Báo cáo bài tập lớn đề tài cảm biến độ ẩm đất và sản phẩm ứng dụng thực tế
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.29 MB, 30 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ
MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ****************
Báo cáo Bài Tập lớn
ĐỀ TÀI: Cảm biến độ ẩm đất và sản phẩm ứng dụng thực tế
ĐIỂM
NHẬN XÉT VÀ CHỮ KÝ CỦA GIẢNG
VIÊN
Giảng viên hướng dẫn: T.S Phạm Đức An
Sinh viên thực hiện: Nhóm 8
Họ tên sinh viên
1
.
Mạc Đức Duy
2
.
Vũ Đình Hiệp
3
.
Trịnh Quang Nghĩa
4
.
Đỗ Quang Trung
TIEU LUAN MOI download :
Hà Nội, tháng 6 năm 2021
TIEU LUAN MOI download :
Mục lục
Tiêu đề
I.PHẦN I: CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT DÙNG IC LM393 VÀ ỨNG
DỤNG TRONG HỆ THỐNG BƠM TỰ ĐỘNG
1.
Tổng quan cảm biến
2.
Ý tưởng
3.
Mục đích
4.
Bài tốn thực hiện
4.1.
Duy trì độ ẩm tự động ở trong kh
4.2.
Yêu cầu máy làm việc với một độ
4.3.
Sản phẩm hoàn thiện
5.
Cảm biến độ ẩm IC LM393
6.
Adruino UNO R3
7.
Bộ chuyển đổi I2C và LCD với Adruin
8.
Mô đun rơ le bán dẫn 1 kênh 5/12/24V định m
9. Bơm Nước Mini DC3-5
II.XỬ LÝ SỐ LIỆU
1.
Cách xác định độ ẩm đất
2.
Hiệu chỉnh giá trị đầu vào analog và h
3.
Độ chính xác và sai số
III. Đánh giá kết quả đạt được, hướng phát triển
1.
Đánh giá
2.
Hướng phát triển
IV. Tài liệu tham khảo
TIEU LUAN MOI download :
Phân công công việc:
Họ tên
Mạc Đức Duy
Vũ Đình Hiệp
Nhóm trưởng
Trịnh Quang Nghĩa
Đỗ Quang Trung
TIEU LUAN MOI download :
I. PHẦN I: CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT DÙNG IC LM393 VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ
THỐNG BƠM TỰ ĐỘNG
1. Tổng quan cảm biến
Khái niệm
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa
học ở mơi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng
tin về trạng thái hay q trình đó
b. Phân loại
Trên thực tế có vơ vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các
cảm biến thành hai nhóm chính:
Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng ánh sáng,
hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,…
Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,….
Ngồi ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác.
Cảm biến chủ động và bị động
Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu
điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành
điện tích trên bề mặt
Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển
hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp
giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược.
Phân loại theo nguyên lí hoạt động
Theo nguyên lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:
Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của
biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.
Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm
biến dịng xốy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,….
Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…
Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang
nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dị ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…
a.
2. Ý tưởng
Ngày nay, công nghệ đang được ứng dụng triệt để trong mọi ngóc ngách của cuộc sống.
Các mơ hình tự động hóa, cơng nghệ truyền thơng, internet, …. giúp cho con người có thể làm
được nhiều việc hơn, năng suất và tự động. Cùng với hướng phát triển chung của xã hội, nhóm
chúng em mong mỏi làm ra một sản phẩm giúp người dùng có thể tối ưu hóa cuộc sống của
mình, giảm bớt thời gian để có nhiều thời gian hơn dành cho gia đình.
TIEU LUAN MOI download :
Mỗi gia đình, dù thành phố hay nơng thơn đều có mơt vườn cây nho nhỏ. Tuy nhiên, do
bộn bề công việc, nhiều khi chúng ta quên, không thể chăm sóc cho khu vườn nhỏ của mình.
Đồng thời, Việt Nam cũng là một nước sản xuất nông sản đứng hàng đầu thế giới. Cùng với u
cầu mơn học, nhóm em nảy ra ý tưởng là thiết kế một sản phẩm bơm tưới nước tự động thông
qua các dữ liệu đo lường từ cảm biến độ ẩm đất. Chúng em hy vọng sản phẩm sẽ ứng dụng được
trong thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và tăng năng suất cho cây trồng.
3. Mục đích
Mục đích của bài tập lớn này nhóm em mong muốn biết, hiểu và có thể sử dụng một số
phần mềm liên quan đến môn học và công việc sau này.
Với mục đích đó, nhóm em đặt mục tiêu hoành thành được sản phẩm đã lên ý tưởng, cho
máy chạy được và giải quyết được một số bài toán mà thầy cũng như thực tế cuộc sống yêu cầu.
4. Bài tốn thực hiện
Để hồn thiện được một sản phẩm hồn chỉnh như hiện tại, nhóm đã tách bài tốn lớn
thành nhiều bài tốn nhỏ, sau đó mới tổng hợp chúng lại. Ưu điểm của phương pháp làm là nó dễ
dàng hồn thành từng mốc kế hoạch, dễ dàng phân chia nhiệm vụ cho các thành viên, trong quá
trình vận hành nếu có sai sót thì nhóm có thể xem từng phần riêng lẻ để tìm và sửa lỗi một cách
nhanh gọn dễ dàng nhất. Đồng thời phương pháp này cũng giúp các thành viên, các bạn và thầy
có thể dễ dàng xem, và hiểu các ứng dụng, cách thức từ đó tiếp thu mơn học dễ dàng hơn.
4.1. Duy trì độ ẩm tự động ở trong khoảng nhất định
Với mỗi loại cây trồng đều sẽ có một mơi trường độ ẩm thsihc hợp để sinh trường và phát
triển. Nghiên cứu và sử dụng cơng cụ để duy trì môi trường độ ẩm tối ưu giúp cho cây trồng phát
triển một cách tốt nhất.
Sơ đồ khối của bài toán:
TIEU LUAN MOI download :
Code của bài toán:
#include
<LiquidCrystal.h>
const int rs = 7, en =
6, d4 = 5, d5 = 4, d6
= 3, d7 = 2;
//LiquidCrystal lcd(rs,
en, d4, d5, d6, d7);
LiquidCrystal lcd(12,
11, 5, 4, 3, 2);
int dc = 13 ;
int j=0;
int prev=0;
int pres=0;
void setup()
4.2. Yêu cầu máy làm việc với một độ ẩm nhập bất kì
Sơ đồ khối bài tốn:
TIEU LUAN MOI download :
Code của bài toán:
TIEU LUAN MOI download :
4.3. Sản phẩm hoàn hiện
Sơ đồ lắp mạch của sản phẩm:
Code tổng của sản phẩm:
#include
#include
<Wire.h>
#include
<Keypad.h>
TIEU LUAN MOI download :
9};
#define pass 3 Keypad keypad =
Keypad(makeKey
map(keys),
LiquidCrystal rowPins,
columnPins, rows,
_I2C
lcd(0x27, 16, columns);
void setup()
2);
{
const byte
lcd.init(); // khai
rows = 4;
bao ki tu LCD
const byte
gom 2 hang va 16
columns = 4;
ki tu
char
lcd.setCursor(0,
Data[pass];
0); // dua con tro
byte
chuot ve vi tri
data_count = hang 0 cot o
1;
lcd.print(" SM
int a = 0; int
"); // hien thi
dc = 13 ; int j
pinMode(dc,
= 0; int prev = OUTPUT); // khai
0; int pres = 0; bao dong co la tin
String inString hieu ra
Serial.begin(960
= ""; char
0);
keys[rows]
lcd.backlight();
[columns]
}
=
{
void loop() // vao
{'1', '2', '3', vong lap
'a'},
{
{'4', '5', '6',
j
=
'#'},
analogRead(A0); /
{'7', '8', '9', / tin hieu vao cua
'C'},
cam bien
{'*', '0', '#',
'D'},
};
else{ if (j < 0)
{ j = 0;
}
}
lcd.setCursor(10,
0); // dua con tro
chuot vao hang
2 vi tri thu 6 tren
LCD
lcd.print(j);
//
hien thi gia tri do
am len LCD
lcd.print("%
"); //hien thi led lcd
constrain(data_co
unt, 1, 2);
}
if (temp =='#')
{a=
inString.toInt();
inString = "";
lcd.setCursor(
11,1);
lcd.print(a);
}
delay(100);
if (a != 0)
{ if (j < a){
digitalWrite(
dc,HIGH);
delay(1000);
Serial.print(j);
}
else{
if (j>=a)
{ digitalWri
lcd.setCursor(0,1)
te
;
lcd.print("setup"); (dc,LOW);
delay(1000);
char temp =
}
keypad.getKey();
}
if (temp){
prev = j;
if
delay(500);
(isDigit(temp))
}
{ Data[data_co
un
t] = temp;
lcd.setCursor(d
ata_count+7,1);
);
}
else{
if (j>=80)
{
digitalW
rite(dc,LOW);
delay(10
0);
}
}
}
if (temp ==
'C'){
digitalWrite
(dc,LOW);
a=0;
lcd.clear();
lcd.setCurso
r(11,1);
lcd.print(a);
}
}
Serial.println(
temp);
}
5. Cả
m
biế
n
độ
ẩm
đất
L
M3
93
Nguyên
lý: Cảm
biến độ
ẩm điện
dung sử
dụng hai
điện cực
để theo
dõi điện
dung
(nghĩa là
khả năng
lưu trữ
điện tích)
của một
dải kim
loại mỏng
đặt giữa
chúng.
Điện dung
kim loại
khác tăng
hoặc giảm
với tốc độ
tỷ lệ thuận
với sự
thay đổi
độ ẩm
trong mơi
trường
cảm biến.
Sự chênh
lệch điện
tích (điện
áp) được
tạo ra bởi
sự tăng độ
ẩm sau đó
được
khuếch đại
và gửi đến
máy tính
nhúng để
xử lý.
TIEU
LUAN
MOI
download
:
skknchat1
23@gmail
.com
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).
Đặc điểm
Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
Led báo hiệu
Led đỏ báo nguồn
Led xanh báo mức độ ẩm ở pin DO
Mô tả các pin trên module
Kết nối
ESP8266
5V
GND
ADC
delay(5000);
}
Ứng dụng:Cảm biến độ ẩm đất có thể được sử dụng cho các ứng dụng nông nghiêp, tưới
nước tự động cho các vườn cây khi đất khô, hoặc dùng trong các ứng dụng của hệ thống nhà
thông minh.
TIEU LUAN MOI download :
Lưu ý: Cảm biến sử dụng phương pháp điện dung nên dễ bị điện hóa mất lớp kim loại
bề mặt.
Nhiệt độ khuyên dùng 10-60*C.
Thường xuyên kiểm tra, vệ sinh về mặt cảm biến.
6. Adruino UNO R3
*Thông số kỹ thuật
► Chíp ATMEGA328P-PU
► Nguồn Cấp : 7-12V
► Dịng Max chân 5V : 500mA
► Dòng Max 3.3V : 50mA
► Dòng Max Chân I/O : 30mA
►14 Chân Digital I/O (6 chân PWM)
►6 Chân Analog Inputs
► 32k Flash Memory
► 16Mhz Clock Speed
► SRAM 2 KB
TIEU LUAN MOI download :
► EEPROM 1 KB
► Đèn LED : Arduino Uno đi kèm với
đèn LED tích hợp được kết nối thông
qua chân 13. Cung cấp mức logic HIGH
tương ứng ON và LOW tương ứng tắt.
► Vin : Đây là điện áp đầu vào được
cung cấp cho board mạch
Arduino. Khác với 5V được cung cấp
qua cổng USB. Pin này được sử dụng để
cung cấp điện áp toàn mạch thông qua
jack nguồn, thông thường khoảng 712VDC
► 5V : Chân 5V được sử dụng để cung
cấp điện áp đầu ra. Arduino được cấp
nguồn bằng ba cách đó là USB, chân
Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC.
7. Bộ chuyển đổi I2C và LCD với Adruino
7.1. Màn hình LCD 16×2 là một linh kiện
được sử dụng rộng rãi trong trong các dự án
điện tử và lập trình.
Thơng số kỹ thuật LCD 16×2
LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng
thái hoặc các thơng số.
LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân
dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều
khiển (RS, RW, EN).
5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn
nền cho LCD 16×2.
Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu
hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ
liệu.
Chúng cịn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc
hoặc ghi.
TIEU LUAN MOI download :
7.2. Module I2C Arduino
Module I2C LCD 16×2
LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và chiếm dụng nhiều
chân trên vi điều khiển. Vì thế Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này. Thay vì
phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì
module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và
tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
*Ưu điểm:
Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
Dễ dàng kết nối với LCD.
Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).
Giao tiếp: I2C.
Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
Để sử dụng màn hình LCD giao tiếp I2C sử dụng Arduino thì ta cần cài đặt thư viện
Liquidcrystal_I2C.
Hướng dẫn cái đặt thư viện: />7.3. Giao tiếp I2C LCD Arduino
TIEU LUAN MOI download :
Module I2C LCD 16×2
GND
VCC
SDA
SCL
Sơ đồ đấu nối:
Code test LCD kết nối I2C:
TIEU LUAN MOI download :
8Mô đun rơ le bán dẫn 1 kênh 5/12/24V định mức HIGHT/LOW
Rơ-le là một cơng tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích
hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm cơng tắc điện tử!
Vì rơ-le là một cơng tắc nên nó có 2 trạng thái:đóng và mở.
TIEU LUAN MOI download :
9. Bơm Nước Mini DC3-5
Máy bơm nước 5V mini Water Pump mini có kích thước nhỏ gọn, được sử dụng để bơm
nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1~1.5L/1 phút, thích hợp với các thiết kế
sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây,..., lưu ý không cấp ngược cực.
Thông số kỹ thuật :
Máy bơm chìm 5V MINI Điện áp
sử dụng: 3~5VDC. Dịng điện sử
dụng: 100~200mA. Lưu lượng
bơm: 1.2~1.6L / 1 phút. Đường
kính ngoài ống dẫn: 7.5mm
AI. Xử lý số liệu
1. Các xác định độ ẩm của đất
Cơng thức tính độ ẩm đất
mH 0
w=
m
2
×100%
d
Trong đó:
W
Độ ẩm của đất (%).
mH2O
md
Khối lượng nước cần thêm (g).
Khối lượng đất khơ cần thí nghiệm (g)
Một số tiêu chuẩn, phương pháp được dùng hiện nay:
b) ASTM D2216 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất và đá bằng tủ sấy
c) ASTM D4643 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất bằng lò vi sóng
d) ASTM D4944 : Phương pháp xác định nhanh độ ẩm của mẫu đất tại hiện trường bằng
phương pháp đo áp suất khí CaC2
e) ASTM D4959 : Phương pháp xác định độ ẩm của mẫu đất và đá bằng phương pháp đốt
trực tiếp
f) K.H. Head (2006). Manual of Soil Laboratory Testing, Volume 1: Soil Classification
and Compaction Tests. Whittles Publishing
Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí cũng như điều kiện thí nghiệm, nhóm em đo rồi
hiệu chỉnh độ ẩm theo các bước sau:
Bước 1: Chọn mẫu đất khô, xốp; đem sấy khô một lần nữa.
Bước 2: Chia nhỏ mẫu đất thành nhiều phần bằng nhau.
Bước 3: Chuẩn bị một lượng nước sạch. (Để đảm bảo sai số một cách thấp nhất chúng em
dùng nước lọc navie).
Bước 4: Xác định các giá trị cần đo bằng lý thuyết, sau đó đem cân khối lượng nước và
đất theo tỷ lệ đã tính toán.
Bước 5: Đo đạc thực tế.
Bước 6: Ghi kết quả đo đạc và tính tốn vào excel.
TIEU LUAN MOI download :
Một số hình ảnh chúng em chụp lại trong quá trình làm:
2. Hiệu chỉnh giá trị đầu vào analog và hiển thị
Trong q trình làm chúng em có đo đueọc nhiều mức giá trị khác nhau, tuy nhiên do
khoảng đo rộng (0-100) nên khi làm báo cáo chúng em chỉ để các giá trị chẵn cho gọn và
dễ hình dung.
Giá trị analog ứng với các mức độ ẩm khác nhau
Từ số liệu, ta tính tốn được với mỗi độ chia nhỏ nhất của cảm biến (1%) hiển thị trên
LCD ứng với khoảng chạy
TIEU LUAN MOI download :
ST
T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
3.
Độ chính xác, sai số.
Để biết được độ sai lệch của cảm biến là bao nhiêu nhóm em đã tiến hành đo các mẫu
đất thực tế trong một số điều kiện nhiệt độ nhất định.
Sai lệch trung bình: 0.51 (%)
TIEU LUAN MOI download :
Cơng thức tính sai số của phép đo:
Trong đó:
a là độ lệch trung bình phép đo.
120
100
ẩm (%)
80
Độ
60
40
20
0
Lần 1
III. Đánh giá kết quả đạt được, hướng phát triển
1. Đánh giá
Sản phẩm cơ bản giải quyết được các yêu cầu của thầy và thực tế đặt ra.
Các thành viên tích cực hoạt động; nhóm cơ bản hồn thành mục tiêu đề
ra: Sản phẩm chạy ổn định, sai số tương đối nhỏ (0.51%).
Các thành viên cơ bản hiểu được bài toán, đã biết được các thành phần cơ bản
của mạch điện tử, biết cách làm mạch in bằng tay, có kỹ năng hàn, test mạch,
phát hiện được các lỗi cơ bản; biết được sơ qua về mạch điện tử, một chút về
lập trình, so với mục tiêu của nhóm thì có thể coi là thành cơng.
Sản phẩm có giá thành rẻ, đơn giản, dễ sử dụng và có độ bền cao.
Máy bơm hoạt động khỏe, tốc độ bơm tối đa 1.6l/phút phù hợp với các
khu vườn của các hộ gia đình thành phố, điện tích khoảng 15-20m2.
2. Hướng phát triển
