Báo cáo bài tập lớn đề tài cảm biến độ ẩm đất và sản phẩm ứng dụng thực tế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ **************** Báo cáo Bài Tập lớn ĐỀ TÀI: Cảm biến độ ẩm đất 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 Họ tên sinh viên Mạc Đức Duy Vũ Đình Hiệp Trịnh Quang Nghĩa Đỗ Quang Trung TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Hà Nội, tháng năm 2021 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 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 Tổng quan cảm biến Ý tưởng Mục đích Bài tốn thực 4.1 Duy trì độ ẩm tự động kh 4.2 Yêu cầu máy làm việc với độ 4.3 Sản phẩm hoàn thiện Cảm biến độ ẩm IC LM393 Adruino UNO R3 Bộ chuyển đổi I2C LCD với Adruin Mô đun rơ le bán dẫn kênh 5/12/24V định m Bơm Nước Mini DC3-5 II.XỬ LÝ SỐ LIỆU Cách xác định độ ẩm đất Hiệu chỉnh giá trị đầu vào analog h Độ xác sai số III Đánh giá kết đạt được, hướng phát triển Đánh giá Hướng phát triển IV Tài liệu tham khảo TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Phân công công việc: Họ tên Mạc Đức Duy Vũ Đình Hiệp Nhóm trưởng Trịnh Quang Nghĩa Đỗ Quang Trung TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com I PHẦN I: CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT DÙNG IC LM393 VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG BƠM TỰ ĐỘNG Tổng quan cảm biến Khái niệm Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái, q trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin trạng thái hay trình b Phân loại Trên thực tế có vơ vàn loại cảm biến khác chia cảm biến thành hai nhóm chính: Cảm biến vật lí: kể đến vài ví dụ dễ hình dung sóng ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,… Cảm biến hóa học: thường thấy độ ẩm, độ PH, ion, khói,… Ngồi ta có số hình thức phân chia khác Cảm biến chủ động bị động Cảm biến chủ động: không sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình cảm biến áp điện làm vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích bề mặt Cảm biến bị động có sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình photodiode có ánh sáng chiếu vào có thay đổi điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n phân cực ngược Phân loại theo nguyên lí hoạt động Theo nguyên lí hoạt động ta kể đến loại cảm biến bật như: Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển chạy góc quay biến trở, thay đổi điện trở 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 số cảm biến bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dị ion độ pH, cảm biến nhiệt độ,… a Ý tưởng Ngày nay, công nghệ ứng dụng triệt để ngóc ngách sống Các mơ hình tự động hóa, cơng nghệ truyền thơng, internet, … giúp cho người làm nhiều việc hơn, suất tự động Cùng với hướng phát triển chung xã hội, nhóm chúng em mong mỏi làm sản phẩm giúp người dùng tối ưu hóa sống mình, giảm bớt thời gian để có nhiều thời gian dành cho gia đình TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Mỗi gia đình, dù thành phố hay nơng thơn có mơt vườn nho nhỏ Tuy nhiên, bộn bề công việc, nhiều qn, khơng thể chăm sóc cho khu vườn nhỏ Đồng thời, Việt Nam nước sản xuất nông sản đứng hàng đầu giới Cùng với u cầu mơn học, nhóm em nảy ý tưởng thiết kế sản phẩm bơm tưới nước tự động thông qua liệu đo lường từ cảm biến độ ẩm đất Chúng em hy vọng sản phẩm ứng dụng thực tế, giúp tiết kiệm thời gian tăng suất cho trồng Mục đích Mục đích tập lớn nhóm em mong muốn biết, hiểu sử dụng số phần mềm liên quan đến môn học công việc sau Với mục đích đó, nhóm em đặt mục tiêu hồnh thành sản phẩm lên ý tưởng, cho máy chạy giải số toán mà thầy thực tế sống yêu cầu Bài tốn thực Để hồn thiện sản phẩm hồn chỉnh tại, nhóm tách tốn lớn thành nhiều tốn nhỏ, sau tổng hợp chúng lại Ưu điểm phương pháp làm dễ dàng hồn thành mốc kế hoạch, dễ dàng phân chia nhiệm vụ cho thành viên, q trình vận hành có sai sót nhóm xem phần riêng lẻ để tìm sửa lỗi cách nhanh gọn dễ dàng Đồng thời phương pháp giúp thành viên, bạn thầy dễ dàng xem, hiểu ứng dụng, cách thức từ tiếp thu mơn học dễ dàng 4.1 Duy trì độ ẩm tự động khoảng định Với loại trồng có mơi trường độ ẩm thsihc hợp để sinh trường phát triển Nghiên cứu sử dụng cơng cụ để trì mơi trường độ ẩm tối ưu giúp cho trồng phát triển cách tốt Sơ đồ khối toán: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Code