Khi nói về tiểu thủy cảnh thì mọi người sẽ nghĩ ngay đến những lợi ích mà nó mang lại như nó được dùng như một vật trang trí đẹp cho khu vườn nhà bạn, thậm chí có thể đặt nó trong căn phòng làm việc. Và nếu xét về phong thủy thì việc đưa tiểu thủy cảnh vào nhà là rất có lợi, nó giúp điều hòa âm dương cho ngôi nhà nếu để đúng hướng với cung mệnh của gia chủ.
Tuy nhiên, để vận hành được hệ thống máy nước bên trong tiểu thủy cảnh không phải là một việc làm dễ dàng, phải đòi hỏi người chơi phải bỏ ra nhiều công sức. Việc dẫn dây từ nguồn điện gia đình vào tiểu thủy cảnh được xem là phức tạp, đặc biệt là vấn đề an toàn và tiết kiệm điện năng. Do đó, giải pháp kinh tế trong tình huống này là sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời để tạo ra hệ thống điện độc lập cho tiểu thủy cảnh.
Bước 1: Chuẩn bị năng lượng cho máy bơm nước
Bạn cần chuẩn bị một tấm pin năng lượng mặt trời tiêu chuẩn, pin lưu trữ điện năng để cung cấp điện cho máy bơm nước và bảng mạch điều khiển. Hầu hết các máy bơm trong tiểu thủy cảnh hiện nay đều chạy trên 120V AC nên bạn cần chuẩn bị thêm một máy biến tần công suất nhỏ.
– Pin lưu trữ năng lượng: Cần chuẩn bị một pin sạc khoảng 12V (nó được thiết kế để tương thích với tấm pin năng lượng mặt trời), nó phải có đủ công suất để vận hành máy bơm trong vài giờ trên một lần sạc.
– Bộ biến tần: Bạn chỉ cần chuẩn bị một bộ biến tần công suất vừa đủ để cung cấp năng lượng cho máy bơm, thông thường thì chỉ vào khoảng 80W (watt) là đủ cho các máy bơm trong tiểu thủy cảnh hiện nay.
Bước 2: Sơ đồ mạch điều khiển đóng ngắt (Relay)
Để làm trình điều khiển mạch đóng ngắt relay, đầu tiên bạn cần chuẩn bị một rơ le 12V, điều này cho phép bật nguồn trực tiếp từ pin. Sau đó, bạn cần một điện trở khởi động (power transistor) để kích hoạt đóng ngắt relay, có thể chọn loại IRF510 MOSFET. Cuối cùng chuẩn bị một điốt mắc song song với cuộn dây của rơle để bảo vệ điện trở từ những điện áp có thể xảy ra khi rơle tắt.
Dây của mạch điều khiển đóng ngắt rơ le được thể hiện trên sơ đồ và sẵn sàng kết nối với mạch Arduino.
Bước 3: Kết nối mạch điều khiển rơle với mạch Arduino
Để khởi động Arduino, bạn cần phải kết nối cực âm (- thiết bị đầu cuối) của pin đến chân GND trên mạch Arduino và kết nối cực dương (+ thiết bị đầu cuối hoặc dòng +12V trên mạch điều khiển rơle) với chân VIN. Chân VIN đã được tích hợp trong bộ điều chỉnh điện áp và hầu hết các dòng Arduino từ 7V-12V.
Cuối cùng, bạn phải kết nối một chân kỹ thuật số (chân 13) đến cổng trên điện trở (transistor) nhằm để cung cấp tín hiệu đóng, ngắt.
Bước 4: Kết nối tấm pin mặt trời, pin và bộ biến tần với mạch rơle
Nếu tấm pin năng lượng mặt trời không có diode chặn thì bạn cần phải thêm vào một diode trước khi kết nối với phần còn lại của mạch. Điều này giúp ngăn chặn dòng điện chạy ngược trở lại tấm pin khi trời tối và tháo pin ra. Cực âm của các thành phần sẽ kết nối với nhau. Cực dương của các thành phần như tấm pin mặt trời, pin, Arduino và mạch rơle cũng có thể kết nối với nhau.
Bước 5: Làm hộp đựng mạch rơle và mạch Arduino
Để giữ mỗi thiết bị trật tự hơn, bạn nên làm một chiếc hộp để đựng mạch rơ le và mạch Arduino. Bạn cắt một khe ở một bên chiếc hộp rồi cho một đôi dây kết nối với pin. Ở mặt bên khác, bạn khoan hai lỗ để thêm một đôi đinh ốc nơi được sử dụng để gắn các kẹp từ tấm pin năng lượng mặt trời. Ở mặt bên thứ ba, bạn tạo một lỗ 1/8 inch để thêm vào ổ cắm điện 12V DC cho bộ biến tần.
Bước 6: Đặt các bộ phận vào một chiếc hộp chống nước
Bước 7: Nguyên lý hoạt động
Năng lượng điện được sản xuất bởi tấm pin mặt trời sẽ được lưu trữ vào pin sạc. Sau đó, pin sẽ sử dụng năng lượng điện được lưu trữ này để khởi động tất cả các thành phần khác. Khi Arduino gửi một tín hiệu cao đến cổng của điện trở, rơle sẽ được kích hoạt, tức là kết nối nguồn điện với bộ biến tần và biến đổi nó. Bộ biến tần sẽ lấy 12 V DC từ pin và chuyển đổi nó thành 120 V AC để đáp ứng cho tiểu thủy cảnh.
