BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI Thiết kế chế tạo Dataloger nhiệt ẩm đất giám sát qua Sim Giáo viên hướng dẫn PGS.
TỔNG QUAN
Tổng quan về thiết bị đo đa kênh data logger
Một bộ thu thập dữ liệu là một thiết bị điện tử được dùng để ghi lại các đo lường được theo thời gian
Một bộ thiết bị trạng thái rắn được sử dụng để đo lường và ghi nhận các đầu vào tương tự hoặc kỹ thuật số từ các cảm biến và dụng cụ khác Những thiết bị này thường tự động đo các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp lực, dòng chảy, mức độ, tốc độ gió, hướng gió và nhiều đặc tính vật lý khác.
Dữ liệu logger đã có sự tiến bộ vượt bậc trong những năm gần đây, với các thiết bị nhỏ gọn như logger kênh đơn có kích thước không lớn hơn một hộp diêm, nhưng vẫn có khả năng lưu trữ tới 32.000 đọc nhiệt độ Các logger dữ liệu 4 và 8 kênh sử dụng bộ nhớ flash vẫn giữ được kích thước nhỏ gọn và giá cả hợp lý, đồng thời có tuổi thọ pin lên đến 2 năm.
Hầu hết các loại dữ liệu logger đi kèm với phần mềm để tải về dữ liệu đến máy
PC hiển thị kết quả dưới dạng đồ thị và bảng, đồng thời cho phép xuất dữ liệu sang MS Excel và các ứng dụng khác Phần mềm độc quyền được sử dụng để chương trình logger dữ liệu với tốc độ lấy mẫu và thời gian đăng nhập Dữ liệu thường được tải về trực tiếp từ logger dữ liệu máy tính, nhưng nhiều loại logger dữ liệu cũng có thể được điều khiển từ xa qua Ethernet, vô tuyến điện năng thấp, GSM, GPGS hoặc điện thoại Một số mô hình logger dữ liệu còn có khả năng xuất bản trực tiếp dữ liệu lên các trang web.
2.2.2 Phân loại và thành phần hệ thống thu thập dữ liệu
Logger dữ liệu là thiết bị ghi âm độc lập, không cần máy tính để lưu trữ dữ liệu Có nhiều loại logger dữ liệu, nhưng chúng chủ yếu được chia thành hai loại chính.
Nhỏ gọn pin dữ liệu logger để sử dụng tại địa điểm từ xa hoặc trong ứng dụng mà trọng lượng và không gian là rất quan trọng.
Lớn đa kênh dữ liệu logger là thiết bị quan trọng dùng để lưu trữ một lượng lớn dữ liệu từ nhiều cảm biến và nguồn đầu vào bên ngoài.
Một hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm các thành phần chính như sau:
- Các bộ thu thập dữ liệu tại điểm đo (data logger).
- Phần mềm thu thập và xem dữ liệu tại trung tâm.
- Mạng truyền thông (GSM, LAN, VPN).
2.1.3 Một số ứng dụng thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh
Do tính linh hoạt của data logger, thiết bị này đã trở thành công cụ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu học thuật, y tế, sinh học, vật lý, kỹ thuật, xây dựng, điện và khoa học môi trường Các loại data logger được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm dầu khí, xây dựng dân dụng, khoa học, hàng không vũ trụ, làm vườn và y tế.
Một số ứng dụng thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh:
- Nhiệt độ dữ liệu logger – để sử dụng trong văn phòng và bệnh viện.
- Nhiệt độ và độ ẩm logger dữ liệu cho đo lường trong viện bảo tàng và nhà kho.
- Nhiệt độ, mưa, tốc độ gió và hướng, bức xạ mặt trời và áp lực barometric dữ liệu logger để đo lường trong trạm thời tiết từ xa.
- Nhiều đầu vào dữ liệu logger máy đo lường rung động, định hướng và di chuyển trong robot và các phương tiện điều khiển từ xa,…
Tổng quan về Arduino
Giới thiệu về board mạch Arduino UNO R3
Hình 2.1:Board mạch Arduino UNO R3
Arduino UNO R3 là một bo mạch vi điều khiển nổi bật trong dòng sản phẩm Arduino, được phát hành vào năm 2011 Đây là phiên bản thứ ba và cũng là phiên bản mới nhất của bảng Arduino, được ưa chuộng trong các dự án điện tử và lập trình.
Mạch kit này được phát triển dựa trên ATmega328P với mục đích kiểm soát và giữ bộ vi điều khiển
Arduino Uno R3 được kết nối với máy tính qua cáp USB và sau khi lắp đặt, có thể sử dụng pin hoặc bộ chuyển đổi AC-DC để cung cấp điện cho mạch kit Khi kết nối thành công, mạch sẽ được kích hoạt và bắt đầu hoạt động.
