Thiết kế hệ thống tưới tiêu tự động

Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tưới nhỏ giọt có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau đư

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI:

SINH VIÊN: HUỲNH QUỐC CƯỜNG MSSV: 15088511

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

(1): Huỳnh Quốc Cường MSSV: 15088511

(2): Nguyễn Duy Bình MSSV: 15094241

(3): Ngô Quang Hạ MSSV: 15088991

(4): Ngô Phúc Đạt MSSV: 15092231

2 Tên đề tài

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG DỰA VÀO NHIỆT ĐỘ VÀ

ĐỘ ẨM CÓ HIỂN THỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN QUA WIFI

3 Nhiệm vụ (Nội dung và số liệu ban đầu)

- Đọc nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến => Hiển thị lên app và web

- Đóng cắt và giám sát relay theo các chế độ: cầm tay, thông minh, qua wifi

- Tính toán vẽ sơ đồ mạch điện và thiết kế tủ cung cấp

4 Kết quả dự kiến

- Hoàn thành báo cáo + chi tiết các bản vẽ thiết kế

- Viết chương trình điều khiển và giám sát hệ thống

- Hoàn thành mô hình điều khiển bằng thực nghiệm

Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 2019

Sinh viên

Trưởng bộ môn

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong quãng đời mỗi sinh viên Khóa luận tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng

em những kĩ năng nghiên cứu, những kiến thức thực tiễn quý báu trước khi lập nghiệp

Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong bộ môn Điều khiển

tự động đã tận tình chỉ dạy và trang bị cho chúng em những kiến thức cần thiết trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường làm nền tảng cho việc thực hiện khóa luận Đặc biệt, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Vũ Đức Vạn - Giảng viên Khoa Công Nghệ Điện - Trường Đại học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng và giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện khóa luận này Đây là những góp ý hết sức quý báu không chỉ trong suốt quá trình thực hiện khóa luận mà còn là hành trang để chúng em tiếp bước trong quá trình học tập và lập nghiệp sắp tới

Chúng con xin gửi lòng biết ơn sâu sắc nhất đến ba mẹ, các thành viên trong gia đình Những người luôn luôn ở bên cạnh động viên, khuyến khích và hỗ trợ tối đa cho việc học tập của chúng con

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn!

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ii

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN iii

LỜI CẢM ƠN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG TRONG NÔNG NGHIỆP 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Lý do chọn đề tài 2

