โครงงานเครื่องรดน้ำต้นไม้อัตโนมัติ

โดย นาย สงกรานต์ สว่างวัล (don_za555@hotmail.com)
สาขาวิศวกรรมแมคคาทรอนิกส์ ภาควิชาครุศาสตร์เครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ

 

 

Download Simulink Model File (proj09_automatic_supply_water.7z)

 

รูปที่ 1 วงจรการต่อใช้งานจริง

รูปที่ 1 วงจรการต่อใช้งานจริง

ที่มาและความเป็นมาของโครงงาน

ต้นไม้และพืชต่างๆต้องการน้ำ ซึ่งน้ำเป็นปัจจัยที่สำคัญต่อการเจริญเติบโตของพืช โดยถ้าพืชนั้นได้รับน้ำมาเกินไปก็จะทำให้พืชนั้นตายได้ หรือถ้าหากพืชนั้นได้รับน้ำที่น้อยเกินไปก็จะทำให้พืชนั้นไม่เจริญเติบโต รวมถึงการออกดอก ออกผล ที่ไม่เป็นไปตามเป้าหมาย การรดน้ำต้นไม้ให้ถูกวิธี ไม้ประดับหรือพืชต่างๆ จึงจะเจริญเติบโตนั้นก็จะมีปัจจัยที่สำคัญอยู่หลายปัจจัยที่จะนำมาเป็นเงื่อนไขในการรดน้ำต้นไม้ในที่นี่ได้นำเอา ความชื้นในดิน มาทำการพิจารณาในการรดน้ำต้นไม้

ในปัจจุบันเทคโนโลยีมีบทบาทสำคัญอย่างมากในการดำเนินชีวิต ในส่วนของการอำนวยความสะดวกสบาย ทั้งนี้ทางผู้จัดทำก็ได้เล็งเห็นการประยุกต์ใช้ การควบคุมระบบด้วย Microcontroller โดยนำมาเป็นตัวประมวลผล สั่งการให้มีการรดน้ำต้นไม้ ด้วยการพิจารณาจากความชื้นที่มีอยู่ในดิน และเมื่อค่าความชื้นในดินลดน้อยลงถึงเกณฑ์ที่ตั้งไว้ ก็จะทำให้ Microcontroller สั่งการให้ Solenoid valve ทำงานเพื่อส่งจ่ายน้ำไปยังต้นไม้นั้นเอง และเมื่อทำการส่งจ่ายน้ำได้ถึงตามปริมาณที่ได้ตั้งค่าไว้แล้ว Microcontroller ก็สั่งการให้หยุดจ่ายน้ำ

ในที่นี่ได้นำเอา Microcontroller STM32F4 มาเป็นตัวประมวลผล และในส่วนของอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความชื้นนั้นได้นำเอา เซนเซอร์วัดความชื้นในดิน มาใช้งานโดยค่าความชื้นในดินนั้นจะส่งขอมูลออกมาในรูปแบบของสัญญาณแรงดันไฟฟ้า แบบอนาล็อก โดยมีค่าแรงดันตั้งแต่ 0V – 3.3 V และนำเอาจอแสดงผล แบบ LCD มาใช้แสดงค่าความชื้น และค่าแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน ในส่วนสุดท้ายคือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ ปิด-เปิด การส่งจ่ายน้ำไปยังต้นไม้คือ Solenoid valve

คุณสมบัติการทำงานของโครงงาน

  • สามารถกำหนดค่าความชื้นในดิน ที่จะเป็นเกณฑ์ให้เครื่องรดน้ำต้นไม้ทำการส่งจ่ายน้ำไปยังต้นไม้ได้
  • สามารถกำหนดปริมาณน้ำ (หน่วยเป็นลิตร) ที่จะส่งจ่ายไปยังต้นไม้ได้
  • บอร์ดขับ Solenoid valve ใช้กับ Solenoid valve กระแสตรงแรงดันไฟฟ้า 12 – 24 V กระแส 8 A
  • ค่าความชื้นในดินสามารถวัดได้ตั้งแต่ 0%-100%
รูปที่ 2 การทดลองใช้งานจริง

รูปที่ 2 การทดลองใช้งานจริง

หลักการทำงานของเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน

ในการวัดค่าความชื้นในดินนั้น จะต้องนำเอาแท่งอิเล็กโทรดปักลงไปในดินที่ต้องการวัดซึ่งก็จะสามารถอ่านค่าความชื้นของดินได้ หลักการ คือ การวัดค่าความต้านทานระหว่างอิเล็กโทรด 2 ข้างในรูปดังนี้

