ĐỒ ÁN HỆ THỐNG NHÚNG

Nội dung thuyết minh, tính toán: - Xây dựng mạch và các thiết bị cho hệ thống - Hệ thống cho phép cài đặt và hiển thị thông số về lượng thức ăn, nước uống trên mànhình LCD - Tự động cung

MỤC LỤC

TRƯỜNG ĐHKTCN

KHOA ĐIỆN TỬ

Tin học Công nghiệp

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -o0o -

PHIẾU GIAO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Môn học: Hệ thống nhúng Bộ môn: Tin Học Công Nghiệp

Sinh viên

Lớp:

Ngành : Tin Học Công Nghiệp

1.Tên đề tài: Xây dựng hệ thống cung cấp thức ăn, nước uống cho chuồng nuôi gia cầm cho phép điều khiển từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại di động.

2 Nội dung thuyết minh, tính toán:

- Xây dựng mạch và các thiết bị cho hệ thống

- Hệ thống cho phép cài đặt và hiển thị thông số về lượng thức ăn, nước uống trên mànhình LCD

- Tự động cung cấp thức ăn, nước uống theo ngưỡng đặt

- Xây dựng chương trình ứng dụng trên điện thoại di động để theo dõi các thông số thức

ăn, nước uống và điều khiển các thiết bị trong hệ thống

3 Các bản vẽ, chương trình và đồ thị:

- Các bản vẽ trong đồ án phải rõ nét, bản vẽ nguyên lý đầy đủ in khổ A3 (đóng cuốn báo cáo)

- Sơ đồ nguyên lý vẽ trong Altium Designer, Proteus hoặc OrCAD

- Nộp báo cáo đính kèm 1 đĩa CD, có: Thuyết minh (bản word), toàn bộ project bản vẽmạch, tài liệu tham khảo (để 1 thư mục riêng)

- Yêu cầu sản phẩm phải được đóng gói thành phẩm

Thông qua phần

Xác định yêu cầu Thông qua phầnThiết kế Xây dựng hệ thốngThông qua phần Đồng ý cho bảo vệ

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2020

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM

Thái Nguyên, ngày….tháng… năm 2020

GIÁO VIÊN CHẤM

(Ký ghi rõ họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, việc mở chuồng gà chăn nuôi của các hộ gia đình ngàycàng tăng lên với quy mô vừa và nhỏ Việc thiết kế chuồng gà chăn nuôi rất là tốt, nhưng lạitối rất nhiều thời gian và sức lực của con người vào chuồng gà ấy Để giảm thiểu thời gian vàsức lực con người thì cần có sự giúp sức từ công nghệ , hiện nay các chuồng gà đã được lắpcác hệ thống điều khiển thông minh Theo xu hướng phát triển đó, chúng em quyết định lựa

chọn thực hiện nghiên cứu đề tài : Xây dựng hệ thống cung cấp thức ăn, nước uống cho chuồng nuôi gia cầm cho phép điều khiển từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại di động.”

Ngoài việc hoàn thành đồ án môn học với những công việc trên đây thì nó còn có ý nghĩarất sâu sắc đối với sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được thực hành những kiếnthức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp , được sửdụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên trang giấy Trong quá trình tiếnhành không thể không gặp những khó khăn vấp phải, do đó kích thích sinh viên tư duy sinhviên để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận với thầy cô và bạn bè

Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đềtài không thể tránh khỏi những thiếu sót Dó đó rất mong sự chỉ dẫn thêm của thầy cô cũngnhư những ý kiến, đóng góp của các bạn sinh viên

Hi vọng đề tài này sẽ là cơ sở nghiên cứu cho các bạn có sở thích và niềm đam mê với điện

tử có thể phát triển và mở rộng hơn nữa các chức năng mới

Xin chân thành cảm ơn.

