Cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm và điều khiển

Trong cuộc sống hiện nay, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và con người. Trong đó, nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu. Với sự phát triển của công nghệ hiện nay, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, y tế, … Tùy theo nhu cầu mà mà chúng ta có thể tùy biến thêm ngoài chức năng của đề tài này để phù hợp với yêu cầu hoạt động ngoài chức năng chính là hiển thị độ ẩm của khu vực cần khảo sát. Cho đến nay, lý do lớn nhất để theo dõi độ ẩm tương đối là kiểm soát độ ẩm xung quanh sản phẩm cuối cùng. Trong hầu hết các trường hợp, điều này có nghĩa là đảm bảo rằng RH không bao giờ tăng quá cao. Ví dụ, chúng ta hãy lấy một sản phẩm như chocolate. Nếu RH trong cơ sở lưu trữ tăng lên trên một mức nhất định và duy trì trên mức đó trong một thời gian đủ dài, một hiện tượng được gọi là hiện tượng nở có thể xảy ra. Đây là nơi hình thành độ ẩm trên bề mặt chocolate, hòa tan đường. Khi hơi ẩm bay hơi, đường hình thành các tinh thể lớn hơn, dẫn đến sự đổi màu.Cuối cùng, độ ẩm tương đối cũng là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống tự động hóa tòa nhà – tập trung vào sự thoải mái của con người, chẳng hạn như điều hòa không khí. Khả năng đo lường và kiểm soát độ ẩm không chỉ giúp duy trì một môi trường thoải mái bên trong tòa nhà, mà còn giúp tối ưu hiệu quả của hệ thống HVAC bằng cách cung cấp chỉ báo về lượng không khí bên ngoài được lấy vào cần được điều hòa, dựa vào nhiệt độ bên ngoài.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ - -

BÁO CÁO

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

ĐỀ TÀI: Xây dựng hệ thống cảm biến đo độ ẩm

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn:

Hà Nội – Năm 2022

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảm biến đo độ ẩm.

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)

- Nội dung 2: Xây dựng mô hình hệ thống (L1.1; L1.2)

- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm (Nếu có)

III Nhiệm vụ học tập

1 Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 12/09/2022 đến ngày 23/12/2022)

2 Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá.

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Giáo trình môn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển.

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.

KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

- Hiển thị giá trị độ ẩm tức thời

- Có chức năng điều khiển khi độ ẩm vượt ngoài ngưỡng cho phép

2 Cấu trúc thiết bị

Thiết bị Loại sử dụng

Cảm biến Cảm biến đo độ ẩm

Bộ điều khiển Vi điều khiển

2 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ

thống

-Báo cáo

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Các yêu cầu cơ bản

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có)

Chương 3 Chế tạo và thử nghiệm hệ thống

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Kết Luận.

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời buổi công nghệ phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều sản phẩn rađời với những tính năng vượt bậc và vô cùng đa dạng, phong phú và đặc biệt hơn đó là

sự thông mình chứa đựng trong mỗi sản phẩm Khoa học phát triển làm cho nhữngngành khác cũng phát triển theo, có thể kể đến như là điện tử, công nghệ thông tin,viễn thông, cơ khí, chế tạo máy, Các ngành khoa học luôn có sự kết hợp chặt chẽvới nhau tử cơ khí, điện tử đến lập trình Ngành cơ điện tử ra đời mà đỉnh cao đó là cácloại rô bốt thông minh, các máy móc thông minh, Một hệ thống máy móc thôngminh được cấu thành tử rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập trình phức tạp, các

cơ cấu chấp hành, xử lý cũng phức tạp nhưng hoạt động thì ngày càng mềm mại Cómột bộ phận vô cùng quan trọng để tạo lên sự thông minh đó không kể đến đó là cácloại cảm biển Nhờ có các cảm biến, các robot ngày nay được - phát triển để nhận biếtđược các hành động phức tạp ví dụ như tay máy nắm lấy cái cốc thủy tinh sao chokhông vỡ, hay là hệ thống tự động đóng mở cửa khi có người ra vào ở các siêu thị,

Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và sử dụng theo các mục đích khác nhautrong đời sống như cảm biến cảm nhận về nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dòngchảy, Tùy theo mỗi loại công việc mà mỗi loại cảm biến có cách chế tạo khác nhau

Có rất nhiều loại cảm biến trên thị trưởng hiện nay, một loại cảm biến cũng rấtthông dụng đó là cảm biến đo độ ẩm Độ ẩm là một trong những đặc trưng quan trọngnhất của khí hậu và có ý nghĩa quan trọng đối với một số quá trình công nghệ Trongkhí quyển, độ ẩm tồn tại trong phạm vi rất rộng (tử vài phần triệu ppm1 đến hơi nướcbão hòa ở 100°C), trong khoảng nhiệt độ lớn (từ -60°C đến 100°C), có thể lẫn tạp chất

và hóa chất khác nhau Độ ẩm chất lỏng là hàm lượng nước trong các chất lỏng khinước không phải là thành phần cấu tạo cơ bản, như hàm lượng nước trong dầu mỏ,trong rượu Ứng dụng của cảm biến độ ẩm vô cùng đa dạng, có thể dùng trong xácđịnh độ ẩm của đất, trong các nhà máy, phòng thí nghiệm hay là đơn thuần để xác định

độ ẩm của không khí Vì những lý do vậy, nhóm em quyết định thực hiện đề tài về tìmhiểu cảm biến đo độ ẩm và ứng dụng của nó

1Trong đo lường học, ppm là đơn vị đo mật độ thường dành cho các mật độ tương đối thấp Chữ "ppm" xuất phát

từ tiếng Anh parts per million, có nghĩa là một phần triệu

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 9

1.1 Giới thiệu chung 9

1.2 Các yêu cầu cơ bản 10

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 10

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu 10

1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 11

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 11

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 12

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 12

2.1.1 Mô hình hóa 3D của hệ thống 12

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 13

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống 13

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 14

2.2.1 Phân tích cảm biến độ ẩm 14

2.2.2 Lựa chọn cảm biến độ ẩm điện dung DHT22 18

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 20

2.3.1 Phân tích vi điều khiển thường dùng 21

2.3.1.1 Vi điều khiển PIC 21

2.3.1.2 ARDUINO 22

2.3.2 Lựa chọn VĐK Arduino Uno R3 23

2.3.2.1 LCD 20X4 25

2.3.2.2 Mạch chuyển đổi I2C cho LCD 26

2.3.2.3 Keypad MATRIX 4x4 27

2.3.2.4 LED 27

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 28

2.4.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế mạch 28

2.4.2 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 28

2.4.2.1 Thiết kế mạch đo 28

2.4.2.2 Xử lý tín hiệu 30

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 33

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí 33

3.2 Chế tạo các bộ phận điện- điện tử 34

3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 35

3.3.1 Phần mềm lập trình cho Vi điều khiển 35

3.3.2 Lưu đồ thuật toán cho hệ thống 37

3.4 Thử nghiệm hệ thống 39

3.4.1 Thử nghiệm thực tế hệ thống 39

3.4.2 Đánh giá hệ thống 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

PHỤ LỤC 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2-1: Mô hình hóa 3D của hệ thống 12

