Ứng dụng bảng vi mạch Arduino Uno trong nông nghiệp thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

BÁO CÁO
ĐIỆN – ĐIỆN TỬ HÀNG KHÔNG
Chủ đề: Ứng dụng bảng vi mạch Arduino Uno trong
nông nghiệp thông minh
Giảng viên hướng dẫn:

TS. Phạm Gia Điềm

Sinh viên thực hiện:
Họ và tên

MSSV

Bùi Việt Anh

20186027

Lê Minh Hồng

20186049

Vũ Chí Kiên

20186055

Võ Quang Sáng

20186072

Trần Trọng Tuyển

20186080

Nguyễn Văn Ý

20186083

HÀ NỘI, 7/2021
1


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................ 3
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ
THỐNG ................................................................................................................. 6
2.1

PHẦN CỨNG ............................................................................................ 6
Giới thiệu chung về Arduino ...................................................... 6
Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khơng khí DHT11 ........................... 13
Cảm biến độ sáng LM393 ......................................................... 15
Module cảm biến độ ẩm đất HT195 ......................................... 17
Module đo độ PH DFROBOT .................................................. 18
Màn hình LCD 1602 ................................................................. 20
Tấm pin năng lượng mặt trời 12V ............................................ 22
Pin dự trữ năng lượng, bộ sạc, nguồn tổ ong ............................ 24
Máy bơm nước .......................................................................... 27

Đèn quang hợp, đèn sưởi .......................................................... 27
Quạt gió ..................................................................................... 28

2.2

PHẦN MỀM ............................................................................................ 29
Chuẩn giao tiếp One – Wire...................................................... 29
Chuẩn giao tiếp I2C .................................................................. 32

CHƯƠNG 3. CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...... 33
3.1

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG................................................... 33

3.2

TÍNH TỐN THIẾT KẾ ......................................................................... 34
Khối nguồn ................................................................................ 34
Khối hiển thị.............................................................................. 36
Khối Relay ................................................................................ 37
Khối cơ cấu chấp hành .............................................................. 39
Khối cảm biến ........................................................................... 40

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 49
4.1

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC........................................................................... 49

4.2

HẠN CHẾ ................................................................................................ 49

4.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................... 49

2


CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Theo nhiều dự báo, cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại sẽ tạo ra các cơng nghệ
hồn tồn mới là động lực thúc đẩy cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm
hẳn tiêu hao năng lượng và nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao
chất lượng sản phẩm và dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của sản xuất.
Đặc biệt, cuộc cách mạng 4.0 có nhiều tác động đến đời sống xã hội trên nhiều
lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực nơng nghiệp; mặt khác do biến đổi khí hậu ngay
càng ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp, đồng thời do yêu cầu tăng
dân số trong những thập niên tới làm biến đổi sâu sắc ngành nơng nghiệp trên
tồn cầu.
Trong những thập niên qua, tuy mức độ tăng trưởng của ngành nông nghiệp
tương đối cao nhưng vấn không đáp ứng được vấn đề an ninh lương thực toàn
cầu. Dân số thế giới hiện nay khoảng 7,6 tỷ người song tỷ lệ người dân thiếu đói
chiếm 12%, khoảng 876 triệu người; dự kiến sẽ tăng lên 9,8 tỷ vào năm 2050;
sản xuất nông nghiệp sẽ cần tăng 70% để đáp ứng nhu cầu vào thời điểm đó. Như
vậy, u cầu cấp bách cho ngành nơng nghiệp toàn cầu là gia tăng năng suất
nhằm vừa đảm bảo lương thực thực phẩm ăn đủ no cho số người thiếu đói, song
một mặt phải sản xuất các lương thực, thực phẩm có chất lượng có chất lượng
cao phục vụ nhu cầu một thị phần rất lớn khoảng 30 đến 35% dân số là ăn ngon,
ăn bổ và ăn có tính phịng trị bệnh trên tồn cầu hiện nay sẽ gia tăng đột biến

trong tương lai.
Như vậy, giải pháp làm như nào để đảm bảo an ninh lương thực và chất lượng
nơng sản phục vụ tồn cầu quả là bài tốn vơ cùng hóc búa của nhân loại, nhất là
trong bối cảnh tình trạng xung đột và bất ổn, dịch bệnh (như Covid-19 hiện nay)
và biến đổi khí hậu đang diễn biến ngày càng phức tạp, khó lường; đó là bài tốn
đặt ra cho ngành cơng nghiệp trên thế giới nói chung, nơng nghiệp Việt Nam nói
riêng.