1.3 Khái niệm, ý nghĩa của hệ thống tưới tiêu tự động 2

1.4 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới 3

1.5 Thiết kế hệ thống tưới 3

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH 6

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 6

2.2 Giới thiệu về Module Wifi ESP8266 7

2.2.1 Tính năng đặc điểm 7

2.2.2 Thông số 8

2.2.3 Mô tả chân của ESP8266 9

2.3 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE 12

2.3.1 Cài đặt Arduino IDE 12

2.3.2 Cài đặt Driver 13 2.3.3 Giao diện chính và những thao tác cơ bản trên ứng dụng Arduino IDE 13

2.4.1 Cảm biến DHT11 và chuẩn dữ liệu OneWire 18

2.4.2 Thông số kỹ thuật của DHT11 19

2.5 Cảm biến độ ẩm đất 23

2.6 Relay 27

2.7 Mạch nguồn 29

2.7.1 Mạch nguồn chuyển từ 220VAC xuống 12VDC 29

2.7.2 Mạch nguồn chuyển từ 12V sang 5V 30

2.8 Sơ đồ thiết kế chi tiết 32

2.9 Mạch Node MCU ESP12 36

2.10 Lưu đồ giải thuật 40

CHƯƠNG 3: CÁC ĐỊNH NGHĨA WEB VÀ CHƯƠNG TRÌNH LẬP TRÌNH 45

3.1 Khái niệm về web server 45

3.2 KHÁI NIỆM MQTT 46

3.3 NTP Server 50

3.3.1 Khái niệm về NTP Server 50

3.3.2 Làm sao để có thể dùng NTP Server 50

3.3.3 Độ chính xác của NTP Server 50

3.3.4 Khái niệm thời gian Unix timestamp 51

3.4 Chương trình lập trình của hệ thống 51

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 65

4.1 Kết quả đạt được 65

4.2 Những khó khăn đi thực hiện đề tài 65

4.3 Những hạn chế khi thực hiện đề tài 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 6

Hình 2.2 Module Wifi Esp8266 7

Hình 2.3 Sơ đồ liệt kê chân của Esp8266 9

Hình 2.4 Chi tiết chân Esp8266 11

Hình 2.5 Trang chủ phần mềm Arduino IDE 12

Hình 2.6 Giao diện chính của Ảduino 13

Hình 2.7 Thêm đường link thư viện cho Esp8266 14

Hình 2 8 Cài đặt Esp8266 kết nối với laptop 15

Hình 2.9 Cài đặt Esp8266 kết nối với laptop 16

Hình 2.10 Giao diện khi chương trình không lỗi 17

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt độ DHT11 18

Hình 2.12 Các mặt của DHT11 19

Hình 2.13 Cấu tạo bên trong DHT11 20

Hình 2.14 Cấu tạo các lớp của DHT11 21

Hình 2.15 Điện trở nhiệt 5D-11 22

Hình 2.16 Sơ đồ chân module chuyển đổi của DHT11 23

Hình 2.17 Cảm biến độ ẩm đất 23

Hình 2.18 Module chuyển đổi 24

Hình 2.19 Sơ đồ cảm biến độ ẩm đất nối với module chuyển đổi 25

Hình 2.20 Mạch module chuyển đổi 26

Hình 2.21 Sơ đồ chân LM393 27

Hình 2.22 Module relay BC547 28

Hình 2.23 Sơ đồ mạch module relay BC547 28

Hình 2.24 Mạch nguồn 220V sang 12V 30

Hình 2.25 Mạch nguồn từ 12V sang 5V 30

Hình 2.26 Sơ đồ chi tiết LM2576 31

Hình 2.27 Mạch Relay 32

Hình 2.29 Mạch nút nhấn 33

Hình 2.30 Mạch Node MCU Esp8266 34

Hình 2.31 Mạch nguồn từ 12 sang 5V 34

Hình 2.32 Lớp thứ nhất của mạch thiết kế Altium 35

Hình 2.33 Mạch nguồn từ 5V sang 3.3V 35

Hình 2.34 Lớp thứ hai của mạc thiết kế Altium 36

Hình 2.35 Mạch Node MCU Esp8266 36

Hình 2.36 Mạch ESP-12 CORE 37

Hình 2.37 Mạch USB TO UART 37

Hình 2.38 Mạch Key và ADC 38

Hình 2.39 Mạch Power và IO 38

Hình 3.1 Trang HTML cơ bản………… ……… ……… 41

Hình 3.2 Truyền dữ liệu MQTT qua các client……… 42

Hình 3.3 Kết nối và gửi data……….……… 44

Hình 3.4 Kiến trúc phân cấp của NTP ……… …45

Bảng 2.1 Thông số module Esp8266 8

Bảng 2.2 Tên chân và chức năng từng chân của Esp8266 9

Bảng 2.3 Thông số chân của DHT11 20

Bảng 2.4 Thông số chân module chuyển đổi 24

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG TRONG NÔNG NGHIỆP

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa

có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao

Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tưới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc,… sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình Việc tính toán để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây trồng và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát triển trên diện rộng của hệ thống tưới này Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm lá và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước 2 tạo điều kiện cho cây trồng hấp thu dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt

độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm… Tất cả các điều kiện

đó sẽ được đưa vào hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn

Thứ hai, công nghệ điều khiển từ xa bây giờ đã được tăng cường bởi sự chuyên dụng của thiết bị di động như điện thoại thông minh Việc điều khiển tự động không còn giới hạn bởi khoảng cách Chủ nhà có thể dễ dàng điều khiển hệ thống qua điện thoại có kết nối với internet, wifi hoặc 3G

Với tất cả những lý do trình bày ở trên, nhóm chúng em quyết định nghiên cứu, ứng dụng thiết bị công nghệ vào mô hình trồng cây, giúp nó hoạt động tự động dựa trên nhiệt độ, độ ẩm của môi trường Nhằm giúp người dân tiết kiệm được thời gian đi lại, công sức chăm sóc và chi phí thuê nhân công

1.3 Khái niệm, ý nghĩa của hệ thống tưới tiêu tự động

Khái niệm: Hệ thống tưới tiêu tự động là một hệ thống các thiết bị tưới có thể tự

động tưới cây theo đúng giờ và lưu lượng yêu cầu Tưới tự động là hình thức tưới cung cấp nước một cách tự động hóa cho cây trồng Hệ thống tưới được tự động bằng một hệ thống điều khiển bằng các mạch điện tử với các thiết bị cảm biến nhiệt, cảm biến độ ẩm của đất để có thể lên lịch tưới một cách tự động hoặc do người dùng lên lịch tưới

