Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm, cường độ gió, cường độ sáng qua SMS dùng nguồn pin và sạc bằng năng lượng mặt trời

i TRANG BÌA i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 3 tháng 1 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Trọng Hoàng MSSV: 14141112 Võ Đình Luân MSSV: 14141181 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 141 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 Lớp: 14141DT3B và 14141DT1C I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, CƯỜNG ĐỘ GIÓ, CƯỜNG ĐỘ SÁNG QUA SMS DÙNG NGUỒN PIN VÀ SẠC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu:  Nhóm nghiên cứu cách lập trình Module trên phần mềm Arduino IDE.  Nghiên cứu tài liệu về cách tính vận tốc. 2. Nội dung thực hiện:  Nội dung 1: Tìm hiểu về module sim 800L, encoder, nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cường độ sáng BH1750.  Nội dung 2: Tìm hiểu về pin năng lượng mặt trời và cách nạp cho pin từ pin năng lượng mặt trời.  Nội dung 3: Thiết kế và tính toán thiết kế mạch phần cứng.  Nội dung 4: Thi công phần cứng, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng.  Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện của mô hình.  Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện.  Nội dung 7: Bảo vệ luận văn. ii III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/10/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/01/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Đình Phú CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 3 tháng 1 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Trọng Hoàng Lớp: 14141DT3B MSSV: 14141112 Họ tên sinh viên 2: Võ Đình Luân Lớp: 14141DT1C MSSV: 14141181 Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM, CƯỜNG ĐỘ GIÓ, CƯỜNG ĐỘ SÁNG QUA SMS DÙNG NGUỒN PIN VÀ SẠC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 1 (08/10 – 14/10) Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án. Tiến hành chọn đề tài. GVHD tiến hành xét duyệt đề tài. Tuần 2 (15/10 – 21/10) Viết đề cương tóm tắt nội dung đồ án. Tuần 3 (22/10 – 28/10) Tìm hiểu về module Arduino Mega 2560, module DHT11. Tuần 4 (29/10 – 04/11) Tìm hiểu Về module SIM800L Tuần 5 (05/11 – 11/11) Tìm hiểu về encoder Tuần 6 (12/11 – 18/11) Tìm hiểu về pin mặt trời và cách sạc cho pin từ pin mặt trời Tuần 7 (19/11 – 25/11) Tiến hành lập trình phần mềm cho hệ thống iv Tuần 8 (26/11 – 02/12) Tiến hành lập trình phần mềm cho hệ thống Tuần 9 (03/12 – 09/12) Mô phỏng mạch, kiểm tra và cân chỉnh mạch Tuần 10 (10/12 – 16/12) Vẽ PCB Tuần 11 (17/12 – 23/12) Tiến hành thi công mạch, kiểm tra mạch thi công Tuần 12 (24/12 – 30/12) Viết báo cáo những nội dung đã làm Tuần 13 (31/12 – 06/12) Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy ThS. Nguyễn Đình Phú dựa vào một số tài liệu và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có bất kỳ sự gian lận nào chúng tôi xin chịu trách nhiệm về nội dung đồ án của mình. Người thực hiện Lê Trọng Hoàng Võ Đình Luân vi LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Đình Phú đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện, góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu cho em thực hiện tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình dạy dỗ, chỉ bảo, cung cấp những kiến thức nền chuyên môn làm cơ sở và cũng như tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên và luôn luôn bên cạnh trong những lúc khó khăn nhất. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn sinh viên khoa Điện-Điện tử đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện Lê Trọng Hoàng Võ Đình Luân vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ v LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... vi MỤC LỤC ......................................................................................................................... vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ ............................................................................................................ ix LIỆT KÊ BẢNG ................................................................................................................. xi TÓM TẮT .......................................................................................................................... xii Chương 1. TỔNG QUAN .................................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................ 1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ................................................................................................... 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...................................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN .................................................................................................................. 2 1.5 BỐ CỤC ĐỒ ÁN ........................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................................... 4 2.1 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ...................................................................................... 4 2.1.1 Tổng quan về module SIM800L .......................................................................... 4 2.1.2 Tổng quan về module Arduino Mega 2560 ......................................................... 6 2.1.3 Tổng quan về module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 .............................. 12 2.1.4 Tổng quan về module cường độ sáng BH1750 ................................................. 17 2.1.5 Tổng quan về màn hình LCD 20x4 ................................................................... 21 2.1.6 Tổng quan về tấm pin năng lượng mặt trời ....................................................... 28 2.1.7 Tổng quan về pin lion dự trữ năng lượng .......................................................... 30 2.1.8 Tổng quan về Encoder ....................................................................................... 33 2.1.9 Module hạ áp LM2596 ...................................................................................... 35 2.1.10 Mạch sạc pin 3S ............................................................................................... 