1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2 THIẾT KẾ THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM TỪ XA Nguyễn Quang Trung trung nq181797sis hust edu vn Ngành KT Điều khiển Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật Đo và Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn TS Nguyễn Hoàng Nam Bộ môn Kỹ thuật Đo và Tin học công nghiệp Viện Điện HÀ NỘI, 12022 2 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 2 Họ và tên sinh viên Kh.
THIẾT KẾ THIẾT BỊ
Nguyên lý hoạt động
Để có thể hoạt động linh hoạt ở nhiều địa điểm khác nhau, thiết bị được cấp nguồn bằng pin Khi hoạt động, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm sẽ gửi dữ liệu về vi điều khiển để xử lý, và toàn bộ dữ liệu được gắn dấu thời gian từ đồng hồ thời gian thực, giúp theo dõi và phân tích các thông số môi trường một cách chính xác theo thời gian.
Sau khi vi điều khiển xử lý dữ liệu xong, kết quả được hiển thị trực tiếp qua khối hiển thị và đồng thời được gửi qua khối truyền thông lên máy chủ đám mây ThingSpeak để phân tích và trực quan hóa dữ liệu Dữ liệu sau đó được phân tích, lưu trữ và hiển thị trên ThingSpeak, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và giám sát dữ liệu từ xa.
Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 2-1 Sơ đồ khối của thiết bị
Hình 2-2 Sơ đồ kết nối của MCU
MCU ở đây sử dụng vi xử lý AVR ATmega328 làm trung tâm điều khiển hoạt động của toàn bộ thiết bị Nó kết nối với các module đảm nhận các nhiệm vụ như xử lý tín hiệu từ khối cảm biến và khối thời gian thực, đồng thời gửi dữ liệu đã xử lý tới khối hiển thị và khối truyền thông.
Hình 2-3 Sơ đồ kết nối khối cảm biến
Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng là DHT22
Dữ truyền về của DHT22 gồm 40 bit dữ liệu (5 byte) Trong đó:
- Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm
- Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm
- Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ
- Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ
- Nếu byte 5 = (byte 1 + byte 2 + byte 3 + byte 4) thì giá trị nhiệt độ và độ ẩm là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa
Ví dụ: vi xử lý nhận 40 bit dữ liệu từ DHT22
Khi bit nhiệt độ cao nhất là 1, có nghĩa là nhiệt độ dưới 0°C
Nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT22: Vi xử lý gửi tín hiệu Start tới DHT22 và nhận được tín hiệu xác nhận từ cảm biến; sau khi đã thiết lập giao tiếp, DHT22 sẽ trả về 5 byte dữ liệu chứa giá trị nhiệt độ và độ ẩm đo được.
- Bước 1: vi xử lý gửi tín hiệu Start
MCU thiết lập chân data là output, kéo chân data xuống 0 trong khoảng > 10ms để đảm bảo cảm biến phát hiện tín hiệu của MCU
Trong quá trình giao tiếp với DHT22, MCU kéo chân dữ liệu lên mức cao và đợi từ 20 đến 40 μs; sau đó DHT22 sẽ kéo chân dữ liệu xuống thấp để bắt đầu trao đổi dữ liệu Nếu sau khoảng 40 μs mà chân dữ liệu vẫn không được kéo xuống thấp, nghĩa là MCU không giao tiếp được với DHT22.
Chân dữ liệu của DHT22 sẽ ở mức thấp 80us, sau đó được kéo lên mức cao trong 80us để xác nhận chu trình giao tiếp giữa MCU và cảm biến DHT22 Việc giám sát chân dữ liệu này cho phép MCU biết được có giao tiếp được với DHT22 hay không Nếu tín hiệu đo được ở mức cao sau chu kỳ này, quá trình giao tiếp giữa MCU và DHT22 được xem là hoàn tất.
- Bước 2: đọc giá trị dữ liệu trên DHT22
Sau khi tín hiệu bắt đầu được đưa về mức 0, MCU giữ chân DATA ở mức thấp và sau đó thả ra để DHT22 đáp lại; DHT22 sẽ kéo DATA xuống mức 0 và rồi lên lại, trong đó thời gian HIGH trên đường dữ liệu quyết định bit: khoảng 26–28 µs cho bit 0 và khoảng 70 µs cho bit 1 Trong quá trình đọc, ta đo độ dài của mỗi chu kỳ dữ liệu và, sau một khoảng thời gian 50 µs ở mức LOW, đọc được bit dựa vào độ dài HIGH; nếu HIGH đo được tương ứng với 0 thì ta là bit 0, còn nếu HIGH đo được là 1 thì ta là bit 1 Cứ như vậy đọc từng bit tiếp theo để ghép thành các byte dữ liệu.
