Hiện nay, có nhiều loại cảm biến có thể đo đƣợc nhiệt độ nhƣ DHT11, DHT21, STH10, DS18B20, AM2315, LM35.... Vì sử dụng hệ thống này để đo nhiệt độ môi trường nước, nhiệt độ biến động trong khoảng 00C - 400C, nên lựa chọn sử dụng cảm biến DS18B20 do:
Tầm đo đáp ứng đƣợc yêu cầu.
Tính phổ biến cao.
Được tích hợp vỏ bọc có khả năng chống nước.
Hình 3.2: Kết nối cảm biến DS18B20 với bộ xử lý trung tâm
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 kết nối chân DQ với chân số 2 của bộ xử lý trung tâm do đây là chân dữ liệu số.
3.2.2. Khối cảm biến đo mực nước
Hiện nay trên thị trường không có nhiều cảm biến đo mức nước chuyên dụng. Nên nhóm đã tự thiết kế cảm biến đo mực nước bằng cách dùng cảm biến siêu âm.
Vì yêu cầu hệ thống là đo mực nước nên không yêu cầu độ chính xác cao nên dùng cảm biến siêu âm với sai số sai số ±0.3cm để đo khoảng cách là hợp lý, trong đó dòng SRF04 với giá thành thấp, hoạt động ổn định có nhiều cải tiến so với các loại cảm biển siêu âm cùng loại khác nên lựa chọn.
Hình 3.3: Kết nối cảm biến SRF04 với bộ xử lý trung tâm
Cảm biến siêu âm SRF04 kết nối chân ECHO với chân 3 và chân TRIG với chân 4 của bộ xử lý trung tâm
3.2.3. Khối cảm biến pH
Hiện nay trên thị trường không có nhiều loại cảm biến pH.Trong đó cảm biến pH của hãng DFROBOT có chất lƣợng cao, giá thành và thông số phù hợp, nên nhóm thực hiện chọn cảm biến pH của hãng.
DS18B20 3
2 1
VDD DQ GND 5V
4K7 2(Arduino)
4 (Arduino) 5V
3 (Arduino) SRF04
1 3
4 2
VCC ECHO TRIG GND
Hình 3.4:Kết nối cảm biến pH với bộ xử lý trung tâm Cảm biến pH kết nối chân A với chân A0 của bộ xử lý trung tâm.
3.2.4. Khối GSM
Hiện tại hãng SIMCom cho ra thị trường rất nhiều loại mạch GSM với nhiều tính năng nổi bật, ổn định nhƣ SIM900, SIM808, SIM800A, SIM800L, SIM800C, SIM800DS... trong đó SIM800A tích hợp nguồn đã đƣợc tối ƣu hóa, tích hợp nguồn xung và IC đệm giúp hoạt động ổn định lâu dài, tương thích với nhiều mức điện áp, giúp dễ dàng lựa chọn nguồn cung cấp.
Hình 3.5: Kết nối SIM800A với bộ xử lý trung tâm
Module SIM800A kết nối chân TXD với chân 51 và RXD với chân 52 của bộ xử lý trung tâm.
3.2.5. Khối hiển thị
Để hiển thị các thông số hệ thống thì có rất nhiều giải pháp nhƣ: led 7 đoạn, led ma trận,… trong đó LCD là một lựa chọn thích hợp nhất. Hiện nay, có khá nhiều loại LCD nhƣ: Character LCD (LCD ký tự), Graphic LCD (LCD đồ họa),…;
với nhiều kích thước cũng như màu sắc khác nhau.
Trong đề tài này ta chọn sử dụng loại LCD ký tự có kích thước 20x4 để hiển thị đủ các thông số cần thiết. Để giao tiếp với LCD thông thường phải sử dụng rất nhiều chân. Do đó, để thuận tiện cho việc thiết kế và điều khiển, trong đề tài này sử dụng thêm module I2C để giao tiếp với LCD và chỉ cần sử dụng 4 chân là VCC,
pH sensor
2 1
3 GND
VCC
A A0(Arduino) 5V
52 (Arduino)
5V
51 (Arduino)
Module Sim 800A 1 2 3 4
5
VCC GND EN TXD
RXD
GND, SDA, SCL. Đồng thời, arduino cũng có thƣ viện để việc điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Hình 3.6: Kết nối LCD và Module I2C với bộ xử lý trung tâm
Module I2C kết nối chân SDA với chân SDA và SCL với chân SCL của bộ xử lý trung tâm.
