➢ Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất:
Sự hấp thụ độ ẩm (hơi nước) làm biến đổi thành phần cảm nhận trong cảm biến (ở đây là các chat hóa học như LiCL, P2O5) làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm. Khi thay đổi độ ẩm điện trở trên cảm biến thay đổi dẫn đến điện áp đầu ra đưa vào cổng so sánh trên Opam thay đổi, điện áp này được so sánh với điện áp đặt được đặt bằng biến trở, nếu điện áp đọc về từ cảm biến chưa vượt qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức thấp và led báo trạng thái không sáng, khi điện áp đầu vào vượt qua ngưỡng đặt thì đầu ra D0 là mức cao và led báo trạng thái sẽ sáng lên.
Cảm biến mưa
Mạch cảm biến mưa gồm 2 bộ phận:
• Bộ phận cảm biến mưa được gắn ngồi trời.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 35 Hình 3.16 Cảm biến mưa
➢ Thơng số kỹ thuật: • Điện áp: 5V
• Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO). • Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA.
• Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở. • Sử dụng LM358 để chuyển AO → DO.
➢ Nguyên lí hoạt động: Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu
điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thơng qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng ngắt rơ le qua chân D0. Vì vậy, chúng ta dùng một chân digital để đọc tín hiệu từ cảm biến mưa. Khi trời khơng mưa chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V). Khi có nước trên bề mặt cảm biến có nước, đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).
Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Tín hiệu xuất ra của cảm biến là digital HIGH (5V) và LOW tượng trưng cho các trạng thái bật, tắt thiết bị điện tự động mà bạn không cần phải thao tác vào.
Cảm biến quang trở CDS có 4 chân là: DO, VCC, GND, AO.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36
➢ Thơng số kỹ thuật:
• Điện áp đầu vào: 3.3V - 5V
• Đầu ra: có đầu ra số và đầu ra tương tự tương ứng D0 và A0
• Có chiết áp điều chỉnh cường độ sáng
• Kích thước: 3.2cm x 1.4cm
• Tải đầu ra số D0: 15mA ➢ Nguyên lý hoạt động:
Khi có ánh sáng chiếu vào quang trở CDS bình thường (ban ngày), thì điện trở trên CDS là rất nhỏ nên cho dòng dương (Vcc) đi qua làm áp tại ngõ vào âm (-) của Opam tăng lên, tăng đến khi áp cao hơn ở ngõ vào dương => Lúc này ngõ ra của Opam là mức thấp. Dòng này qua transistor bị đảo pha thành mức cao, mặc khác một chân kia của Rơle đã ở mức cao nên Rơle khơng đóng => đèn không sáng.
Khi trời tối, cường độ ánh sáng chiếu vào quang trở giảm => điện trở qua quang trở tăng, dòng dương qua CDS giảm nên áp tại ngõ vào âm của Opamp giảm theo, giảm đến khi áp tại đây thấp hơn áp tại ngõ vào dương thì ở ngõ ra của Opamp lập tức lên mức cao. Dòng này qua transistor bị đảo pha thành mức thấp nên làm Rơle đóng => đèn sáng.
➢ Khối relay Module relay
Yêu cầu khối Relay: tín hiệu điều khiển từ ngõ ra của khối xử lý trung tâm là 3.3V tuy nhiên các thiết bị lại hoạt động ở nhiều mức điện áp vì thế cần phải có một thiết bị trung gian có thể đóng ngắt với điện áp 12V để điều khiển cho các thiết bị. Ngồi ra thiết bị đó cịn cần phải có khả năng cách ly để đảm bảo cho sự an toàn cho khối xử lý trung tâm trong các trường hợp cháy nổ, chập cháy.
Với các yêu cầu đó, nhóm sử dụng Relay. Relay sẽ được sử dụng để đóng ngắt tiếp điểm cũng như là đóng ngắt tải điện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37
Relay là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong ứng dụng thực tế khi gặp các vấn đề liên quan đến cơng suất và cần sự ổn định cao, ngồi ra có thể dể dàng bảo trì.
