Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh

Tháp trồng rau thông minh là một hệ thống tự động hóa được tạo ra để trợ giúp con người trong việc làm nông nghiệp Mô hình sẽ là một vườn rau được thiết kế dưới dạng tháp hình trụ nhiều tầng số tầng có thể thay đổi cho phép lắp đặt ở trong một căn phòng giải quyết được bài toán không gian Mỗi tầng của tháp có một chậu đất lớn được ghép từ các chậu đất nhỏ hình quạt cho phép người dùng có thể dễ dàng tháo rời các chậu đất Ngoài ra tháp có thể quay theo trục đứng giúp người dùng thu hoạch rau thuận tiện Việc sử dụng mô hình trồng rau thông qua phần mềm trên máy tính vô cùng đơn giản Người dùng chỉ cần nhập thông số chăm sóc cho từng loại cây thời gian tưới nước độ ẩm tối thiểu … rồi nạp dữ liệu xuống mô hình việc còn lại thì hệ thống sẽ từ động chăm sóc Người dùng cũng có thể điều khiển hệ thống một cách thủ công bằng cách kéo thả điểm làm việc tới vị trí cây xác định hệ thống sẽ di chuyển đầu công tác tới vị trí tương ứng rồi thực hiện các thao tác như tưới nước hay đo độ ẩm tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng Người dùng vẫn có thể can thiệp đến hệ thống khi muốn điều khiển trực tiếp hoặc cập nhật lại dữ liệu chăm sóc Nhược điểm của tháp trồng rau thông minh là khi áp dụng vào mô hình nông nghiệp nhỏ sẽ tiêu tốn nhiều điện năng Vấn đề này sẽ được khắc phục trong tương lai

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THÁP TRỒNG

RAU THÔNG MINH

Người hướng dẫn : TS NGUYỄN DANH NGỌC

Sinh viên thực hiện : HUỲNH TẤN BẢO

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THÁP TRỒNG RAU THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện:

ra tháp có thể quay theo trục đứng giúp người dùng thu hoạch rau thuận tiện Việc sử dụng

mô hình trồng rau thông qua phần mềm trên máy tính vô cùng đơn giản Người dùng chỉ cần nhập thông số chăm sóc cho từng loại cây (thời gian tưới nước, độ ẩm tối thiểu, …) rồi nạp dữ liệu xuống mô hình, việc còn lại thì hệ thống sẽ từ động chăm sóc Người dùng cũng

có thể điều khiển hệ thống một cách thủ công bằng cách kéo thả điểm làm việc tới vị trí cây xác định, hệ thống sẽ di chuyển đầu công tác tới vị trí tương ứng rồi thực hiện các thao tác như tưới nước hay đo độ ẩm tùy thuộc vào yêu cầu của người sử dụng Người dùng vẫn có thể can thiệp đến hệ thống khi muốn điều khiển trực tiếp hoặc cập nhật lại dữ liệu chăm sóc Nhược điểm của tháp trồng rau thông minh là khi áp dụng vào mô hình nông nghiệp nhỏ sẽ tiêu tốn nhiều điện năng Vấn đề này sẽ được khắc phục trong tương lai

1 Huỳnh Tấn Bảo 101140174 14CDT2 Cơ khí Cơ điện tử

2 Nguyễn Hữu Thọ 101140201 14CDT2 Cơ khí Cơ điện tử

1 Tên đề tài: “THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THÁP TRỒNG RAU THÔNG MINH”

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Huỳnh Tấn Bảo - Tìm hiểu một số loại hệ thống trồng rau ngoài thực tế và

TT Họ tên sinh viên Nội dung

1 Huỳnh Tấn Bảo Tìm hiểu code điều khiển

2 Nguyễn Hữu Thọ Hoàn thành thuyết minh

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a Phần chung:

1 Huỳnh Tấn Bảo Bản vẽ mạch điện 1A0

Bản vẽ sơ đồ khối 1A0

2 Nguyễn Hữu Thọ

b Phần riêng:

