Đồ án Hệ thống giám sát hồ nuôi tôm dùng arduino (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Hệ thống giám sát hồ nuôi tôm dùng arduino (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT HỒ NUÔI TÔM DÙNG ARDUINO GVHD: ThS. TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: DƯƠNG HOÀNG LONG MSSV: 12141124 SVTH: NGUYỄN ĐỨC CHIẾN MSSV: 12141024 S K L 0 0 4 5 4 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
2. 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬTRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT HỒ NUÔI TÔM DÙNG ARDUINO GVHD: ThS.Trương Ngọc Anh SVTH: Dương Hoàng Long MSSV: 12141124 SVTH: Nguyễn Đức Chiến MSSV: 12141024 Tp. Hồ Chí Minh –07/2016
3. 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 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT HỒ NUÔI TÔM DÙNG ARDUINO GVHD: ThS.Trương Ngọc Anh SVTH: Dương Hoàng Long MSSV: 12141124 SVTH: Nguyễn Đức Chiến MSSV: 12141024 Tp. Hồ Chí Minh – 07/2016
4. 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 Tp. HCM, ngày 15 tháng 7 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Dương Hoàng Long MSSV: 12141124 Nguyễn Đức Chiến MSSV: 12141024 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2012 Lớp: 12141DT2 I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT HỒ NUÔI TÔM DÙNG ARDUINO II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh, ) 2. Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/03/2016 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2016 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Trương Ngọc Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
5. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do tôi 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 Dương Hoàng Long Nguyễn Đức Chiến
6. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Chương 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU Ví dụ với đề tài đồng hồ số - Chức năng của đồng hồ: dùng để xem thông tin về thời gian giờ phút giây, ngày tháng năm, dùng để quản lý về thời gian ví dụ như tính cước điện thoại: căn cứ vào thời gian để biết cuộc gọi vào thời điểm nào, dùng để điều khiển như báo chuông giờ học, - Có bao nhiêu loại đồng hồ: đồng hồ cơ, đồng hồ điện tử, ưu điểm, khuyết điểm - Chọn đồng hồ điện tử để làm đề tài nghiên cứu hay muốn thiết kế để phục vụ cho mục đích nào đó. - Khi trình bày một vấn đề dựa vào 1 tài liệu nào đó như sách, giáo trình, bài báo, đồ án tốt nghiệp thì cần phải trích dẫn. Ví dụ như viết, đề tài sử dụng mạch đếm bất đồng bộ cho việc tính toán thiết kế đồng hồ số [2]. 1.2 GIỚI HẠN - Nêu các thông số cho đồng hồ ví dụ do điều kiện kinh tế tôi chỉ thiết kế đồng hồ hiển thị giờ phút giây trên 6 led 7 đoạn, sử nguồn pin hoặc điện từ lưới 220V, kích thước led để quyết định khoảng cách quan sát. Có mấy nút để chỉnh thời gian, khi mất điện thì đồng hồ có hoạt động không? 2
7. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Chương 2: THIẾT KẾ (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI) 2.1. GIỚI THIỆU (TÓM TẮT) Tóm tắt lại các yêu cầu để dẫn dắt đến mục II. 2.2. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI (HOẶC KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI) Ví dụ: Theo yêu cầu của đề tài thì nhóm chúng tôi tiến hành thiết kế sơ đồ khối của mạch đếm sản phẩm như hình 2-1: KHỐI TẠO KHỐI XUNG KHI KHỐI KHỐI ĐẾM HIỂN PHÁT HIỆN GIẢI MÃ THỊ SẢN PHẨM RESET KHỐI SO SÁNH KHỐI NGUỒN KHỐI CÀI ĐẶT SỐ ĐẾM BẰNG SWITCH Hình 2.1. Sơ đồ khối mạch đếm sản phẩm. Chức năng từng khối: Khối nguồn: có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ mạch để hoạt động. Khối tạo xung khi phát hiện có sản phẩm: có chức năng tạo 1 xung khi có 1 sản phẩm đi qua. Khối đếm: có chức năng đếm xung và phạm vi đếm từ 000 đến 999. Khối giải mã: có chức năng giải mã số xung đếm được từ kối đếm sang mã 7 đoạn. Khối hiển thị: có chức hiển thị kết quả đếm dạng số thập phân. Khối cài đặt sô đếm bằng switch: có chức năng cài đặt giới hạn số sản phẩm đếm theo yêu cầu. Khối so sánh: có chứa năng so sánh giá trị đếm với giá trị cài đặt để reset lại mạch đếm. 3
8. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ 2.2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ a. KHỐI HIỂN THỊ: Led 7 đoạn có chức năng hiển thị số thập phân cho biết kết quả sau khi xử lý, trong mạch đếm sản phẩm sẽ cho biết kết quả đếm là số lượng sản phẩm. Có 2 loại led 7 đoạn là anode chung và cathode chung. Led 7 đoạn có kí hiệu, sơ đồ chân như hình sau: Hình 2.2. Kí hiệu và hình ảnh led 7 đoạn. Led 7 đoạn có cấu tạo là các led đơn được sắp xếp theo vị trí để khi sáng hoặc tắt tạo thành 1 số thập phân từ 0 đến 9. Dòng cho mỗi đoạn từ 5 đếm 15 mA và điện áp cho các led nhỏ là 2V. Nhóm tiến hành chọn led loại anode chung. b. KHỐI GIẢI MÃ Do đã chọn led anode chung nên phần này chọn IC giải mã anode chung là vi mạch 74LS247. Vi mạch 74LS247 có chức năng giải mã số BCD sang mã 7 đoạn để điều khiển led 7 đoạn sáng số thập phân, điều khiển led 7 đoạn loại anode chung, IC có sơ đồ chân như hình 2-3. Hình 2.3. Sơ đồ chân IC giải mã số BCD sang 7 đoạn 74LS247. 4
9. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Chức năng các tín hiệu của IC: IC có 4 ngõ vào “DCBA” để nhận số BCD cần giải mã. IC có 7 ngõ ra “f, g, e, d, c, b, a” dùng điều khiển led 7 anode chung. IC còn có các tín hiệu điều khiển kiểm tra đèn “LAMP TEST - LT”, tín hiệu xóa số không vô nghĩa vào (RB) và ra (RBO). Bảng 2.1. Bảng trạng thái hoạt động của IC74LS247 Giải thích hoạt động của IC giải mã 74LS247: Trạng thái giải mã: từ trạng thái số 0 đến trạng thái thứ 15 là hoạt động giải mã bình thường cho 16 trạng thái. 16 trạng thái này gồm có 10 trạng thái từ 0 đến 9 – gọi là giải mã số BCD, 10 trạng thái này led hiển thị đúng số thập phân từ 0 đến 9 – xem hình 6. 6 trạng thái còn lại từ 10 đến 15 (từ 1010B đến 1111B) thì led cũng giải mã nhưng không đúng theo số hex – xem hình 6. Trạng thái LT: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’ và RBO ở mức ‘1’ thì led sẽ sáng số 8. Trạng thái BI: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’ thì led sẽ tắt. Trạng thái RBI: nếu tín hiệu này ở mức ‘0’, 4 ngõ vào số BCD ở “0000”, LT ở mức ‘1’ thì led tắt – có chức năng xóa số 0 vô nghĩa. Hình 2.4 là ảnh giải mã điều khiển led 7 đoạn sáng: 5
10. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Hình 2.4. Hình ảnh điều khiển led 7 đoạn và hình ảnh led 7 đoạn. c. KHỐI ĐẾM d. e. KHỐI XỬ LÝ: Chức năng Lựa chọn: Các thông tin lien quan đến vi xử lý f. KHỐI NGUỒN Có bao nhiêu linh kiện dùng nguồn 5V, 12V, 9V quyết định thiết kế đúng nguồn như nêu. Tính tổng dòng cho từng nguồn: . Quyết định cho IC ổn áp 100mA, 500mA hay 1A hay 5A. g. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHO TOÀN MẠCH Giải thích tóm gọn cho sơ đồ nguyên lý. 2.2.2 LƯU ĐỒ VÀ CHƯƠNG TRÌNH (NẾU DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẢI VIẾT THEO ĐÚNG CHUẨN) a. GIỚI THIỆU YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN b. LƯU ĐỒ: CHO BIẾT TRÌNH TỰ ĐIỀU KHIỂN c. CHƯƠNG TRÌNH d. GIẢI THÍCH CÁC LỆNH SỬ DỤNG TRONG CHƯƠNG TRÌNH. 6
11. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Chương 3: THI CÔNG MẠCH 3.1 VẼ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ Giới thiệu phần mềm vẽ, cách vẽ, cách kiểm tra lỗi, Lập danh sách linh kiện: 3.2 VẼ PCB Giới thiệu các yêu cầu về đường nguồn, đường tín hiệu, cách kiểm tra, in mã số sinh viên, ngày tháng năm. 3.3 GIA CÔNG MẠCH VÀ LẮP RÁP KIỂM TRA MẠCH Danh sách linh kiện cho mạch, lắp ráp, kiểm tra Các lỗi xảy ra, cách hiệu chỉnh, các thông cần đo, kiểm tra trong quá trình thi công. Phương trình sử dụng để tính toán điện áp trên Led như sau: VLed VCC VR (3.1) 7
12. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ KẾT LUẬN Kết luận mạch hoạt động như thế nào Hướng phát triển: đề tài mạch đếm sản phẩm chỉ có chức năng đếm lên thì hướng phát triển có thể thêm 1 switch để có thể lựa chọn đếm lên hoặc đếm xuống, có thể cài đặt giới hạn giá trị đếm, Tài liệu tham khảo, trang web tham khảo Nội dung khoảng từ 15 đến 30 trang. Header ghi “đồ án môn học 1 hoặc 2 – tên đồ án” Footer ghi “họ và tên sinh viên” 8
13. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ TÀI LỆU THAM KHẢO [1] Tên tác giả, “tên tài liệu”, tên của nhà xuất bản, năm [2] Nguyen Dinh Phu, Nguyen Truong Duy, “Giáo Trình: Kỹ Thuật Số”, Xuất bản ĐH Quốc Gia, Tp.HCM, 2013. 9
14. Hướng dẫn làm đồ án môn học 1 và 2 – NGUYỄN ĐÌNH PHÚ PHỤ LỤC P1. DATASHEET Kèm theo những datasheet của IC hay những tài liệu phổ biến khác 10
15. LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Trương Ngọc Anh_ Giảng viên bộ môn điện tử công nghiệp, cùng lời cám ơn sâu sắc đến khoa điện – điện tử đã giúp đỡ tạo điều kiện để hoàn thành tốt đề tài. Em chân thành cảm ơn thầy Trương Ngọc Anh đã góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho em thực hiện tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 12141DT2 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ, Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Dương Hoàng Long Nguyễn Đức Chiến
16. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình iii Cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ xi Tóm tắt xii 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 3 2.1 Quy trình giám sát hồ nuôi tôm 3 2.1.1 Quy trình nuôi tôm 3 2.1.2 Mô tả quy trình giám sát hồ nuôi tôm 5 2.2 Giới thiệu phần cứng 5 2.2.1 Mođun cảm biến pH E201-C và cảm biến nhiệt độ DS18B20 5 2.2.2 Mođun cảm biến dòng hiệu ứng Hall ACS712 12 2.2.3 Driver hiển thị VGA 14 2.2.4 Arduino Ethernet Shield 18 2.2.5 Mođun Realtime DS1307 21 2.2.6 Mođun Sim800L 24 2.2.7 LCD16x2 25 2.2.8 Bo Arduino Mega 2560 29 2.3 Giới thiệu về website Thingspeak 38
17. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống 41 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 41 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 43 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 51 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG 52 4.1 Giới thiệu. 52 4.2 Thi công hệ thống 52 4.2.1 Thi công bo mạch 52 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 56 4.3 Đóng gói và thi công mô hình 59 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển 59 4.3.2 Thi công mô hình 63 4.4 Lập trình hệ thống 66 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 66 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 76 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác 80 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 81 5.1 Kết quả 81 5.1.1 Cảm biến 81 5.1.2 Bộ vi điều khiển 83 5.1.3 Mô đun Sim800L 84 5.1.4 Hiển thị màn hình VGA 84 5.1.5 Mô hình hồ nuôi tôm 84 5.1.6 Kết quả thống kê 85 5.2 Nhận xét 86 5.3 Đánh giá 86 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. 87 6.1 Kết luận . 87 6.2 Hướng phát triển 88 ii
18. TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iii
19. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1: Cải tạo và xử lý hồ nuôi tôm 3 Hình 2.2: Theo dõi quá trình phát triển của tôm 4 Hình 2.3: Module cảm biến pH và cảm biến nhiệt độ DS18B20 6 Hình 2.4: Giá trị pH theo nồng độ ion và 7 Hình 2.5: Biểu đồ thay đổi độ phân giải cảm biến pH theo nhiệt độ 8 Hình 2.6: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 9 Hình 2.7: Tổ chức bộ nhớ ROM của cảm biến DS18B20 10 Hình 2.8: Cảm biến dòng hiệu ứng Hall 12 Hình 2.9: Mạch nguyên lý của cảm biến dòng Hall 13 Hình 2.10: IC Atmega328P 14 Hình 2.11: Cổng VGA DB15 15 Hình 2.12: Tạo màu từ ba màu cơ bản 17 Hình 2.13: Cách quét màn hình theo xung đồng bộ 18 Hình 2.14: Ethernet Shield Arduino 19 Hình 2.15: Hai chế độ kết nối theo giao thức TCP/IP 20 Hình 2.16: Giao tiếp giữa IC W5100 và vi điều khiển 21 Hình 2.17: Module Realtime DS1307 22 Hình 2.18: Tổ chức thanh ghi theo thời gian 23 Hình 2.19: Module Sim800L 24 Hình 2.20: LCD 16x2 26 Hình 2.21: Board Arduino Mega 2560 29 Hình 2.22: Giao diện SPI 31 Hình 2.23: Truyền dữ liệu SPI 32 Hình 2.24: Mức điện áp Logic 33 Hình 2.25: Mạng I2C với nhiều thiết bị và 2 điện trở kéo lên SDA,SCL 34 Hình 2.26: Giản đồ xung chuẩn one-wire 36 Hình 2.27: Sơ đồ kết nối one-wire 37 Hình 2.28: Sơ đồ kết nối mode song song 37 Hình 2.29: Kết nối Thingspeak 38 Hình 2.30: Mạng các đồ vật kết nối 39 Hình 2.31: Mô hình IOT 39
20. Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 42 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối module cảm biến pH 45 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối module cảm biến nhiệt độ DS18B20 47 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối module cảm biến dòng ACS712 49 Hình 3.5: Khối điều khiển động cơ 50 Hình 3.6: Khối nguồn LM2576-5V, LM2576 ADJ 51 Hình 4.1: Sơ đồ mạch in lớp trên 54 Hình 4.2: Sơ đồ mạch in lớp dưới 55 Hình 4.3: Sơ đồ bố trí linh kiện 56 Hình 4.4: Mạch thi công khối nguồn 57 Hình 4.5: Vị trí các module trong board tổng 58 Hình 4.6: Mở hộp bảo vệ board trung tâm 59 Hình 4.7: Mặt trên hộp điều khiển 60 Hình 4.8: Mặt bên phía trước hộp điều khiển 61 Hình 4.9: Mặt bên bên phải hộp điều khiển 61 Hình 4.10: Mặt bên phía sau hộp điều khiển 62 Hình 4.11: Mặt bên bên trái hộp điều khiển 63 Hình 4.12: Mô hình cánh quạt hồ nuôi tôm 64 Hình 4.13: Hộp điều khiển trung tâm và mô hình quạt 64 Hình 4.14: Lưu đồ giải thuật bo xử lý trung tâm 66 Hình 4.15: Lưu đồ giải thuật đo thời gian thực 67 Hình 4.16: Lưu đồ giải thuật đọc nhiệt độ từ DS18B20 68 Hình 4.17: Lưu đồ giải thuật đọc giá trị pH 69 Hình 4.18: Lưu đồ giải thuật đọc cảm biến dòng ACS712 70 Hình 4.19: Lưu đồ giải thuật hàm kiểm tra sự cố 71 Hình 4.20: Lưu đồ giải thuật hàm xử lý sự cố 73 Hình 4.21: Lưu đồ giải thuật hàm xử lý sự cố (tt) 74 Hình 4.22: Lưu đồ giải thuật hàm xử lý sự cố (tt) 75 Hình 4.23: Giao diện Arduino IDE 77 Hình 4.24: Kết nối cáp mạng và cáp VGA 80 Hình 4.25: Mạch hoạt động 81 Hình 4.26: Kết nối cảm biến ACS712 và động cơ 81 Hình 4.27: Các nút nhấn của hộp điều khiển trung tâm 82 ii
21. Hình 5.1: Giá trịnh pH=6 với thuốc thử 83 Hình 5.2: Giá trị pH=6.02 với đầu pH probe 83 Hình 5.3: Giá trị pH=8 với thuốc thử 84 Hình 5.4: Giá trị pH=8.17 với đầu pH probe 84 Hình 5.5: Giá trị nước do cảm biến DS18B20 đọc 85 Hình 5.6: Giá trị pH và nhiệt độ upload lên thingspeak để lưu trữ 85 Hình 5.7: Giá trị pH và nhiệt độ được lưu trữ dưới dạng file Excel 86 Hình 5.8: Hiển thị màn hình VGA 87 iii
22. S K L 0 0 2 1 5 4