Cùng với sự phát triển của các ngành điện tử tin học, công nghệ viễn thông trong những năm qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao, đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu của khách hàng. Trong xu hướng phát triển và hội tụ của viễn thông và tin học, cùng với sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu của người dùng đối với những dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao đã làm cho cơ sở hạ tầng thông tin và viễn thông có những thay đổi lớn về cấu trúc.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VƯỜN RAU THÔNG QUA MẠNG INTERNET
Chuyên ngành: Điện tử viễn thông
Giảng viên hướng dẫn : ThS Trương Ngọc Bảo
Sinh viên thực hiện : Trần Thanh Hà - 1311010079
Nguyễn Minh Hiền - 1311010084
Lớp : 13DDT02
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và được sự hướng dẫn khoa học của Ths Trương Ngọc Bảo Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực Những số liệu trong các bảng biểu phục
vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo
Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan tổ chức đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình
TP.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực hiện
TRẦN THANH HÀ
NGUYỄN MINH HIỀN
Trang 3Mục lục
LỜI MỞ ĐẦU 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: 6
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: 7
1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: 7
1.4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG 7
1.5 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC GỒM: 8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9
2.1 TỔNG QUAN VỀ Module Wifi Esp8266: 9
2.1.1 ESP8266 : 9
2.1.2 Sơ đồ chân kết nối: 10
2.1.3 Các chế độ hoat động: 11
2.2 Sensor DHT 11: 14
2.3 Tổng Quan Về Arduino: 17
2.3.1 Phần Cứng Của Arduino Uno R3: 18
2.3.3 Thông số kỹ thuật: 21
2.3.4 IC ATmega 328: 21
2.4 Module cảm biến dòng (ACS712): 23
2.4.1 Lý thuyết về hiệu ứng Hall: 23
2.4.2Giới thiệu IC cảm biến dòng ASC712: 25
2.5 Cảm biến độ ẩm đất: 27
2.5.1 LM 393: 30
Trang 42.6 LCD16x2 (HD44780) 36
2.6.1 Giới thiệu về LCD 36
2.7 Module Relay 2 Kênh: 39
2.7.1 Giới Thiệu: 39
2.7.2 Sơ đồ nguyên lý mạch relay 2 kênh : 41
2.7.3 Transistor S8550: 42
2.8 Module BH1750: 43
2.8.1 BH1750: 45
2.9 Máy Bơm Mini 6-12V MB385: 47
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 48
3.1 Sơ đồ khối: 48
3.2 Chức năng từng khối: 48
3.3 Sơ đồ nguyên lý : 49
3.4 Tính toán thiết kế: 50
3.4.1 Khối nguồn: 50
3.4.2 Khối điều khiển: 50
3.4.3 Khối đóng ngắt: 51
CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 53
4.1 Lưu đồ giải thuật: 53
4.2 Lập trình vi điều khiển: 55
4.3 Cài đặt phần mềm Arduino IDE : 59
4.4 PHẦN MỀM BKYNK: 66
Trang 5CHƯƠNG 5 : KẾT LUẬN 69
5.1 Các vấn đề đã nghiên cứu và làm được: 69
5.2 Tự đánh giá: 69
5.3 Hướng phát triển đề tài: 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
Trang 6LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành điện tử - tin học, công nghệ viễn
thông trong những năm qua phát triển rất mạnh mẽ cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao, đáp ứng ngày càng tốt hơn yêu cầu của khách hàng Trong xu hướng phát triển và hội tụ của viễn thông và tin học, cùng với sự phát triển nhanh chóng về nhu cầu của người dùng đối với những dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao đã làm cho