37 2.2 GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN GIAO TIẾP ONE - WIRE............................................ 38 2.2.1 Giới thiệu giao tiếp One – Wire ......................................................................... 38 2.2.2 Cách thức hoạt động .......................................................................................... 39 viii 2.3 GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN GIAO TIẾP I2C ........................................................... 40 2.3.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 40 2.3.2 Cách thức hoạt động .......................................................................................... 43 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 47 3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ............................................................... 47 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................. 47 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .............................................................................. 47 3.2.2 Tính toán thiết kế ............................................................................................... 48 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................................ 55 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 57 4.1 GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 57 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................................... 58 4.2.1 Thi công bo mạch .............................................................................................. 58 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ............................................................................................ 60 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ................................................................. 63 4.3.1 Đóng gói, thiết kế mô hình ................................................................................ 63 4.3.2 Thi công mô hình ............................................................................................... 63 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ........................................................................................ 65 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ................................................................................................ 65 4.4.2 Giới thiệu phần mềm lập trình hệ thống ............................................................ 69 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG THAO TÁC ..................................... 72 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ......................................................................... 72 Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ........................................................ 73 5.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC........................................................................................... 73 5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ................................................................................... 74 5.3 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ .................................................................................. 79 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 80 6.1 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 80 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 81 PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 82 ix LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Sơ đồ chân module SIM800L. .............................................................................. 4 Hình 2.2 Arduino Mega 2560 .............................................................................................. 7 Hình 2.3 Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 ......................................................................... 10 Hình 2.4 Sơ đồ chân module DHT11 ................................................................................ 13 Hình 2.5 Cách thức hoạt động ........................................................................................... 14 Hình 2.6 Bit 0 .................................................................................................................... 16 Hình 2.7 Bit 1 .................................................................................................................... 16 Hình 2.8 Cách truyền bit.................................................................................................... 17 Hình 2.9 Đáp ứng quang phổ............................................................................................. 18 Hình 2.10 Độ rọi – Kết quả đo lường ................................................................................ 18 Hình 2.11 Hình ảnh thực tế module BH1750 .................................................................... 19 Hình 2.12 Sơ đồ khối module BH1750 ............................................................................. 19 Hình 2.13 Hình ảnh thực tế LCD 20x4 ............................................................................. 22 Hình 2.14 Bảng mã kí tự ................................................................................................... 25 Hình 2.15 Cấu tạo tấm pin năng lượng mặt trời ................................................................ 29 Hình 2.16 Cấu tạo bề mặt tấm pin năng lượng mặt trời .................................................... 29 Hình 2.17 Cấu tạo pin Li-ion ............................................................................................. 31 Hình 2.18 Quy trình nạp .................................................................................................... 32 Hình 2.19 Quy trình xả ...................................................................................................... 33 Hình 2.20 Nguyên lý hoạt động encoder ........................................................................... 