Vai trò của mạch kit Arduino UNO R3
Arduino UNO R3 được phát triển để tương thích với phần mềm Arduino IDE 1.0, và đây là phiên bản sửa đổi mới nhất, phiên bản thứ ba của Arduino Uno Mạch kit này có một số cải tiến đáng chú ý.
- Chip điều khiển USB được thay đổi từ ATmega8U2 (flash 8K) thành
ATmega16U2 (flash 16K) Điều này không làm tăng flash hoặc RAM có sẵn cho các bản phác thảo.
Bài viết giới thiệu việc trang bị thêm ba chân mới cho bảng mạch, trong đó có hai chân I2C (A4, A5) được bố trí gần AREF Ngoài ra, một chân IOREF cũng được thêm vào bên cạnh chân đặt lại, đóng vai trò là bản sao của chân 5V.
- Nút đặt lại hiện nằm bên cạnh đầu nối USB, giúp dễ tiếp cận hơn khi sử dụng tấm chắn.
Ngoài ra, mạch kit này cũng đóng vai trò quan trọng và chính trong bảng bảng USB- Arduino.
Mạch kit Arduino Uno R3 nổi bật với khả năng thay đổi bộ vi điều khiển, giúp người dùng dễ dàng khắc phục sự cố hoặc lỗi gặp phải Bên cạnh đó, bộ kit này còn cung cấp nhiều tính năng tuyệt vời cho người sử dụng.
- Tích hợp sẵn trong DIP (gói nội tuyến kép).
- Khả năng điều khiển ATmega328.
Arduino dễ dàng tải lập trình và có một cộng đồng hỗ trợ lớn cùng với bộ thư viện phong phú Sự kết hợp này, cùng với các "lá chắn" phần cứng bổ sung, làm cho Arduino trở thành lựa chọn tuyệt vời cho những người mới bắt đầu trong lĩnh vực thiết bị điện tử nhúng.
2.2.1 Thông số kỹ thuật Arduino UNO R3
Hình 2.2: Thông số Kỹ thuật của Arduino Uno R3
Mạch kit Arduino Uno R3 có 20 chân đầu vào và đầu ra kỹ thuật, trong đó bao gồm 6 chân đầu ra PWM và 6 chân đầu vào PWM Ngoài ra, mạch còn được trang bị bộ cộng hưởng 16 MHz, kết nối USB, giắc cắm nguồn, tiêu đề lập trình hệ thống trong mạch (ICSP) và một nút đặt lại.
Mạch kit này nổi bật với việc không sử dụng chip điều khiển FTDI USB-to-serial như các bo mạch trước Thay vào đó, nó tích hợp ATmega16U2 được lập trình làm bộ chuyển đổi USB-to-serial, kèm theo bộ nạp khởi động USB riêng, giúp người dùng thực hiện quy trình lập trình nâng cao.
Việc cung cấp năng lượng cho Arduino có thể thực hiện thông qua nguồn điện bên ngoài khi không có kết nối USB, với điện áp từ 6 đến 20 volt, thường là pin hoặc bộ chuyển đổi AC sang DC Để kết nối bộ chuyển đổi, chỉ cần cắm phích cắm dương trung tâm (2,1mm) vào giắc nguồn trên bo mạch Ngoài ra, các cực của pin cũng có thể được kết nối vào các chân Vin và GND trên bảng Arduino.
Vin là chân đầu vào điện áp cho Arduino khi sử dụng nguồn điện bên ngoài, khác với điện áp từ kết nối USB hoặc nguồn RPS đã được điều chỉnh Sử dụng chân này cho phép cung cấp điện áp cho Arduino một cách hiệu quả.
RPS có khả năng cung cấp năng lượng cho bộ vi điều khiển và các thành phần trên bảng Arduino thông qua điện áp đầu vào qua một bộ điều chỉnh.
3,3 V Điện áp cung cấp 3,3 có thể được tạo ra với bộ điều chỉnh trên bo mạch và dòng rút cao nhất sẽ là 50 mA.
Vi điều khiển ATmega328 có bộ nhớ 32 KB, trong đó 0,5 KB được dành cho bộ tải khởi động Nó còn bao gồm 2 KB SRAM và 1 KB EEPROM, cung cấp khả năng lưu trữ linh hoạt cho các ứng dụng.
