TỔNG QUAN
Phần mềm thiết kế mạch và ứng dụng điều khiển
- Proteus được sử dụng để mô phỏng, thiết kế và vẽ các mạch điện tử Nó được phát minh bởi Labcenter Electronics.
- Những ưu điểm nổi bật của phần mềm Proteus:
- Bằng cách sử dụng proteus, bạn có thể thiết kế mạch hai chiều.
Với việc ứng dụng phần mềm kỹ thuật này, người dùng có thể xây dựng và mô phỏng các mạch điện và điện tử khác nhau trên máy tính cá nhân hay máy tính xách tay Nhờ đó, họ có thể dễ dàng nghiên cứu, thiết kế và phát triển các ứng dụng điện tử phức tạp mà không cần phải đầu tư vào các thiết bị và vật liệu lắp ráp thực tế.
- Có rất nhiều ưu điểm khi mô phỏng các mạch trên proteus trước khi thực hiện chúng trong thực tế.
- Thiết kế mạch trên proteus tốn ít thời gian hơn so với việc xây dựng mạch trên thực tế.
- Khả năng xảy ra lỗi ít hơn trong mô phỏng phần mềm chẳng hạn như kết nối lỏng lẻo, mất nhiều thời gian để tìm ra các vấn đề kết nối trong một mạch thực tế.
Hình 2 1 Logo của phần mềm Proteus.
- Mô phỏng mạch cung cấp tính năng chính mà một số linh kiện của mạch không thực tế thì bạn có thể xây dựng mạch của mình trên proteus.
- Không có khả năng đốt cháy và làm hỏng bất kỳ linh kiện điện tử nào trong proteus.
- Các công cụ điện tử rất đắt tiền có thể dễ dàng mắc vào proteus như máy hiện sóng.
Sử dụng phần mềm Proteus giúp bạn tìm thấy các thông số khác nhau của mạch điện như dòng điện, điện áp của từng linh kiện và điện trở bất kỳ lúc nào Đây là điều rất khó thực hiện trong một mạch thực tế.
- Đặc tính của phần mềm Proteus:
ISIS là phần mềm thiết kế sơ đồ mạch chuyên nghiệp, cho phép vẽ mạch và mô phỏng hành vi của mạch trong thời gian thực Nhờ chức năng mô phỏng thời gian thực, người dùng có thể quan sát và tương tác với mạch trong khi nó đang chạy, giúp cho quá trình thiết kế và kiểm tra mạch điện trở nên hiệu quả hơn.
- ARES được sử dụng để thiết kế PCB, nó có tính năng xem đầu ra ở chế độ xem 3D của PCB được thiết kế cùng với các linh kiện.
- Người thiết kế cũng có thể phát triển các bản vẽ 2D cho sản phẩm.
- ISIS có nhiều loại linh kiện trong thư viện của nó Nó có các nguồn, bộ tạo tín hiệu, các công cụ đo lường và phân tích như máy hiện sóng, vôn kế, ampe kế, …, đầu dò để theo dõi thời gian thực các thông số của mạch, công tắc, màn hình, tải như động cơ và đèn, các thành phần rời rạc như điện trở, tụ điện, cuộn cảm , máy biến áp, mạch tích hợp kỹ thuật số và analog, công tắc bán dẫn, relay, vi điều khiển, bộ xử lý, cảm biến, …
- ARES cung cấp thiết kế PCB lên đến 14 lớp bên trong, với các gói gắn bề mặt và uyên lỗ Nó được nhúng với các bản in chân của các loại linh kiện khác nhau như
IC, transistor, header, connector và các linh kiện rời rạc khác Nó cung cấp các tùy chọn định tuyến tự động và định tuyến thủ công cho người thiết kế PCB Schematic được vẽ trong ISIS có thể được chuyển trực tiếp ARES.
2.1.2 Phần mềm lập trình Arduino IDE
- IDE trong Arduino IDE là phần có nghĩa là mã nguồn mở, nghĩa là phần mềm này miễn phí cả về phần tải về lẫn phần bản quyền: Người dùng có quyền sửa đổi, cải tiến, phát triển, nâng cấp theo một số nguyên tắc chung được nhà phát hành cho phép mà không cần xin phép ai, điều mà họ không được phép làm đối với các phần mềm nguồn đóng.
- Tuy là phần mềm mã nguồn mở nhưng khả năng bảo mật thông tin của Arduino IDE là vô cùng tuyệt vời, khi phát hiện lỗi nhà phát hành sẽ vá nó và cập nhật rất nhanh khiến thông tin của người dùng không bị mất hoặc rò rỉ ra bên ngoài.
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ thân thiện với các lập trình viên.
- Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất phổ biến trong giới lập trình Bất kỳ đoạn code nào của C/C++ thì Arduino IDE đều có thể nhận dạng, giúp các lập trình viên thuận tiện trong việc thiết kế chương trình lập cho các bo mạch Arduino.