Ý nghĩa:

Tiết kiệm nước: hệ thống tưới tiêu tự động giúp làm giảm đi lượng nước đáng kể

so với việc tưới thủ công

Tiết kiệm thời gian: một hệ thống tưới tiêu tự động sẽ giúp bạn chăm sóc cho vườn rau của mình, giúp bạn có nhiều thời gian hơn để thực hiện những công việc khác

Tiết kiệm chi phí cho nguồn nhân công so với việc thực hiện tưới tiêu bằng thủ công

1.4 Tổng quan về thiết kế một hệ thống tưới

Để thiết kế hệ thống tưới nước cho cây trồng, cần quan tâm đến các vấn đề sau:

– Hình dạng vùng tưới

– Diện tích vùng tưới

– Số cây cần cung cấp nước tưới

– Nhu cầu nước của loại cây trồng/đơn vị thời gian (lít/ngày)

– Địa hình khu tưới

Để xác định hình dáng, diện tích vùng tưới, không có cách nào khác hơn là phải đo đạc Khoảng cách giữ các cây cũng là yếu tố tạo nên chất lượng yêu cầu đề ra Khoảng cách cũng tạo ra sự chênh lệch lượng nước tới nếu không đều chênh lệch cũng cao tạo sản phẩm kém Với diện tích to quy hoạch lớn chúng ta nên đo chính xác vừa đủ với lưu lượng nước chúng ta cần tưới phù hợp với công suất bơm

1.5 Thiết kế hệ thống tưới

a Xác định lần tưới nhu cầu nước/lần tưới và khả năng cung cấp nước

Tùy thuộc loại cây trồng, ta xác định lần tưới và nhu cầu nước cho mỗi lần tưới Số lần tưới phụ thuộc vào đặc tính của loài cây trồng và khả năng giữa ẩm của đất Ta chỉ cần tính toán gần đúng thông số về lần tưới dùng để tính toán nguồn nước

Trong sản xuất, sẽ dựa vào thực tế đất đai, thời tiết để điều chỉnh số lần tưới cho phù hợp Nhu cầu nước/lần tưới là thông số quan trọng để tính toán, thiết kế hệ thống tưới

và tính toán nguồn nước Chuyên ngành thủy lợi có bảng tra nhu cầu nước cho các loại cây trồng/vụ hoặc ngày hoặc có thể tra nghiên cứu trên mạng; tuy nhiên, người trồng cũng

có nhiều kinh nghiệm thực tế để xác định nhu cầu nước tưới cho mỗi loại cây trồng Trong thực tế, nhu cầu nước của cây trồng ít hơn nhiều so với lượng nước ta cung cấp, do vậy mà lượng nước tưới tùy thuộc vào phương pháp tưới Thông thường nhu cầu nước tưới cho một cây cần tưới giao động từ 5-10 lít (tưới nhỏ giọt); 15-20 lít (tưới phun tia) 30 đến 40 lít nước (tưới rãnh, tưới phun mưa) Từ đó xác định được nhu cầu nước của cây cho mỗi lần tưới, số lần tưới/tháng, số tháng cần tưới, ta xác định được nhu cầu nguồn nước tưới

b Phân chia khu tưới

Nếu bạn chỉ tưới cho diện tích nhỏ trở lại thì chỉ là 1 khu tưới; nhưng nếu diện tích tưới lớn hơn phải phân chia vùng tưới thành nhiều khu tưới Nếu khu tưới quá lớn, công suất máy bơm và đường kính ống dẫn nước chính sẽ tăng lên rất lớn dẫn đến không có hiệu quả kinh tế

Khi phân chia khu tưới, bạn phải lên bản vẽ thể hiện rõ hình dáng, diện tích từng khu tưới, kích thước các cạnh của khu tưới, vẽ các hàng cây và chiều dài mỗi hàng cây, từ đây ta sẽ tính được số lượng cây trồng trong mỗi khu tưới, tính ra đường kính, chiều dài của đường ống chính

c Tính toán đường ống chính:

Đường ống chính tải nước tưới đến từng khu tưới và cho cả vùng tưới, do đó, ta phải tính toán được chiều dài và đường kính ống phù hợp và cả áp lực để chọn loại ống phù hợp (lớn quá sinh thừa – tốn tiền vô ích, ống nhỏ quá không cung cấp đủ nước cho khu tưới, ống kém dễ hỏng dẫn đến tốn kém…)

