Thiết kế hệ thống giám sát ao tôm

Nguyên nhân do thời tiết biến đổi, nắng nóng kéo dài dẫn đến thiếu nước, nhiệt độ tăng và độ mặn cao làm tôm bị suy yếu, tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển và gây bệnh; mầm bệnh lưu h

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

MỤC LỤC

PHẦN 1: TỔNG QUAN 1

1 Giới thiệu đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Thông số giới hạn 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Mô tả quá trình hoạt động 4

1.2 Board mạch intel galileo 4

1.3 Cảm biến nhiệt đọ LM35 4

1.4 Màn hình LCD 16x2 5

1.5 Module cảm biến mực nước 7

1.6 Relay 7

1.7 Động Cơ Motor Mini V2 3-9VDC 9

1.8 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 12

2.1 Thiết kế sơ đồ khôí 12

2.2 Sơ đồ kết nối mạch 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM 15

PHẦN 1: TỔNG QUAN

1 Giới thiệu đề tài

Ngành nuôi tôm và thủy sản Việt Nam gần đây có những bước phát triển vượt bậc và

cả những thông tin đáng mừng: Chính phủ đã quyết định con tôm nước lợ là sản phẩm quốc gia và kế hoạch đạt 10 tỷ USD xuất khẩu tôm vào năm 2025 Tuy nhiên, thời gian qua, ở nước ta đã xảy ra một số sự cố ảnh hưởng đến môi trường nước nuôi thủy sản, gây nhiều thiệt hại

Môi trường nước ô nhiễm tạo điều kiện thuận lợi cho dịch bệnh phát sinh Vào năm

2012, cả nước có hơn 100.000 ha nuôi tôm bị dịch bệnh (gần 15% diện tích nuôi tôm) Trong các năm 2014, 2015, tổng diện tích nuôi tôm nước lợ bị thiệt hại vào khoảng 50.000

ha Nguyên nhân do thời tiết biến đổi, nắng nóng kéo dài dẫn đến thiếu nước, nhiệt độ tăng

và độ mặn cao làm tôm bị suy yếu, tạo điều kiện cho mầm bệnh phát triển và gây bệnh; mầm bệnh lưu hành rộng rãi; các yếu tố đầu vào như tôm giống, hóa chất dùng xử lý cải tạo môi trường, chế phẩm sinh học chất lượng không đảm bảo

Nuôi tôm là nuôi nước Để nuôi tôm thành công, cần đảm bảo hàng loạt chỉ tiêu chất lượng nước như: nồng độ oxy hòa tan, nhiệt độ, độ pH, TAN, NH3, Nitrit, H2S, độ kiềm,

độ mặn, nồng độ khoáng chất, nồng độ nitrat, nồng độ phốt pho, mật độ vi khuẩn, mật độ tảo,…phải nằm trong ngưỡng cho phép Chỉ cần một trong số những chỉ tiêu trên đây vượt quá khỏi ngưỡng thì tôm sẽ bị ảnh hưởng, chậm lớn, giảm sức đề kháng, nhiễm bệnh và chết Do vậy, việc kiểm soát tất cả các chỉ tiêu chất lượng nước để kịp thời xử lý nhằm đảm bảo chúng nằm trong ngưỡng cho phép là hết sức quan trọng

Chính vì thế, có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề hệ thống giám sát nuôi tôm Với những thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu và nghiên cứu đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát

ao tôm.” mang tính ứng dụng cao, nhằm mục đích phát hiện kịp thời và cảnh báo khi các

2 Mục đích nghiên cứu

 Tạo ra thiết bị giám sát mực nước trong ao tôm

 Thiết bị có khả năng bơm nước khi ao cạn và hút nước khi ao đầy

 Đo nhiệt độ ao tôm

 Cấp khí oxy cho ao tôm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

 Hoạt động của cảm biến nhiệt độ LM35, Module cảm biến mực nước

 Hoạt đông đóng ngắt của relay

 Gửi dữ liệu hiển thị lên LCD

 Cách lập trình trên Intel galileo

 Cách điều khiển động cơ

Phạm vi nghiên cứu:

 sử dụng Arduino để lập trình cho Galileo

 Không kết nối được với các thiết bị ngoại vi

 Đề tài chỉ thực hiện trên mô hình nuôi tôm giả định

4 Thông số giới hạn

 Cấp nguồn pin 9V cho board mạch intel galileo

 Không kết nối được với các thiết bị ngoại vi như điện thoại, remote

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý luận: thông qua việc đọc phân tích tài liệu cần thiết phục vụ cho đề tài… thu thập những tài liệu liên quan và hệ thống hóa cơ sở lý luận, đưa ra những quan điểm nghiên cứu cụ thể, rõ ràng, thuyết phục