Về tổng thể, Arduino IDE là phần mềm chính hãng cung cấp miễn phí, sở hữu giao diện thân thiện Phần mềm thường xuyên được nhà phát hành cập nhật với sự hỗ trợ của cộng đồng người dùng Arduino rộng lớn nên đảm bảo tính bảo mật cao Arduino IDE là phần mềm được khuyến nghị sử dụng để tải mã vào bo mạch Arduino.
Hình 2 2 Giao diện Arduino IDE.
2.1.3 Phần mềm thiết kế giao diện sử dụng trên điện thoại Inventor
- App Inventor là một ứng dụng web mã nguồn mở được cung cấp bởi Google từ tháng 7 năm 2010 Sau này, App Inventor được quản lý bởi Viện Công nghệ
Massachusetts hay còn gọi là MIT.
- Về cơ bản, App Inventor sẽ hoạt động dựa trên nền tảng di động Android Tức là các thành phẩm được tạo ra từ App Inventor sẽ chỉ hoạt động được trên Android.
- Khi sử dụng, người dùng sẽ kéo thả các khối này vào bảng mã để tiến hành lắp ghép thành một ứng dụng hoàn chỉnh.
1 Truy cập website http://ai2.appinventor.mit.edu/, đăng nhập bằng tài khoản Google và khởi tạo một project mới.
Hình 2 3 Logo web app Inventor.
Hình 2 4 Giao diện web app Inventor.
Nhấp chuột vào phần Designer để thiết kế giao diện cho app điều khiển.
Kéo thả các button điều khiển động cơ và các label để hiện thị giá trị cảm biến.
Hình 2 5 Giao diện thiết kế app Inventor.
Hình 2 6 Giao diện app Inventor.
3 Lập trình, kéo thả các dòng code có sẵn bên trái của web
4 Ấn vào “Build” để xuất file apk, nhấn dowload hoặc quét mã QR để dowload app
Hình 2.7 Code trên web inventer.
2.1.4 Firebase ( Truyền & nhận dữ liệu từ ESP8266 lên đám mây )
- Firebase là một dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực hoạt động trên nền tảng đám mây được cung cấp bởi Google nhằm giúp các lập trình phát triển nhanh các ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu
- Firebase giúp người dùng kết nối ESP8266 với app Inventor.
- Firebase lưu trữ dữ liệu database dưới dạng JSON và thực hiện đồng bộ database tới tất cả các client theo thời gian thực Cụ thể hơn là bạn có thể xây dựng được client đa nền tảng (cross-platform client) và tất cả các client này sẽ cùng sử dụng chung 1 database đến từ Firebase và có thể tự động cập nhật mỗi khi dữ liệu trong database được thêm mới hoặc sửa đổi.
- Tự động tính toán quy mô ứng dụng của bạn, giúp bạn dễ dàng hơn rất nhiều mỗi khi cần nâng cấp hay mở rộng dịch vụ Ngoài ra Firebase sử dụng NoSQL, giúp cho database của bạn sẽ không bị bó buộc trong các bảng và các trường mà bạn có thể tùy ý xây dựng database theo cấu trúc của riêng bạn.
- Cho phép bạn phân quyền một cách đơn giản bằng cú pháp tương tự như javascript.
Linh kiện và thiết bị
- NodeMCU là firmware dựa trên mã nguồn mở LUA được phát triển cho chip wifi ESP8266 Firmware NodeMCU đi kèm với bo ESP8266, tức là bo Dev NodeMCU.
- Vì NodeMCU là một nền tảng mã nguồn mở, thiết kế phần cứng của nó có thể mở để chỉnh sửa hoặc sửa đổi hoặc xây dựng thêm.
- Bo NodeMCU Dev Kit gồm chip hỗ trợ wifi ESP8266 ESP8266 là chip Wi-Fi giá rẻ do Espressif Systems phát triển với giao thức TCP / IP
- Hiện tại đã có phiên bản 2 (V2) của NodeMCU Dev Kit có màu đen.
Hình 2 16 Khai báo thư viện Thingspeak.
Hình 2 17 Bo Node MCU ESP8266.
- NodeMCU Dev Kit có các chân Arduino như Analog (tức là A0) và Digital (D0-D8) trên bo mạch.
- Nó hỗ trợ các giao thức truyền thông nối tiếp như UART, SPI, I2C,
- Sử dụng các giao thức nối tiếp, chúng ta có thể kết nối nó với các thiết bị nối tiếp như màn hình LCD hỗ trợ I2C, Từ kế HMC5883, Máy đo Gyro MPU-6050 + Gia tốc kế, chip RTC, module GPS, màn hình cảm ứng, thẻ SD, v.v.
Bo Dev NodeMCU nổi bật với khả năng phát wifi, chân analog, chân kỹ thuật số và các giao thức truyền thông nối tiếp. Để bắt đầu sử dụng NodeMCU cho các ứng dụng IoT, trước tiên chúng ta cần biết về cách viết hoặc tải về firmware NodeMCU trong bo Dev NodeMCU
2.2.2 Cảm biến độ PH DFRobot Gravity
- Cảm biến độ PH DFRRobot Gravity được sử dụng để do độ PH trong môi trường nước, cảm biến bao gồm một que đo (Probe) và mạch xử lý, khuếch đại tín hiệu để có thể cho ra tín hiệu Analog có thể đọc bằng ADC của Vi điều khiển
-Cảm biến độ PH DFRobot Gravity được nhập từ chính hang DFRobot có chất lượng tốt, độ chính xác cao và là loại được sử dụng rát phổ biến hiện nay do có mức giá rẻ, thích hợp với các đề tài nghiên cứu.
Thông số kĩ thuật của cảm biến độ pH DFRobot Gravity
Hình 2 18 Cảm biến độ PH DFRobot
Model: DFRobot Gravity: Analog pH Sensor / Meter Kit For Arduino
pH Sensor with BNC Connector
Bộ sản phẩm bao gồm:
1 x Gravity: Analog pH Sensor / Meter Kit For Arduino
2.2.3 Cảm biến nhiệt độ DS18B20
- Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến ( loại digital )
Hình 2.19 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12bit ) IC sử dụng giao tiếp
1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data ( parasite power ).
- Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc PVC => nên giữ nó dưới 100 độ C Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài
- Ứng dụng: HVAC kiểm soát nhiệt môi trường, đo nhiệt độ bên trong các tòa nhà, thiết bị, máy móc, và trong hệ thống giám sát.
Thông số kỹ thuật của cảm biến DS18B20
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F)
Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C
Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits
Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây ).
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data.
Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa: 750ms (khi chọn độ phân giải 12bit ).
Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây
Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm
Đường kính đầu dò: 6mm
2.2.4 Module cảm biến ánh sáng
- Cảm biến này có thể nhận biết và điều chỉnh ánh sáng dựa trên các đi ốt quang học Cảm biến ánh sáng được gọi là “thiết bị quang điện” hay “cảm biến ảnh vì năng lượng được chuyển đổi từ phonto sang electron.
2.2.4.1 Phần loại cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng được chia thành 3 loại: Photoresistors (LDR), Photodiodes, Phototransistors.
Cảm biến ánh sáng Photoresistor (LDR) là thành phần phổ biến trong các thiết bị cảm biến, hoạt động như chất cảm quang để đo độ sáng tương đối của môi trường trong suốt một ngày.
- Chất phát quang này được làm từ một vật liệu bán dẫn có điện trở cao Chất bán dẫn này rất nhạy với ánh sáng, có thể nhìn thấy ánh sáng gần với hồng ngoại.
- Các bộ phát quang hoạt động như điện trở thông thường Tuy nhiên, sự thay đổi điện trở sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sáng môi trường Nếu cường độ ánh sáng cao sẽ làm giảm điện trở và ngược lại.
- Nguyên lý này sẽ làm đèn sáng khi trời tối và tắt khi trời sáng. Ứng dụng:
- Nhờ vào cách thức hoạt động đó, loại cảm biến này được ứng dụng cho đèn đường, đèn quảng cáo ban đêm,…
Hình 2 20 Cảm biến ánh sáng
Sử dụng quang trở CDS.
Kích thước nhỏ gọn: 36x16mm
Xuất tín hiệu Digital rất dễ sử dụng.
Thông số kỹ thuật: Loại động cơ: R385 Điện áp: DC / 12V
Thời gian làm việc liên tục tối đa: 120h
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vật liệu nghiên cứu
Béc phun sương 3 Ống dây oxi
Bảng 3 1 Vật liệu thết bị …
Module cảm biến ánh sáng 1
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 1
Bảng 3 2 Vật liệu thiết bị …
Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo phương pháp nuôi cá chưa áp dụng công nghệ kĩ thuật, chế tạo hệ thống giám sát, chăm sóc cá tự động.
- Tìm hiểu tập tính, đặc điểm môi trường sống của các loại cá nuôi trồng
- Nghiên cứu thông số kĩ thuật các thiệt bị cảm biến có thể sử dụng phù hợp trong môi trường nước.
- Tính toán và lựa chọn máy bơm phù hợp với mô hình thực hiện.
- Tính toán và khắc phục độ trễ tín hiệu của cảm biến cho phù hợp.
- Thời gian thực hiện từ ngày 20/02/2023 – 20/05/2023.
- Địa điểm: Xưởng thực hành Khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường đại học NôngLâm TP HCM.
Tuần 1 Tìm hiểu hệ thống, linh kiện, thiết bị.
Tuần 2 - 4 Lắp chạy thử mạch.
Tuần 4 - 6 Thực thiết kế mô hình.
Tuần 6 - 8 In mạch, lắp ráp linh kiện.
Tuần 8 - 10 Kết hợp bộ phận điều khiển và cơ cấu chấp hành.
Tuần 10 - 12 Tiến hành chạy thử nghiệm, hoàn thành báo cáo.
Bảng 3 3 Thời gian và tiến trình thực hiện đề tài.