3


Vấn đề nghiên cứu của đề tài
Để giải quyết vấn đề trên, nhóm đã tập trung nghiên cứu:
-

Ứng dụng các cảm biến kết nối vạn vật hầu hết các trang trại nông nghiệp
(IoT Sensors); các thiết bị cảm biến và thiết bị thông minh được kết nối và
điều khiển tự động trong suốt q trình sản xuất nơng nghiệp giúp ứng
phó với biến đổi khí hậu, cải thiện vi khí hậu trong nhà kính.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài được đưa ra nghiên cứu như một bản báo cáo về nơng nghiệp thơng minh.
Qua đó, nhóm sẽ đưa ra giải pháp và nghiên cứu ứng dụng Arduino vào phát
triển nông nghiệp thông minh ở Việt Nam. Trong tương lai, những nghiên cứu
của đề tài có thể được mở rộng cho các đơn vị khác hoặc làm tiền đề cho những
nghiên cứu khác.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối với đề tài này, việc xác định đối tượng nghiên cứu và các dữ liệu thông tin
thu thâp và xử lý trong khoảng thời gian như sau:
-

Đối tượng: ứng dụng Arduino trong nông nghiệp thông minh

-

Thời gian: nông nghiệp: 4.0

Cách tiếp cận vấn đề của đề tài
Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu sử dụng để thực hiện đề tài như sau:
-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: đây là phương pháp sử dụng để tìm hiểu
tổng quan về vấn đề nghiên cứu, cũng như các vấn đề còn tồn tại để phục
vụ cho đề tài.

-

Phương pháp quan sát thực tiễn: qua tìm hiểu, vận dụng cơ sở lý thuyết
vào thực tiễn để đánh giá và đề xuất giải pháp.

Bên cạnh đó, nhóm cịn tham khảo các ý kiến của giáo viên hướng dẫn, tổng kết
kinh nghiệm, …
Ý nghĩa của vấn đề nghiên cứu
Việc ứng dụng Arduino trong nông nghiệp thông minh có nhiều lợi ích đã được
chứng minh như:

4


-

Tạo ra sự liên tục trong sản xuất, kinh doanh khơng kể thời gian hay
khơng gian nhờ duy trì các công nghệ quản lý và giám sát tiên tiến

-

Tăng năng lực sản xuất và chất lượng, tiết kiệm nguồn lực, giảm chi phí.

-

Hiệu quả của giám sát, đảm bảo quá trình sản xuất liên tục

-

Tạo ra các sản phẩm mới, dịch vụ mới

-

Tạo cơ hội việc làm cho lao động có kỹ năng

-

Tái cơ cấu nơng nghiệp, đổi chiến lược tăng trưởng từ dựa vào tài nguyên
sang đổi mới và sáng tạo.

Tổng quan tình hình của đề tài
Nơng nghiệp thơng minh trên thế giới làm biến đổi nền nông nghiệp thế giới sâu
sắc
Nông nghiệp 4.0 sự phát triển diễn ra đồng thời với phát triển của thế giới là giai
đoạn ứng dụng mạnh mẽ các thiết bị cảm biến kết nối internet (IoT), công nghệ

đèn LED, các thiết bị bay khơng người lái, robot cơng nghiệp và quản trị tài
chính trang trại thông minh …
Việt Nam tiếp cận nông nghiệp thông minh như thế nào cho phù hợp?
Mặc dù các thành phần cấu thành nông nghiệp thông minh 4.0 như trên, song
thực tê sản xuất ở Việt Nam tùy thuộc vào vùng sinh thái; loại cây trồng; quy mô
sản xuất. do đó trang trại khơng nhất thiết phải ứng dụng tất cả các thành phần
cơng nghệ nêu trên mà có thể sử dụng các công nghệ phù hợp với mục tiêu, yêu
cầu sản xuất của trang trại; phải hướng đến mục tiêu hiệu quả kinh doanh là
chính, song việc ứng dụng IoT là công nghệ cốt lõi cần và đủ phải sử dụng ở tất
cả trang trại nông nghiệp thông minh 4.0v

5


CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN
CHÍNH CỦA HỆ THỐNG
2.1 PHẦN CỨNG
Giới thiệu chung về Arduino
Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người
tự chế ra sản phẩm của mình) trên tồn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống
với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người
dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thơng lên đến đại học
đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ
biến.

