Tp chớ Khoa hc v Phỏt trin 2011: Tp 9, s 1: 120 - 130 TRNG I HC NễNG NGHIP H NI
THIếT Kế V CHế TạO Mô đUn Xử Lý TíN HIệU ĐO NHIệT Độ, Độ ẩM
V CƯờNG Độ áNH SáNG Sử DụNG TRONG Hệ THốNG ĐIềU KHIểN
QUá TRìNH SảN XUấT RAU TRONG NH LƯớI
Design and Manufacture Signal Processing Modules to Measure Temperature,
Relative Humidity and Light Intensity for the Control Systems in
a Vegetable Net House
Nguyn Vn Linh, Ngụ Trớ Dng
Khoa C in, Trng i hc Nụng nghip H Ni
a ch email tỏc gi liờn lc:
[email protected]
TểM TT
Trong sn xut nụng nghip, trng rau trong nh li l mt k thut mi ti Vit Nam. K thut
ny cho phộp cỏc nh vn cú th iu chnh c mụi trng trng, nhm iu tit cỏc thụng s
mụi trng nh nhit , m, cng ỏnh sỏng, phự hp vi tng thi k sinh trng phỏt
trin ca cõy rau. T ú gúp phn nõng cao nng sut v cht lng sn phm rau thng phm. Tuy
nhiờn, mt trong nhng khú khn i vi quỏ trỡnh iu chnh mụi trng nh li l vic o cỏc
thụng s mụi trng. Cỏc thit b nhp khu cú th gii quyt c vn nhng giỏ thnh tng
i cao. Nghiờn cu c tin hnh gii quyt khú khn ny. S dng PT100, HS1101 v quang
tr, nghiờn cu ó ch to c cỏc module x lý tớn hiu o nhit , m v cng ỏnh sỏng,
n gin, d s dng, chi phớ thp, vi tớn hiu ra theo chun cụng nghip 5V. Nghiờn cu cú th
bc u gii quyt c cỏc khú khn cho cỏc nh vn Vit Nam.
T khoỏ: Cng ỏnh sỏng, m, nhit , x lý tớn hiu.
SUMMARY
In agricultural practice, planting vegetables in net house is an innovative technology in Vietnam.
This allows gardeners to adjust the net houses environment, which regulates satisfactorily
environmental parameters such as temperature, relative humidity and light intensity in each
vegetables growth and development period. As a result, it improves the commercial vegetables
quantity and quality. Nonetheless, one of difficulties in controlling net houses environment is to
measure the environmental parameters. Imported devices are the solution, but they are very
expensive. The study was conducted to solve this issue. The signal processing modules that could

đòi hỏi nhiều sự cố gắng v công sức lao động
(Izzatdin Abdul Aziz v cs., 2008). Trong thập
kỷ 1990, nhiều hệ thống giám sát các thông
số môi trờng trong nh lới đã đợc phát
triển. Nhng do sự thiếu hiểu biết v không
đợc đo tạo nên các hệ thống ny vẫn l mơ
ớc của ngời nông dân (van Heten, 2005).
Bên cạnh đó, trong hoạt động trồng rau
trong nh lới hiện đại, việc điều khiển các
thông số môi trờng đợc coi l vấn đề quan
trọng ảnh h
ởng đến sự phát triển v năng
suất cả về số lợng v chất lợng của cây
trồng (John, 1999; van Heten, 2005). Trên
thực tế, để điều khiển đợc các thông số ny
đòi hỏi phải đo v giám sát đợc chúng.
Trong những năm qua, các hệ thống điều
chỉnh môi trờng nh lới đã đợc phát triển
v các hệ thống đó đã sử dụng đa dạng các
loại cảm biến khác nhau, kết hợp với các
mạch gia công xử lý tín hiệu đo. Theo Hiromi
Eguchi v cs. (1984), Pt100 đợc sử dụng để
đo nhiệt độ v một mạch biến dung đợc
dùng trong đo độ ẩm, sai số 3%. Theo
Carrara v cs. (2008), việc giám sát nhiệt độ
v độ ẩm đợc thực hiện nhờ cảm biến
SHT11. Trong hệ thống đợc phát triển bởi
Anuj Kamar v cs. (2010), LM35 đợc sử
dụng để đo nhiệt độ, HIH4000 dùng để đo độ
ẩm v LDR đợc sử dụng để quan sát ánh

