cấu kiện điện tử đề tài mạch đo độ ẩm

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của con người đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ trong công cuộc công ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬĐề tài:

MẠCH ĐO ĐỘ ẨM

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Hải Anh 20207542

Giảng viên hướng dẫn: TS.Hoàng Quang Huy

Hà Nội, 5/2024

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 4

DANH MỤC BẢNG 4

LỜI NÓI ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 6

1.1 Đặt vấn đề 6

1.2 Ý tưởng và mục tiêu 6

1.3 Khảo sát nhu cầu 7

1.4 Các sản phẩm hiện có trên thị trường 8

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU SẢN PHẨM 11

2.1 Yêu cầu chức năng 11

2.2 Yêu cầu phi chức năng 11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 12

3.1 Thiết kế thổng quan hệ thống 12

3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 12

3.1.2 Các linh kiện cần thiết 12

3.2 Thiết kế chi tiết hệ thống 16

3.2.1 Phân tích công suất các thành phần 16

CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI VÀ KIỂM THỬ 23

4.1 Các quá trình triển khai 23

4.1.1 Kiểm tra nguồn 23

4.1.2 Kiểm tra thông mạch 23

4.2.3 Đánh giá kết quả 30

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 32

PHỤ LỤC: PHÂN CÔNG NHÂN SỰ 33

A Danh sách thành viên 33

B Phân công nhiệm vụ 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Khảo sát người dùng về nhu cầu sử dụng mạch tưới tự động 7

Hình 1 2 Bộ tưới cây WIFI ATA TDDWW – 02 8

Hình 1 3 Máy đo độ ẩm đất Extech MO750 9

Hình 1 4 Bộ tưới cây hẹn giờ tự động dùng pin Malee ML – 0608 10

Hình 3 1 Sơ đồ khối của thiết bị 12

Hình 3 2 Kit Adruino Uno R3 12

Hình 3 3 Cảm biến độ ẩm FC – 28 14

Hình 3 4 Máy bơm nước mini 12V 15

Hình 3 5 Sơ đồ khối của thiết bị 18

Hình 3 6 Sơ đồ mạch chi tiết 18

Hình 3 7 Lưu đồ thuật toán 19

Hình 3 8 Biểu đồ tuần tự 19

Hình 3 9 Thiết kế mạch đo độ ẩm 21

Hình 3 10 Giao diện làm việc của Adruino IDE 22

Hình 4 1 Giải thích code cho hệ thống .27

Hình 4 2 Kết quả đo độ ẩm trong môi trường khô 28

Hình 4 3 Kết quả đo độ ẩm trong môi trường ẩm 29

Hình 4 4 Kết quả đo độ ẩm (%) 29

DANH MỤC BẢNG Bảng 1 1 Thông số kỹ thuật máy đo độ ẩm đất Extech MO 750 9

Bảng 3 1 So sánh các loại cảm biến độ ẩm 14

Bảng 3 2 So sánh các module điều khiển động cơ bơm nước 14

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của máy bơm nước mini 12V 15

Bảng 3 4 So sánh các loại nguồn điện cho mạch 16

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật Adruino Uno R3 17

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật của máy bơm 12V 17

Bảng 4 1 Đo điện áp nguồn không tải 23

Bảng 4 2 Đo điện áp nguồn có tải 23

Bảng 4 3 Kiểm tra thông mạch 23

Bảng 4 4 Nhận xét sản phẩm 31

Bảng phụ lục 1 Thành viên nhóm 33

Bảng phụ lục 2 Bảng phân công nhiệm vụ 33

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của con người đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa Đặc biệt góp phần không nhỏ đó là ngành kĩ thuật điện – điện tử trong sự nghiệp xây dựng đất nước Những thiết bị điện, điện tử được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày Từ những thời gian đầu phát triển linh kiện điện tử đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ứng dụng ngày càng được khẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần cho con người

