ĐỒ án môn học II đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị giám sát độ ẩm đất online

Bên cạnh đó hiện nay với sự pháttriển công nghệ thông tin, công nghệ bán dẫn, sựu ra đời của các loại cảm biến, vi điều khiển đã tạo thuận lợi cho việc đo độ ẩm một cách chính xác hơn..

VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT

-      

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC II

Đề tài: Nghiên cứu chế tạo thiết bị giám sát độ ẩm đất Online

Giảng viên: Ts Phí Văn Toàn

Nhóm sinh viên thực hiện:

MỞ ĐẦU

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO ĐỘ ẨM VÀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM

1 Giới thiệu

2 Nguyên lý hoạt động

2.1 Khái niệm chung 5

2.2 Phương pháp đo độ ẩm 5

2.3 Quá trình đo độ ẩm 6

Chương 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐỘ ẨM

1 Thiết kế tổng quan

2 Thiết kế phần cứng

2.1 Bộ nguồn tổ ong 7

2.2 Module ESP32 8

2.3 Relay 5V 11

2.4 Module cảm biến MDL77 12

3 Phần mền

3.1 Arduino IDE 13

3.2 Phần mềm Altium 13

Chương 3: CÁCH HOẠT ĐỘNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

1 Cách thức hoạt động

2 Sơ đồ khối hoạt động

Chương 4: KẾT QUẢ ĐO

Chương 5 : KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI CẢM ƠN

Phụ lục

MỞ ĐẦU

Hiện nay thời đại khoa học công nghệ phát triển đòi hỏi con người không ngừng tìm tòi, học hỏi để phát triển Vì thế các nghiên cứu ứng dụngtrong lĩnh vực đời sống xã hội cần phát triển mang lại sự tiện lợi

Trong các nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và đời sống hàng ngày việc ứng dụng một nghiên cứu giúp ích cho đời sống là rất cần thiết Một trong số đó ứng dụng đo độ ẩm đất gửi dữ liệu về máy tính dùng mạng wifi và hệ thông tưới nước tự đông Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của nhiệt độ lại là vấn đề không hề dễ dàng Bên cạnh đó hiện nay với sự pháttriển công nghệ thông tin, công nghệ bán dẫn, sựu ra đời của các loại cảm biến, vi điều khiển đã tạo thuận lợi cho việc đo độ ẩm một cách chính xác

hơn Trên cơ sở đó nhóm chúng em xin được trình bày đề tài : ‘’ Nghiên cứu chế tạo thiết bị giám sát độ ẩm đất Online ‘’

Nội dung bài đồ án môn học II này gồm 5 chương cụ thể như sau:Chương 1: Tổng quan về đo độ ẩm và cảm biến độ ẩm

Chương 2: Thiết kế mạch đo độ ẩm

Chương 3: Cách thức hoạt động và sơ đồ khối

Chương 4: Kết quả đo

Chương 5: Kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐO ĐỘ ẨM VÀ CẢM BIẾN ĐỘ ẨM

1 Giới thiệu

Để thực hiện phép đo của một đại lượng nào đó tùy thuộc vào đặc tínhcủa đại lượng cần đo, điều kiện đo, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta thực hiện bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở củacác hệ thống đo lường khác nhau

Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát :

Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị

- Khối chuyển đổi : Làm nhiệm vụ nhận các đại lượng vật lý đặc trưng chokhối lượng cần đo biến đổi các đại lương thành các đại lượng vật lý thống nhất để thuận lợi cho việc tính toán

- Mạch đo : Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị

- Khối chỉ thị : Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo

để thể hiện kết quả đo

Sơ đồ hệ thống đo lường :

Cảm biến Biến đổi tín

Chương trình

Chuyển tín hiệu lên web

Điều khiển máy bơm

2 Nguyên lý hoạt động

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa và các đặc tính của đối tượngcần đo mà ta lựa chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện, dựa vào các mạch biến đổi tín hiệu (gồm : bộ cảm biến, hệ thống khuyếch đại, xử lý tín hiệu)

Bộ xử lý có nhiệm vụ xử lý các phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ

sở trình tự những lệnh chấp hành đã thực hiện trước đó Bộ dồn kênh tương tự (Multiplexers) đọc đúng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để

có kết quả các đại lượng cần đo

2.1 Khái niệm chung

Trong nghiên cứu khoa học, trong sản xuất cũng như trong đời sống hàng ngày, luôn luôn cần xác định độ ẩm của môi trường hay của một vậtnào đó Vì vậy, việc đo độ ẩm trở thành một việc làm cần thiết Đo độ ẩm

là một trong những phương thức đo lường không điện

Độ ẩm cần đo có thể rất thấp, cũng có thể rất cao Độ chính xác của

độ ẩm có khi cần tới một vài phần ngàn, nhưng có khi vài chục cũng có thể chấp nhận được việc đo độ ẩm được tiến hành nhờ các công cụ hỗ trợchuyên biệt như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, diode và transistor, IC cảmbiến độ ẩm … Tùy theo khoảng độ ẩm cần đo và sai số cho phép người talựa chọn các loại cảm biến và phương pháp đo cho phù hợp

