xây dựng mô hình chăm sóc rau tự động bằng phương pháp thủy canh

6 Bố cục đề tài Đề tài gồm có 3 chương: CHƯƠNG 1: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”: Trong chương này em trình bày tổng quan về hệ thống thủy canh, nồng độ PH, EC, nhiệt độ của nước, nhiệt độ,độ ẩm,ánh

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự chi ân sâu sắc đối với các thầy cô của trường đại học công nghệ thông tin và truyền thông đặc biệt các thầy cô khoa công nghệ tự động hóa của trường đã tạo điều kiện tốt nhất cho em hòan thành đồ án tốt nghiệp và em xin chân thành cảm ơn thầy VŨ THÀNH VINH đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình làm đồ án cũng như trong quá trình báo cáo đồ án ,khó tránh khỏi sai sót rất mong các thầy cô bỏ qua đồng thời do trình độ cũng như kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên bài báo cáo khó tránh khỏi sai sót ,em rất mong nhận được sự đóng góp thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm để hoàn thiện bản thân hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn !

Thái nguyên, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Dương Văn Thái

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu nghiên cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn- Th.S VŨ THÀNH VINH Nội dung báo cáo này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước pháp luật

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Dương Văn thái

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH 5

LỜI MỞ ĐẦU 7

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 8

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LỸ THUYẾT 12

1.1 Hệ thống thủy canh 12

1.1.1 Khái niệm thủy canh 12

1.1.2 Một số mô hình trồng rau thủy canh 12

1.1.3 Các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây NPK 15

1.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thủy canh 18

1.2 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của rau 19

1.2.1 Ánh sáng 19

1.2.2 Nhiệt độ 20

1.2.3 Độ ẩm 20

1.2.4 Nồng độ PH 20

1.2.5 Độ dẫn điện EC 21

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 22

2.1 Mô tả hệ thống 22

2.2 Thiết kế phần cứng 22

2.2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ 22

2.2.2 Sơ đồ khối nút PH 30

2.2.3 Sơ đồ khối nút môi trường 38

2.2.4 Sơ đồ khối nút điều khiển 44

CHƯƠNG III:KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 49

3.1 Đánh giá sản phẩm 49

3.1.1 Độ tin cậy 49

3.1.2 Đánh giá về năng lượng tiêu thụ của sản phẩm 49

3.1.3 Khả năng ứng dụng 49

KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 hệ thống thủy canh dạng bấc 12

Hình 1.2 hệ thống thủy canh dạng tĩnh 13

Hình 1.3 hệ thống thủy canh ngập và rút định kì 13

Hình 1.4 Hệ thống thủy canh nhỏ giọt 14

Hình 1.5 hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng 14

Hình 1.6 hệ thống khí canh 15

Hình 2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ 22

Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Nano 23

Hình 2.3: Cảm biến EC 25

Hình 2.4: Đầu đo cảm biến EC và mẫu dung dịch hiệu chuẩn 25

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa EC và TDS 26

Hình 2.6: Hình ảnh cảm biến nhiệt độ DS18B20 27

Hình 2.7 module truyền thông cc2530 28

Hình 2.8 sơ đồ nguyên lý nút EC-nhiệt độ 29

Hình 2.9 mạch đo EC-nhiệt độ 30

Hình 2.10 sơ đồ khối nút PH 30

Hình 2.11: Hình ảnh Arduino Nano 31

Hình 2.12: E201C – thiết bị đo độ PH 33

Hình 2.13: Cấu tạo của điện cực PH 33

Hình 2.14: Cấu trúc của PH sensor 34

Hình 2.15: Các mức điện thế khác nhau khi nhúng điện cực vào dung dịch 35

Hình 2.16: Đường biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo PH 36

Hình 2.17 Module truyền thông cc2530 36

Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lí nút PH 37

Hình 2.19 Mạch đo PH 38

Hình 2.20 Sơ đồ khối nút môi trường 38

Hình 2.21: Hình ảnh Arduino Nano 39

Hình 2.22 cảm biến ánh sáng 41

Hình 2.23 cảm biến DHT 11 42

Hình 2.24 module truyền thông cc2530 42

Hình 2.25sơ đồ nguyên lý nút môi trường 43

Hình 2.26 mạch thật nút môi trường 43

Hình 2.27 sơ đồ khối nút điều khiển 44

Hình 2.28: Hình ảnh Arduino Nano 45

Hình 2.29 module truyền thông cc2530 46

Hình 2.30 máy bơm nước mini ATMAN 304 47

Hình 2.31 sơ đồ nguyên lý nút điều khiển 48

Hình 2.32 mạch thật nút điều khiển 48

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta là một nước đang phát triển với nền nông nghiệp là nền sản xuất vật chất cơ bản,giữ vai trò to lớn trong sự phát triển kinh tế xã hội.chính vì vậy việc đầu tư phát triển nghành nông nghiệp rất cần được quan tâm.Trong đó sản xuất rau an toàn cũng là lĩnh vực sản xuất rất cần thiết cho cuộc sống ngày càng phát triển hiện nay

Rau là sản phẩm tiêu dùng không thiếu trong cuộc sống con người,cung cấp rất nhiều vitamin mà thực phẩm khác không thể thay thế được.Hiện nay,do nhu cầu hội nhập quốc tế và sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước việc sản xuất rau an toàn gặp nhiều khó khăn và để sản xuất được rau an toàn cần phải giảm sát và áp dụng theo quy trình chọn giống chăm sóc thu hoạch đặc biệt là sử dụng phân bón hóa học,thuốc trừ sâu,chất kích thích tăng trưởng, liệu có ảnh hưởng gì đến sức khỏe của người tiêu

dùng.chính vì vậy em quyết định chọn đề tài “xây dựng mô hình chăm sóc rau tự động bằng phương pháp thủy canh”làm đồ án tốt nghiệp của mình

Để hoàn thành đề tài này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S VŨ THÀNH VINH người đã hướng dẫn và tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình

hoàn thiện đồ án

Em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, giúp

đỡ và tạo điều kiện cho em để em có điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Dương Văn Thái