Mạch kit Arduino Uno R3 sở hữu 14 chân kỹ thuật số, cho phép người dùng linh hoạt sử dụng chúng làm đầu vào hoặc đầu ra Việc điều khiển các chân này có thể được thực hiện thông qua các hàm như pinMode(), digitalRead() và digitalWrite().
Các chân của Arduino hoạt động với điện áp 5V và có khả năng cho hoặc nhận dòng điện lên đến 20mA, với điện trở kéo lên từ 20k đến 50k ohm Dòng điện tối đa cho phép trên mỗi chân là 40mA, và việc vượt quá giới hạn này có thể gây hư hỏng cho bộ vi điều khiển Ngoài ra, một số chân còn tích hợp các chức năng đặc biệt.
Chân TX (1) và RX (0) trên bảng Arduino là các chân nối tiếp, cho phép truyền dữ liệu nối tiếp TTL Việc kết nối chúng với các chân tương đương của chip TTL ATmega8 U2 USB có thể dễ dàng thực hiện.
Các chân ngắt bên ngoài
Module SIMCOM 7670
Module SIMCOM 7670 là một module tích hợp mạch chuyển đổi nguồn đầu vào từ 4.5V-16V cho module SIM hoạt động cách tiện lợi nhất có thể.
Phiên bản chi tiết TDM-A7670C-LASS
Kiểu ra chân Header 7 chân Điện áp hoạt động 4.5-16V
Kiểu khay sim NANO SIM, push-push
LED báo hiệu Nguồn, Mạng
Nhiệt độ hoạt động -40-85 độ
TCP/IP/IPV4/IPV6/Multi- PDP/FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/DNS
Bảng 2.1: Thông số Kỹ thuật của Module SIMCOM 7670C
Thứ tự chân kết nối:
Pin 1: DTR Data Terminal Ready
Pin 2: NET - Status signal for network connection status
Pin 3: PEN: Power enable, default pull up, power on Held low for power off module. Pin 4: SIM RX
Cảm biến nhiệt độ
2.4.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ
Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ phản ánh động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử trong vật thể Khi hai vật tiếp xúc, năng lượng giữa các phân tử sẽ được trao đổi cho đến khi động năng của chúng bằng nhau.
Các thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celeius (°C), thang đo Kelvin (K), thang đo Fahrenheit (°F), thang đo Rankine (°R)
2.4.2 Các phương pháp đo nhiệt độ Đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor: Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cảm là điốt và tranzitor mắc theo kiểu điốt (nối cực base và collector) phân cực thuận với dòng không đổi Điện áp giữa hai cực sẽ là hàm nhiệt độ Người ta lợi dụng sự thay đổi tuyến tính của chuyển tiếp P-N đối với nhiệt độ để chế tạo ra các điốt và tranzitor chuyên dùng làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt độ. a) Điốt; b) Tranzitor mắc thành điốt; c) Hai tranzitor mắc thành điốt
Hình 2.4: Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor
Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở theo nhiệt độ, được biểu diễn qua công thức R = f(t) Cuộn dây điện trở thường được đặt trong ống bảo vệ, và chất liệu vỏ ngoài có thể là kim loại, thủy tinh hoặc gốm, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Cảm biến IC đo nhiệt độ hoạt động dựa trên mạch tích hợp, chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Nhờ vào tính nhạy của bán dẫn với nhiệt độ, tín hiệu này tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối, cho phép xác định giá trị nhiệt độ cần đo Ngoài ra, việc đo nhiệt độ cũng có thể thực hiện bằng cặp nhiệt điện, được cấu tạo từ hai dây dẫn khác nhau.
A và B được làm từ các vật liệu khác nhau, tạo ra sức điện động ET1T2A/B tại hai điểm tiếp xúc có nhiệt độ T1 và T2 Thông thường, một trong hai mối hàn cố định sẽ được sử dụng làm chuẩn với nhiệt độ T = Tref Nhiệt độ T2 của mối hàn thứ hai sẽ đạt giá trị Tc chưa biết khi được đặt trong môi trường nghiên cứu Nhiệt độ Tc phụ thuộc vào nhiệt độ Tx (Tx: T2) và các quá trình trao đổi khác.
Nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện là để hạn chế tiếp xúc ngoài mối nối, hai dây dẫn được bảo vệ trong vỏ cách điện bằng sứ Vỏ cách điện này thường được bọc thêm lớp bảo vệ để ngăn chặn sự xâm nhập của khí và biến đổi nhiệt độ, với chất liệu có thể là sứ hoặc thép Khi sử dụng lớp vỏ thép, mối nối có thể được cách ly hoặc tiếp xúc với vỏ, mang lại lợi ích về tốc độ phản hồi nhanh nhưng cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro hơn.