toán: #include 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 độ ẩm nhập Sơ đồ khối tốn: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Code toán: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 4.3 Sản phẩm hoàn Sơ đồ lắp mạch sản phẩm: Code tổng sản phẩm: #include #include #include TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Module chuyển đổi có cấu tạo gồm IC so sánh LM393, biến trở , điện trở dán 100 ohm tụ dán Biến trở có chức định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc từ cảm biến Ngưỡng so sánh tín hiệu cảm biến đầu vào IC so sánh LM393 Khi độ ẩm thấp ngưỡng định trước, ngõ IC mức cao (1), ngược lại 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 pin DO Mô tả pin module Kết nối ESP8266 5V GND ADC  delay(5000); }  Ứng dụng:Cảm biến độ ẩm đất sử dụng cho ứng dụng nơng nghiêp, tưới nước tự động cho vườn đất khô, dùng ứng dụng hệ thống nhà thông minh TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com  Lưu ý: Cảm biến sử dụng phương pháp điện dung nên dễ bị điện hóa lớp kim loại bề mặt Nhiệt độ khuyên dùng 10-60*C Thường xuyên kiểm tra, vệ sinh mặt cảm biến Adruino UNO R3 *Thơng số kỹ thuật ► Chíp ATMEGA328P-PU ► Nguồn Cấp : 7-12V ► Dòng 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 KB TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ► EEPROM KB ► Đèn LED : Arduino Uno kèm với đèn LED tích hợp kết nối thông qua chân 13 Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON LOW tương ứng tắt ► Vin : Đây điện áp đầu vào cung cấp cho board mạch Arduino Khác với 5V cung cấp qua cổng USB Pin sử dụng để cung cấp điện áp tồn mạch thơng qua jack nguồn, thông thường khoảng 712VDC ► 5V : Chân 5V sử dụng để cung cấp điện áp đầu Arduino cấp nguồn ba cách USB, chân Vin bo mạch giắc nguồn DC Bộ chuyển đổi I2C LCD với Adruino 7.1 Màn hình LCD 16×2 linh kiện sử dụng rộng rãi trong dự án điện tử lập trình Thơng số kỹ thuật LCD 16×2 LCD 16×2 sử dụng để hiển thị trạng thái thông số LCD 16×2 có 16 chân chân liệu (D0 – D7) chân điều khiển (RS, RW, EN) chân lại dùng để cấp nguồn đèn cho LCD 16×2 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD chế độ lệnh chế độ liệu Chúng giúp ta cấu hình chế độ đọc ghi TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 7.2 Module I2C Arduino Module I2C LCD 16×2 LCD có q nhiều nhiều chân gây khó khăn q trình đấu nối chiếm dụng nhiều chân vi điều khiển Vì Module I2C LCD đời giải vấn để Thay phải chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 D4) module IC2 cần tốn chân (SCL, SDA) để kết nối Module I2C hỗ trợ loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) tương thích với hầu hết vi điều khiển *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 hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780) Giao tiếp: I2C Địa mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh ngắn mạch chân A0/A1/A2) Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD ngắt Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD Để sử dụng hình LCD giao tiếp I2C sử dụng Arduino ta cần cài đặt thư viện Liquidcrystal_I2C Hướng dẫn đặt thư viện: https://arduinokit.vn/huong-dan-them-moi-thu-vien-trongarduino-ide 7.3 Giao tiếp I2C LCD Arduino TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Module I2C LCD 16×2 GND VCC SDA SCL Sơ đồ đấu nối: Code test LCD kết nối I2C: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com 8Mô đun rơ le bán dẫn kênh 5/12/24V định mức HIGHT/LOW Rơ-le cơng tắc (khóa K) Nhưng khác với cơng tắc chỗ bản, rơ-le kích hoạt điện thay dùng tay người Chính lẽ đó, rơ-le dùng làm cơng tắc điện tử! Vì rơ-le cơng tắc nên có trạng thái:đóng mở TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bơm Nước Mini DC3-5 Máy bơm nước 5V mini Water Pump mini có kích thước nhỏ gọn, sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả bơm tối đa lên đến 1~1.5L/1 phút, thích hợp với thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, , lưu ý không cấp ngược cực Thơng số kỹ thuật : Máy bơm chìm 5V MINI Điện áp sử dụng: 3~5VDC Dòng điện sử dụng: 100~200mA Lưu lượng bơm: 1.2~1.6L / phút Đường kính ống dẫn: 7.5mm AI Xử lý số liệu  Các xác định độ ẩm đất Công thức tính độ ẩm đất mH w= m ×100% d Trong đó: W Độ ẩm đất (%) mH2O md Khối lượng nước cần thêm (g) Khối lượng đất khơ cần thí nghiệm (g)  Một số tiêu chuẩn, phương pháp dùng nay: b) ASTM D2216 : Phương pháp xác định độ ẩm mẫu đất đá tủ sấy c) ASTM D4643 : Phương pháp xác định độ ẩm mẫu đất lò vi sóng d) ASTM D4944 : Phương pháp xác định nhanh độ ẩm mẫu đất trường phương pháp đo áp suất khí CaC2 e) ASTM D4959 : Phương pháp xác định độ ẩm mẫu đất đá 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, hạn chế kinh phí điều kiện thí nghiệm, nhóm em đo hiệu chỉnh độ ẩm theo bước sau: Bước 1: Chọn mẫu đất khô, xốp; đem sấy khô lần Bước 2: Chia nhỏ mẫu đất thành nhiều phần Bước 3: Chuẩn bị lượng nước (Để đảm bảo sai số cách thấp chúng em dùng nước lọc navie) Bước 4: Xác định giá trị cần đo lý thuyết, sau đem cân khối lượng nước đất theo tỷ lệ tính tốn Bước 5: Đo đạc thực tế Bước 6: Ghi kết đo đạc tính toán vào excel TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Một số hình ảnh chúng em chụp lại trình làm: Hiệu chỉnh giá trị đầu vào analog hiển thị Trong q trình làm chúng em có đo đueọc nhiều mức giá trị khác nhau, nhiên khoảng đo rộng (0-100) nên làm báo cáo chúng em để giá trị chẵn cho gọn dễ hình dung Giá trị analog ứng với mức độ ẩm khác Từ số liệu, ta tính tốn với độ chia nhỏ cảm biến (1%) hiển thị LCD ứng với khoảng chạy TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ST T 10 11 Độ xác, sai số Để biết độ sai lệch cảm biến nhóm em tiến hành đo mẫu đất thực tế số điều kiện nhiệt độ định Sai lệch trung bình: 0.51 (%) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Công thức tính sai số phép đo: Trong đó: a độ lệch trung bình phép đo 120 100 ẩm (%) 80 Độ 60 40 20 Lần III Đánh giá kết đạt được, hướng phát triển Đánh giá Sản phẩm giải yêu cầu thầy thực tế đặt Các thành viên tích cực hoạt động; nhóm hồn thành mục tiêu đề ra: Sản phẩm chạy ổn định, sai số tương đối nhỏ (0.51%) Các thành viên hiểu toán, biết thành phần mạch điện tử, biết cách làm mạch in tay, có kỹ hàn, test mạch, phát lỗi bản; biết sơ qua mạch điện tử, chút lập trình, so với mục tiêu nhóm coi thành cơng Sản phẩm có giá thành rẻ, đơn giản, dễ sử dụng có độ bền cao Máy bơm hoạt động khỏe, tốc độ bơm tối đa 1.6l/phút phù hợp với khu vườn hộ gia đình thành phố, điện tích khoảng 15-20m2 Hướng phát triển TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Sản phẩm tích hợp thêm chế độ hiển thị thời gian thực, điều chỉnh thời gian bơm theo ý người dùng Ta hồn tồn thay nguồn vào động khu vườn lớn yêu cầu cần bơm nước nhiều Hoặc thay nguồn cấp cho động từ pin sang nguồn sạc điện thoại, acquy,… cho yêu cầu đầu giới hạn 24V Ví dụ sơ đồ thay nguồn: Có thể tạo sản phẩm nhà vườn thông minh mà sản phảm nhóm phận Ví du: sản phẩm gồm cảm biến ánh sáng, độ ẩm không khí, độ ẩm đất thiết bị để trì mơi trường sống, phát triển lý tưởng trồng,… IV Tài liệu tham khảo http://arduino.vn/tutorial/1492-bo-loc-kalman-giai-phap-chong-nhieu-tuyet-voi-cho- moi-du-su-dung-cam-bien Greg Welch, Filter https://www.cs.unc.edu/~welch/media/pdf/kalman_intro.pdf Thomas J Sargent John Stachurski A First Look at the Kalman Filter Quantitative Economics https://lectures.quantecon.org/jl/kalman.html Bzarg How a Kalman filter works, in pictures https://www.bzarg.com/p/how-akalman-filter-works-in-pictures/ Matlab Kalman Filters? https://www.youtube.com/watch?v=mwn8xhgNpFY https://funduino.de/anleitung#Erweiterung_des_Programms-2 https://starthardware.org/ https://www.vietnic.vn/gioi-thieu-ve-arduino-va-ung-dung-arduino https://www.hackster.io/Dynamic_Innovator/make-your-own-soil-moisture-sensorwith-arduino-9b3b89 10 https://www.theengineeringprojects.com/2020/07/soil-moisture-sensor-library-forproteus.html 11 Chuyên ngành điện tử - Fachkunde Mechatronik, PDF 12.Sensor_for_Mechatronics.pdf TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ... quay biến trở, thay đổi điện trở 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. .. skknchat123@gmail.com 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 Tổng quan cảm biến Ý tưởng Mục đích Bài tốn thực 4.1 Duy trì độ ẩm tự động kh 4.2 Yêu cầu... điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,… Và số cảm biến bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dị ion độ pH, cảm biến nhiệt độ, … a Ý tưởng