Báo cáo đo lường vườn ươm thông minh sử dụng cảm biến nhiệt độ độ ẩm

Báo cáo đo lường vườn ươm thông minh sử dụng cảm biến nhiệt độ độ ẩm Hiện nay công nghệ phát triển rất nhanh, ngày càng có nhiều sản phẩn ra đời có những tính năng rất phong phú và đa dạng và một điều đặc biệt đó là rất thông minh. Khoa học phát triển kéo theo rất nhiều nghành phát triển theo ví dụ như viễn thông, công nghệ thông tin, cơ khí chế tạo,… Tất cả các nghành đều có mối quan hệ thân thiết với nhau, nếu ta kết hợp chúng lại với nhau có thể tạo ra những sản phẩm thông minh để phục vụ nhu cầu cuộc sống của chính chúng ta. Một sản phẩm thông minh cần có sự kết hợp từ nhiều bộ phận để tạo thành: vi xử lý được lập trình phức tạp, cơ cấu chấp hành, cơ cấu chấp hành và nhiều thứ khác. Để sản phẩm có được sự thông minh như thế thì cảm biến chính là nhân tố quan trọng trong việc tạo thành sản phẩm. Hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống chống trộm, các ngôi nhà thông minh (Smart house), các khu vườn thông minh,… thì cảm biến góp công lớn trong sản phẩm. Tùy vào từng mục đích sử dụng có thể chọn loại cảm biến phù hợp như: cảm biến siêu âm, hồng ngoại, nhiệt độ độ ẩm,…. Có một cảm biến mà chúng ta có thể bắt gặp trong đời sống và ứng dụng của nó cũng rất rộng và đó chính là cảm biến đo độ ẩm và nhiệt độ. Cảm biến này thường được sử dụng trong các khu vườn thông minh, vườn ươm giống cây trồng,… vàg đặc biệt trong dự báo thời tiết. Bởi vì nó được ứng dụng rộng nên nhóm 15 quyết định lựa chọn cảm biến đo độ ẩm và nhiệt độ và ứng dụng của nó cho đề tài tìm hiểu của mình.

Hiện nay công nghệ phát triển rất nhanh, ngày càng có nhiều sản phẩn ra đời có những tính năng rất phong phú và đa dạng và một điều đặc biệt đó là rất thông minh Khoa học phát triển kéo theo rất nhiều nghành phát triển theo ví dụ như viễn thông, công nghệ thông tin, cơ khí chế tạo,… Tất cả các nghành đều có mối quan

hệ thân thiết với nhau, nếu ta kết hợp chúng lại với nhau có thể tạo ra những sản phẩm thông minh để phục vụ nhu cầu cuộc sống của chính chúng ta Một sản phẩmthông minh cần có sự kết hợp từ nhiều bộ phận để tạo thành: vi xử lý được lập trình phức tạp, cơ cấu chấp hành, cơ cấu chấp hành và nhiều thứ khác Để sản phẩm có được sự thông minh như thế thì cảm biến chính là nhân tố quan trọng trong việc tạo thành sản phẩm Hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống chống trộm, các ngôi nhà thông minh (Smart house), các khu vườn thông minh,… thì cảmbiến góp công lớn trong sản phẩm Tùy vào từng mục đích sử dụng có thể chọn loại cảm biến phù hợp như: cảm biến siêu âm, hồng ngoại, nhiệt độ độ ẩm,…

Có một cảm biến mà chúng ta có thể bắt gặp trong đời sống và ứng dụng của nó cũng rất rộng và đó chính là cảm biến đo độ ẩm và nhiệt độ Cảm biến này thường được sử dụng trong các khu vườn thông minh, vườn ươm giống cây trồng,… vàg đặc biệt trong dự báo thời tiết Bởi vì nó được ứng dụng rộng nên nhóm 15 quyết định lựa chọn cảm biến đo độ ẩm và nhiệt độ và ứng dụng của nó cho đề tài tìm hiểu của mình

Nội dung tìm hiểu

 Giới thiệu chung về cảm biến và đặc trưng cơ bản

 Giới thiệu cảm biến thông dụng

 Tìm hiểu cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm (DHT11)

 Tìm hiểu về phần cứng đi kèm

 Ứng dụng nhóm lựa chọn

I Giới thiệu chung.

1 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo

và xử lý được

Các đại lượng cần đo(m) thường không có tính chất điện như( nhiệt độ, ánhsáng, độ ẩm, … )tác động nên cảm biến cho ta một đặc trưng(s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) chứ đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng(s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

S = f(m) (1.1)

Trong công thức (1.1):

S – đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến

M – là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m)

2 Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau:

 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

b Hiện tượng hóa học

- Biến đổi hóa học

- Biến đổi điện hóa

- Phân tích phổ

c Hiện tượng sinh học

- Biến đổi sinh hóa

- Biến đổi vật lý

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

 Theo dạng kích thích

j Nhiệt

- Nhiệt độ

- Thông lượng

- Nhiệtk dung, tỉ nhiệt

 Tính năng của bộ cảm biến

 Công nghiệp

 Nông nghiệp

 Môi trường khí tượng

 Thông tin, viễ thông

 Theo thông số của mô hình mạch thay thế

 Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

 Cảm biến thụ đôn gj được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, … tuyến tính hoặc phi tuyến tính