cơ sở hạ tầng thông tin và viễn thông có những thay đổi lớn về cấu trúc Cùng với đó thực phẩm sạch, một trong những sản phẩm mà được mọi người quan tâm hàng đầu chính là rau sạch Bên cạnh đó với sự gia tăng ô nhiễm đất, nước, hóa chất bảo vệ thực vật, rau xanh vẫn có nguy cơ nhiễm độc rất cao Chưa kể các yếu tố nấm, sâu bệnh trong điều kiện môi trường bình thường cũng có thể gây hại cho rau và gián tiếp tác động xấu đến sức khỏe người tiêu dùng Để cho chúng ta có thể tự tay trồng và quan sát được sự phát triển của cây đối với những người bận rộn và cũng như đảm bảo sức khỏe cho bản thân mình nên chúng em chọn đề tài thiết kế và thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet để làm đồ án tốt nghiệp của mình
Trong quá trình biên soạn, đồ án không tránh khỏi có những sai sót, em mong được sự góp ý của các Thầy giáo,Cô giáo và các bạn đọc nói chung Em xin gửi lời cảm ơn tới Thầy ThS Trương Ngọc Bảo, em cũng xin gửi lời cảm
ơn đến các Thầy Cô trong Khoa Cơ điện-Điện tử và gia đình đã hỗ trợ, tạo điều kiện và động viên em hoàn thành đồ án này
Trang 7CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin Do đó là một sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy
sự phát triển của nền kinh tế nước nhà
Các hệ thống điều khiển từ xa thông qua mạng INTERNET ngày càng được sử dụng phổ biến và các hệ thống này có thể giúp cho các thiết bị giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của cuộc sống, trong xu hướng phát triển và hội tụ của viễn thông và tin học, cùng với sự quan tâm của người dùng đối với những dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao đã làm cho cơ sở hạ tầng thông tin và viễn thông
có những thay đổi lớn về cấu trúc Cùng với đó thực phẩm sạch, một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu của con người, vườn của mình Dựa trên nhu cầu thực tế đó nhóm em quyết định chọn thực hiện đề tài “ thiết kế và thi công hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet“ làm đồ án tốt nghiệp Trên thực tế đã có một số sản phẩm tương tự về đề tài này, nhưng những sản phẩm đó vẫn còn một số hạn chế như: Tính linh động của sản phẩm, không thể điều khiển và giám sát từ xa các thiết bị trong vườn, khi trời mưa vẫn tự động bơm nước vào làm cây úng nước và chết, không thể biết được bơm có hoạt động không, Một mô hình vườn cây thông minh thường phải đạt được các yêu cầu: đo độ ẩm đất, đo nhiệt độ độ ẩm không khí, tự
Trang 8bơm nước để tưới cho cây khi độ ẩm đất thấp và tắt khi độ ẩm đất cao và có thể điều khiển từ xa thông qua mạng internet,….Hệ thống là một sản phẩm hoạt động dựa trên sự kết hợp hoàn hảo giữa kĩ thuật cơ khí, kĩ thuật điện - điện tử Đảm bảo thực hiện các yêu cầu cơ bản mà chúng ta mong muốn
-Thiết kế mô hình vườn cây thông minh
-Ứng dụng các kiến thức đã học để hệ thống đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Đo độ ẩm đất
+ Đo nhiệt độ độ ẩm không khí
+ Cảm nhận sự suy giảm của ánh sáng
+Tự bơm nước để tưới cho cây khi độ ẩm đất thấp và tắt khi độ ẩm đất cao + Tự mở đèn cho cây quang hợp khi điều kiện ánh sáng không đủ
+ Có thể điều khiển và giám sát từ xa thông qua internet
1.4 KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG
Rau xanh là loại thực phẩm không thể thiếu trong bữa ăn hàng ngày Chúng chứa nhiều loại vitamin và các chất dinh dưỡng thiết yếu với sức khoẻ
Trang 9con người Ăn nhiều rau xanh còn có thể giúp bạn ổn định huyết áp, phòng chống các bệnh về tim mạch và giúp thúc đầy quá trình trao đổi chất hiện nay trên thị trường cung cấp rất nhiều loại rau củ quả đa dạng, phong phú Tuy nhiên những loại rau này hầu hết là có nguồn gốc không rõ ràng, không đảm bảo chất lượng vệ sinh an toàn thực phẩm, người tiêu dùng luôn phải đối mặt với các loại rau củ quả có sử dụng dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, thuốc kích thích, vi khuẩn, hóa chất gây hại,…