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của môn cấu kiện điện tử, sau một thời gian học tập được thầy giáo Hoàng Quang Huy giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, cùng với sự nỗ lực của nhóm nghiên cứu, chúng em đã làm

bài tập lớn “Mạch đo độ ẩm” nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng

em còn có hạn nên sẽ không thể tránh khỏi những sai sót Rất mong nhận được sự góp ý từ thầy để em có thể hoàn thành đề tài một cách đầy đủ nhất có thể

Trong quá trình thực hiện đề tài này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Hoàng Quang Huy, Viện Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn chúng em để chúng em có thể hoàn thành được các yêu cầu của đề tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, 14 tháng 5 năm 2024

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, nhịp sống con người ngày càng tăng cao, cuộc sống ngày càng bận rộn, con người có quá nhiều vấn đề và công việc phải làm trong một ngày Đôi khi, việc có quá nhiều vấn đề phải đối mặt khiến lượng công việc của chúng ta sẽ bị tồn động và đôi khi là bị lãng quên Con người nói chung, tại Việt Nam nói riêng, do là một nước đang phát triển, đa phần mọi người đều bị cuốn vào cuộc sống công việc mưu sinh hàng ngày nên hay quên đi những việc nhỏ nhắn như chăm sóc cây trồng, thú cưng…

Hiện nay, xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu về hiện đại hóa tự động hóa ngày càng cao Con người sử dụng các thiết bị điện tử và máy móc để thay thế và giúp đỡ trong những công việc khó khăn và nặng nhọc

Hầu hết mọi gia đình và công ty đều có các chậu cây cảnh đặt trong phòng, trong nhà Điều kiện nhiệt độ, độ ẩm tại mỗi địa phương là khác nhau, mỗi loại cây cũng yêu cầu chế độ chăm sóc khác nhau Đôi khi chúng ta quá bận rộn, khó để chăm sóc tốt cây cảnh của mình

Chính vì vậy, nhu cầu về một hệ thống có thể thay thế con người trong việc tưới nước chăm sóc cho cây trồng đã xuất hiện

1.2 Ý tưởng và mục tiêu

Xã hội ngày càng phát triển, con người càng hướng đến những gì tiện nghi và thuận tiện và đơn giản nhất cho bản thân Trong nhiều lĩnh vực khác nhau, con người đã và đang áp dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật để nâng cao và cải thiện hiệu năng làm việc

Trong đó, ngành nông nghiệp nói chung và chăm sóc cây trồng nói riêng cũng không phải ngoại lệ Hiện nay tại các thành phố lớn, con người bị cuốn vào guồng quay hối hả khiến họ không dành đủ thời gian cho cây trồng của mình Chính từ hiện tượng thực tiễn đó, chúng em đã suy nghĩ về một hệ thống có thể tưới nước cho cây trồng một cách tự động mà không cần sự điều khiển từ con người

Thiết bị cảm biến lắp đặt bên cạnh chậu cây cảnh, tự động đo lượng ẩm trong đất, đồng thời sẽ bơm nước vào khi đất khô và dừng lại khi đất đủ độ ẩm Mạch tiết kiệm điện năng và hoạt động bền bỉ

Phạm vi đề tài trong khuôn khổ mô hình nhỏ gọn, tiện lợi, dễ dàng cho người sử dụng

1.3 Khảo sát nhu cầu

Hình 1 1 Khảo sát người dùng về nhu cầu sử dụng mạch tưới tự động

1.4 Các sản phẩm hiện có trên thị trường

Dưới đây là một số sản phẩm chúng em tìm kiếm được

− Bộ tưới cây wifi ATA TĐW – 02

Hình 1 2 Bộ tưới cây WIFI ATA TDDWW – 02

• Cài đặt hẹn giờ được 8 lần tưới trong 1 ngày

• Phần mềm app điều khiển ngôn ngữ tiếng việt dễ sử dụng • Điều khiển từ xa kết nối qua Internet hoặc điều khiển trực tiếp • Chế độ tĩnh không tưới, tiêu tốn <0.1Wh