1 Huỳnh Tấn Bảo Bản vẽ tổng thể 1A0

Bản vẽ từng lắp 1A0

2 Nguyễn Hữu Thọ Bản vẽ sơ đồ động 1A0

Bản vẽ lưu đồ thuật toán 1A0

6 Họ và tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Danh Ngọc

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 01 /02 /2019

8 Ngày hoàn thành đồ án: 01 /06 /2019

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019

TS Nguyễn Danh Ngọc

LỜI NÓI ĐẦU

Để hoàn thành đồ án này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy em trong suốt qua trình học tập và rèn luyện tại trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Danh Ngọc người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, chu đáo để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng để thực hiện đồ án tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh nhất nhưng do thời gian đầu làm quen với thực tế cũng như hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên không thể tránh khỏi những sai sót nhất định.Em rất mong được sự giúp đỡ và chỉ dẫn của quý các Thầy giáo để đồ án chúng em có thể được hoàn thiện hơn nữa Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2019 Sinh viên thực hiện đồ án

Huỳnh Tấn Bảo Nguyễn Hữu Thọ

CAM ĐOAN

Kính gửi: - Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

- Khoa Cơ khí

Chúng tôi xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông

minh” là công trình nghiên cứu của chúng tôi Các tài liệu sử chúng tôi sử dụng trong đồ

án đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả được tính toán là hoàn toàn trung thực, nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của khoa và nhà trường

Sinh viện thực hiện

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 2

1.1 Giới thiệu về các hệ thống trồng rau sạch thông minh tại nhà 2

1.2 Mô hình tháp trồng rau thông minh 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ 5

2.1 Ý đồ thiết kế 5

2.2 Thiết kế 5

2.2.1 Tháp xoay 5

2.2.2 Cơ cấu cánh tay 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 21

3.1 Sơ đồ khối hệ thống 21

3.2 Linh kiện, thiết bị sử dụng 22

3.2.1 Arduino Mega (điều khiển trung tâm) 22

3.2.2 Cảm biến độ ẩm 23

3.2.3 Động cơ bước 25

3.2.5 Động cơ Servo 29

3.2.6 RTC DS1307 30

3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 32

3.4 Giao tiếp I2C 34

3.5 Giao diện điều khiển với máy tính 35

3.5.1 Giới thiệu về Visual Studio 35

3.5.2 Giao diện SAGT 36

3.6 Khối hiển thị 38

3.6.2 Cách điều khiển 39

3.7 Lưu đồ thuật toán 41

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 43

4.1 Kết quả đạt được 44

4.2 Hướng phát triển đề tài 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

PHỤ LỤC I: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN THÁP TRỒNG RAU 49

PHỤ LỤC II: CHƯƠNG TRÌNH GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN 63

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng 3 1 Thông số 3 động cơ bước 26