Bước 8: Chương trình cho Arduino
Bây giờ, bạn cần phải tạo ra một chương trình điều khiển cho mạch Arduino. Đầu tiên, cần phải thiết lập các chân kỹ thuật số sang chế độ đầu ra, rồi lựa chọn trong điều kiện nào thì máy bơm nước trong tiểu thủy cảnh sẽ được bật. Ví dụ, bạn có thể quy định thời điểm bật máy bơm nước vào một giờ cố định trong mỗi ngày hoặc có thể sử dụng điều kiện môi trường (như cường độ ánh sáng, tuy nhiên sẽ phải tích hợp một bộ cảm biến) để kích hoạt máy bơm nước.
int RelayPin = 13; // relay driver connected to digital pin 13
void setup()
{
pinMode(RelayPin, OUTPUT); // sets the digital pin as output
}void loop()
{
digitalWrite(RelayPin, HIGH); // turns the fountain on
delay(3600000); // waits for an hour
digitalWrite(RelayPin, LOW); // turns the fountain off
delay(82800000); // waits for 23 hours
}
Bước 9: Pin điện áp cảm biến
Bởi vì năng lượng điện đầu ra của tấm pin năng lượng mặt trời phụ thuộc nhiều vào thời tiết nên bạn khó có thể biết pin được sạc đầy hay chưa. Vì vậy, bạn cần có một mạch Arduino theo dõi điện áp của pin, cho phép hệ thống tự động tắt khi pin xuống quá thấp.
Bạn có thể sử dụng tính năng AnalogRead để đo điện áp nhưng nó chỉ cho phép đo điện áp lên đến 5V. Vì vậy, cần phải chia điện áp để giảm điện áp đến mức có thể đo được bằng cách sử dụng hai điện trở. Có thể sử dụng tính năng AnalogRead để đo điện áp dạng số nguyên từ 0 đến 1023. Để chuyển đổi từ volt có thể sử dụng công thức: V=AnalogRead*0.0049*RLarger/Rsmaller. Sau đây là một ví dụ về cách thiết lập theo dõi điện áp của pin và tắt máy bơm nước khi pin xuống thấp. Các điện trở được lựa chọn là 10K và 4.7K.
int RelayPin = 13; // relay driver connected to digital pin 13
int analogPin = 3; // Center of voltage divided connected to analog pin 3
int val = 0; // variable to store the value readvoid setup()
{
pinMode(RelayPin, OUTPUT); // sets the digital pin as output
}void loop()
{
val = analogRead(analogPin); // read the input pin
if (val< 720) //if the battery’s voltage is less than 11
//with the chosen resistors of 10K and 4.7K, the voltage divider turns 11V into 3.5167V
//this is read by the analogRead function as 720
{
digitalWrite(RelayPin, LOW); // turns the fountain off if the battery’s voltage is below 11V
}if (val> 785) //if the battery’s voltage is greater than 12
//with the chosen resistors of 10K and 4.7K, the voltage divider turns 12V into 3.8364V
//this is read by the analogRead function as 785
{
digitalWrite(RelayPin, HIGH); // turns the fountain on if the battery’s voltage is greater than 12V
}
delay(60000); // waits for one minute
}
Bước 10: Cảm biến ánh sáng
Bạn có thể sử dụng cường độ ánh sáng như là một điều kiện để bật hoặc tắt máy bơm nước của tiểu thủy cảnh. Để xây dựng bộ cảm biến, bạn cần một cảm biến quang (photoresistor) CdS và một điện trở có giá trị cố định 10K. Cảm biến quang nên được kết nối đến cực dương của pin và điện trở 10K kết nối với mặt đất. Nó có thể sử dụng một tế bào năng lượng mặt trời như cảm biến ánh sáng. Để làm được điều này, cần kết nối cực âm của một ô đến chân GND của Arduino và kết nối cực dương đến chân đầu vào analog.
int RelayPin = 13; // relay driver connected to digital pin 13
int analogPin = 3; // Center of voltage divided connected to analog pin 3
int val = 0; // variable to store the value readvoid setup()
{
pinMode(RelayPin, OUTPUT); // sets the digital pin as output
}void loop()
{
val = analogRead(analogPin); // read the input pin
if (val> 720) //if the light level are high
{
digitalWrite(RelayPin, HIGH); // turns the fountain on if the sun is shining
}
else
{
digitalWrite(RelayPin, LOW); // turns the fountain off if the sun is shining
}
delay(60000); // waits for one minute
}
Bước 11: Hoàn thành hệ thống năng lượng mặt trời cho tiểu thủy cảnh
Đến đây, hệ thống bơm nước trong tiểu thủy cảnh sử dụng năng lượng mặt trời đã hoàn tất. Bạn có thể thêm một bộ cảm biến nước thấp, bộ cảm biến mưa hoặc bộ cảm biến chuyển động để phát triển thêm ý tưởng sáng tạo với những chương trình Arduino.
