Đồ Án Cơ Sở 1 Thiết Kế Và Thi Công Mạch Tưới Cây Tự Động.doc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Ngành KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa h[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật rất phát triển, con người bước vào một thời đại khoahọc mới-thời đại mà mỗi giờ,mỗi phút thậm chí mỗi giây trôi qua lại xuất hiện nhữngphát minh, tiến bộ khoa học

Công nghệ mới xuất hiện liên tục, từ đó thành tựu khoa hoc - kỹ thuật được áp vàothực tiễn Chính vì vậy, con người ngày càng tận hưởng được cuộc sống tiện nghi vàthoải mái hơn Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy thiết bị công nghệ hiện diện khắpnơi và nhiều lĩnh vực

Trên thế giới, hàng ngàn viện nghiên cứu, trung tâm với hàng triệu Kỹ Sư vẫnđang miệt mài nghiên cứu để đóng góp cho nhân loại những cải tiến, những kỹ thuậtmới nhằm phục vụ cuộc sống Có thể nhận định rằng: khoa học - kỹ thuật có sức mạnhlớn nhất hiện nay Nó có thể chi phối về quân sự, kinh tế… thể hiện vị thế của mộtquốc gia trên trường quốc tế

Việt Nam không nằm ngoái xu thế của thời đại, các nhà nghiên cứu, các kỹ sư,đặcbiệt là thế hệ trẻ, các bạn sinh viên vẫn đang tích cực, say mê nghiên cứu khoa học để tìm ra những kỹ thuật mới, trao đổi học hỏi và tiếp thu công nghệ mới trên thế giới để phục vụ cho công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước

Dẫu biết rằng trình độ khoa học kỹ thuật ở Việt Nam ở nhiều lĩnh vực vẫn còn cókhoảng cách khá xa với các nước tiên tiến trên thế giới, nhưng với lòng say mê họchỏi, tiếp thu nhanh kiến thức, đức tính cần cù, thông minh và chịu khó, tôi tin rằng:một ngày không xa, chúng ta sẽ bắt kịp và hòa nhập vào “dòng chảy công nghệ” trênthế giới

Để phát triển công nghệ mới thì trước hết phải nắm chắc và hiểu rõ những vấn đề

cơ bản trong mỗi lĩnh vực Đó cũng chính là lý do tôi tiến hành nghiên cứu đề tài này,mục tiêu của tôi là làm rõ một số yếu tố chủ yếu, cơ bản nhất để có thể phát triển các

kỹ thuật, sản phẩm mới hơn, hiện đại hơn trong tương lai

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và nghiên cứu Đồ Án Cơ Sở 1 với chủ đề: THIẾT KẾ

VÀ THI CÔNG MẠCH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG Thông qua việc trình bày kết quả của

đồ án, tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy HOÀNG VĂN VINH đã tận tình hướng dẫn vàgiúp đỡ tôi hoàn thành đồ án môn học

Bản thân rất mong sẽ tiếp tục nhận được sự quan tâm, hướng dẫn tận tình củaquý thầy cô

Trân trọng

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1

1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI 1

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN 2

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1 ĐIỆN TRỞ 3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Hình dáng và ký hiệu 3