Relay là một cơng tắc (khóa K). Nhưng khác cơng tắc ở chỗ Relay được kích hoạt bằng điện thay vì bằng tay người. Chính vì vậy, Relay được dùng để làm công tắc điện tử. Vì Relay là một cơng tắc nên có 2 trạng thái: đóng và mở.
Hình 3.19 Sơ đồ ngun lý của Module Relay
Khi tín hiệu điều khiển CTRL ở mức thấp, diode phát quang trong U1 cho dòng điện đi qua, U1 dẫn. U1 dẫn làm transistor Q1 thông và cuộn hút nam châm hoạt động, relay chuyển mạch sang “NO”.
Khi tín hiệu điều khiển CTRL ở mức cao, diode phát quang trong U1 không cho dòng điện đi qua, U1 ngắt. Do đó, transistor Q1 đóng, cuộn hút nam châm khơng hoạt động, relay ở chế độ “NC”.
➢ Khối cơ cấu chấp hành
Yêu cầu khối cơ cấu chấp hành: khi các thông số môi trường được đọc từ cảm biến không phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của hoa lan, khối xử lý trung tâm sẽ tác động đến khối cơ cấu chấp thông qua khối Relay để điều khiển các thơng số của mơ hình qua hoạt động của các thiết bị trong khối này.
• Khi cần tác động tăng độ ẩm khơng khí sẽ sử dụng hệ thống phun sương.
• Khi cần tăng nhiệt độ sẽ tác động vào hệ thống sưởi.
• Khi cần giảm nhiệt độ hay độ ẩm thì tác động vào hệ thống quạt thổi.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 Phun sương và bơm tưới
Hình 3.20 Hình ảnh động cơ phun sương và bơm tưới
Quá trình sinh trưởng phát triển của hoa lan ln cần mơi trường có độ ẩm cao. Để đáp ứng nhu cầu đó ta cần hệ thống tạo độ ẩm tốt hoạt động ổn định. Tuy nhiên với quy mơ mơ hình nhỏ dùng để mơ phỏng nên nhóm đã chọn động cơ 12VDC.
Thơng số kỹ thuật:
• Điện áp làm việc:12VDC • Dịng điện khơng tải: 0.23A • Tải trọng: 450
- Lưu lượng tối đa: 2-3 lít / phút - Áp suất tối đa: 1-2,5 kg - Lực nâng tối đa: 1-2,5 mét
• Giờ làm việc bình thường: 2-3 năm - Lực hút tối đa: 2 mét
- Đường kính đầu vào và đầu ra: 8 mm (đường kính ngồi)
• Chiều dài động cơ: 32MM • Đường kính động cơ: 28MM • Chiều dài bơm: 36MM • Tổng chiều dài: 69MM
• Đường kính bơm:40MM * 35MM • Trọng lượng: 111g
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 Hình 3.21 Kết nối bơm phun sương với Relay
Bơm tưới được nối và điều khiển thông qua Relay như hình vẽ:
Hình 3.22 Kết nối bơm tưới với Relay Hệ thống sưởi Hệ thống sưởi
Hệ thống sưởi giúp duy trì nhiệt độ trong mơ hình ở mức tối ưu nhất cho sự phát triển của hoa lan. Có rất nhiều sự lựa chọn để đáp ứng mục đích tạo ra nhiệt độ cung cấp cho mơ hình như: máy sấy, máy sưởi, điện trở nhiệt, … Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu giá cả phải chăng, tạo được nhiệt và hơn hết là giữ an toàn cho mơ hình khơng xảy ra sự cố về điện nên nhóm đã quyết định chọn đèn sợi tóc để đảm nhiệm vai trị hệ thống tăng nhiệt độ cho mơ hình.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 Thông số kỹ thuật:
Công suất: 0.3W.
Điện áp hoạt động: 220VAC
Bóng đèn được kết nối và điều khiển thơng qua Relay như hình vẽ:
Hình 3.24 Kết nối đèn sợi tóc với Relay Hệ thống quạt thổi Hệ thống quạt thổi
Khi nhiệt độ hay độ ẩm trong mơ hình vượt mức cho phép thì ta cần hệ thống có khả năng làm giảm nhiệt độ và độ ẩm cho mơ hình. Nhóm quyết định chọn quạt tản nhiệt cho yêu cầu.
