Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂM SÓC VƯỜN LAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI GVHD : ThS. Võ Đức Dũng SVTH1 : Hàn Văn Hải MSSV : 13141078 Tp. Hồ Chí Minh - 01/2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH i TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày 07 tháng 01 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Hàn Văn Hải MSSV: 13141078 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 13141DT3A I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CHĂM SÓC VƯỜN LAN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: [1] Mr Good, “Tổng Quan Về Website”, [2] Lê Chí Huy, “Học lập trình”, https://freetuts.net/ [3] “Language Reference”, https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage [4] Internet Of Things (IoT) với ESP8266 ,https://arduino.esp8266.vn 2. Nội dung thực hiện: Nội dung 1: Tổng quan. Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết. Nội dung 3: Tính toán và thiết kế hệ thống. Nội dung 4: Thi công hệ thống. Nội dung 5: Kết quả-Nhận xét-Đánh giá. Nội dung 6: Kết luận và hướng phát triển. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Võ Đức Dũng CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH LỜI CAM ĐOAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH ii TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 13 tháng 10 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Hàn Văn Hải Lớp: 13141DT3A MSSV: 13141078 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống chăm sóc vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 1/10 – 07/10 - Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận nhiệm vụ đồ án. - Viết đề cương chi tiết. Tuần 2 08/10 – 14/10 - Khảo sát hệ thống ngoài thực tế - Tìm hiểu các linh kiện có thể phục vụ nghiên cứu đề tài. Tuần 3 15/10 – 21/10 - Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. Tuần 4 22/10 – 28/10 - Lập trình kết nối Internet với mạch điều khiển ESP. Tuần 5 29/10 – 4/11 - Lập trình giao tiếp giữa ESP với arduino. Tuần 6 5/11 – 11/11 - Thiết kế và thi công khối nguồn dùng pin năng lượng mặt trời. Tuần 7 12/11 – 18/11 - Thiết kế và lập trình web. Tuần 8 19/11 – 25/11 - Thiết kế giám sát và điều khiển qua web. Tuần 9 26/11 – 02/12 - Thiết kế, tính toán mạch, cắm chạy thử trên test board. Tuần 10 03/12 – 09/12 - Truyền nhận dữ liệu từ cơ sở dữ liệu xuống hệ thống. Tuần 11 10/12 – 16/12 - Thi công mạch. - Viết báo cáo Tuần 12 17/12 – 23/12 - Chạy thử mạch, kiểm tra tổng thể hoạt động của sản phẩm so LỜI CAM ĐOAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH ii sánh với mục tiêu ban đầu của đồ án, hoàn thiện sản phẩm. - Viết báo cáo. Tuần 13 24/12 – 30/12 - Viết báo cáo. - Làm poster và side thuyết trình. Tuần 14 31/12 – 06/01 - Giáo viên hướng dẫn kiểm tra báo cáo và điều chỉnh sai sót. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) LỜI CAM ĐOAN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH ii LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm sinh viên Hàn Văn Hải và Bùi Văn Hải tự thực hiện, dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Hàn Văn Hải LỜI CẢM ƠN BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH vii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện đề tài, những người thực hiện được sự giúp đỡ của gia đình, quý thầy cô và bạn bè nên đề tài đã được hoàn thành. Những người thực hiện xin chân thành gửi lời cảm ơn đến: Thầy Võ Đức Dũng, giảng viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài. Những người thực hiện cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp cho những người thực hiện những kiến thức nền, chuyên môn làm cơ sở để hoàn thành đề tài này. Cảm ơn gia đình đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã giúp đỡ những người thực hiện đề tài để có thể hoàn thành tốt đề tài này. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài: Hàn Văn Hải MỤC LỤC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................. i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP...iii LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. vii MỤC LỤC ................................................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ xi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... xv TÓM TẮT ................................................................................................................... xvi Chương 1. TỔNG QUAN ............................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................... 1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 2 1.4 GIỚI HẠN ............................................................................................................ 2 1.5. BỐ CỤC ............................................................................................................... 2 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 4 2.1 GIỚI THIỆU PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................. 4 2.2 QUY TRÌNH TRỒNG HOA LAN ...................................................................... 5 2.2.1 Đặc tính sinh trưởng của hoa lan ................................................................... 5 2.2.2 Mô tả quy trình chăm sóc hoa lan .................................................................. 7 2.3 TỔNG QUAN VỀ ARDUINO ............................................................................. 8 2.4 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ................................................................................. 8 2.4.1 Arduino UNO R3 ........................................................................................... 9 2.4.2 Module Wifi ESP8266 V1 ........................................................................... 10 2.4.3 Cảm biến DHT11 ......................................................................................... 11 2.4.4 Cảm biến độ ẩm đất ..................................................................................... 12 2.4.5 Màn hình LCD 20x4 .................................................................................... 