2.1.3 Đơn vị của điện trở 3

2.1.4 Phân loại điện trở 3

2.2 TỤ ĐIỆN 4

2.2.1 Định nghĩa 4

2.2.3 Ký hiệu 4

2.2.4 Phân loại tụ điện 4

2.3 TRANSISTOR 5

2.3.1 Cấu tạo 5

2.3.3 Các thông số kĩ thuật 6

2.4 IC 555 6

2.4.1 Cấu tạo 6

2.4.2 Ứng dụng 7

2.5 IC LM358 7

2.5.1 Giới thiệu 7

2.5.2 Các đặc trưng của IC LM358  7

2.5.3 Các tính năng của khuếch đại thuật toán 7

2.6 IC LM 393 8

2.6.1 Giới thiệu 8

2.6.2 Các đặc trưng của IC LM393 8

2.7 Module cảm biến độ ẩm đất 8

2.7.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 9

2.7.2 Nguyên lý hoạt động của module 9

2.7.3 Các cổng vào ra của board 9

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 10

3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI 10

3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể 10

3.1.2 Khối tác động 10

3.1.4 Khối so sánh 10

3.1.5 Khối xử lý tạo trễ 11

3.1.6 Khối động cơ 11

3.2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 12

3.2.1 Khối cảm nhận 12

3.2.1.1 Thiết kế mạch 12

3.2.1.2 Nguyên lý hoạt động 12

3.2.2 Khối so sánh 13

3.2.2.1 Thiết kế mạch 13

3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động 13

3.2.3 Khối xử lý tạo trễ 13

3.2.3.1 Thiết kế mạch 13

3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động 14

3.2.4 Khối tải 15

3.2.4.1 Thiết kế mạch 15

3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch 15

3.3 Nguyên lý hoạt động toàn mạch 16

CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH 17

4.1 Sơ đồ mạch in 17

4.1.1 Sơ đồ mạch 17

4.1.2 Phương pháp làm mạch in 17

4.1.3 Mô hình mạch 18

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 19

5.1 Kết luận 19

5.2 Hướng phát triển 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.2: Hình tụ giấy, tụ gốm, tụ hóa 4

Hình 2.3: Cấu tạo của Transistor 5

Hình 2.4: Kí hiệu Transistor trong mạch điện 5

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo bên trong của IC555 6

Hình 2.6: IC LM 358 7

Hình 2.7: IC LM 393 8

Hình 2.8: Module cảm biến độ ẩm 8

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể 10

Hình 3.2: IC555 11

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong xã hội ngày nay, cuộc sống con người với biết bao bộn bề lo toan, từ giađình, con cái đến công việc, giải trí… để rồi nhiều lúc quên đi những điều nhỏ nhặtnhất Chúng ta nhiều khi vì quá mải mê cho một việc gì đó mà không để ý những việcxảy ra xung quanh, trong đó, có cả việc quên tưới nước cho các cây cảnh yêu thích

Do đó, để có thể nhắc nhở tự động những con người có tính hay quên ấy, vớivốn kiến thức còn hạn chế của bản thân, tôi xin trình bay một hệ thống tưới cây tựđộng Đây có thể là một hệ thống chưa hoàn chỉnh và hiện đại nhưng nó thể hiệnnhững nguyên lý cơ bản nhất của một hệ thống cảnh báo, từ đó mở ra khả năng pháttriển những hệ thống tốt, hoàn thiện hơn cũng như ứng dụng vào các mục đích khácnhau trong cuộc sống

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Trên thị trường có nhiều loại mạch cảnh báo độ ẩm Tuy nhiên các loại mạchnày có một số nhược điểm như: chi phí cáo, khó kết hợp với module lập trình để có thểphát tiển thành các hệ thống khác nên trong đề tài này tôi trình bày mạch cảnh báo sửdụng IC555 có chi phí thấp độ ổn định cao, ít bị nhiễu, dễ dàng kết hợp với module lậptrình để phát tiển các hệ thống khác

1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI

Khi có tín hiệu vào đến khối cảm biến là thay đổi độ ẩm của đất sẽ làm thay đổitrạng thái đầu ra là một động cơ, bóng đèn nào đó

Cấu tạo đơn giản,dễ dàng lắp đặt,linh kiện dễ tìm kiếm,thông dụng

Nguồn đưa vào điều khiển là nguồn DC 5V

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong đề tài này tôi có sử dụng phần mềm proteus để vẽ và mô phỏng mạch,bên cạnh đó có sự giúp đỡ của thầy HOÀNG VĂN VINH cũng như của các thầy cô

trong khoa Cơ Điện –Điện Tử của trường HUTECH trong quá trình thiết kế và thicông mạch Ngoài ra tôi còn tham khảo trên mạng và một số mô hình đã có sẵn trướcđó.

1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN

Đồ án được chia thành 5 chương với nội dung cụ thể sau :

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Chương 3 : Tính toán và thiết kế

Chương 4 : Thi công mô hình

Chương 5 : Kết luận

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 ĐIỆN TRỞ

2.1.1 Khái niệm

Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốtthì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùnglớn

Điện trở của dây dẫn : Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài vàtiết diện của dây Được tính theo công thức sau: R = ρ.L / S

Trong đó : ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chấtliệu

L là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện dây dẫn

R là điện trở, đơn vị là Ohm

2.1.2 Hình dáng và ký hiệu

Trong thiết bị điện tử, điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từhợp chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loạiđiện trở có trị số khác nhau

Hình 2.1: Hình dáng và kí hiệu

2.1.3 Đơn vị của điện trở

Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ …

1KΩ = 1000 Ω

1MΩ = 1000 K Ω = 1000.000 Ω

2.1.4 Phân loại điện trở

Điện trở thường: Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ 0,125Wđến 0,5W

Điện trở công xuất : Là các điện trở có công xuất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W,10W…

Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công xuất, điệntrở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt.