Chính vì vậy nhóm đã phát triển hệ thống giám sát vườn rau thông qua mạng internet tối ưu hơn với cách tưới nước thông thường, nước sẽ ngấm hết xuống đất hoặc bốc hơi theo không khí, khi đó cây cối không thực sự thụ hưởng được, ta không thể kiểm soát được lượng nước mà họ cần tưới cho cây trồng, khi tưới quá ít, khi lại quá nhiều, đôi khi vì khoảng cách tưới đến điểm tắt nước hơi xa, nếu bận việc hoặc cần nghỉ ngơi, nghe điện thoại cầm tay,
ta sẽ để nước chảy tự do, như vậy nguồn nước sẽ bị thất thoát rất nhiều Hệ thống được thiết kế để đo độ ẩm đất, cảm nhận sự suy giảm của ánh sang, tự bơm nước để tưới cho cây khi độ ẩm đất thấp và tắt khi độ ẩm đất cao, tự mở đèn cho cây quang hợp khi điều kiện ánh sáng không đủ và có thể điều khiển
và giám sát từ xa thông qua internet Qua đó, chúng ta có thể tự tay trồng và quan sát được sự phát triển của cây đối với những người bận rộn và cũng như đảm bảo sức khỏe cho bản thân, việc kiểm soát lượng nước tiêu thụ là rất rõ ràng, giúp tiết kiệm tối đa nguồn nước, chi phí
1.5 NỘI DUNG CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC GỒM:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Chương 3: Tính toán thiết kế
- Chương 4: Lập trình điều khiển
Trang 10CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ Module Wifi Esp8266:
2.1.1 ESP8266 :
Module ESP8266 là module wifi giá rẻ và được đánh giá rất cao cho các ứng dụng liên quan đến Interner và Wifi cũng như các ứng dụng truyền nhận
sử dụng thay thế cho các module RF khác
ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (IOT) Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử
lý ứng dụng
ESP8266 có xử lý và khả năng lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOS với một chi phí tối thiểu và một PCB tối thiểu
*Các tính năng chính:
- Hỗ trợ chuẩn 802.11b/g/n
- Wifi 2.4 GHz ,hỗ trợ WPA/WPA2
- Chuẩn điện áp hoạt động: 3,3V
- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client và Access Point
- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK,
WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK
- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
- Làm việc như các máy chủ có thể kết nối với 5 máy con
- LED chỉ báo truyền nhận TX/RX
Trang 112.1.2 Sơ đồ chân kết nối:
Hình 2.2 Sơ đồ các chân của ESP8266
- RESET: chân reset, tích cực mức thấp [0]
- ADC: chân đọc dữ liệu analog
- CH_PD: Kích hoạt chip, sử dụng cho Flash Boot và updating lại module
- GPIO16: Chân I/O
- GPIO14: Chân I/O
- GPIO12: Chân I/O
- GPIO13: Chân I/O
- VCC: Nguồn cấp 3.3V
- TXD: Chân Tx của giao thức UART
- RXD: Chân Rx của giao thức UART
- GPIO4: Chân I/O
- GPIO5: Chân I/O
- GPIO0: Chân I/O
- GPIO2: Chân I/O
- GPIO15: Chân I/O
- GND: Chân mass
Trang 12Lần này, thay vì một câu trả lời "OK" mình sẽ nhận được một “ > ” nhắc:
- Điều này cho thấy các mô-đun được chờ đợi để gửi 18 byte dữ liệu ở đây nó được một chút lộn xộn nếu sử dụng màn hình nối tiếp Arduino thì phải trao đổi giữa kết thúc dòng module yêu cầu ("Carriage return only”) và những gì các máy chủ HTTP được mong đợi ("Cả hai NL & CR") Thay đổi các thiết lập cho cả hai NL & CR và gửi như sau (bạn sẽ cần phải nhấn S kết thúc một lần thứ hai để gửi các dòng sản phẩm nào của máy chủ HTTP dự kiến):
GET / HTTP/1.0
- Các mô-đun nên gửi về với:
Trang 13- Kết nối với một điểm truy cập WiFi
- Cho phép nhiều kết nối
- Thiết lập các mô-đun để lắng nghe (tham số đầu tiên, chế độ được thiết lập