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Tính cấp thiết

Với tốc độ đô thị hóa như hiện nay thì việc thiếu đất canh tác đang là một vấn

đề được đặt ra cho nhiều ngành cũng như các cơ quan chức năng Đi kèm với nó, cuộc

sống của người dân nơi đô thị hiện đang phải đối mặt với nhiều thực trạng, trong đó có vấn đề về sử dụng rau sạch cho sinh hoạt hàng ngày của gia đình Do vậy, việc sản xuất rau quả an toàn và chất lượng cao bằng công nghệ thủy canh đã được thế giới công nhận và rất phù hợp cho Việt Nam (là một nước đông dân và có tới 70% dân số

làm nông nghiệp) Sản phẩm có tên gọi “xây dựng mô hình chăm sóc rau tự động bằng phương pháp thủy canh” ra đời không chỉ đáp ứng được nhu cầu cấp thiết về

rau sạch hiện nay cho người tiêu dùng, nâng cao sức khỏe cho cộng đồng mà còn cải thiện môi trường sống xung quanh, cụ thể như giảm thiểu việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, tăng diện tích cây xanh, giảm hàm lượng khí thải CO2, tăng sinh dưỡng khí

O2, nâng cao trình độ sản xuất nông nghiệp

2 Tình hình sản xuất rau sạch thế giới

Rau xanh là loại thực phẩm thiết yếu của cuộc sống con người, cung cấp phần lớn khoáng chất và vitamin, góp phần cân bằng dinh dưỡng trong bữa ăn hàng ngày Rau là cây trồng có giá trị kinh tế cao, là mặt hàng xuất khẩu của nhiều nước trên thế giới Hiện nay nhiều nước trên thế giới trồng rau với diện tích lớn, tại các nước đang phát triển tỷ lệ cây rau/cây lương thực là 2/1, còn ở các nước đang phát triển tỷ lệ này

là ½

Năm 1980 toàn thế giới trồng được 8.066.840 ha, năm 1990 là 10.405.270, tăng 2.338.430 ha (trung bình 1 năm tăng 233.843 ha) Năm 2000 diện tích rau của thế giới đạt 14.572.540, tăng 4.167.270 ha (trung bình 1 năm tăng 416.727 ha) Năm 2010 trồng được 18.075.290 ha, tăng 3.502.750 ha so với năm 2000 (trung bình 1 năm tăng 350.275 ha), tăng 7.670.020 ha so với năm 1990 và 10.008.450 ha so với năm 1980

Về năng suất rau của thế giới không ổn định qua các năm Năm 1980 năng suất rau chỉ đạt 106,11 tạ/ha, năm 1990 là 134,89 tạ/ha, tăng 28,78 tạ/ha Năm 2000 có năng suất rau cao nhất, đạt 146,84 tạ/ha, tăng 11,95 tạ/ha so với năm 1990 và 40,70 tạ/ha so với năm 1980 Sau năm 2000 năng suất rau có xu hướng giảm dần, tuy mức

độ không nhiều nhưng cũng là con số đáng lo ngại cho ngành trồng rau Năm 2010

năng suất rau trên thế giới chỉ đạt 132,88 tạ/ha, giảm 13,96 tạ/ha so với năm 2000, giảm 2,01 tạ/ha so với năm 1990

Do năng suất giảm trong thập kỷ gần đây nên sản lượng rau của thế giới đạt cao nhất vào năm 2008 là 249.702.200 tấn, tăng 35.719.020 tấn so với năm 2000, tăng 109.345.500 tấn so với năm 1990 và 164.104.960 tấn so với năm 1980 Năm 2010 sản lượng rau chỉ còn 240.177.290 tấn, giảm 9.524.910 tấn so với năm 2008

Tình hình sản xuất rau của các châu lục biến động khá lớn Châu Á có diện tích trồng rau lớn nhất thế giới Năm 2010 toàn châu lục trồng được 14.110.820 ha, chiếm 78,07% diện tích rau của thế giới Châu phi có diện tích trồng rau lớn thứ 2, đạt 2.747.520 ha, bằng 19,47% diện tích rau của châu Á Châu Đại dương có diện tích trồng rau thấp nhất, chỉ có 32.970 ha bằng 0,23% diện tích rau của châu Á

Mặc dù châu Á có diện tích trồng rau lớn nhất thế giới nhưng năng suất rau đứng hàng thứ 3 trong các châu lục Năm 2010 năng suất rau của châu Á đạt 145,54 tạ/ha, cao hơn năng suất trung bình của thế giới là 12,66 tạ/ha Châu Âu có năng suất rau cao nhất thế giới (168,03 tạ/ha), cao hơn năng suất trung bình của thế giới là 35,15 tạ/ha và cao hơn năng suất rau của châu Á là 22,49 tạ/ha Châu Phi có năng suất rau thấp nhất thế giới, chỉ đạt 61,39 tạ/ha, bằng 46,2% năng suất rau của thế giới, 42,18% năng suất rau của châu Á

Do có diện tích trồng rau lớn nên sản lượng rau của châu á cao nhất là 205.368.870 tấn, chiếm 85,51% sản lượng rau của thế giới Châu Phi có sản lượng rau đứng thứ 2 là 16.867.030 tấn, chiếm 7,02% sản lượng rau của thế giới, bằng 8,21% sản lượng rau của châu Á Châu Đại dương mặc dù có năng suất rau cao thứ 2 thế giới nhưng do diện tích gieo trồng ít nên sản lượng thấp nhất là 551.130 ha, chỉ bằng 0,23% sản lượng rau của thế giới, bằng 0,27% sản lượng rau của châu Á

Vùng Đông Nam Á có diện tích trồng rau khá lớn, năm 2010 toàn vùng trồng được 1.812.370 ha, bằng 12,84% diện tích rau của châu Á, bằng 10,03% diện tích rau của thế giới Năng suất rau của vùng cũng xấp xỉ năng suất bình quân của thế giới, đạt 130,3 tạ.ha, sản lượng đạt 23.615.180 tấn (chiếm 11,5% sản lượng rau của châu Á, chiếm 9,83% sản lượng rau của thế giới)

