BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn học KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRONG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài Hệ thống tưới cây tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN CƠ KHÍ ------ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn học: KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRONG CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Hệ thống tưới cây tự động Giảng viên hướng dẫn: TS.. Khái ni

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ - -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn học: KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRONG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Hệ thống tưới cây tự động

Giảng viên hướng dẫn: TS Dương Văn Lạc

MỤC LỤC

Mục lục 1

Tóm tắt sản phẩm 2

Chương I: Tổng quan về hệ thống tưới cây tự động 3

Chương II: Các phần tử của mạch điều khiển hệ thống tưới cây tự động 5

2.1.Mạch điều khiển: Kit Arduino Leonardo 6

2.2.Cảm biến độ ẩm đất 7

2.3.Cảm biến nhiệt độ LM35 8

2.4.Module thời gian thực(DS1307) 9

2.5.Màn hình LCD 20x04(I2C) 11

2.6.Rơ-le(5VDC) 12

2.7.Máy bơm chìm mini 13

2.8 Nguồn 14

Chương III: Thiết kế hệ thống tưới cây 15

3.1 Sơ đồ nối mạch 15

3.2 Sơ đồ thuật toán 22

Chương IV.Lập trình 23

4.1.Code Adruino 23

4.2.Code chương trình điều khiển 30

Chương V:Kết luận 49

Tài liệu tham khảo 50

Tóm tắt sản phẩm

1.Tên sản phẩm :Máy tưới cây tự động

2.Chức năng

- Đảm bảo cung cấp đây đủ nước cho cây trồng cũng như theo dõi được nhiệt độ ,

độ ẩm của môt trường đất

3.Các linh kiện cấu thành:

 Kít Adruino Leonardo

 Module thời gian thực DS1307

 Relay 5v đóng ngắt thiết bị

 Màn hình LCD 20x04 I2C

 Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến độ ẩm đất

 Máy bơm chìm mini

 3 viên pin 1.5V

 Các dây kết nối

Chương I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG

1.1 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.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.v

1.2 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.

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.

CHƯƠNG 2 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 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

2.1 Kit Adrunio Leonardo

2.1.1 Sơ đồ chân của Adruino Leornardo

Hình 2.2 Sơ đồ chân của Adruino Leonardo

2.1.2 Thông số của Adruino Leonardo

Vi điều khiển ATmega32u4 (họ 8bit)

Dòng tiêu thụ ở các chân I/O 40mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Số chân Digital I/O 14 (7 chân PWM)

Số chân Analog 12 (các chân PWM có thể dùng như 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

- Cảm biến đo độ ẩm của đất có 4 chân với kết nối như sau

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.

Kích thước: 4.3 × 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.

2.4.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.

Hình 2.5 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.

Chức năng các chân của module DS1307

Châ

1 X1 Đây là các chân kết nối với thạch anh tần số 32.768 KHz để kích

hoạt bộ dao động nội

6 SCL Chân đầu vào xung đồng hồ nối tiếp (Serial Clock) Đây là chân ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C Chân này cũng phải được

kéo đến 5V thông qua một điện trở 10kΩ.

7 SQW/OUT Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 1Hz, 4Khz, 8Khz, 32Khz Nếu không được sử dụng, chân này có

2.5.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

Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lý

2.6.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.

Hình 2.9 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 )

Kích thước 50 * 26 * 18.5 mm

2.7.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

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 Điều này được thực hiện khi nước được tràn vào bơm: Đầu tiên nước đi vào thông qua của hút, tràn đến buồng bơm nơi các cánh quạt đẩy nước thông qua bộ khuếch tán Từ đó, nước được đẩy lên bề mặt.