để 1) cho một kết nối vào một cổng cụ thể
AT+CIPSERVER=1,1336
- Từ một thiết bị khác trên cùng một mạng kết nối với các cổng lắng nghe, ví dụ: với telnet:
telnet 192.168.1.2 1336
Trang 14Các module sẽ hiển thị:
Link
*Hoạt động ở chế độ WiFi Access Point:
- Các module đi kèm với một điểm truy cập được xác định trước (SSID của
"ESP_ "), nhưng ta có thể định nghĩa của mình riêng với
AT+CWSAP="NoWorriESSID","password",3,0
- Tham số đầu tiên là tên SSID; tham số thứ hai là mật khẩu; thứ ba WiFi Hoạt động như một WiFi Access Point kênh chọn một không được sử dụng trong khu vực của mình và các tham số cuối cùng là tiêu chuẩn mã hóa để sử dụng
- Một giá trị mã hóa 0 lần lượt mã hóa ra có nghĩa là mật khẩu được bỏ qua, nhưng nó vẫn còn không thể có một giá trị rỗng Ta không thể nhận được bất
kỳ mã hóa để làm việc mặc dù (nó sẽ luôn luôn tạo ra một mạng không được
mã hóa), ta có thể có nhiều may mắn, có thể với một firmware mới hơn
- Để thực sự cho phép mạng để được tạo ra, ta cần phải thiết lập chế độ
"WiFi" của các mô-đun để "AP" (2) hay "Cả hai" (3):
o Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT
Khi sử dụng giao tiếp UART để gửi lệnh AT đến Module ESP 8266, chúng ta
Trang 15phải gửi kềm kí tư <CR><LF> để báo kết thúc lệnh
1 Lệnh Kiểm tra kết nối: AT
Kết quả trả về: OK nếu kết nối không bị lỗi
2 Lệnh Reset module: AT + RST
Trả về: Ready sau khi reset thành công module
3 Lệnh kiểm tra phiên bản module: AT+GMR
Trả về môt dãy số là mã phiên bản module
4 Lệnh cài đặt module hoạt động ở chế độ trạm phát wifi, điểm truy cập wifi: AT+CWMODE=3
Trả về: Ok sau khi cài đặt thành công
5 Lệnh tìm các mạng wifi đang có: AT+CWLAP
Kết quả trả về là danh sách các mạng wifi mà module có thể bắt được
6 Lệnh truy cập vào mạng wifi khác
AT+CWJAP="<access_point_name>","<password>" Sau khi truy cập thành công, trả về: Ok
7 Lệnh lấy đỉa chỉ IP của module AT+CIFSR Trả về một dãy số là địa chỉ IP của module
8 Lệnh đặt tên và mật khẩu cho mạng wifi do module ESP8266 phát ra: AT+CIFSR="tên_mang","mật_khẩu",3,0
2.2 Sensor DHT 11:
DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt
độ và độ ẩm
Trang 16xử lý thực hiện theo 2 bước:
+ Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại
+ Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được
Trang 17- Bước 1 : gửi tín hiệu Start
Hình 2.5 Tín hiệu Start
+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt
độ và độ ẩm
+ MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào
+ Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11
+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT
- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11
+ DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:
• Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
• Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)
• Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)
• Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)
• Byte 5 : kiểm tra tổng
Trang 18=> Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa
+ Đọc dữ liệu:
Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1
về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm
Hình 2.6.Tín hiệu Start củz Bit 0 và Bit 1
• Bit 0 : Được biểu hiện bằng 1 tín hiệu mức 1 với độ rộng 26-28us
• Bit 1 : được biểu hiện bằng 1 tín hiệu mức 1 với độ rộng 70us
2.3 Tổng Quan Về Arduino:
Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên
Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác Ngoài ra mạch còn có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng của mạch