2.2 Phương pháp đo độ ẩm

tùy vào độ ẩm có thể dung các phương pháp khác nhau Hiện nay khi

độ ẩm là một đơn vị phổ biến nên cách xác định độ ẩm và các thiết bị hỗtrợ cũng vì thế mà nhân rộng và đa dạng hơn Có nhiều cách để xác định

độ ẩm tuy nhiên qua sự phát triển của công nghệ ngày nay việc xác định

độ ẩm cũng vì thế đã đơn giản hơn, và chính xác hơn tiết kiệm đượcthao tác, thời gian và trang thiết bị

Có rất nhiều phương pháp đo độ ẩm như:

- Xác định độ ẩm bằng khúc xạ ánh sáng, được ứng dụng để xác địnhthủy phần mật ong

Trong đồ án môn học II chúng em đo độ ẩm của môi trường đất độ ẩmđất ảnh hưởng đến điện trở suất, từ đó độ ẩm tương đối sau đó được xác định dựa trên sự thay đổi dòng điện dãy độ ẩm là 0-100% Khi đo độ ẩm của các chất hạt (đất, cát …), cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường

2.3 Quá trình đo độ ẩm

Ta có thể chia qua trình đo độ ẩm thành ba khâu chính:

 Khâu chuyển đổi

Khâu chuyển đổi độ ẩm thường dựa vào những biến đổi mang tính đặctrưng của vật liệu khi chịu tác động của độ ẩm Có tính chất đặc trưng sauđây:

- Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch độ ẩm ở các mối nối của các kim loại khác nhau

- Sự biến đổi thể tích, áp suất

- Sự thay đổi cường độ bức xạ của vật thể khi bị đốt nóng

Đối với sự thay đổi nhiệt điện, người ta thường dựa vào hai tính chấtđâu tiên để chế tạo ra các cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở kim loại hay bándân, các điện trở dưới dạng linh kiện bán dẫn như: diode, transistor, các

IC chuyên dung

 Khâu xử lý

Các thông số về điện sau khi được chuyển đổi từ độ ẩm sẽ được xử lýtrước qua đến phần chỉ thị Các bộ phận khâu xử lý gầm có: phần hiệuchỉnh, khuyếch đại… Ngoài ra còn có thể có các loại mạch điện bổ sungnhư: mạch bù sai số, mạch phối hợp tổn trở…

 Khâu chỉ thị

Khâu chỉ thị trước đây thường sử dụng các cơ cấu điện, ở đó kết quả đođược thể hiện bằng góc quay hoặc di chuyển thẳng của kim loại chỉ thị.Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ điện tử, đã sản xuất nhiều loại

IC giải mã, vì vậy cho phép ta sử dụng khâu chỉ thi số dễ dàng như dùngLED 7, màn hình LCD hay có thể chuyển dữ liệu đo lên web giúp ngườidung dễ dàng nắm bắt kết quả đo Ở đó kết quả được hiển thị bằng cáccon số trong hệ nhị phân

Chương 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐO ĐỘ ẨM

Thiết bị đo độ ẩm gửi dữ liệu về máy tính dung mạng wifi cần đảm bảo các yêu cầu về mặt thiết kế sau:

- Có chi phí thiết kế rẻ

- Thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường cần đo

- Cảm biến phải xác được các mức nhiệt độ, độ ẩm khác nhau trong giải đo cho phép

- Đưa ra được các thông số chính xác tức thời tới người sử dụng

- Chuyển thông tin đến thiết bị điện thoại hoặc web thông qua module esp32

1 Thiết kế tổng quan

Thiết bị đo độ ẩm và hệ thống tưới cây tự động bao gồm các thànhphần như cảm biến đo độ ẩm, khối nguồn, vi điều khiển, máy bơm…Thiết đo độ ẩm chế độ làm việc liên tục và cập nhật kết quả liêntục Hệ thống xử lý sẽ có phân tích cụ thể và đưa ra đồ thị cho ngườidùng có thể nắm bắt được thông tin Và người dùng cũng có thể có càiđặt cho máy bơm hoạt động để cho môi trường đất có độ ẩm phù hợp

2 Thiết kế phần cứng

2.1 Bộ nguồn tổ ong

Nguồn tổ ong 12V 5A là loại nguồn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng Nguồn tổ ong 12V 5A này còn được gọi là nguồn một chiều 12 Volt hay gọi cách khác là nguồn DC 12V.Nguồn tổ ong 12V 5A được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồnxoay chiều 180V-240V thành nguồn một chiều 12VDC để cung cấp chothiết bị hoạt động