Phương pháp tiếp cận môi trường: qua những khảo sát trong thực tiễn, nghiên cứu ứng dụng nhằm mang lại những lợi ích thiết thực, có tính ứng dụng cao và có khả năng phát triển mở rộng

PHẦN 2: NỘI DUNG CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Mô tả quá trình hoạt động

Hệ thống sẽ giám sát các thông số về nhiệt độ, mực nước, và cung cấp khi Oxy cho

ao tôm Dữ liệu sẽ được hiển thị trên LCD Hệ thống có chức năng bơm thêm nước vào ao khi mực nước thấp hơm quy định và hút nước ra ngoài khi mực nước cao

1.2 Board mạch intel galileo

Intel Galileo là bo mạch vi điều khiển đầu tiên mang kiến trúc của Intel, được thiết

kế để phần cứng và phần mềm có thể tương thích với các Arduino shields được thiết kế cho Arduino UNO R3 Intel Galileo có thể được lập trình bằng Arduino IDE

1.3 Cảm biến nhiệt đọ LM35

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu

ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu

cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho

ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ

Hình 1.2 Cảm biến LM35

Thông số kỹ thuật:

Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

Điện áp ra: -1V đến 6V

Công suất tiêu thụ là 60uA

Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C

1.4 Màn hình LCD 16x2

LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của Vi Điều Khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ…

Hình 1.3 Màn hình LCD

Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 5V

 Hiển thị tối đa 16 ký tự trên 2 dòng

Chức năng các chân của LCD

- Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

- Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

VCC = 5V của mạch điều khiển

- Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.bLogic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế

độ “đọc” - read) Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

- Chân 5: R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0”

để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

- Chân 6: E Là chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

DB0 Chân 7 DB0 14: DB0 DB0 DB7 DB0 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

- Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền

- Chân 16: GND cho đèn nền

1.5 Module cảm biến mực nước

Modle cảm biến mức nước đơn giản, dễ sử dụng, đo giá trị chính xác hơn các cảm biến đo mức nước khác bằng cách có một loạt các đường thẳng song song tiếp xúc với mức nước đo để xác định kích thước của mực nước Dễ dàng để chuyển giá trị nước sang analog, đầu ra có thể đưa trực tiếp vào board Arduino

có dòng điện chạy qua rơ le hay không

Hình 1.5 Relay trong thực tế

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp điều khiển: 12V

- Dòng điện cực đại: 10A

- Thời gian tác động: 10ms

- Thời gian nhả hãm: 5ms

- Nhiệt độ hoạt động: -45oC ~ 75Oc

Sơ đồ chân:

Hình 1.6 Sơ đồ chân của relay

- Chân 1 và chân 2 được nối vào cuộn hút, khi có điện vào cuộn hút sẽ hút tiếp điểm chuyển từ vị trí 4 xuống tiếp điểm 5

- Chân 3: đặt điện áp (nếu là loại Relay 12V thì đặt 12V DC vào đây)

- Chân 4, chân 5: tiếp điểm

Ứng dụng của rờ-le:

Nhìn chung, công dụng của rờ-le là "dùng một năng lượng nhỏ để đóng cắt nguồn năng lượng lớn hơn

- Rờ-le được dùng khá thông dụng trong các ứng dụng điều khiển động cơ và chiếu sáng

- Khi cần đóng ngắt nguồn năng lượng lớn, rờ-le thường được ghép nối tiếp Nghĩa là một rờ-le nhỏ điều khiển một rờ-le lớn hơn, và rơ-le lớn sẽ điều khiển nguồn công suất

1.7 Động Cơ Motor Mini V2 3-9VDC

Động cơ là thiết bị chuyển hóa một dạng năng lượng nào đó (thiên nhiên hoặc nhân tạo) thành động năng

Động cơ điện chuyển hóa điện năng thành động năng, Động cơ Diesel chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành động năng, Động cơ thủy lực biến đổi áp năng (áp suất thủy lực) thành động năng, Động cơ gió (cối xay gió) biến đổi năng lượng của gió thành động năng Động cơ mini Dùng chế oto đồ chơi, máy khoan mini Quạt nhỏ