Hình 1 1 Hệ thống trồng rau sạch theo công nghệ AKISAI 3

Hình 1 2 Mô hình trồng rau Greenbot 3

Hình 1 3 Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình 4

Hình 2 1 Tháp chứa rau 6

Hình 2 2 Mâm xoay 6

Hình 2 3 Đế tháp rau 7

Hình 2 4 Bánh răng nhỏ 8

Hình 2 5 Bánh răng lớn 8

Hình 2 6 Phương pháp truyền động cho tháp rau 9

Hình 2 7 Nhôm định hình 20 × 40 10

Hình 2 8 Con lăn bi 10

Hình 2 9 Mặt trước bàn trượt 11

Hình 2 10 Bàn trượt và nhôm định hình 11

Hình 2 11 Bộ dây đai và pulley GT2 12

Hình 2 12 Mặt sau bàn trượt 13

Hình 2 13 Pulley căng đai 13

Hình 2 14 Nhôm định hình 20 × 20 mm 14

Hình 2 15 Một phần nhỏ của thanh răng 15

Hình 2 16 Thanh răng hoàn chỉnh 15

Hình 2 17 Miếng đỡ thanh răng 16

Hình 2 18 Cơ cấu bánh răng thanh răng của cánh tay 16

Hình 2 19 Gá đỡ cánh tay 17

Hình 2 20 Đồ gá động cơ servo 18

Hình 2 21 Đồ gá cảm biến đất và vòi tưới nước 18

Hình 2 22 Đầu công tác 18

Hình 2 23 Cơ cấu cánh tay 19

Hình 2 24 Khung đế 19

Hình 2 25 Mô hình tổng quát hệ thống trồng rau thông minh 20

Hình 3 1 Sơ đồ khối 21

Hình 3 2 Cấu tạo trên Arduino Mega 23

Hình 3 3 Cảm biến độ ẩm 23

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến độ ẩm đất 24

Hình 3 5 Kết nối cảm biến độ ẩm với Arduino 25

Hình 3 6 Động cơ bước 25

Hình 3 7 Driver TB6560 26

Hình 3 8 Module A4988 28

Hình 3 9 Động cơ servo 29

Hình 3 10 Module thời gian thực DS1307 30

Hình 3 11 Module I2C với LCD 31

Hình 3 12 Sơ đồ mạch điều khiển 33

Hình 3 13 Sơ đồ nguồn và tín hiệu đầu vào 33

Hình 3 14 Sơ đồ mạch cho hộp điều khiển 34

Hình 3 15 Đường truyền I2C và các thiết bị ngoại vi 35

Hình 3 16 Giao diện điều khiển hệ thống 36

Hình 3 17 Kết nối với cổng COM 37

Hình 3 18 Điều khiển đầu công tác 37

Hình 3 19 Khu vực cài đặt mùa vụ 38

Hình 3 20 Khu vực cài đặt thời gian tưới nước 38

Hình 3 21 Bảng điều khiển 39

Hình 3 22 Menu hiển thị thời gian 39

Hình 3 23 Menu các loại cây của mùa vụ 40

Hình 3 24 Menu cài đặt thông số cho từng loại cây 40

Hình 3 25 Menu thao tác thủ công với hệ thống 40

Hình 3 26 Lưu đồ thuật toán cho chương trình chính 42

Hình 3 27 Lưu đồ thuật toán điều khiển 43

Hình 4 1 Toàn bộ mô hình 45

Hình 4 2 Đế và khung 45

Hình 4 3 Cơ cấu cánh tay 46

Hình 4 4 Hộp chứa mạch điện 46

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1 SAGT – Smart and Automatic Garden Tower

2 IOT – Internet of Thing

3 MQTT - Message Queuing Telemetry Transport

4 FTDI - Future Technology Devices International

5 IC – Integrated Circuit

6 RTC – Real Time Clock

MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới công nghệ thông tin và điện tử ngày càng phát triển, đời sống của con người ngày càng được hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa, điều khiển từ xa ngày càng được tạo ra nhiều và ứng dụng vào cuộc sống hằng ngày của con người Do đó, nông nghiệp thông minh không còn là mơ ước của con người và nó đang dần trở thành hiện thực

Có thể nói, nước ta là một nước đang phát triển và nông nghiệp vẫn là sự lựa chọn hàng đầu Sự canh tác nông nghiệp xưa nay ở nước ta vẫn thực hiện một cách hoàn toàn thủ công làm tốn nhiều sức lực thậm chí là tiền bạc nhưng kết quả vẫn chưa cao

Với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật hiện nay thì ngành nông nghiệp trong tương lai sẽ có sự thay đổi lớn nhờ áp dụng công nghệ mới vào sản xuất Nó giúp mọi hoạt động trở nên tự động hóa hơn, con người ít phải bỏ công sức chăm sóc hơn nhưng vẫn đạt được thành quả cao trong sản xuất Chính vì vậy, chúng tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo tháp trồng rau thông minh” nhằm mong mọi người có thể tiếp cận và áp dụng khoa học – kỹ thuật trong nhiều lĩnh vực rộng rãi hơn

Đề tài nay gồm có 4 chương :

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Thiết kế và gia công cơ khí

Chương 3: Điện tử - lập trình

Chương 4: Kết luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về các hệ thống trồng rau sạch thông minh tại nhà

Trước kia khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển, chưa được ứng dụng vào nông nghiệp, người dân phải giám sát các điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm đất của vườn bằng thủ công như dùng nhiệt kế đã làm mất thời gian, sức lực và kinh phí của người dân Bên cạnh đó, an toàn thực phẩm cũng đang là một trong những vấn đề nhức nhối tại Việt Nam khi mà báo đài ngày nào cũng lên tiếng về vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm Nhất là vấn đề rau sạch Do đó nhiều người dân tại các đô thị tại Việt Nam đang tự trồng rau sạch tại nhà

Cũng chính vì thế mà các giải pháp và hệ thống trồng cây thông minh trong nhà cũng ngày càng được các nhà thiết kế chú trọng và đầu tư hơn Giờ đây, trồng rau tự động đang được mọi người tìm kiếm để giảm bớt công và thời gian chăm sóc nhờ hệ thống trồng thông minh hoàn toàn tự động theo lập trình sẵn Ngoài ra còn cung cấp rau sạch, an toàn để bào

vệ sức khỏe cho cả gia đình và giúp thanh lọc không khí

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó cùng với những kiến thức đã được học tại trường, nhóm tác giả mong muốn tạo ra một hệ thống tự động áp dụng trong nông nghiệp Điểm khác biệt của mô hình này với các cách thức sản xuất nông nghiệp hiện nay là phương thức chăm bón và tước nước được điều kiển từ xa và hoàn toàn tự động, tránh được sâu bệnh, nhờ vậy giảm được công sức cho người trồng và cho sản phẩm chất lượng vượt trội

