TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

VÀ TRUYỀN THÔNG VIỆT - HÀN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƢỚI CÂY

TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG ARDUINO

TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN THÔNG

Sinh viên thực hiện : Trần Hồng Chung

Mã sinh viên : K12C08065

Giảng viên hướng dẫn : ThS. Trần Thị Trà Vinh

Khóa đào tạo : 2018 - 2021

Đà Nẵng - 01/2021

1

LỜI NÓI ĐẦU

1. Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài

Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vi điều

khiển AVR và vi điều khiển PIC ngày càng thông dụng và hoàn thiện

hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện củaArduino vào năm 2005 tại

Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự xuất hiện của

Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình và thiết kế,

nhất là đối với những người bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà

không có quá nhiều kiến thức, hiểu biết sâu sắc về vật lý và điện tử.

Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và

là mã nguồn mở. Ngôn ngữ lập trình trên nền Java lại vô cùng dễ sử

dụng tương thích với ngôn ngữ C và hệ thư viện rất phong phú và

được chia sẻ miễn phí. Chính vì những lý do như vậy nên Arduino

hiện đang dần phổ biến và được phát triển ngày càng mạnh mẽ trên

toàn thế giới.

Trên cơ sở kiến thức đã học trong suốt quá trình ở trường…

cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, em đã quyết định

thực hiện đề tài: Thiết kế hệ thống tƣới cây tự động sử dụng

Arduino.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

– Tìm hiểu về các hệ thống tưới cây tự động.

– Tìm hiểu và arduino.

– Tìm hiểu về hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino.

– Thiết kế thi công hệ thống tứi cây tự động sử dụng arduino.

– Kiểm tra đánh giá tính ứng dụng của đề tài.

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

– Nghiên cứu về kích thướt mô hình hệ thống tưới cây tự động

sử dụng arduino.

– Nghiên cứu sử dụng arduino uno r3 trong hệ thống.

2

– Tập trung nghiên cứu dùng cảm biến độ ẩm đất làm tín hiệu

chủ động để hệ thống hoạt động.

– Sử dụng các nề tảng có sẵn và sử dụng các thư viện mở để

phát triển sản phẩm.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

Trong đề tài này em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

– Phương pháp tham khảo tài liệu: thu thập thông tin từ nhiều

nguồn sách, báo, tạp chí, và cổng thông tin điện tử.

– Phương pháp quan sát: Đi khảo sát thực tế những nơi áp

dụng hệ thống tưới cây tự động, tưới cây tự động sử dụng arduino...

– Phương pháp thực hành: Tiến hành thiết kế và thi công hệ

thống để kiểm tra tính thực tế để có những cải tiến phù hợp.

5. Dự kiến kết quả

Dự kiến kết quả hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino sẽ

có các tính năng:

– Cảm biến độ ẩm đất làm tín hiệu chủ động để hệ thống hoạt

động.

– Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông

tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ giúp em có nhiều kinh

nghiệm để sau khi em tốt nghiêp có đủ khả năng nghiên cứu phát

triển thành một hệ thống có nhiều ứng dụng hơn, đáp ứng nhiều yêu

cầu thực tiễn hơn từ đó có thể giúp con người càng càng có cuộc

sống hiện đại hơn tiết kiệm sức lao động của con người

3

CHƢƠNG 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ CƠ SỞ LÍ THUYẾT

1.1. KHÁI QUÁT VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH

1.2. THỰC TIỄN ÁP DỤNG CỦA ARDUINO VÀO ĐỀ TÀI

1.3. KHÁI NIỆM, NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TƢỚI

NƢỚC TỰ ĐỘNG

Thiết kế hệ thông tưới cây tự động đòi hỏi phải có một số

thông tin về các vật tư thiết bị, về bộ vi xử lí, các bộ cảm biến, bộ

điều khiển đóng cắt...Vậy nên việc đặt ra bài toán thiết kế là rất cần

thiết.

1.3.1. Tổng quan về thiết kế một hệ thống tƣới.

1.3.2. Thiết kế hệ thống tƣới.

1.4 . GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ARDUINO

1.5. BOARD ARDUINO UNO R3

Khi nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình hay nghiên

cứu chế tạo thì dòng đầu tiên mà người ta thường tìm hiểu đó chính

là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ

thứ 3 (R3). Mọi người sử dụng Arduino Uno R3 để phục vụ cho việc

học tập và nghiên cứu của mình hơn là các dòng Arduino khác vì

dòng Arduino Uno R3 có kích thước nhỏ gọn, đầy đủ tính năng và

rất dễ sử dụng đối với những người mới tiếp cận về lập trình.