C đến 90
o
C, độ ẩm từ 30% đến
100% v cờng độ ánh sáng từ 10000 lux đến
80000 lux.
2. VậT LIệU V PHƯƠNG PHáP
NGHIÊN CứU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
2.1.1. Đo nhiệt độ
Trong nghiên cứu ny, PT100 đợc sử
dụng để đo nhiệt độ. PT100 l nhiệt kế điện
trở platium có phạm vi đo nhiệt độ khá rộng
(từ -200
o
C đến 400
o
C). Do có phạm vi đo
rộng, PT100 đợc sử dụng trong nhiều
ngnh khoa học nh hoá học, vật lý, sinh
học, khoa học đất, môi trờng, đồng thời
cũng có thể đợc sử dụng trong việc đo nhiệt
độ của nớc v các hoá chất khác nhau.
PT100 đợc ứng dụng chủ yếu trong công
nghiệp, lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao của
phép đo nhiệt độ. ở phép đo phạm vi nhiệt
độ thấp, PT100 có độ chính xác khá cao.
121
Nguyn Vn Linh, Ngụ Trớ Dng

205


73 5
(pf ) C@55%(1,25.10 .RH 1,36.10 .

=
123
RH 2,19.10 .RH 9,00.10 )

++
Trong đó:
C(pf) - điện dung của cảm biến tại độ ẩm
tơng đối %RH, F
C@55% - điện dung của cảm biến tại độ
ẩm tơng đối 55% v có giá trị
trung bình, 180 pF (Hiromi
Eguchi, v cs., 1984).
RH - độ ẩm tơng đối, %
Nh vậy, nếu đo đợc giá trị điện dung
của cảm biến HS1101 tại thời điểm đo, hon
ton có thể tìm đợc độ ẩm tơng đối của
không khí bằng việc giải phơng trình trên.
Trong thực tế, việc đo điện dung của tụ
điện bằng phơng pháp đo trực tiếp khá
phức tạp, nên nghiên cứu ny chọn phơng
pháp đo gián tiếp.
2.1.3. Đo ánh sáng
Quang trở (LDR) đợc sử dụng để đo ánh
sáng trong nghiên cứu ny. Đây l thiết bị có
điện trở thay đổi theo cờng độ ánh sáng.
2.2. Phơng pháp nghiên cứu


170

165

160
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(a)
(b)
m tng i (%)
in dung (pF)
122
Thit k v ch to mụ un x lý tớn hiu o nhit , m v cng ỏnh sỏng s dng
đa lên hệ thống giám sát v điều khiển ta
phải tìm đợc mối quan hệ giữa điện áp đầu
ra v nhiệt độ. Thông thờng để cho đơn
giản ngời ta đa mối quan hệ ny về quan
hệ tuyến tính. Trong thực tế có rất nhiều
phơng pháp để thực hiện việc ny. Nghiên
cứu ny sử dụng phơng pháp tạo nguồn
dòng, nguồn dòng đợc tạo bởi IC LM334.
Trong hệ thống, cần tạo nguồn dòng có trị số
1 mA, đợc tính toán nh sau:
Theo sơ đồ ta có:
I_biasIII_set ++= 21
Với:
6
1
R
VR

o
C thì
VR = 65 mV. Nếu tính đến ảnh hởng của
dòng điện I_bias thì điện áp VR thực sự l:
1
VR 65mV 65mV 70mV
n1
=+ =

với n = 14
Giả thiết chọn R7 = 10R6 v điện áp rơi
trên diode l 0,65V:
6
142,0
610
65,070
6
70
76
_
R
V
R
VmV
R
mV
R
VdVR
R
VR

1
=
+
=
Do đó tại 0
o
C, điện áp trên đầu ra của
U2 đo đợc l 2,161 V.
Để có điện áp 0V tại output của mô đun
xử lý tín hiệu đo ứng với 0
o
C, điện áp bù (tại
đầu ra của U1) phải có giá trị tơng ứng với
từng giá trị trên.
U3 đóng vai trò l bộ cộng có khuếch
đại. Xét trờng hợp nó tuyến tính, áp dụng
phơng pháp xếp chồng cho từng kích thích
ngõ vo, ngắn mạch ngõ vo còn lại. Gọi
Vout
1
l áp ngõ ra của U3 ứng với ngõ vo
đảo, Vout
2
l áp ngõ ra của U3 ứng với ngõ
vo không đảo. Hai thông số ny đợc tính
nh sau:
U1out1
.V
R10
R11

o
C thì
điện áp tại đầu ra output thay đổi nh sau:
setI _ R.AAU
01v

=


Phạm vi nhiệt độ đợc đo trong nh lới
từ 0
o
C đến 100
o
C tơng ứng điện áp đầu ra
của mô đun xử lý tín hiệu đo nhiệt độ từ 0V
đến 5V. Lúc đó Av đợc tính nh sau:
setIR _ 100.A
5
A
01
v

=

ở đây: R
0
- điện trở của cảm biến tại 0
o
C,

C13
104
3
2
1
8
6
7 4
+
-
O

R8
10k


3
2
1
8
6
74
+
-
OP07CP
13
2R9
10k
R11
10k
3
2
1
8
6
74
+
-
OP07CP
1 3
2
R15
10k
R141M
R12
100k