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng
Trang 19của Arduino có tất cả 6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất là Arduino Uno và Arduino Mega Arduino Uno được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, rất nhiều ví dụ trên youtube hoặc các trang hướng dẫn
về Arduino sử dụng mạch này Vì vậy đối với các bạn mới học Arduino, việc chọn Arduino Uno sẽ giúp các bạn có thể tự học dễ dàng
Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE Đây là phần mềm mã nguồn mở, và có thể được download từ trang web của Arduino: arduino.cc
2.3.1 Phần Cứng Của Arduino Uno R3:
Phần này nói về phần cứng của Arduino Uno R3, một bo mạch thông
dụng hiện nay
*Chân xuất tín hiệu ra:
Có tất cả 14 chân xuất tín hiệu ra trong Arduino Uno, những chân có dấu
~ là những chân có thể băm xung (PWM), tức có thể điều khiển tốc độ động
cơ hoặc độ sáng của đèn Hình 2.4 thể hiện rất rõ những chân này
*IC ATmega 328:
IC Atmega 328 là linh hồn của bo mạch Arduino Uno, IC này được sử dụng trong việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý dữ liệu, xuất tín hiệu ra,… Chân ICSP của ATmega 328
Các chân ICSP của ATmega 328 được sử dụng cho các giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface), một số ứng dụng của Arduino có sử dụng chân này, ví
dụ như sử dụng module RFID RC522 với Arduino hay Ethernet Shield với Arduino
*Chân lấy tín hiệu Analog:
Các chân này lấy tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự) từ cảm biến để IC
Trang 20Atmega 328 xử lý Có tất cả 6 chân lấy tín hiệu Analog, từ A0 đến A5
*Chân cấp nguồn cho cảm biến:
Các chân này dùng để cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài như role, cảm biến, RC servo,…trên khu vực này có sẵn các chân GND (chân nối đất, chân âm), chân 5V, chân 3.3V như được thể hiện ở hình 2 Nhờ những chân này mà người sử dụng không cần thiết bị biến đổi điện khi cấp nguồn cho cảm biến, role, rc servo,…Ngoài ra trên khu vực này còn có chân Vin và chân reset, chân IOREF Tuy nhiên các chân này thường ít được sử dụng nên trong tài liệu này xin không đi sâu về nó
*Các linh kiện khác trên board Arduino Uno R3:
Ngoài các linh kiện đã liệt kê bên trên, Arduino Uno R3 còn 1 số linh kiện đáng chú ý khác Trên bo có tất cả 4 đèn led, bao gồm 1 led nguồn (led ON nhằm cho biết boa đã được cấp nguồn), 2 led Tx và Rx, 1 led L Các led Tx và
Rx sẽ nhấp nháy khi có dữ liệu truyền từ board lên máy tính hoặc ngược lại thông qua cổng USB Led L được được kết nối với chân số 13 Led này được gọi là led on board (tức led trên bo), led này giúp người dùng có thể thực hành các bài đơn giản mà không cần dùng thêm led ngoài
Trong 14 chân ra của bo còn có 2 chân 0 và 1 có thể truyền nhận dữ liệu nối tiếp TTL Có một số ứng dụng cần dùng đến tính năng này, ví dụ như ứng dụng điều khiển mạch Arduino Uno R3 qua điện thoại sử dụng bluetooth HC05
Thêm vào đó, chân 2 và chân 3 cũng được sử dụng cho lập trình ngắt (interrupt), đồng thời còn 1 vài chân khác có thể được sử dụng cho các chức năng khác
Trang 212.3.2 Sơ đồ nguyên lý Arduino Uno R3:
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý Arduino Uno R3
Trang 22- Bộ nhớ EEPROM: 1 Kbyte
- Tần số Clock: 16 MHz
2.3.4 IC ATmega 328:
Atmega328 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc
họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM) Bootloader Arduino cho phép bạn gửi mã chương trình cho ATmega328 thông qua giao thức Serial (dùng cổng COM), có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được