CHƯƠNG I: YÊU CẦU BÀI TOÁN 1.1 Đặt vấn đề:

Vấn đề nghiên cứu: Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiệnđại nên nhu cầu về các thiết bị điều khiển từ xa ngày càng cao Ngay cả trong lĩnh vựcnông nghiệp nói chung và trong chăn nuôi nói riêng Và những sản phẩm có hệ thốngdây cáp phức tạp không thể đáp ứng được nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chậthẹp, ở những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển vì vậy công nghệ khôngdây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo ra rất nhiều thuận lợi cho con người trong đờisống hằng ngày

Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận không dây đang có những bướcphát triển mạnh mẽ, góp công lớn cho việc phát triển các hệ thống điều khiển, giámsát từ xa trong tất cả các lĩnh vực Hiện nay có rất nhiều công nghệ truyền nhận dữliệu không dây như: Bluetooth, NFC, Internet, Wifi,… Trong đó, Bluetooth là mộttrong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cải tiến để nâng cao tốc

độ

Trên thị trường Việt Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩm được điều khiển bằng thiết

bị không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều nhập khẩu từ nước ngoài với giáthành cao Đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp , việc nghiên cứu và thiết kế một bộsản phẩm điều khiển bằng thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn, giúp đỡ rất nhiềucho người nông dân, giúp họ giảm được nhiều khối công việc phải làm vì nó hoàntoàn tự động và được điều khiển từ xa Sản phẩm được sản xuất trong nước với thiết

kế nhỏ gọn, giá thành rẻ và rất dễ sử dụng, giúp người sử dụng tiết kiệm được thờigian làm việc, góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh Vì thế, để tạonền tảng, tăng thêm hiểu biết cũng như vận dụng đi vào thực tế chúng em đã lựa chọn

đề tài: Xây dựng hệ thống cung cấp thức ăn, nước uống cho chuồng nuôi gia cầm cho phép điều khiển từ xa thông qua ứng dụng trên điện thoại di động.

1.2 Yêu cầu kỹ thuật:

- Chức năng của hệ thống:

+ Tự động cung cấp thức ăn cho gà

+ Tự động cung cấp nước uống cho gà

+ Có thể cài đặt lượng thức ăn, nước uống theo nhu cầu sử dụng

+ Có thể kết nối và điều khiển qua Bluetooth và hiển thị dữ liệu lên

màn hình điện thoại sử dụng hệ điều hành android

- Đặc tính kỹ thuật:

+ Nhỏ gọn phù hợp với những nơi có không gian hẹp như các hộ giađình thành phố, có thể đặt trên sân thượng

+ Lượng nước và thức ăn dự trữ được trong 7 ngày

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG VÀ TRIỂN KHAI MÔ HÌNH HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI LƯỢNG THỨC ĂN NƯỚC UỐNG CHUỒNG NUÔI GIA CẦM

2.1 Mô hình tổng quan:

Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của bài toán ta xây dựng mô hình tổng quan cho hệ thốngchăn nuôi tự động như sau:

Hình 2 1.Sơ đồ khối của hệ thống

Chức năng của các khối trong sơ đồ:

Khối cảm biến siêu âm: Sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04 Dùng để thu thập các

tín hiệu về mực nước gửi về VĐK

Khối cảm biến trọng lượng: Sử dụng cảm biến trọng lượng loadcell 5kg YZC – 133.

Dùng để ghi dữ liệu khối lượng dưới dạng điện áp, qua bộ chuyển đổi tín hiệu vềVĐK

Khối nút bấm: Sử dụng nút bấm Nút Nhấn Dùng để điều chỉnh cài đặt lượng thức

ăn

Khối VĐK: Sử dụng vi điều khiển Arduino UNO R3 Clone Có chức năng tiếp nhận

và xử lý thông tin từ các khối đầu vào Và đưa ra tín hiệu cho các khối đầu ra

Khối nguồn: Sử dụng Nguồn adapter 5V2A Cung cấp nguồn cho hệ thống.

