Tựa Đồ án Điện Tử căn bản Trường Đại học Cần Thơ ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY HỒNG NGOẠI Nguyễn Mạnh Hà ABSTRACT This research project aims to develop a modern method for accurately measuring soi[.]
Trang 1ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT BẰNG PHƯƠNG PHÁP
SẤY HỒNG NGOẠI
Nguyễn Mạnh Hà
ABSTRACT
This research project aims to develop a modern method for accurately measuring soil moisture by integrating a load cell to directly assess changes in soil weight and employing infrared drying to maintain temperature conditions The primary objective
is to provide precise and reliable soil moisture information, supporting farmers in efficient irrigation management and crop care This method not only enhances understanding of soil environments but also optimizes farming practices, minimizing resource waste Through the combination of load cells and infrared drying, the project conducts experiments to determine soil moisture with high accuracy and reliability The obtained results provide insights into speed, repeatability, and the margin of error compared to actual conditions, simultaneously outlining real-world applications and the benefits this approach brings to the farming community and soil research
Keyword: Soil moisture measurement, load cell, arduino microcontroller, infrared drying
Title: “ Measuring soil moisture using the infrared drying method”
TÓM TẮT
Đề tài "Đo độ ẩm đất bằng phương pháp sấy hồng ngoại" có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu đất đai và nông nghiệp Việc phát triển phương pháp đo độ ẩm đất chính xác thông qua loadcell và sấy hồng ngoại mang lại nhiều lợi ích Trước hết,
nó cung cấp thông tin chính xác về độ ẩm, giúp nông dân hiểu rõ hơn về môi trường đất và tăng cường khả năng quản lý tưới tiêu Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa sản xuất cây trồng mà còn giảm thiểu lãng phí tài nguyên nước Đồng thời, phương pháp này có thể có ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu đất đai, đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về cấu trúc và đặc điểm của đất, hỗ trợ trong quá trình bảo vệ và bảo quản đất đai, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu và tăng cường canh tác thông minh.
Từ khóa: Đo lường độ ẩm đất, cảm biến trọng lượng, vi điều khiển arduino, sấy hồng ngoại
Trang 21 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Đề tài "Đo độ ẩm đất bằng phương pháp sấy hồng ngoại" hướng đến mục tiêu cải thiện độ chính xác của phương pháp đo độ ẩm đất Sử dụng loadcell, một loại cảm biến lực, để đo lường trực tiếp sự thay đổi trong trọng lượng của đất, cùng với sự áp dụng của công nghệ sấy hồng ngoại để duy trì nhiệt
độ ổn định trong quá trình đo độ ẩm Phương pháp này không chỉ cung cấp
dữ liệu độ ẩm chính xác và đáng tin cậy mà còn giảm thiểu ảnh hưởng từ các yếu tố ngoại vi Mục tiêu là ứng dụng kết quả đo độ ẩm vào lĩnh vực nông nghiệp và nghiên cứu đất đai, giúp tối ưu hóa quản lý tưới tiêu và canh tác, đồng thời mang lại lợi ích lớn trong việc bảo vệ và sử dụng hiệu quả tài
nguyên đất đai
Đề tài này dựa trên mẫu Máy đo độ ẩm bằng hồng ngoại: Mẫu FD720
Hãng sản xuất Kett – Nhật
Đề tài đã khắc phục được nhược điểm đắt tiền và cồng kềnh Giúp sản phẩm
có thể tới được tay nhiều người dùng, hướng đến các nhà nông có thể sử dụng công nghệ tự động hóa Giúp phổ biến công nghệ hiện đại đến các
vùng sâu, vùng xa
II PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
1.Tổng quan
II.1.1: Tổng quan về Kit ARDUINO UNO R3 - B3H7
Arduino là một bo mạch vi điều khiển được phát triển bởi một nhóm giáo sư
và sinh viên tại Ý, ra mắt lần đầu vào năm 2005 Được thiết kế để cảm nhận
và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau, Arduino có khả năng thực hiện
nhiều nhiệm vụ, từ việc lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ
và các thiết bị khác Mạch cũng có khả năng kết nối với nhiều module khác nhau như đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, để mở rộng ứng dụng của nó
Về phần cứng, Arduino sử dụng board mạch nguồn mở, được xây dựng trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM, Atmel 32-bit Hiện có 6 phiên bản của Arduino, nhưng Arduino Uno và Arduino Mega là những phiên bản phổ biến nhất Phần mềm IDE được sử dụng để lập trình cho bo mạch
Arduino
Trang 3Các thống số kỹ thuật của arduino:
Vi điều khiển Atmega 328(họ 8 bit)
Điện áp hoạt động 5v-DC ( cáp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16Mhz
Dòng tiêu thụ 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12v-DC
Điện áp vào giới hạn 6-20v-DC
Số chân Digital/IO 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 ( độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA
Dòng ra tối đa (5V) 500mA
Dòng ra tối đa (3V) 50mA
Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega 328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
SRAM 2KB (Atmega 328)
EEPROM 1KB (Atmega 328)
Arduino có khả năng kết nối linh hoạt, bao gồm:
Arduino có thể hoạt động độc lập mà không cần kết nối với bất kỳ thiết
bị ngoại vi nào
Có thể kết nối với máy tính để truy cập dữ liệu từ các cảm biến và cung cấp thông tin phản hồi
Các bo mạch Arduino có thể liên kết lại với nhau để tạo thành hệ thống
Trang 4cơ, và các module mở rộng khác.