3 Tình hình sản xuất rau ở việt nam

Cây rau du nhập vào nước ta từ đầu thế kỷ X Năm 1721 – 1783 Lê Quý Đôn đã tiến hành tổng kết các vùng phân bố rau Năm 1029 nước ta đã tiến hành trồng thử rau cải trắng và khoai tây Tuy nhiên do nền kinh tế tự túc kéo dài nên nghề trồng rau của nước ta rất manh mún

Năm 1980 cả nước trồng được 220.000 ha, năm 1990 là 261.100 ha, tăng 41.100 ha Năm 2000 diện tích trồng rau của nước ta tăng kỷ lục, đạt 452.900 ha, tăng 191.800 ha so với năm 1990, tăng 232.900 ha so với năm 1980 Tuy nhiên 5 năm trở lại đây diện tích trồng rau của nước ta biến động thất thường, năm 2006 cả nước trồng được 536.914 ha, tăng 84.014 ha so với năm 2000, tuy nhiên 2 năm sau diện tích rau bị giảm nhẹ đến năm 2010 diện tích trồng rau mới tăng trở lại đạt 553.500 ha

Về năng suất rau của nước ta có xu hướng biến động gần giống năng suất rau của thế giới Năm 1980 năng suất rau chỉ đạt 98,84 tạ/ha, năm 1990 đạt 112,35 tạ/ha

và năm 2000 năng suất rau đạt cao nhất là 124,36 tạ/ha Giai đoạn 2006 – 2010 năng suất rau biến động thất thường, năm 2008 có năng suất rau thấp nhất là 117,06 tạ/ha, năm 2010 năng suất ra tăng lên được 212,64 tạ/ha nhưng vẫn thấp hơn 1,83 tạ/ha so với năm 2007, thấp hơn 2,72 tạ/ha so với năm 2000

Sản lượng rau của nước ta tăng lên đáng kể qua các giai đoạn Năm 1980 cả nước thu được 2.164.800,0 tấn, năm 1990 là 2.933.458,5 tấn tăng 768.658,5 tấ so với năm 1980 (trung bình tăng 76.865,85 tấn/năm) Năm 2000 sản lượng rau đạt 5.632.264,4, tăng 2.698.805,9 so với năm 1990 (trung bình tăng 269.880,59 tấn/năm), tăng 3467464.4 tấn so với năm 1980 Năm 2010 sản lượng rau của nước ta cao nhất, đạt 6.732.774,0 tấn, tăng 1.100.509,6 tấn so với năm 2000 (trung bình tăng 110.050,96 tấn/năm, thấp hơn giai đoạn 1990 – 2000)

4 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Tìm hiểu về một số loại cảm biến chuyên dụng ,vi điều khiển và ứng dụng xây dựng mô hình tự động giám sát môi trường và điều khiển trong việc trồng rau thủy canh

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và đánh giá nội dung liên quan đến đề tài

Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung nghiên cứu trong quá trình chế tạo các module của đề tài Đề xuất phương án xây dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp

6 Bố cục đề tài

Đề tài gồm có 3 chương:

CHƯƠNG 1: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”: Trong chương này em trình bày tổng quan về hệ thống thủy canh, nồng độ PH, EC, nhiệt độ của nước, nhiệt độ,độ ẩm,ánh sáng ảnh hưởng của nó đến sự phát triển của rau

CHƯƠNG 2: “PHÂN TÍCH BÀI TOÁN”: Nội dung chủ yếu của chương này là

mô tả yêu cầu bài toán, đưa ra lưu đồ thuật toán và thiết kế phần cứng

CHƯƠNG 3 “KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC”: Ở chương này sẽ trình bày hình ảnh sản phẩm sau khi hoàn thành

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LỸ THUYẾT 1.1 Hệ thống thủy canh

1.1.1 Khái niệm thủy canh

Trồng cây trong dung dịch ( thủy canh ) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất

mà trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng hoặc giá thể mà không phải là đất Các giá thể có thể là cát, trấu, vỏ xơ dừa, than bùn, vermiculite perlite… Thường được định nghĩa như là “trồng cây trong nước” hoặc “trồng cây không cần đất”, kỹ thuật thủy canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết Cung cấp đầy đủ cái

ăn, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, cây trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng

Nếu không kể phần nước “uống” thì cây chỉ lấy khoảng 5% chất dinh dưỡng từ đất để “ăn”, 95% chất dinh dưỡng còn lại thì “nhà máy cây” tự sản xuất (quang hợp)

và tự tiêu thụ Đất chỉ đóng vai trò như cái kho lưu giữ các chất dinh dưỡng để cây dùng từ từ Nếu có cách để dự trữ và biến các chất dinh dưỡng thành dung dịch lỏng

để cây trực tiếp hấp thụ thì cái “kho đất” không còn cần thiết nữa Khi đó ta hoàn toàn

có thể trồng cây không cần đất Công nghệ này gọi là thủy canh

1.1.2 Một số mô hình trồng rau thủy canh

1.1.2.1 Hệ thống dạng bấc

Hệ thống dạng bấc cho đến nay là dạng hệ thống thủy canh đơn giản nhất Đúng như tên gọi, bí quyết của hệ thống này nằm ở chỗ sợi bấc Đặt một đầu của sợi bấc hút sao cho chạm vào phần rễ cây Đầu kia của bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng Sợi bấc này sẽ làm nhiệm vụ hút nước và dung dịch dinh dưỡng lên cung cấp cho rễ cây (tương tự như sợi bấc trong đèn dầu, hút dầu lên để duy trì sự cháy) Như vậy cây sẽ

có đủ nước và chất dinh dưỡng để phát triển

Hình 1.1 hệ thống thủy canh dạng bấc

1.1.2.2 Hệ thống thủy canh tĩnh (water culture)

Hệ thống thường thùng hay nước chứa dung dịch thủy canh, phần bệ giữ các cây thường làm bằng chất dẻo nhẹ như xốp và đặt nổi ngay trên dung dịch dinh dưỡng,

rễ cây ngập chìm trong nước có chứa dung dịch dinh dưỡng Vì môi trường thiếu khí oxy nên cần có 1 máy bơm bơm khí vào khối sủi bọt để cung cấp oxy cho rễ Hệ thống thủy canh dạng này thường dùng phổ biến trong dạy học Hệ thống ít tốn kém, có thể tận dụng bể chứa nước hay những bình chứa không rỉ khác