Hiện nay, theo đà phát triển của khoa học – kỹ thuật, nhiều mô hình và hệ thống trồng rau sạch thông minh cũng đã được đưa vào sử dụng rộng rãi Điển hình như hệ thống nhà máy trồng rau theo công nghệ AKISAI – công nghệ sản xuất rau tự động hóa gần như hoàn toàn đã được tập đoàn FPT (Việt Nam) và tập đoàn Fujitsu (Nhật Bản) hợp tác giới thiệu tại Hà Nội sau hơn một năm hai bên bắt tay xây dựng mô hình Nhà sản xuất sẽ xây dựng nhà kính trồng rau quả với thiết bị cảm biến để đo chất lượng không khí, nhiệt độ, độ

ẩm và tự động tưới nước khi cần thiết Mọi dữ liệu đo đạc trong nhà kính được lưu trữ, phân tích để đưa ra giải pháp tối ưu cho việc chăm sóc cây của người nông dân, giúp tăng năng suất lao động, giảm chi phí canh tác Nhờ việc quản lý các dữ liệu điện tử, người nông dân ngồi ở đâu cũng có thể giám sát, điều chỉnh và thực hiện việc chăm bón cây trồng

Hình 1 1 Hệ thống trồng rau sạch theo công nghệ AKISAI

Tiếp theo cũng là một mô hình trồng rau sạch thông minh cũng khá phổ biến và tiện lợi, mô hình Greenbot Greenbot là một giải pháp trồng cây ứng dụng dựa trên nền tảng công nghệ IoT (Internet of Thing) thông minh và đơn giản, luôn theo dõi và lắng nghe các điều kiện môi trường cả bên ngoài lẫn bên trong giàn, nếu có bất kỳ thay đổi bất lợi nào sẽ thông báo trực tiếp tới người dùng qua ứng dụng trên smartphone, đồng thời đưa ra giải pháp giúp giải quyết các vấn đề về cây trồng, đảm bảo cây luôn phát triển tươi tốt

Hình 1 2 Mô hình trồng rau Greenbot

1.2 Mô hình tháp trồng rau thông minh

Từ những lợi ích và thuận tiện mà các hệ thống trồng rau sạch mang lại cho con người, chúng tôi quyết định thiết kế và chế tạo một mô hình trồng rau thông minh tại nhà

Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình được biểu diễn như hình 1.3

Hình 1 3 Sơ đồ khối sơ bộ của mô hình

Từ hình 1.3 cho ta cái nhìn tổng quát về cách vận hành của mô hình trồng rau thông minh Về ý tưởng, mô hình sẽ bao gồm một cơ cấu chứa rau và một cơ cấu chấp hành để thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra độ ẩm và tưới nước Để kiểm tra độ ẩm, chúng tôi sẽ sử dụng cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về khối điều khiển Tùy thuộc vào độ

ẩm yêu cầu của từng loại rau, khối điều khiển sẽ ra lệnh cho cơ cấu chấp hành tiến hành tưới nước hay là không Ngoài ra, người sử dụng còn có thể điều khiển mô hình một cách thủ công cũng như thiết lập thời gian cụ thể để hệ thống có thể tự động tưới nước và đo độ

ẩm của rau một cách có lịch trình bằng phần mềm trên máy tính

Mục đích cuối cùng của mô hình trồng rau thông minh là giúp người trồng rau tiết kiệm được thời gian và công sức chăm bón Ngay cả khi không có người ở nhà, hệ thống vẫn tự động chăm sóc rau theo lịch trình đã được định trước

Sau khi có ý tưởng cũng như cái nhìn tổng quát về mô hình, tiếp theo chúng tôi sẽ thiết kế cơ khí hệ thống

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG CƠ KHÍ

2.1 Ý đồ thiết kế

Như đã nói, mô hình trồng rau sạch thông minh có thể trồng rau trong nhà, ở trong phòng hoặc những nơi có diện tích khiêm tốn Vì vậy, vấn đề đặt ra ở đây là phải giải quyết được bài toán về không gian