Ngoài ra, ta cần tính vị trí lắp đặt đường ống chính và chuyển nó lên bản vẽ Thông thường nếu khu tưới có địa hình thấp dần thì ta bố trí đường ống chính đi theo cạnh có cao độ lớn nhất của khu tưới, nhờ đó khi xả nước ra khỏi đường ống chính, nước sẽ có khuynh hướng chảy từ nơi cao đến nơi thấp tưới có lợi về năng lượng

Nếu đất tương đối bằng phẳng hoặc gợn sóng nhô cao ở giữa đồng đất thì nên bố trí đường ống chạy dọc theo các đỉnh cao xuyên qua đồng đất để chia nước tưới về hai phía

+ Tính chiều dài đường ống chính:

Dùng thước kẻ ly đo tổng chiều dài đường ống chính trên bản vẽ, nhân với tỷ lệ bản vẽ để xác định tổng chiều dài thực của đường ống chính

+ Tính toán đường kính của đường ống chính:

Để tính toán được kích thước của đường ống chính ta cần xác định tổng nhu cầu nước tưới cho một lần tưới cho khu tưới lớn nhất của vùng tưới Căn cứ vào chiều dài của mỗi hàng ta tính số cây/hàng bằng công thức:

Số cây/hàng = chiều dài hàng chia cự ly trồng (cây cách cây) +1

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ THIẾT KẾ MÔ

và gửi dữ liệu điều khiển về module

+ Đọc dữ liệu cảm biến và công tắc để điền khiển relay và gửi dữ liệu lên web

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

2.2 Giới thiệu về Module Wifi ESP8266

ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử Thêm vào đó nó được tích hợp Wifi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình

 Tích hợp công tắc TR, balun, LNA, bộ khuếch đại công suất và mạng phù hợp

 Wi-Fi 2,4 GHz, có hỗ trợ bảo mật WPA / WPA2

 Hỗ trợ các chế độ hoạt động STA / AP / STA + AP

 Hỗ trợ chức năng liên kết thông minh cho cả thiết bị Android và iOS

 Thức dậy và truyền tín hiệu trong < 2ms

 Mức tiêu thụ điện dự phòng <1.0mW (DTIM3)

 Công suất đầu ra + 20dBm ở chế độ 802.11b

 Điện áp hoạt động 3.3V

 Điện áp đầu vào 5V thông qua cổng USB

 Giao tiếp bằng cáp Micro USB (giống cáp sạc điện thoại)

 Phạm vi nhiệt độ hoạt động -40C ~ 125C

Hình 2.2 Module Wifi Esp8266

Dòng điện hoạt động Giá trị trung bình: 800mA

Nhiệt độ môi trường xung

Phát triển phần mềm Hỗ trợ phát triển máy chủ đám

mây

Cấu hình người dùng Tập lệnh AT, máy chủ đám mây,

ứng dụng Android/iOS

2.2.3 Mô tả chân của ESP8266

Có tổng số 22 chân, các định nghĩa được mô tả trong bảng dưới:

Bảng 2.2 Tên chân và chức năng từng chân của Esp8266

phạm vi 0-1024

Hình 2.3 Sơ đồ liệt kê chân của Esp8266

4 IO16 GPIO16; có thể dùng để đánh thức chip từ trạng thái ngủ

Hình 2.4 Chi tiết chân Esp8266

2.3 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino IDE

Phần mềm sử dụng là phần mềm Arduino IDE

IDE là phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp, viết tắt của từ (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code và nạp chương trình cho board mạch Arduino

2.3.1 Cài đặt Arduino IDE

Bước 1: Truy cập địa chỉ http://arduino.cc/en/Main/Software/ Đây là nơi lưu trữ cũng như cập nhật các bản IDE của Arduino Kích chuột trái vào mục “Windows ZIP file for non admin install” như hình 2.19 bên dưới

Bước 2: Nhấn chuột trái vào chọn JUST DOWLOAD để tải về máy

Buớc 3: Sau khi tải về xong ta tiến hành giải nén file

Bước 4: Copy thư mục vừa giải nén đến nơi cần lưu trữ và chạy file “arduino.exe”

để khởi động Arduino IDE

Hình 2.5 Trang chủ phần mềm Arduino IDE

2.3.2 Cài đặt Driver

Để máy tính và board arduino giao tiếp được với nhau cần cài đặt driver

Bước 1: Chạy file arduino-1.0.5-r2\drivers\dpinst-x86.exe (Windows 32 bit)

hoặc arduino-1.0.5-r2\drivers\dpinst-amd64.exe (Windows 64 bit)

