Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
MỤC LỤC
Trang

Danh mục các bảng.............................................................................................3
Danh mục các hình ảnh......................................................................................3
Lời nói đầu...........................................................................................................5
Chương 1: Tổng quan chung
1.1 Lịch sử nghiên cứu......................................................................................................6
1.2 Mô tả hiện tượng quá trình.........................................................................................7
1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài...................................................................7
1.4 Phương pháp nghiên cứu............................................................................................8

Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.1 Khái quát chung về hệ thống tự động trồng rau nuôi cá..........................................10
2.1.1 Khái niệm.............................................................................................................10
2.1.2 Ưu điểm của hệ thống trồng rau nuôi cá.............................................................10
2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống ........................................11
2.3 Phương pháp trồng cây ............................................................................................11
2.4 Phương pháp điều khiển tự động hệ thống..............................................................12

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống
3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí..........................................................................14
3.1.1 Yêu cầu..................................................................................................................14
3.1.2 Thành phần chính của hệ thống............................................................................14
3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển...................................................................22
3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển..............................................................22
3.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển................................................................................22
3.2.2.1 Cảm biến nhiệt độ ..............................................................................................22
3.2.2.2 Cảm biến độ ẩm..................................................................................................27
3.2.2.3 Module Analog EM235......................................................................................28

4.8 Các lỗi có thể xảy ra trong hệ thống.........................................................................79

Chương 5: Kết quả và bàn luận
Tài liệu tham khảo.............................................................................................82

Danh mục các bảng
Bảng 3-1: Mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100
Bảng 3-2: Thành phần chính của module analog
Bảng 3-3: Bảng cấu hình cho module EM 235
Bảng 3-4: Sơ đồ chân của cáp nối PLC
Bảng 3-5: Đặc điểm kỹ thuật của module mở rộng CPU226
Bảng 3-6: Thông số kỹ thuật của màn hình HMI
Bảng 4-1: Bảng khai báo địa chỉ trong PLC

Danh mục các hình ảnh
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

2


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng
Hình 2-2: Phương pháp tưới ngập xả cạn
Hình 3-1: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-2: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-3: Mô phỏng hệ thống cơ khí
Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây
Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá
Hình 3-6: Mô phỏng ống chữ L
Hình 3-7: Mô phỏng ống chữ T

và chú ý. Và chúng ta đã nghiên cứu và nuôi trồng rau sạch để phục vụ nhu cầu của
cuộc sống bằng các mô hình cũng như trang trại rau sạch, không hóa chất và chất bảo
quản thực phẩm. Để giúp cho cuộc sống của chúng ta trở an toàn và mạnh khỏe hơn.
Là sinh viên theo học khối kĩ thuật nói chung và ngành Cơ Điện Tử nói riêng, được
học và thừa hưởng các kiến thức khoa học mà các thế hệ trước đã để lại, ngoài việc
phải nắm vững các kiến thức có sẵn thông qua việc học lý thuyết, các sinh viên kĩ
thuật còn phải đưa các kiến thức đó vào thực tiễn thông qua việc tự tạo ra các mô hình

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

4


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
khoa học có khả năng ứng dụng vào thực tiễn. Vì vậy đồ án chính là cơ hội tốt nhất
cho chúng em sử dụng các kiến thức học được ở trường.
Từ đó chúng em chọn đề tài: “ Nghiên cứu và chế tạo mô hình trồng rau nuôi cá tự
động tuần hoàn, khép kín trong gia đình” cho tốt nghiệp của mình.
Tuy đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu và sử dụng các kiến thức bản thân nhưng do sự hạn
chế về mặt kiến thức mà kiến thức lại rộng lớn nên chúng em không thể tránh được
những thiếu sót hay mặt công nghệ còn có thể lạc hậu. Vì vậy chúng em mong nhận
được sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong khoa giúp chúng em bổ sung và nắm vững
kiến thức của mình.
Chúng em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Ths. Bùi Thanh Lâm đã giúp
chúng em hoàn thành đồ án này.
Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Văn Thành
2. Phạm Văn Hưng
3. Nguyễn Trung Thành


vì bổ sung phân bón và các hóa chất để trồng cây, Enjoy Aquaponics sử dụng chất thải
từ cá nhờ sự chuyển hóa từ các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy
đủ cho sự phát triển của cây. Ngược lại thay vì xả nước ra môi trường, Enjoy
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