Trang 23watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader
Hình 2.8 Atemega328 thực tế Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz
Hình 2.9 Các chân của Atemega328
Trang 24
Ngày nay vi điều khiển Atmega328 thực sử được sử dụng phổ biến từ các dự
án nhỏ của sinh viên, học sinh với giá thành rẻ, xử lý mạnh mẽ, tiêu tốn ít năng lượng (chế độ hoạt động : 0.2 mA, chế độ ngủ: 0.1 μA, chế độ tích kiệm: 0.75 μA) và sự hỗ trợ nhiệt tình của cộng đồng người dùng AVR Và không thể không nhắc tới sự thành công của Vi điều khiển Atmega328 trong dự án
mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini những sản phẩm dẫn dắt chúng ta vào thế giới mã nguồn
mở để hoàn thành một chương trình trong “nháy mắt”
- Dộ phân giải ADC: 10 Bit
- Số chân vào ra IO: 23
- Giao tiếp Truyền thông: SPI, TWI, UART
- Điện áp hoạt động: 1.8 - 5.5V
- Kiểu chân: TQFP 32
- Timer: 3
2.4 Module cảm biến dòng (ACS712):
2.4.1 Lý thuyết về hiệu ứng Hall:
Trong đề tài này, ở kênh đo dòng điện em đo dòng điện qua tải bằng cảm biến dòng ASC712 hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, do đó sau đây sẽ giới
Trang 25thiệu về lý thuyết hiệu ứng Hall
Khái niệm:
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall
Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall Hiệu ứng này được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879
Hình 2.10 Nguyên lý hiệu ứng Hall khi chưa có từ trường (a) và khi có từ
trường (b) Hình 1(a) thể hiện nguyên lý cơ bản của hiệu ứng Hall Nếu một tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có dòng điện chạy qua nó và ta kết nối ngõ ra vuông góc với chiều của dòng điện, khi không có từ trường đặt vào, sự phân
bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra
Khi đặt một từ trường vuông góc vào như hình (b), một lực Lorent tác dụng lên dòng điện Lực này sẽ làm nhiễu loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo
sự khác biệt về điện áp ở ngõ ra Điện áp này được gọi là điện áp Hall
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
VH= IB/(den) Trong đó:
+ VH là hiệu thế Hall Đơn vị: Volt (V)
Trang 26+ I là cường độ dòng điện Đơn vị: Ampere (A)
+ B là cường độ từ trường Đơn vị : Tesla (T)
+ d là độ dày của thanh Hall Đơn vị : Mét (m)
+ e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall
Đơn vị: Coulomb (C)
2.4.2Giới thiệu IC cảm biến dòng ASC712:
* Khảo sát IC ACS712:
- ACS712 của hãng Allegro cung cấp giải pháp kinh tế và chính xác cho việc cảm ứng dòng AC hoặc DC trong các hệ thống công nghiệp, thương mại và liên lạc Dạng đóng gói của thiết bị cho phép người sử dụng dễ dàng lắp đặt Thiết bị bao gồm mạch điện Hall tuyến tính, độ lệch thấp và độ chính xác cao trong việc cảm biến dòng điện và tạo ra một điện áp ở ngõ ra tương ứng Do các tính năng nổi trội như đã nêu ở trên, em đã chọn IC ASC712 để sử dụng trong kênh đo dòng điện
- Cảm biến dòng ASC712: có chức năng ánh xạ dòng điện qua tải thành một điện áp ngõ ra tương ứng Điện áp ngõ ra này có dạng:
Trang 27- Mặt khác module ASC712 luôn cho ra trên ngõ V+ một điện áp DC
đưa tới ngõ V- Như vậy sẽ triệt được thành phần
DC khi đưa vào bộ chuyển đổi
Hình 2.12 Cấu trúc của IC ASC712
Bảng 2.1 Mô tả chức năng chân:
vào
*Các đặc điểm chính của IC cảm biến dòng ASC712:
- Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp
- Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới
- Thời gian tăng của ngõ ra để đáp ứng với dòng ngõ vào là 5us
Trang 28- Băng thông 80kHz
- Tổng lỗi ngõ ra tại T=25oC là 1.5%
- Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ
- Điện trở dây dẫn trong 1.2MΩ
- Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8
- Cảm biến độ ẩm đất: trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu
ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta có thể điều chỉnh được bằng biến
Trang 29trở Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ẩm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao
- Cảm biến độ ẩm đất có 4 chân : Vcc, GND, 2 ngõ ra là D0 ( cho giá trị trả về mức logic 0 1) và A0 ( cho giá trị trả về analog để đọc được độ ẩm của đất chính xác hơn )
* Nguyên lý hoạt động:
- Khi cấp nguồn, led báo nguồn sáng
- Mạch có 2 đầu ra D0 và A0 tương ứng với digital output và analog output
- Board mạch tích hợp 1 mạch phân áp và 1 mạch so sánh sử dụng opam
- Mạch phân áp đưa tín hiệu đầu ra analog đưa vào chân so sánh của mạch opam và chân đầu ra analog
- Mạch so sánh có chức năng so sánh và đưa tính hiệu logic (1 or 0) ở đầu ra digital Ngoài ra board còn tích hợp 2 led gồm led báo nguồn và led báo trạng thái
- Ở chân digital output: Mạch hoạt động như sau: Cài đặt ngưỡng so sánh bằng biến trở Điện trở của cảm biến tỷ lệ thuận với độ ẩm, độ
ẩm càng cao điện trở càng cao, mặt khác theo sơ đồ phân áp, điện áp đầu ra mạch phân áp tỉ lệ thuận với điện trở cảm biến, vậy độ ẩm đất
tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra Khi thay đổi độ ẩm -> điện trở trên cảm biến thay đổi dẫn đến điện áp đầu ra đưa vào cổng so sánh trên opam thay đổi, điện áp này được so sánh với điện áp đặt được đặt bằng biến trở, nếu điện áp đọc về từ cảm biến chưa vượt qua ngưỡng đặt thì đầu
ra D0 là mức thấp và led báo trạng thái không sáng, khi điện áp đầu vào vượt qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức cao và led báo trạng
Trang 30thái sẽ sáng lên
- Ở chân analog output: chân này được nối trực tiếp với mạch phân áp của cảm biến không qua mạch so sánh opam, đưa trực tiếp tín hiệu điện áp tới đầu ra A0, phục vụ cho các mục đích đo lường, quan trắc, giảm sát,…
• Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo độ ẩm
• Ic so sánh: LM393 ( Khi module cảm biến độ ẩm phát hiện, khi đó sẽ
có sự thay đổi điện áp ngay tại đầu vào của ic LM393 Ic này nhận
Trang 31biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu 0V để báo hiệu và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất )
• VCC: 3.3V-5V
• GND: 0V
• DO: Đầu ra tín hiệu số 0 và 1( Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V )
• AO: Đầu ra Analog ( Tín hiệu tương tự )
+ Đầu ra Analog AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC để
có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất
2.5.1 LM 393:
LM393 là vi mạch gồm hai bộ so sánh hoạt động độc lập với điện áp bù nhỏ cỡ 2.0mV, hoạt động với cả nguồn cấp đơn hoặc hai nguồn đối xứng Vi mạch LM393 tương thích với cả hai chuẩn TTL và CMOS, được sử dụng nhiều trong các bộ chuyển đổi tương tự – số đơn giản, trong các khối VCO, trong các mạch tạo trễ thời gian, sóng vuông, các mạch dao động và cổng logic số thế cao
Hình 2.15 Ảnh thực tế và sơ đồ chân của LM 393
Bảng 2.2 Chức năng các chân
Trang 32*Thông số kỹ thuật:
- Dải nguồn nuôi rộng từ 2Vdc đến 36Vdc
- Dải nguồn nuôi kép +/- 1Vdc đến +/- 18Vdc
- Dòng cực máng rất thấp độc lập với điện áp nguồn nuôi: 0.4mA
- 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
Trang 33*Sơ đồ khối chức năng:
Hình 2.16 Sơ đồ khối chức năng
Trang 34Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật
Trang 35Bảng 2.4 Đặc điểm các loại Op-Am
Trang 36*Một số mạch ứng dụng của LM393:
Hình 2.17 Một số sơ đồ mạch ứng dụng