Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch giám sát các thông số nhiệt độ và độ ẩm qua sóng wifi

ĐỒ ÁN VI XỬ LÍ TRONG ĐIỀU KHIỂNĐề tài : “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch giám sát các thông số nhiệt độ và độ ẩm qua sóng wifi” Người hướng dẫn: Lại Văn Song Bộ môn: Tự Động Hóa SV

ĐỒ ÁN VI XỬ LÍ TRONG ĐIỀU KHIỂN

Đề tài : “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch giám sát các thông số

nhiệt độ và độ ẩm qua sóng wifi”

Người hướng dẫn: Lại Văn Song

Bộ môn: Tự Động Hóa

SV thực hiện:

Nguyễn Thị Phương Dung 573100

Đặt Vấn Đề

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, đã làm cho cuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về mọi mặt cả trong sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất Với xu hướng tự động hoá và mục tiêu tăng năng suất lao động nhiều thiết bị máy móc và các mạch điện tử đã được nghiên cứu

và ứng dụng trong thực tế Với sự ra đời của các mạch điện tử đã làm tăng đáng kể năng suất lao động và làm giảm sức lao động của con người trong quá trình sản xuất Vì vậy, những ứng dụng mang tính tự động ngày càng được sử dụng rộng rãi Trong đó có sự đóng gióp không nhỏ của kỹ thuật vi điều khiển Các bộ vi điềukhiển liên tục được cải tiến và sử dụng ngày càng phổ biến ở mọi mặt của đời sống

xã hội Hầu hết các thiết bị được ứng dụng hiện nay từ thiết bị tự động cho văn phòng đến gia đình hay nhà xưởng đều có thể dùng các thiết bị vi xử lí đem lại sự tiện nghi cho con người trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa

Đo nhiệt độ , độ ẩm môi trường là vấn đề khá phức tạp ngày nay cũng trở nên đơn giản và dễ làm Không cần phải dùng các thiết bị thô sơ như các loại nhiệt kế rồi phải tự tay kiểm tra như trước nữa, chúng ta có thể áp dụng các kiến thức đã học để tạo ra một mạch vi điều khiển đơn giản để kiểm soát nhiệt độ độ ẩm ở bất kìmôi trường nào

Với suy nghĩ đó, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết

kếvàchếtạo mạch giám sát các thông số nhiệt độvà độ ẩm qua sóng wifi” Đây

được coi là một trong những đề tài đang được tìm hiểu và thiết kế khá nhiều trong lĩnh vực tự động hóa ngày nay Nó giúp con người có thể tiện theo dõi các chỉ số

về nhiệt độ và độ ẩm của căn phòng, nhà xưởng, nhà lưới…mà không cần mất nhiều thời gian như trước Đồng thời, mạch cũng có khả năng điều chỉnh nhiệt độ,

độ ẩm khi tăng đột ngột hay giảm bất thường

Đề tài của chúng em có sự tham gia của tất cả các thành viên trong nhóm nhằmtạo ra được sản phẩm mạch điều khiển cuối cùng có tính ứng dụng cao.

Mặc dù có sự cố gắng nhưng trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm em không thể tránh khỏi các sai sót vì thiếu kinh nghiệm cũng như kiến thức còn nhiềuhạn chế Mong thầy xem xét và đóng góp ý kiến để đề tài của nhóm em có thể hoàn thiện hơn…

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu về nhiệt độ và độ ẩm

Nhiệt độ là một đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng của hầu hết cácquy trình công nghệ cũng như môi trường sống của con người Vì vậy thiết bị

đo nhiệt độ tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và kỹ thuật Nhiệt độ là đại lượngvật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể và môi trường Giá trị nhiệt độđặc trưng cho năng lượng động học trung bình chuyển động của các phần tửvật chất Nó là một trong những thông số của trạng thái nhiệt

Bên cạnh nhiệt độ, độ ẩm cũng là một trong các đặc trưng nhất của khí hậuhay môi trường và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong các quy trình côngnghệ hay sức khỏe của con người Trong khí quyển, độ ẩm tồn tại trong phạm

vi rất rộng từ phần triệu ppm đến hơi nước bão hòa ở 100 độ C, trong khoảngnhiệt độ lớn từ -60độ C đến 1000 độ C, có thể lẫn tạp chất và hóa chất khácnhau