6


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Aquaponics sử dụng cây trồng để làm sạch nước và trả lại cho bể cá. Nước này có thể
được tái sử dụng vô thời hạn và chỉ cần thay thế khi nó bị mất do bay hơi. Đây là một
hệ thống tuần hoàn khép kín hoàn hảo.
1.2 Mô tả hiện tượng, quá trình
Đây là hệ thống tự động hóa quá trình khép kín độc đáo và hoàn hảo, kết hợp nuôi
trồng thủy sản và trồng rau sạch, mang lại lợi ích thiết thực: thay vì bổ sung phân bón
và các hóa chất để trồng cây, hệ thống sử dụng chất thải từ cá, nhờ sự chuyển hóa từ
các loài vi sinh vật thành chất dinh dưỡng cần thiết và đầy đủ cho sự phát triển của
cây. Ngược lại, hệ thống này dùng cây trồng làm sạch nước nuôi cá và trả lại cho bể cá
thay vì phải xử lý rồi xả ra môi trường. Nước có thể tái sử dụng vô thời hạn, chỉ cần bổ
sung lượng thất thoát do bay hơi.
Nguyên tắc hoạt động: Cá sử dụng thức ăn và bài tiết chất thải, với 50% ở dạng
amoniac từ nước tiểu, phần còn lại là phân sẽ trải qua quá trình khoáng hóa. Trong quá
trình dị dưỡng, vi khuẩn tiêu thụ chất thải của cá, các vật chất thực vật và thực phẩm
thừa rồi chuyển đổi thành các hợp chất amoniac và các chất khác.
Yếu tố giữ vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống là vi sinh vật. Vi khuẩn cho hệ
thống sẽ tự phát triển và giúp hệ thống vận hành ổn định mà không cần bổ sung. Vi
khuẩn phát triển mạnh trong các bể cạn trồng cây, giúp chuyển hóa chất thải từ bể nuôi
cá thành dạng dinh dưỡng phù hợp cho cây trồng phát triển mà không cần phải cung
cấp nhiều phân bón. Các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa chất thải từ
cá thành chất dinh dưỡng cho cây trồng là Nitrosomonas chuyển hóa amoniac thành

- Xây dựng hệ thống điều khiển và các chương trình tự động theo từng loại cây trồng
phù hợp với nhu cầu của cây để cây có thể phát triển tốt nhất.
 Nghiên cứu thực nghiệm
- Chế tạo hệ thống tự động trồng rau nuôi cá để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý
thuyết.
- Xây dựng bộ điều khiển để điều khiển tự động hệ thống.
- Viết các chương trình tự động mở với các chế độ tự động điều khiển hệ thống.
- Các chương trình tự động là các chế độ hoạt động của hệ thống tự động. Dựa trên yêu
cầu của từng nhóm cây mà ta có các chế độ chiếu sáng cũng như điều chỉnh nhiệt độ,
nhu cầu nước và độ ẩm để chăm sóc cây trồng.
Kết luận chương: Sau khi nghiên cứu lịch sử phát triển của hệ thống trồng rau nuôi cá
kết hợp với việc tìm hiểu các hiện tượng quá trình diễn ra bọn em đã làm rõ vấn đề về
đối tượng và đưa ra phương pháp thực nghiệm sau khi đã nghiên cứu phương pháp
nghiên cứu lý thuyết.

