Nghiên cứu lý thuyết về cảm biến quang, cảm biến dht11, cảm biến Đo Độ Ẩm Đất, cảm biến Đo lưu lượng nước, xây dựng mô hình vật lý Ứng dụng vào hệ thống tưới nước tự Động

Hệ thống tưới nước tự động sử dụng các cảm biến để theo dõi độ ẩm đất và nhiệt độ, từ đó điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp với nhu cầu của cây trồng.. - Hơn thế nữa, với việc thiết kế m

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

-o0o-BÁO CÁO MÔ HÌNH CẢM BIẾN

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN QUANG, CẢM BIẾN DHT11, CẢM BIẾN ĐO ĐỘ ẨM ĐẤT, CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG NƯỚC, XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG

TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: ……… NHÓM THỰC HIỆN: ……… LỚP:………

TP HỒ CHÍ MINH, ngày ,tháng, năm 2024

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

-Nhu cầu về nguồn nước cho sản xuất nông nghiệp ngày càng tăng cao, trong khi nguồn nước tự nhiên lại đang dần cạn kiệt Việc sử dụng nước tưới lãng phí không chỉ gây ảnh hưởng đến môi trường mà còn làm giảm năng suất cây trồng Do đó, việc áp dụng các hệ thống tưới nước tự động, hiệu quả là vô cùng cấp thiết Hệ thống tưới nước tự động sử dụng các cảm biến để theo dõi độ ẩm đất và nhiệt độ, từ đó điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp với nhu cầu của cây trồng Việc này giúp tiết kiệm nước, nâng cao hiệu quả sử dụng nước và tăng năng suất cây trồng.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

I Tính cấp thiết của đề tài

- Nền nông nghiệp của nước ta là nền nông nghiệp vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách thủ công và không đảm bảo được đúng yêu cầu Có thể nói trong nông học ngoài những kỹ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước làmột trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây trồng sinh trưởng vàphát triển bình thường, tưới đúng và tươi đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất hiệu quả cao

- Mặt khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết

bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người Vì vậy thiết bị tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và đưa vào thực tiễn ngày càng nhiều Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun nước, phun sương, vòi nhỏ giọt bù áp, dây tưới nhỏ giọt) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây trồng khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phù hợp với nhu cầu của mình Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ấm gốc, độ ẩm lả và không khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiếtkiệm nước tạo điều kiện cho cây trồng hấp thụ dinh dưỡng không gây rửa trôi, thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường

- Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây, Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ, thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm Tất cả các điều kiện đó sẽ đưavào hệ thống tính toán và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới cây sẽ Đồ án điện- điện tử vì được sinh trưởng vàphát triển tốt hơn nhờ việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn

II Lý do chọn đề tài

- Hệ thống tưới tự động (tưới nhỏ giọt, phun sương ) là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng ở các nước phát triển Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động và chi phí nhân công Vốn đã rất phổ biến tử nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên ở Việt Nam chỉ vài ba năm trở lại đây việc vận dụng hệ thống này mới trở thành xu hướng

Hệ thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng với quá trình hiện đại hóa, nông nghiệp hóa nông thôn nhưng không phải người dân nào cũng mạnh dạn đưa vào sử dụng vì chi phí đầu tư cao Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng trở nên tiện nghi và hiện đại Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị máy móc hiện đại thay thế cho con người những công việc nặng nhọc và đòi hỏi độ chính xác cao Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay còn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên và với những phương pháp canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao Khi kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, đòi hỏi

chất và lượng nâng cao Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc

và điều khiển các thông số của môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm không khí, chất dinh dưỡng cung cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực tiễn trên em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động

III Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về các hệ thống tưới nước tự động

- Tìm hiểu về arduino

- Hiểu về hệ thống tưới nước cây tự động sử dụng vi điều khiển arduino

- Thiết kế thi công hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino

- Kiểm tra đánh giá tính ứng dụng của đề tài

- Tìm hiểu về cách viết code trên arduino

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu và kích thước mô hình hệ thống tưới cây tự động sử dụng arduino

- Nghiên cứu sử dụng arduino uno r3 trong hệ thống

- Tập trung nghiên cứu dùng cảm biến độ ẩm đất và nhiệt độ độ ẩm môi trường làm tín hiệu chủ động để hệ thống hoạt động

