Mạch ứng dụng cảm biến giám sát thông số nhiệt độ độ ẩm qua webserver

Mạch ứng dụng cảm biến giám sát thông số nhiệt độ độ ẩm qua webserverCác phương án điều khiển và xử lý dữ liệu ra LCD.Tìm hiểu vi điều khiển Arduino R3.Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino R3.Tìm hiểu DHT11.Tìm hiểu ESP8266.Giao tiếp giữa các modul.Lập trình cho Arduino R3.Dùng cảm biến độ ẩm DHT11 để đo độ ẩm.Đo đạc được giá trị nhiệt độ độ ẩm và hiển thị tại chỗ trên màn LCD.Thiết kế ngưỡng nhiệt độ bằng bàn phím 4x4.Tự tạo điểm truy cậpWiFi (Access Point) để các thiết bị mobile có thể kết nối.Các thiết bị kết nối AP này có thể đọc được thông số đo đạc qua ứng dụng web trên mobile.Cấu hình bằng tay tại chỗ cho SSID và Password cho điểm truy cập của node sensor wireless.

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

1.1 Tổng quan về cấu trúc phần cứng Arduino UNO R3 4

1.1.1 Giới thiệu 4

1.1.2 Cấu trúc và thông số 4

1.2 Giao tiếp One wire 6

1.2.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp One wire 6

1.2.2 Nguyên lý hoạt động: 6

1.3 Giao tiếp I2C 8

1.3.1 Giới thiệu 8

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 8

1.4 Giao tiếp UART 10

1.4.1 Giới thiệu 10

1.4.2 Nguyên lí hoạt động 10

1.5 Cảm biến số nhiệt độ, độ ẩm DHT11 11

1.6 Node MCU (ESP8266) 12

1.6.1 Giới thiệu 12

1.6.2 Thông số kĩ thuật 13

1.7 Màn hình LCD 16x2 15

1.7.1 Hình dáng và kích thước: 15

1.7.2 Chức năng các chân : 16

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18

2.1 Xác định chỉ tiêu kỹ thuật cho thiết bị 18

2.2.2 Khối 2: 21

2.3 Sơ đồ khối trên Proteus 24

Chương 3: Kết quả 25

3.1 Kết quả của sản phẩm đạt được 25

3.1.1 Mạch thật 25

3.1.2 Các chế độ hoạt động trên LCD 25

3.1.3 Webserver xây dựng được 27

3.2 Hướng phát triển 27

3.2.1 Ưu điểm của hệ thống 27

3.2.2 Hướng phát triển 28

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Board Arduino Uno R3 5

Hình 1.2 Mô tả cách thức hoạt động của giao tiếp one wire 8

Hình 1.3 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 9

Hình 1.4 Mô hình giao tiếp UART giữa PC và Arduino 10

Hình 1.5 Mô tả hoạt động của giao tiếp UART 11

Hình 1.6 DHT 11 loại 3 chân và 4 chân 12

Hình 1.7 ESP8266 trên thực tế 13

Hình 1.8 Sơ đồ chân ESP8266 14

Hình 1.9 Hình dáng của loại LCD thông dụng 15

Hình 1.10 Sơ đồ chân của LCD 15

Hình 3.1 Mạch tổng thể 25

Hình 3.2 Mạch hoạt động ở chế độ thường 25

Hình 3.3 Điều chỉnh nhiệt độ bật quạt 26

Hình 3.4 Điều chỉnh SSID của Wifi 26

Hình 3.5 Điều chỉnh Password của Wifi 26

Hình 3.6 Webserver trên thực tế 27

Hình 3.7 Ứng dụng IoT trong ngành chăn nuôi bò 29

Hình 3.8 : Ứng dụng cảm biến đo nhiệt độ vào trồng trọt 29

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, nhu cầu theo dõi nhiệt độ và độ ẩm ngày càng trở nên phổ biến và thiếtthực, chúng được sử dụng trong: Sản xuất chế biến nông nghiệp, Hiển thị và thực thi điềukhiển (quạt gió, máy sấy, điều hòa, hay báo động), Theo dõi môi trường, chế độ làm việccủa một số dây chuyền, thiết bị có yêu cầu cao Khái niệm về đo nhiệt độ và độ ẩm đã có

từ rất lâu, chúng là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật chất và môi trườngsống nói chung Riêng về công nghiệp sản xuất và trong đo lường điều khiển, quá trình đo

và xử lí nhiệt độ - độ ẩm giữ vai trò quan trọng

Do đó ta thấy được tầm quan trọng và tính thực tế của việc đo và điều chỉnh nhiệt

độ - độ ẩm trong các thiết bị tự động hóa cũng như đời sống hằng ngày Được sự đồng ý

và phân công của khoa ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG nhóm em tiến hành thực hiện đề tài:

“Mạch ứng dụng cảm biến giám sát thông số nhiệt độ - độ ẩm qua webserver”.