Hình 2.11 Minh họa nguyên lý làm viêc

của máy bơm chìm mini

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI CÂY 3.1 Sơ đồ nối mạch và cách nối dây

-Sơ đồ tổng thể:

Hình 2.13 Sơ đồ nối mạch

Hình 2.14 Cách nối dây của cảm biến

đo độ ẩm đất với vi điều khiển

-Cảm biến nhiệt độ LM35 và Adruino

Máy bơm chìm mini

3.2 Sơ đồ thuật toán

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH 4.1 Code ardunio

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#include "RTClib.h"

#define pin_analog A0 //Khai báo cảm biến độ ẩm đất tại chân A0

#define pin_relay 12 //Khai báo relay tắt bật máy bơm tại chân 12

RTC_DS1307 rtc; //Module thời gian thực rtc2307

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4); //Màn hình LCD2004

int sensorPin = A1; //Khai báo cảm biến nhiệt độ tại chân A1

int state1 = 0, state = 0, relay = 0, auto1 = 1; //Biết lưu các lệnh và trường hợp để chạy chương trình long time_now = 0; //Biến thời gian chạy

int do_am_dat, reading; //Biết độ ẩm đất và biến đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ

float voltage, nhiet_do; //Biến nhiệt độ và biến để tính toán chỉ số nhiệt độ

int y, mt, d, h, m, s; //Biến lưu dữ liệu thời gian thực đọc từ module ds1307

int y1 = 0, mt1 = 0, d1 = 0, h1 = 0, m1 = 0, s1 = 0; //Biến lưu thời gian tưới cây lần gần nhất

double TG1 = 7, TG2 = 17, ND1 = 21, ND2 = 27; //Chỉ số điều kiện tưới cây trong chế độ tự động

void setup() {

Serial.begin(9600); //Khởi động Serial 9600

pinMode (pin_analog, INPUT); //Khai báo cổng ra cảm biến độ ẩm đất

pinMode (pin_relay, OUTPUT); //Khai báo cổng vào điều khiển relay

//lcd.init(); //Khởi động màn LCD

//lcd.backlight(); //Bật đèn màn LCD

if (! rtc.begin()) { //Kiểm tra xem rtc đã bật chưa

//lcd.setCursor(0,0);

SetCase(); //Chạy các trường hợp đã cài

Change(); //Thay đổi điều kiệu tưới cây trong trường hợp tưới tự động

CheckAuto(); //Kiểm tra chế độ chạy thủ công hay tự động

do_am_dat = analogRead(pin_analog); //Đọc chân A0

reading = analogRead(sensorPin); //Đọc chân A1

DateTime now = rtc.now(); //Đọc thời gian từ module ds1307

y = now.year(); //Đọc năm

mt = now.month(); //Đọc tháng

d = now.day(); //Đọc ngày

h = now.hour(); //Đọc giờ

nhiet_do = voltage * 100.0; //Tính toán nhiệt độ qua vol }

void lcdPrint() //Hàm in lên màn hình LCD2004

{

lcd.clear(); //Xóa màn hình

lcd.setCursor(0,0); //In thời gian hiện tại lên màn LCD

if (h<=9) { lcd.print("0"); lcd.print(h, DEC);}

else lcd.print(h, DEC);

lcd.print(':');

if (m<=9) { lcd.print("0"); lcd.print(m, DEC);} else lcd.print(m, DEC);

lcd.print(':');

if (s<=9) { lcd.print("0"); lcd.print(s, DEC);}

else lcd.print(s, DEC);

lcd.print('-');

if (d<=9) { lcd.print("0"); lcd.print(d, DEC);}

else lcd.print(d, DEC);

else lcd.print("Dat am");

else {digitalWrite(pin_relay,HIGH); relay = 0;}

} else {digitalWrite(pin_relay,HIGH); relay = 0;}

} else {digitalWrite(pin_relay,HIGH); relay = 0;}

char temp = Serial.read(); //temp nhận lệnh từ phần mềm

if(temp == '0') state = 0; //Xét temp và đặt cho biến state

if(temp == 'h') state1 = 8;

if(temp == 'i') state1 = 9;

if(temp == 'j') auto1 = 0; //Xét temp và đặt cho biến auto1

if(temp == 'k') auto1 = 1;

if(temp == 'x') relay = 1; //Xét temp và đặt cho biết relay

if(temp == 'y') relay = 0;

Serial.print("|");

if (h<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(h, DEC);} //In ra dữ liệu thời gian thực đọc từ ds1307 else Serial.print(h, DEC);

Serial.print(':');

if (m<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(m, DEC);}

else Serial.print(m, DEC);

Serial.print(':');

if (s<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(s, DEC);}

else Serial.print(s, DEC);

Serial.print('-');

if (d<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(d, DEC);}

else Serial.print(d, DEC);