Cảm biến độ ẩm
2.5.1 Tổng quan về độ ẩm Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong một thể tích hỗn hợp dạng khí nhất định Các đơn vị phổ biến nhất dùng để tính độ ẩm tuyệt đối là gam trên mét khối (g/m3), tất nhiên điều này không có nghĩa là ta không được thay thế chúng bằng các đơn vị đo khối lượng hoặc đo thể tích khác. Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào với hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính theo đơn vị là % Định nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa Khi hơi nước bão hòa Khi hơi nước bão hòa, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương.
2.5.2 Phân loại cảm biến đo độ ẩm
Loại thứ nhất: dựa trên hiện tượng vật lý cho phép xác định độ ẩm (ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly).
Loại thứ hai: dựa trên tính chất của vật có liên quan đến độ ẩm (ẩm kế trở kháng)
Ẩm kế biến thiên trở kháng là loại cảm biến sử dụng các chất hút ẩm để đo độ ẩm môi trường, với tính chất điện (điện trở, điện dung) phụ thuộc vào độ ẩm Các cảm biến này được chia thành hai loại chính: ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện.
+ Ẩm kế hấp thụ: Nguyên lý làm việc dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số
Quá trình đo độ ẩm bằng ẩm kế quang bắt đầu bằng việc nung nóng dung dịch muối cho đến khi áp suất hơi bão hòa bằng áp suất hơi của không khí bình thường Nhiệt độ này cho phép xác định áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương (Ts), với mục tiêu chọn dung dịch muối bão hòa sao cho áp suất hơi bão hòa nhỏ nhất ở nhiệt độ cho trước Nhiệt độ hóa sương là mức nhiệt độ cần thiết để làm lạnh không khí ẩm đến trạng thái bão hòa, tại đó áp suất hơi (Ph) bằng áp suất hơi bão hòa (Pbh(T)) Nguyên lý hoạt động của ẩm kế quang dựa vào việc điều chỉnh nhiệt độ bề mặt gương phản chiếu chính xác thông qua thiết bị điện, với nhiệt độ gương được thiết lập tại ngưỡng Ts.
Không khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và hệ thống điều khiển làm lạnh gương, sử dụng hiệu ứng Peltier hoặc ni tơ lỏng, cho đến khi ngưng tụ xuất hiện Khi sương mù hình thành trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang, kích thích bộ phát tín hiệu để làm nóng gương thông qua hệ điều khiển Khi nhiệt độ gương tăng lên, lớp sương biến mất, đồng thời kết thúc quá trình hiệu chỉnh, cho phép nhận được lớp ngưng tụ cần thiết Cảm biến nhiệt độ đặt sau gương giúp xác định chính xác nhiệt độ của gương.
Cảm biến nhiệt độ SHT3X
2.6.1 Tổng quan về cảm biến SHT3X
Cảm biến SHT3X là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản, với khả năng đo độ ẩm và nhiệt độ Dòng cảm biến này tích hợp nhiều chức năng và cung cấp nhiều loại ngõ ra khác nhau như I2C và Analog Voltage Output Đặc biệt, SHT3X hoạt động trong dải điện áp rộng từ 2,15 đến 5,5 V, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
Mỗi cảm biến SHT3X được hiệu chỉnh chính xác trong các phòng thí nghiệm, đảm bảo độ ẩm hiệu chuẩn cao Các hệ số hiệu chuẩn được lưu trữ trong bộ nhớ OTP, hỗ trợ quá trình phát hiện tín hiệu nội bộ Giao diện nối tiếp dây giúp tích hợp hệ thống nhanh chóng và dễ dàng Với kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ điện năng thấp, SHT3X là sự lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng, kể cả những yêu cầu khắt khe nhất Hơn nữa, cảm biến còn thuận tiện trong việc kết nối và có thể cung cấp các gói tùy chỉnh theo yêu cầu của người sử dụng.
2.6.2 Tính năng của cảm biến SHT3X
Chi phí thấp và ổn định lâu dài, cùng với khả năng đo độ ẩm tương đối và nhiệt độ chính xác, tạo nên chất lượng tuyệt vời cho sản phẩm Hệ thống đáp ứng nhanh, có khả năng chống nhiễu mạnh mẽ và khoảng truyền tín hiệu dài, cung cấp đầu ra tín hiệu kỹ thuật số với độ chính xác cao và hiệu chỉnh chính xác.
