Báo cáo bài tập lớn đề tài cảm biến độ ẩm đất và sản phẩm ứng dụng thực tế

Phân công công việc:thành Mạc Đức Duy 20198404 Do dịch nên chủ yếu làm online Tư vấn, tìm hiểu thông số và linh kiện Chỉnh code Xử lý số liệu Thuyết trình 2 buổi cuối Hoàn thành tốt, tí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

****************

Báo cáo Bài Tập lớn

ĐỀ TÀI: Cảm biến độ ẩm đất và sản phẩm ứng dụng thực tế

Giảng viên hướng dẫn: T.S Phạm Đức An

Sinh viên thực hiện: Nhóm 8

1

2

3

4

Hà Nội, tháng 6 năm 2021

4.1 Duy trì độ ẩm tự động ở trong khoảng nhất định 5

4.2 Yêu cầu máy làm việc với một độ ẩm nhập bất kì ngoài giao diện 6

8 Mô đun rơ le bán dẫn 1 kênh 5/12/24V định mức HIGHT/LOW 15

Phân công công việc:

thành

Mạc Đức Duy 20198404 Do dịch nên chủ yếu làm online

Tư vấn, tìm hiểu thông số và linh kiện Chỉnh code

Xử lý số liệu Thuyết trình 2 buổi cuối

Hoàn thành tốt, tích cực

Vũ Đình Hiệp

Nhóm trưởng 20198405

Tìm và mua linh kiện Đưa ra bài toán Viết code bài toán mức, bài toán hiển thị Làm và chỉnh sửa báo cáo sau các buổi Làm mạch, lắp mạch,

Tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu Thuyết trình buổi đầu và trả lời tiến độ ở các buổi báo cáo

Hoàn thành tốt, tích cực

Trịnh Quang Nghĩa 20198421 Tìm và mua linh kiện

Làm powerpoint Lắp mạch Tiến hành lấy mẫu thí nghiệm Tìm định nghĩa và công thức cần thiết,

Hỗ trợ phần làm video và ảnh sản phẩm Thuyết trình buổi số 3

Hoàn thành tốt, tích cực

Đỗ Quang Trung 20198439 Viết code bài toán 2

Đồng thời kết hợp các bài toán rồi đưa ra code tổng hợp

Giải quyết, làm rõ bài toán Đưa ra sơ đồ khối của bài toán Tìm hiểu các hàm viết code Trả lời tiến độ báo cáo của thầy ở buổi báo cá

o số 2/3

Hoàn thành tốt, tích cực

I PHẦN I: CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT DÙNG IC LM393 VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BƠM TỰ ĐỘNG

1 Tổng quan cảm biến

a Khái niệm

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

 Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,….

Ngoài ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác.

Cảm biến chủ động và bị động

Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt

Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược

Phân loại theo nguyên lí hoạt động

Theo nguyên lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:

 Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

 Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,….

 Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…

 Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…

2 Ý tưởng

Ngày nay, công nghệ đang được ứng dụng triệt để trong mọi ngóc ngách của cuộc sống.Các mô hình tự động hóa, công nghệ truyền thông, internet, … giúp cho con người có thể làmđược nhiều việc hơn, năng suất và tự động Cùng với hướng phát triển chung của xã hội, nhómchúng em mong mỏi làm ra một sản phẩm giúp người dùng có thể tối ưu hóa cuộc sống củamình, giảm bớt thời gian để có nhiều thời gian hơn dành cho gia đình

Mỗi gia đình, dù thành phố hay nông thôn đều có môt vườn cây nho nhỏ Tuy nhiên, dobộn bề công việc, nhiều khi chúng ta quên, không thể chăm sóc cho khu vườn nhỏ của mình.Đồng thời, Việt Nam cũng là một nước sản xuất nông sản đứng hàng đầu thế giới Cùng với yêucầu môn học, nhóm em nảy ra ý tưởng là thiết kế một sản phẩm bơm tưới nước tự động thôngqua các dữ liệu đo lường từ cảm biến độ ẩm đất Chúng em hy vọng sản phẩm sẽ ứng dụng đượctrong thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất cho cây trồng.