Giá thành rẻ.
Khả năng tản nhiệt tốt.
Chạy điện áp phù hợp với điện áp của mơ hình. Ít chiếm điện tích.
Hiệu suất tốt.
Từ những yêu cầu trên nhóm quyết địch sử dụng quạt DC 12V để tản nhiệt cho hệ thống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 Thông số kỹ thuật:
Thông số hoạt động định mức: 12VDC x 0.17A x 2W. Kích thước: 8cm x 8cm x 2cm.
Quạt được kết nối và điều khiển thơng qua Relay như hình vẽ:
Hình 3.26 Kết nối quạt với Relay Chng báo Chng báo
Cịi SFM 27 có tuổi thọ cao, hiệu suất ổn định, chất lượng tốt, được sản xuất
nhỏ gọn phù hợp thiết kế với các mạch còi buzzer nhỏ gọn, mạch báo động.
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 3 – 24 V Điện áp định mức : 12V Dòng định mức ≤ 30mA Tần số cộng hưởng: 2300Hz ± 500Hz Mức âm thanh: ≥ 85dB Tần số cộng hưởng : 3000 ± 500Hz
Kích thước: Đường kính 30mm, độ dày 15mm, chiều dài 2 đầu lỗ 40mm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 42
Chng báo được kết nối và điều khiển thơng qua Relay như hình vẽ:
Hình 3.28: Kết nối chng báo với Relay Động cơ bước:
Động cơ bước có thể được mơ tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào. Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Hình 3.29: Động cơ bước. Chức năng: Dùng để điểu khiển đóng mở mái che. Chức năng: Dùng để điểu khiển đóng mở mái che.
Động cơ bước được kết nối và điều khiển thông qua module DRV8825 như hình vẽ:
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 43 Hình 3.30 Kết nối động cơ bước với STM32F103C8T6
➢ Khối nguồn
• Sử dụng nguồn 5 VDC:
- Dòng tiêu thụ trên cảm biến DHT11 là 2.5 mA. - Dòng tiêu thụ trên cảm biến độ ẩm đất là 5 mA. - Dòng tiêu thụ trên LCD 20x4 là 10 mA.
- Dòng tiêu thụ trên cảm biến ánh sáng là 15 mA. - Dòng tiêu thụ trên cảm biến mưa là 100 mA.
- Dòng tiêu thụ trên khối 5 Relay là 200x5 = 1000 mA. - Dòng tiêu thụ trên buzzer 25mA.
- Dòng tiêu thụ trên ESP 8266 NodeMCU là 300 mA. - Dòng tiêu thụ trên quạt 170 mA.
- Dòng tiêu thụ trên khối DRV8825 là 2500 mA. Vậy Itổng = 4128mA.
• Sử dụng nguồn 12 VDC:
- Dòng tiêu thụ trên động cơ bước 670 mA.
- Dòng tiêu thụ trên 2 bơm mini là 230 + 230 = 460 mA. Vậy Itổng = 1130 mA.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 44 Hình 3.31 Bình ắc-quy 12V-5Ah.
• Loại bình VRLA, siêu kín siêu bền, miễn bảo dưỡng, an tâm trên mọi hành trình.
• Dung lượng: 12V - 5Ah (10HR)
b. Tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 3.32 Tấm pin năng lượng mặt trời 10W
• Cơng suất tấm pin năng lượng mặt trời: Pmax=10W
• Điện áp danh định: Usac=17.07V • Dịng danh định: Isac=0.58A
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 Hình 3.33 Sơ đồ kết nối hệ thống năng lượng mặt trời.
➢ Cơng thức cụ thể được tính bằng Dung lượng ắc quy chia cho dòng điện nạp.
tsac= Iac-quy /Isac =5/0.58= 8.62 giờ (3.1)
Trong đó:
- Isac:Dịng sạc từ pin năng lượng mặt trời.
- Iac-quy :Dòng ắc-quy khi đầy. - Tsac: thời gian sạc đầy ắc-quy.
➢ Cơng thức tính thời gian duy trì tiêu thụ của hệ thống khi ắc-quy ngưng sạc.