Khối hiển thị: Sử dụng màn hình LCD1602 xanh lá Dùng để hiển thị dữ liệu.

Máy bơm: sử dụng động cơ Máy Bơm Mini 6-12V MB385

Động cơ: sử dụng Động cơ Servo SG90 (Góc Quay 180)

Khối giao tiếp : sử dụng module Bluetooth HC-05 Dùng để giao tiếp truyền nhận tín

hiệu qua lại giữa VĐK với thiết bị Android

2.2 Sơ đồ thuật toán

Hình 2 2 Sơ đồ thuật toán

2.3 Thiết kế mạch :

2.3.1 Mô hình mạch tổng quan

Hình 2 3: mạch được mô phỏng trên proteus

2.3.2 Cách thức hoạt động của các linh kiện

1 Vi điều khiển arduino

Hình 2 4: Arduino UNO R3 Clone - With USB Cable)

Chức năng của Arduino Uno R3 :

● Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vậntốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyểnđộng, phát hiện kim loại, khí độc,…),…

● Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…)

● Các module chức năng (shield) hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hoặccác kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz,2.4Ghz,…), …

● Định vị GPS, nhắn tin SMS,…

Sơ đồ chi tiết của Uno R3:

Hình 2 5: Sơ đồ cấu trúc Arduino Uno R3

Cầm board mạch trên tay, thông qua sơ đồ cấu trúc, chúng ta sẽ biết vùng cấp nguồn,các chân digital, chân analog, đèn báo hiệu, reset … trên đó

2 Cảm biến siêu âm HC-SR04

Hình 2 6: cảm biến siêu âm HC-SSR04

Sơ đồ chân:

Chân Echo là một pin đầu ra.Chân này sẽ trả về tín hiệu xungkhi sóng siêu âm phản xạ lại Đo độ rộng xung này ta sẽ tính rakhoảng cách từ cảm biến đến vật cản

4 GND Chân nối đất của cảm biến

● Góc đo được bao phủ: <15 °

● Dòng điện hoạt động: <15mA

● Tần số hoạt động: 40Hz

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm sử dụng các xung của âm thanh siêu âm (âm thanh trên phạm vithính giác của con người) để phát hiện khoảng cách giữa chúng và vật thể rắn lân cận.Thiết bị hoạt động như sau:

1 Một xung ở mức cao (5V) trong thời gian ít nhất 10 μs (10 micro giây) đượcđưa vào chân Trigger

2 HC-SR04 đáp ứng bằng cách truyền một chùm tám xung với tần số 40 KHz.Mẫu 8 xung này làm “chữ ký siêu âm” từ thiết bị duy nhất này, cho phép bộthu phân biệt giữa mẫu được truyền và tạp âm siêu âm

3 Tám xung siêu âm di chuyển qua không khí cách xa bộ phát Trong khi đó,chân Echo lên mức cao để bắt đầu hình thành sự khởi đầu của tín hiệu dộingược

4 Nếu xuân này KHÔNG phản xạ về thì tín hiệu Echo sẽ hết thời gian chờ sau

38 ms (38 mili giây) và trở về mức thấp Việc tạo ra xung 38ms cho biếtkhông có chướng ngại vật nào trong phạm vi của cảm biến

5 Nếu xung được phản xạ trở lại, chân Echo sẽ xuống thấp khi nhận được tínhiệu Điều này tạo ra một xung có độ rộng thay đổi từ 150 μs đến 25 ms, tùythuộc vào thời gian nhận tín hiệu