Hình 2-2: Sơ đồ khối hệ thống 13

Hình 2-3: Cảm biến độ ẩm điện dung 14

Hình 2-4: Cảm biến độ ẩm điện trở 16

Hình 2-5: Cấu tạo cảm biến độ ẩm DHT22 19

Hình 2-6: Sơ đồ chân DHT22 19

Hình 2-7: Sơ đồ kết nối VĐK với DHT22 20

Hình 2-8: Vi điều khiển PIC 21

Hình 2-9: Vi điều khiển Arduino 22

Hình 2-10: Cấu tạo và tên các chân của Arduino Uno R3 24

Hình 2-11: LCD 20x4 25

Hình 2-12: I2C giao tiếp LCD 26

Hình 2-13: Bàn phím nhập liệu Matrix 4x4 27

Hình 2-14: LED cảnh báo 27

Hình 2-15: Mô phỏng hệ thống trên Protues 28

Hình 2-16: Độ ẩm vượt ngưỡng cho phép, Led đỏ 29

Hình 2-17: Độ ẩm trong ngưỡng cho phép, Led xanh 29

Hình 2-18: Độ ẩm dưới ngưỡng cho phép, Led vàng 30

Hình 2-19: Quá trình truyền nhận tín hiệu DHT22 với VĐK 30

Hình 2-20: VĐK gửi tín hiệu đến DHT22 31

Hình 2-21: Quá trình phản hồi của DHT22 31

Hình 2-22: Dữ liệu phản hồi bit “0” 32

Hình 2-23: Dữ liệu phản hồi bit “1” 32

Hình 3-1: Bản vẽ thiết kế khối hộp hệ thống 33

Hình 3-2: Hộp chứa hệ thống 33

Hình 3-3: Thiết kế hệ thống dây 34

Hình 3-4: Sản phẩm hoàn thiện 34

Hình 3-5: Màn hình khi khởi động Arduino IDE 35Hình 3-6: Màn hình khi nhập code và chạy chương trình 36Hình 3-7: Biểu đồ đường biểu diễn giá trị độ ẩm 41

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Bảng thông số kĩ thuật của Arduino Uno R3 24Bảng 3-1: Bảng kết quả đo độ ẩm của HTC-2 và hệ thống thiết kế 39

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung

Trong cuộc sống hiện nay, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất

và con người Trong đó, nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vìthế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu Với sự phát triển của công nghệhiện nay, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vựcnhư sản xuất công nghiệp, y tế, … Tùy theo nhu cầu mà mà chúng ta có thể tùy biếnthêm ngoài chức năng của đề tài này để phù hợp với yêu cầu hoạt động ngoài chứcnăng chính là hiển thị độ ẩm của khu vực cần khảo sát

Cho đến nay, lý do lớn nhất để theo dõi độ ẩm tương đối là kiểm soát độ ẩm xungquanh sản phẩm cuối cùng Trong hầu hết các trường hợp, điều này có nghĩa là đảmbảo rằng RH2 không bao giờ tăng quá cao Ví dụ, chúng ta hãy lấy một sản phẩm nhưchocolate Nếu RH trong cơ sở lưu trữ tăng lên trên một mức nhất định và duy trì trênmức đó trong một thời gian đủ dài, một hiện tượng được gọi là hiện tượng nở có thểxảy ra Đây là nơi hình thành độ ẩm trên bề mặt chocolate, hòa tan đường Khi hơi ẩmbay hơi, đường hình thành các tinh thể lớn hơn, dẫn đến sự đổi màu

Cuối cùng, độ ẩm tương đối cũng là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống tựđộng hóa tòa nhà – tập trung vào sự thoải mái của con người, chẳng hạn như điều hòakhông khí Khả năng đo lường và kiểm soát độ ẩm không chỉ giúp duy trì một môitrường thoải mái bên trong tòa nhà, mà còn giúp tối ưu hiệu quả của hệ thống HVAC3bằng cách cung cấp chỉ báo về lượng không khí bên ngoài được lấy vào cần được điềuhòa, dựa vào nhiệt độ bên ngoài

Với đề tài “xây dựng hệ thống cảm biến đo độ ẩm”, nhóm 9 chúng em sẽ dùng

cảm biến độ ẩm kiểu điện dung để thiết kế mô hình và xây dựng hệ thống Độ ẩmtương đối sẽ liên tục được cập nhật và gửi về LCD, cùng với quá trình giám sát độ ẩmkhông khí thì hệ thống cũng cho phép nhập giá trị giới hạn trên và dưới thông qua bànphím ngoài, nếu độ ẩm thực cao hơn trong giới hạn cho phép thì LED sẽ phát ra cảnhbáo màu đỏ, thấp hơn thì sẽ phát ra màu vàng và trong khoảng giới hạn thì đèn màuxanh sẽ được hiển thị trên hệ thống Nhưng đề tài chỉ trong phạm vi là một đồ án nêntính hiệu quả thực tế cũng như tính chính xác của mạch không cao

2 Đơn vị đo của độ ẩm tương đối là RH

3 Viết tắt của cụm từ Heating, Ventilating, and Air Conditioning (Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí) gọi chung là hệ thống điều hòa không khí.