รูปที่ 3 แท่งอิเล็กโทรด

รูปที่ 3 แท่งอิเล็กโทรด

ในกรณีที่อ่านค่าความต้านทานได้น้อย ก็แปลว่ามีความชื้นในดินมาก หรือดินชุ่มชื้นไม่ต้องรดน้ำ ในกรณีที่อ่านค่าความต้านทานได้มาก ก็แปลว่ามีความชื้นในดินน้อย หรือดินแห้งอาจจะต้องรดน้ำ
ในส่วนของ Soil moisture sensor module นี้สามารถให้ค่าได้ 2 แบบ

  1. อ่านค่าเป็นแบบ Analog หมายถึงอ่านค่าความชื่นและให้ค่าตั้งแต่ 0 ถึง 1024
  2. อ่านค่าเป็นแบบ Digital โดยเปรียบเทียบกับค่าที่ตั้งไว้ ถ้ามากกว่าก็ให้ logic HIGH ถ้าต่ำกว่าก็ LOW

จากนั้นค่าที่อ่านได้ก็จะเอาป้อนให้กับวงจรเปรียบเทียบแรงดัน IC LM393 (DUAL DIFFERENTIAL COMPARATORS) โดยตั้งค่าได้จาก Variable Resistor ซึ่งเป็นการปรับค่าแรงดันที่ใช้ในการเปรียบเทียบ

หลักการทำงานของโซลินอยด์วาล์ว(Solenoid valve)

โซลินอยด์ (Solenoid) เป็นอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ที่มีหลักการทำงานคล้ายกับรีเลย์(Relay) ภายในโครงสร้างของโซลินอยด์จะประกอบด้วยขดลวดที่พันอยู่รอบแท่งเหล็กที่ภายในประกอบด้วยแม่เหล็กชุดบนกับชุดล่าง เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดที่พันรอบแท่งเหล็ก ทำให้แท่งเหล็กชุดล่างมีอำนาจแม่เหล็กดึงแท่งเหล็กชุดบนลงมาสัมผัสกันทำให้ครบวงจรทำงาน เมื่อวงจรถูกตัดกระแสไฟฟ้าทำให้แท่งเหล็กส่วนล่างหมดอำนาจแม่เหล็ก สปริงก็จะดันแท่งเหล็กส่วนบนกลับสู่ตำแหน่งปกติ จากหลักการดังกล่าวของโซลินอยด์ก็จะนำมาใช้ในการเลื่อนลิ้นวาล์วของระบบนิวแมติกส์ การปิด-เปิดการจ่ายน้ำหรือของเหลวอื่นๆ โครงสร้างของ Solenoid โดยทั่วไปแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ เลื่อนวาล์วด้วยโซลินอยด์วาล์วกลับด้วยสปริง (Single Solenoid Valve) และเลื่อนวาล์วด้วยโซลินอยด์วาล์วกลับด้วยโซลินอยด์วาล์ว (Double Solenoid Valve) ในที่นี้ใช้แบบ เลื่อนวาล์วด้วยโซลินอยด์วาล์วกลับด้วยสปริง (Single Solenoid Valve)

รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างของโซลินอยด์วาล์ว (Solenoid valve)

รูปที่ 4 แสดงโครงสร้างของโซลินอยด์วาล์ว (Solenoid valve)

รูปที่ 5 วงจรสมบูรณ์

รูปที่ 5 วงจรสมบูรณ์

วงจรการต่อวงจรที่สมบูรณ์ของโครงงานเครื่องรดน้ำต้นไม้อัตโนมัติ

การต่อวงจรสมบูรณ์นั้นจะมีทั้งวงจรและอุปกรณ์ทำงานดังนี้คือ

หมายเลข 1 คือ จอ LCD ทำหน้าที่แสดงค่าความชื้นที่วัดได้ในดิน และค่าแรงดันไฟฟ้าที่ได้จาก เซนเซอร์วัดความชื้นในดิน โดยต้องต่อแหล่งจ่ายขนาด +5 VDC และต่อขาของจอ LCD ให้ตรงตาม Schematics ด้วย
จอ LCD ถึงจะสามารถแสดงผลได้

หมายเลข 2 คือ บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F4-DISCOVERY ทำหน้าที่เป็นตัวประมวลผลโดยรับ สัญญาณ INPUT ซึ่งจะนำข้อมูลที่ได้มาทำการประมวลผล และส่งสัญญาณ OUTPUT เพื่อทำการส่งจ่ายน้ำไปยังต้นไม้ และยังมีการต่อวงจรแปลงแรงดันไฟฟ้าจาก +12 VDC ให้เหลือ +5 VDC เพื่อนำไปเป็นแหล่งจ่ายให้กับ บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F4-DISCOVERY โดยจะต้องทำการต่อขาให้ตรงตาม Schematics จะมีทั้งส่วนของการรับ INPUT จากเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน ส่วนของ OUTPUT ที่ต่อไปยังจอแสดงผล LCD และส่วนของ OUTPUT ที่ควบคุม Solenoid valve