Hình 1: Những thành viên khởi xướng Arduino
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các
trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng;
hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK
dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị

khác?

6


Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các
thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm
nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với
một ngơn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am
hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức
giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng
$30, người dùng đã có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác
và điều khiển chừng ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua
vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào
năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư
Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường
Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như khơng được tiếp thị gì
cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền
miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi
có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi đã sản sinh ra Arduino.
Board Arduino UNO R3

Hình 2: Arduino UNO R3

7


Board Arduino Uno là một trong những board phổ biến nhất, cơ bản nhất của
Arduino. Nhắc đến Arduino thì người ta hiểu mặc định là nhắc đến Arduino

UNO. Chữ "R3" nghĩa là thế hệ (phiên bản) thứ 3.
Arduino Uno là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị
các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch
mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và
đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các
bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự
hành, điều khiển bật tắt led…).
Bảng 1: Chi tiết thông số Arduino UNO R3
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)
8


Vi điều khiển
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như
điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một
trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì
cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng
USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Các chân năng lượng
•

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này
phải được nối với nhau.

•

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dịng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

•

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

•

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.

•

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể
được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy bạn khơng
được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng
phải là cấp nguồn.

•

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

9


•

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số

này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần
quá 20KB bộ nhớ này đâu.

•

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn
khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng
cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ
RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên
SRAM sẽ bị mất.

•

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và
ghi dữ liệu của mình vào đây mà khơng phải lo bị mất khi cúp điện giống
như dữ liệu trên SRAM.

Các cổng vào/ra

Hình 3: Các cổng Arduino UNO R3

10


Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi
chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

•

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết
bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na
chính là kết nối Serial khơng dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn
không nên sử dụng 2 chân này nếu khơng cần thiết

•

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM
với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng
hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được
điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và
5V như những chân khác.

•

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài
các chức năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu
bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

•

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối
với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên

board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.
Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân
analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
Lập trình cho Arduino
11


Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn ngữ
này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại
là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là
C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngơn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát
triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ
biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì
việc lập trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát
triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một mơi trường lập trình
Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như
hình dưới đây.

Hình 4: Arduino IDE

12


Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm khơng khí DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì chi
phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây
truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn

có được dữ liệu chính xác mà khơng phải qua bất kỳ tính tốn nào.

Hình 5: Cảm biến DHT11
Thơng số kỹ thuật
• Điện áp hoạt động: 3.3V đến 5V (DC).
• Dải nhiệt độ đo: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C.
• Dải độ ẩm đo: 20% - 90% RH, sai số ± 5% RH.
• Tần số lấy mẫu: 1Hz, nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.
• Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 – Wire.
• Dịng tối đa: 2.5mA.
• Kích thước: 28 x 12 x 10 mm.
Chức năng các chân của DHT 11
• Chân VCC: cực dương.
• Chân GND: cực âm.
• Chân DOUT: chân tín hiệu.
Ngun lý hoạt động
Chúng bao gồm một linh kiện cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ NTC (hoặc
nhiệt điện trở) và một IC ở phía sau của cảm biến.

13


Hình 6: Linh kiện điện tử của DHT11
Để đo độ ẩm, họ sử dụng thành phần cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất giữ
ẩm giữa chúng. Vì vậy, khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn của chất nền thay đổi hoặc
điện trở giữa các điện cực này thay đổi. Sự thay đổi điện trở này được đo và xử
lý bởi IC khiến cho vi điều khiển luôn sẵn sàng để đọc.