34 Hình 2.21 Module Encoder ............................................................................................... 35 Hình 2.22 Module LM2596 ............................................................................................... 36 Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý module LM2596 .................................................................... 37 Hình 2.24 Mạch sạc 3S ...................................................................................................... 37 Hình 2.25 Kết nối mạch sạc với pin .................................................................................. 38 Hình 2.26 Cấu trúc địa chỉ của các thiết bị tớ theo chuẩn One - Wire .............................. 39 Hình 2.27 mô tả hoạt động của chuẩn One - Wire ............................................................ 40 Hình 2.28 Cấu trúc trong mỗi giao dịch ( Transaction) .................................................... 41 Hình 2.29 Điều kiện bắt đầu. ............................................................................................. 42 Hình 2.30 Điều kiện kết thúc ............................................................................................. 43 Hình 2.31 Cách thức hoạt động ......................................................................................... 44 Hình 2.32 Cách thức hoạt động ......................................................................................... 45 Hình 2.33 Cách thức hoạt động ......................................................................................... 45 Hình 2.34 Cách thức hoạt đông ......................................................................................... 46 Hình 2.35 Cách thức hoạt động ......................................................................................... 46 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................ 47 x Hình 3. 2 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ............................................................................ 49 Hình 3.3 Sơ đồ thiết kế SIM800L với Arduino ................................................................. 51 Hình 3.4 Sơ đồ thiết kế DHT11 với Arduino .................................................................... 52 Hình 3.5 Sơ đồ thiết kế BH1750 với Arduino. .................................................................. 53 Hình 3.6 Sơ đồ thiết kế encoder với Arduino .................................................................... 54 Hình 3.7 Sơ đồ thiết kế khối hiển thị ................................................................................. 55 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ................................................................................ 56 Hình 4.1 Mạch in của mạch điện ....................................................................................... 58 Hình 4.2 Mạch PCB 3D lớp dưới ...................................................................................... 59 Hình 4.3 Mạch PCB 3D lớp trên ....................................................................................... 59 Hình 4.4 Board mạch lớp dưới .......................................................................................... 62 Hình 4.5 Board mạch lớp trên ........................................................................................... 62 Hình 4.6 Mặt hình nhìn từ trên xuống ............................................................................... 64 Hình 4.7 Mặt hình nhìn từ mặt bên ................................................................................... 64 Hình 4.8 Lưu đồ chương trình chính ................................................................................. 66 Hình 4.9 Lưu đồ chương trình con kiểm tra tin nhắn ........................................................ 67 Hình 4.10 Lưu đồ chương trình con tính vận tốc .............................................................. 68 Hình 4.11 Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD ............................................................ 69 Hình 4.12 Phần mềm lập trình Arduino IDE ..................................................................... 70 Hình 4.13 Cách download phần mềm ............................................................................... 71 Hình 4.14 Giao diện phần mềm. ........................................................................................ 71 Hình 4.15 Vùng lệnh của phần mềm ................................................................................. 72 Hình 5.1 Sản phẩm thi công. ............................................................................................. 74 Hình 5.2 Gửi tin nhắn Gui để xem giá trị cảm biến .......................................................... 75 Hình 5.3 Dữ liệu của cảm biến thu được ........................................................................... 76 Hình 5.4 Che cảm biến sáng và gió ................................................................................... 77 Hình 5.5 Thực nghiệm hệ thống ........................................................................................ 78 xi LIỆT KÊ BẢNG Bảng Trang Bảng 2.1 Tập lệnh AT điều khiển cuộc gọi ......................................................................... 5 Bảng 2.2 Tập lệnh AT điều khiển tin nhắn ......................................................................... 5 Bảng 2.3 Điều kiện vận hành của BH1750 ....................................................................... 17 Bảng 2.4 Điều kiện vận hành ............................................................................................ 18 Bảng 2.5 Kiến trúc tập lệnh ............................................................................................... 20 Bảng 2.6 Giải thích chế độ đo lường ................................................................................. 21 Bảng 2.7 Chức năng chân của LCD .................................................................................. 22 Bảng 2.8 Chức năng chân RS và R/W .............................................................................. 24 Bảng 2.9 Tập lệ