6 Chiều rộng của xung nhận được được sử dụng để tính toán khoảng cách đếnđối tượng được phản xạ Xung cho biết thời gian cần để tín hiệu được gửi đi

và phản xạ lại để có khoảng cách cần phải chia kết quả của mình thành mộtnửa

Sơ đồ mạch

Hình 2 7: sơ đồ nối chân của cảm biến siêu âm

Cách nối chân cảm biến với VĐK

Trong các kết nối mạch, các chân “trigger” và “echo” của module cảm biếnsiêu âm được kết nối trực tiếp với chân 8 và 9 của Arduino Màn hình LCD 16×2 đượckết nối với Arduino ở chế độ 4 bit Các chân điều khiển RS, RW và E được kết nốitrực tiếp với chân 7, GND và 6 của Arduino Các chân dữ liệu D4-D7 được kết nối với

2, 3, 4 và 5 của Arduino

Trước hết chúng ta cần phải kích hoạt các mô-đun cảm biến siêu âm để truyền tín hiệubằng cách sử dụng arduino và sau đó chờ đợi để nhận ECHO Arduino đọc thời giangiữa kích hoạt và nhận ECHO Chúng ta biết rằng tốc độ của âm thanh là khoảng

Khoảng cách = (thời gian di chuyển* tốc độ của âm thanh) / 2

Tốc độ âm thanh khoảng 340m mỗi giây

Màn hình LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị khoảng cách

3 Cảm biến trọng lượng.

Hình 2 8: Cảm Biến Loadcell 5kg

Cấu tạo của một Loadcell:

Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không gỉ được xử

lý đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage Khi vật chứng bị biến dạng dưới tácdụng của trọng lượng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bị tácđộng

Strain gage hay còn gọi là cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất(thường dùng hợp kim của Niken) có chiếu dài l và có tiết diện S, được cố định trênmột phiến cách điện như hình sau:

Hình 2 9: Cấu tạo Strain gage

Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng Strain gage, người ta dán chặt strain gage lêntrên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng.Các strain gage được dùng để đo lực, đo momen xoắn của trục, đo biến dạng bề mặtcủa chi tiết cơ khí, đo ứng suất,…và được dùng để lắp mạch cầu Wheatstone để chếtạo ra các loadcell

Độ lệch tuyến tính (%) 0.05

Ảnh hưởng nhiệt độ tới độ nhạy %RO/ độ C 0.003

Ảnh hưởng nhiệt độ tới điểm không %RO/ độ C 0.02

Bảng 4: Thông số kỹ thuật cảm biến loadcell 5kg

Vì tín hiệu đầu ra của loadcell là một tín hiệu analog (đơn vị: mV) nên đểarduino UNO R3 kết nối được với loadcell ta cần kết nối thông qua module chuyểnđổi ADC 24bit HX711

Module chuyển đổi ADC 24bit HX711 được sử dụng để lấy dữ liệu có thể đođược từ loadcell và strain gage(giải thích thuật ngữ này)

Hình 2 10: Mạch Chuyển Đổi ADC 24bit Loadcell HX711

Đây là mạch đọc giá trị cảm biến loadcell với độ phân giải 24bit và chuyển sang giaotiếp 2 dây ( clock và data ) để gửi dữ liệu cho vi điều khiển

● Độ phân giải điện áp : 40mV

● Kích thước : 38 x 21 x 10 mm

Sơ đồ chân HX711

Hình 2 11: Sơ đồ chân HX711.

Cách kết nối loadcell với HX711:

Bộ khuếch đại loadcell HX711 chấp nhận năm dây từ loadcell Các chân này được dánnhãn bằng màu sắc; đỏ, đen, trắng, xanh và vàng Các màu này tương ứng với mã màuthông thường của các loadcell, trong đó các dây màu đỏ, đen, xanh và trắng đến từmáy đo biến dạng trên loadcell và màu vàng là một dây nối đất tùy chọn không đượcnối với máy đo biến dạng nhưng có nối đất bất kỳ nhỏ bên ngoài EMI (nhiễu điện từ).Đôi khi thay vì dây màu vàng, có dây màu đen lớn hơn, lá hoặc dây quấn giấy bạc đểche chắn dây tín hiệu để giảm EMI

Mỗi loadcell có bốn đồng hồ đo biến dạng được nối trong một đội hình cầuwheatstone như dưới đây

Hình 2 12: Hệ thống dây trong loadcell

Bốn đồng hồ đo biến dạng (SG1 đến 4) được nối với nhau trong đội hình cầuwheatstone

Bốn dây đi ra từ cầu wheatstone trên loadcell thường là:

Output+ (O+), Signal+ (S+), or Amplifier+ (A+) Trắng

Bảng 5: Màu các dây của loadcell

Một số loadcell có thể có một chút thay đổi trong mã hóa màu như xanh lam thay vìxanh lục hoặc vàng thay vì đen hoặc trắng nếu chỉ có bốn dây (có nghĩa là không códây nào được sử dụng làm bộ đệm EMI) Bạn có thể phải suy luận một chút từ cácmàu mà bạn có hoặc kiểm tra biểu dữ liệu trên loadcell, nhưng nói chung bạn sẽthường thấy các màu này

Nếu số đọc từ HX711 trái ngược với mong đợi (ví dụ: các giá trị giảm khi tăng trọnglượng) chỉ cần đảo ngược dây O + / O-

Hình 2 13: Sơ đồ của bộ khuếch đại HX711 được kết nối với arduino

Cách kết nối Loadcell với VĐK :

Bước 1: nối chân loadcell với hx711

1 Dây màu đỏ nối với chân E+

2 Dây màu đen nối với chân

E-3 Dây màu xanh nối với chân A+

4 Dây mày trắng nối với chân

A-Bước 2: nối chân HX711 với Arduino

2.nối chân CLK với chân SCK( chân 13)

3 nối chân GND/DO với chân GND

4.nối chân VCC vào chân 5V

4 Module Blutooth HC-05

Hình 2 14: Module Bluetooth HC 05

1 RXD Dùng để nhận dữ liệu từ điện thoại Android về hệ thống

2 TXD Dùng để truyền dữ liệu từ hệ thống đến điện thoại

Android

3 Vcc Dùng để cấp nguồn cho module bluetooth HC-05

4 GND Chân nối đất của module Bluetooth HC-05

Sơ đồ kết nối :

Hình 2 15: Sơ đồ nối chân Arduino với module Bluetooth HC-05

Cách kết nối :

- Chân TX của module Bluetooth HC-05 nối với chân RX của Aduino

- Chân RX của module Bluetooth HC-05 nối với chân TX của Aduino

- Chân Vcc của module Bluetooth HC-05 nối với dương nguồn 5V của Aduino

- Chân GND của module Bluetooth HC-05 nối với chân âm nguồn của Aduino

Chú ý : khi nạp code vào Aduino phải rút chân TX,RX nối vào Aduino ra mới có thểnạp code được

5 Màn hình LCD

Sơ đồ kết nối:

Hình 2 16: Sơ đồ nối chân của LCD

Các kết nối được thực hiện cho màn hình LCD được đưa ra dưới đây:

● Bốn chân dữ liệu D4 đến D7 được kết nối với bốn chân (0 đến 3) củaArduino

● Chân chọn thanh ghi RS (Register Select) và chân cho E (Enable) chân đượckết nối với chân 4 và chân 5 của Arduino

● Chân VSS của màn hình LCD được nối đất trong khi chân VDD được kếtnối với nguồn điện áp 5V

● V0 của LCD được kết nối với biến trở 10KΩ để thay đổi độ sáng của mànhình LCD Nếu không cần chỉnh độ tương phản của LCD thì chân này đượcnối đất

● Chân RW được kết nối với mặt đất

Với sơ đồ mạch được kết nối như ở trên chúng em đang kết nối 6 chân của LCD đểđiều khiển trong đó 4 chân là chân dữ liệu và 2 chân để điều khiển

6 Động cơ Servo SG90 (Góc Quay 180)