Độ ẩm thường đi đôi với nhiệt độ, nếu nhiệt độ không khí càng thấp, trời trởlạnh và kèm theo đó là độ ẩm tăng lên, lượng hơi nước trong không khí sẽ dầnđạt tới trạng thái bão hòa Ngược lại nhiệt độ tăng, thời tiết ấm dần thì độ ẩmkhông khí cũng sẽ giảm xuống mức nhất định Độ ẩm và nhiệt độ giữ vai tròquan trọng, có cả tích cực và tiêu cực nhưng ít khi hai yếu tố này được chú ýmột cách đúng mực Nếu hai yếu tố này bị chênh lệch dù lên cao hay xuốngthấp cũng sẽ gây nên tình trạng sinh sôi của các loại vi khuẩn gây bệnh, gâykhô nứt da, đề kháng con người bị ảnh hưởng Đối với các công đoạn sản xuất,

nó ít nhiều sẽ ảnh hưởng tới các sản phẩm mà ta sản xuất cũng như sức khỏengười vận hành

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu và xây dựng mô hình điều khiển dựa trên module wifi ESP8266 V12E.Từ đó phát triển cao hơn, đưa bộ điều khiển áp dụng vào trong thực tế.Làm quen với việc tính toán thiết kế , chế tạo, nguyên lý hoạt động của mô hình và củng cố phần lý thuyết về mạch điện tử, cảm biến và mạch điều khiển bằng

vi điều khiển

1.3 Nội dung đề tài

Việc thực hiện nghiên cứu đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kếvà chếtạo mạch giám sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm qua sóng wifi” trong điều kiện :

- Thời gian thực hiện đề tài trong một học kỳ

- Kinh nghiệm thực tế chưa nhiều

- Vật tư và linh kiện không đồng bộ

Vì vậy chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài với những đặc điểm chính sau đây:

- Lập trình cho module Wifi ESP8266 trên Arduino IDE

- Thiết kết chế tạo mạch điều khiển nhiệt độ, độ ẩm

- Tìm hiểu 1 số linh kiện có trong đồ án

- Các loại relay có trong đồ án

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kế thừa: Kế thừa từ các tài liệu, công trình nghiên cứu trước đó

về hai mảng chính của đề tài: Cấu trúc cấu trúc, ứng dụng của ESP8266 và điều khiển nhiệt độ

Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý thuyết của đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm sự hoạt động trên các thiết bị hiện có

Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về vấn đề nghiên cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển và mạch điều khiển, sau đó thử nghiệm trên mô hình để đưa ra kết luận

1.5 Phạm vi ứng dụng

Đề tài là mô hình thu nhỏ , tuy nhiên, nó được ứng dụng rộng rãi ở các môi trường khác nhau như nhà ở, nhà xưởng, nhà kính… Trong sản xuất cũng như sinhhoạt

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN

VÀ CÁC THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG

TRONG ĐỀ TÀI

2.1 Module Wifi ESP8266_V12E

ESP8266 là một module SOC với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thứcTCP/IP, có thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợptrên chip, có khả tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian.Mỗi Module WiFi được tích hợp sẵn một firmware với các tập lệnh AT, tuy nhiên

đã có thêm nhiều phiên bản firmware hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, trong đó có LUA vàArduino Chính vì thế chúng ta thể dùng bất kì board Arduino nào để điều khiểnthu phát thông qua giao tiếp nối tiếp Đặc biệt ESP8266 là một sản phẩm côngnghệ giá hấp dẫn, có hiệu năng lớn và một cộng đồng phát triển lớn, ngày cànghùng hậu trên khắp thế giới

2.1.1 Tổng quan về ESP8266V12E

ESP8266 được sản xuất bởi Espressif Systems tại Thượng Hải, Trung Quốc.