Hình 1.2 hệ thống thủy canh dạng tĩnh 1.1.2.3 Hệ thống ngập & rút định kỳ (ebb và flow system)

Không giống như hệ thống thủy canh tĩnh ở trên, phần rễ cây luôn chìm trong nước chỉ thích hợp cho một số ít cây trồng Hệ thống ngập và rút định kỳ có một máy bơm điều khiển để có thể bơm dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng và rút ra theo chu

kỳ đã được định sẵn Như vậy rễ cây sẽ có những lúc không ngập trong nước để “thở” một cách tự nhiên, tránh bị ngập, úng Hệ thống này thường được áp dụng cho mô hình aquaponics

Hình 1.3 hệ thống thủy canh ngập và rút định kì

1.1.2.4 Hệ thống nhỏ giọt (Drip systems)

Hệ thống nhỏ giọt là loại hệ thống thủy canh được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới Máy bơm sẽ bơm dung dịch dinh dưỡng lên, nhỏ trực tiếp vào gốc của cây trồng bởi những đường ống nhỏ giọt theo định kỳ Dung dịch dinh dưỡng dư chảy xuống sẽ được thu hồi trong bể tái sử dụng Như vậy, hệ thống này sử dụng dung dịch dinh dưỡng khá hiệu quả, nước dư ra được tái sử dụng, không bị hao phí Hệ thống này

có thể dùng để trồng cây thảo mộc và các loại hoa, các loại cây ăn trái như cà chua, dưa leo, dưa lưới, ớt,

Hình 1.4 Hệ thống thủy canh nhỏ giọt 1.1.2.5 Hệ thống “màng dinh dưỡng” NFT (Nutrient Film Technique)

Trong hệ thống màng dinh dưỡng, dung dịch dinh dưỡng được bơm liên tục vào khay trồng và chảy qua rễ của cây, sau đó chúng chảy về bồn chứa để tái sử dụng Thường thì trong hệ thống màng dinh dưỡng không cần dùng thêm chất trồng, giúp tiết kiệm chi phí thay chất trồng sau mỗi vụ mùa Hệ thống này thường sử dụng trong quy

mô lớn với mục đích thương mại

Hình 1.5 hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng

1.1.2.6 Khí canh (Aeroponics)

Khí canh là hệ thống thủy canh dạng kỹ thuật cao nhất Giống như hệ thống màng dinh dưỡng, chất trồng chủ yếu là không khí Rễ phơi trong không khí và được phun sương bằng dung dịch dinh dưỡng Việc phun sương thường được thực hiện mỗi vài phút Như vậy, cây vừa có đủ thức ăn, vừa có đủ nước uống và luôn có không khí

để thở Hiện nay khí canh được ứng dụng trong mô hình trồng khoai tây

Hình 1.6 hệ thống khí canh

1.1.3 Các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây NPK

1.1.3.1 Các nguyên tố đa lượng

 Đạm (N)

Là chất cần thiết để giúp cây sinh trưởng, phát triển các mô sống, tạo diệp lục

tố, nguyên sinh chất, axít nucleic và protein Làm tăng chất lượng của rau ăn lá, hạt ngũ cốc Khi thiếu đạm: cành lá sinh trưởng kém, còi cọc, ít nhánh, ít chồi, lá non nhỏ,

lá già có màu xanh nhạt đến vàng từ chóp lá và dễ bị rụng, rễ ít pháp triển Khi thiếu đạm trầm trọng năng suất thấp thu hoạch và hàm lượng protein thấp Vàng từ lá già lên Khi thừa đạm: cây sinh trưởng rất mạnh, lá to, tán to, mềm yếu, dễ đổ ngã, dễ nhiễm sâu bệnh

 Lân (P)

Là chất cần thiết của quá trình trao đổi năng lượng, protein và phân chia tế bào của cây, là thành phần của axít nucleic, amino axít, protein phospho – lipid, coenzim, nhiễm sắc thể Lân kích thích rễ và ra hoa Khi thiếu lân: Cây còi cọc, thân yếu, lá mỏng, trưởng thành có màu xanh sẫm đến tím đỏ, rễ kém phát triển, khó ra hoa, ít trái, chín

chậm, năng suất, chất lượng thấp, trái thường có vỏ dày, xốp Khi thừa lân: khó phát hiện hiện tượng thừa lân Thừa lân thường kèm theo hiện tượng thiếu kẽm và đồng

 Kali (K)

Giúp tăng khả năng hoạt động của khí khổng, hoạt hoá enzim quang hợp và tổng hợp hydrat carbon Giúp vận chuyển hydrat carbon, tổng hợp protein Tăng cường khả năng sử dụng ánh sáng khi thời tiết lạnh và mây mù Có tác dụng nâng cao khả năng chống rét cho cây Làm tăng độ lớn của hạt và cải thiện chất lượng rau quả Thiếu kali: chóp lá già chuyển màu vàng nâu, sau đó lan dần vào trong theo chiều từ chóp lá trở xuống, từ mép lá trở vào Thiếu nặng, phần lớn lá bị cháy và rụng Cây phát triển chậm và còi cọ,c thân yếu dễ bị đổ ngã Thừa kali: khó nhận biết, tuy nhiên khi bón nhiều kali trái cam bị sần sùi

1.1.3.2 Các nguyên tố trung lượng: Canxi – Magiê – Lưu huỳnh

 Canxi (Ca)

Khi thiếucanxi: Lá và đọt non dễ bị biến dạng, cong queo, nhỏ, mép lá không đều, có màu xanh không bình thường, chồi chết ngọn, rễ yếu, dễ gãy và thối, hoa rụng sớm, thân yếu, năng suất, chất lượng thấp Khi thừa canxi thường gây thiếu các nguyên tố vi lượng: B, Mn, Fe, Zn, Cu…

 Magiê (Mg)

Là thành phần tạo nên diệp lục tố Là hoạt chất trong hệ enzim giúp chuyển hoá hydratcarbon và tổng hợp axit nucleic Thúc đẩy hấp thu và vận chuyển lân, đường Thiếu magiê: lá nhỏ, mép lá cong lên, rụng sớm, xuất hiện những vùng sáng (vàng nhạt đến cam, tía) giữa gân lá, hoa ra ít, rễ kém phát triển, thân yếu dễ bị nấm bệnh tấn công Thừa magiê: lá bị biến đổi hình dạng, cuốn theo hình xoắn ốc và rụng…

