Đề tài Thiết kế hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino

i cho vi điều khiển. Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế, nhất là đối với những người mới bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử. Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ sử dụng tương thích với ngôn ngữ C/C++ và hệ thống thư viện rất phong phú và được chia sẻ miễn phí. Chính vì những lý do như vậy nên Arduino hiện đang dần phổ biến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ trên toàn thế giới...Trong đề tài này, em sẽ thiết kế một hệ thống tưới cây tự động được xây dựng với trung tâm là Arduino UNO R3 (một trong các loại Board Arduino), chi phí thấp, thiết kế đơn giản, có ứng dụng rộng rải từ mô hình nhỏ đơn giản đến mô hình lớn phức tạp. LỜI CẢM ƠN Qua đồ án này, nhóm em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa đã giúp đỡ cho chúng em trong quá trình hoàn thành đồ án. Giúp chúng em hiểu rõ hơn về mạch Arduino, cách thiết kế mạch, chạy code hay biết được nhiều ứng dụng hay của mạch Arduino. Ngoài ra, nhờ thầy hướng dẫn nên chúng em cũng đã hoàn thành mạch in, hiểu được một quá trình làm một mạch in với các công đoạn thiết kế, làm mạch, khoan và hàn các linh kiện. Qua đó giúp chúng em tiến bộ hơn và đã có bước đầu hiểu hơn về các mạch điện tử. Thông qua đồ án, chúng em đã tích lũy và học được một ít kinh nghiệm thực tế rất có ít cho việc học tập và công việc của chúng em sau này. Bên cạnh đó còn có nhiều mặt hạn chế do lần đầu tiếp xúc với linh kiện điện tử thực tế và còn do kỹ năng yếu kém nên dẫn đến sản phẩm còn nhiều khuyết điểm, mông thầy sẽ thông cảm và bỏ qua cho chúng em. Một lần nửa tụi em xin cảm ơn thầy Hoàng Đăng Khoa đã giúp đở nhóm em hoàng thành đồ án này. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC 1 MỤC LỤC HÌNH ẢNH 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Đặt vấn đề 4 1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài 4 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1. Arduino UNO R3 5 2.1.1. Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3 6 2.1.2. Vi điều khiển 6 2.1.3. Các chân của Arduino 6 2.1.4. Lập trình cho Arduino 7 2.2. Cảm biến độ ẩm và module chuyển đổi 7 2.2.1. Cảm biến độ ẩm 7 2.2.2. Module chuyển đổi 7 2.3. Module 5VDC 2 kênh 9 2.4. Động cơ bơm 12V 10 2.5. Điện trở 220Ω và Led 11 2.6. Bộ nguồn nhiều ngõ ra 12 CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1. Phần mềm mô phỏng Proteus 13 3.2. Thư viện Arduino cho Proteus 14 3.3. Arduino IDE và lập trình cho Arduino 14 3.4. Mô phỏng hệ thống 15 3.4.1 Mô phỏng mạch nguyên lý trên Proteus 16 3.4.2 Nguyên lý hoạt động 16 3.4.3 Viết code chương trình cho Arduino 16 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH 4.1. Thiết kế mạch in 21 4.2. Thi công mạch 21 CHƯƠNG 5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 5.1. Nhận xét 23 5.2. Kết luận 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1. Hình dáng bên ngoài của Arduino 5 Hình 2. Thông số cơ bản của Arduino 6 Hình 3. Cảm biến độ ẩm 7 Hình 4. Module chuyển đổi 7 Hình 5. Module relay 5VDC 2 kênh 9 Hình 6. Động cơ bơm 12V 10 Hình 7. Điện trở 220Ω 11 Hình 8. Led 11 Hình 9. Bộ nguồn nhiều ngõ ra 12 Hình 10. Giao diện phần mềm Proteus 8.7 13 Hình 11. Các linh kiện trong thư viện Arduino cho Proteus 14 Hình 12. Giao diện phần mềm Arduino IDE 15 Hình 13. Mạch nguyên lý vẽ trên Proteus 16 Hình 14. Viết code bằng Arduino IDE 16 Hình 15. Sơ đồ mạch in trên Proteus 21 Hình 16. Mạch thực tế sau khi hoàn thành 22 Hình 17. Mô hình thực tế sau khi lắp đặt 22 CHƯƠNG 1. TỔNG QUANG VỀ ĐỀ TÀI ĐẶT VẤN ĐỀ Thực tế trong cuộc sống ngày càng bận rộn, nhiều người vẫn có thú vui là trồng những cây cảnh, vườn rau trong không gian trống của nhà mình như sân thượng, ban công. Tuy nhiên, trong những lúc bạn bận các công việc hằng ngày thì những cây cảnh và vườn hoa ở nhà sẽ không được ai tưới nước. Ngoài phương pháp tưới cây phổ thông, chúng ta có thể tạo ra những hệ thống tưới cây tự động đơn giản cho khu vườn nhỏ của mình thậm chí có thể mở rộng hệ thống tưới cây cho cả một khu vườn lớn. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Mục tiêu của đồ án là thiết kế một hệ thống tưới cây tự động đơn giản với nguyên lý là thông qua cảm biến độ ẩm của đất để truyền tín hiệu cho hệ thống để biết lúc nào nên vận hành động cơ bơm nước cho khu vườn. Tất cả mọi việc đều tự động diễn ra trong quá trình cài đặt sẵn và qua các cảm biến để điều tiết việc tưới cây hợp lí trong mọi thời tiết. Với mô hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế nên có thể áp dụng rộng rải vào cuộc sống thực tế của chúng ta. CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH ARDUINO UNO R3 Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thì trường thế giới trong nhiều năm qua với số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông đến bậc đại học. Arduino UNO R3 là một trong những mạch Arduino được sữ dụng phổ biến nhất. Hiện nay, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3). Hình 1: Hình dáng bên ngoài Arduino Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3 Hình 2: Thông số cơ bản của Arduino Vi điều khiển. Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz. Với vi điều khiển này, ta có 14 ngỏ ra/vào được đánh số từ 0 đến 13. Song song đó, ta có thêm 6 ngỏ nhậ tín hiệu analog được đánh ký hiệu từ A0 đến A5. Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn. Các chân của Arduino. Các chân năng lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input), IOREF, RESET. Các cổng ra/vào: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu và 6 chân analog (A0 - A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit, để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V - 5V. Lập trình cho Arduino. Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Có người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++ và tên gọi phổ biến nhất là ngôn ngữ Arduino. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học và từ việc lập trình ta có thể thiết kế mạch theo ý muốn của mình và vận hành một cách hiệu quả và tối ưu nhất. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT VÀ MODULE CHUYỂN ĐỔI. Cảm biến độ ẩm đất. Hình 3. Cảm biến độ ẩm đất Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi. Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi. Module chuyển đổi. Hình 4. Module chuyển đổi Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở, 4 điện trở dán 100 Ohm và 2 tụ dán. Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến. Đặc điểm: Điện áp hoạt động: 3.3V-5V Kích thước PCB: 3cm × 1.6cm Led báo hiệu Led đỏ báo nguồn Led xanh báo mức độ ẩm ở pin DO Mô tả các pin trên module Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm 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 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, có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất. MODULE RELAY 5VDC 2 KÊNH Hình 5. Module relay 5VDC 2 kênh Relay 2 Kênh gồm 2 rơ le hoạt động tại điện áp 5VDC, chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC 10A. Relay 2 kênh được thiết kế chắc chắn, khả năng cách điện tốt. Trên module đã có sẵn mạch kích relay sử dụng transistor và IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với relay, bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định. Mạch relay 2 kênh sử dụng chân kích mức thấp (0V), mức cao (5V) tùy thuộc vào chọn Jumper. Ứng dụng với relay module khá nhiều bao gồm cả điện DC hay AC. Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 5VDC. Tín hiệu kích: High (5V) hoặc Low (0V) chọn bằng Jumper. Nguồn cấp: 5VDC. Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A Kích thước: 52mm × 41mm × 19mm. Điện áp hoạt động: 5VDC Có thể sử dụng relay để điều khiển các thiết bị có công suất 30VDC-10A hoặc 250VAC-10A Điện áp kích mức thấp ĐỘNG CƠ BƠM 12V Hình 6. Động cơ bơm 12V Thông số kỹ thuật: Máy bơm có điện áp: DC 12V Dòng tiêu thụ: 0.6-2A Công suất: 5-12W Lưu lượng bơm: 1-2 lít/phút Kích thước: 90×40×35 mm. ĐIỆN TRỞ 220Ω VÀ LED Điện trở 220V Hình 7. Điện trở 220Ω Led: Led hoạt động ở mức 1,8 đến 3V, dòng 10 đến 20mA. Hình 8. Led BỘ NGUỒN NHIỀU NGÕ RA Hình 9. Bộ nguồn nhiều ngõ ra Thông số kỹ thuật: Điện áp ngõ vào: AC 220V Điện áp ngõ ra: DC 3.3V, 5V, 9V, 12V Cường độ dòng điện: 1A Sử dụng nguồn DC 9V cấp cho Arduino UNO R3 qua jack cắm, sử dụng nguồn DC 12V cấp cho động cơ bơm. CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR,... Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Labcenter Electronic, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola. Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để vẽ mạch in. Proteus là phần mềm mô phỏng cho các loại vi điều khiển khá tốt, hỗ trợ các dòng vi điều khiển PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11,... các giao tiếp I2C, SPI, CAN, USB, Ethenet,... ngoài ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả. Hình 10. Giao diện phần mềm Proteus 8.7 3.2 THƯ VIỆN ARDUINO TRONG PROTEUS Thư viện Arduino là một bổ sung rất hay cho phần mềm Proteus, nó giúp cho việc mô phỏng Arduino được thuận tiện và dễ dàng hơn thay vì chỉ mô phỏng được chip Atmega328 (nhân của Arduino), thư viện này được phát triển bởi các kỹ sư Cesar, Osaka, Daniel Cezar, Roberto Bauer và được đăng tải trên blog tiếng Bồ Đào Nha Thư viện bao gồm các linh kiện sau: Arduino UNO (Phiên bản chip Atmega328 chân DIP) Arduino UNO (Phiên bản chip Atmega328 chân SMD) Arduino mega Arduino Lilypad Arduino Nano Cảm biến siêu âm Ultrasonic V2 Hình 11. Các linh kiện trong thư viện Arduino cho Proteus 3.3 ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm. Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Và quan trọng hơn là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẽ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn. Hình 12. Giao diện phần mềm Arduino IDE Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino. Môi trường lập trình cho Arduino là IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX là Linux. Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miển phí và có thể mở rộng bởi người dùng có kinh nghiệm Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++. Và ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng của ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thê code viết bằng AVR vào chương trình nếu muốn. Hiện tại, Arduino IDE có thể download từ trang chủ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG Mô phỏng mạch nguyên lý trên Proteus Hình 13. Mạch nguyên lý vẽ trên Proteus Nguyên lý hoạt động: Giá trị độ ẩm của đất được nhận biết qua cảm biến độ ẩm và đưa về bộ điều khiển là Arduino UNO R3 bằng tín hiệu Digital. Khi đất không đủ độ ẩm giá trị tín hiệu gởi về là 0, bộ điều khiển đưa tín hiệu cho đóng Rờ le và động cơ máy bơm bắt đầu hoạt động bơm nước tưới vào chậu. Khi đã đủ nước, độ ẩm cao, cảm biến sẽ gởi về tín hiệu có giá trị là 1, bộ điều khiển đưa tín hiệu ngắt rờ le, máy bơm dừng hoạt động. Led đỏ có tác dụng báo hiệu độ ẩm thấp, chậu cây đang thiếu nước. Led xanh có tác dụng báo hiệu độ ẩm cao, chậu cây đã đủ nước. Led vàng có tác dụng báo hiệu trạng thái hoạt động và dừng của máy bơm. Viết code chương trình cho Arduino Khởi động phần mềm Arduino IDE và soạn code. Sau khi lập trình xong, nhấn để biên dịch code sau vài giây phần mềm sẽ biên dịch cho ta 1 file hex của chương trình Hình 14. Viết code bằng Arduino IDE Sau khi tạo được file hex t nạp file vào linh kiện Arduino trong proteus để chạy mô phỏng hệ thống. Mã code của hệ thống: /** * Automatic Watering using Arduino * Cao Hieu 2016 */ int const SENSOR_MH_D_PIN = 4; int const SENSOR_MH_A_PIN = A0; int const T_RELAY_PIN = 2; int const TIME_TO_GET_SAMPLE = 5000; //5s int const SAMPLE_TIME = 500; //0.5 s int const LED_PIN = 13; int const LED_BLUE_PIN = 10; int const LED_YEWLOW_PIN = 9; int const LED_RED_PIN = 8; int const TREE_WATER_LEVEL_HIGH = 600; int const TREE_WATER_LEVEL_LOW = 300; int sensorMHValue = 0;//store sensor value int bumpStatus = 0; int waterStatus = 0;// -1: less water, 0: enough water, +1 : more water void setup() { //serial print // Serial.begin(9600); pinMode(SENSOR_MH_D_PIN,INPUT); pinMode(T_RELAY_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_BLUE_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_YEWLOW_PIN, OUTPUT); pinMode(LED_RED_PIN, OUTPUT); } void loop() { // process and checking to watering wateringProcess(); // Send information to serial port //printToSerialPort(); //show the led status showLedInfo(); } void wateringProcess(){ int sensorStatus = digitalRead(SENSOR_MH_D_PIN); int sensorValue = getSensorSampleValue(); if(sensorStatus == 0){ if(sensorValue > TREE_WATER_LEVEL_HIGH){ digitalWrite(T_RELAY_PIN, HIGH); bumpStatus = 1; waterStatus = -1; }else if(sensorValue < TREE_WATER_LEVEL_LOW){ digitalWrite(T_RELAY_PIN, LOW); bumpStatus = 0; waterStatus = +1; }else{ digitalWrite(T_RELAY_PIN, LOW); bumpStatus = 0; waterStatus = 0; } }else{ digitalWrite(T_RELAY_PIN, HIGH); bumpStatus = 1; waterStatus = -1; } } int getSensorSampleValue(){ int value = 0; int t = TIME_TO_GET_SAMPLE/ SAMPLE_TIME; int total = 0; for(int i =0; i < t ; i++){ total += analogRead(SENSOR_MH_A_PIN); delay(t); } return total / t; } void printToSerialPort(){ Serial.print("Bumper enable: "); Serial.println(bumpStatus); Serial.print("Sensor value: "); Serial.println(sensorMHValue); } void showLedInfo(){ if(bumpStatus == 1){ digitalWrite(LED_YEWLOW_PIN, HIGH); }else{ digitalWrite(LED_YEWLOW_PIN, LOW); } if(waterStatus == 0){ digitalWrite(LED_RED_PIN, LOW); digitalWrite(LED_BLUE_PIN, HIGH); }else{ digitalWrite(LED_RED_PIN, HIGH); digitalWrite(LED_BLUE_PIN,LOW); } } . CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH 4.1 Thiết kế mạch in Từ sơ đồ nguyên lý đã thiết kế trong phần mô phỏng trên Proteus, ta mở sang phần ARES để vẽ mạch in cho hệ thống Hình 15. Sơ đồ mạch in trên Proteus Thông số mạch in: Đường mạch điều khiển: T50 Đường mạch động lực động cơ AC: T100 Đường mạch động lực động cơ DC: T60 4.2 Thi công mạch Sau khi thi công mạch in, ta tiến hàn các linh kiện vào mạch. Sau đó, kết nối nguồn DC 12V vào domino cấp cho động cơ DC và cấp nguồn DC 9V cho vi điều khiển Arduino qua jack cắm. Lắp hộp mica để bảo vệ mạch. Hình 16. Mạch thực tế sau khi hoàn thành Sau khi hoàn thành mạch ta tiến hành lắp đặt mô hình thực tế trên taplo với động cơ bơm nước 12VDC 12W. Hình 17. Mô hình thực tế sau khi lắp đặt CHƯƠNG 5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 5.1 Nhận xét Hệ thống sau khi hoành thành có thể sử dụng cho động cơ bơm DC và AC. Công suất tối đa của máy bơm có thể dùng cho mạch là 12W đối với máy bơm DC và 350W đối với máy bơm AC. Ưu điểm: Mạch gọn nhẹ, đơn giản, sử dụng các linh kiện có chi phí thấp, dễ lắp đặt và sửa chữa. Có tính ứng dụng cao trong thực tế Nhược điểm: Mạch còn sơ sài, dễ hư hỏng, chỉ sử dụng được cho tối đa 2 máy bơm cùng lúc. 5.2 Kết luận Hệ thống sau khi chạy thực tế và nhiều lần khắc phục đã hoạt động ổn định, đáp ứng đúng với yêu cầu của đồ án. Với những ưu và nhược điểm đã nêu trên, ta có thể nâng cấp mạch để nâng cao độ bền và hiệu suất cho hệ thống. Hệ thống có thể được mở rộng và phát triễn rộng rãi hơn như áp dụng cho các mô hình trồng rau, cây, hoa cảnh trong hộ gia đình hoặc những trang trại có quy mộ sản xuất trên diện rộng. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Massimo Banzi (2009), Getting Started with Arduino, O’Reilly Media. 2. Michael Margollis and Nicholas Weldin (2009), Arduino Cookbook, O’Reilly Media. 3. GS. Phạm Văn Ất (2009), Kĩ thuật lập trình C cơ sở và nâng cao, Nhà xuất bản Giao thông vân tải. 4. 5. 6. 7.