- Sử dụng các nền tảng có sẵn và sử dụng các thư viện mở để phát triển sản phẩm

V phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài này em sử dụng các phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tham khảo tài liệu : thu thập thông tin từ nhiều nguồn sách, báo, tạp chí vàcổng thông tin điện tử

- Phương pháp quan sát : đi khảo sát thực tế những nơi áp dụng hệ thống tới cây tự động, tưới cây tự động sử dụng arduino …

- Phương pháp thực hành : tiến hành thiết kế và thi công hệ thống để kiểm tra tính thực tế

để có những cải tiến phù hợp

VI Dự kiến kết quả

Dự kiến kết quả hệ thống tưới nước tự động sử dụng arduino sữ có các tính năng :

- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm làm tín hiệu truyền vào đến vi sử lý arduino để điều khiển máy bơm hoạt động

- Thiết kế màng hình LCD kết hợp I2C để hiển thị các thông tin LCD đưa thông tin cho người sử dụng các thông tin điều khiển hệ thống

VII Ý nghĩa khoa học thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu của đề tài này sẽ giúp em có nhiều kinh nghiệm để sau khi em tốt nghiệp có đủ khả năng nghiên cứu phát triển thành một hệ thống có nhiều ứng dụng hơn, đáp ứng nhiều yêu cầu thực tiễn hơn từ đó có thể giúp con người càng có cuộc sống hiện đại hơn tiết kiệm sức lao động của con người

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ LÝ THUYẾT CẢM BIẾN

Hình 2.1 Cấu trúc của 1 dụng cụ đo

- Cảm biến: thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra

- Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

- Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử)

1 Cấu tạo và phân loại cảm biến

- Cấu tạo của cảm biến: Cảm biến thường bao gồm các thành phần như bộ cảm biến chính, mạch xử lý, và đầu ra tín hiệu Bộ cảm biến chính là phần nhận thông tin từ môi trường (ví dụ: ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh) Mạch xử lý sẽ chuyển đổi tín hiệu này thànhdạng có thể hiển thị hoặc sử dụng Đầu ra tín hiệu có thể là điện áp, dòng điện, hoặc tín hiệu số

- Cảm biến có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau:

+ Yêu cầu về nguồn cung cấp:

- Hiệu ứng nhiệt điện: Đây là hiện tượng khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau để tạo thành một mạch điện kín Nếu nhiệt độ ở hai mối hàn khác nhau (T1 và T2), trong mạch sẽ xuất hiện một suất điện động (e) phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2 Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ.

- Hiệu ứng hỏa điện: Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện có tính phân cực điện tự phátvới độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt Điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hỏa điện Hiệu ứng này được sử dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng

- Hiệu ứng áp điện: Một số vật liệu gọi là vật liệu áp điện (ví dụ như thạch anh) khi bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu Đo điện áp giữa hai mặt, ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng

- Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian Hiệu ứng này được

Hình 2.2 Cảm biến tích cực

b Cảm biến thụ động

- Nguyên lý: Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động của kích thích bên ngòai mà không cần

năng lượng cung cấp từ bên ngòai

Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện…

- Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có thông số chủ yếu nhạyvới đại lượng cần đo

- Đáp ứng cảm biến có thể là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung Giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo ( điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi)

+ Cảm biến chuyển động: Phát hiện sự chuyển động của vật thể.

+ Cảm biến tiệm cận: Phát hiện vật thể bằng cách đo thời gian phản xạ ánh sáng

+ Cảm biến ánh sáng CCD: Chuyển đổi hình ảnh thành tín hiệu điện tử

b Cảm biến tương tự

- Đặc điểm: Cảm biến tương tự đại diện cho một sóng liên tục thay đổi trong một khoảng thời gian Chúng đo lường các đại lượng vật lý (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) và tạo ra tínhiệu tương tự, tức là tín hiệu có giá trị thay đổi liên tục

- Hoạt động: Cảm biến tương tự thu thập thông tin từ môi trường, chuyển đổi thành tín hiệu dạng điện áp hoặc dòng điện Ví dụ, cảm biến nhiệt độ tiếp xúc (như cặp nhiệt điện) hoạt động bằng cách đo nhiệt độ trực tiếp, và tạo ra tín hiệu tương tự

- Ứng dụng:

+ Cảm biến nhiệt độ: Kiểm soát nhiệt độ trong lò hơi, hệ thống điều hòa tự động

+ Cảm biến ánh sáng: Điều khiển chiếu sáng, tiết kiệm năng lượng

+ Cảm biến áp suất: Theo dõi áp suất trong hệ thống

1.3 Trạng thái đo lường

a Chế độ lệch:

- Tín hiệu phản hồi là sự thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo Sự thay đổi này tương ứng với giá trị đo.

- Điện: nguồn cung cấp điện áp, công suất

- Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số)

- Số (kết nối nối tiếp hay song song)

- Cơ : chọn lọai đầu nối

II Lý thuyết về cảm biến độ ẩm

- Cảm biến nhiệt độ độ ẩm là thiết bị cảm biến được tạo nên từ những thiết bị điện tử có

độ nhạy cao, được dùng để đo đạc mức độ ẩm và nhiệt độ trong không khí Chúng có thể

đo được mức độ ẩm tương đối, tuyệt đối hoặc cụ thể dựa vào bộ phận cảm biến

1 Cấu tạo của cảm biến độ ẩm

 Gồm 2 bộ phận chính:

- Tụ điện: Có công dụng đo sự chênh lệch về độ ẩm giữa hai lớp điện cực

- 02 lớp điện cực (thường được phân cách bằng 1 lớp điện môi nằm ở giữa) có công dụng

để hấp thụ độ ẩm từ không khí

Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến độ ẩm

2 Phân loại

 Trên thị trường hiện nay đang có 3 loại cảm biến độ ẩm chính, được sử dụng rộng rãi

đó là: cảm biếm độ ẩm điện dung, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt và cảm biến độ ẩm điện

trở

- Thiết bị cảm biến độ ẩm điện dung: đây là thiết bị sử dụng một tụ điện có 2 lớp điện cực

và ở giữa là một lớp vật liệu điện môi mang tác dụng hút ẩm từ môi trường không khí

xung quanh Thường các vật liệu sử dụng làm chất điện môi sẽ là một lớp màng polyme

có hằng số điện môi trong khoảng tầm từ 2 – 15 hoặc một dải oxit kim loại mỏng Thiết

bị này sẽ sử dụng để đo đạc độ ẩm tương đối, dùng để đo phạm vi nhiệt độ độ ẩm rộng

mà không cần bù nhiệt độ hoạt động

- Thiết bị cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt: đây là thiết bị cảm biến có thể sử dụng để đo giá trị

tuyệt đối của độ ẩm thông qua các tính toán mức độ dẫn nhiệt của môi trường không khí

ẩm và không khí khô Loại cảm biến nhiệt độ độ ẩm này có 2 nhiệt điện trở đặt 1 cái ở

bên trong buồng cảm biến kín bao bọc bằng ni tơ khô và 1 nhiệt điện trở đặt bên ngoài để

tiếp xúc với độ ẩm trong không khí để có thể so sánh được sự chênh lệch từ đó cho ra kết

quả đo đạc tỷ lệ thuận với độ ẩm tuyệt đối

- Thiết bị cảm biến độ ẩm điện trở: chúng là cảm biến hoạt động dựa vào sự thay đổi điện

trở suất ở 2 điện cực để đo đạc các giá trị độ ẩm tương đối Chúng sử dụng đến các ion

muốn để đo trở kháng điện trong các nguyên tử Lúc độ ẩm hay nhiệt độ môi trường thay

đổi, điện trở của các điện cực sẽ thay đổi theo Thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm này khá

rẻ, có diện tích nhỏ gọn, hoạt động tốt trong những ứng dụng cần giám sát từ những

- Cảm biến nhiệt độ độ ẩm sẽ hoạt động dựa theo nguyên lý hấp thụ hơi nước để biến đổi

tính chất, thành phần cảm nhận trong cảm biến từ đó làm cho thiết bị điện trở thay đổi giá

trị, xuất hiện sự biến đổi của dòng điện nhờ vậy sẽ xác định, đo lường được độ ẩm thay