3 Một số đặc trưng

- Độ nhạy: Gia số nhgỏ nhất có thể phát hiện

- Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định

- Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi được sử dụng

- Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

- Mức nhiễu ồn: tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của các tác nhân khác lên kết quả

- Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

- Độ trội: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hioặc thời gian tồn tại(date)

- Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

- Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại

- Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,… làm việc được

II Giới thiệu cảm biến thông dụng.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và ứng dụng rất nhiều trong đời sống giúp ta giải quyết được nhiều vấn đề trong cuộc sống học tập và làm việc trở nên thuận tiện hơn Tiêu biểu như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, siêu âm, hồng ngoại,…

1 Cảm biến tiệm cận

Có hai loại cảm biến tiệm cận trong công gnhiệp thường gặp:

- Cảm biến tiệm cận kiểu cảm ứng ( cảm biến điện từ ): Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện từ ( chỉ phát hiện được kim loại) cảm biến này thường được dùng trong công nghiệp do giá thành và khả năng chống nhiễu của nó

Nguyên tắc hoạt động: Từ trường do cuộn dây của sensor tạo ra sẽ thay đổi khi tương tác với vật thể kim loại

Có 2 loại cả biến tiệm cận kiểu cảm ứng: loại có bảo vệ và không có bảo vệ

- Cảm biến tiệm cận điện dung: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi vật.

Nguyên tắc hoạt động: Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện( sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất

cả vật

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận:

Đếm lon bia sản suất trong ngày, giám sát hoạt động của khuôn dập, phát hiện palette đi ngang qua, phát hiện lon nhôm, phát hiện đếm vật kim loại, kiểm tra gãy mũi khoan, …

2 Cảm biến quang

Cấu trúc cảm biến quang khá đơn giản, gồm 3 bộ phận chính:

Bộ phận phát sóng: thường sử dụng đèn LEG để phát ánh sáng: LEG đỏ,hồng ngoại, laze, trắng, xanh lá và thường các nguồn sáng này được phát ra ở tần số mắt người không thấy.

Bộ phận thu sóng: Thường là phototransistor (transistor quang), bộ phậnnày cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu tỉ lệ

Mạch xử lý tín hiệu ra: chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ transistor quang/ ASIC thành tín hiệu On/Of được khuếch đại Khi lượng ánh sángthu cđược vượt ngưỡng được xác định, tín hiệu của cảm biến được kích hoạt

3 Cảm biến nhiệt độ

- Nhiệt điện trở kim loại ( RTD – resitance temperature detector) – nhiệt điện trở dương: được làm từ các kim loại như đồng, niken, platium, …

- Nguyên lý hoạt động nhiệt điện trở dựa trên sự thay đổi nhiệt độ dẫnđến thay đổi điện trở

- Ưu điểm: Là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn RTD thuingừ

có loại 2 dây, 3 dây, 4 dây

4 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

- Để đo vận tốc ta sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ hoặc tốc độ kế vòng loiạ xung hoạt động theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn

- Trong đo gia tốc, người ta phân biệt mức gia tốc và dải tần của hiện tượng khảo sát như sau:

+ Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó, trong đó chuyển động của trong tâm luôn giữ ở tần số tương đối thấp, giá trị của gia tốc nhỏ Các cảm biến thường dùng là các cảm biến gia tốc

đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng

+ Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~10kHz)thường gặp khi vật có khối lượng nhỏ, cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở và áp điện

+ Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung, cảm biến gia tốc sử dụng là các loại có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp

và tần số cao

- Độ rung được đặc trung bởi độ dịch chuyển, tốc độ và gia tốc ở các điểm trên vật rung Cảm biến reung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc gia tốc nhưng có thểmô tả nguyên lý hoạt độngcủa chúng bằng mô hình hệ cơ học một bậc tự do như hình dưới

- Cảm biến đo độ rung gồm một phần tử nhạy cảm ( lò xo, tinh thể điện áp, … ) nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong

vỏ hôp Chuyển động rung của khối lượng M tác động lên phần tửnhạy cảm của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra

III Tìm hiểu về cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm ( DHT11)

DHT11 là một loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm tương đối phổ biến và có nhiều ứng dụng thực tế Nó thường được dùng trong học tập và nghiên cứu.