3.2.6. Khối Relay
Vì hệ thống dùng chân Digital của Arduino để điều khiển Relay 1 thiết bị mới mức điện áp là 5V, nên nhóm thực hiện dùng Module 1 Relay 5V.
Hình 3.7: Kết nối Relay với bộ xử lý trung tâm và động cơ bơm
Module Relay kết nối chân IN với bộ xử lý trung tâm, chân NO với động cơ, chân COM với nguồn cho động cơ.
LCD LCD
7 D0 8 D1 9 D2 10 D3 11 D4 12 D5 13 D6 14 D7 15 A 16 K
1 VSS 2 VDD 3 VEE 4 RS 5 RW 6 ENB
I2C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 GND VCC SDA SCL
5V
SDA (Arduino) SCL (Arduino)
Module Relay 5V VCC
IN GND
NO COM NC 5 (Arduino)
+V (Motor) 12V 5V
Module 1 Relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly giúp việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, mạch đƣợc sử dụng để đóng ngắt dòng điện công suất cao AC hoặc DC, có thể chọn đóng khi mức cao hoặc mức thấp bằng Jumper.
Tiếp điểm đóng ngắt gồm 3 tiếp điểm NC(thường đóng), NO(thường mở), và COM(chân chung) đƣợc cách ly hoàn toàn với board mạch chính, ở trạng thái bình thường chưa kích NC sẽ nối với COM, khi có trạng thái kích COM sẽ chuyển sang nối với NO và mất kết nối với NC.
Thông sô kỹ thuật:
Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.
Realy tiêu thụ dòng khoảng 80mA.
Điện thế ngắt tối đa : AC 250V ~ 10A hoặc DC 30V ~ 10A.
Có đền báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
Có thể chọn mực tín hiệu kích 0 hoặc 1 qua Jumper.
Kích thước : 1.97 in x 1.02 in x 0.75 in.
Weight : 17g.
3.2.7. Khối động cơ bơm
Vì là mô hình mô phỏng, nên hệ thống đƣợc đặt trên bể chứa nhỏ nên chỉ cần dùng động cơ công suất nhỏ là đủ, cho nên động cơ 12V DC rất phù hợp.
Thông số kĩ thuật:
Kích thước: Khoảng 86 * W 46 * H 46mm
Điện áp: DC / 12V.
Dòng định mức: 0.25A.
Công suất: 3W.
Tốc độ dòng: 1,8 ± 0,1 L / phút.
Chiều cao tối đa: 5m.
Thời gian làm việc liên tục tối đa: 120h.
Nhiệt độ nước 5 ℃ -45 ℃.
Hoạt động nhiệt độ môi trường 5 ℃ -40 ℃.
Áp suất nước tạo ra: 0.3Mpa.
Dòng tối đa: ≤0.4A.
3.2.8. Khối xử lí trung tâm
Hiện nay để đáp ứng đƣợc các yêu cầu đặt ra của hệ thống xử lí thì có nhiều giải pháp nhƣ board Raspberry Pi, Arduino, PIC… mỗi giải pháp đều có ƣu điểm, nhƣợc điểm riêng. DoArduino phù hợp để đáp ứng các yêu cầu đặt ra của đề tài,có một cộng đồng tương đối lớn, thư viện hỗ trợ luôn được cải tiến giúp cho việc thực hiện trở nên đơn giản hơn.
Sơ đồ kết nối của khối xử lý trung tâm:
Chân analog A0 đƣợc kết nối với chân tín hiệu của cảm biến pH.
Hai chân SDA và SCL đƣợc dùng để giao tiếp LCD thông qua I2C.
Hai chân 3, 4 kết nối với chân ECHO và TRIGGER của cảm biến siêu âm.