Bước 2: Nhấn next Bước 3: Chạy xong nhấn Finish

2.3.3 Giao diện chính và những thao tác cơ bản trên ứng dụng Arduino IDE

Giao diện chính của phần mềm khi vừa mở ứng dụng, ở giao diện này là nơi để ta nhập các đoạn chương trình

Hình 2.6 Giao diện chính của Ảduino

Để thêm thư viện cho những board mạch trước khi sử dụng ta chọn File – Preferences, sẽ có cửa sổ hiện ra như bên dưới

Hình 2.7 Thêm đường link thư viện cho Esp8266

Tại mục Additional Boards Manager URLs ta thêm đường dẫn thư viện phù hợp với board mạch mà ta sẽ sử dụng Ở đây nhóm em sử dụng Module Wifi Esp8266 nên sẽ thêm đường dẫn http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Để board mạch có thể giao tiếp được với Arduino ta chọn Tools – Board – Boards Manager, nhập từ khóa esp8266 sau đó chọn Install để phần mềm tự tải về và cài đặt như

2 hình bên dưới

Hình 2 8 Cài đặt Esp8266 kết nối với laptop

Để kết nối mudule USB-to-UART vào máy tính Vào Tools – Board - Generic Esp8266 Module, chọn cổng COM tương ứng với module USB-to-UART tương ứng như hình bên dưới

Hình 2.9 Cài đặt Esp8266 kết nối với laptop

Sau khi đã viết xong chương trình cho vi điều khiển, để kiểm tra xem chương trình

có lỗi hay không ta nhấn vào (Verifi) như bên dưới hình, nếu ko có lỗi thì phần mềm sẽ hiển thị dòng chữ Done compiling như hình 2.10

Hình 2.10 Giao diện khi chương trình không lỗi

Để nạp chương trình qua vi điều khiển ta chọn ký hiệu , chương trình sẽ tự động được nạp

2.4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11

Nhiệt độ là đại lượng thể hiện tính chất vật lý nóng, lạnh của vật chất Nhiệt độ được đo bằng các đơn vị khác nhau và có thể biến đổi bằng các công thức Trong hệ đo lường quốc tế, nhiệt độ được đo bằng đơn vị Kelvin, ký hiệu là K Trong đời sống ở Việt Nam và nhiều nước, nó được đo bằng độ C

Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào với hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính theo đơn vị là % Định nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa

2.4.1 Cảm biến DHT11 và chuẩn dữ liệu OneWire

DHT11 là cảm biến có chức năng đo nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, được dùng khá phổ biến vì giá thành thấp và độ ổn định cao Nó sử dụng một cảm biến độ ẩm điện dung và một thermistor để đo không khí xung quanh, và đưa ra một tín hiệu số trên chân

dữ liệu (không có đầu vào chân tương tự cần thiết) Cảm biến sử dụng chuẩn truyền dữ liệu OneWire

OneWire là chuẩn giao tiếp nối tiếp được thiết kế bởi hãng Dallas Đó là hệ thống bus nhằm kết nối các thiết bị với nhau để truyền hoặc nhận dữ liệu Trong chuẩn giao tiếp này thường chỉ sử dụng 1 chân đồng thời là vừa là nguồn cung cấp vừa là chân truyền nhận dữ liệu Cũng giống như các chuẩn giao tiếp khác, OneWire cũng gồm 3 giai đoạn reqquest (hỏi) → respond (đáp) → data reading (truyền nhận dữ liệu)

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt độ DHT11

Hình 2.12 Các mặt của DHT11

OneWire là một giao thức nối tiếp sử dụng một đường dữ liệu duy nhất với tham chiếu đất một OneWire Master kiểm soát các giao tiếp với một hoặc nhiều OneWire thiết

vị trên 1 bus, mỗi thiết bị salve có một ID 64bit như là một địa chỉ trên bus

Quá trình truyền nhận dữ liệu trong OneWire:

1 Master (ESP8266) gửi tín hiệu START, DHT11 sẽ chuyển từ chế độ tiết kiệm năng lượng (low-power mode) sang chế độ làm việc bình thường (high-speed mode)

