Luận văn Xây dựng giải pháp iot cho vườn hoa mini (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Xây dựng giải pháp iot cho vườn hoa mini (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG XÂY DỰNG GIẢI PHÁP IOT CHO VƯỜN HOA MINI GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: LƯ AN CHIÊU MSSV: 12141026 SVTH: NGUYỄN TƯƠNG HÂN MSSV: 12141530 S K L 0 0 4 3 3 9 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ-CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP IOT CHO VƢỜN HOA MINI GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: MSSV: LƢ AN CHIÊU 12141026 NGUYỄN TƢƠNG HÂN 12141530 Tp. Hồ Chí Minh - Năm 2016 i
3. LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do nhóm em tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trƣớc đó. Nếu có sao chép chúng em hoàn toàn chịu trách nhiệm. Ngƣời Thực Hiện Đề Tài Lƣ An Chiêu Nguyễn Tƣờng Hân iv
4. LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã cho em một môi trƣờng tốt để học tập. Bên cạnh đó, em xin cảm ơn các thầy cô đã giảng dạy và trau dồi cho em những kiến thức cần thiết trong cuộc sống, và đặc biệt em xin cảm ơn thầy Nguyễn Văn Hiệp đã trực tiếp tích cực hỗ trợ và giảng dạy em trong khoảng thời gian làm đồ án tốt nghiệp. Em xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ và giúp đỡ em trong thời gian thực hiện báo cáo thực tập tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 7 năm 2016. Ngƣời Thực Hiện Đề Tài Lƣ An Chiêu Nguyễn Tƣờng Hân v
5. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Lịch trình đồ án iii Lời cam đoan iv Lời cảm ơn v Mục lục vi Liệt kê hình vẽ ix Liệt kê bảng vẽ x Tóm tắt xi CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ 1 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 1.5. BỐ CỤC 2 CHƢƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1.QUY TRÌNH TRỒNG HOA MƢỜI GIỜ 4 2.1.1. Mô Tả quy trình trồng Hoa mƣời giờ 4 2.1.2. Mô Tả quy trình tƣới Hoa mƣời giờ 5 2.2. NỀN TẢNG LÝ THUYẾT 5 2.2.1. Cảm biến và chuyển đổi ADC 6 2.2.2. Khối xử lý trung tâm 11 2.2.3. Giao tiếp wifi 12 CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 21 3.1. GIỚI THIỆU 21 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ GIÁM SÁT 21 3.2.1. Sơ đồ khối và chức năng từng khối 21 3.2.2. Thiết kế khối cảm biến 22 3.2.3. Thiết kế khối giao tiếp công suất 25 vi
6. 3.2.4. Thiết kế khối module Wifi. 28 3.2.5. Khối xử lý trung tâm 29 3.2.6. Thiết kế bộ nguồn 31 3.2.7. Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 33 3.3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ 33 3.4.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ ỨNG DỤNG ANDROID 38 3.4.1. Giới thiệu tổng quan về Android và môi trƣờng lập trình Android Studio 38 3.4.2. Chức năng và nhiệm vụ của ứng dụng Android trong đề tài 39 3.4.3. Thiết kế giao diện Android 39 CHƢƠNG 4 : THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.1. GIỚI THIỆU 42 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.2.1.Thi công bo mạch 42 4.2.2.Lắp ráp và kiểm tra 43 4.3.ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 45 4.3.1.Đóng gói bộ điều khiển 45 4.3.2.Thi công mô hình 46 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 48 4.4.1. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển của board 48 4.4.2. Phần mềm lập trình cho điện thoại 53 4.5. TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 72 CHƢƠNG 5 : KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 75 5.1. KẾT QUẢ 75 5.1.1. Giai đoạn kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống 75 5.1.2. Giai đoạn hoàn thiện hệ thống 77 5.2. NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 79 5.2.1. Cảm biến độ ẩm đất FC-28 79 5.2.2. Cảm biến nhiệt độ LM35 80 5.2.3. Module wifi ESP826. 80 5.2.4. KIT nhúng Arduino UNO R3. 80 5.2.5. Ứng dụng ANDROID. 80 vii
7. CHƢƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .84 6.1. KẾT LUẬN .84 6.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO .86 PHỤ LỤC .87 LIỆT KÊ HÌNH ẢNH Hình 2.1. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh. 9 Hình 2.2. Analog và digital của hàm sin. 10 Hình 2.3. Sơ đồ khối của một hệ thống nhúng 11 Hình 2.4. Vi điều khiển 12 Hình 2.5. The Internet of Things 15 Hình 2.6. ThingSpeak 15 Hình 3.1. Cảm biến nhiệt độ LM35. 23 Hình 3.2. Cảm biến độ ẩm đất FC28. 23 Hình 3.3. Sơ đồ nối dây của LM35 và Arduino 24 Hình 3.4. Sơ đồ nối dây của FC28 và Arduino 25 Hình 3.5. Relay 25 Hình 3.6. Triac 26 Hình 3.7. Bơm nƣớc Brushless Ogihara 12V-24V. 26 Hình 3.8. Valve điện từ 27 Hình 3.9. Sơ đồ nối dây của module Relay và Arduino 27 Hình 3.10. Module Wifi ESP8266. 28 Hình 3.11. IC giảm áp 3V3 AMS1117. 29 Hình 3.12. Sơ đồ kết nối của AMS1117 và ESP8266. 29 Hình 3.13. Vi điều khiển. 30 Hình 3.14. Các chân của kit Arduino 31 Hình 3.15. Các bộ phận của mạch SMPS trong thực tế 32 viii
8. Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 33 Hình 3.17. Tủ điện tĩnh điện kín nƣớc 34 Hình 3.18. Chậu hoa 34 Hình 3.19. Khung chính của giàn hoa 35 Hình 3.20. Khung phụ và giá đỡ chậu hoa. 36 Hình 3.21. Giá đỡ hệ thống bơm nƣớc điều khiển 36 Hình 3.22. Các đầu chuyển đổi đƣờng nƣớc 37 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí linh kiện 42 Hình 4.2. Layout của mạch 43 Hình 4.3. Lắp ráp các chân bus kết nối 43 Hình 4.4. Mặt sau của board 44 Hình 4.5. Kết nối dây và chạy kiểm tra 44 Hình 4.6. Bố trí mặt trên hộp điều khiển 45 Hình 4.7. Hệ thống giàn hoa sau khi thi công 46 Hình 4.8. Bố trí hệ thống bơm nƣớc điều khiển 47 Hình 4.9. Thi công đƣờng ống dẫn nƣớc 47 Hình 4.10. Hình ảnh mặt trƣớc và sau khi hoàn thành lắp đặt cả hệ thống tƣới cây tự động hoàn chỉnh 48 Hình 5.1. Giao diện ứng dụng Android 76 LIỆT KÊ BẢNG Bảng 2.1. Chọn kiểm tra parity. 18 Bảng 2.2. Độ dài dữ liệu truyền. 18 Bảng 3.1. So sánh giữa LM35 và DS18B20. 22 Bảng 3.2. Thông số của Arduino UNO R3. 29 Bảng 5.1. Kết quả mô phỏng giai đoạn hiệu chỉnh hệ thống 75 Bảng 5.2. Kết quả mô phỏng giai đoạn hoàn thiện hệ thống 77 Bảng 5.3. Chạy thử nghiệm 82 ix
9. LIỆT KÊ SƠ ĐỒ Sơ đồ 3.1. Sơ đồ khối. 21 Sơ đồ 3.2. Sơ đồ chân ATMEGA32. 30 Sơ đồ 3.3. Sơ đồ khối mạch SMPS đơn giản 31 Sơ đồ 4.1. Lƣu đồ 50 x
10. TÓM TẮT Để nông nghiệp thực sự là một thế mạnh của Việt Nam trong bối cảnh hội nhập, có thƣơng hiệu mạnh và đủ sức cạnh tranh ở thị trƣờng trong nƣớc và quốc tế cần phải tiến hành đầu tƣ mạnh mẽ và bài bản cho sản xuất nông nghiệp, mở rộng và phát triển hơn nữa các khu, vùng nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao. Hơn nữa với thời đại công nghệ thông tin phát triển vƣợt bậc nhƣ hiện nay, sóng wifi phủ gần nhƣ 100% ở thành phố lớn nhƣ Hồ Chí Minh thì đó là điều kiện thuận lợi cho Internet of Things - kết nối vạn vật qua Internet phát triển mạnh mẽ. Do vậy nhóm chúng em bao gồm 2 sinh viên: Lƣ An Chiêu và Nguyễn Tƣờng Hân dƣới sự hƣớng dẫn của thầy Nguyễn Văn Hiệp đã tiến hành thi công và thiết kế một mô hình vƣờn hoa mini thông mình có khả năng hoạt động và đƣợc ngƣời dùng giám sát trực tiếp ở bất kỳ nơi đâu và bất cứ lúc nào thông qua sóng wifi. Và thiết bị mà nhóm dùng để giao tiếp với mô hình cũng là một thiết bị mà hiện nay hầu nhƣ ai cũng có đó là smartphone. Nhƣ vậy với một chiếc smartphone có kết nối Internet, chúng ta có thể biết đƣợc vƣờn hoa của mình đang hoạt động nhƣ thế nào, độ ẩm đất của chúng ẩm hay khô, nhiệt độ nóng hay lạnh dù chúng ta không có ở nhà. Và qua đó có thể điều khiển tƣới một cách linh hoạt sao cho vƣờn hoa đƣợc phát triển một cách tốt nhất. xi