Mạch điều khiển Arduino có thể kết nối với các chip điều khiển khác,
mở rộng khả năng kiểm soát và tương tác
Arduino IDE, phần mềm lập trình của Arduino, có khả năng kết nối với nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm Windows, Macintosh OSX, và
Linux, tạo điều kiện cho việc phát triển trên nhiều hệ điều hành
Hình 1: Sơ đồ chân của Kit ARDUINO UNO R3 - B3H7
II.1.2: Tổng quan về cảm biến trọng lượng (Loadcell)
Load cell chuyển đổi biến đổi cơ học thành tín hiệu điện khi có lực tác động Cảm biến điện trở hoặc cảm biến đàn hồi gửi tín hiệu đến bộ đọc dữ liệu qua kết nối analog hoặc digital Dữ liệu được hiểu để xác định trọng lượng hoặc lực tác động Load cell được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo lường và kiểm soát lực tác động và trọng lượng
Trang 5Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động 3.3~5VDC
Model YZC - 133
Tải trọng 20kg
Kích thước (100x30x22)mm
Sơ đồ chân:
Hình 2: Cảm biến trọng lượng
II.1.3: Tổng quan về mạch chuyển đổi HX771:
HX711 là IC chuyển đổi tín hiệu tương tự (Analog) sang digital (ADC) 24-bit
Trang 6xuất ra các giá trị digital.
Cấu tạo:
Mạch HX711 bao gồm các chân kết nối: GND (chân nối đất), DT (chân dữ liệu), SCK (chân clock), và VCC (chân nguồn) Chân DT và SCK được sử dụng
để truyền dữ liệu từ HX711 tới Arduino, trong khi chân VCC và GND cung cấp nguồn cho module Mạch HX711 sử dụng nguyên lý chuyển đổi ADC để đọc giá trị từ cảm biến Loadcell
Hình 3: Mạch chuyển đổi HX711
II.1.4: Tổng quan về LCD và module IC2
LCD 16x2 thường được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số trong các dự án điện tử Mô-đun này có 16 chân, trong đó có 8 chân dữ liệu (D0 - D7)
và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN) 5 chân còn lại được sử dụng để cấp nguồn
và đèn nền cho LCD
Chân điều khiển giúp cấu
Trang 7LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu, cũng như chế độ đọc hoặc ghi LCD 16x2 có thể được sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể
Hình 4: Màn hình LCD1602
Để giải quyết vấn đề của việc đấu nối nhiều chân, mô-đun I2C LCD ra đời Thay vì sử dụng 6 chân trên vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2, mô-đun I2C chỉ cần 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Nó hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780 như LCD 16x2, LCD 20x4 và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện đại
Hình 5: Module i2c
Ưu điểm của mô-đun I2C bao gồm tiết kiệm chân vi điều khiển và dễ dàng kết nối với LCD Thông số kỹ thuật bao gồm điện áp hoạt động từ 2.5-6V DC, hỗ trợ màn hình LCD1602, 1604, 2004 (driver HD44780), giao tiếp qua I2C, địa chỉ mặc định là 0X27 có thể điều chỉnh, tích hợp jump chốt và biến trở xoay để điều chỉnh độ tương phản cho LCD Để sử dụng màn hình LCD I2C với Arduino, cần cài đặt thư viện LiquidCrystal_I2C
II.1.5: Tổng quan về bóng đèn hồng ngoại:
Bóng đèn hồng ngoại là loại đèn phát ra tia sáng ở dải sóng không thể nhìn thấy bằng mắt người Thường được sử dụng trong các ứng dụng an ninh, giám sát, và