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

8


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

9


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Vật liệu xây dựng và tài liệu hướng dẫn được phổ biến rộng rãi.
2.2 Nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

10


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Nước giàu Amoniac (NH3 – chất thải cá, thức ăn thừa) từ hồ cá qua hệ thống lọc cơ
học ở đây các chất thải rắn sẽ bị giữ lại – và sẽ bị loại bỏ ra ngoài hệ thống (thông qua
một valve xã nằm ở đáy bể lọc). Nước tiếp tục đi vào bộ lọc vi sinh (nơi chứa rất nhiều
vi sinh vật hiếu khí (có lợi) như là Nitrosomonas và Nitrobacter) các vi sinh vật này sẽ
phân giải Amoniac (NH3) thành Nitrite (NO2-) sau đó thành Nitrate (NO3-) đây là
chất dinh dưỡng cần thiết và để tiếp cận cho cây trồng. Nước tiếp tục được đưa vào
các phương tiện trồng cây, tại đây rễ cây sẽ hấp thụ các chất dinh dưỡng cần thiết để
phát triển (ở đây chủ yếu là Nitrate) và góp phần lọc sạch nước. Nước sạch sau đó
được trả về cho bể cá. Quy trình cứ thể lặp lại tạo nên một hệ sản xuất lương thực bền
vững.
Hệ thống sẽ được hoạt động tự động hóa theo chu trình khép kín và tuần hoàn theo
như hình:

Hình 2-1: Nguyên tắc tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng
2.3 Phương pháp trồng cây

Sử dụng phương pháp tưới ngập xả cạn

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

11

- Sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ môi trường trong hệ
thống giảm xuống dưới mức nhiệt độ cho phép được đặt ra với mỗi nhóm, loại cây
trồng thì cảm biến nhiệt sẽ đo nhiệt độ và phản hồi về mạch điều khiển PLC. PLC sẽ

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

12


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
điểu khiển tín hiệu ra tác động lên bộ gia nhiệt để điều chỉnh nhiệt độ cho phù hợp
(tức các bóng đèn sợi đốt sẽ được bật sáng).
- Sử dụng cảm biến để đo độ ẩm giúp duy trì độ ẩm trong hệ thống luôn đạt ở một mức
phù hợp nhất định. Khi độ ẩm trong môi trường trong hệ thống dưới mức đặt ra thì
cảm biến sẽ đo và gửi tín hiệu về PLC. PLC sẽ xử lý tín hiệu và điều khiển tín hiệu ra
tác động lên bộ phun sương để điều chỉnh độ ẩm trong môi trường cho phù hợp với
mức đặt ra.
Kết luận chương :
- Chương 2 giúp chúng ta hiểu rõ hơn về phương pháp trồng rau nuôi cá tuần hoàn,
khép kín.
- Đã đưa ra nguyên tắc hoạt động tuần hoàn khép kín của hệ thống cũng như là phương
pháp trồng trồng cây.
- Từ đó đưa ra được phương pháp điều khiển phù hợp cho hệ thống để hệ thống hoạt
động hiệu quả nhất..
- Giúp chúng ta hiểu rõ hơn hệ thống để có thể mô hình hóa mô phỏng hệ thống.

Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thống
3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí
3.1.1 Yêu cầu
Mô hình cơ khí phải đảm bảo được chắc chắn, gọn, bền và vững chắc.

Hình 3-3: Mô phỏng hệ thống cơ khí
 Mô phỏng chậu trồng rau :
Chậu trồng rau được làm từ nhựa đặc. Dưới mỗi chậu có khoét lỗ thoát nước và lắp bộ
ngắt nước shiphon bell. Chậu có chiều dài 58cm, rộng 37.5 cm, cao 20 cm. Có sẵn trên

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

15


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
thị trường nên rất dễ tìm kiếm và mua. Thích hợp cho việc sử dụng để trồng rau vào
đây.
Dưới đây là hình ảnh mô phỏng của chậu trồng rau :

.
Hình 3-4: Mô phỏng chậu trồng cây
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

16


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
 Mô phỏng bể nuôi cá:
Bể nuôi cá được làm từ nhôm có kích thước như bản vẽ. Dùng để nuôi cá và chứa
nước để dùng nước làm nước tưới cho rau ở phía trên. Có thể chứa tối đa 480 lít nước.