• Thiết lập được thời gian tưới theo phút hoặc tưới theo giờ tùy chỉnh • Cài đặt các ngày tưới trong tuần hoặc tưới cả tuần

• Mức giá: 600.000 VNĐ

− Máy đo độ ẩm đất Extech MO750

Hình 1 3 Máy đo độ ẩm đất Extech MO750

Hình 1 4 Bộ tưới cây hẹn giờ tự động dùng pin Malee ML – 0608

• Chế độ hiển thị dung lượng PIN

• Chế độ cảnh báo pin yếu, báo người dùng cần thay pin mới

• Khi gặp sự cố pin yếu, lỗi, máy sẽ không cho tưới, tránh trường hợp tưới mở hoài không đóng

• Chống nước, lắp đặt được ngoài trời

• Chế độ tưới tự động hoặc tưới tay khẩn cấp

• Chỉnh được các ngày tưới trong tuần, giờ tưới, thời gian tưới, thời gian mỗi lần tưới theo ý người dùng

• Hỗ trợ tích hợp thêm cảm biến mưa • Mức giá: 1.000.000 VNĐ

CHƯƠNG 2: YÊU CẦU SẢN PHẨM 2.1 Yêu cầu chức năng

− Cảm biến phải đo được phần trăm độ ẩm trong đất

− Mạch phải tự động bơm nước khi phần trăm độ ẩm thấp (< 20%) và ngừng bơm khi phần trăm độ ẩm đạt ngưỡng yêu cầu (≥ 70%)

− Mạch có thể hoạt động ở chế độ tự động, hoạt động được 24/7 − Thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp

− Sạc lại được/ thay đổi pin khi hết pin

2.2 Yêu cầu phi chức năng

• Kích thước, trọng lượng, hình dáng:

- Kích thước: Nhỏ gọn, phù hợp để gần các chậu cây - Trọng lượng: Nhẹ

- Hình dáng: Gọn gàng • Điều kiện bảo quản: - Nhiệt độ: 0 – 70°C - Độ ẩm tối đa: 95%

- Không sử dụng dưới nước và tránh bảo quản sản phẩm ở nơi có độ ẩm cao làm ảnh hưởng đến độ bền cũng như khả năng hoạt động của sản phẩm

• Nguồn cấp: Sử dụng nguồn 12V • Độ chính xác của mạch đo phải >90%

• Độ bền: Sản phẩm hạn chế va đập và sử dụng cần chú ý • Giá thành: 1.000.000 VNĐ

• Một số yêu cầu khác:

- Sản phẩm đẹp, hàn đều, đẹp, đi dây gọn gàng - Dễ dàng tháo lắp, sửa chữa, thay thế linh kiện

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế thổng quan hệ thống

3.1.2 Các linh kiện cần thiết

a Kit Adruino Uno R3

Hình 3 2 Kit Adruino Uno R3

13

Arduino Uno là một loại bo mạch phát triển dựa trên vi điều khiển ATmega328P, được phát triển bởi một nhóm ở Ý và được phát hành vào năm 2010 Đây là một trong những phiên bản phổ biến nhất và thường được sử dụng rộng rãi trong các dự án điện tử, làm prototyping và học tập về lập trình nhúng

Thông số kỹ thuật:

1 Vi điều khiển: Arduino Uno sử dụng vi điều khiển ATmega328P, một vi điều

khiển AVR 8-bit có tốc độ xử lý 16MHz Nó có 32KB flash memory (16KB được sử dụng cho chương trình), 2KB SRAM và 1KB EEPROM

2 Điện áp hoạt động: Thường hoạt động ở điện áp 5V, nhưng cũng hỗ trợ 3.3V

thông qua một chuyển mạch điện áp

3 Chân kết nối: Arduino Uno có 14 chân kỹ thuật số (có thể được cấu hình để

làm chân vào hoặc ra), 6 chân analog (được sử dụng cho đầu vào analog), và một số chân khác như chân nguồn, chân nối tiếp (UART), chân SPI, chân I2C và nhiều chức năng khác