1 Giới thiệu chung DHT11

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

độ và độ và độ ẩm

2 Cấu tạo, thông số kĩ thuật và nguyên lý hoạt động.

k Cấu tạo:

l DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình trên Nó sử dụng giao tiếp số theochuẩn 1 dây

m VCC: Nối với nguồn điện 5V

n DATA: Kết nối và truyền dữ liệu

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

 MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0trong khoảng thời gian >18ms Trong Code mình để 25ms 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 kogiao tiếp được với DHT11

 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

-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 lêncủa chân DATA, sau đó delay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọcđược 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 Đề tài và ứng dụng của nhóm ( vườn ươm thông minh)

DHT11, Arduino uno r3 và LCD được sử dụng rất nhiều trong học tập và nghiên cứu Nên nhóm đã sử dụng 3 linh kiện trên để tạo ra sản phẩm ứng dụng trong vườn ươm Chức năng chính của sản phẩm chính là điều khiển

độ ẩm và nhiệt độ trong vườn ươm

1 Nội dung chính của ứng dụng:

 ứng dụng cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để thiết kế một vườm ươm thông minh có đủ điều kiện tốt nhất để cây ươm được phát triển tốt nhất

 Đọc dữ liệu từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 và xuất thông tin

ra màn hình LCD

 Ứng dụng vườn ươm thông minh

- Biến trở tam giác

- Máy phun sương (LED YELLOW)

- Máy tăng nhiệt độ (LED RED)

- Quạt thông gió 1,2 (LED BLUE)

3 Kết nối và nguyên lý hoạt động của vườn ươm thông minh

- Kết nối như trên hình vẽ

- Nhiệt độ và độ ẩm lý tưởng trong vườn ươm là 30oC – 35oC và 75% - 80%

- Khi nhiệt độ giảm > 30oC máy tăng nhiệt làm tăng nhiệt độ trong vườn ươm Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng quá 35oC thì máy phun sương và quạt thông gió hoạt động để làm giảm nhiệt độ về ngưỡng lý tưởng 30oC – 35oC

- Khi độ ẩm trong vườn ươm nhỏ hơn 75% thì máy phun sương hoạt động nhằm tăng độ ẩm cho vườn ươm Khi độ ẩm cao hơn 80% thì quạt thông gió hoạt động để giảm độ ẩm giúp nhiệt độ và độ ẩm của vườn ươm luôn ở mức thích hợp nhất để cây trồng phát triển

V Tìm hiểu phần cứng trong ứng dụng của nhóm.

1 Arduino uno r3

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người tathường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Chúng ta sẽ bắt đầu đến với Arduino quathứ này

a Giới thiệu về mạch Arduino uno r3

Arduino uno r3 là dòng cơ bản, linh hoạt, thường được dùng cho người mới bắt đầu Bạn có thể sử dụng các dòng Arduino khác nhau như: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Micro,… nhưng với những ứng dụng cơ bản thì mạch Arduino uno là lựa chịn phù hợp nhất

b Thông số cơ bản của mạch Arduino uno r3.

Điện áp đầu vào( khuyên dùng) 7 – 12 V

Điện áp đầu ra( giới hạn) 6 – 20 V

Chân Digital I/O 12 ( với 6 chan PWM output )Chân PWM Digital I/O 6

Arduino uno có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit AVR là:

Atmega8 (board Arduino uno r2), Atmega168, Atmega328 (borad Arduino uno r3) Bộ não này có thể xử lý những tác vụ đợn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu chi xe điều khiển từ

xa, điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ serve, làm một trạm

đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác.

Mạch Arduino uno r3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển Atmega328 Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của tâ không cao hoặctúi tiền không cho phép, ta có thể sử dụng các loại vi diều khiển khác

có chức năng tương đương nhưng rẻ hơn như Atmega8( bộ nhớ flash 8KB ) hoặc Atmega 168 ( bộ nhớ flash 16 KB )

d Nguồn sử dụng

Arduino uno r3 có thể được cấp nguồn 5 V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng 7 – 12 V DC hoặc điện áp giới hạn là 6 – 20 V thường thò cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lý nhất nếu ta không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, ta sẽ làm hỏng Arduino uno

e Các chân năng lượng

 GND (Ground): Cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino uno Khi ta dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50 mA

 Vin (Voltage Input) để cấp nguồn ngoài cho Arduino uno, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino uno có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điệntrở 10K ôm.

lo, ta hiếm khi nào cần quá 20Kb bộ nhớ này

 2KB cho SRAm ( Static Random Access Memory): giá trị các niến ta khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà ta phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

 1KB cho EEPROM ( Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory ): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn

có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

g các cổng vào/ra trên Arduino Board

Mạch Arduino uno có 14 chân digital dùng để đọc hoăc xuất tín hiệu.Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40 mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull – up từ đượccài đặt ngay trong vi điều khiển Atmega328( mặc định thì các diện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0(RX) và 1(TX): dùng để gửi(transmit – TX) và nhận (recevie – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetôth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu

không cần giao tiếp Serial, ta không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép ta xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit (giá trị từ 0 -> 28-1 tương ứng với 0 -> 5V) bằng hàm analogWrite() Nói đơn giản, ta có thể điều chỉnh đượcđiện áp ra ở chân này từ mức 0V và 5V thay vì chỉ cố định ở mức0V và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) Ngoài ra các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino uno có 1 đèn LED màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn 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 board có 6 chân analog(A0 -> A5) cung cấp dộ phân giải tín hiệu 10 bit (0 -> 210 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V – 5V Với chân AREF trên board, ta có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu 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 10 bit

Đặc biệt, Arduino uno có 2 chân A4(SDA) và A%(SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2 LCD 16x2

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD( Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có nhiều

ưu điểm so với các dạng hiển thị khác; Nó có khả năng hiển thị kí tự

đa dạng, trực quan(chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