Để không chiếm nhiều diện tích phòng, chúng tôi quyết định làm cơ cấu trồng rau theo dạng tháp trụ tròn Tháp được cấu thành từ nhiều tầng xếp chồng lên nhau, từ đó sẽ tăng được diện tích trồng trọt mà vẫn không chiếm thêm không gian của căn phòng Như vậy sẽ giải quyết được bài toán về không gian

Tháp sẽ chứa nhiều tầng, mỗi tầng của tháp thực chất là một giàn chứa những ô đất nhỏ để trồng rau Để người sử dụng thuận tiện trong việc thu hoạch cũng như bón phân hay thay đất, tháp sẽ được thiết kế có khả năng xoay tròn quanh trục đứng cố định

Tiếp theo, hệ thống sẽ có cơ cấu cánh tay để thực hiện việc đo độ ẩm và tưới nước cho rau Để thực hiện được điều đó, cơ cấu cánh tay phải có khả năng di chuyển lên xuống giữa các tầng và di chuyển tới lui để đến được các vị trí trồng rau Và cuối cùng, ở đầu công tác của cánh tay sẽ gắn cảm biến đo độ ẩm đất và vòi tưới nước

Sau khi đã có ý tưởng, chúng tôi sẽ tiến hành chọn phương án truyền động và thiết

kế mô hình

2.2 Thiết kế

2.2.1 Tháp xoay

Theo ý đồ thiết kế, ở đây chúng tôi quyết định thiết kế tháp gồm hai tầng, mỗi tầng

sẽ có bốn ô đất để trồng rau như hình 2.1 Khoảng cách giữa hai tầng là 50cm Trên mỗi tầng, chứa bốn ô đất hình quạt có chiều cao 10cm được ghép lại với nhau thành một ô đất lớn có đường kính 80 cm Ở giữa mỗi ô đất lớn để khoảng không gian có đường kính 28cm

để có thể lắp thêm tầng

Để tháp có thể quay tròn, chúng tôi chọn mâm xoay Mâm xoay có cấu tạo gồm hai phần, một phần sẽ bắt cố định vào khung đế (sẽ được thiết kế sau), phần còn lại gắn với đế của tháp rau, như vậy tháp rau có thể quay quanh trục đứng cố định Mâm xoay có hình dạng như hình 2.2

Hình 2 1 Tháp chứa rau

Hình 2 2 Mâm xoay

Để dễ dàng truyền động cho tháp rau quay tròn quanh trục cố định, chúng tôi quyết định bắt một tấm gỗ vào ngay dưới giàn một làm đế của tháp (hình 2.3) Mục đích là thay

vì làm quay tháp rau, chúng tôi sẽ truyền động làm quay tấm gỗ, lúc đó tháp rau sẽ quay theo

để giảm chi phí chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về độ bền

Vì tháp rau có thể lắp thêm tầng để tăng diện tích trồng trọt nên khá nặng, vì vậy cần momen truyền động lớn Do đó, chúng tôi thiết kế bộ truyền bánh răng với tỉ số truyền 1:8

để tăng momen quay cho tháp rau

Để phù hợp với kích thước của tháp rau, chúng tôi thiết kế bộ bánh răng ăn khớp với module là 5, số răng bánh nhỏ là 15 răng, bánh lớn là 120 răng Bánh răng nhỏ sẽ được gắn

trực tiếp với động cơ (hình 2.4) Bánh răng còn lại do kích thước lớn nên chúng tôi chia nhỏ ra thành 12 phần bằng nhau, mỗi phần nhỏ gồm 10 răng Sau đó lắp 12 phần nhỏ này lên tấm gỗ (hình 2.5)

Hình 2 4 Bánh răng nhỏ

Hình 2 5 Bánh răng lớn

Như vậy, chúng tôi đã thiết kế xong phần tháp rau (hình 2.6)

Hình 2 6 Phương pháp truyền động cho tháp rau

2.2.2 Cơ cấu cánh tay

a Bàn trượt

Để cánh tay có thể chuyển động lên xuống giữa các tầng, chúng tôi thiết kế một cơ cấu bàn trượt Cánh tay sẽ được gắn lên bàn trượt, khi chuyển động lên xuống, bàn trượt sẽ mang cánh tay di chuyển theo

Trước tiên, cần phải có trục trượt cho cánh tay Để phù hợp với kích thước mô hình hai tầng, chúng tôi chọn một thanh nhôm định hình kích thước 20 x 40, dài 1,2 m (hình 2.7) Nếu lắp thêm tầng, chúng ta cũng có thể nối thêm nhôm định hình một cách dễ dàng

Hình 2 9 Mặt trước bàn trượt

Hình 2 10 Bàn trượt và nhôm định hình

Mặt trước bàn trượt dùng để gắn bàn đỡ cánh tay, mặt sau để kết nối với phần truyền động Có nhiều phương án truyền động cho bàn trượt di chuyển lên xuống như truyền động bằng vít me, tang cuốn, … Tuy nhiên truyền động bằng vít me sẽ cho tốc độ chậm, lại tốn kém và khó khăn trong việc lắp thêm giàn trồng cây Còn tang cuốn thì khó chế tạo để đạt được tỉ số truyền ổn định và độ chính xác cũng sẽ không cao

Trong mô hình này, chúng tôi sử dụng truyền động đai răng vì cho tỉ số truyền ổn định và chính xác Hơn nữa dùng đai răng sẽ linh hoạt hơn trong việc lắp thêm tầng cho tháp

Bộ truyền động đai răng gồm một dây đai GT2 với bề rộng 6mm, dài 1,5 m và bộ pulley GT2 – 20 răng (gồm một pulley chủ động và một pully căng đai), trục 5mm (hình 2.11)

Hình 2 11 Bộ dây đai và pulley GT2

Để có thể liên kết bàn trượt vào bộ truyền đai răng này, chúng tôi đã thiết kế mặt sau bàn trượt có một bộ phận dùng để gắn dây đai (hình 2.12) Pulley chủ động GT2 sẽ được nối trược tiếp vào trục động cơ, pully căng đai sẽ được gắn với một gá đỡ trên đầu mút của thanh nhôm định hình (hình 2.13)

Như vậy, chúng tôi đã thiết kế xong bàn trượt để mang cánh tay di chuyển lên xuống giữa các tầng bằng cơ cấu truyền động dùng đai răng

Hình 2 12 Mặt sau bàn trượt

Hình 2 13 Pulley căng đai

b Cánh tay

Sau khi đã thiết kế xong bàn trượt, bước tiếp theo là thiết kế cánh tay Theo ý tưởng ban đầu, cánh tay sẽ di chuyển tiến tới và lui ra so với tháp trồng rau Để thực hiện được điều đó, cách đơn giản nhất mà vẫn đảm bảo được tính hiệu quả của cánh tay là dùng bộ truyền động bánh răng thanh răng biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của cánh tay

Để đảm bảo cho độ cứng vững khi di chuyển, chúng tôi chọn một thanh nhôm định hình kích thước 20 × 20 mm (hình 2.14), dài 50 cm làm cánh tay

Hình 2 14 Nhôm định hình 20 × 20 mm

Để phù hợp với kích thước cánh tay, cơ cấu truyền động bánh răng thanh răng cho cánh tay được thiết kế với một bánh răng có module 5, gồm 10 răng và thanh răng gồm 30 răng Vì thanh răng có kích thước lớn hơn so với bàn máy in 3D nên chúng tôi chia nhỏ thanh răng ra làm ba phần bằng nhau, mỗi phần gồm 10 răng (hình 2.15) Sau khi chế tạo xong, ta lắp ba phần của thanh răng lên nhôm định hình, ta được một thanh răng hoàn chỉnh (hình 2.16)

Hình 2 15 Một phần nhỏ của thanh răng

Hình 2 16 Thanh răng hoàn chỉnh

Để thanh răng trượt trên phương ngang một cách dễ dàng và trơn tru nhất, chúng tôi

đã thiết kế thêm một miếng đỡ dùng con lăn bi (đã giới thiệu ở hình 2.8) Miếng đỡ được biểu diễn ở hình 2.17

Bánh răng ăn khớp với thanh răng được nối trực tiếp với trục động cơ Cơ cấu truyền động bánh răng thanh răng của cánh tay như hình 2.18

Hình 2 17 Miếng đỡ thanh răng

Hình 2 18 Cơ cấu bánh răng thanh răng của cánh tay

c Gá đỡ cánh tay

Để bàn trượt có thể mang cánh tay di chuyển lên xuống cần phải có gá đỡ để cố định cánh tay vào bàn trượt Gá được thiết kế như hình 2.19 Gá dùng để gắn động cơ, bộ truyền động bánh răng thanh răng, miếng đỡ thanh răng và công tắc hành trình cho cánh tay

Hình 2 19 Gá đỡ cánh tay

d Đầu công tác

Phần cuối cùng của cơ cấu cánh tay là đầu công tác Tùy thuộc vào các công việc được yêu cầu mà đầu công tác có thể có nhiều kết cấu, hình dạng và kích thước khác nhau Trong mô hình này đầu công tác có nhiệm vụ đo độ ẩm và tưới nước, do đó chúng tôi đã thiết kế một cơ cấu hai đầu công tác Một đầu gắn cảm biến đo độ ẩm đất, đầu còn lại gắn vòi tưới nước

Để chọn đầu công tác để thực hiện công việc phù hợp, chúng tôi chọn động cơ RC Servo MG995 có giới hạn quay là 180 độ Bên cạnh đó cần phải thiết kế đồ gá để gắn động

cơ lên cánh tay (hình 2.20) và đồ gá cảm biến đất, vòi tưới nước lên trục động cơ (hình 2.21) Vậy là đã thiết kế xong đầu công tác của cánh tay (hình 2.22)

Hình 2 20 Đồ gá động cơ servo

Hình 2 21 Đồ gá cảm biến đất và vòi tưới nước

Hình 2 22 Đầu công tác

Tổng quát cơ cấu cánh tay được biễu diễn như hình 2.23

Hình 2 23 Cơ cấu cánh tay

e Khung đế

Khung đế dùng để cố định vị trí phần tháp rau và cơ cấu cánh tay, giúp toàn bộ hệ thống thêm vững chãi và chắc chắn Khung đế được thiết kế như hình 2.24

Hình 2 24 Khung đế

Đến đây cơ bản đã hoàn thành việc thiết kế cơ khí cho hệ thống Kích thước mô hình tổng quát sau khi thiết kế sẽ chiếm diện tích 1,5 × 1,5 m, rất phù hợp với việc trồng rau sạch tại nhà Mô hình tổng quát của hệ thống được biểu diễn như hình 2.25

Hình 2 25 Mô hình tổng quát hệ thống trồng rau thông minh

Tiếp theo, để cho mô hình hoạt động theo yêu cầu đã đặt ra, chúng tôi cần phải tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp trồng rau Phần thiết kế hệ thống điều khiển sẽ được trình bày trong chương 3

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 3 1 Sơ đồ khối

Khối điều khiển trung tâmsử dụng Arduino để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ Arduino giao tiếp với máy tính và khối điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp UART Arduino là một nền tảng mã nguồn mở được lập trình trong môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino Các chương trình Arduino được viết bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Khối nguồn sử dụng nguồn tổ ong 24V-10A để cung cấp cho phần động lực (drive TB6560 điều khiển động cơ bước 57mm) và adapter 12V để cấp nguồn cho Arduino Sử dụng module hạ áp DC-DC LM2596 3A để chuyển nguồn 24V từ nguồn tổ ong xuống 5V cho động cơ servo và module hạ áp DC-DC XL4015 5A hạ áp 24V xuống 12V cho 2 drive động cơ bước A4988 và module relay điều khiển động cơ bơm nước

Khối chấp hành có chức năng điều khiển 3 động cơ bước, 1 động cơ servo và 1 động

cơ bơm nước Để điều khiển động cơ bước cần thông qua driver, sử dụng 2 driver A4988

để điều khiển 2 trục x, z và 1 driver TB6560 điều khiển trục y Điều khiển động cơ bơm nước thông qua module relay 5V

Đầu vào sử dụng cảm biến đo độ ẩm đất để xác định độ ẩm cho việc tưới nước Sử dụng công tắc hành trình để xác định vị trí home cho hệ thống

Khối hiển thị gồm 1 Arduino giao tiếp với LCD và DS1307 thông qua giao tiếp I2C Arduino này giao tiếp với Arduino trung tâm thông qua giao tiếp UART Sử dụng các nút bấm để chọn các menu hiển thị trên LCD

Các linh kiện được đề cập trong phần này sẽ được giới thiệu trong phần 3.2

3.2 Linh kiện, thiết bị sử dụng

3.2.1 Arduino Mega (điều khiển trung tâm)

a Thành phần Arduino Mega

Arduino Mega2560 là một vi điều khiển sử dụng ATmega2560 Cấu tạo của Arduino bao gồm:

+ 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)

+ 16 đầu vào analog

+ 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng)

b Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega

Arduino Megas có sơ đồ cấu tạo như các hình 3.2

− IC so sánh: LM393

− VCC: 3.3V-5V

− GND: 0V

− DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

− AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

b Nguyên lý hoạt động

Theo sơ đồ mạch nguyên lý hình 3.4

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý cảm biến 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 chân digital của Arduino để phát hiện cao và thấp, và từ đó đo được độ ẩm của đất Đầu ra analog A0 có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ

ẩm của đất

c Kết nối với Arduino

Hình 3 5 Kết nối cảm biến độ ẩm với Arduino

3.2.3 Động cơ bước

a Giới thiệu

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa

số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết

Hình 3 6 Động cơ bước

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng

số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

b Thông số động cơ được sử dụng

Trong đề tài này, sử dụng 3 động cơ bước có các thông số như sau:

Bảng 3 1 Thông số 3 động cơ bước

Tên động cơ M [Nm] I [A] U [V] Tốc độ góc [v/ph] Truyền động

trục x

Nema 17 32mm

Truyền động

trục z

Nema 17 48mm

Mạch TB6560 có khả năng điều khiển các chế độ: full step, half step, vi bước (1/8

và 1/16 step) Các chế độ được set bởi phần cứng như:

+ Running Current (tùy chỉnh dòng): 0,3-3A (SW1, SW2, SW3, S1)

+ Decay (Hạn dòng cho motor): khi cấp điện cho cuộn dây motor qua cầu H bên trong

IC thì sẽ có dòng điện chạy qua, ví dụ quy định dòng là 1A thì khi đến dòng 1A IC nó ngưng không cấp điện nữa, dòng điện tụt xuống, nó lại cấp tiếp cứ vậy Chu kỳ cấp rồi ngưng phụ thuộc vào dao động nội bên trong IC, dao động này thay đổi bằng cách thay đổi giá trị tụ C5, trong mạch dùng tụ 330pF, dao động là 130khz, thay tụ 100pF thì dao động

là 400khz, tần số càng cao thì IC kiểm tra sự thay đổi dòng càng nhanh, hình dung đại khái thì càng nhanh càng mịn 0%, 25%, 50%, 100%

+ Excitation: đặt vi bước cho mạch driver Ví dụ motor 1,8 độ set (1) thì 1 xung ngoài vào chân step sẽ quay 1,8 độ, 200 xung sẽ quay 1 vòng Set 1/2, 1/8, 1/16 thì 1 xung vào sẽ quay 1/2, 1/8, 1/16 của 1,8 độ

Mạch TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V-DC hoặc 24V-DC cấp cho động cơ bước hoạt động

Các tín hiệu điều khiển gồm 6 chân: EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+

+ EN-, EN+: Tín hiệu cho phép/không cho phép modul hoạt động

+ CW-, CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ

+ CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ

+ Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, mạch TB6560 cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1

+ Switch cho phép người dùng thiết lập các chế độ tùy chọn như chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước

+ Khối động cơ gồm 4 chân: A+, A-, B+, B- cho phép kết nối với 4 đầu dây của động

cơ bước lưỡng cực

+ Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A

+ Có 5 chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước

+ Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5

+ Tự động ngắt điện khi quá nhiệt

+ Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR

+ Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước (hoặc vi bước)

+ Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau

+ Kết nối giữa một vi điều khiển nói chung với A4988

+ Kết nối giữa A4899 với Board Arduino

Hình 3 8 Module A4988

3.2.5 Động cơ Servo

a Giới thiệu

Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt Không giống như động cơ thông thường

cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển (bằng xung PWM) với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0o - 180o

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động

cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp

về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ,

cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

b Điều khiển

Động cơ servo là loại động cơ cho phép ta điều khiển một cách cực kì chính xác Vì vậy, khác với động cơ thông thường ta chỉ cần cấp nguồn cho động cơ là có thể vận hành được Động cơ servo yêu cầu ta phải cấp nguồn (2 dây) và nhận điều khiển từ mạch chính (1 dây), mỗi dây thường được đánh màu như sau:

+ Đỏ: nhận điện nguồn, tuỳ vào loại động cơ mà giá trị này có thể khác nhau + Đen: nối với cực âm của mạch

+ Vàng: nhận tín hiệu từ mạch điều khiển

Hình 3 9 Động cơ servo