 Lưu huỳnh (S)

Là thành phần của một số axít amin liên quan đến hoạt động trao đổi chất, vitamin và các coenzim A giúp cấu trúc protein vững chắc Thiếu lưu huỳnh: các lá non chuyển sang màu vàng, vàng từ ngọn xuống Sinh trưởng của chồi bị hạn chế, ảnh hưởng đến số hoa Thân cứng, nhỏ và hoá gỗ sớm

1.1.3.4 Các nguyên tố vi lượng: Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn), Đồng (Cu), Bo (B), Molypden (Mo), Clo (Cl)

Các nguyên tố vi lượng đều đóng vai trò quan trọng như là thành phần của các enzim hoặc diệp lục tố, kích thích và điều hòa sự chuyển hóa, vận chuyển chất trong cây

 Sắt (Fe)

Là chất cần để tổng hợp và duy trì diệp lục tố trong cây Thiếu sắt: lá non úa vàng, đỉnh và mép lá có màu xanh lâu nhất Trường hợp thiếu nhiều sắt: toàn bộ thịt và gân lá chuyển vàng và cuối cùng trở thành trắng nhợt

 Kẽm (Zn)

Kẽm có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp đạm, hình thành các chất điều hòa sinh trưởng trong cây… Thiếu kẽm: Các lá non nhỏ, biến dạng, mọc xít nhau, chuyển thành màu vàng trắng và xù ra Ít hoa, quả, năng suất, chất lượng giảm

 Đồng (Cu)

Xúc tiến quá trình hình thành vitamin A Giúp cây tăng khả năng chịu hạn, chịu nóng, chịu lạnh… Thiếu đồng: ở cây ngũ cốc xuất hiện lá màu vàng và quăn, ít hoa, hạt kém phát triển, ở cây có múi chết đen ở phần mới sinh trưởng, quả có những đốm nâu, khả năng chống chịu sâu bệnh ở cây kém

 Bo (B)

Tăng khả năng thấm ở màng tế bào, giúp dễ dàng vận chuyển hydrát carbon Cần cho quá trình tổng hợp và phân chia tế bào Giúp điều chỉnh tỷ lệ K/Ca trong cây Thiết yếu với sự tổng hợp protein trong cây Đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành phấn hoa Thiếu Bo: Lá biến dạng, dày, đôi khi giòn, hoa kém phát triển, dễ bị rụng, hạt bị lép, ít đậu quả, quả non hay rụng, dễ bị sâu bệnh phá hại, khả năng chống chịu điều kiện bất lợi kém Vỏ quả dày, lõi thường bị thâm đen, rỗng ruột, lệch tâm, Năng suất, chất lượng kém

 Molypđen (Mo)

Là chất xúc tác cho quá trình cố định và sử dụng đạm của cây, là thành phần của men khử nitrat và men nitrogense Tham gia các quá trình trao đổi chất, tổng hợp chất diệp lục… Thiếu molypden: xuất hiện đốm vàng ở gân giữa của các lá dưới, hoại

tử mép lá và lá bị gập nếp lại ở rau, các mô lá bị héo, chỉ còn lại gân giữa của lá và

một vài miếng phiến lá nhỏ Các hiện tượng này thấy rõ ở các cây họ đậu: nếu thiếu molypden cây phát triển kém, ít nốt sần, giảm cố định đạm tự do

 Clo (Cl)

Clo ảnh hưởng đến sự chuyển hoá hydrat carbon và khả năng giữ nước của mô thực vật Thiếu Clo: chóp lá non bị héo, úa vàng, sau đó chuyển sang màu đồng thau

và chết khô

1.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thủy canh

1.1.4.1 Ưu điểm của trồng cây bằng phương pháp thủy canh

-Có thể chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây, các loại dinh dưỡng được cung cấp theo yêu cầu của từng loại rau, có thể loại bỏ các chất gây hại cho cây và không có các chất tồn dư từ vụ trước

-Tiết kiệm nước do cây sử dụng trực tiếp nước trong dụng cụ đựng dung dịch nên nước không bị thất thoát do ngấm vào đất hoặc bốc hơi

-Giảm chi phí công lao động do không phải làm một số khâu như làm đất, làm

cỏ, vun xới và tưới

-Dễ thanh trùng vì chỉ cần rửa bằng formaldehyt loãng và nước lã sạch

-Hạn chế sử dụng thuốc bảo thực vật và điều chỉnh được hàm lượng dinh dưỡng nên tạo ra sản phẩm ray an toàn đối với người sử dụng

-Trồng được rau trái vụ do điều khiển được các yếu tố môi trường

-Nâng cao năng suất và chất lượng rau: Năng suất rau có thể tăng từ 25 – 50%

1.1.4.2 Nhược điểm của phương pháp thủy canh

-Giá thành cao do đầu tư ban đầu lớn Điều này rất khó mở rộng sản xuất vì điều kiện kinh tế của người dân còn nhiều khó khăn nên không có điều kiện đầu tư cho sản xuất Mặt khác giá thành cao nên tiêu thụ khó khăn

- Yêu cầu kỹ thuật cao: Khi sử dụng kỹ thuật thủy canh yêu cầu người trồng phải có kiến thức về sinh lý cây trồng, về hóa học và kỹ thuật trồng trọt cao hơn vì tính đệm hóa trong dung dịch dinh dưỡng thấp hơn trong đất nên việc sử dụng quá liều một chất dinh dưỡng nào đó có thể gây hại cho cây, thậm chí dẫn đến chết (FAO, 1992)[7]; Runia W.T (1998)[31] Mặt khác mỗi loại rau yêu cầu một chế độ dinh dưỡng khác nhau nhên việc pha chế dinh dưỡng phù hợp với từng loại thì không đơn giản