2.2 TỤ ĐIỆN

2.2.1 Định nghĩa

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạchđiện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tínhiệu xoay chiều, mạch tạo dao động

2.2.2 Cấu tạo của tụ điện

Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điệngọi là điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chấtđiện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như: tụgiấy, tụ gốm, tụ hoá

+ Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica (Tụ không phân cực )

Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ 0,47

μF trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu

2.3 TRANSISTOR

2.3.1 Cấu tạo

Transistor gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối với nhau hình thành hai lớp tiếp giáp

P-N Cơ bản có hai loại transistor theo 2 cách ghép: ghép theo thứ tự PNP thì ta có loạipnp, ghép theo thứ tự NPN ta có loại npn.Ba lớp bán dẫn được nối ra 3 cực củatransistor, cực nối với lớp giữa gọi là cực gốc (base) Hai cực còn lại là cực phát(Emitter) và cực góp (Collector).Sơ đồ tóm tắt đơn giản:

Hình 2.3: Cấu tạo của Transistor 2.3.2 Kí hiệu và hình ảnh thực tế

Hình 2.4: Kí hiệu Transistor trong mạch điện

Ngoài thực tế, cũng có những IC nhìn rất giống transistor, nên để chọn đúngtransistor nên dựa vào số hiệu được ghi trên transistor sẽ được giới thiệu ở phần sau Ởngoài chợ điện tự người ta hay gọi các transistor công suất nhỏ là “bọ”, và công suấtlớn là “sò”

Hệ số khuếch đại: Hệ số khếch đại k bằng dòng BE / dòng CE đặc trưng chokhả năng khuếch đại dòng điện của transistor.

Công suất cực đại: Là công suất tiêu thụ của một transistor P=UCE.ICE NếuP>PMAX thì transistor bị cháy

2.4 IC 555

2.4.1 Cấu tạo

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo bên trong của IC555

Nhìn trên sơ đồ cấu tạo trên ta thấy cấu trúc của 555 gồm : 2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):

+ 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp

+ Transistor để xả điện

+ Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấutạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 vàđiện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân Rcủa FF = [1] và FF được reset

áp bên ngoài trong nhiều ứng dụng Dải điện áp lối ra cũng có thể bao gồm nguồn điện

áp âm

2.5.2 Các đặc trưng của IC LM358 

Công suất cực máng thấp

Có 2 bộ khuyếch đại thuật toán bên trong IC, có độ lợi cao

Tương thích với nhiều loại dạng mạch logic

Các chân lối ra tương thích với khuếch đại thuật toán kép phổ biến MC1558 ICLM358 tương ứng với 1 nửa IC LM324

2.5.3 Các tính năng của khuếch đại thuật toán

Bảo vệ quá áp lối ra

Tầng khuếch đại vi sai lối vào

Dòng cung cấp lối vào thấp.- Bù nội

Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm

Hoạt động với nguồn đơn(3V – 32V) hoặc nguồn đối xứng (± 1.5V -±16V)

2.6.2 Các đặc trưng của IC LM393

Dải nguồn nuôi rộng từ 2Vdc đến 36Vdc

Dải nguồn nuôi kép +/- 1Vdc đến +/- 18Vdc

Dòng lối vào thấp: 25nA

Dòng offset lối vào thấp +/- 5nA và điệp áp off set cực đại là +/- 3mA

Dải điện áp lối vào chung thấp (bao gồm cả mức điện áp bằng đất)

Dải điện áp lối vào vi sai bằng với điện áp của nguồn cung cấp

Điện áp offset lối vào thấp:– 2mA đối với LM393A.– 5mA đối với LM293/393.Điện áp lối ra tương thích với các mức log ic DTL, ECL, TTL, MOS và CMOS.Điện áp bão hòa lối ra thấp: 250mV, 4mA

2.7 Module cảm biến độ ẩm đất

Hình 2.8: Module cảm biến độ ẩm

+ DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

+ AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

2.7.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Sự hấp thụ độ ẩm(hơi nước) làm biến đổi thành phần cảm nhận trong cảm biến (ở đây là các chat hóa học như LiCL, P2O5) làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đóxác định được độ ẩm

2.7.2 Nguyên lý hoạt động của module

Module đo độ ẩm đất gồm 1 cảm biến độ ẩm đất và 1 board mạch xử lý tín hiệu

Cảm biến độ ẩm đất được cắm xuống vùng đất cần đo độ ẩm

2.7.3 Các cổng vào ra của board

+ 2 chân vcc và gnd cấp nguồn cho mạch

+ 2 chân đầu vào cảm biến

+ 2 chân đầu ra gồm D0 và A0

+ 1 mạch so sánh

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

3.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI

- LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH:

Chọn cảm biến độ ẩm trong đất, và IC so sánh LM393 có điện áp hoạt động từ3.3V-5V làm linh kiện cho mạch vì loại này được sử dụng rộng rãi bởi lợi thế thiết kếđơn giản, giá thành rẻ