Ngõ ra I²C, Voltage Out Điện áp hoạt động 2.15 - 5.5 V
Năng lượng tiờu thụ 4.8àW (ở 2,4 V, độ lặp lại thấp, 1 phộp đo/ s)
Dải đo độ ẩm 0 - 100% RH
Dải đo nhiệt độ -40 to +125°C (-40 to +257°F)
Bảng 2.2: Thông số Kỹ thuật của SHT3X
2.6.3 Các ứng dụng của cảm biến SHT3X
Thử nghiệm và thiết bị kiểm tra đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như ô tô, hàng tiêu dùng và y tế Sử dụng logger dữ liệu giúp thu thập thông tin chính xác, trong khi điều khiển tự động và trạm thời tiết hỗ trợ quản lý môi trường hiệu quả Các thiết bị gia dụng như máy hút ẩm và hệ thống điều chỉnh nhiệt độ cũng góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.
Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor
Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) là thiết bị quan trọng trong các hệ thống tưới nước tự động và vườn thông minh, giúp xác định độ ẩm của đất Thiết bị này hoạt động thông qua đầu dò, cung cấp giá trị độ ẩm dưới dạng tín hiệu Analog và Digital qua hai chân kết nối, cho phép giao tiếp hiệu quả với các hệ thống điều khiển.
Vi điều khiển để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau.
Hình 2.6: Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC
Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng.
Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
GND GND của nguồn ngoài
DO Đầu ra tín hiệu số (mức cao hoặc mức thấp)
AO Đầu ra tín hiệu tương tự (Analog)
Bảng 2.3: Sơ đồ chân của Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor
Cảm biến độ ẩm đất (Soil Moisture Sensor) được ứng dụng rộng rãi trong các dự án tưới hoa tự động, đặc biệt khi không có người quản lý khu vườn Ngoài ra, thiết bị này còn hỗ trợ trong việc trồng cây và các hệ thống tưới tiêu tự động, giúp duy trì độ ẩm cần thiết cho cây trồng một cách hiệu quả.
Màn hình hiển thị LCD 16x2
LCD, viết tắt của Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng), có nhiều loại với kích thước khác nhau, như LCD 16x1 (16 cột, 1 hàng) và LCD 16x2 (16 cột, 2 hàng) Trong số đó, LCD 16x2 là loại phổ biến nhất trên thị trường hiện nay.
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD được ứng dụng rộng rãi trong các vi điều khiển nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội LCD cho phép hiển thị đa dạng ký tự, bao gồm chữ, số và đồ họa, đồng thời dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau Ngoài ra, LCD tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành hợp lý Trong quá trình sản xuất, các nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển vào bên trong lớp vỏ và cung cấp các chân giao tiếp cần thiết.
1 Vss Chân nối đất cho LCD, nối chân này với GND của mạch điều khiển.
2 VĐ Chân cấp nguồn cho LCD, nối dây này với VCC=5V của mạch điều khiển.
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản LCD.
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
-Logic “0”:Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD ( ở chế độ “ghi”- write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc”- read) -Logic “1”:Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-
DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.
Trong chế độ ghi, dữ liệu trên bus sẽ được LCD chuyển vào và lưu trữ trong thanh ghi nội bộ khi phát hiện xung chuyển từ cao xuống thấp của tín hiệu chân E.
DB7 Có chế độ sử dụng 8 đường bus này:
-Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.
-Chế độ 4 bit: dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit
15 - Nguồn dương cho đèn nền
Bảng 2.4: Sơ đồ chân LCD 16x2
LCD có hai chế độ giao tiếp: chế độ 4 bit và chế độ 8 bit Trong chế độ 4 bit, chỉ sử dụng 4 chân D4 đến D7 để truyền dữ liệu, trong khi chế độ 8 bit sử dụng tất cả 8 chân từ D0 đến D7 Khi truyền một byte trong chế độ 4 bit, nửa cao của byte sẽ được truyền trước, sau đó mới đến nửa thấp Trước khi gửi các ký tự ra màn hình LCD, cần thiết lập LCD bằng cách chọn chế độ phù hợp.
4 bit hoặc 8 bit, 1 dòng hay 2 dòng, bật/tắt con trỏ,…
Module thẻ nhớ (SD Card)
2.9.1 Tổng quan module thẻ nhớ
Module SD Card cho phép kết nối với thẻ nhớ Micro SD Card có kích thước tiêu chuẩn 11mm x 15mm, mở rộng khả năng lưu trữ của hệ thống một cách đáng kể Việc sử dụng SD Card giúp cải thiện hiệu suất tính toán và lưu trữ kết quả so với việc kết nối trực tiếp với máy tính Đặc biệt, giao tiếp với SD Card rất hiệu quả khi làm việc với bộ ADC và UART trong thời gian dài.