1.2 Các yêu cầu cơ bản

- Nghiên cứu về nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm điện dung DHT22thông qua các tài liệu trên internet

- Tìm hiểu hoạt động của các linh kiện điện tử như LCD 20x4, I2C, Matrix 4x4

- Tìm hiểu kĩ hơn về mạch điều khiển Arduino mô phỏng trên Proteus và cáchkết nối với máy tính

- Đưa ra ý tưởng về các thông số và giá trị sẽ được hiển thị trên thanh LCD vàthiết bị chấp hành cảnh báo LED

- Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết về cảm biến độ ẩm, đặt ra các vấn đề cần giải quyết

- Thực hiện viết sách luận văn báo cáo

- Tiến hành báo cáo đề tài trước hội đồng

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tính toán và mô phỏng hệ thống đo độ ẩm

sử dụng cảm biến phù hợp bằng phần mềm

- Khảo sát yêu cầu xem hệ thống có hoạt động đúng hay không

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ nghiên cứu lý thuyết, bắt đầu thiết kếmột hệ thống đo độ ẩm đơn giản rồi tiến hành kiểm tra trong điều kiện thực tế với cácyếu tố bên ngoài thay đổi, các tình huống có thể xảy ra, sau đó đánh giá mức độ đápứng của hệ thống từ đó có những cải tiến phù hợp nhằm tạo ra một hệ thống tối ưu,chính xác và hiệu quả

1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

- Về khả năng phân tích và đánh giá, nhóm đã đi vào tìm hiểu và chế tạo cảmbiến đo độ ẩm sử dụng tín hiệu từ cảm biến kết hợp với vi xử lý ATmega328

- Nhóm hướng tới việc dùng tín hiệu đó đưa vào tính toán từ đó đưa cho ra thông

từ đó thử nghiệm và thiết kế mô hình thực tế

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Hệ thống đo độ ẩm có ứng dụng rất đa dạng và được dùng ở nhiều ngành nghề vàmôi trường khác nhau và mục đích duy nhất là có thể bảo quản sản phẩm và theo dõimôi trường làm việc lý tưởng cho công nhân:

- Đo độ ẩm bông, vải, sợi Nhóm này được ứng dụng trong ngành công nghiệpmay mặc là chủ yếu Chúng giúp người dùng xác định được độ ẩm của các loại vải

- Đo độ ẩm gỗ, giấy, mùn cưa, tường, bê tông Nhóm này bao gồm các loại: máy

đo độ ẩm gỗ, máy đo độ ẩm tường bê tông, máy đo độ ẩm đất… Chúng được sử dụngchủ yếu trong các lĩnh vực sản xuất và chế biến gỗ, xây dựng, nông nghiệp…

- Đo độ ẩm than đá, hóa chất công nghiệp Nhóm này có khả năng đo được độ

ẩm của nhiều loại nguyên liệu trong ngành công nghiệp hóa chất

- Đo độ ẩm không khí Nhóm này được ứng dụng chủ yếu cho các hoạt động vềtheo dõi độ ẩm, các hoạt động nghiên cứu và phân tích thời tiết, khí hậu Ngoài ra,nhóm này còn bao gồm các ẩm kế, nhiệt kế di động – các loại thiết bị thường đượcứng dụng trong gia đình, các kho hàng, nhà hàng, khách sạn…

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 2-1: Mô hình hóa 3D của hệ thống

Hệ thống có khả năng:

- Đo độ ẩm tương đối của không khí thông qua cảm biến độ ẩm

- Điều khiển độ ẩm thông qua bàn phím nhập liệu 4x4

- Hiển thị giá trị độ ẩm tức thời trên LCD và cảnh báo ngưỡng độ cho phép

- Có chức năng điều khiển khi độ ẩm vượt ngoài ngưỡng cho phép bằng LED

- Giới hạn đo là 0 -100% và sai số cho phép là 5%

- Thời gian hồi đáp của cảm biến khoảng 2s

Sau đó vi điều khiển sẽ đọc dữ liệu và gửi đến bộ mà hình LCD, qua bộ giải mãđược tích hợp trong LCD thì độ ẩm tương đối sẽ được hiển thị trên màn hình và đưatín hiệu ra đèn báo.