Serial.print('/');

if (mt<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(mt, DEC);}

else Serial.print(mt, DEC);

if (m<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(m1, DEC);}

else Serial.print(m1, DEC);

Serial.print(':');

if (s<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(s1, DEC);}

else Serial.print(d1, DEC);

Serial.print('/');

if (mt<=9) { Serial.print("0"); Serial.print(mt1, DEC);}

else Serial.print(mt1, DEC);

}

if (auto1 == 1) { //Nếu biến auto1 = 1 thì cho chạy chế độ tự động

Auto(); //Chạy chế độ tưới tự động

} else { //Nếu biến auto1 khác 1 thì chạy chế độ thủ công

if (relay == 1) digitalWrite(pin_relay,LOW); //Nếu biến relay = 1 thì bật máy bơm nước else digitalWrite(pin_relay,HIGH); //Nếu biết relay khác 1 thì tắt máy bơm nước }

string SDatas1 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu nhiệt độ từ Serial

string SDatas2 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu độ ẩm từ Serial

string SRealtime = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu thời gian thực từ Serial

string SLasttime = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu thời gian tưới gần nhất từ Serial

string SStarttime = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu thời gian bắt đầu chạy từ Serial

string SAuto = String.Empty; //Chuỗi nhận lệnh chạy tự động hay không

double datas1 = 0; //Biến lưu nhiệt độ

double datas2 = 0; //Biến lưu độ ẩm

double starttime = 0; //Biến lưu thời gian chạy

double auto1 = 0; //Biến lưu chế độ chạy tự động hay thủ công

int status = 0; //Biến dùng để in dữ liệu ra viewList và vẽ đồ thị

string ND1 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu nhiệt độ giới hạn dưới trong chế độ chạy tự động từ Serial

string ND2 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu nhiệt độ giới hạn trên trong chế độ chạy tự động từ Serial

string TG1 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu thời gian giới hạn dưới trong chế độ chạy tự động từ Serial

string TG2 = String.Empty; //Chuỗi nhận dữ liệu thời gian giới hạn trên trong chế độ chạy tự động từ Serial

double nd1 = 0, nd2 = 0, tg1 = 0, tg2 = 0; //Các biến lưu điều kiện nhiệt độ và thời gian để chạy tự động

{

InitializeComponent();

getAvailableComPorts(); //Lây các cổng đang có sẵn

disableAuto(); //Vô hiệu hóa chế độ tự động

disableDisplay(); //Vô hiệu hóa hiển thị

checkBox1.Enabled = false; //Vô hiệu hóa chế độ thủ công

foreach (string port in ports)

progressBar1.Value = 100; //Cho thanh progressBar bằng 100

Data_Listview(); //Chạy lệnh in dữ liệu ra viewList và vẽ đồ thị

status = 0; //Cho biến Status = 0;

tbND1.Text = ND1; //Hiển thị nhiệt độ giới hạn dưới vào TextBox tbND1

tbND2.Text = ND2; //Hiển thị nhiệt độ giới hạn trên vào TextBox tbND2

tbTG1.Text = TG1; //Hiển thị thời gian giới hạn dưới vào TextBox tbTG1

tbTG2.Text = TG2; //Hiển thị thời gian giới hạn trên vào TextBox tbTG2

textBox1.Text = SRealtime; //Hiển thị thời gian thực vào TextBox1

textBox2.Text = SLasttime; //Hiển thị thời gian tưới cây gần nhất vào TextBox2

if (datas2 > 800) //Nếu chỉ số độ ẩm đất > 800

{

textBox3.Text = "Đất khô!!!"; //Hiển thị đất khô vào TextBox3

textBox3.BackColor = Color.Red; //Đặt màu TextBox3 sang màu đỏ

}

else

{

textBox3.Text = "Đất ẩm"; //Hiển thị đất ẩm vào TextBox3

textBox3.BackColor = Color.Green; //Đặt màu TextBox3 sang màu xanh

SRealtime = arrList[0]; // Chuỗi thời gian thực lưu vào SRealtime

SDatas1 = arrList[1]; // Chuỗi nhiệt độ lưu vào SDatas1

SDatas2 = arrList[2]; // Chuỗi độ ẩm đất lưu vào SDatas2

TG1 = arrList[3]; //Chuỗi thời gian giới hạn dưới vào TG1