หมายเลข 3 คือ บอร์ดไดร์ Solenoid valve สามารถต่อใช้งาน Solenoid valve ขนาดแรงดัน 12-24 VDC
กระแสไม่เกิน 8 A โดยวงจรนั้นจะใช้อุปกรณ์ Opto-coupler (เบอร์ TL250) ทำหน้าที่เป็นตัวแยกกราวด์ระหว่าง ภาคควบคุม คือ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และภาคกำลัง คือ ชุดไดร์ Solenoid valve เพื่อสร้างความปลอดภัยในการใช้งาน และใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังคือ MOSFET (IRF840) เป็นตัวปิด-เปิดการทำงานของ Solenoid valve โดยจะต้องต่อแหล่งจ่าย +12 VDC และต่อขาเพื่อรับสัญญาณ OUTPUT จากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ ให้ถูกต้องตาม Schematics เพื่อที่จะให้บอร์ดไดร์สามารถทำงานได้

หมายเลข 4 คือ เซนเซอร์วัดความชื้นในดิน เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดค่าความชื้นในดิน โดยค่าที่ได้จะแสดงออกมาเป็นค่าแรงดันไฟฟ้า 0 – 3.3 VDC การต่อใช้งานนั้นจะต้องต่อแหล่งจ่าย +3.3 VDC ให้กับเซนเซอร์ และนำOUTPUT จากเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน ไปต่อเป็น INPUT สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F4-DISCOVERY

ส่วนประกอบวงจรประกอบด้วย

รูปที่ 6 ชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

รูปที่ 6 ชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

หมายเลข 1 จอ LCD แสดงผล
หมายเลข 2 บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F4-DISCOVERY
หมายเลข 3 VR สำหรับปรับค่าความสว่างของ จอ LCD แสดงผล
หมายเลข 4 วงจรแปรงแรงดันขนาด +5VDC

รูปที่ 7 ชุดบอร์ดไดร์ Solenoid valve และเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน

รูปที่ 7 ชุดบอร์ดไดร์ Solenoid valve และเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน

หมายเลข 5 เซนเซอร์วัดความชื้นในดิน
หมายเลข 6 Solenoid valve
หมายเลข 7 บอร์ดไดร์ Solenoid valve

โปรแกรม Simulink ที่สมบูรณ์ของโครงงานเครื่องรดน้ำต้นไม้อัตโนมัติ

 

รูปที่ 8 แสดง Block โปรแกรมส่วนแรก (การแสดงผลบนจอ LCD)

รูปที่ 8 แสดง Block โปรแกรมส่วนแรก (การแสดงผลบนจอ LCD)

การอธิบาย Block โปรแกรม

 

รูปที่ 9 แสดง Block โปรแกรมส่วนที่สอง (กำรประมวลผล)

รูปที่ 9 แสดง Block โปรแกรมส่วนที่สอง (กำรประมวลผล)

Image 010

 

Image 011

 

รูปที่ 10 แสดง Block โปรแกรมใน บล็อก Stateflow

รูปที่ 10 แสดง Block โปรแกรมใน บล็อก Stateflow

หมายเลข การอธิบาย Block โปรแกรม

Image 013

PCB ที่สมบูรณ์ของโครงงานเครื่องรดน้ำต้นไม้อัตโนมัติ

รูปที่ 11 แสดงลายวงจรของชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

รูปที่ 11 แสดงลายวงจรของชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

 

รูปที่ 12 แสดง PCB ที่สมบูรณ์ของชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

รูปที่ 12 แสดง PCB ที่สมบูรณ์ของชุด Socket Microcontroller และจอ LCD แสดงผล

 

รูปที่ 13 ภาพแสดงการติดตั้งใช้งาน

รูปที่ 13 ภาพแสดงการติดตั้งใช้งาน

 

รูปที่ 14 รายละเอียดการแสดงผลทาง LCD

รูปที่ 14 รายละเอียดการแสดงผลทาง LCD

บรรทัดที่ 1 แสดงชื่อของโครงงานคือ Auto-watering
บรรทัดที่ 2 แสดงค่าความชื้นในดินที่สามารถวัดได้ โดยเทียบออกมาเป็น 0% – 100%
บรรทัดที่ 3 แสดงค่าแรงดันไฟฟ้า ที่วัดได้จากเซนเซอร์วัดความชื้นในดิน
บรรทัดที่ 4 แสดงข้อความ คือ KMUTNB_TT-09

 

โครงงานนี้เป็นผลงานของนักศึกษา สาขาวิศวกรรมแมคคาทรอนิกส์ ภาควิชาครุศาสตร์เครื่องกล มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ เนื้อหาในบทความเป็นการออกแบบและความเห็นส่วนตัวของผู้ทำโครงงาน บริษัท เอมเมจิน จำกัด อาจไม่เห็นด้วยเสมอไป