2.1.3 Sơ đồ khối hệ thống

Nguồn:

Tín hiệu:

Chức năng của từng khối:

+ Khối nguồn: Cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

Khối nhập liệu Khối hiển thị LCD

Arduino Uno R3Cấp nguồn

Thiết bị chấp hành LEDCảm biến độ ẩm DHT22

Hình 2-2: Sơ đồ khối hệ thống

+ Khối VĐK Arduino: Dùng để nhận tín hiệu từ các khối trong hệ thống gửi đến vàtruyền tín hiệu điều khiển đã qua xử lý đến các khối tương ứng, giúp hệ thống hoạtđộng ổn định, không xảy ra lỗi khi đưa chương trình điều khiển vào.

+ Khối hiển thị LCD: Hiển thị và độ ẩm đo được và mức độ cảnh báo của hệ thống.+ Khối cảm biến DHT22: Đo độ ẩm tương đối

+ Khối hiệu chỉnh: Nhập giá trị mong muốn từ bàn phím

+ Thiết bị LED: Cảnh báo độ ẩm an toàn và không an toàn

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Phân tích cảm biến độ ẩm

Cảm biến độ ẩm là một loại thiết bị nhạy cảm Đáp ứng được yêu cầu về giá thànhthấp Chức năng chủ yếu để đo độ ẩm của không khí Cảm biến độ ẩm còn được biếtđến với tên gọi khác là ẩm kế Những đại lượng mà thiết bị này có thể đo được là độ

ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, độ ẩm cụ thể

Trên thị trường tồn tại khá nhiều loại cảm biến dùng trong việc đo độ ẩm Tùy

vào nhu cầu về tính chính xác, giá thành, mục đích sử dụng, môi trường xung quanh

mà có những loại cảm biến đặc thù Nếu dựa trên các thông số được sử dụng để đo độ

ẩm thì cảm biến được chia thành 3 loại cảm biến thường được dùng để đo độ ẩm:

a Cảm biến độ ẩm điện dung

Cấu tạo

Cảm biến độ ẩm điện dung như ngụ ý trong tên gọi của chúng sử dụng một tụđiện, bao gồm hai lớp điện cực giữa là vật liệu điện môi.

Điều kiện làm việc

- Trong trường hợp có ẩm, vật liệu điện môi của cảm biến độ ẩm điện dung là vậtliệu hút ẩm, có nghĩa là nó có khả năng hút ẩm từ không khí xung quanh Chất điệnmôi thường được sử dụng cho các cảm biến độ ẩm điện dung là một màng polyme, cóhằng số điện môi nằm trong khoảng 2-15

- Trong điều kiện không có ẩm, điện dung (khả năng tích trữ điện tích) được xácđịnh bởi dạng hình học của tụ điện và điện trở cho phép (hằng số điện môi) của vậtliệu điện môi Hằng số điện môi của hơi nước ở nhiệt độ phòng bình thường là khoảng

80, lớn hơn nhiều so với hằng số điện môi của vật liệu điện môi Khi vật liệu điện môihấp thụ hơi nước từ không khí xung quanh, hằng số điện môi tăng lên, làm tăng điệndung của cảm biến

- Lượng ẩm chứa trong vật liệu điện môi và điện dung của cảm biến có mối quan

hệ trực tiếp giữa độ ẩm tương đối trong không khí, Sự thay đổi hằng số điện môi tỷ lệthuận với giá trị của độ ẩm tương đối Bằng cách đo sự thay đổi điện dung (hằng sốđiện môi), độ ẩm tương đối có thể được đo

- Phạm vi đo rộng: dải đo RH 0% - 100%

- Hoạt động đơn giản

- Thời gian đáp ứng nhanh, khoảng vài giây

- Kích thước nhỏ, hệ số nhiệt thấp, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, cókhả năng làm việc ở nhiệt độ cao đến 200oC

+ Các thiết bị bên trong ô tô như bộ phận chống đóng băng kính chắn gió

+ Các máy in, máy tính

+ Các thiết bị y tế như quạt thông gió và lò ấp

+ Những ứng dụng dân dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy sấy quần áo

+ HVAC (Nhiệt, thông gió và điều hòa không khí)

+ Các máy thu và ghi dữ liệu

Điện trở kim loại: là một đế có kích thước nhỏ cỡ vài mm2 được phủ chất hút ẩm

và gắn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn và oxy hóa Giá trị điện trở đođược giữa hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụvới khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm Hàm lượng nước lại phụ thuộcvào độ ẩm tương đối và nhiệt độ

Chất điện phân: là những chất dẫn điện, điện trở của chúng phụ thuộc vào thể

tích trong đó thể tích bị thay đổi theo hàm lượng nước Do đó có thể biến đổi độ ẩmtương đối thành tín hiệu điện

+ Việc phản ứng với hơi hóa chất và bám bẩn có thể gây nên những hỏng hócvĩnh viễn.

+ Trị số đo có thể bị suy dời bởi sử dụng lớp phủ hòa tan được trong nước

Nguyên lý làm việc

Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn Thermal Conductiviti (còn gọi là cảm biến độ ẩmtuyệt đối) đo độ ẩm tuyệt đối bằng cách tính toán sai biệt giữa độ dẫn nhiệt của khôngkhí khô và không khí có chứa hơi nước

Trong thực tế, cảm biến này thường sử dụng một hệ có hai phân tử Thermistorstrong mạch cầu đo, có khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, thậm trí làngập nước

Ưu điểm

+ Rất lâu bền

+ Hoạt động tốt ở môi truờng ăn mòn và nhiệt độ cao tói 575oF

+ Có độ phân giải tốt hơn các cảm biển kiểu điện dung và điện trở

Nhược điểm

- Chi phí cao

- Đáp ứng với chất khí bất kỳ có các tính chất nhiệt khác với nitơ lỏng, điều này

có thể ảnh hưởng tới phép đo

Ứng dụng

- Các cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn nói chung được sử dụng trong các thiết bịmáy móc, kể cả máy sấy quần áo và lò vi sóng

- Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, kể cả các lò sấy gỗ,máy sấy, bào chế dược phẩm, nấu ăn và khử nước trong thực phẩm

DHT22 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm Cảmbiến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino,Raspberry Pi, để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức DHT22 là một cảm biến độ ẩmtương đối Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một cảm biến độ ẩmđiện dung

a Cấu tạo của cảm biến độ ẩm DHT22

Cảm biến DHT22 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điệntrở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nềngiữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổicủa các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúngthành dạng kỹ thuật số

b Sơ đồ chân DHT22

Cảm biến độ đẩm DHT22 gồm 4 chân

- 1 VCC: Nguồn cấp 3.5V-5.5V

- 2 Data: Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm

thông qua dữ liệu nối tiếp

- 3 NC: Không có kết nối và do đó

không sử dụng

- 4 Ground: Nối đất

c Tính năng

Cảm biến độ ẩm DHT22 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 duynhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chínhxác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào So với cảm biến đời trước là DHT11 thìDHT22 cho khoảng đo và độ chính xác cao hơn rất nhiều

Hình 2-5: Cấu tạo cảm biến độ ẩm DHT22

Hình 2-6: Sơ đồ chân DHT22

+ Sơ đồ kết nối cho cảm biến DHT22 với VĐK:

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC

- Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA

- Phạm vi cảm biến độ ẩm: 0-100% RH, sai số ±5%RH

- Phạm vi cảm biến nhiệt độ: -40°C ~ 80°C, sai số ±2°C

- Tần số lấy mẫu tối đa: 0.5Hz (2 giây 1 lần)

- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

Bộ điều khiển là một thiết bị giám sát và tác động vào các điều kiện làm việc củamột hệ động học cho trước Các điều kiện làm việc đặc trưng cho các biến đầu ra của

hệ thống mà có thể được tác động bởi việc điều chỉnh các biến đầu vào đã biết

Hình 2-7: Sơ đồ kết nối VĐK với DHT22

2.3.1 Phân tích vi điều khiển thường dùng

2.3.1.1 Vi điều khiển PIC

PIC là một bộ điều khiển giao diện ngoại vi, được phát triển bởi vi điện tử củadụng cụ nói chung, vào năm 1993 Nó được điều khiển bởi phần mềm

Chúng có thể được lập trình để hoàn thành nhiều nhiệm vụ và kiểm soát mộtdòng thế hệ và nhiều hơn nữa

Bộ vi điều khiển PIC đang tìm đường vào các ứng dụng mới như điện thoạithông minh, phụ kiện âm thanh, thiết bị ngoại vi chơi game video và các thiết bị y tếtiên tiến

Có rất nhiều PIC, bắt đầu bằng PIC16F84 và PIC16C84 Nhưng đây là nhữngPIC flash duy nhất có giá cả phải chăng

Microchip gần đây đã giới thiệu chip flash với các loại hấp dẫn hơn nhiều, chẳnghạn như 16F628, 16F877 và 18F452 16F877 có giá gấp đôi 16F84 cũ nhưng có kíchthước mã gấp tám lần, RAM nhiều hơn, nhiều chân I / O hơn, bộ chuyển đổi UART,A/

D và nhiều thứ khác

Ưu điểm của PIC

- Đó là một thiết kế RISC

- Mã của nó cực kỳ hiệu quả, cho phép PIC chạy với bộ nhớ chương trình thường

ít hơn so với các đối thủ cạnh tranh lớn hơn của nó

- Đó là chi phí thấp, tốc độ đồng hồ cao

Hình 2-8: Vi điều khiển PIC

Hình 2-9: Vi điều khiển Arduino

Là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tửtương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Arduino giống như mộtmáy tính nhỏ để người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà khôngcần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code

Các loại arduino thường gặp:

Arduino UNO, Arduino MEGA,

Arduino Nano, Arduino Leonardo,

 Robot cứu hỏa

 Máy bay không người lái…

Lập trình cho arduino

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm pháttriển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino

được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

Qua quá trình tìm hiểu về các loại vi điều khiển thường được dùng trong việc chếtạo và thử nghiểm hệ thống như Pic và Arduino, thì nhóm 9 chúng em quyết định sẽdùng vi điều khiển Arduino để làm mạch điều khiển cả hệ thống xuyên suốt trong quátrình chế tạo và thử nghiệm Bởi vì nó có rất nhiều ưu điểm người mới học tập vànghiêm cứu, lại có nhiều ứng dụng cụ thể trong các ngành nghề khác nhau

Bởi vi điều khiển Arduino có nhiều loại khác nhau, mà để chọn chính xác vi điềukhiển cần dùng thì nhóm có khảo sát một số loại Arduino hiện nay:

Thông số kĩ thuật Arduino Uno Arduino Nano Arduino MegaChip điều khiển ATmega328 ATmega328 ATmega2560Điện áp khuyên dùng 7 - 12VDC 7 -12VDC 7-15VDC

Số chân Digital 1/0 -

PWM - Analog 14-6-6 14-6-8 54-15-16

Dòng tối đa trên mỗi

Arduino Uno R3 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

Bảng 2-1: Bảng thông số kĩ thuật của 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)

 Chức năng của các chân I/O

Arduino Uno R3 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 chânđều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặcđịnh thì các điện trở này không được kết nối)

+ 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 2chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây.Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không 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 0Vđến 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 thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thứcSPI với các thiết bị khác

Hình 2-10: Cấu tạo và tên các chân của Arduino Uno R3

Hình 2-11: LCD 20x4

+ 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 R3 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 lànếu 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

LCD 20X4 là loại LCD hiển thị được tất cả các kí tự trong bảng mã ASCII và 8

kí tự đặc biệt do người dùng tạo ra, với khả năng hiến thị 4 dòng với 20 ký tự

Thông số kĩ thuật

 Điện áp hoạt động 4,5 đến 5,5 V

 Dòng tiêu thụ từ 2 dến 5mA

 IC chính SPLC780D-01

 Điện áp LCD nhận biết mức cao (VOH) 2,4 V

 Điện áp LCD nhận biết mức thấp (VOL) 0,4 V

 Nhiệt độ hoạt động -10 độ C đến 60 độ C