y học để quay video hoặc truyền tải nhiệt trong điều kiện ánh sáng kém Có nhiều loại và kích thước khác nhau, bao gồm đèn hồng ngoại LED và halogen, với khả năng điều chỉnh độ sáng và tích hợp các tính năng an toàn
Trang 8Tuổi thọ 6000 giờ Kích thước Ø: 125 mm + H: 174 mm
III THIẾT KẾ PHẦN CỨNG/PHẦN MỀM/PHẦN CƠ KHÍ
III.1.1: Thiết kế khối 1:
III.1.1.1: Thiết kế phần cứng
Hình 6: Sơ đồ khối
Giải thích sơ đồ khối:
Bộ nguồn (DC, AC) có chức năng cung cấp nguồn điện cho các bộ khác trong
sơ đồ
Bộ xử lý (Arduino Uno) có chức năng nhận, xử lý, điều chỉnh, tính toán các giá
trị nhận được từ 2 bộ đo lường (HX711)
Bộ đo lường(HX711) có chức năng nhận lệnh từ bộ xử lý (Arduino Uno) và
nhận giá trị từ 2 loadcell
Bộ hiển thị (LCD) có chức năng hiển thị kết quả, giá trị đã được xử lý, tính toán
của bộ xử lý (Arduino Uno)
Kết quả của hệ thống phù hợp với mục tiêu ban đầu là sử dụng Arduino Uno để
đọc giá trị của cảm biến cân nặng loadcell sau đó tính toán ra phần trăm sai lệch
sau khi sấy Màn hình LCD và cảm biến hiển thị đúng với giá trị Kết quả thực
Bộ nguồn
( Nguồn DC,
AC)
Bộ nguồn
( Nguồn DC,
AC)
Bộ hiển thị (LCD)
Bộ hiển thị (LCD)
Bộ xử lý ( Arduino Uno)
Bộ xử lý ( Arduino Uno)
Bộ đo lường 1 (HX711)
Bộ đo lường 1 (HX711) Loadcell 1 Loadcell 1
Loadcell 2
Bộ đo lường 2 (HX711)
Bộ đo lường 2 (HX711)
Trang 9và mạch chuyển đổi Một số sai sót nhỏ có thể xuất hiện do độ nhiễu và độ không chính xác và khoảng thời gian giữa các lần cân quá ngắn khiến cho hệ thống có sai số Các sai số trong quá trình cân có thể ảnh hướng đến độ chính xác của tính toán
Hệ thống đã đạt được yêu cầu về tính toán sự sai lệch của đất trước và sau khi sấy và từ đó tính ra được phần trăm về độ ẩm của đất
Ưu điểm:
Sử dụng Arduino và cảm biến khối lượng giúp việc đo độ ẩm đất trở nên trực quan và dễ dàng hơn
Có thể cân đo chính xác được độ ẩm đất mà không sợ vị hư hại thiết bị do các yếu tố bên ngoài
Linh kiện đơn giản, phổ biến, gọn nhẹ, giá thành hợp lý có thể giúp người dùng tiếp cận được sản phẩm dễ dàng hơn
Hiển thị thông tin rõ ràng, dễ hiểu
Khuyết điểm:
Yêu cầu có kiến thức chuyên sâu về cơ điện tử, vi điều khiển để thực hiện
Độ bền không cao, khi bị rơi có thể hư hỏng nặng
Hướng phát triển của đề tài:
Có thể điều khiển được nhiệt độ, thời gian của buồng sấy
Hiển thị được nhiệt độ, tính toán thời gian sấy thích hợp với khối lượng của mẫu vật
Đưa đề tài phát triển đến các vùng sâu vùng xa để hỗ trợ các nhà nông
LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Ts.Nguyễn Văn Khanh đã cung cấp số liệu, phương tiện, thiết bị cần thiết để thực hiện đề tài cùng với kiến thức chuyên sâu của thầy Hơn thế nữa, em cảm ơn thầy đã đưa ra cho em những phương pháp hiệu quả cũng như luôn giải đáp những thắc mắc của em khi em gặp phải khó khăn trong quá trình thực hiện, giúp em có thể hoàn thành đề tài theo đúng yêu cầu và đúng tiến độ Sự góp ý quý báo của thầy đã giúp em cải thiện nội dung và chất lượng của đề tài
Trang 10[1] http://arduino.vn/
[2] http://arduino.cc/
[3] Tài liệu tham khảo
