng hầu hết trên mọi lĩnh vực. Có thể nói tự động hóa đã trở thành xu thế tất yếu cho mọi quốc gia hiện nay.
CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Hệ thống được thiết kế gồm 7 khối: Khối thu gồm cảm biến nhiệt độ LM 35, cảm biến độ ẩm đất Nguồn Khối xử lý trung tâm sử dụng Kit Arduino Leonardo Khối hiển thị: Màn hình LCD 2004 I2C Khối điều khiển thiết bị sử dụng :Relay 5VDC Khối thời gian thực (hẹn giờ) :DS1307 Cơ cấu chấp hành: máy bơm chìm mini Sơ đồ khối của mạch Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống -Chức năng của từng khối: Khối xử lý trung tâm : Kit Adruino Leonardo điều khiển toàn bộ hoạt động của mạch là nhận dự liệu giải mã tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm. Sau đó hiển thị trên màn LCD và đưa tín hiệu điều khiển bật/tắt thiết bị. Khối hiển thị: Là màn hình LCD 4 dòng 20 kí tự thể hiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường đất, thời gian thực. Khối điều khiển thiết bị : để đóng ngắt mạch của thiết bị và nhận tín hiệu tù Kit Adruino Leonardo.
5 Khối thời gian thực: DS1307 là một IC thời gian thực với nguồn cung cấp nhỏ, dùng để cập nhật thời gian và ngày tháng. Nguồn: Cung cấp năng lượng cho hệ thống Khối thu: đo tín hiệu độ ẩm , nhiệt độ Cơ cấu chấp hành : Bơm nước để tưới cây 2. Kit Adrunio Leonardo 2.1 Sơ đồ chân của Adruino Leornardo Hình 2.2 Sơ đồ chân của Adruino Leonardo 2. Thông số của Adruino Leonardo Sơ đồ chân của Adruino Leonardo được thể hiện ở hình 2.2 với các đặc điểm cơ bản như sau: 6 Vi điều khiển ATmega32u4 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ ở các chân I/O 40mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC Số chân Digital I/O 14 (7 chân PWM) 12 (các chân PWM có thể dùng như Số chân Analog chân Analog bình thường - nghĩa là có thể dùng Analog read) (độ phân giải 10bit Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega32u4) với 4KB dùng bởi bootloader SRAM 2.5 KB (ATmega32u4) EEPROM 1 KB (ATmega32u4) Kích thước 68.Cảm biến đo độ ẩm đất -Hình dáng và thông số cơ bản Hình 2.3 Cảm biến đo độ ẩm 7 - Cảm biến đo độ ẩm của đất có 4 chân với kết nối như sau Cảm biến độ ẩm đất Arduino UNO Vcc 5V GND GND D0 2 A0 A0 -Nguyên lý hoạt động Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến trở.
Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao.3 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 2.4 cảm biến nhiệt độ LM35 - Các thông số cơ bản: Điện áp hoạt động: 4~20VDC Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA Khoảng đo: -55°C đến 150°C Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C Sai số: 0.25°C Kiểu chân: TO92 8 Kích thước: 4.3mm -Nguyên lý hoạt động: Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chân VOUT (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa, bạn sẽ có được nhiệt độ (0-100ºC) tương ứng với điện áp đo được.Module thời gian thực DS1307 DS1307 là chip thời gian thực hay RTC( Read time clock). Đây là một IC tích hợp cho thời gian bởi vì tính chính xác về thời gian tuyệt đối cho thời gian: Thứ ngày, tháng , năm, giờ , phút giây.5 Module DS1307 Sơ đồ chân DS1307 -Hình ảnh sau đây cho thấy hình dạng và sơ đồ chân của IC RTC DS1307. Để giảm công suất tiêu thụ, số lượng chân trên IC phải giảm.
Do đó, DS1307 RTC sử dụng Giao tiếp I2C.6 Sơ đồ chân DS1307 9 Chức năng các chân của module DS1307 Châ Tên Chức năng n 1 X1 Đây là các chân kết nối với thạch anh tần số 32.768 KHz để kích hoạt bộ dao động nội. 2 X2 Chân này được kết với cực dương pin Lithium 3V để cấp nguồn 3 VBAT nuôi dự phòng 4 GND Chân nối đất Chân dữ liệu nối tiếp (Serial Data). Đây là chân dữ liệu vào/ra của 5 SDA giao thức I2C. Chân này cần đưa lên nguồn 5V thông qua điện trở 10kΩ Chân đầu vào xung đồng hồ nối tiếp (Serial Clock).
Đây là chân 6 SCL ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C. Chân này cũng phải được kéo đến 5V thông qua một điện trở 10kΩ. Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 7 SQW/OUT 1Hz, 4Khz, 8Khz, 32Khz. Nếu không được sử dụng, chân này có thể được thả nổi.
Chân cấp nguồn chính, khoảng 5VDC. Nếu VCC không có mà 8 VCC VBAT có thì DS1307 vẫn hoạt động bình thường nhưng không ghi và đọc được dữ liệu. Ghép nối DS1307 với vi điều khiển Việc ghép nối nó với điều khiển khá đơn giản , cần xác định chân nào trên vi xử lý có SCL và SDA để nối với DS1307.Màn hình LCD20x04 I2C Màn hình LCD 2004 là màn hình 4 dòng, mỗi dòng hiển thị 20 ký tự. Màn hình Màn hình LCD 2004 được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng: máy photo, máy fax, máy in laser, các thiết bị công nghiệp, thiết bị mạng như router, thiết bị lưu trữ.
Với việc kết hợp Màn hình LCD 2004 + Module I2C giúp tiếp kiệm chân trong giao tiếp LCD2004 với Arduino, Raspberry (chỉ 4 pin). Bên cạnh đó sử dụng màn hình LCD2004 tích hợp I2C mang lại tiện lợi khi sử dụng Hình 2.7 Module LCD 20x04 I2C Thông số kỹ thuật màn hình LCD 2004 : Dạng hiển thị: 4 dòng, mỗi dòng 20 ký tự Dạng hiển thị: ký tự Màu đèn nền: Màu xanh dương Góc quan sát rộng với độ tương phản cao Bên trong tích hợp chip HD44780 cho điều khiển LCD Điện áp hoạt động: 5V DC. Kích thước Module: 98mm x 60mm x 12mm. Sơ đồ nguyên lý Kết nối chân GND với chân Arduino GND, VCC với chân 5V trên Arduino, SDA với chân A4, và cuối cùng là SCL với chân A5.Relay 5V Rơ-le là một công tắc (khóa K).
Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ- le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Relay 5V kích ở mức thấp Khối điều khiển thiết bị điện sử dụng Relay để đóng/ ngắt mạch điện khối công suất này nhận lệnh điều khiển từ vi điều khiển. ( Sử dụng điện áp thấp đống mở điện áp cao ) 12 -Các thông số cơ bản Thông số Giá trị Điện áp tải tối đa AC 250V-10A / DC 30V-10A Điện áp điều khiển 5 VDC Dòng kích Relay 5mA Trạng thái kích Mức thấp (0V) Đường kính Lỗ ốc 3.1 mm Kích thước 50 * 26 * 18.Máy bơm chìm mini Máy bơm chìm ngang mini 3V-6V bơm ngang được ứng dụng bơm mini công suất nhỏ, phù hợp để tưới cây trong nhà, trong bể cá, hòn non bộ, chế bình rót rượu tự động… Hinh 2.10 Máy bơm chìm mini Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động: 3VDC – 5VDC. Dòng hoạt động: 100-200mA.
Trọng lượng: 28 gram Chiều dài dây dẫn: 10 -15 cm. 13 Nguyên lý hoạt động của máy bơm chìm : Máy bơm chìm đẩy nước lên bề mặt bằng cách biến lực đẩy ly tâm từ các bánh công tác thành động lực tạo ra năng lượng áp suất.