4 Giao diện USB: Arduino Uno có cổng USB cho phép nạp chương trình từ máy

tính vào vi điều khiển, cũng như giao tiếp với máy tính thông qua serial

5 Bộ nguồn: Arduino Uno có thể được cấp điện thông qua cổng USB hoặc thông

qua nguồn DC ngoại vi (từ 7V đến 12V) Có một chân Vin để cấp điện từ nguồn ngoại vi

6 Bộ nạp chương trình: Chương trình có thể được nạp vào vi điều khiển thông

qua cổng USB hoặc qua cổng ICSP (In-Circuit Serial Programming)

7 Phần mềm hỗ trợ: Arduino Uno được lập trình bằng ngôn ngữ Arduino, một

phiên bản dựa trên C/C++ Arduino IDE (Integrated Development Environment) là môi trường phát triển phổ biến để viết, nạp và kiểm tra chương trình trên Arduino Uno

8 Cộng đồng và tài liệu: Cộng đồng Arduino rất lớn và có nhiều tài liệu, ví dụ

như hướng dẫn sử dụng, ví dụ mã nguồn, và dự án thực tế sử dụng Arduino Uno

Arduino Uno là một công cụ hữu ích cho các dự án điện tử, học tập lập trình nhúng và tạo ra các thiết bị tùy chỉnh

b Cảm biến độ ẩm FC – 28

Đối với sản phẩm này ở dạng mô hình đơn giản, yêu cầu không quá cao về độ

chính xác, cũng như tiện cho việc sửa chữa, thay thế thì chúng em chọn cảm biến FC – 28 nhờ ưu điểm giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, độ chính xác chấp nhận được và dễ

8 Relay Opto Chọn Mức Kích

d Máy bơm nước 12V

Hình 3 4 Máy bơm nước mini 12V

Với yêu cầu thiết bị nhỏ gọn, hoạt động bền bỉ và có giá thành hợp lý, chúng em chọn bơm nước min 12V Loại bơm này có ưu điểm giá thành rẻ, cấu tạo đơn giản, công suất bơm vừa phải và rất dễ tìm mua trên thị trường

Bảng 3 3 Thông số kỹ thuật của máy bơm nước mini 12V

e Nguồn Apdater 12V – 2A Model SM – 122000 So sánh:

Tiêu chí Apdater 12V – 2A

Model SM-122000 Pin Alkaline 12V

Pin LITHIUM SONER 12V - 150AH NCM

Độ ổn định điện áp và

dòng điện

Ổn định cao, trong điều kiện nhiệt độ

cho phép

Dòng điện và điện áp giảm dần theo thời gian Nhiệt độ làm

Dòng điện và điện áp giảm dần theo thời gian Nhiệt độ làm suy

suy giảm tuổi tho pin giảm tuổi thọ pin

Khả năng tái chế

Có khả năng sửa chữa, tái chế, tái sử

dụng

Chỉ có thể tái chế tại nhà máy

Có thể tái chế tại nhà máy

Khả năng vận hành

Vận hành bền bỉ 24/24

Vận hành kém bền, cần phải thay pin liên

tục

Vận hành bền bỉ, tuy nhiên pin cần sạc lại khi

cạn năng lượng

Khả năng di

Bảng 3 4 So sánh các loại nguồn điện cho mạch

Như bảng so sánh trên cho thấy, nếu sản phẩm sử dụng pin Lithium tuy sẽ có khả năng hoạt động khá tốt, nhưng giá thành sẽ rất cao, hơn nữa thời gian sạc pin này cũng dài Đối với Pin Alkaline thì dù giá thành rất rẻ nhưng ổn định kém và khó tái chế, hơn nữa pin bỏ đi gây ô nhiễm môi trường nặng nề Chúng em cân nhắc và chọn Apdater 12V – 2A Model SM – 122000 vì những ưu điểm giá thành hợp lý, hoạt động bền bỉ và có khả năng sửa chữa, tái chế Chậu cây cảnh là thứ ít khi bị di chuyển nên nhược điểm cố định của Apdater 12V – 2A Model SM – 122000 là chấp nhận được