Hình 1: Module nguồn tổ ong 12V/5A

Thông số của Nguồn tổ ong 12V 5A

Điện áp đầu vào: 180V-240V

Tần số hoạt động: 47 ~ 63HZ

Công suất: 60W

Điện áp đầu ra: 12V

Dòng điện tối đa: 5A

Điện áp điều chỉnh: ± 10%

Hiệu suất ≥ 85%

Điều chỉnh điện áp (Đầy tải) ≤ 0.3%

Bảo vệ quá tải 105% —- 150% công suất định mức, phục hồi tựđộng

Chức năng bảo vệ ngắn mạch tự động

Bảo vệ quá áp 105% —- 150% điện áp định mức Nhiệt độ làm việc: -20 ℃ ~ 60 ℃Nhiệt độ bảo quản -40 ℃ ~ 85

℃ Kích thước: 110 * 78 * H36(mm)

2.2 Module ESP32

Ở hệ đo nhiệt độ, độ ẩm này, ta cần một thiết bị có thể kết nối với thế giới bên ngoài để truyền thông tin, Module ESP32 được lựa chọn vì sự phổ biến, tương đối dễ sử dụng và đáp ứng đầy đủ yêu cầu về mặt thiết kế như việc là một

vi mạch wifi giá rẻ có thể hỗ trợ bộ giao thức TCP/IP và có thể tích hợp vào thànhphần vi điều khiển

Kit RF thu phát wifi ESP32 NodeMCU Lua là chip phát triển dựa trên nền chip wifi SoC ESP32 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình dịch của Arduino IDE để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên

ESP32 trở nên đơn giản Board còn tích hợp IC CP2102, giúp dễ dàng giao tiếp với máy tính thông qua Micro USB để thao tác với board Board có sẵn nút nhẫn, led để tiện qua quá trình học, nghiên cứu Với kích thước nhỏ gọn, linh hoạt board dễ dàng liên kết với các thiết bị ngoại vi để thành project, sản phẩm mẫu một cách nhanh chóng Kit

RF thu phát wifi ESP32 NodeMCU Lua được dùng để ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT

Hình 2 Mô-đun ESP32 MCU

Thông số kỹ thuật Mô-đun ESP32 CPU

CPU: Xtensa Dual-Core LX6 microprocessor

Chạy hệ 32 bit

Tốc độ xử lý 160MHZ up to 240 MHz

Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40mhz > 80mhz (tùy chỉnh khi lập trình)

RAM: 520 KByte SRAM

520 KB SRAM liền chip –(trong đó 8 KB RAM RTC tốc độ cao) – 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng ở chế độ DeepSleep)

Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây

Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i

Bluetooth: v4.2 BR/EDR and BLE

Hỗ trợ tất cả các loại giao tiếp

8-bit DACs( digital to analog) 2 cổng

host Slave (SDIO/SPI)

Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE

1588 support

CAN bus 2.0

IR (TX/RX)

Băm xung PWM (tất cả các chân )

Ultra low power analog pre-amplifier’

Cảm biến tích hợp trên chip esp32

1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường)

1 cảm biến đo nhiệt độ

Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau

Bảo mật

IEEE 802.11 standard security features all supported,

including WFA, WPA/WPA2 and WAPI

Secure boot

Flash encryption

1024-bit OTP, up to 768-bit for customers

Cryptographic hardware acceleration: AES, SHA-2, RSA, elliptic

curve cryptography (ECC), random number generator (RNG)

Nguồn điện hoạt động

Nhiệt độ hoạt động -40 +

85C Điện áp hoạt động:

2.2-3.6V Số cổng GPIOs : 34

2.3 Relay 5V

Module relay 5V mạch tạo trễ đóng ngắt theo chu kỳ của cảm biến nhiệt

độ, độ ẩm Nguyên lý hoạt động gồm nam châm điện, ba tiếp điểm (NO chânthường mở, NC chân thường đống, và COM là chân chung) và một lò xo Khichưa có dòng điên và điện áp đi qua thì nam châm điện không hút, khi đó lò

xo sẽ kéo chân COM nối với NC, khi có dòng điện đi qua thì nam châm điện

đi qua nam châm điện sẽ hút chân COM nối với chân NO

Trong thiết kế mạch khi cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm gửi về bộ điều khiểnMô-đun relay có chức năng bật tắt máy bơm để tưới nước cho đất để có nhiệt

tưới tiêu tự động Trong Mạch hệ thống có thể điều khiển bơm nước quarelay theo độ ẩm của đất nếu đất khô, tự động tưới đất đạt đúng ẩm thìdừng lại.

