Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm hiển thị trên LCD sử dụng DHT11

-Các thông số của arduino : Điện áp cấpnguồn 5V Điện áp đầu vào input kiến nghị 7-12V Điện áp đầu vàogiớihạn 6-20V Số chân DigitalI/O 14 có 6 chân điều chế độ rộng xungPWM Số chân Analog

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN – ĐIỆNTỬ

-BÀI TIỂU LUẬN NHÓM MÔN : THỰC HÀNH CƠ SỞ

ĐỀ TÀI: Cảm Biến Nhiệt Độ, Độ Ẩm hiển thị trên LCD sử dụng DHT11

GVHD : Nguyễn Đức Minh NHÓM : Đoàn Đình Tuyên

Lương Thị Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa KTĐT đã tạo điều kiện giúp nhóm chúng em hoàn thành tốt môn học mà Học Viện

đề ra

Đặc biệt nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Đức Toàn, thầy đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ nhóm chúng em trong suốt quá trình học tập Trong thời gian được thầy chỉ bảo nhóm chúng em không những học được rất nhiều kinh nghiệm bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc của thầy, đó là những điều rất cần thiết cho chúng em học tập và công tác sau này

EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!

 Ý tưởng thiết kế và hướng phát triển

Sự bùng nổ của công nghệ ngành điện tử ngày càng phát triển một cách mạnh mẽ Những ứng dụng của nó giúp con người ngày càng có cuộc sống nâng cao

Sự khảo sát về nhiệt độ ,độ ẩm môi trường với con người trước kia luôn gặp khó khăn do phải đo đạc và tính toán một cách khá phức tạp Do đó chúng em đã lựa chọn đề tài đo nhiệt độ độ ẩm môi trường để ứng dụng vào nhiều công việc khác nhau

*Hướng phát triển:

• hiển thị trên lcd dễ dàng quan sát( đã làm)

• Ứng dụng trong việc cảnh báo cháy nổ đóng ngắt

• Ứng dụng trong việc phát triển nhà thong minh

• Hệ thống tưới cây tự động

• Và còn nhiều ứng dụng khác nữa…

I Giới thiệu chung vềArduino

ArduinothựcsựđãgâysónggiótrênthịtrườngngườidùngDIY(lànhững

ngườitựchếrasảnphẩmcủamình)trêntoànthếgiớitrongvàinămgầnđây,gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động, số lượng ngườidùngcựclớnvàđadạngvớitrìnhđộtrảirộngtừbậcphổthônglênđếnđại

họcđãlàmchongaycảnhữngngườitạorachúngphảingạcnhiênvềmứcđộphổ biến

Hình 1.1: Những thành viên khởi xướngArduino.

Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Camegie Mellon phải sử dụng;hoặcngaycảGooglecũngmuốnhỗtrợkhichorađờibộkitArduinoMega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bịkhác

Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác

vớicácthiếtbịphầncứngnhưcảmbiến,độngcơ,đènhoặccácthiếtbịkhác.Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ vớikhoảng

$30, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiếtbị

II: Giới thiệu về board Arduino Mega328(họ 8 bit)

Cấu tạo chính của Arduino Mega 328 baogồm các phầnsau:

a USB

Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USB chúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn cho Arduino

b ChipAtmega328

Chip Atmega328 Có 32K bộ nhớ flash trong đó 0.5k sử dụng cho bootloader

Ngoài ra còn có 2K SRAM, 1KEEPROM

c Input và Output ( 4, 5 và6)

Arduino Uno có 14 chân digital với chức năng input và output sử dụng các

hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân này tôi sẽ

đề cập chúng ở các phầnsau

Cũng trên 14 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng

đólà:

Serial : chân 0 (Rx ), chân 1 ( Tx) Hai chân này dùng để truyền (Tx) và

nhận (Rx) dữ liêu nối tiếp TTL Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng

COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nốitiếp

PWM (pulse width modulation): các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên bo mạch có

dấu “~” là các chân PWM chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động

cơ, độ sáng của đèn…

SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), các chân này hỗ trợ giao

tiếp theo chuẩnSPI

I2C:ArduinohỗtrợgiaotiếptheochuẩnI2C.CácchânA4(SDA)vàA5(SCL)cho

phép chúng tao giao tiếp giửa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp làI2C

d Reset (7): dùng để resetArduino

-Các thông số của arduino :

Điện áp cấpnguồn 5V

Điện áp đầu vào (input) (kiến

nghị)

7-12V

Điện áp đầu vào(giớihạn) 6-20V

Số chân DigitalI/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xungPWM)

Số chân Analog (Input) 6

DC Current per I/OPin 40mA

DC Current for 3.3VPin 50mA

FlashMemory 32KB (ATmega328) với 0.5KB sử dụng

bootloader

III : Giới thiệu về cảm biến nhiệt dộ DHT11

Phần giới thiệu linh kiện mạch chính

- DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm

- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây

- Thông số kỹ thuật:

o Do độ ẩm: 20%-95%

o Nhiệt độ: 0-50ºC

o Sai số độ ẩm ±5%

o Sai số nhiệt độ: ±2ºC

2 Nguyên lý hoạt động:

- Sơ đồ kết nối vi xử lý:

- Nguyên lý hoạt động:

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:

o Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại

o 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

o MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms Trong Code mình để 25ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm

o MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào

o 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

o Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với

DHT11 ko Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11

o 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 của độ ẩm (RH%)

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

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

§ Byte 5 : kiểm tra tổng

ð 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

o Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm

§ Bit 0:

§ Bit 1:

Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên

1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếu tồn tại 70us là 1 Do

đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đo được là 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo

-IV: Giới thiệu về LCD 16x2:

Hình ảnh sơ đồ chân LCD 16x2

− Lcd có tất cả 16chân:

- Chân cấp nguồn: vss (nối nguồn 5V), VDD (nối 0V), V0 (điều chỉnhđộ

tươngphản)

- RS:Chânchọnthanhghi(Registerselect).NốichânRSvớilogic“0”

(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanhghi

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế

độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” -read)

+Logic“1”:BusDB0-DB7sẽnốivớithanhghidữliệuDRbêntrongLCD

- RW:Chânchọnchếđộđọc/ghi (Read/Write).NốichânR/W vớilogic“0” đểLCDhoạtđộngởchếđộghi,hoặc nốivớilogic“1”đểLCDởchếđộđọc

- E: Chân cho phép chốt xung kí tự Sau khi các tín hiệu đượcđặt lên bus

DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép củachân E

+Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghibêntrongnókhipháthiệnmộtxungcủatínhiệuchân E

+Ởchếđộđọc:DữliệusẽđượcLCDxuấtraDB0-DB7khipháthiệncạnh lên ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mứcthấp

-D0-D7: Chân dữliệu

-A, K: Chân điều khiển đènnền

Lcdcóthể hoạtđộngtheo2chếđộ:4bitvà 8bit.Chếđộ4bitđòihỏiphải kết nối với

7 chân I/O của ardiuno Chế độ 8 bit đòi hỏi phải kết nối với 11 chân I/O của Ardiuo Trong đề tài này em chọn LCD hoạt động ở chế độ 4bit

-v:Khối nguồn

Máy biến áp :

- Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N1 vòng và cuộn thứ cấp có N2 vòng Lõi biến áp gồm nhiều lá sắt mỏng ghép cách điện với nhau để tránh dòng Fu-cô và tăng cường từ thông qua mạch

- Số vòng dây ở hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ của máy mà có thể N1

> N2 hoặc ngược lại

- Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều còn cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện

- Trong thực thế thì máy biến áp có dạng như hình 1, còn trong việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp thì có dạng như hình 2

- Nguyên tắc hoạt động:

Máy biến thế hoạt động tuân theo 2 hiện tượng vật lí:

+ Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường (từ trường)

+ Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1

từ trường biến thiên trong lõi sắt.Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1 hiệu điện thế thứ cấp.Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường.Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trên lõi sắt

- DIODE

 Điốt bán dẫn :Điốt là một loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại.Có nhiều loại điốt bán dẫn, như điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED Chúng đều có nguyên

lý cấu tạo chung là một khốibán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

 Điốt bán dẫn, loại sử dụng phổ biến nhất hiện nay, là các mẫu vật liệu bán

dẫn kết tinh với cấu trúc p-n được nối với hai chân ra là anode và cathode

 Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện

tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

 Tính chất

Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang cathode Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anode một điện thế cao hơn ởcathode Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (Utiếp xúc) Như vậy muốn có dòng điện qua điốt thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt

Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng điện qua điốt lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức I-FORWARD hoặc ID tức I-DIODE) Dòng điện thuận có chiều từ anode sang cathode

Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điốt trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điốt lúc đó rất thấp (tầm khoảng vài chụcOhm) Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với Utiếp xúc cần khoảng

0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua điốt khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điốt bắt đầu dẫn và khi UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn.Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp Mọi điốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

• Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định)

• Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp)

Đặc tuyến Volt-Ampere

Đặc tuyến Volt-Ampere của một điốt bán dẫn lý tưởng

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:

• Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực thuận

• Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mô tả quan hệ dòng áp khi điốt phân cực nghịch

(U AK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông số này khác)

Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện

trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt).Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện

+ Dòng xoay chiều từ nguồn qua biến áp, được nắn qua cầu diode ở cả hai nửa chu

kì thành dòng điện một chiều có độ nhấp nhô cao:

Điện áp sau cầu Đi-ốt

+Như chúng ta đã biết thì tụ C1 là các tụ hóa dùng để lọc

điện áp Vì đây là điện áp 1 chiều nhưng chưa được phằng vẫn còn các

gợn nhấp nhô nên các tụ này có tác dụng lọc nguồn cho thành điện áp

một chiều phẳng Tụ C1 là lọc nguồn đầu vào cho 7805 Tụ này là tụ hóa

phải có điện dung đủ lớn để lọc phẳng điện áp đầu vào và điện áp tụ chịu đựng phải lớn hơn điện áp đầu vào

• Tụ C1 san bằng điện áp giúp dòng một chiều bằng phẳng hơn:

Điện áp sau khi lọc qua tụ

+IC 7805 tạo áp chuẩn 5VDC

+ Các tụ C2,C3 lọc nhiễu cao tần cho mạch

+ Nguyên lí hoạt động của mạch : Trên là mạch ổn áp 5V khá đơn giản sử dụng

7805 Mạch có bảo vệ chống dòng ngược, bảo vệ quá tải Công suất đầu ra khá thấp (5W) Mạch được sử dụng nhiều trong các mạch điều khiển, mạch cấp nguồn cho các mạch tín hiệu Mạch chỉ xoay quanh chức năng ổn định điện áp của con 7805 +Ic 7805 :Trên thực tế thì linh kiện ổn áp 7805 được dùng rất nhiều trong các

mạch điện điều khiển dùng để cấp nguồn ổn định cho mạch Với ưu

điểm là dễ ghép nối , dễ thiết kế với chi phí thấp, nguồn đầu ra ổn định Nhược điểm của nó là công suất đầu ra khá thấp (1A) và hoạt động không ổn định khi có nhiễu bên ngoài Hoạt động được ở giải nhiệt độ khá cao là 0 -125 độ C

Trên hình vẽ trên là 2 dạng đóng vỏ của 7805 Tùy theo mạch thiết kế

mà người ta dùng các dạng đóng vở Ví dụ như trong mạch dùng nhiều linh kiện dán thì người ta dùng dạng đóng vở D-PAL vì nó tiếp kiệm diện tích của mạch

* 7805 có 3 chân cho ta kết nối với nó : Chân 1 là chân nguồn đầu vào, chân 2 là chân GND , chân 3 là chân lấy điện áp ra

+ Chân 1 - 2 (Chân điện áp đầu vào) : Đây là chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động Giải điện áp cho phép đầu vào lớn nhất là 40V Theo datasheet thì giải điện áp đầu ra là 5V ta nên cho điện áp vào là 35V để mạch lúc nào cũng hoạt động ổn định điện áp không bị lên

xuống do nguồn đầu vào

+ Chân 3 ( Chân điện áp đầu ra) : Chân này cho chúng ta lấy điện áp đầu

ra ổn định 5V Đảm bảo đầu ra ổn định luôn nằm trong giải từ (4.75V đến 5.25V)

* Đảm bảo thông số : Vi - V0 > 3V Thông số này phải luôn đảm bảo khi cấp nguồn cho 7805 Tức là điện áp cấp vào cho 7805 phải nằm trong 8V đến 40V Nếu dưới 8V thì mạch ổn áp không còn tác dụng Thông thường người ta không bao giờ cấp nguồn 8V vào cả mà người ta phải cấp nguồn lớn hơn ít nhất là gấp đôi nguồn đầu ra để tráng trường hợp sụt áp đầu vào sinh ra nguồn đầu ra không ổn định trong thời gian ngắn