Hình 1.4. Board Arduino uno r3

1.6. LCD 1602

LCD 1602 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2

dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến,

nhiều code mẫu.

4

Hình 1.9. LCD 1602

1.7. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM ĐẤT

Cảm biến độ ẩm đất bao gồm hai thành phần. Một thành phần

có hai đầu dùng để cắm vào đất hoặc bất cứ nơi nào khác cần đo hàm

lượng nước. Phía trên của thành phần này có 2 chân kết nối với mạch

khuếch đại dùng để kết nối với Arduino.

Hình 1.10. Cảm biến độ ẩm đất

1.8. GIỚI THIỆU VỀ MODULE RELAY 1 KÊNH 5V

Relay hình 1.12 là thiết được sử dụng rất nhiều trong cuộc

sống và trong các thiết bị đièu khiển điện tử.

– Cấu tạo relay gồm 2 phần:

+ Cuộn hút: tạo ra năng lượng từ trường để hút các tiếp điểm

về mình.

+ Cặp tiếp điểm: khi không cấp điện tiếp điểm 1 được tiếp xúc

tiếp điểm 2 (tiếp điểm thường đóng). Khi cấp điện tiếp điểm 1 bị hút

chuyển sang tiếp điểm 3 (tiếp điểm thường mở).

5

Hình 1.12. Hình ảnh và sơ đồ của modulee relay 5

1.9. MẠCH CHUYỂN ĐỔI I2C CHO LCD

1.10. MÁY BƠM NƢỚC MINI 3V-5V DC

Hình 1.16. Máy Bơm Nước Mini 3V-5V DC

Máy bơm nước mini 3v - 5V DC được sử dụng trong các ứng

dụng bơm mini công suất nhỏ như bơm bể cá, bơm thí nghiệm,....

Thông số kỹ thuật Máy bơm nƣớc mini 3V - 5V DC

– Nguồn sử dụng: DC 3 - 5V

– Dòng tiêu thụ: 100 - 200mA

– Mức đẩy tối đa: 0.3 - 0.8 mét

– Công suất bơm: 1.2 - 1.6L/ phút

– Trọng lượng: 28 gram

6

1.11. ARDUINO IDE VÀ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO.

1.12. NGUỒN SỬ DỤNG

Hình 1.18. Adapter 9V 2A

7

CHƢƠNG 2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM

VIỆC

2.1. MÔ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

Trong đề tài này, hệ thống tưới cây tự động hoạt động như

sau:

Cảm biến độ ẩm đất sẽ đóng vai trò trực tiếp tiếp nhận tín hiện

gửi về bộ phận điều khiển bằng cách cắm trực tiếp xuống đất để lấy

thông tin. Phần mềm được lập trình trong board arduino uno r3, đặt

ra các điều kiện điều khiển cho hệ thống, giá trị thay đổi độ ẩm được

nhận biết qua các cảm biến giá trị của cảm biến đó sẽ đưa về bộ điều

khiển so sánh với các giá trị cài đặt qua bộ điều khiển. Bộ điều khiển

xử lí đưa ra các tín hiệu điều khiển sang bộ biến đổi để thực hiện

việc điều khiển động cơ hoạt động hợp lí.

Động cơ hoạt động sẽ đưa nước tới các téc phun tưới cây đảm

bảo việc chăm sóc các cây trồng phát triển tốt. Hệ thống làm việc

liên tục khoa học tránh các thao tác thừa khi điều khiển động cơ.

Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông tin

cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống.

2.2. YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG

2.2.1. Yêu cầu về chức năng

2.2.2. Yêu cầu phi chức năng

8

CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG CỦA HỆ THỐNG

Hệ thống tưới tự động cho máy bơm nước tự động được biểu

diễn trên hình 3.1 như sau:

Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống

3.2. THIẾT KẾ

Hình 3.2. Sơ đồ mạch

3.2.1. Phƣơng án thiết kế

Trong mạch chủ yếu là dùng các module nên chọn phương

án là kết nối dây.

Điều kiện hoạt động ngoài trời, chụi tác động của môi

trường xung quanh như nhiệt độ độ ẩm và các tác nhân vật lí làm hư

hỏng, không đảm bảo cho mạch hoạt động ổn định nên cần có một

lớp bảo vệ bên ngoài để tránh các tác nhân trên.

9

3.2.2. Thiết kế mô hình

Yêu cầu đặt ra:

– Hình dạng vùng tưới: Hình chữ nhật

– Diện tích vùng tưới; 500mm2

– Loại cây trồng: Cây cỏ voi

– Nhu cầu nước của cây cỏ voi: cây cần nhiều nước phát triển

tốt ở điều độ ẩm cao.

Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào

khác hơn là phải đo đạc. Khoảng cách giữ các cây cũng là yếu tố tạo

nên chất lượng yêu cầu đề ra. Khoảng cách cũng tạo ra sự chênh lệch

lượng nước tới nếu không đều chênh lệch cũng cao tạo sản phẩm

kém. Với diện tích to quy hoạch lớn chúng ta nên đo chính xác vừa

đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm.

3.3. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM

10

CHƢƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG

4.1. THI CÔNG MẠCH

Chuẩn bị:

Bảng 4.1. Các module và linh kiện cần chuẩn bị

Arduino Uno R3

Dây cắm

Rào Cái Đơn Chân Thẳng

1x40 Chân (Female Pin

Header)

Cảm biến độ ẩm đất

Biến trở

LCD1602 Xanh Lá

11

Mạch Chuyển Giao Tiếp

I2C

Mạch 1 Relay Opto Chọn

Mức Kích High/Low

(5/12/24VDC)

Động Cơ Bơm Chìm Mini

Water Pump 5VDC

Ống Mềm Silicone Tube

8x6mm (1 mét)

Nguồn Power Adaptor AC-

DC 9V 2A

Hộp điện kĩ thuật 8*8

12

Tiến hành:

Bước 1: Nạp code cho arduino.

Bước 2: Kết nối dây theo sơ đồ.

Bước 3: Cấp nguồn kiểm tra mạch

Bước 4: Hoàn thiện, bảo vệ mạch bằng hộp điện kĩ thuật.

Hình 4.1. Mạch hoàn chỉnh đã đưa vào hộp điện kĩ thuật

4.2. THI CÔNG MÔ HÌNH

Chuẩn bị:

Bảng 4.2. Chuẩn bị các dụng cụ và vật liệu thi công mô hình

STT Tên dụng cụ Hình ảnh mô tả

1 Thùng xốp 20*30

2

Ống Mềm Silicone

Tube

8x6mm (1 mét)

13

3 Dây thép 2 ly

4 Dây rút 1 tấc

5 Dao dọc giấy

6 Kìm mỏ nhọn

7 Keo nến

14

Hình 4.2. Hệ thống hoàn thành

15

KẾT LUẬN

Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp với đề tài: Thiết kế hệ

thống tƣới cây tự động sử dụng arduino em đã thiết kế và xây

dựng được hệ thống tưới cây tự động mà động cơ hoạt động sẽ đưa

nước tới các téc phun tưới cây đảm bảo việc chăm sóc các cây trồng

phát triển tốt. Hệ thống làm việc liên tục khoa học tránh các thao tác

thừa khi điều khiển động cơ.

Thiết kế LCD hiển thị ra các thông tin trên LCD đưa thông

tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống.

Trong quá trình thực hiện, lập trình cho mạch độ ẩm gặp phải

nhiều khó khăn khác nhau như: do phải nghiên cứu nhiều tài liệu

nước ngoài, datasheets,… dẫn đến nhiều chỗ dịch sai, dịch nhầm dẫn

đến áp dụng các hàm, câu lệnh bị sai ý nghĩa, cấu trúc…, trong quá

trình viết code gặp phải nhiều lỗi phát sinh mà không tìm ngay ra

nguyên nhân cần đầu tư thời gian để giải quyết, nhiều linh kiện rất

khó để tìm được thư viện chuẩn để lập trình… Quá trình lắp mạch

cũng gặp phải những khó khăn nhất định tuy nhiên em đã cố gắng

giải quyết được vấn đề phát sinh để hoàn thành được đề tài.

Do thời gian có hạn việc thiết kế hệ thống của em vẫn còn

nhiều sai sót. Hệ thống vẫn chưa tối ưu. Phát triển các dữ liệu trên

máy tính chưa phát huy được hết các tính năng tốt nhất. Em rất mong

được sự ủng hộ và giúp đỡ của thầy giáo để đề tài chúng em thực

hiện được hoàn thiện hơn và có thêm nhiều cải tiến đáng kể và ứng

dụng tốt hơn vào thực tiễn.

Hƣớng phát triển của đề tài

1. Đo và thông báo đƣợc các thông số về môi trƣờng xung

quanh

– Đo được thông số độ ẩm của môi trường xung quanh

– Đo các thông số nhiệt độ của thời tiết địa phương.

– Đưa các thông tin đo lên thẻ nhớ dữ liệu thông báo việc

tưới tiêu.

16

2. Phát triển giao diện giám sát mô phỏng trên phần mềm

C#.

– Phát triển lập trình qua cổng COM lập trình trên arduino

– Thêm phần điều khiển động cơ bơm, trực tiếp giao diện C#.

–