Hình 7. Các lớp trong cảm biến DHT11
Mặt khác, để đo nhiệt độ, các cảm biến này sử dụng cảm biến nhiệt độ NTC hoặc

nhiệt điện trở.

14


Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với sự thay đổi
của nhiệt độ. Những cảm biến này được chế tạo bằng cách thiêu kết các vật liệu
bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổi lớn hơn trong điện
trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ. Thuật ngữ có tên là “NTC” có nghĩa
là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

Hình 8. Nguyên lý hoạt động DHT11
Cảm biến DHT11 có ba chân, VCC, GND, chân dữ liệu. Cần có một điện trở từ
5K đến 10K Ohms để giữ cho đường dữ liệu ở mức cao và để cho phép giao tiếp
giữa cảm biến và Board Arduino.
Cảm biến DHT11 có giao thức dây đơn riêng được sử dụng để truyền dữ liệu.
Giao thức này yêu cầu thời gian chính xác và sơ đồ thời gian để lấy dữ liệu từ các
cảm biến có thể được tìm thấy từ board dữ liệu của các cảm biến. Tuy nhiên,
không phải lo lắng nhiều về các sơ đồ thời gian này bởi vì chúng ta sẽ sử dụng
thư viện DHT.

Cảm biến độ sáng LM393
Module LM393 sử dụng bộ so sánh điện áp LM393 chất lượng cao. Dễ dàng lắp
đặt bằng cách sử dụng cảm biến điện trở cảm quang loại nhạy, tín hiệu đầu ra của
bộ so sánh cho dạng sóng tốt và ổn định. Có thể điều chỉnh độ nhạy thơng qua
chiết áp, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: điều khiển bật tắt

15

thiết bị theo ánh sáng, hệ thống cảnh báo chống trộm, đèn led chiếu sáng tự
động...
Thơng số kỹ thuật:
•

Chiết áp điều chỉnh độ nhạy của quang trở

•

Điện áp làm việc: 3.3-5VDC

•

Đầu ra: Đầu ra Digital DO (0 và 1) hoặc Analog AO

•

Sử dụng IC LM393

•

Kích thước: 3.2cm x 1.4cm

Hình 9 Module cảm biến ánh sáng LM393
Các chân kết nối của module LM393
• VCC: Chân nguồn vào 3.3~5 VDC
• GND: Nối đất
• AO: Đầu ra tín hiệu dạng Analog
• DO: Đầu ra tín hiệu dạng Digital
Ngun lý hoạt động

• Cảm biến quang điện trở nhạy nhất với ánh sáng môi trường, thường được
sử dụng để phát hiện cường độ của ánh sáng xung quanh.
• Khi mức ánh sáng xung quanh chưa đạt đến ngưỡng, DO ở mức cao. Khi
mức ánh sáng xung quanh vượt quá ngưỡng được thiết lập, đầu ra DO ở
mức thấp.
16


• Đầu ra DO có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển hoặc các module
khác (có thể là các mạch điều khiển ánh sáng).
•

Đầu ra AO có thể được kết nối với vi điều khiển thông qua chức năng
ADC, có thể nhận được các giá trị cường độ ánh sáng xung quanh chính
xác hơn.

Module cảm biến độ ẩm đất HT195
Module cảm biến độ ẩm đất Relay được sử dụng nhằm đo độ ẩm của đất trồng
cây nhằm mục đích theo dõi độ ẩm, tưới tiêu cho cây trồng…

Hình 10. Cảm biến HT195
Thơng số kỹ thuật:
•

Điện áp hoạt động: 12VDC.

•

Tích hợp cảm biến đo độ ẩm trên mạch.

•

Có led báo nguồn và báo trạng thái kích relay.

•

Có biến trở tùy chỉnh độ nhạy cảm biến.

•

Tích hợp relay trên mạch.

•

Cơng suất relay: 2000W - 10A (250VAC)

•

Thích hợp đóng ngắt thiết bị AC/DC theo nhu cầu sử dụng.

•

Kích thước mạch: 50 x 26mm.