Thit k v ch to mụ un x lý tớn hiu o nhit , m v cng ỏnh sỏng s dng
3.2. Module xử lý tín hiệu đo độ ẩm
HS1101 l linh kiện có điện dung thay
đổi theo độ ẩm. Điện dung thay đổi ny sẽ
đợc chuyển hoá thnh tín hiệu điện có thể
đo đợc trực tiếp nh điện áp. Nh vậy ta
phải có bộ biến đổi điện dung thnh điện áp.
Trong bộ ny bao hm mạch tạo dao động có
tần số thay đổi phụ thuộc vo sự thay đổi
của điện dung cảm biến (Nguyễn Văn Linh,
2008). Sơ đồ mạch tạo dao động nh hình 3.
Mạch đo đợc thiết kế dựa trên hai thiết
bị cơ bản: Cảm biến HS1101 v timer NE555
tạo thnh bộ biến đổi điện dung tần số.
HS1101 đợc nối tới chân TRIG v THRES
của NE555.
Tụ điện tơng đơng HS1101 đợc nạp
qua R2 v R4 tới điện áp ngỡng (khoảng
0,67 Vcc) v đợc phóng qua R2, qua chân 7
về âm nguồn tới mức lật (khoảng 0,33 Vcc).
Đầu ra của NE555 l một chuỗi xung với mức
cao 5V v mức thấp 0V. Nh vậy tín hiệu ra
phụ thuộc R2, R4 v điện dung của HS1101.
Các thông số điện trở đợc cho theo hình 3.
Bộ biến đổi điện dung thnh điện áp có
sơ đồ khối nh hình 4.
Trong sơ đồ ny, có mạch dao động
tham chiếu với tần số cố định v mạch dao động Mch dao ng
ca cm bin
Mch dao ng
tham chiu
B so sỏnh
t
n s
B lc
Khuch


i
V
HS1101
C 180p


CV
5
U1
555
R2
50k
R3
576k
HS1100
5V
C2
1uF
C3
100nF
R4
47k
R
4
DC
7
Q
3
GND
1
VCC
8
TR
2
TH
6

74HC74
D
12
Q
9
CLK
11
Q
8
S
10
R
13
U3:B
74HC74
1
2
3
U4:A
74HC00
12
U5:A
74HC04
3 4
U5:B
74HC04
2
3
1
U6:A

C7
470nF
3
2
6
7
4
5
1
U9
INA134
Vo
5V
-5V
5V
-5V
-5V
C8
68nF
C9
68nF
5V
H×nh 6. S¬ ®å m¹ch bé biÕn ®æi ®iÖn dung – ®iÖn ¸p dïng trong module xö lý tÝn hiÖu ®o ®é Èm
Nguyễn Văn Linh, Ngô Trí Dương
Thit k v ch to mụ un x lý tớn hiu o nhit , m v cng ỏnh sỏng s dng
127
3.3. Mô đun xử lý tín hiệu đo cờng độ
ánh sáng
.3. Mô đun xử lý tín hiệu đo cờng độ
ánh sáng


Khi đó điện áp đầu ra của LDR l:

)10(
5
o
+
=
L
L
R
R
11A
V

Đây l một hm phi tuyến giữa điện áp
v điện trở của LDR.
Để tạo đợc tín hiệu điện áp đầu ra trên
LDR, nghiên cứu ny sử dụng một mạch tạo
nguồn dòng v nguồn dòng ny đợc sử dụng
để nuôi LDR (Hình 7).
Nguồn dòng đợc tính toán tơng tự nh
trong tính toán cho cảm biến đo nhiệt độ. Tín
hiệu từ đầu ra của LDR đợc đa qua bộ
khuếch đại. Dễ dng tính đợc hệ số khuếch
đại ở đây l:
=

Sản phẩm chế tạo đợc thể hiện trên
Hình 8.

Thí nghiệm tiến hnh đo nhiệt độ trong
phạm vi từ 20
o
C tới 70
o
C, thu thập tín hiệu
điện áp đầu ra tơng ứng (Bảng 1).
Từ bảng số liệu thu đợc, ta có quan hệ
giữa điện áp đầu ra v nhiệt độ đo (Hình 9).
3.4.2. Xử lý tín hiệu đo độ ẩm
Việc khảo sát độ ẩm đợc tiến hnh với
phạm vi độ ẩm tơng đối từ 30% đến 100%.
Điện áp đầu ra của mô đun khảo sát đợc cho
ở bảng 2. Quan hệ giữa điện áp đầu ra v độ
ẩm tơng đối đợc thể hiện theo hình 10.
3.4.3. Xử lý tín hiệu đo cờng độ ánh sáng
Phạm vi ánh sáng đợc đo trong thí
nghiệm ny biến thiên từ 10.000 Lux đến
80.000 Lux. Điện áp đầu ra tơng ứng đo đợc

trình by ở bảng 3.
Xây dựng quan hệ giữa điện áp v cờng
độ ánh sáng tơng đơng nh hình 11.
Từ các đồ thị biểu diễn các quan hệ giữa
điện áp đầu ra của mô đun xử lý tín hiệu đo
v các thông số môi trờng nh nhiệt độ, độ
ẩm v cờng độ ánh sáng ta nhận thấy các
quan hệ giữa điện áp đầu ra v nhiệt độ, độ
ẩm l quan hệ gần tuyến tính, trong điều
khiển nh lới có thể chấp nhận các quan hệ