Hình 1.7 Động Cơ Motor Mini V2 3-9VDC

Thông số kỹ thuật

- Động cơ chạy ổn định ở 3V

- Tốc độ: 3V 12.000r/Min

- Dòng tiêu thụ: 0.3-0.4A

1.8 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD

LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển? Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này cho bạn, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5

và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD

2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

Hình 1.8 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD

Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)

Trọng lượng: 5g

Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khôí

Hình 2.1 Sơ đồ khối

Giải thích chức năng các khối:

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện 9V cho board intel galileo

- Khối cảm biến: Cảm biến mực nước và nhiệt độ từ môi trường gửi cho khối xử lý

- Khối xử lý: Nhận tín hiệu từ cảm biến đem đi xử lý và hiển thị lại trên LCD từ đó điều khiển động cơ bơm và hút nước

- Khối hiển thị và điều khiển: Hiển thị giá trị nhiệt độ và mực nước lên LCD, điều khiển quạt quay cấp oxy cho nước và điều khiển việc điều chỉnh lượng nước trong

ao cho phù hợp

2.2 Sơ đồ kết nối mạch

Kết nối board intel galileo với relay và động cơ

Hình 2.2 Kết nối relay và động cơ

Sơ đồ kết nối với cảm biến LM35

Hình 2.3 kết nối với cảm biến LM35

So đồ kết nối với LCD và mạch chuyển đổi I2C

Hình 2.4 kết nối với LCD và mạch chuyển đổi I2C

Chân S của cảm biến mực nước nối với chân A2

const int Mucnuoc = A2;

int sensorPin = A0;

/* cam bien muc nuoc*/

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

void setup() { Serial.begin(9600);

void loop() { level = analogRead(Mucnuoc);

float temp = voltage * 100.0+25;

nhietdo = temp/100;

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Nhiet do:");

lcd.setCursor(10,0);

lcd.print(nhietdo);

lcd.setCursor(12,0);

digitalWrite(9,1);

digitalWrite(10,0);

delay(3000);

} else if (level>500&&level<700) {digitalWrite(9,0);

digitalWrite(10,0);

} else if (level > 700) {

digitalWrite(9,0);

digitalWrite(10,1);

delay(3000);

} }

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT

Hình 4.2 Khi khởi động hệ thống

Trường hợp mực nước đo được dưới 500 thì động cơ sẽ bơm nước vào ao tôm

Hình 4.3 mực nước đo được dưới 500

Trường hợp mực nước đo được trên 500 và dưới 700 thì động cơ sẽ không thực hiện vì đây

là mực nước phù hợp

Hình 4.4 Trường hợp mực nước đo được trên 500 và dưới 700

Trường hợp mực nước đo được trên 700 thì động cơ sẽ hút nước ra khỏi vào ao tôm

Hình 4.5 mực nước đo được trên 700

PHẦN 3 KẾT LUẬN

Trong thời gian làm đề tài với sự hạn chế về thời gian, tài liệu, cơ sở vật chất cũng như hạn chế về kiến thức đòi hỏi bản thân chúng em phải cố gắng tìm tòi và nhiệt tình trong công việc nghiên cứu đề tài Đó là kết quả của một thời gian dài nỗ lực nghiên cứu của chúng em dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn

Với đồ án này, bằng những kiến thức đã học, chúng em đã tìm hiểu và ứng dụng tạo

ra sản phẩm phục vụ cho cuộc sống Từ đó dẫn dắt chúng em làm quen với việc ứng dụng kiến thức đã học vào thực tế, tạo khả năng tự lập khi nghiên cứu một vấn đề nào đó Tuy nhiên trong quá trình làm việc chúng em không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong quý thầy cô thông cảm và chỉ bảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Đình Phú, Trương Ngọc Anh, Giáo Trình Vi Điều Khiển, khoa Điện-Điện

Tử, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013

[2] Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy, Lập trình IOT với Arduino, nhà xuất bản thanh niên

[3] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi Thị Tuyết Đan, Phù

Thị Ngọc Hiếu, Dương Thị Cẩm Tú, Giáo Trình Điện Tử Cơ Bản, khoa Điện-Điện tử,

trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013