Đề tài là sự kết hợp giữa những kiến thức học được trong nhà trường với quá trìnhtìm tòi nghiên cứu và sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn, song chắc chắnkhông tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Chúng em rất mong nhận được những ýkiến đóng góp quý báu cũng những phê bình, chỉ dẫn của quý Thầy Cô

rõ nhằm trang bị cho bản thân nhiều kiến thức bổ ích sau này có thể ứngdụng vào thực tế cuộc sống

- Tập tính làm việc độc lập, khả năng tự suy nghĩ tìm tòi, học hỏi, phát huynăng lực của bản thân

- Ngoài ra còn tạo được sản phẩm có tính ứng dụng thực tế

III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊNG CỨU:

- Các phương án điều khiển và xử lý dữ liệu ra LCD

- Tìm hiểu vi điều khiển Arduino R3.

- Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino R3

- Tìm hiểu DHT11

- Tìm hiểu ESP8266

- Giao tiếp giữa các modul

IV LẬP KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU:

Để thực hiện đề tài này nhóm đã kết hợp sử dụng nhiều phương pháp và phương tiện hỗ trợ gồm có:

- Tham khảo tài liệu kỹ thuật số, điện tử căn bản, vi điều khiển Arduino R3,…

Với thời gian gần năm tuần thực hiện đề tài cũng như trình độ chuyên môn có hạn,

dù em đã cố gắng hết sức để hoàn thành sản phẩm này, nhưng chỉ giải quyết được nhữngvấn đề sau:

- Lập trình cho Arduino R3

- Dùng cảm biến độ ẩm DHT11 để đo độ ẩm

- Đo đạc được giá trị nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị tại chỗ trên màn LCD

- Thiết kế ngưỡng nhiệt độ bằng bàn phím 4x4

- Tự tạo điểm truy cậpWiFi (Access Point) để các thiết bị mobile có thể kếtnối

- Các thiết bị kết nối AP này có thể đọc được thông số đo đạc qua ứng dụngweb trên mobile

- Cấu hình bằng tay tại chỗ cho SSID và Password cho điểm truy cập của

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan về cấu trúc phần cứng Arduino UNO R3

1.1.1 Giới thiệu

Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với cácthiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bậtcủa Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lậptrình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lậptrình 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 với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu mộtboard Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vàothế kỷ thứ 9 là King Arduin Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là mộttrong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea(IDII) Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền vớitốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi

đã sản sinh ra Arduino

1.1.2 Cấu trúc và thông số

Arduino Uno R3 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVRAtmega328 Cấu tạo chính của Arduino Uno R3 bao gồm các phần sau:

Hình 1.1 Board Arduino Uno R3

- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưngkhông phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó ta cần một nguồn từ 9Vđến 12V

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất(GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫuArduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở Arduino Uno R3 thì sử dụngATMega328

- Các thông số chi tiết của Arduino Uno R3:

Vi xử lý: Atmega328

Điện áp hoạt động: 5V

Điện áp đầu vào: 7-12V

Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( 6 chân có thể cho đầu ra PWM)

Chân vào tương tự: 6

Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

Bộ nhớ trong: 32 KB (ATmega328)

SRAM: 2 KB (ATmega328)

EEPROM: 1 KB (ATmega328)

Xung nhịp: 16MHz

1.2 Giao tiếp One wire

1.2.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp One wire

Chuẩn giao tiếp một dây (One wire) do hãng Dallas giới thiệu Trong chuẩngiao tiếp này chỉ cần 1 dây để truyền tín hiệu và làm nguồn nuôi (Nếu không tíndây mass) Là chuẩn giao tiếp không đồng bộ và bán song công (half-duplex).Trong giao tiếp này tuân theo mối liên hệ chủ tớ một cách chặt chẽ Trên một bus

có thể gắn 1 hoặc nhiều thiết bị slave Nhưng chỉ có một master có thể kết nối đếnbus này

Bus dữ liệu khi ở trạng thái rãnh (khi không có dữ liệu trên đường truyền)phải ở mức cao do vậy bus dữ liệu phải được kéo lên nguồn thông qua một điệntrở Giá trị điện trở này có thể tham khảo trong datasheet của thiết bị / các thiết bịslave