Hình 2-5 Sơ đồ kết nối khối thời gian thực
Sử dụng IC DS1307 để làm khối thời gian thực, cung cấp thời gian cho thiết bị DS1307 giao tiếp với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C
Hình 2-6 Sơ đồ kết nối khối hiển thị
Sử màn hình LCD 16x02 để hiển thị thông tin thời gian, thông tin nhiệt độ và độ ẩm
Hình 2-7 Sơ đồ kết nối khối truyền thông
Khối truyền thông sử dụng module SIM800L để có thể truyền dữ liệu đi lên ThingSpeak
ThingSpeak là một nền tảng mã nguồn mở dành cho các ứng dụng IoT (Internet of Things) Với ThingSpeak, bạn có thể xây dựng và triển khai các ứng dụng phân tích dữ liệu, lưu trữ dữ liệu và quản lý dữ liệu một cách đơn giản, hiệu quả và có khả năng mở rộng Nền tảng này cho phép thu thập dữ liệu từ nhiều thiết bị IoT, xử lý và trực quan hóa dữ liệu, đồng thời tích hợp dễ dàng với các dịch vụ khác và API mạnh mẽ để phát triển các giải pháp IoT đa dạng.
Một điều lưu ý là module SIM800L yêu cầu nguồn điện 3.4V đến 4.4V và dòng hoạt động từ 100mA đến 2A tùy chế độ Cấp nguồn từ Arduino 5V có thể gây hỏng, trong khi 3.3V không thể đáp ứng dòng tối đa 100mA nên module có thể không hoạt động Để khắc phục vấn đề này, mình đã dùng bộ chuyển đổi Buck dựa trên IC LM2596 để giảm nguồn 5V từ Arduino xuống mức điện áp phù hợp cho SIM800L, từ đó đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho quá trình truyền dữ liệu.
Khi cấp nguồn vào chân VIN, dòng điện đi qua tụ lọc nhiễu và được đưa vào IC LM2596 Thông qua biến trở điều chỉnh ngõ Feedback, IC sẽ tạo ra điện áp đầu ra tương ứng với giá trị của biến trở và đưa điện áp ra tại chân Output.
Thông số kỹ thuật của IC LM2596
- Dòng điện ngõ ra: max 3A
Hình 2-9 Sơ đồ kết nối khối nguồn
Nguồn cấp cho Arduino Uno R3 đến từ pin, đảm bảo nguồn điện ổn định cho toàn bộ bảng mạch Bạn có thể dùng loại pin có thể sạc lại bằng bộ sạc để nạp đầy năng lượng và tái sử dụng nhiều lần, giúp dự án của bạn tiết kiệm và linh hoạt về nguồn.
Hình 2-10 18650 Battery Charge Shield Board V8
VẼ MẠCH PCB VÀ THIẾT KẾ HỘP
Altium Designer, trước kia được biết đến với tên Protel DXP, là một trong những công cụ thiết kế mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited, đây là phần mềm chuyên ngành dùng trong thiết kế mạch điện tử và được đánh giá cao nhờ nhiều tính năng mạnh mẽ và khả năng làm việc linh hoạt Tại Việt Nam, Altium Designer ngày càng được ưa chuộng nhờ sự đa dạng của các tính năng và hiệu suất vượt trội giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế mạch điện tử.
Altium Designer cung cấp một ứng dụng tích hợp đầy đủ các công nghệ và chức năng thiết yếu cho phát triển sản phẩm điện tử hoàn chỉnh, từ thiết kế hệ thống ở cấp bo mạch và FPGA tới phát triển phần mềm nhúng cho FPGA và các bộ xử lý rời rạc, cũng như bố trí mạch in (PCB) Nền tảng này thống nhất toàn bộ quy trình và cho phép bạn quản lý mọi khía cạnh của quá trình phát triển hệ thống trong một môi trường tích hợp duy nhất Khả năng tích hợp đó kết hợp với quản lý dữ liệu thiết kế hiện đại giúp người dùng Altium Designer tạo ra nhiều sản phẩm điện tử thông minh hơn với chi phí sản phẩm thấp hơn và thời gian phát triển ngắn hơn.
Từ những gì đã thực hiện bên trên em đã vẽ trên mạch PCB thông qua Altium
Hình 3-2 Mặt trên của PCB
Hình 3-3 Mặt dưới của PCB
Sau khi thiết kế mạch PCB xong, em chuyển sang bước thiết kế hộp đựng nhằm cố định mạch Hộp được thiết kế bằng phần mềm DesignSpark Mechanical và có kích thước 44 mm x 113 mm x 122 mm Bên trong hộp chứa toàn bộ mạch, mặt trên có thể dễ dàng quan sát màn hình LCD ở bên trong, có nắp để tháo mở phần pin; ngoài ra còn có các lỗ dành cho Jack DC, USB, ăng-ten của SIM800L, cùng lỗ cảm biến tiếp xúc với môi trường bên ngoài.
Hình 3-4 Mặt bên trên của hộp
Hình 3-5 Hộp nhìn theo góc nghiêng
Hình 3-6 Mặt bên phải của hộp
Hình 3-7 Mặt bên trái của hộp