•

Kích thước cảm biến: 20 x 60mm.
17

Nguyên lý hoạt động
Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Mạch cảm biến
độ ẩm của đất gồm 2 bộ phận:
•

Bộ phận cảm biến độ ẩm được cắm thẳng xuống đất

•

Bộ phận điều chỉnh độ nhạy nằm phía trên mặt đất

Khi cấp nguồn, led báo nguồn sáng,
•

Board mạch tích hợp 1 mạch phân áp và 1 mạch so sánh sử dụng opam.

•

Mạch phân áp đưa tín hiệu đầu ra analog đưa vào chân so sánh của mạch
opam và chân đầu ra analog.

•

Mạch so sánh có chức năng so sánh và đưa tính hiệu logic (1 or 0) ở đầu
ra digital. Ngoài ra board cịn tích hợp 2 led gồm led báo nguồn và led báo
trạng thái.

•

Ở chân digital output: Mạch hoạt động như sau: Cài đặt ngưỡng so sánh

bằng biến trở. Điện trở của cảm biến tỷ lệ thuận với độ ẩm, độ ẩm càng
cao điện trở càng cao, mặt khác theo sơ đồ phân áp, điện áp đầu ra mạch
phân áp tỉ lệ thuận với điện trở cảm biến, vậy độ ẩm đất tỷ lệ thuận với
điện áp đầu ra. 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.

Module đo độ PH DFROBOT
Cảm biến đo độ PH dùng để đo pH được thiết kê đặc biệt cho Arduino có các
chức năng và các cổng kết nối nên việc sử dụng rất đơn giản và tiện lợi với chi
phí thấp hiệu quả cao. Để sử dụng chỉ cần kết nối các cảm biến pH với đầu nối
BNC và cắm cổng giao tiếp PH2.0 vào cổng Analog của bất kì bộ điều khiển
Arduino.

18


Hình 11. Module đo độ PH DFROBOT
Thơng số kỹ thuật:
•

Điện áp hoạt động: +5V

•

Dải đo: 0-14PH

•

Đo nhiệt độ: 0-60 ℃

•

Độ chính xác: ± 0.1pH (25 ℃)

•

Thời gian đáp ứng: ≤1min

•

Cảm biến pH loại đầu nối BNC

•

Giao diện PH2.0 (3-pin SMD

•

Gain điều chỉnh chiết áp

Ngõ ra cảm biến đo ở đơn vị milivolts, tỉ lệ với độ pH theo bảng sau (ở 25 ℃):

19


Bảng 2. Tỉ lệ độ PH

(mV)

pH

(mV)

pH

414.12

0.00

-414.12

14.00

354.96

1.00

-354.96

13.00

295.80

2.00

-295.80

12.00

236.64

3.00

-236.64

11.00

177.48

4.00

-177.48

10.00

118.32

5.00

-118.32

9.00

59.16

6.00

-59.16

8.00

0.00

7.00

0.00

7.00

Các chân cắm
•

VCC: Nguồn vào 5V

•

GND: Nối đất

•

PH: Chân tín hiệu

Sơ đồ ngun lý

Hình 12. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến

Màn hình LCD 1602

Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất
nhiều các ứng dụng của mạch điều khiển. LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với
20


các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ
họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau,
tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ…

Hình 13.Màn hình LCD 1602
Thơng số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:
- Điện áp MAX: 7V
- Điện áp MIN: - 0,3V
- Hoạt động ổn định: 2.7-5.5V
- Điện áp ra mức cao: > 2.4
- Điện áp ra mức thấp: <0.4V
- Dòng điện cấp nguồn: 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động: - 30 - 75 độ C

Hình 14. Cổng kết nối của màn hình
21


Chức năng của từng chân LCD 1602:
- Chân số 1 - VSS: chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều
khiển
- Chân số 2 - VDD: chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch
điều khiển
- Chân số 3 - VE: điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân số 4 - RS: chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1":

+ 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 LCD
- Chân số 5 - R/W: chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic
“0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 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 này
như sau:
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi
phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên
(low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E
xuống mức thấp
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thơng
tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu
được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu
được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)
- Chân số 15 - A: nguồn dương cho đèn nền
- Chân số 16 - K: nguồn âm cho đèn nền