13 2.4.6 Mạch chuyển giao tiếp LCD 20x4 ............................................................... 14 2.4.7 Nút nhấn đơn R13 ........................................................................................ 15 2.4.8 Động cơ bơm nước 5V ................................................................................ 15 2.4.9 Mạch phun sươn 5V .................................................................................... 16 2.4.10 Relay 5V 10A 5 chân ................................................................................ 16 MỤC LỤC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH ix 2.4.11 Quạt tản nhiệt 12V .................................................................................... 17 2.5 HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................ 17 2.5.1 Tấm pin năng lượng mặt trời ...................................................................... 17 2.5.2 Bộ điều khiển sạc ....................................................................................... 19 2.5.3 Bình ắc-quy ............................................................................................... 20 2.5.4 Mạch giảm áp L2596 ................................................................................. 21 2.6 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP ................................................................................ 21 2.6.1 Chuẩn giao tiếp UART ................................................................................ 21 2.6.2 Chuẩn giao tiếp SPI ..................................................................................... 22 2.6.3 Chuẩn giao tiếp I2C ...................................................................................... 22 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ................................................................ 23 3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI .................................................................................. 23 3.2 Tính toán và thiết kế mạch .................................................................................. 24 3.2.1 Khối xử lý trung tâm .................................................................................... 24 3.2.2 Khối module wifi ESP 8266 V1 .................................................................. 25 3.2.3 Khối cảm biến độ ẩm đất. ............................................................................ 27 3.2.4 Khối cảm biến DHT11 ................................................................................ 28 3.2.4 Khối chấp hành. ........................................................................................... 28 3.2.5 Khối hiển thị ............................................................................................... 29 3.2.6 Khối ngoại vi ............................................................................................... 31 3.2.7 Khối relay ................................................................................................... 33 3.2.8 Khối nguồn ................................................................................................. 34 3.2.9 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ................................................................... 37 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................................... 39 4.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 39 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................... 39 4.2.1 Thi công mạch hệ thống điều khiển ............................................................. 39 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch hệ thống ........................................................ 40 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ............................................................ 40 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển................................................................................ 40 4.3.2 Thi công mô hình ......................................................................................... 43 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 46 MỤC LỤC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH x 4.4.1 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................... 46 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ......................................................... 54 4.4.3 Phần mềm lập trình web .............................................................................. 59 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................... 63 Chương 5. KẾT QUẢ - NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ ................................................ 64 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 73 6.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 73 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 75 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... DANH MỤC HÌNH ẢNH BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH xi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Các loại Board Arduino. ................................................................................. 8 Hình 2. 2: Hình ảnh board Aduino Uno R3. .................................................................. 9 Hình 2.3: Module wifi ESP8266 V1. ........................................................................... 10 Hình 2.4: Sơ đồ kết nối Arduino với ESP 8266. .......................................................... 11 Hình 2.5: Cảm biến DHT11. ........................................................................................ 11 Hình 2.6: Sơ đồ kết nối vi điều khiển với DHT11. ...................................................... 12 Hình 2.7: Cảm biến độ ẩm đất...................................................................................... 12 Hình 2.8: Sơ đồ kết nối vi điều khiển với cảm biến độ ẩm đất. ................................... 