Chân 2 đƣợc kết nối với chấn tín hiệu của DS18B20.
Chân 5 kết nối vào ngõ vào module relay để điều khiển động cơ bơm chạy hoặc dừng.
Chân 50, 51 đóng vai trò là chân TX, RX kết nối với chân RX, TX của sim800A.
Hai chân TX0, RX0 dự kiến kết nối với GPIO15, GPIO16 của Raspberry để truyền dữ liệu từ web xuống Arduino và từ Arduino lên Web Server.
Từ các kết nối trên, ta có sơ đồ nguyên lý toàn mạch nhƣ Hình 3.8.
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 3.2.9. Khối Web Server
Có nhiều giải pháp để lựa chọn làm Web Server nhƣ: máy tính, Intel Galileo, Raspberry Pi... Ta lựa chọn Raspberry Pi 3 là phiên bản nâng cấp mới nhất với các ƣu điểm sau:
Tích hợp module wifi thích hợp với yêu cầu đề tài.
5V
Module Relay 5V VCC IN GND
NO COM NC DS18B20 3 2 1
VDD DQ GND pH sensor 21 3 GND
VCC A
A
-
+ Motor DC 12V
12 2K2
LCD
LCD 20X4
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 2 3 4 5 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K
VSS VDD VEE RS RW ENB
SO DO NGUYEN LY HE THONG QUAN TRAC NUOC A 11Saturday, July 08, 2017
Title SizeDocument NumberRev Date:Sheetof
Nguyen Thanh Cuong - MSV: 13141023 Bien Quoc Thanh - MSV: 13141308
Module Sim800A 1 2 3
4 5
VCC GND EN
TXD RXD 5V
5V 5V 5V
4K7 MÀN HÌNH
VCC HDMI
5V
I2C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
GND VCC SDA SCL
12V LCD 7 inch IPS 1K2
5V 5V
5V
SRF04 13 42
VCCECHO TRIGGND RASPBERRY PI 3 GPIO14 GPIO15 GND
VCC
HDMI
Arduino Mega 2560 R3 2345 TX0 RX0 SDA SCL
5V GND A0
50 51
RESETIOREF
Tốc độ ổn định.
3.2.10. Khối chuyển đổi điện áp
Do chọn Web Server là Raspberry Pi 3. Chân RX của Raspberry Pi 3 sử dụng mức điện áp là 3.3V, trong khi chân TX của Arduino có mực điện áp là 5V nên ta cần 1 bộ chuyển điện áp từ 5V xuống 3.3V.
Dùng điện trở để chia áp từ 5V sang 3.3V.
Hình 3.9: Sơ đồ mạch chuyển đổi điện áp Tính toán giá trị điện áp tại chân RX (GPIO15) RASPBERRY
1
1 2
. 2 2 .5 3.235 3.3
2 2 1 2
RX TX
R k
V V V V
R R k k
3.2.11. Khối nguồn
Bảng 3.1: Dòng và áp của các linh kiện sử dụng trong đề tài
STT TÊN MODULE DÒNG(mA) ÁP(V)
1 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 4 5
2 Cảm biến siêu âm SRF04 2 5
3 Cảm biến pH 10 5
TX0 (ARDUINO)
1K2
RX(GPIO15)
2K2
4 Relay 80 5
5 LCD 40 - 120 5
6 I2C 1.74 5
7 Arduino 50 7 - 9
8 Động cơ 400 12
9 Raspberry Pi 250 - 720 5
10 Màn hình 7” cho Raspberry Pi 200 5
11 SIM800A >1000 5 - 18
- Ở khối xử lý trung tâm có cảm biến nhiệt độ, độ pH, khoảng cách, LCD nên ta dùng adapter 9V - 2A.
- Sử dụng adapter 12V - 1A cho động cơ bơm.
- Để module SIM800A hoạt động được bình thường, ta phải dùng nguồn riêng cho nó, nên ta dùng adapter 5V - 2A.
- Ở khối Web Server ta dùng Pi, màn hình 7”, có thể thêm ngoại vi nhƣ chuột, bàn phím nên dùng adapter 5V - 2.5A