3.1.4 Khối so sánh

- CHỨC NĂNG:

Khi có tín hiệu vào từ khối cảm biến, IC LM 358 sẽ so sánh với giá trị được thiết lập trước, nếu:

+ Input > - Input: tín hiệu ra ở mức cao

+ Input < - Input: tín hiệu ra ở mức thấp

Tín hiệu ra của khối so sánh được đưa đến khối tạo trễ

- CÁC LINH KIỆN CÓ THỂ SỬ DỤNG TRONG KHỐI:

nhận Khối so sánh lý tạo trễKhối xử Khối độngcơ

Trong khuôn khổ giới hạn của đồ án này,chọn IC LM 358 dùng trong mạch này.Vì IC LM 358 có độ lợi cao 100dB, và có dãy nguồn hoạt động rộng với điện áp

áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

Hình 3.2: IC555

3.1.6 Khối động cơ

- CHỨC NĂNG:

Tín hiệu vào sẽ làm thay đổi trang thái thiết bị có trong khối

- LINH KIỆN CÓ THỂ LÀM ĐƯỢC CHỨC NĂNG NÀY:

Động cơ, bóng đèn, còi báo

đầu vào của IC LM 393 để xác định được độ ẩm:

- Khi độ ẩm trong môi trường đất bình thường: trạng thái đầu ra của IC LM 393

ở mức thấp (0V)

- Khi độ ẩm trong đất giảm đi: trạng thái đầu ra của IC LM 393 ở mức cao (5V)

3.2.2 Khối so sánh

3.2.2.1 Thiết kế mạch

Tín hiệu ra khối tạo trễ

tín hiệu vào từ khối cảm biến

- Nếu + Input > - Input: tín hiệu ra ở mức cao

- Nếu + Input < - Input: tín hiệu ra ở mức thấp

Tín hiệu ra sẽ đưa sang khối tạo trễ

khối so sánh

Khi tín hiệu tứ khối so sánh đến chân 2 của IC555 để xử lý tín hiệu sau đó chotín hiệu xuất ra với 1 thời gian nhất định dựa vào công thức tính sau:

3.2.4 Khối tải

3.2.4.1 Thiết kế mạch

tín hiệu vào từ khối tạo trễ

Transistor có tác dụng như một công tắc Khi transistor Q3 ngưng dẫn đột ngột thì diot D4 ngăn không cho dòng điện đi trực tiếp từ Vcc đến chân C của transistor Q3,mà phải đi từ Vcc qua cuộn dây của động cơ để giảm dòng tráng trường hợp đánh thủng transistor Q3.

3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch

Khi độ ẩm đất đạt mức thiết lập:

Khi độ ẩm đất đạt mực thiết lập từ trước, đầu ra của LM 358 ở mức thấp, nên các khối phía sau không hoạt động

Khi độ ẩm thấp hơn mức thiết lập:

Khi độ ẩm đất thấp hơn mức thiết lập, đầu ra của LM 358 tác động ở mức cao, tín hiệu được đưa qua khối tạo trễ IC 555 lúc này có dòng IB kích vào transistor => transistor hoạt động cho dòng đi qua =>động cơ hoạt động

3.3 Nguyên lý hoạt động toàn mạch

Khi độ ẩm đất đạt trên giới hạn được cài đặt trước:

Khi độ ẩm trong đất đạt yêu cầu, tín hiệu từ bộ cảm biến vào chân Input (-) củaLM358 sẽ lớn hơn giá trị chỉnh định trước, nên đầu ra của LM358 tác động ở mứcthấp, ,không có tín hiệu kích vào khối xử lý tạo trễ (chân 2 của IC555) do đó khốiđộng cơ không nhận được tín hiệu từ ngõ ra của khối xử lý do đó khối động cơ khônghoạt động

Khi độ ẩm đất thấp hơn giới hạn cài đặt trước:

Khi độ ẩm trong đất không đạt yêu cầu, tín hiệu từ bộ cảm biến vào chân Input(-) của LM358 sẽ nhỏ hơn giá trị chỉnh định trước =>tín hiệu được kích vào khối xử lý

tạo trễ,tại đây tín hiệu được xử lý và thời gian xuất tín hiệu cho một chu kỳ được tínnhờ vào IC555.Nhận được tín hiệu từ khối xử lý tạo trễ đến khối động cơ,có dòng quaR6 qua led làm led sáng báo hiệu mạch hoạt động ,đồng thời có dòng qua R5 qua chân

B của transistor kích transistor hoạt động như một công tắc, thay đổi trạng thái củađộng cơ Lúc này mạch đang hoạt động