- Sự lan truyền bệnh nhanh: Mặc dù đã hạn chế được nhiều sâu bệnh hại nhưng trong không khí luôn có mầm bệnh, khi xuất hiện thì một thời gian ngắn chúng có mặt trên toàn bộ hệ thống, đặc biệt là hệ thống thủy canh tuần hoàn Midmore D.J (1993) Mặt khác độ ẩm cao, nhiệt độ ổn định trong hệ thống là điều kiện thuật lợi cho sự phát triển cuả bệnh cây Cây trồng trong hệ thống thủy canh thường tiếp xúc với ánh sáng tán xạ nên mô cơ giới kém phát triển, cây mềm yếu, hàm lượng nước cao nên dễ xuất hiện vết thương tạo điều kiện cho vi sinh vật xâm nhập

- Đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định: Theo Midmore thì độ mặn trong nước cần được xem xét kỹ khi sử dụng cho trồng rau thủy canh, tốt nhất là nhỏ hơn 2.500 ppm

1.2 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của rau

1.2.1 Ánh sáng

Là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của rau Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp, biến các chất vô

cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa, quả, củ… phục

vụ cho nhu cầu sống của con người và các động vật

Các loài rau khác nhau có nhu cầu về ánh sáng không giống nhau: các loại rau trồng vào mùa hè yêu cầu độ chiếu sáng mạnh, thời gian chiếu sáng dài 12 – 14 giờ/ngày Rau trồng vào mùa đông yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu và thời gian chiếu sáng từ 8 đến 12 giờ/ngày

Do đó, người trồng rau có nắm vững điều này thì mới bố trí được cây trồng hợp

lý, tạo được ánh sáng phù hợp để rau phát triển tốt nhất Ngoài ra, thời gian chiếu sáng còn ảnh hưởng đến giới tính của một số loài như dưa chuột trong điều kiện ánh sáng đầy đủ số lượng hoa cái tăng, thời gian chiếu sáng giảm sẽ tăng số lượng hoa đực

Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của rau Dựa vào cường độ ánh sáng, ngưòi ta phân rau ra các nhóm:

Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngô, cà, cà chua, ốt, đậu

Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ, hành, tỏi

Nhóm yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp

Dựa vào cách phân loại này mà có chế độ xen canh gối vụ phù hợp để tận dụng hết chất dinh dưỡng trong đất vừa tăng sản lượng rau trồng

Ngày nay, ngoài ánh sáng Mặt trời, người ta còn dùng hệ thống đèn huỳnh quang để bổ sung ánh sáng cho rau trồng trong nhà có mái che

1.2.2 Nhiệt độ

Là yếu tố quan trọng nhất trong sinh trưởng và sự phát triển của cây rau Nhiệt

độ chính là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các tập đoàn rau riêng biệt cho từng vùng Mỗi loài rau đòi hỏi có nhiệt độ thích hợp để sống

Một số loài rau sinh trưởng tốt ở < 5ºC, đem trồng vào mùa nóng sẽ ngừng sinh trưởng Các loại rau bắp cải, su hào, cải trắng, củ cải phát triển tốt ở 13 – 15°C cao nhất lên đến 27°C, nếu nhiệt cao hơn cây sẽ chết Các loại xà lách cuốn, rau diếp, ngò tây, cải canh phát triển tốt ở 16°C có thể chịu được khi nhiệt độ xuống 7°C Các loại đậu đỗ, bầu bí, cà chua, ớt phát triển ở 15 – 30°C

Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nảy mầm của hạt, ví dụ hành có thể nảy mầm ở 2°C, cà rốt và các loại cải 5°C, bầu bí nảy mầm ở 35°C

Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự phát triển, sự nở hoa, chất lượng sản phẩm, khả năng bảo quản, thời gian ngủ của hạt và ảnh hưỏng đến sự phát triển của sâu bệnh trên các loại rau

1.2.3 Độ ẩm

Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thòi gian chín của quả, chất lượng rau, sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giông.Nhiệt độ

và độ ẩm có quan hệ mật thiết với nhau và có tác động lớn đến sinh trưỏng, tái sinh của nhiều loài rau, đặc biệt là trong sản xuất hạt giống

1.2.4 Nồng độ PH

PH là kí hiệu chỉ độ chua, độ kiểm của nước Biểu hiện bằng nồng độ ion H+ trong môi trường Độ chua của nước được chia ra: pH – 4 rất chua; 5 chua; 6 hơi chua;

7 trung bình; 7,5 kiềm yếu; 8 và trên 8 là kiềm

Độ pH:Giá trị pH tối thích nằm trong khoảng 5.8 –6.5 Giá trị pH càng lệch ra khỏi khoảng này thì càng có ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống thủy canh, pH trên 7.5 sẽ làm giảm khả năng hấp thu sắt và có thể xảy ra hiện tượng úa vàng thân, pH dưới 6.0

sẽ làm giảm mạnh khả năng hòa tan acid phosphoric, ion calcium và mangan Có thể

sử dụng các chất đệm hoá học để giữ ổn định giá trị pH

1.2.5 Độ dẫn điện EC

Độ dẫn điện EC (Electrical Conductivity) được định nghĩa là khả năng tạo ra dòng điện của một dung dịch, là một tham số cho biết tổng nồng độ của muối trong dung dịch EC càng cao, muối càng bị tan nhiều trong nước

Độ dẫn điện:Giá trị độ dẫn điện (EC) tốt nhất là trong khoảng 1.5 –2.5 dS/m Giá trị EC cao hơn sẽ ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng, EC thấp sẽ ảnh hưởng đến sức sống và năng suất cây Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch, tổng nồng độ muối và EC đều thay đổi

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN 2.1 Mô tả hệ thống

Quy trình đo đạc các thông số môi trường (nhiệt độ, pH, độ ẩm,EC,ánh sáng) bắt đầu bằng việc các cảm biến sẽ thu thập số liệu từ môi trường và đưa về arduino sử

lý thông qua module truyền thông gửi về nút chủ Trên nút chủ cũng có module truyền thông nhận tín hiệu các nút thu thập về Các số liệu này sẽ được đưa vào Arduino và điều khiển cơ cấu chấp hành Lý do thiết kế hệ thống:

- Cập nhật được thông số môi trường một cách nhanh chóng

- Có thể ứng dụng vào trong hệ thống khác

- kiểm soát được thông số môi trường

Yêu cầu đối với hệ thống:

- Đo và hiển thị được các thông số môi trường lên máy tính

- Dễ thay thế khi hỏng

- điều khiển tự động các cơ cấu chấp hành

2.2 Thiết kế phần cứng

2.2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ

Hình 2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ

- Chức năng và nhiệm vụ các khối:

+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn duy trì hoạt động cho toàn hệ thống + Khối cảm biến: Có chức năng thu thập các thông số EC-nhiệt độ đo được gửi

về và giao tiếp với khối xử lý trung tâm

+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng giao tiếp với các cảm biến để lấy các thông số

+Module truyền thông:có chức năng giao tiếp với khối sử lý trung tâm để nhận thông số EC-nhiệt độ để đẩy thông số về nút chủ

2.2.1.1 Một số linh kiện sử dụng

2.2.1.1.2 Arduino Nano

Arduino Nano là một thiết kế nhỏ gọn với chức năng, sức mạnh, phần cứng

cũng như cách sử dụng hoàn toàn tương đương với Arduino Uno

Arduino Nano sử dụng chip dán ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Nó thiếu chỉ một jack cắm điện DC, và làm việc với một cáp USB Mini-B Nano được thiết kế và

được sản xuất rộng khắp

Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Nano

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash

16KB (Atmega168) hoặc 32 KB (Atmega328) trong đó 2 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

(ATmega328)

- Độ dẫn điện cực (điện cực K liên tục = 1, kết nối BNC)

- Chiều dài cáp của điện cực: Khoảng 60cm (23,62")

- DS18B20 cảm biến nhiệt độ (không thấm nước)

EC hay còn gọi là độ dẫn điện, là một tham số cho biết tổng nồng độ của muối trong dung dịch EC càng cao, muối càng bị tan nhiều trong nước Khả năng dẫn điện của nước phụ thuộc vào nồng độ ion, loại ion và nhiệt độ của nước (dung dịch)

Chỉ số EC của một mẫu nước thông thường là tổng chỉ số EC của tất cả các ion Thực tế, người ta sử dụng máy đo EC để xác định chỉ số EC của mẫu (nước, dung dịch) theo công thức sau:

Trong đó: CM: độ dẫn điện của mẫu

Kc: hệ số của máy đo

t: Nhiệt độ của mẫu, 0 C

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa EC và TDS

Trong nước, các vật liệu ion hoặc các chất lỏng có thể tồn tại sự chuyển động của các ion tích điện Hiện tượng này tao ra một dòng điện và được gọi là sự dẫn truyền ion

Độ dẫn điện của nước liên quan đến sự có mặt của các ion trong nước Các ion này thường là muối của kim loại như NaCl, KCl, SO2-4, NO-3, PO-4 v.v Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan đến tính độc hại của các ion tan trong nước Do đó, độ dẫn điện của nước còn tượng trưng

cho tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước (TDS)…Trong dung dịch loãng, TDS

và EC là một sự so sánh hợp lý Đối với nước sử dụng cho mục đích nông nghiệp, thuỷ lợi, mối quan hệ giữa TDS và EC có thể xác định qua phương trình sau đây:

TDS (ppm) = 0.64 x EC (μS/cm) = 640 x EC (dS/m)

Mối quan hệ trên cũng có thể được sử dụng để kiểm tra trong các phân tích hóa học của nước Tuy nhiên, khi TDS trong nước đạt đến một mức độ nhất định, độ dẫn điện không trực tiếp liên quan đến TDS nữa Nguyên nhân là bởi các cặp ion kết đôi được hình thành, các cặp ion này làm yếu đi sự chuyển động của các ion khác, do đó, khi vượt quá một mức độ cho phép so sánh, TDS trong nước sẽ không còn tỉ lệ với độ dẫn điện nữa Đó cũng là nguyên nhân mối quan hệ trên không áp dụng đối với nước thải

Độ dẫn điện của nước phụ thuộc và tăng tỉ lệ thuận với nhiệt độ nước Nhiệt độ nước tăng lên 100C thì độ dẫn điện của nước sẽ tăng 2-3% Thông thường độ dẫn điện được đo ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 2500C

Nước tinh khiết không phải là một chất dẫn điện tốt Nước cất thông thường trong trạng thái cân bằng với lượng khí CO2 trong không khí có dẫn điện khoảng 20 dS/m Bởi vì dòng điện được tạo ra bởi sự chuyển động của các dòng ion trong dung dịch, độ dẫn điện tăng lên khi nồng độ của các ion tăng lên

Đặc điểm của cảm biến nhiệt độ DS18B20

- Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (one wire)

- Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit, tùy theo sử dụng Trong trường hợp không config thì nó tự động ở chế độ 12 bit

- Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho độ phân giải 12 bit

- Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55 -> +125°C Với khoảng nhiệt độ là -10°C tới 85°C thì độ chính xác ±0.5°C,±0.25°C,±0.125°C,±0.0625°C theo số bít config

- Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép Người dùng

có thể lập trình chức năng này cho DS18B20 Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị mất khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze

- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy bạn có thể kiểm tra nhiệt độ với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao tiếp với các IC này

- Điện áp sử dụng: 3 – 5.5V (có thể lấy từ nguồn ngoài hoặc là lấy từ dây data)

- Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ rất nhỏ

- Thời gian chuyển đổi lớn nhất là 750ms (với config 12bit)

2.2.1.1.5 module truyền thông cc2530

Hình 2.7 module truyền thông cc2530

Thông số kĩ thuật:

- Hãng sản xuất danh tiếng Zigbee

- Tên phiên bản: Zigbee UART CC2530 +PA V2

- IC chính: Zigbee CC2530 từ TI, phiên bản nâng cấp có thêm ic Khuếch đại

PA CC2591 (Mình đang viết về loại nâng cấp này)

- Tần số sóng mang 2.4GHZ, khả năng bức xạ và xuyên thấu vật cản rất cao

- Giao thức Serial (UART) TTL 3.3V, tốc độ giao thức (baudrate) tùy chỉnh từ

2.2.1.1.7 Hình ảnh mạch thật

Hình 2.9 mạch đo EC-nhiệt độ

2.2.2 Sơ đồ khối nút PH

Hình 2.10 sơ đồ khối nút PH

- Chức năng và nhiệm vụ các khối:

+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn duy trì hoạt động cho toàn hệ thống