13 Hình 2.9: Màn hình LCD 20x4..................................................................................... 13 Hình 2.10: Mạch chuyển giao tiếp LCD 20x4. ............................................................ 14 Hình 2.11: Màn hình LCD 20x4 voi I2C. .................................................................... 14 Hình 2.12: Sơ đồ kết nối vi xử lý với I2C. ................................................................... 14 Hình 2.13: Nút nhấn R13. ............................................................................................. 15 Hình 2.14: Sơ đồ nút nhấn. ........................................................................................... 15 Hình 2.15: Động cơ tạo hơi nước 5 VDC.................................................................... 15 Hình 2.16: Động cơ bơm nước 5V ............................................................................... 15 Hình 2.17: Mạch tạo hơi sương 5V. ............................................................................. 16 Hình 2.18: Sơ đồ cấu tạo của Relay 5V10A 5 chân ..................................................... 16 Hình 2.19: Quạt 12V. ................................................................................................... 17 Hình 2.20: Tấm pin năng lượng mặt trời 10W. ............................................................ 17 Hình 2.21: Ứng dụng pin năng lượng mặt trời vào trồng trọt. ..................................... 19 Hình 2.22: Bình ắc-quy 12V-5Ah. ............................................................................... 20 Hình 2.23: Mạch giảm áp L2596. ................................................................................ 21 Hình 2.24: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. ......................................................... 21 Hình 2.25: Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ. ......................................................... 22 Hình 2.26. Biểu đồ thời gian của giao thức I2C. .......................................................... 22 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống vườn lan sử dụng năng lượng mặt trời. ..................... 23 Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống thiết bị thực tế............................................................... 24 Hình 3.3 Khối xử lý trung tâm sử dụng board Arduino UNO R3. ............................... 25 Hình 3.4: Module wifi ESP 8266 V1. .......................................................................... 25 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý Module wifi ESP 8266 V1 với Arduino UNO R3. ........... 26 DANH MỤC HÌNH ẢNH BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP-Y SINH xii Hình 3.6: Hình ảnh thực tế của Module cảm biến độ ẩm đất. ...................................... 27 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý Module độ ẩm đất kết nối Arduino UNO R3. .................... 27 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý kết nối cảm biến DHT11 vào Arduino UNO .................... 28 Hình 3.9: Động cơ 5V DC........................................................................................... 29 Hình 3.10: Mạch tạo hơi sương 5V. ............................................................................ 29 Hình 3.11: LCD 20x4. .................................................................................................. 30 Hình 3.12: Mạch chuyển giao tiếp LCD sang I2C. ....................................................... 30 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO R3 với I2C. .................................. 31 Hình 3.13: Hình ảnh thực tế của nút nhấn và led. ........................................................ 31 Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với nút nhấn. ............................... 32 Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối Arduino UNO với led. ......................................... 32 Hình 3.16: Relay 5V 10A 5 chân ................................................................................. 33 Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý hoạt động khối Relay. ..................................................... 34 Hình 3.18: Bình ắc-quy 12V-5Ah. ............................................................................... 35 Hình 3.19: Tấm pin năng lượng mặt trời. .................................................................... 35 Hình 3.20: Nguồn tổ ong 12V 3A. ............................................................................... 37 Hình 3.21: Mạch giảm áp LM2596 . ............................................................................ 37 Hình 4.1: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch hệ thống điều khiển. ........................................ 39 Hình 4.2. Tủ điện thực tế 20x20x10 cm. ...................................................................... 41 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện hiển thị ra bên ngoài mặt trước tủ điều khiển. .......... 41 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí mặt trước hệ thống. ................................................................... 42 Hình 4.5: Sơ đồ bố trí mặt phía trên hệ thống. ............................................................. 42 Hình 4.6: Giao diện mặt trước tủ điều khiển. ................................................................. 43 Hình 4.7: Hình dạng bên trong tủ. ................................................................................ 43 Hình 4.8: Bộ điều khiển sạc pin năng lượng mặt trời. ................................................. 44 Hình 4.9: Hình dạng mặt trước mô hình ...................................................................... 44 Hình 4.10: Hình dạng mặt trên mô hình. ..................................................................... 44 Hình 4.11: Vị trí các ống dẫn. ...................................................................................... 45 Hình 4.12: Vị trí các khối trong mô hình. ..................................................