Các đặc điểm của chip ESP8266 được tóm tắt như sau:

 Wifi chuẩn 802.11b/g/n

 Tích hợp CPU 32-bit RISC: Tensilica Xtensa LX106 chạy ở 80MHz *

 Tích hợp bộ đọc 1xADC 10 bit

 16 chân GPIO

 Hỗ trợ giao tiếp UART, I2C, SPI

 I2S giao tiếp với DMA

 64 KB RAM

 4MB bộ nhớ chương trình với ESP8266V12E

* Cả hai CPU và tốc độ flash có thể được tăng lên gấp đôi khi ép xung trênmột số thiết bị CPU có thể được chạy ở 160 MHz và flash có thể được tăngtốc lên từ 40 MHz đến 80 MHz

Hình 2.1 Sơ đồ khối của ESP8266

Nguyên lí : Để truyền dẫn ữ liệu qua wifi chúng cần kết nối module wifi

ESP8266 Nguyên lý hoạt động cấp nguồn 3.3v cho cả hai chân EN và Vcc để module vào chế độ hoạt động.Để gửi dữ liệu qua wifi ta cần kết nối module với haichân Txd, RxD của module UART hoặc IC có giao tiếp UART để nhận lệnh AT từ

IC hoặc module UART Khi gửi lệnh AT thì module ESP8266 gửi trả về một dòng lệnh để biết được lệnh yêu cầu đó có được thực hiện hay không

2.1.2 Mô tả chân ESP8266

a) Sơ đồ chân ESP8266

Hình 2.2 Sơ đồ chân ra của ESP8266

b Chân ngõ ra của phiên bản ESP-12.

Hình 2.3 : Sơ đồ chân ngõ ra ESP-12

2.1.3 : Các tập lệnh AT

2.2 Module Wifi Node MCU ESP8266 IOT- ESP 12

2.2.1 Chức năng

Giám sát các thông số của hệ thống và gửi về server

Module Node MCU tích hợp sẵn chíp CP2102 cao cấp

Giúp người sử dụng lập trình sẵn trên bo mạch mà không cần bất cứ một công cụ nào khác

Tất cả chân của ESP8266 được đưa ra ngoài để linh động trong quá trình thiết kế

và chạy thử

Kit ESP 8266 là kít phát triển dựa trên nền chip wifi SOC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chip 2102 trên board

Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lí vì thể có thể trực tiếp lập trình trên nó

mà không cần một con vi xử lí gián tiếp nào khác

2.2.2 Sơ đồ chân

Hình 2.4: Sơ đồ chân Module Wifi Node MCU ESP8266 IOT- ESP 12

2.2 Relay

2.2.1 Giới thiệu

Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực

tế Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài ra

có thể dễ dàng bảo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm Vì vậy, hôm nay, chúng ta

sẽ cùng nhau tìm hiểu về relay và các ứng dụng của nó trong cuộc sống!

2.2.2 Relay (rơ-le) là gì ?

Từ rơ-le là từ vay mượn từ tiếng nước ngoài (cụ thể là tiếng Pháp) nên trong từ

đó không bao hàm ý nghĩa gì nhiều Vì vậy, ta sẽ không phân tích rơ-le là gì thông qua tên gọi của nó Vì vậy, sẽ sử dụng những linh kiện điện tử khác mà chắc chắn

đã biết rồi để diễn giải!

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le

được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng

làm công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở

"Khi nào nó đóng? Khi nào nó mở? và làm sao thay đổi được trạng thái của

nó?, " đó chính là những câu hỏi mà chúng ta cần tìm kiếm câu trả lời.

2.2.3 Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức

thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng),module rơ-le đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng) Nếu so sánh giữa 2 module

rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau,

chỉ khác nhau ở chỗ cái tranzito của mỗi module Chính vì cái transistor này nên

mới sinh ra 2 loại module rơ-le này (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao,

và PNP - kích ở mức thấp)

Làm sao để nhận biết được module rơ-le nào thuộc loại nào? Có 3 cách :

- Hỏi người bán và sau khi mua về chúng ta đặt ngăn nắp, loại nào ra loại đấy

- Kiểm tra module rơle bằng cách thử cấp nguồn vào các chân điều khiển

- Tìm trên google thử tên của loại transistor mà module rơ-le đó dùng, nếu là loại NPN là module rơ-le kích ở mức cao, và nếu là PNP thì module rơ-le ấy là loạikích ở mức thấp

Module relay kích ở mức cao

Module relay kích ở mức thấp

Thông số của một module relay

Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và transistor, nên module rơ-le có những thông số của chúng

Hiệu điện thế kích tối ưu

o Cái này bạn phải hỏi người bán và người bán sẽ đáp ứng đúng loại phù hợp với bạn Ngoài ra bạn có thể xem ảnh dưới (mục số 5)

o Chẳng hạn, bạn cần một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một bóng đèn (220V) khi trời tối từ cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 5-12V thì bạn bảo họ bán loại module relay 5V (5 volt) hoặc module relay 12V (12 volt) kích ở mức cao (bạn xem bài viết cảm biến ánh sáng để xem cách hoạt động của cảm biến và suy ra tại sao lại dùng module relay kích ở mức cao).

 Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa của đồ dùng điện khi nối vào module rơ-le

o Cái này bạn xem phía trên relay thôi Bạn xem ví dụ về hình ảnh ở dưới nhé

10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu điện thế <= 250V (AC) là 10A

10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệuđiện thế <= 30V (DC) là 10A

10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệuđiện thế <= 125V (AC) là 10A

10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệuđiện thế <= 28V (DC) là 10A.

SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V

Cách sử dụng Rơle

Vì sao đến bây giờ mình mới nói đến cách sử dụng rơ-le? Bởi vì mình muốn cácbạn nắm các thông số cơ bản trước nhằm tránh các trường hợp xấu có thể xảy ra Rơ-le bình thường gồm có 6 chân Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nốivới đồ dùng điện công suất cao

3 chân dùng để kích:

o +: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này

o - : nối với cực âm

o S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ-le mà nó sẽ làm nhiệm vụkích rơ-le

 Nếu bạn đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S bạncấp điện thế dương vào thì module rơ-le của bạn sẽ được kích,ngược lại thì không

 Tương tự với module rơ-le kích ở mức thấp

3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:

o COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mìnhkhuyên bạn nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thếxoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều

o ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điệnxoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều

o OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều

2.3 : Phần mềm Blynk

Phần mềm Blynk là một phần mềm được thiết kế cho Android, iOS cho chúng takhả năng tự tạo ứng dụng kết nối với các board Arduino, Raspberry và các bomạch khác để điểu khiển chúng.

Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ xa qua internet, thu thập dữ liệu của cảmbiến, ảo hóa việc giao tiếp và thực hiện nhiều việc khác

Nguyên lý làm việc là khi bạn nhấn nút điều khiển, lệnh sẽ được truyền về servercủa Blynk, sau đó Blynk gửi lệnh về module điều khiển, module sau khi chạy lệnh

sẽ gửi lại kết quả theo quy trình ngược lại nghĩa là từ thiết bị gửi về server rồi từserver gửi về điện thoại của bạn

Sử dụng Blynk bạn không cần phải biết viết app cho Android, chỉ với thao tác rê

và thả các đối tượng trong giao diện và vài thiết lập là xong

Trước khi biết Blynk, để điều khiển được thiết bị qua Internet, tôi phải làm rấtnhiều việc như mở port modem trong nhà, đăng ký dịch vụ tên miền như DynDNS,No-IP để tự cập nhật địa chỉ IP modem, viết code cho phần cứng, viết ứng dụngcho phần cứng biến phần cứng đó thành một webserver để điều khiển từ trìnhduyệt web, viết app android hay iOS, tất cả những điều trên rất dễ làm nản lòngnếu một trong các giai đoạn đó chưa được thực hiện rốt ráo

Bây giờ với Blynk, bạn cần các module phần cứng được hỗ trợ và app này vậy là xong Bạn có thể điều khiển thiết bị dựa trên Internet qua mạng LAN, mạng

Internet bất kỳ chổ nào và thậm chí 3G, rồi cả 4G nữa Tất cả đều không còn là vấn

đề, vấn đề còn lại là bạn làm ra thiết bị để sử dụng vào việc gì

Phần mềm Blynk được cài trên Android

Nguyên lý làm việc là khi nhấn nút điều khiển, lệnh sẽ được truyền về server của Blynk.Sau đó, Blynk gửi lệnh về module điều khiển, module sau khi chạy lệnh sẽ gửi lại kết quả theo quy trình ngược lại từ thiết bị gửi về server rồi từ server gửi về điện thoại

Sơ đồ kết nối mạng của Blynk

2.4 Cảm biến DHT11

Giới thiệu:

- DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

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 bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều

Tuy nhiên, 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