20 0,98 30 1,49 40 1,99 50 2,52 60 2,99
21 1,01 31 1,54 41 2,09 51 2,53 61 3,06
22 1,08 32 1,61 42 2,13 52 2,61 62 3,12
23 1,20 33 1,62 43 2,15 53 2,65 63 3,18
24 1,21 34 1,70 44 2,25 54 2,71 64 3,19
25 1,25 35 1,73 45 2,25 55 2,77 65 3,28
26 1,29 36 1,82 46 2,32 56 2,82 66 3,30
27 1,33 37 1,88 47 2,34 57 2,88 67 3,31
28 1,39 38 1,91 48 2,40 58 2,91 68 3,42
29 1,47 39 1,92 49 2,44 59 2,97 69 3,49 Quan h gia in ỏp u ra v nhit
0
1
2
3
4
5
2
0
2
3
2
6
29
32
35
38
41

Thit k v ch to mụ un x lý tớn hiu o nhit , m v cng ỏnh sỏng s dng
Bảng 2. Điện áp đầu ra tơng đơng với độ ẩm khảo sát
m tng i (%) 30 40 50 60 70 80 90 100
in ỏp u ra (V) 1,70 1,95 2,41 2,58 2,87 3,01 3,25 3,66 Quan h gia m tng i v in ỏp u ra
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
30 40 50 60 70 80 90 100
m tng i (%)
in ỏp u ra ca cm
bin (V)
Hình 10. Quan hệ giữa điện áp v độ ẩm tơng đối

30
0
0
0
35
0
0
0
4
0
0
0
0
4
5
0
0
0
5
0
0
0
0
5
5
0
0
0
6
0

Hình 11. Quan hệ giữa điện áp v cờng độ ánh sáng
129
Nguyn Vn Linh, Ngụ Trớ Dng
4. KếT LUậN
Các mô đun xử lý tín hiệu đo nhập khẩu
đo các tham số môi trờng nh nhiệt độ, độ
ẩm, ánh sáng có giá thnh khá cao nếu xét
trong điều kiện của các nh vờn Việt Nam.
Việc nghiên cứu các mô đun xử lý tín hiệu đo
các thông số ny trong môi trờng nh lới,
sử dụng cho quá trình trồng rau, có ý nghĩa
rất lớn trên thực tế. Các mô đun chế tạo đợc
khá đơn giản, dễ sử dụng, đặc biệt có giá
thnh khá thấp so với thiết bị nhập khẩu với
cùng tính năng đo. Mặc dù về chất lợng, các
sản phẩm ny cha tốt bằng các thiết bị
trong công nghiệp, nhng có thể chấp nhận
đợc khi giám sát các tham số môi trờng
trồng rau. Nghiên cứu sử dụng PT100,
HS1101 v quang trở trong chế tạo các mô
đun xử lý tín hiệu đo nhiệt độ, độ ẩm tơng
đối v ánh sáng với phạm vi đo tơng ứng từ
10
o
C - 90
o
C, 30% đến 100% v 10.000 lux đến

M. (2008). Greenhouse climate control
using wireless sensors, International
conference: Innovation Technology to
Empower safety, health and welfare in
Agriculture and Agro-food systems, Italy.
Anuj Kamar, Abhishek Singh, I.P. Singh,
S.K. Sud (2010). Prototype greenhouse
environment monitoring system,
Proceeding of the International
Multiconference of Engineers and
Computer Scientists 2010 Vol II, IMECS
2010, Hong Kong.
Teemu Ahonen, Reino Virranko ski,
Mohammed Elmusrati (2009). Greenhouse
monitoring with wireless sensor network,
Department of Computer science,
University of Vaasa, Telecommucation
Engineering Group, 2009.
Izzatdin Abdul Aziz, Mohd Hilmi Hasan,
Mohd Jimmy Ismail Mazlina Mohd,
Nazleeni Samih Haron (2008). Remote
monitoring in agricultural greenhouse
using wireless sensor and short message
service, International Journal of
Engineering and Technology IJET Vol:9
No: 9, p. 1-12.
E.J. van Heten (2005). Sensors for process
control in greenhouse crop production,
Farm Technology Group, University of
Wageningen.