Tấm pin năng lượng mặt trời 12V
Tấm pin năng lượng mặt trời có chức năng hấp thu ánh nắng từ mặt trời, biến đổi
quang năng thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều (DC). Dòng điện từ pin
năng lượng mặt trời có thể sử dụng trực tiếp cho hệ thống đồng thời sạc vào
pin/ắc quy để tích trữ.
22


Hình 15. Tấm pin mặt trời
Thơng số kỹ thuật

Cơng suất

Pmax 50W

Điện áp hở mạch

Voc 21.6V

Dòng ngắn mạch

Isc

Điện áp danh định

Vmp 17.8V

Dòng danh định

Imp

3.08A

2.78A

Chủng loại Pin (cell)

Pin Silic đơn tinh thể (monocrystalline)

Cấu tạo tấm pin mặt trời

Kính-EVA-Cell-EVA-TPT & Khung nhơm

Chất lượng sản phẩm

IEC 61215, IEC 61730, TUV

Nhiệt độ hoạt động

Tpv

– 40 ~ 80oC

Kích thước

710 × 540 × 30mm

Trọng lượng

6 kg

Bảo hành

5 năm
23


Tuổi thọ sản phẩm

Từ 30 năm đến 50 năm

Đặc điểm cấu tạo của tấm pin mặt trời mono 50W:
•

Cấu tạo của tấm pin mono mini 50W từ những tế bào quang điện Silic
đơn tinh thể (monocrystalline) phân bố đồng đều hiệu suất cao nên khi
đưa vào sử dụng.

•

Thiết kế gọn nhẹ, đợn giản với khung hợp kim nhơm và kính cường lực
Kính-EVA-Cell-EVA-TPT cứng cáp, độ bền cao, đảm bảo chất lượng CE,
TUV, ISO 9001.

•

Các tấm pin năng lượng kiểu đơn tinh thể mang đến hiệu quả cao hơn
loại đa tinh thể, hoạt động tốt hơn ở các mức độ ánh sáng thấp hơn, kể cả
những lúc trời nắng ít.

•

Mặt kính chống phản xạ, hiệu suất tăng 2% mức bình thường, có chức
năng tự làm sạch. Các tế bào PV được làm đồng nhất, đảm bảo hiệu suất
cao của các mô-đun năng lượng mặt trời và tạo ra công suất tối đa

Pin dự trữ năng lượng, bộ sạc, nguồn tổ ong
Để vận hành hệ thống một cách ổn định, đạt được độ bền cao. Nhóm chọn cho hệ
thống pin dự trữ loại Li-ion 12V 30Ah

Hình 16. Pin Lithium

Thơng số kỹ thuật pin lithium 12V - 30Ah
•

Kích thước: 75 * 120 * 200mm
24


•

Khối lượng pin: Khoảng 1,8kg

•

Màu sắc: Xanh lam

•

Dòng xả liên tục: 20A

•

Điện áp giới hạn dưới: 7,5V

•

Điện áp giới hạn trên: 12,6V

BMS (Hệ thống quản lý pin): BMS tích hợp cho các chức năng quá dòng, quá xả,
quá sạc, đoản mạch, kết nối phân cực trục trặc, hỗ trợ chức năng cân bằng

Hình 17. Hệ thống quản lý pin
Bộ Điều Khiển Sạc Pin Năng Lượng Mặt Trời 12V là thiết bị cần thiết để sạc
acquy bằng tấm pin năng lượng mặt trời. Điện được sinh ra từ tấm pin năng
lượng mặt trời (điện áp (V) và dòng (A)), sẽ được bộ điều khiển sạc năng lượng
mặt trời điều khiển một cách tối ưu các thơng số điện áp và dịng cho phù hợp
với việc sạc acquy, giúp quá trình sạc đạt được hiệu suất cao nhất và bảo vệ,
nâng cao tuổi thọ của acquy trong quá trình sử dụng bằng quy trình sạc thơng
minh PWM.
Thơng số kỹ thuật
•

Điện áp: 12V/24V

•

Dịng: nạp / xả: 10A

•

Cơng suất PIN mặt trời: Loại 10A: 130W (12V) – 260W (24V)

•

Đầu ra USB: 5V/2A max

•

Màn hình hiển thị LCD
25