4 Bài toán thực hiện

Để hoàn thiện được một sản phẩm hoàn chỉnh như hiện tại, nhóm đã tách bài toán lớnthành nhiều bài toán nhỏ, sau đó mới tổng hợp chúng lại Ưu điểm của phương pháp làm là nó dễdàng hoàn thành từng mốc kế hoạch, dễ dàng phân chia nhiệm vụ cho các thành viên, trong quátrình vận hành nếu có sai sót thì nhóm có thể xem từng phần riêng lẻ để tìm và sửa lỗi một cáchnhanh gọn dễ dàng nhất Đồng thời phương pháp này cũng giúp các thành viên, các bạn và thầy

có thể dễ dàng xem, và hiểu các ứng dụng, cách thức từ đó tiếp thu môn học dễ dàng hơn

4.1 Duy trì độ ẩm tự động ở trong khoảng nhất định

Với mỗi loại cây trồng đều sẽ có một môi trường độ ẩm thsihc hợp để sinh trường và pháttriển Nghiên cứu và sử dụng công cụ để duy trì môi trường độ ẩm tối ưu giúp cho cây trồng pháttriển một cách tốt nhất

Sơ đồ khối của bài toán:

Code của bài toán:

pinMode(dc, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}void loop() {

j=analogRead(A0);

j=map(j,0,982,148,0);

pres=j;

if(j>100) j=100;

else if(j<0) j=0;

delay(1000);

}

else { if(j>80) digitalWrite(dc,LOW); //dong co dung

delay(1000);}

prev=j;

delay(500); }

4.2 Yêu cầu máy làm việc với một độ ẩm nhập bất kì

Sơ đồ khối bài toán:

Code của bài toán:

4.3 Sản phẩm hoàn hiện

bytecolumnPins[columns] = {6, 7, 8,9};

Keypad keypad =Keypad(makeKeymap(keys), rowPins,columnPins, rows,columns);

void setup(){

lcd.init(); // khaibao ki tu LCDgom 2 hang va 16

ki tu lcd.setCursor(0,0); // dua con tro

j = map(j, 0, 982,

148, 0); // tinh toangia tri do am pres = j;

if (j > 100){

j = 100;

} else{ if (j < 0){

j = 0;

} }lcd.setCursor(10,0); // dua con trochuot vao hang

2 vi tri thu 6 trenLCD

lcd.print(j); // hienthi gia tri do am lenLCD

}

if (temp =='#'){

a =inString.toInt();

if (a != 0){

if (j < a){

digitalWrite(

if(isLowerCase(temp)){

if (j<50){ digitalWrite(dc,HIGH); delay(100);

} else{

if (j>=80){

digitalWrite(dc,LOW); delay(100);

} } }

if (temp =='C'){

digitalWrite

"); // hien thi pinMode(dc,OUTPUT); // khaibao dong co la tinhieu ra

Serial.begin(9600);

Serial.print(j);

lcd.setCursor(0,1)

; lcd.print("setup");

char temp =keypad.getKey();

if (temp){

if(isDigit(temp)){

Data[data_count] = temp;

lcd.setCursor(data_count+7,1);

dc,HIGH);

delay(1000);

} else{

if (j>=a){

digitalWrite(dc,LOW);

delay(1000)

; } } prev = j;

delay(500);

}

(dc,LOW); a=0;

lcd.clear(); lcd.setCursor(11,1);

lcd.print(a); }

} Serial.println(temp);

}

5 Cảm biến độ ẩm đất LM393

 Nguyên lý: Cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng hai điện cực để theo dõi điện dung (nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích) của một dải kim loại mỏng đặt giữa chúng Điện dung kim loại khác tăng hoặc giảm với tốc độ tỷ lệ thuận với sự thay đổi độ ẩm trong môi trường cảm biến

Sự chênh lệch điện tích (điện áp) được tạo ra bởi sự tăng độ ẩm sau đó được khuếch đại và gửi đến máy tính nhúng để xử lý

Module chuyển đổi có cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một biến trở , 4 điện trở dán

100 ohm và 2 tụ dán Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về

từ cảm biến Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393 Khi độ

ẩm thấp hơn ngưỡng định trước, ngõ ra của IC là mức cao (1), ngược lại là mức thấp (0)