2 DHT11 nhận được tín hiệu và phản hồi đến master, master nhận tín hiệu và bắt đầu quá trình truyền dữ liệu

3 DHT11 sẽ gửi dữ liệu lên bus, mỗi lần gửi là 1 gói 40 bits data

4 Khi muốn kết thúc, Master sẽ gửi tín hiệu STOP, kết thúc quá trình truyền nhận

dữ liệu

2.4.2 Thông số kỹ thuật của DHT11

Điện áp hoạt động: 5VDC

Dãi độ ẩm hoạt động: 0% - 100% RH, sai số ±2%RH

Dãi nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ 80°C, sai số ±0.5°C

Độ phân giải 0.1oC / Sai số nhiệt độ < ±0.5°C

Cần thêm module chuyển đổi

Kích thước module: 38mm x 20mm

Sơ đồ chân:

Bảng 2.3 Thông số chân của DHT11

Hình 2.13 Cấu tạo bên trong DHT11

cực có chất giữ ẩm (thường là polymer hoặc muối dẫn điện) được kẹp giữa chúng Các ion được giải phóng bởi chất nền khi hơi nước được hấp thụ bởi nó, do đó làm tăng độ dẫn giữa các điện cực Sự thay đổi điện trở giữa hai điện cực tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối cao hơn làm giảm điện trở giữa các điện cực, trong khi độ ẩm tương đối thấp hơn làm tăng điện trở giữa các điện cực

Bên cạnh đó, chúng bao gồm cảm biến nhiệt độ NTC/Thermistor để đo nhiệt độ Một nhiệt điện trở là một điện trở nhiệt - một điện trở thay đổi điện trở của nó với nhiệt

độ Về mặt kỹ thuật, tất cả các điện trở là nhiệt điện trở - điện trở của chúng thay đổi một chút theo nhiệt độ - nhưng sự thay đổi thường rất nhỏ và khó đo lường

Hình 2.14 Cấu tạo các lớp của DHT11

Nhiệt điện trở được chế tạo sao cho điện trở thay đổi mạnh theo nhiệt độ để có thể thay đổi 100 ohms trở lên mỗi độ! Thuật ngữ có tên là NTC có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm

có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng

Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với sự thay đổi của nhiệt độ Những cảm biến này được chế tạo bằng cách thiêu kết các vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổi lớn hơn trong điện trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ Thuật ngữ có tên là “NTC” có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng

Mặt khác, có một PCB nhỏ với IC đóng gói SOIC-14 8bit IC này đo và xử lý tín hiệu tương tự với các hệ số hiệu chuẩn được lưu trữ, thực hiện chuyển đổi tương tự sang

kỹ thuật số và tạo ra tín hiệu kỹ thuật số với nhiệt độ và độ ẩm

Hình 2.15 Điện trở nhiệt 5D-11

Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi

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)

Mô tả các chân trên module:

Bảng 2.4 Thông số chân module chuyển đổi

A0 Đầu ra Analog (tín hiệu tương tự)

Hình 2.18 Module chuyển đổi

Led báo hiệu:

Led đỏ báo nguồn

Led xanh báo hiệu mức độ ẩm ở chân D0

Nguyên lí hoạt động:

Sau khi cảm biến đọc độ ẩm từ đất thông qua hai điện cực (2 que đo) Giá trị đo được sẽ được chuyển đến module chuyển đổi, giá trị đo được sẽ so sánh với giá trị ngưỡng tức giá trị đặt trước (biến trở R2) thông qua bộ phận IC so sánh LM393, khi giá trị cảm biến đo được mà thấp hơn giá trị ngưỡng thì chân kỹ thuật sẽ cung cấp cho ta điện

áp 5V và led báo hiệu mức độ ẩm sẽ sáng lên, và khi giá trị của cảm biến đo được cao hơn giá trị ngưỡng này thì chân kỹ thuật số sẽ cung cấp cho chúng ta điện áp là 0V và led sẽ tắt đi

Hình 2.19 Sơ đồ cảm biến độ ẩm đất nối với module chuyển đổi

Giới thiệu về IC so sánh LM393:

LM393 là vi mạch gồm hai bộ so sánh hoạt động độc lập với điện áp bù nhỏ cỡ 2mV, 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

Đặc điểm vi mạch LM393:

 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 LM293/393

Hình 2.20 Mạch module chuyển đổi

 Điện áp lối ra tương thích với các mức logic DTL, ECL, TTL, MOS và CMOS

 Điện áp bão hòa lối ra thấp 250mV, 4mA

Hình 2.22 Module relay BC547

Sơ đồ mạch:

Hình 2.23 Sơ đồ mạch module relay BC547