Thời gian sử dụng của Ắc quy phụ thuộc vào dung lượng của Ắc quy và công suất của tải. Cơng thức tính như sau:
t = (Ah*V* η)/P =(5*12*0,7)/(12*1,130+5*4,128)=1.23 giờ (3.2) Trong đó:
- t : là thời gian tối thiểu sử dụng điện từ Ắc quy (Giờ) ở mức liên tục. - Ah: Dung lượng Ắc quy (Ah)
- V: Điện áp Ắc quy (Volt) - P: Công suất tải(W)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46 Module hạ áp
Nguồn cấp chính của mạch là nguồn 12V nên nếu muốn sử dụng cho các thiết bị 5V hoặc cao hơn cần phải hạ áp nguồn. Ở đây nhóm sử dụng mạch hạ áp LM2596 để hạ áp cho mạch.
Hình 3.34 Hình ảnh module hạ áp LM2596 Thông số kỹ thuật: Thông số kỹ thuật:
• Điện áp đầu vào: 2.5V – 36V.
• Điện áp đầu ra: 1.25V – 35V (có thể điều chỉnh). • Dịng ngõ ra tối đa 3A, cơng suất 15W.
• Kích thước: 66mm x 36mm x 14mm.
Sơ đồ nguyên lý của module LM2596:
Hình 3.35 Hình sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp LM2596
Khi cấp điện vào 2 chân Vin, dòng điện sẽ được đưa qua các tụ lọc nhiễu, sau đó được đưa qua IC LM2596. Thông qua biến trở để điều chỉnh ngõ ra của chân FeedBack, IC sẽ tạo ra điện áp tương ứng phụ thuộc vào giá trị của biến trở và đưa điện áp ra chân Out đưa ra ngồi.
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
➢ Mạch điều khiển trung tâm
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
48
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG
4.1 GIỚI THIỆU
Sau q trình tính tốn và thiết kế chọn các thiết bị hợp lý nay tiến hành thi công mạch PCB, lắp ráp các linh kiện, hàn mạch và chạy thử mạch.
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1 Thi công bo mạch 4.2.1 Thi công bo mạch
Mạch điều khiển trung tâm, sử dụng STM32F103C8T6 và Nodemcu để điều khiển, gửi dữ liệu, có led báo ngõ ra để người sử dụng dễ dàng quan sát, mạch sử dụng nguồn do module hạ áp LM2596 cấp cho toàn mạch.
Bảng 4.1 Danh sách các linh kiện
STT Tên linh kiện Giá trị/SL Chú thích
1 STM32F103C8T6 1 Module xử lý trung tâm
2 Module NodeMCU
1 Là mudule trung gian để giao tiếp với wedserver
3 Module DRV8825 1 Để điều khiển động cơ bước
4 Trở 10k 1 Để dùng cho DHT11.
5 DHT11 1 Đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường
6 Cảm biến độ ẩm đất
1 Đo độ ẩm đất
7 Cảm biến mưa 1 Nhận biết trời mưa
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
49
9 Tụ hóa 100uF. 1 Ổn định dịng cho động cơ bước
10 Màn hình LCD 20x4.
1 Hiển thị thông tin
11 Chuông 1 Dùng để cảnh báo
12 Quạt 1 Dùng để thơng gió giảm nhiệt độ
13 Động cơ bước 1 Dùng để đóng mở mái che
14 Đèn 1 Dùng để tăng nhiệt độ
15 Máy bơm 2 Dùng để phun sương và tưới
16 Mudule LM2596 2 Dùng để hạ áp
17 Domino 3 Dùng để nối đầu tải
18 Module relay đôi mức thấp
3 Dùng để đóng ngắt thiết bị
19 Rào cái 7 Dùng để kết nối với cảm biến, lcd ,
ngõ ra relay, động cơ bước
20 Trở 330 ơm 7 Để hạn dịng cho led
21 Trở 2k2 7 Để dùng cho nút nhấn
22 Led đỏ 7 Báo hiệu ngõ ra
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
50
➢ Sơ đồ bố trí linh kiện lớp trên và lớp dưới của mạch chính:
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên