do an do nhiet do do am su dung cam bien dht11

Lời mở đầu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao ngày càng phát triển và kỹ thuật điện tử đã và đang khẳng định vai trò to lớn của mình,góp phần nâng cao cải thiện đời sống vật chất và tinh thần cho con người Lĩnh vực ứng dụng điện tử số đang ngày càng lớn mạnh và được ưa chuộng vì tính đa dạng, chính xác và những ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật tương tự Những môn học về điện tử cũng đã được ứng dụng rất nhiều Nhiệt đ.

Lời mở đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật thì các lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật công nghệ cao ngày càng phát triển và kỹ thuật điện tử đã và đang khẳng định vai trò to lớn của mình,góp phần nâng cao cải thiện đời sống vật chất và tinh thần cho con người Lĩnh vực ứng dụng điện tử số đang ngày càng lớn mạnh và được ưa chuộng vì tính

đa dạng, chính xác và những ưu điểm vượt trội so với kỹ thuật tương tự Những môn học về điện tử cũng đã được ứng dụng rất nhiều Nhiệt độ , độ ẩm là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của khí hậu và có ý nghĩa quan trọng đối với một số quá trình công nghệ Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ -độ ẩm vô cùng đa dạng, có thể dùng trong xác định độ ẩm của đất, nhiệt độ trong các nhà máy, phòng thí nghiệm hay là đơn thuần để xác định nhiệt đô

- độ ẩm của không khí Vận dụng kiến thức đã học và để làm sáng tỏ hiệu quả của những

ứng dụng mà cảm biến độ ẩm mang lại em quyết định chọn đề tài “Thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển và giám sát thông số nhiệt độ và độ ẩm”

Đề tài gồm các nội dung sau:

Chương 1: Phần mở đầu

Chương 2: Giới thiệu về một số linh kiện trên mô hình nghiên cứu thiết kế

Chương 3: Thiết kế mạch và chương trình điều khiển

Chương 4: Kết luận

Muc luc

Danh

Chương 1 : Phần mở đầu Mục đích thực hiện đề tài

Mục đích trước hết thực hiện đề tài này là hoàn thành đồ án môn học Cụ thể khi chọn đề tài này là em muốn ứng dụng kiến thức đã học để tạo ra một sản phẩm giúp người học có hứng thú đam mê trong học tập cũng như khả năng ứng dụng và thực tế cao Mặt khác tài liệu này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên khóa sau , giúp họ hiểu rõ hơn những ứng dụng của lập trình vi điều khiển.

Đặt vấn đề

Sự biến đổi nhiệt độ trong môi trường sẽ ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bị Nhưng khi chúng ta nắm bắt được nhiệt độ làm việc của hệ thống giúp ta biết được tình trạng làm việc và có những xử lý kịp thời hư hỏng Việc dùng phương pháp thủ công xác định được nhiệt độ sẽ trở nên ít chính xác và tốn thời gian hơn Thay vào đó sẽ dùng cảm biến nhiệt độ - độ ẩm để có được độ chính cao và ít thời gian hơn Chúng ta còn có thể áp dụng cảm biến nhiệt độ - độ ẩm khống chế giới hạn nhiệt độ nào đó tùy vào ứng dụng thực tiễn.

Giải quyết vấn đề

Mạch đo nhiêt độ - độ ẩm sử dụng DHT11 hiển thị LCD trên Arduino sẽ trở nên gần gũi với người sử dụng hơn, giao diện dễ gần thân thiện, độ chính xác tương đối cao, chúng cũng được chế tạo bởi các linh kiện điện tử , lập trình tự động có hoạt động tự động theo ý muốn người lập trình Do đó em chọn đề tài này để thực hiện

Giới hạn vấn đề

Trong quá trình thực hiện đề tài này có nhiều vấn đề phát sinh như : do thời gian có hạn, tài liệu tham khảo còn ít và kiến thức còn hạn chế cũng như kinh nghiệm non kém nên không thể tránh khỏi những thiếu sót

1 Tổng quan các phương pháp đo nhiệt độ hiện nay

1.1 Đo nhiệt độ bằng phương pháp tiếp xúc

1.2 Đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở

Nguyên lí hoạt động : điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và dựa vào sự thay đổi điện trở đó người ta đo được nhiệt độ cần đo

Vật liệu dùng làm chuyển đổi của nhiệt điện trở là có hệ số nhiệt độ lớn và ổn định , điện trở suất khá lớn

Trong công nghiệp nhiệt điện trở chia thành hai loại :

+Nhiệt điện trở kim loại

+Nhiệt điện trở bán dẫn.

1.3 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu :

Nguyên lí hoạt động : Bộ cảm biến

1.4 Đo nhiệt độ bằng IC cảm biến

Nguyên lí hoạt động

, tuyến tính hơn so với cặp nhiệt ngẫu

Đắt tiền Cần phải cung cấp nguồn dòng

Điện trở tuyệt đối thấp

cực cung cấp công suất

Đơn giản rẻ Tầm thay đổi rộng Tầm đo nhiệt độ rộng

Phi tuyến Điện áp cung cấp thấp

Đòi hỏi điện áp tham chiếu

Kém ổn định nhất Kém nhạy nhất

Ngõ ra có giá trị cao nhất

Rẻ tiền

Nhiệt độ đo thấp Cần cung cấp nguồn dòng cho cảm biến

7 phương pháp đo độ ẩm thông dụng hiện nay

Xác định độ ẩm đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện nay nhằm đảm bảo môitrường bảo quản tốt nhất cho các loại vật liệu, vật dụng, hàng hóa…trong các ngành công nghiệp chế biến và thí nghiệm Cùng chúng tôi điểm danh qua 7 phương

pháp xác định độ ẩm thông dụng hiện nay

1.Phương pháp sấy khô

- Ứng dụng: Xác định độ ẩm của bánh kẹo, các loại bột…

- Dụng cụ: Cân sấy ẩm

- Cách thực hiện:

+ Chỉnh bàn cân sao cho bọt thủy về tâm để cân chính xác nhất

+ Cho mẫu vật lên cân đến khi đạt khối lượng cần phân tích độ ẩm

+ Chọn chế độ đo, thời gian và nhiệt độ sấy cần thiết đối với mẫu (100 độ đến 105 độC)

+ Cân sấy ẩm sẽ sấy vật liệu, sau đó tự tính toán phần tram độ ẩm của mẫu sau khi sấy

+ Kết quả độ ẩm của mẫu sau khi sấy được hiển thị trên màn hình

- Ưu điểm: Kết quả đo độ ẩm chính xác, sai số thấp, cân chính xác khôi lượng mẫu, thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng, tiết kiệm thời gian

-Nhược điểm: Chỉ thích hợp khối lượng mẫu đo nhỏ, phải chuẩn bị mẫu trước khi đo,mẫu sau khi đo xong không còn sử dụng được nữa

2.Phương pháp điện trở

-Ứng dụng: Đo độ ẩm của gỗ, vật liệu xây dựng…

-Dụng cụ: Máy đo độ ẩm gỗ, vật liệu xây dựng

- Cách thực hiện:

+ Cắm hoặc chọc đầu cắm điện trực tiếp vào vùng mẫu muốn đo

+ Kết quả đo hiển thị trên màn hình

-Ưu điểm: Nhỏ gọn, dễ sử dụng mọi lúc mọi nơi đo độ ẩm chỉ trong một thao tác, không tốn thời gian chuẩn bị mẫu

- Nhược điểm: Phải đo nhiều lần ở nhiều vị trí khác nhau để có giá trị trung bình nhấtnên có thể làm hỏng mẫu đo

3.Đo độ ẩm bằng máy đo có đầu dò

- Ứng dụng: Xác định độ ẩm của giấy hay những vật liệu mỏng

- Dụng cụ: Máy đo độ ẩm giấy

- Cách thực hiện:

+ Khởi động máy đo, áp đầu dò của máy vào bề mặt giấy

+ Kết quả đo hiển thị trên màn hình điện tử

-Ưu điểm: Nhỏ gọn, dễ sử dụng, tiện lợi trong việc khảo sát độ ẩm giấy trong kho, đotrực tiếp trên mẫu không làm hư hại đến mẫu.

-Nhược điểm: Thiết kế chuyên biệt để đo giấy

4.Phương pháp nguyên lí điện trở

+ Với loại có buồng chứa mẫu: Chuẩn bị mẫu => Cho mẫu vào buồng/khay chưa mẫu

và bấm nút “Start” => Kết quả sẽ hiển thị trên màn hình sau vài giây phân tích

- Ưu điểm: Kết quả đo nhanh, thao tác ít, dễ sử dụng và không làm hư hại đến mẫu Máy đo có buồng chứa mẫu có chế độ đo ẩm cho từng loại hạt chuyên biệt

-Nhược điểm:

+ Máy đo ẩm dạng que nhọn cho kết quả kém chính xác khi đo các loại hạt to

+ Máy đo ẩm có buồng chứa mẫu có kích thước không được nhỏ gọn lắm

+ Đối với khúc xạ kế loại điện tử: cho vài giọt mẫu lên lăng kính và bấm phím

“Start” kết quả sẽ hiển thị sau vài giây trên màn hình điện tử

-Ưu điểm: Dễ sử dụng, cho kết quả nhanh, nhỏ gọn có thể bỏ túi

-Nhược điểm: Vì khúc xạ kế nên sẽ phụ thuộc ít nhiều vào nguồn sáng

6.Phương pháp điện trở

- Ứng dụng: Đo độ ẩm đất

- Dụng cụ: Máy đo pH và độ ẩm đất Takemura DM 15

- Cách thực hiện:

+ Cắm đầu đo của máy vào nơi đất cần đo sao cho đất ngập cả 3 vòng kim loại

+ Ấn và giữ phím màu trắng trên thân máy để đọc phần trăm độ ẩm trên màn hình và thả tay ra nếu muốn đọc chỉ số pH

- Ưu điểm: nhỏ gọn, tiện lợi, dễ sử dụng, giá thành thấp

- Nhược điểm: Phải đo nhiều lần trên nhiều vị trí khác nhau trong khoảng 1 mét vuông để tính độ ẩm và độ pH trung bình

+ Ẩm kế điện tử loại cầm tay và máy đo độ ẩm có đầu dò rời dùng để đi khảo sát độ

ẩm tại hiện trường kho bãi, container…

2 Sơ đồ tổng quan hệ thống

Hình 1.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống

K khối điều khiển

K khối cảm biến

K khối xử lí trung

tâm

 Khối hiển thị là các module hiển thị như lcd , …

 Khối bluetool ,app bao gồm dữ liệu lên điện thoại

 Khối nguồn được dùng để cung cấp áp cho hoạt động cho các khối còn lại

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG

1 Cảm biến

Hiện nay có các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm được dung phổ biến như :

 LM35, LM355, PT100 … : cảm biến đo nhiệt độ.

1.1 Cảm biến do nhiệt độ LM35

Thông số kĩ thuật của cảm biến LM35

 Hiệu chuẩn trực tiếp theo o C

 Điện áp hoạt động: 4-30VDC

 Dòng điện tiêu thụ: khoảng 60uA

 Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C

 Khoảng nhiệt độ đo được: -55°C - 150°C

 Điện áp thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C

 Độ tự gia nhiệt thấp, 0,08 o C trong không khí tĩnh

 Sai số: 0,25°C

 Trở kháng ngõ ra nhỏ, 0,2Ω với dòng tải 1mA

 Kiểu chân: TO92

 Kích thước: 4.3 × 4.3mm

 HS1101, HS220 … : Cảm biến đo độ ẩm.

Hình dưới cho thấy hình dạng của cảm biến HS1101.

Hình 1 1 : Hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến LM35.

Hình 1 2: Hình dạng của cảm biến HS1101.

Thông số kĩ thuật của cảm biến HS1101

Điện áp hoạt động: 5V – 10V

Nhiệt độ hoạt động: -40ºC → 100ºC

Dải đo độ ẩm: 1%RH – 99%RH

Sai số: ±2%

Hoạt động với độ ổn định lâu dài

ở trong phạm vi đồ án này , chúng em sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ

ẩm vì cảm này có giá thành hợp lí, tiện lợi và dễ sử dụng

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11: là cảm biến rất thông 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 chúng ta có được

dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào Hình dưới cho thấy hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến DHT11

HHình 1.3: Hình dạng và sơ đồ chân của cảm biến DHT11

Thông số kỹ thuật của cảm biến DHT11

Nguồn: 3 - 5 VDC.

Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

Khoảng đo độ ẩm: 20%-90% RH (sai số 5%RH)

Khoảng đo nhiệt độ: 0-50°C (sai số ±2°C)

Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây / lần)

Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm

Nguyên lí hoạt động của cảm biến DHT11:

Để đo độ ẩm, chúng ta 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

để đo nhiệt độ, các cảm biến này sử dụng cảm biến nhiệt độ NTC hoặc nhiệt điện trở.Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với sự thay đổi củanhiệt 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 1.3 : Sơ đồ

(MCU) với sensor DHT11

Quy trình giao tiếp :

Giao tiếp theo chuẩn 1 chân vi điều khiển : Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước: Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11,sau đó DHT11 xác nhận lại Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được

- Bước 1: Gửi tín hiệu Start

MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian

>18ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT11

Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT11.

- Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11

DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó: Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 2: giá trị phần thập phân cӫa độ ẩm (RH%) a độ ẩm (RH%)

Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

Hình 1 4 : Dạng tín hiệu giao tiếp với cảm biến

Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

Byte 5 : kiểm tra tổng Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ

ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

Các hàm được sử dụng :

#include "DHT.h" : đưa thư viện của cảm biến vào chương trình.

#define dataPin 8 : xác định chân cắm mà cảm biến DHT11 được kết nối.

Serial.begin(9600) : khởi chạy Serial Monitor ở tốc độ truyền 9600 cho mục đích gỡ

lỗi

Int readdata = DHT.read11( dataPin ) : đọc dữ liệu từ cảm biến và đặt các giá trị

của nhiệt độ và độ ẩm vào các biến t và h

float t = DHT.readTemperature(); : Nhận các giá trị của nhiệt độ.

float h = DHT.readHumidity(); : Nhận các giá trị của độ ẩm.

delay(2000) : Độ trễ cần thiết để cung cấp đủ thời gian cho cảm biến đọc các kết

quả

 Sơ đồ đấu dây:

Hình 1.7 : Sơ đồ mạch DHT11 và ADRUINO mega 2560

Bảng 1.1: bảng nối dây trên mạch

1

Hình 1 6 : code mô phỏng nguyên lý làm việc của cảm biến DHT11

Khối xử lí trung tâm

Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên nước Ý thiết

kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác Ngoài ra mạch còn có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng của mạch

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,… Hiện phần cứng của Arduino có tất cả

6 phiên bản, Tuy nhiên phiên bản thường được sử dụng nhiều nhất là Arduino Uno vàArduino Mega Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE

Trong đề tài này chúng em sử dụng adruino mega 2560 để điều khiển và xử lí thông tin

Giới thiệu về adruino mega 2560 : Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của

Arduino Mega hay còn gọi là Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn nhất với ArduinoMega 1280 chính là chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 với flash memory 128KB, SRAM 8KB và EEPROM 4 KB Nhưng do tính năng, bộ nhớ và tốc độ xử lí đã lỗi thời không còn đáp ứng được nhu cầu của thời đại công nghệ phát triển , nên Arduino Mega 1280 không còn được sử dụng nữa, thay vào đó

là Arduino Mega 2560 đã đáp ứng tốt với nhu cầu của người dùng

Aduino mega 2560

Các thông số kỹ thuật của Ardiuno Mega 2560:

Vi điều khiển : ATmega 2560

Điện áp hoạt động : 5V

Nguồn ngoài ( giắc tròn DC) 7-9V Không nên cấp nguồn 12v vì sẽ gây hỏng IC ổn áp

Giao tiếp UART: 4 bộ UART –

Giao tiếp SPI: 1 bộ ( chân 50 đến chân 53) dùng với thư viện SPI của Ardunio

Giao tiếp I2C: 1 bộ

Số chân Digital 54 ( 15 chân PWM là từ chân số 2-13 và các chân 44,45,46 )

Số chân Analog 16 (từ chân A0 - A15)

Bộ nhớ Flash 256KB, 8KB sử dụng cho Bootloader

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

Xung clock 16MHZ (thạch anh)

6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)

Quy trình giao tiếp : Bo mạch Mega 2560 có một số phương tiện để giao tiếp với

máy tính, bo mạch khác hoặc vi điều khiển khác ATmega2560 cung cấp bốn UART phần cứng cho giao tiếp nối tiếp TTL (5V) ATmega 2560 trên bo mạch kênh truyền một trong những thứ này qua USB và cung cấp cổng com ảo cho phần mềm trên máy tính (máy Windows sẽ cần tệp inf, nhưng máy OSX và Linux sẽ tự động nhận dạng bảng dưới dạng cổng COM Phần mềm Arduino (IDE) bao gồm một màn hình nối tiếp cho phép gửi dữ liệu dạng văn bản đơn giản đến và đi từ bảng Các đèn LED RX

và TX trên bảng sẽ nhấp nháy khi dữ liệu đang được truyền qua Chip ATmega 2560

và kết nối USB với máy tính (nhưng không dành cho giao tiếp nối tiếp trên chân 0 và 1)