đổi

- Với thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm điện dung thì khi không khí đi qua 2 tấm kim loại

thì khi có sự thay đổi độ ẩm không khí sẽ tạo được sự biến đổi điện dung giữa các bản

Hình 2.6 Sơ đồ nối dây cảm biến nhiệt độ ẩm

4 Ứng dụng trong đời sống hiện nay

- Những thiết bị cảm biến nhiệt độ độ ẩm có rất nhiều ứng dụng từ dân dụng đến trong các lĩnh vực công nghiệp nhờ vào kích thước nhỏ gọn, tiện lợi, giá thành thấp như là để

đo đạc độ ẩm trong máy in, máy fax, các hệ thống HAVC, đo đạc độ ẩm và nhiệt độ không khí ở các trạm thời tiết, trong xe ô tô, tại nơi chế biến thực phẩm hay tủ lạnh, Ở những nhà máy sử dụng thiết bị cảm biến này để đo đạc trong các máy sấy, kiểm tra quá trình mất nước của thực phẩm,

2 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

- Cảm biến nhiệt độ công nghiệp được phân chia thành 2 phần: Chính là 2 dây kim loại

để gắn vào đầu lạnh, đầu nóng

- Phần phụ sẽ bao gồm:

+ Đầu kết nối: Là nơi chứa các bảng mạch dùng để kết nối điện trở Chất liệu là gốm.+ Bộ phận cảm biến: Nó được bảo vệ bởi lớp vỏ sau khi đã kết nối với các đầu nối Bộ phận này quan trọng nhất Nó quyết định đến độ chính xác của thiết bị khi làm việc.Phụ chất làm đầy: Đó chính là bột alumina có độ mịn, được sấy khô Chức năng của nó làlấp đầy những khoảng trống để giúp hạn chế sự rung động của cảm biến

+ Dây kết nối: Tùy theo từng loại mà số lượng dây kết nối có thể là 2, 3, 4 Vật liệu sản xuất dây sẽ dựa vào điều kiện của đầu đo.

+ Vỏ bảo vệ: Chức năng của nó là bảo vệ dây kết nối và cảm biến Tùy theo yêu cầu mà lớp vỏ này có thể bổ sung thêm lớp ngoài bằng vỏ bổ sung để tăng khả năng bảo vệ.+ Chất cách điện bằng gốm: Chức năng của nó là ngăn cách điện của vỏ và dây kết nối, ngăn ngừa đoản mạch

Hình 2.8 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ

3 Nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt độ

- Như chúng ta đã biết, cảm biến nhiệt độ luôn hoạt động theo nguyên lý: Sự thay đổi điện trở kim loại so với sự thay đổi nhiệt

- Dễ hiểu hơn đó là: Khi sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu lạnh và đầu nóng diễn ra thì tại đầu lạnh sẽ phát sinh một sức điện động V Và vì nhiệt tại đầu lạnh sẽ phụ thuộc vào yếu

tố chất liệu để đảm bảo sự ổn định khi đo nên ngày càng xuất hiện nhiều loại cảm biến nhiệt khác nhau Mỗi loại E, R, J, S, K, T lại cho ra một sức điện động không giống nhau

- Nguyên lý này được hình thành dựa trên sự quan hệ giữa nhiệt và vật liệu kim loại Khi điện trở là 100 Ω thì nhiệt độ là 0 Khi điện trở trăng thì nhiệt độ tăng, khi điện trở giảm thì nhiệt độ giảm

4 Các loại dây của cảm biến nhiệt độ

 Dựa theo số dây cảm biến mà người ta phân chia thành:

- 2 dây

+ Đây chính là loại có độ chính xác kém nhất

+ Nó chỉ được sử dụng khi muốn kết nối độ bền nhiệt được thực hiện với điện trở thấp

và dây điện trở ngắn hoặc để kiểm tra mạch điện tương đương

+ Kết quả điện trở đo được là tổng của điện trở dây dẫn đang dùng cho kết nối với phần tử cảm biến

- 3 dây

+ Loại cảm biến 3 dây sẽ chho mức độ đo chính xác tốt hơn so với loại 2 dây nên được sử dụng nhiều trong các hệ thống, máy móc sản xuất công nghiệp