Mô-đun Mini SD Card là sản phẩm Micro SD (TF) từ DFRobot, tương thích với thẻ SD TF, loại thẻ nhỏ nhất hiện có trên thị trường Mô-đun này có nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm ghi dữ liệu, phát âm thanh, video và đồ họa.
Module này có giao diện SPI và 5V cung cấp điện năng tương thích với Arduino UNO/Mega.
Module SD Card giúp chúng ta có thể phát triển các ứng dụng liên quan đến việc Đọc/Ghi thẻ SD một cách nhanh chóng.
Module có thể dễ dàng giao tiếp với Arduino, vi điều khiển ARM thông qua giao tiếp nối tiếp.
Bảng 2.5: Chân SD Card Module
2.9.2 Thông số kỹ thuật của Mini SD Card Module
Hỗ trợ sẵn các chân ngõ ra: CS, SCK, MOSI, MISO.
2.9.3 Ứng dụng của Mini Sd Card Module
Lưu trữ cơ sở dữ liệu cho các hệ thống giải trí, điều khiển, máy móc,…
Thẻ SD là thiết bị lưu trữ phổ biến, được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích như lưu trữ ảnh, video và dữ liệu trên các thiết bị khác nhau, bao gồm máy ảnh số, máy quay phim, máy nghe nhạc và điện thoại.
Giao tiếp với thẻ SD Card sử dụng 9 chân kết nối, bao gồm Clock, Command, 4 chân Data và 3 chân nguồn, với tần số tối đa lên đến 50MHz nhờ vào điệp áp thấp Khối điều khiển giao tiếp cũng tương thích với thẻ Multimedia, với sự khác biệt chủ yếu nằm ở quy trình khởi tạo giữa hai loại thẻ này.
Hình 2.9: Sơ đồ chân thẻ nhớ SD Card
Pin SD mode SPI mode
1 CD/DAT3 Card detect/Data line[Bit 3] CS Chip Select
2 CMD Command/Response DI Dữ liệu vào
3 VSS1 Supply voltage ground VSS Nối đất
4 VĐ Supply voltage VDD Cung cấp nguồn
6 VSS2 Supply voltage ground VSS2 Nối đất
7 DAT0 Data line[Bit 0] DO Dữ liệu ra
Bảng 2.6: Các chân trong 2 chế độ của SD Card
Mạch Thời Gian Thực RTC DS1307
Module RTC DS1307 là một thiết bị lưu trữ thông tin về ngày, tháng, năm, cũng như giờ, phút, giây Nó hoạt động như một chiếc đồng hồ và có khả năng xuất dữ liệu ra ngoài thông qua giao thức I2C.
Module RTC DS1307 là một thiết bị thời gian thực, đi kèm với pin đồng hồ có khả năng lưu trữ thông tin lên đến 10 năm mà không cần nguồn 5V bên ngoài Ngoài ra, module còn tích hợp EEPROM AT24C32, cho phép lưu trữ thêm thông tin lên đến 32KBit.
Hình 2.10 : Module thời gian thực RTC DS1307
IC chính: RTC DS1307 + EEPROM AT24C32
Lưu trữ và cung cấp các thông tin thời gian thực: ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây,
Có pin backup duy trì thời gian trong trường hợp không cấp nguồn.
Có ngõ ra tần số 1Hz.
DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Sinh viên nghiên cứu vi điều khiển Arduino UNO R3 và tìm hiểu các thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm như cảm biến SHT3X và cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor Họ cũng khám phá nguyên lý hoạt động của các cảm biến này, phương pháp truyền dữ liệu vào thẻ nhớ SD, và xây dựng thuật toán truyền tín hiệu đa kênh Cuối cùng, sinh viên viết chương trình điều khiển thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh một cách hiệu quả.
Thiết bị nghiên cứu
- Cảm biến nhiệt ẩm SHT3X.
- Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor.
- Module thời gian thực RTC DS1307.
- Và các linh kiện khác v.v,,,
Bước 1: Tìm hiểu mô hình “Thiết bị thu thập dữ liệu Dataloger nhiệt - ẩm đất giám sát qua Sim” trong thực tiễn
Step 2: Explore the essential knowledge of the Arduino Uno R3 kit, familiarize yourself with the Arduino IDE programming language, and understand the operational principles of the SHT3X temperature and humidity sensor, as well as the Soil Moisture Sensor.
Bước 3: Cài đặt phầm mềm, thư viện cần thiết để lập trình
Bước 5: Thiết kế và thi công mô hình
Bước 6: Chạy thử mô hình, kiểm tra và đánh giá kết quả thực hiện.
Sơ đồ tổng quát
Trong đồ án “Thiết kế chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu DATALOGER nhiệt - ẩm đất giám sát qua Sim”, thiết kế phần cứng của mạch hệ thống được chia thành 5 khối cơ bản.
Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho bộ điều khiển hệ thống và các khối mạch khác, đảm bảo hoạt động ổn định Yêu cầu chính đối với khối nguồn là tính ổn định và điện áp cung cấp phải phù hợp với các khối chức năng khác Trong trường hợp này, nguồn sử dụng là Adapter 9V 2A.
Khối điều khiển Arduino Uno R3 đóng vai trò là trung tâm xử lý trong hệ thống, chịu trách nhiệm tiếp nhận tín hiệu từ các cảm biến và truyền dữ liệu đến Sim.
- Khối cảm biến: có chức năng chuyển đổi giá trị cảm biến sang tín hiệu điện.
- Khối hiển thị: có chức năng hiển thị kết quả ra LCD.
- Khối giao tiếp: giao tiếp với máy tính thông qua SIM.
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - KẾT QỦA NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO NGHIỆM
Thực hiện đề tài
Đồ án “Thiết kế chế tạo thiết bị thu thập dữ liệu DATALOGER nhiệt - ẩm đất giám sát qua Sim” bao gồm việc thiết kế phần cứng của mạch hệ thống, được chia thành 5 khối cơ bản.
Khối nguồn cung cấp điện cho bộ điều khiển hệ thống và các mạch khác, yêu cầu tính ổn định và điện áp phù hợp với các khối chức năng Sử dụng Adapter 9V 2A để đảm bảo hoạt động ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Khối điều khiển Arduino Uno R3 đóng vai trò là trung tâm xử lý trong hệ thống, tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và truyền dữ liệu đến Sim.
- Khối cảm biến: có chức năng chuyển đổi giá trị cảm biến sang tín hiệu điện.
- Khối hiển thị: có chức năng hiển thị kết quả ra LCD.
- Khối giao tiếp: giao tiếp với máy tính thông qua SIM.
Bảng 4.1: Sơ đồ hệ thống Khối tổng quát thiết bị đo
4.1.2 Lưu đồ giải thuật Đầu tiên khởi tạo arduino cũng như thư viện của các module và giao tiếp Software Serial giữa arduino với
SIMCOM 7670C Sau đó ta khởi tạo các hàm LCD và kiểm tra xem các lệnh
Đã hoàn tất giao tiếp AT của module SIMCOM chưa? Nếu có, hãy xác nhận cài đặt đã hoàn tất; nếu chưa, quay lại hàm khởi tạo AT để kiểm tra và khắc phục lỗi.
Trong vòng lặp void loop, các cảm biến sẽ được quét và kiểm tra liên tục để xác định hoạt động của chúng Nếu cảm biến hoạt động, dữ liệu sẽ được gửi lên màn hình LCD.
ThingSpeaks Server Cứ như vậy thì cảm biến sẽ lần lượt đọc thông số dữ liệu của cảm biến và đưa lên LCD cũng như ThingSpeaks Server thông qua
SIMCOM7670C đã giao tiếp với
Arduino trước đó đồng thời cập nhật thời gian và lưu dữ liệu vào thẻ SD
Bảng 4.2: Lưu đồ thuật toán
4.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị thu thập tín hiệu
The sensor transmits the collected data to the Arduino UNO R3, which processes and verifies the information before sending it to the SD Card Module for storage in a Notepad file Additionally, the data is displayed on a 16x2 LCD and uploaded to the web platform ThingSpeak.
4.3 Sơ đồ liên kết giữa Arduino với các linh kiện
Hình 4.1: Sơ đồ toàn mạch
4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu thập dữ liệu
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển thiết bị thu thập dữ liệu trên Proteus
Sau khi chạy thử nghiệm trên test board, mạch hoạt động ổn định, tương đối chính xác, em tiến hành thiết kế mạch in bằng phần mềm Proteus.
Hình 4.3: Thiết kế mạch in
Mạch in sau khi được gia công:
Hình 4.4: Mạch in sau khi được gia công
Mạch bên trong Thiết bị Dataloger:
Hình 4.5 : Mạch bên trong thiết bị Dataloger
Hình 4.6 : Hình ảnh bên trong thiết bị
Hình 4.7: Thiết Bị thực tế
4.7 Kết quả hiển thị lên web Thingspeak
Hình 4.8: Hình ảnh hiển thị lên WEB Thingspeak
4.8 Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
Hình 4.9: Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
Sơ đồ liên kết giữa Arduino với các linh kiện
Hình 4.1: Sơ đồ toàn mạch
4.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu thập dữ liệu
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển thiết bị thu thập dữ liệu trên Proteus
Sau khi chạy thử nghiệm trên test board, mạch hoạt động ổn định, tương đối chính xác, em tiến hành thiết kế mạch in bằng phần mềm Proteus.
Hình 4.3: Thiết kế mạch in
Mạch in sau khi được gia công:
Hình 4.4: Mạch in sau khi được gia công
Mạch bên trong Thiết bị Dataloger:
Hình 4.5 : Mạch bên trong thiết bị Dataloger
Hình 4.6 : Hình ảnh bên trong thiết bị
Hình 4.7: Thiết Bị thực tế
4.7 Kết quả hiển thị lên web Thingspeak
Hình 4.8: Hình ảnh hiển thị lên WEB Thingspeak
4.8 Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
Hình 4.9: Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
Thiết kế mạch
Sau khi chạy thử nghiệm trên test board, mạch hoạt động ổn định, tương đối chính xác, em tiến hành thiết kế mạch in bằng phần mềm Proteus.
Hình 4.3: Thiết kế mạch in
Mạch in sau khi được gia công:
Hình 4.4: Mạch in sau khi được gia công
Mạch bên trong Thiết bị Dataloger:
Hình 4.5 : Mạch bên trong thiết bị Dataloger
Hình 4.6 : Hình ảnh bên trong thiết bị
Hình 4.7: Thiết Bị thực tế
4.7 Kết quả hiển thị lên web Thingspeak
Hình 4.8: Hình ảnh hiển thị lên WEB Thingspeak
4.8 Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
Hình 4.9: Kết quả thu được được lưu vào Notepad lưu trữ trong SD Card
LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Kết luận
Sau nhiều tháng nghiên cứu, tôi đã hoàn thành đề tài “THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU DATA LOGGER nhiệt - ẩm đất giám sát qua Sim” đúng hạn Đề tài này không chỉ giải quyết được các vấn đề về nội dung mà còn đáp ứng yêu cầu về hình thức Đây là một dự án tổng hợp, bao gồm thiết kế thi công mạch và kỹ thuật lập trình.
Về phần cứng, em đã tổng quan về arduino, module SIMCOM 7670C, module
SD Card, các linh kiện khác,
Về phần mềm, em dùng phần mềm Arduino IDE để viết chương trình cho
Arduino để đọc các giá trị khi nhận tín hiệu từ các cảm biến thông qua module
+ Có thể đo, hiển thị giá trị nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều điểm đồng thời.
+ Hiền thị cùng lúc trên LCD 16x2 và Web
+ Hệ thống hoạt động tương đối ồn định
+ Mô hình nhỏ, gọn gàng, dễ sử dụng
+ Giao diện WEB Thingspeak đẹp, dễ truy cập cho mọi điện thoại và máy tính có kết nối mạng.
+ Lưu dữ liệu của cảm biến vào thẻ nhớ SD dưới file Notepad.
+ Hình thức tương đối tốt dễ dàng sử dụng.
+ Tín hiệu của bộ Module Sim vẫn còn phụ thuộc vài chất lượng của sóng.
+ Bộ điều khiển chưa được sử dụng trong thời gian dài nên chưa đánh giá được sự ổn định của bộ điều khiển.
Do những vấn đề kinh tế, việc sử dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm hiện tại còn hạn chế về độ chính xác Để có thể thương mại hóa thiết bị một cách rộng rãi, cần thiết phải chuyển đổi sang loại cảm biến có độ chính xác cao hơn.
Vì vậy em có một vài ý kiến riêng trong mô hình sau này để hiện đại hơn:
Hệ thống giám sát có khả năng mở rộng chức năng giám sát và điều khiển thông qua điện thoại thông minh Người dùng có thể lấy dữ liệu đã được cập nhật lên Web để phát triển một ứng dụng, giúp giám sát dữ liệu chỉ cần thay đổi chương trình Arduino.
Hướng phát triển
https://advancecad.edu.vn/tai-lieu-huong-dan-arduino-free/
https://www.simcom.com/product/A7670X.html
https://123docz.net//document/333214-dong-ho-thoi-gian-thuc-dung-ds- 1307.htm
http://linhkienagv.com/lap-trinh-arduino-sd-card/
https://epcb.vn/blogs/news/cam-bien-nhiet-do-do-am-so-sht3x
http://arduino.vn/bai-viet/917-cam-bien-dat-va-nhung-ung-dung-hay-cua-no
https://www.youtube.com/watch?v=ob4-WuTBH_Y