Đặc điểm

 Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

 Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

 Led báo hiệu

 Led đỏ báo nguồn

 Led xanh báo mức độ ẩm ở pin DO

 Mô tả các pin trên module

VCC 3.3V-5VGN

}

 Ứng dụng:Cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp, tưới

nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng của hệ thống nhàthông minh

 Lưu ý: Cảm biến sử dụng phương pháp điện dung nên dễ bị điện hóa mất lớp kim loại bề

mặt

Nhiệt độ khuyên dùng 10-60*C

Thường xuyên kiểm tra, vệ sinh về mặt cảm biến

6 Adruino UNO R3

► Dòng Max Chân I/O : 30mA

►14 Chân Digital I/O (6 chân PWM)

►6 Chân Analog Inputs

► 32k Flash Memory

► 16Mhz Clock Speed

► SRAM 2 KB

► EEPROM 1 KB

► Đèn LED : Arduino Uno đi kèm với

đèn LED tích hợp được kết nối thông

qua chân 13 Cung cấp mức logic HIGH

tương ứng ON và LOW tương ứng tắt.

► Vin : Đây là điện áp đầu vào được

cung cấp cho board mạch

Arduino Khác với 5V được cung cấp

qua cổng USB Pin này được sử dụng để

cung cấp điện áp toàn mạch thông qua

jack nguồn, thông thường khoảng

7-12VDC

► 5V : Chân 5V được sử dụng để cung

cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp

nguồn bằng ba cách đó là USB, chân

► USB : Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V

► GND : Chân mass chung cho toàn mạch Arduino

► Reset : Chân reset để thiết lập lại về ban đầu

► IOREF : Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino

► PWM : PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10, 11 Các chân này được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.

► SPI : Chân này được gọi là giao diện ngoại

vi nối tiếp Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.

► AREF : Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.

► TWI : Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây Chân A4 và A5 được sử dụng cho mục đích này.

► Serial Communication :Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx).

Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC ► Rx : Chân này được sử dụng để nhận dữ

liệu trong khi chân Tx được sử dụng để truyền

dữ liệu.

► External Interrupts (Ngắt ngoài) : Chân 2

và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài.

7 Bộ chuyển đổi I2C và LCD với Adruino

LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm

7.2 Module I2C Arduino

Module I2C LCD 16×2

LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều

chân trên vi điều khiển Vì thế Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này Thay vì

phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối

Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

 Giao tiếp: I2C

 Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

 Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

 Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Để sử dụng màn hình LCD giao tiếp I2C sử dụng Arduino thì ta cần cài đặt thưviện Liquidcrystal_I2C

Hướng dẫn cái đặt thư viện: arduino-ide

https://arduinokit.vn/huong-dan-them-moi-thu-vien-trong-7.3 Giao tiếp I2C LCD Arduino

Module I2C LCD 16×2 Arduino UNO

Sơ đồ đấu nối:

Code test LCD kết nối I2C:

8Mô đun rơ le bán dẫn 1 kênh 5/12/24V định mức HIGHT/LOW

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích

hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm công tắc điện tử!

Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái:đóng và mở.

ra

1 Sử dụng phần tử cách ly quang SMD, khả năng kiểm soát và hiệu suất ổn định; dòng điện kích hoạt 5mA;

2 Mô-đun với điện áp hoạt động 5V 12V24V;

3 Mô-đun có thể chỉnh mức cao hoặc thấp bằng trình kích hoạt cài đặt;

4 Thiết kế chống lỗi, đường dây điều khiển bị hỏng, rơle sẽ không hoạt động;

5 Chỉ báo nguồn (màu xanh lá cây), chỉ báo trạng thái rơle (màu đỏ)

6 Thiết kế giao diện tiện dụng, tất cả các giao diện đều có sẵn thông qua một đầu nối thiết bị đầu cuối kết nối trực tiếp, rất thuận tiện

7 Kích thước mô-đun: 50mm * 26mm * 18,5mm (Dài * Rộng * Cao)

1 DC +: Nguồn điện dương (VCC)

2 DC-: Nguồn điện âm (GND)

3 IN: Có thể là rơle điều khiển mức cao hoặc thấp

Output:

1 NO: Giao diện rơle thường mở

2 COM: Giao diện rơle chung

3 NC: Giao diện rơle thường đóng

Code test relay:

9 Bơm Nước Mini DC3-5

Máy bơm nước 5V mini Water Pump mini có kích thước nhỏ gọn, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1~1.5L/1 phút, thích hợp với các thiết kế sửdụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, , lưu ý không cấp ngược cực

mH2O Khối lượng nước cần thêm (g)

md Khối lượng đất khô cần thí nghiệm (g)

 Một số tiêu chuẩn, phương pháp được dùng hiện nay:

a) ASTM D2216 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất và đá bằng tủ sấy

b) ASTM D4643 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất bằng lò vi sóng

c) ASTM D4944 : Phương pháp xác định nhanh độ ẩm của mẫu đất tại hiện trường bằngphương pháp đo áp suất khí CaC2

d) ASTM D4959 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất và đá bằng phương pháp đốttrực tiếp

e) K.H Head (2006) Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 1: Soil Classification

Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí cũng như điều kiện thí nghiệm, nhóm em đo rồihiệu chỉnh độ ẩm theo các bước sau:

Bước 1: Chọn mẫu đất khô, xốp; đem sấy khô một lần nữa

Bước 2: Chia nhỏ mẫu đất thành nhiều phần bằng nhau

Bước 3: Chuẩn bị một lượng nước sạch (Để đảm bảo sai số một cách thấp nhất chúng emdùng nước lọc navie)

Bước 4: Xác định các giá trị cần đo bằng lý thuyết, sau đó đem cân khối lượng nước vàđất theo tỷ lệ đã tính toán

Bước 5: Đo đạc thực tế

Bước 6: Ghi kết quả đo đạc và tính toán vào excel

Một số hình ảnh chúng em chụp lại trong quá trình làm:

2 Hiệu chỉnh giá trị đầu vào analog và hiển thị

Trong quá trình làm chúng em có đo đueọc nhiều mức giá trị khác nhau, tuy nhiên do khoảng đo rộng (0-100) nên khi làm báo cáo chúng em chỉ để các giá trị chẵn cho gọn và dễ hình dung

Giá trị analog ứng với các mức độ ẩm khác nhau

Loại mẫu Giá trị hiển thịLCD Tín hiệu analog(10-4 A)

mH 2 O mĐất

(%)

Độsailệch

 Công thức tính sai số của phép đo:

´a là độ lệch trung bình phép đo.

W là dải đo của cảm biến

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

 Sản phẩm cơ bản giải quyết được các yêu cầu của thầy và thực tế đặt ra

 Các thành viên tích cực hoạt động; nhóm cơ bản hoàn thành mục tiêu đề ra: Sản phẩm chạy ổn định, sai số tương đối nhỏ (0.51%)

 Các thành viên cơ bản hiểu được bài toán, đã biết được các thành phần cơ bản của mạch điện tử, biết cách làm mạch in bằng tay, có kỹ năng hàn, test mạch, phát hiện được các lỗi cơ bản; biết được sơ qua về mạch điện tử, một chút về lập trình, so với mục tiêu của nhóm thì có thể coi là thành công

 Sản phẩm có giá thành rẻ, đơn giản, dễ sử dụng và có độ bền cao

 Máy bơm hoạt động khỏe, tốc độ bơm tối đa 1.6l/phút phù hợp với các khu vườn của các hộ gia đình thành phố, điện tích khoảng 15-20m2.

dụ sơ đồ thay thế nguồn:

Có thể tạo ra một bộ sản phẩm nhà vườn thông minh mà sản phảm của nhóm là một

bộ phận trong đó Ví du: bộ sản phẩm gồm cảm biến ánh sáng, độ ẩm không khí, độ

ẩm đất và các thiết bị để duy trì môi trường sống, phát triển lý tưởng nhất của cây trồng,…

IV Tài liệu tham khảo

9 with-arduino-9b3b89

https://www.theengineeringprojects.com/2020/07/soil-moisture-sensor-library-for-proteus.html

11 Chuyên ngành cơ điện tử - Fachkunde Mechatronik, bản PDF

12.Sensor_for_Mechatronics.pdf