Cảm biến độ ẩm đất, trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếunước đầu ra sẽ là mức cao (5V), với độ nhạy cao có thể điều chỉnh được bằngbiến trở Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ

ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấplên mức cao Nhờ thế, ta có thể sử dụng Analog hoặc Digital của Arduino đểđọc giá trị từ cảm biến

cho người dùng 1 môi trường thân thiện, rất dễ dùng Nó hỗ trợ nhiều thưviện khác nhau như về robot, Ethernetm Wifi, GSM…

Arduino IDE được hỗ trợ bởi 1 cộng đồng đông đảo với rất nhiều các dự

án khác nhau Nó là một nguồn tài nguyên tham khảo vô cùng phong phú vàhữu ích đối với những người sử dụng Việc tối ưu hóa các hàm thực thi vừa

là điểm mạnh, vừa là điểm yếu của Arduino IDE Các hàm được tích hợp sẵn sẽ tương đối dễ sử dụng, nhưng đôi khi sử dụng sẽ không hiểu được bảnchất của vấn đề dẫn đến sử dụng chúng không đúng ý nghĩa vốn có

Hình 5 Giao diện phần mền Arduino IDE

3.2 Phần mềm Altium

Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là mộttrong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triểnbởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghànhđược sử dụng trong thiết kế mạch điện tử Nó là một phần mềm mạnh vớinhiều tính năng thú vị

Altium Designer có một số đặc trưng sau:

- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế

- Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnhsửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới

- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linhkiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…

- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…

- Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế,tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh

kiện trên PCB

không gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mô hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện, cấu hình cho cả 2D và 3D

Từ đó, chúng ta thấy Altium designer có nhiều điểm mạnh so với cácphần mềm khác như đặt luật thiết kế, quản lý đề tài mô phỏng dễ dàng, giaodiện thân thiện… Việc thiết kế mạch điện tử trên phần mềm altiumdesigner có thể được tóm tắt gồm các bước như sau:

nguyên lý sang mạch in

- Lựa chọn kích thước mạch in Sắp sếp các vị trí các loại linh kiện như điện trở tụ điện, IC

Hình 6 Mạch được thiết kế trên phần mềm Altium

Chương 3: CÁCH HOẠT ĐỘNG VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

1 Cách thức hoạt động.

Thiết bị được cấp nguồn qua bộ chuyển đổi nguồn tổ ong để hoạt động.Module cảm biến mdl77 được cắm vào đất để đo độ ẩm đất và được kết nối với module esp32 Khi nạp code, cấp nguồn cho esp32 hoạt động bộ cảm biến đo độ ẩm sẽ đo và gửi dữ liệu về web được thiết lập

để theo dõi Đồng thời sẽ kích hoạt máy bơm nước tưới cho đất để có

độ ẩm phù hợp với mức thiết lâp sẵn, nhờ một bộ phận là relay 5V

2 Sơ đồ khối hoạt động.

Bắt đầu

Sai

Kết nối wifi

Đúng Auto==1 Đúng

Độ ẩm đất

<30%

Đúng

Bật máy bơm

Kết thúc

Chương 4: KẾT QUẢ ĐO

Dộ ẩm đất Kết quả

>50 % Relay ngắt, máy bơm ngưng hoạt động

Bảng kết quả đo

 Ưu điểm nhược điểm của hệ thống

 Thiết bị đơn giản dễ thiết kế, giá thành rẻ

 Thiết bị đo chính xác với độ sai số nhỏ

 Các thông số được gửi về máy tính giúp nắm bắt các thông số độ ẩm

 Hệ thống tưới nước tự động giúp cân bằng độ ẩm kịp thời

 Trong một số trường hợp của môi trường có thể tác động làm ảnh

hưởng đến kết quả đo

Qua thời gian nghiên cứu và tìm hiểu trong một kỳ học Với mục tiêu xây dựng một thiết bị đo độ ẩm đất và hệ thông tưới nước tự động với chi phíthấp có thể ứng dụng trong cuộc sống và có thể nhân rộng mô hình của hệ thống Qua đó giúp chúng em hiểu hơn về các linh kiện được sử dụng và

cách thức hoạt động của hệ thống

Mặc dù ở trên thi trường có rất nhiều hệ thống đo độ ẩm đất gửi về máy tính bằng mạng wifi và tưới nước tự động, nhưng giá thành của chúng tương đối đắt Nên nghiên cứu sản phẩm này nhằm sự phổ biến đến mọi

người với sự tiện dụng của nó mang lại

Hướng phát triển tiếp theo : Trong thời gian tiếp theo nghiên cứu hệ thống cần nâng cấp để nó được tối ưu và dần hoàn thiện hơn, tạo thành một

hệ thông hoàn chỉnh Nhóm đang hướng đến ứng dụng giám sát vào mô hình vườn rau và giám sát dinh dưỡng đất bật tắt từ xa Từ đó có thể giảm bớt sự tác động của con người mang đến sự hiện đại hóa trong nông nghiệp