Hình 3-5: Mô phỏng thùng nuôi cá
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm



GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

20


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Hình 3-8: Mô phỏng ống chụp
 Thép chữ L:
Thép chữ L được làm bằng vật liệu thép. Tạo nên kết cấu vững chắc và ổn định cho
khung của hệ thống trồng rau nuôi cá. Với kích thước như trên bản vẽ.

Hình 3-9: Mô phỏng thép chữ L
GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
3.2 Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển
3.2.1 Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển :

Khối hiển thị
(HMI)
Khối gia nhiệt

Cảm biến
nhiệt độ

Module

GVHD: ThS. Bùi Thanh Lâm

22


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Cảm biến nhiệt độ Pt100: Loại củ hành loại này phổ biến nhất trên thị trường có một
đầu là cảm biến, một đầu là kết nối dây vào các bộ đọc hay các thiết bị hỗ trợ. Loại củ
hành có loại có 2 dây, loại 3 dây, loại 4 dây, trong đó loại 3 dây là phổ biến nhất. Loại
3,4 dây cho thông số nhiệt độ chính xác nhất. Cảm biến nhiệt độ Pt100 loại củ hành có
dãy đo rộng tối thiểu là -200 C và cao nhất là +400 C. Can nhiệt Pt100 củ hành có các
chiều dài thông dụng như 50mm, 100mm, 150mm, 200mm, 300mm, 500mm, có
đường kính 6mm, 8mm, 10mm, 12mm..

Hình 3-10: Cảm biến nhiệt PT100
Pt (Platinum resistance thermometers) có nghĩa là nhiệt điện trở bạch kim. Vì Bạch
kim có tính chất thay đổi điện trở theo nhiệt độ tốt hơn các loại kim loại khác nên
chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhiệt điện trở. Pt100 là một đầu dò cảm biến
nhiệt bên trong có các lõi được làm bằng Bạch kim. Bên ngoài có bọc một số lớp bảo
vệ cho phần lõi bên trong nhưng vẫn truyền nhiệt tốt cho phần lõi.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ Pt100: cảm biến nhiệt độ Pt100 không phải hoàn toàn bằng
Bạch kim. Việc chế tạo bằng Bạch kim là khá tốn kém cho một thiết bị đo thông dụng.
Vì thế chỉ có thành phần cảm biến nhiệt mới thật sự là Bạch kim. Nhằm giảm thiều chi
phí sản suất các thành phần khác của cảm biến nhiệt độ Pt100 có thể được làm bằng
thép không gỉ, đồng, chất bán dẫn, tấm thủy tinh siêu mỏng…
Cấu tạo của đầu cảm biến nhiệt độ Pt100:
Nguyên lý hoạt động của Pt100 Nguyên lý hoạt động của Pt100 đơn giản dựa trên mối
quan hệ mật thiết giữa kim loại và nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại
cũng tăng. Bạch kim cũng tương tự như vậy. Theo tiêu chuẩn thì khi nhiệt độ là 00C
điện trở của Pt100 sẽ là 100Ω. Bạch kim được sử dụng rộng rãi là do các yếu tố sau trơ


24


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 3-12: Cách lắp đặt Pt100 2 dây – 3 dây – 4 dây
Theo sơ đồ trên ta thấy cảm biến đo nhiệt độ Pt100 gần như là một biến trở. Thực tế
chính xác là như vậy nhiệt độ khi đo làm thay đổi giá trị điện trở bên trong. Các bộ đọc
tín hiệu Pt100 hoăc chuyển đổi tín hiệu Pt100 đều hoạt động trên nguyên tắc thay đổi
điện trở.
Bảng 3-1 thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ với giá trị điện trở bên trong PT100
Temperature in oC

Pt100 in ohm

−50

80.31

-45

82.29

-40

84.27

-35


5

101.95

10

103.90

15

105.85

20

107.79

25

109.73

30

111.67

35

113.61

40