3.2 Thiết kế chi tiết hệ thống

3.2.1 Phân tích công suất các thành phần

Kit Arduino Uno R3

Điện áp đầu vào (được khuyến nghị)

7-12V

Chân I/O kỹ thuật số 14 (trong đó 6 cung cấp đầu ra PWM)

Dòng DC trên mỗi chân I/O

20mA Dòng điện một chiều cho

17

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật Adruino Uno R3

Bảng trên lấy từ trang chủ của Adrunio, ta thấy khi Arduino Uno R3 đang chạy ở điện áp 5V mà không thực hiện bất kỳ hoạt động nào (chẳng hạn viết code đơn giản mà không thay đổi chân kết nối), công suất tiêu thụ tối đa 50mA Điều này tương đương với 0.25W công suất tiêu thụ

Bảng 3 6 Thông số kỹ thuật của máy bơm 12V

Như bảng trên lấy từ Linhkien3M, ta thấy dòng điện tiêu thụ trên bơm tối đa là 700mA ở điện áp 12V, từ đó ta tính ra công suất tiêu thụ tối đa là:

P2 = U × I = 12 × 700

1000 = 8.4W

Module 1 Relay Opto Chọn Mức Kích High/Low (12VDC)

Theo thông số của nhà sản xuất, relay tiêu thụ 200mA với nguồn điện 12V, ta tính được công suất

P3 = U × I = 12 × 200

1000 = 2.4W

Tổng công suất tiêu thụ tối đa của mạch là:

P = P1+ P2 + P3 = 0.25 + 8.4 + 2.4 = 11.05W

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 3 5 Sơ đồ khối của thiết bị

Sau khi lựa chọn xong các linh kiện phù hợp, nhóm tiến hành thiết kế mạch, chi tiết như sau:

Hình 3 6 Sơ đồ mạch chi tiết

19

3.3 Thiết kế phần mềm

3.3.1 Lưu đồ thuật toán

Hình 3 7 Lưu đồ thuật toán

3.3.2 Biểu đồ tuần tự

Hình 3 8 Biểu đồ tuần tự

3.3.3 Proteus Simulation

Phần mềm vẽ Proteus là phần mềm vẽ mạch điện tử được phát triển bởi công ty

Lancenter Electronics Phần mềm có thể mô tả hầu hết các Linh Kiện Điện Tử thông

dụng hiện nay, đặc biệt hỗ trợ cho cả các phần mềm như 8051, PIC, Motorola, AVR Proteus có khả năng mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phần thiết như kế mạch và viết trình điều khiển cho các loại vi điều khiển như MCS-51, AVR, PIC…

Có 2 chương trình trong phần mềm đó là ARES dùng trong vẽ mạch in và ISIS sử dụng cho mô phỏng mạch Trong 2 chương trình này thì ISIS có phần nổi bật hơn so với ARES ISIS đã được phát triển trong 12 năm và có tới hơn 12000 người dùng trên khắp thế giới ( chắc chắn con số hiện tại đã tăng hơn rất nhiều Điểm nổi bật của chúng đó là khả năng mô phỏng hoạt động của các vi điều khiển mà không cần dùng thêm bất kỳ một phần mềm phụ trợ nào khác Từ phần mềm ISIS có thể dễ dàng chuyển sang ARES hoặc bất kỳ phần mềm vẽ mạch in khác

Hình ảnh mạch điện được tạo bởi ISIS rất đẹp và dễ nhìn, chúng cho phép ta tùy chọn các đường nét, các màu sắc mạch điện hoặc các thiết kế theo các templates Ngoài ra phần mềm mô phỏng mạch của Protues có khả năng sắp xếp các đường mạch và vẽ điểm giao mạch tự động