+ Khối cảm biến: Có chức năng thu thập các thông số PH đo được gửi về và giao tiếp với khối xử lý trung tâm

+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng giao tiếp với các cảm biến để lấy các thông số

+Module truyền thông:có chức năng giao tiếp với khối sử lý trung tâm để nhận thông số PH để đẩy thông số về nút chủ

2.2.2.1 Một số linh kiện sử dụng

2.2.2.1.1 Arduino Nano

Arduino Nano là một thiết kế nhỏ gọn với chức năng, sức mạnh, phần cứng

cũng như cách sử dụng hoàn toàn tương đương với Arduino Uno

Arduino Nano sử dụng chip dán ATmega328 (Arduino Nano 3.x) Nó thiếu chỉ một jack cắm điện DC, và làm việc với một cáp USB Mini-B Nano được thiết kế và

được sản xuất rộng khắp

Hình 2.11: Hình ảnh Arduino Nano Thông số kỹ thuật:

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)

Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA

Bộ nhớ flash

16KB (Atmega168) hoặc 32 KB (Atmega328) trong đó 2 KB sử dụng bởi bộ nạp khởi động

(ATmega328) 2.2.2.1.2 Cảm biến PH E-201-C

Khái niệm điện cực PH

Điện cực PH là một bầu thủy tinh có hai lớp cực kỳ mỏng Bên trong người ta cho vào đó dung dịch HCl 1M (có thể tùy hãng chế tạo mà người ta cho các nồng độ khác nhau) Lớp thủy tinh này có cấu trúc rất đặc biệt nó không cho ion H+ có thể chui

ra khỏi màng cũng như không cho phép ion H+ từ môi trường bên ngoài chui vào bên trong đó Do đó nồng độ ion HCl bên trong luôn được giữ cố định Do sự chênh lệch nồng độ ion H+ giữa lớp màng bên trong và lớp màng bên ngoài sẽ làm xuất hiện một thế điện cực Vì hoạt độ ion H+ bên trong không đổi nên thế điện cực này sẽ thay đổi phụ thuộc vào hoạt độ ion H+ bên ngoài môi trường Người ta dựa vào sự thay đổi đó

để tính toán, đưa ra giá trị PH của môi trường đo

Hình 2.12: E201C – thiết bị đo độ PH Đặc điểm và cấu trúc của một cảm biến PH

Hình 2.13: Cấu tạo của điện cực PH

Cấu trúc của điện cực PH được minh họa như trên hình 2.7 Màng thủy tinh ở cuối điện cực hoạt động như một chuyển đổi PH, có độ dày 0.1 mm Màng này được làm từ silica, oxit kim loại kiềm, trong đó thành phần silica SiO2 chiếm 70% Khi nghiên cứu cấu trúc của màng thủy tinh này người ta thấy về bản chất màng tương tự như một mạng khung silicat SiO4 2- trong đó mỗi nguyên tử silic liên kiết với bốn nguyên tử oxi, mỗi nguyên tử oxi trong đó lại đồng thời liên kết với hai nguyên tử silic Ở giữa những khe của mạng SiO4 2- lại có những cation kim loại kiềm Na+ hoặc

Ca 2+ có đủ điện tích để trung hòa với các nhóm SiO4 2- có trong mạng Các cation kim loại kiềm có một điện tích như Na+ là những cation linh hoạt sẽ đóng vai trò chủ yếu trong việc dẫn ion qua màng theo cơ chế trao đổi ion với dung dịch cần đo PH

Ngoài ra canxi oxit CaO được thêm vào nhằm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của thủy tinh, gia cố những đặc tính hóa học đặc tính quá trình cho màng thủy tinh Khi lớp màng được nhúng vào dung dịch, một phía của màng tiếp xúc với dung dịch cần đo, một phía tiếp xúc với dung dịch chất điện ly như kali clorua KCl với nồng độ xác định,

ví dụ ở đây là 3 mol/lit Do nó ngăn cách hai dung dịch có nồng độ ion H+ khác nhau tạo nên một lớp hydrat hóa dày 100 nm bám lên bề mặt của màng thủy tinh Phản ứng trao đổi ion trên ranh giới tiếp xúc chỉ xảy ra chọn lọc với ion H+ của dung dịch và ion Na+ của màng thủy tinh:

H+dd + Na+tt ↔ Na+dd + H+tt

Hình 2.14: Cấu trúc của PH sensor

Một dây bạc phủ bạc clorua được nhúng vào dung dịch chất điện ly tạo ra tiếp xúc ổn định giữa dung dịch điện ly và PH Điện cực mẫu có cấu trúc giống như điện cực chỉ thị bên trong chứa dung dịch chất điện ly kali clorua KCl 3M nhưng thay vì màng thủy tinh cuối điện cực là miếng gốm tạo ra tiếp xúc giữa dung dịch trong điện cực và dung dịch cần đo PH Khi nhúng hai điện cực: Điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần đo PH thì xuất hiện các mức điện thế khác nhau

Nguyên lý hoạt động của cảm biến PH

Khi nhúng hai điện cực: Điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần đo

PH thì xuất hiện các mức điện thế khác nhau (Hình 2.8) Từ hình vẽ trên từ trái qua phải ta có thể liệt kê các mức điện áp như sau:

- Điện áp giữa dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl với dung dịch điện ly KCl 3M (filling solution) trong điện cực mẫu

- Điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu với dung dịch cần đo PH (sample) Điện áp này rất nhỏ có thể bỏ qua

- Điện áp giữa dung dịch cần đo PH với dung dịch điện ly KCl 3M (filling solution) trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh

- Và cuối cùng là điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M với dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh

Hình 2.15: Các mức điện thế khác nhau khi nhúng điện cực vào dung dịch

Ta thấy điện áp giữa điện cực mẫu và điện cực màng thủy tinh chính bằng điện

áp giữa dung dịch cần đo PH với dung dịch KCl 3M trong điện cực chỉ thị, giá trị điện

áp này còn gọi là điện áp màng được tính theo công thức sau:

Φ net = Φ b,inner – Φ b,outer

Trong đó Φ b,inner là điện thế biên lớp màng ở phía trong, Φ b,outer là điện thế biên