11. CHƢƠNG 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chƣơng 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay nƣớc ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động đƣợc đƣa vào phục vụ thay thế sức lao động của con ngƣời. Vì vậy thiết bị tƣới đang đƣợc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đƣa vào thực tiễn ngày đƣợc áp dụng càng nhiều. Thiết bị tƣới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mƣa, phun sƣơng, vòi nhỏ giọt bù áp, vòi không bù áp, dây tƣới nhỏ giọt ) có thông số khác nhau phục vụ cho các loại cây khác nhau đƣợc chế tạo từ nhiều nƣớc nhƣ Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc, sẽ rất thuận tiện cho ngƣời sử dụng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình. Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tƣới tự động sẽ giúp cho con ngƣời có thể tƣới nƣớc, giám sát độ ẩm và nhiệt độ của vƣờn hoa ở bất kỳ nơi đâu. Đồ án “Xây dựng giải pháp IoT cho vƣờn hoa mini” đƣợc xây dựng trên hệ thống nhúng tiêu tốn ít năng lƣợng giao tiếp với con ngƣời thông qua ứng dụng của điện thoại thông minh. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Đồ án “Xây dựng giải pháp IoT cho vƣờn hoa mini” hƣớng đến mục tiêu thiết kế ra một vƣờn hoa, vƣờn rau cho nhà, chung cƣ, văn phòng có diện tích không gian nhỏ hẹp nhƣ ban công, sân, vƣờn. Hệ thống đƣợc động tự động theo điều kiện thời gian, nhiệt độ và độ ẩm của đất trồng, đồng thời hệ thống cũng có thể hoạt động bằng cách điều khiển tay. Các thông số môi trƣờng và trạng thái hoạt động của bơm và valve sẽ đƣợc thể hiện trên điện thoại thông minh. 1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI  Sóng wifi phải luôn đƣợc phủ sóng khi hệ thống hoạt động.  Số lƣợng tầng là 3 tầng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 1
12. CHƢƠNG 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Công suất máy bơm nƣớc là 24V/26W, hệ thống dùng 1 máy bơm.  Công suất valve điện từ là 12V/5W, hệ thống dùng 4 valve, 1 valve để đóng ngắt nguồn nƣớc, 3 valve để đóng ngắt 3 tầng.  Hệ thống sử dụng 3 cảm biến độ ẩm đất và 1 cảm biến nhiệt độ .  Hệ thống sử dụng 5 kênh relay trong 8 kênh của module relay. Làm lãng phí 3 kênh.  Hệ thống cần đƣợc set up mạng wifi trƣớc khi giao tiếp với điện thoại.  Cảm biến độ ẩm đất rất dễ bị ăn mòn khi sử dụng lâu ngày.  Truyền nhận dữ liệu giữa điện thoại và kit nhúng phụ thuộc vào thingspeak. 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU:  NỘI DUNG 1: Các giải pháp thiết kế hệ thống, mô hình tƣới hoa.  NỘI DUNG 2: Thiết kế mô hình  NỘI DUNG 3: Thiết kế hệ thống điều khiển.  NỘI DUNG 4: Thiết kế hệ thống thu thập dữ liệu.  NỘI DUNG 5: Thiết kế ứng dụng android.  NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện 1.5. BỐ CỤC:  Chƣơng 1: Tổng Quan Chƣơng này nói về vấn đề nhóm chọn đề tài, các giới hạn của đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu và bố cục của quyển luận văn.  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết. Chƣơng này nói về nền tảng lý thuyết của các chuẩn giao tiếp, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cũng nhƣ các khái niệm cơ bản có liên quan mà nhóm liệt kệ ra dựa trên mục tiêu của đề tài.  Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Tóan Chƣơng này nói về bái toán thiết kế, lựa chọn linh kiện dựa trên sự so sánh giữa các linh kiện phổ biến và có khả năng đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 2
13. CHƢƠNG 1: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chƣơng này nói về quy trình thi công hệ thống dựa trên các tiêu chí và các linh kiện đã đƣợc chọn ở chƣơng 3.  Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chƣơng này nói về quá trình chạy thực nghiệm của đề tài qua đó nhóm nhận xét, đánh giá và khắc phục.  Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Chƣơng này nói về kết luận của nhóm sau khi khắc phục các lỗi của đề tài ở chƣơng 5 và hƣớng phát triển của đề tài trong tƣơng lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3
14. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. QUY TRÌNH TRỒNG HOA MƢỜI GIỜ 2.1.1. Mô Tả quy trình trồng Hoa mƣời giờ [1] Hoa 10 giờ có tên tiếng Anh là Portulaca hay còn gọi là Moss Roses vì hoa trông nhƣ những đóa hồng nhỏ xinh xinh. Những phiến lá của mƣời giờ rất nhiều, nhỏ và mọng nƣớc. Tên gọi của hoa mƣời giờ xuất phát từ đặc tính nở hoa của cây. Hàng ngày, hoa chỉ nở khi nắng đã đứng bóng khoảng lúc 'mƣời giờ' rồi lại nhanh chóng khép lại khi chiều vừa mới chớm. Cây hoa mƣời giờ đƣợc đánh giá là một loài cây dễ trồng, không tốn công chăm sóc và thích hợp với những ngƣời mới bắt đầu trồng hoa. Đơn giản là vậy nhƣng mƣời giờ cũng sẽ đem lại rất nhiều sự thú vị với những bông hoa sặc sỡ nhiều màu sắc nhƣ đỏ, cam, hồng, vàng, trắng. Chọn đất: Hoa mƣời giờ ƣa hạn nên cần chọn các loại đất thoát nƣớc tốt cũng nhƣ không trữ nƣớc. Thông thƣờng chọn đất cát theo tỉ lệ 2/5 đất, 2/5 cát và 1 phần còn lại có thể pha thêm phân mùn để cung cấp thêm chút dinh dƣỡng cho cây hoa. Tuy vậy, nếu chỉ có đất cát theo tỉ lệ 1:1 thì mƣời giờ vẫn phát triển tốt. Chăm cây: Hoa mƣời giờ cần rất nhiều ánh sáng để quang hợp và phát triển nên cần để ở hƣớng đón đƣợc nhiều nắng nhất. Nếu trồng ngoài vƣờn nên chọn góc quang đãng để mƣời giờ đón trọn đƣợc nắng cả ngày; trồng giò treo cũng nhƣ vậy. Là loài cây ƣa hạn nên mƣời giờ không cần tƣới nhiều, một tuần một lần là vừa đủ. Trong điều kiện ở Việt Nam có mƣa mùa hè thì khi nào thấy đất thật khô mới bắt đầu tƣới. Quá nhiều nƣớc sẽ khiến mƣời giờ rất dễ bị úng cây mà chết. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4
15. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Vị trí thích hợp cho cây phát triển và ra nhiều hoa là các khu vực khô ráo và có nắng trực xạ, không nên để cây tại vị trí ẩm ƣớt hoặc khuất bống sẽ xẩy ra hiện tƣợng thối than, thối rễ và vƣơn dài thƣa mắt. Cắt tỉa: Cắt bớt nhánh mƣời giờ lúc đầu giúp cây có điều kiện mọc thêm nhiều nhánh con để sau cho ra bông nhiều, đều và đẹp. Theo đó, từ một thân cây to đầu, dùng kéo cắt bớt 2/3 cành phía trên. Từ đoạn 1/3 cành phía dƣới sau sẽ cho ra từ 6-10 nhánh tùy đất cũng nhƣ lƣợng dinh dƣỡng, nƣớc và ánh sáng. 2.1.2. Mô Tả quy trình tƣới Hoa mƣời giờ. [2] Tƣới nhỏ giọt là kỹ thuật tƣới cung cấp nƣớc vào đất dƣới dạng các giọt nƣớc nhỏ ra đều đều từ công cụ hay thiết bị tạo giọt đặt tại một số điểm trên mặt đất gần gốc cây. Hệ thống tƣới nhỏ giọt đơn giản bao gồm bồn chứa nƣớc, hệ thống ống dẫn và đầu tƣới nhỏ giọt hay dây nhỏ giọt. Phần điều khiển tự động bao gồm valve điện điều khiển khu vực tƣới, bộ lọc, bộ điều khiển số lần và thời gian tƣới trong ngày. Hệ thống tƣới nhỏ giọt có thể kết hợp với bộ châm phân tự động, cung cấp phân bón khi tƣới tiêu, cách này đƣợc gọi là tƣới bón. Đến nay, hệ thống tƣới nhỏ giọt là biện pháp tƣới tiêu tiết kiệm nƣớc nhất, giảm đến 30-60% nƣớc so với phƣơng pháp tƣới truyền thống. Nông dân có thể mang nƣớc, phân bón đến đúng địa chỉ với liều lƣợng vừa đủ qua hệ thống valve, đƣờng ống, máy bơm và hiện đại hơn là kết nối với hệ thống máy tính kiểm soát. Đặc biệt hơn, còn có đầu cảm ứng cắm vào đất và lắp đặt chung với hệ thống tƣới nhỏ giọt. Đầu này có thể cảm ứng đƣợc độ ẩm của đất và điều khiển quá trình tƣới dựa trên nguyên tắc thông minh của con ngƣời "đất khô thì tƣới, đất ẩm thì ngƣng". 2.2. NỀN TẢNG LÝ THUYẾT: Trƣớc khi tiến hành thiết kế và thi công hệ thống, nhóm liệt kê các nền tảng lý thuyết về phần cứng cũng nhƣ phần mềm có liên quan để nghiên cứu sau đó chọn ra các linh kiện, module, bộ nguồn phù hợp với các yêu cầu đã đề ra. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5
16. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.1. Cảm biến và chuyển đổi ADC: a. Cảm biến:  Giới thiệu về cảm biến: Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó nhƣ các giác quan trong cơ thể con ngƣời. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lƣợng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình định trƣớc có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trƣờng hoạt động. Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và các đại lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lý đƣợc.  Phân loại cảm biến: Các bộ cảm biến đƣợc phân loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đây: Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng: - Hiện tƣợng vật lý: nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, quang đàn hồi, từ điện, nhiệt từ - Hiện tƣợng hoá học: biến đổi hoá học, biến đổi điện hoá, phân tích phổ, biến đổi sinh hoá - Hiện tƣợng sinh học : biến đổi vật lý, hiệu ứng trên cơ thể sống Theo dạng kích thích : - Âm thanh: biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng - Điện: điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ), điện dẫn, hằng số điện môi - Từ: từ trƣờng (biên, pha, phân cực, phổ), từ thông, cƣờng độ từ trƣờng - Quang: biên, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ - Cơ: vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, - Nhiệt: nhiệt độ, thông lƣợng, nhiệt dung, tỉ nhiệt Theo tính năng của bộ cảm biến : độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ chọn lọc, độ tuyến tính, công suất tiêu thụ, BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6
17. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Theo phạm vi sử dụng : công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trƣờng, khí tƣợng, thông tin, viễn thông, nông nghiệp, dân dụng, Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế : + Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. + Cảm biến thụ động đƣợc đặc trƣng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến.  Vai trò - ứng dụng của cảm biến: Cảm biến chuyển đổi các đại lƣợng không điện thành các đại lƣợng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lƣờng điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tƣợng.  Nhiệt độ: Thang đo nhiệt độ: Thang Kelvin : ( Thomson Kelvin – 1852) : Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là oK. Trong thang đo này, ngƣời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nƣớc – nƣớc đá – hơi một giá trị số bằng 273,15 oK. Thang Celsius ( Andreas Celsius 1742) : Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC và một độ Celsius bằng 1 độ Kelvin. Thang Fahrenheit ( Fahrenheit – 1706) : Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nƣớc đá tan là 32oF và điểm nƣớc sôi là 212 oF. Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo: Giả sử môi trƣờng đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhƣng khi đo ta chỉ nhận đƣợc nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo đƣợc. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trƣờng đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trƣờng Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: - Tăng cƣờnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trƣờng đo. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7
18. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trƣờng bên ngoài. Để tăng cƣờng trao đổi nhiệt giữa môi trƣờng có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.  Độ ẩm đất: Độ ẩm của đất là tỷ lệ phần trăm (%) của trọng lƣợng nƣớc chứa trong đất trên trọng lƣợng hạt của đất, ký hiệu là W. Đất khô có độ ẩm W 30%. b. Chuyển đổi ADC: Kiến thức lý thuyết: [3]Trong các ứng dụng đo lƣờng và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng. Dữ liệu trong thế giới của chúng ta là các dữ liệu tƣơng tự (analog). Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 25OC và buổi trƣa là 32 OC, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để có thể đạt mức 32OC từ 25OC, đại lƣợng nhiệt độ nhƣ thế gọi là một đại lƣợng analog. Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng đƣợc tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lƣu lại các giá trị nhiệt độ từ 0oC đến 255 OC, nhƣ chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (28) giá trị nguyên từ 0 đến 255, nhƣ thế các mức nhiệt độ không nguyên nhƣ 28.123OC sẽ không đƣợc ghi lại. Nói cách khác, chúng ta đã “số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital. Quá trình “số hóa” này thƣờng đƣợc thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tƣơng tự - số hay đơn giản là ADC (Analog to Digital Converter). Các bộ chuyển đổi ADC theo phƣơng pháp này đƣợc cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (nhƣ opamp), các bộ so sánh đƣợc mắc song song và đƣợc kết nối trực tiếp BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8
19. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp đƣợc sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh. Hình 2.1 mô tả một bộ chuyển đổi flash ADC có 4 bộ so sánh, Vin là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo. Trong hình do anh hƣởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +15V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-“ của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhƣng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu đƣợc một kết quả số. Một cách tƣơng tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu đƣợc các tổ hợp số khác nhau. Với mạch điện có 4 bộ so sánh nhƣ trong hình 2.1, sẽ có tất cả 5 trƣờng hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin đƣợc chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra, dễ hiểu hơn chúng ta không sử dụng đƣợc các bit Vo trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder). Bảng 2.1 trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ Vo. Hình 2.1. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9
20. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Độ phân giải (resolution): nhƣ trong ví dụ trên, nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tƣơng tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trƣờng hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trƣờng hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải (resolution) càng lớn. Khái niệm độ phân giải đƣợc dùng để chỉ số bit cần thiết để chứa hết các mức giá trị digital ngõ ra. Trong trƣờng hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit. Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao, vì thế các bộ chuyển đổi flash ADC thƣờng có độ phân giải ít hơn 8 bit. Độ phân giải liên quan mật thiết đến chất lƣợng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển. Trong 2 mô tả một ví dụ “số hóa” một hàm sin analog thành dạng digital. Hình 2.2. Analog và digital của hàm sin. Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhƣng có ngƣời muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ ngƣời A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi ngƣời B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai ngƣời này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì ngƣời A đang “phí phạm” tính chính xác của thiết bị. Vấn đề sẽ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 10
21. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT đƣợc giải quyết bằng một đại lƣợng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thƣờng là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi. Trong các bộ ADC, Vref thƣờng là thông số đƣợc đặt bởi ngƣời dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit (độ phân giải) có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu đƣợc sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hƣởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không đƣợc nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhƣng cũng đừng quá lớn. 2.2.2 Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ. Ngày nay, phần lớn hệ thống nhúng của vi điều khiển đƣợc lập trình để ứng dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng, bao gồm cả máy móc, điện thoại, thiết bị ngoại vi, xe hơi, đồ dùng điện lạnh trong gia đình Hình 2.3. Sơ đồ khối của một hệ thống nhúng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 11