Các thiết bị tớ (slave) kết nối với cùng một bus được phân biệt với nhau nhờ

64 bit địa chỉ duy nhất (64-bit serial number) 8 byte (64 bit) này và được chia làm

ba phần chính:

- Bắt đầu với LSB, là byte đầu tiên là mã họ thiết bị có độ lớn 8 bit (8-bitfamily codes) xác định kiểu thiết bị

- 6 byte tiếp theo lưu trữ địa chỉ riêng của thiết bị

- Byte cuối cùng (MSB) là byte kiểm tra tính toàn vẹn dữ liệu cyclicredundancy check (CRC) có giá trị tương ứng với giá trị của 7 byte đầu tiên Nhờbyte CRC giúp cho master xác định có địa chỉ được đọc có bị lỗi hay không Với

224 địa chỉ khác nhau tạo ra một số lượng rất lớn các địa chỉ.Do vậy vấn đề về địachỉ không phải là vấn đề chính trong chuẩn giao tiếp này

1.2.2 Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu trên bus 1 wire chia thành các khe thời gian 60 µs 1 bit dữ liệuđược truyền trên bus dựa trên khe thời gian (time slots) Các thiết bị slave cho phép

có thời gian nền có một chúc khác biệt từ thời gian nền danh nghĩa Tuy nhiên đốivới thiết bị master cần có bộ định thời với độ chính xác cao, để đảm bảo giao tiếpđúng với các thiết bị salve có thời gian nền khác biệt Do đó rất quan trọng để tuântheo giới hạn thời gian mô tả trong các phần sau

Bốn thao tác hoạt động cơ bản của bus 1 wire là Reset/Presence, gửi bit 1,gửi bit 0, và đọc bit Thao tác byte như gửi byte và đọc byte dựa trên thao tác từngbít

Gửi bit 1 (“Write 1” signal)

Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp trong khoảng 1 đến 15µs Sau đónhả bus (releases the bus) cho đến hết phần còn lại của khe thời gian

Gửi bit 0 ("Write 0" signal)

Kéo bus xuống mức thấp trong ít nhất 60µs, với chiều dài tối đa là 120 µs

Đọc bit:

Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp từ 0 -15µs Khi đó thiết bị tớ khi đó

sẻ giữ bus ở mức thấp nếu muốn gửi bit 0, Nếu muốn gửi bit 1 đơn giản là nhả bus.Bus nên lấy mẫu 15 µs sau khi bus kéo xuống mức thấp

"Reset/Presence":

Tín hiệu reset và Presence(Báo hiện diện) được trình bày như hình bêndưới Thiết bị master kéo bus xuống thấp ít nhất 8 khe thời gian (tức là 480 µs) vàsau đó nhả bus Khoảng thời gian bus ở mức thấp đó gọi là tín hiệu reset Nếu cóthiết bị slave gắn trên bus nó sẻ trả lời bằng tín hiệu Presence tức là thiết bị tớ sẻkéo bus xuống mức thấp trong khoảng thời gian 60µs Nếu không có tín hiệuPresence, thiết bị master sẻ hiểu rằng không có thiết bị slave nào trên bus, và cácgiao tiếp tiếp theo sẻ không thể diễn ra

Hình 1.2 Mô tả cách thức hoạt động của giao tiếp one wire

1.3 Giao tiếp I2C

1.3.1 Giới thiệu

Đầu năm 1980 Phillips đã phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi làI2C I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit Đây là đường Bus giao tiếpgiữa các IC với nhau I2C mặc dù được phát triển bới Philips, nhưng nó đã được rất nhiềunhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giaotiếp điều khiển, có thể kể ra đây một vài tên tuổi ngoài Philips như: Texas Intrument(TI),MaximDallas, analog Device, National Semiconductor Bus I2C được sử dụng làm busgiao tiếp ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như các loại Vi điều khiển 8051, PIC,AVR, ARM

1.3.2 Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

Hình 1.3 Bus I2C và các thiết bị ngoại vi

I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu:

 Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master phát đi (thông thường ở100kHz và 400kHz Mức cao nhất là 1Mhz và 3.4MHz)

 Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng

Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ khôngxảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởỉ một địa chỉduy nhất với một quan hệ chủ/tớ tồn tại trong suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị có thểhoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay có thể vừa truyền vừa nhận Hoạtđộng truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (master) hãy tớ (slave)

Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ (duy nhất) đểphân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ hay tớ Đó là vì trên một bus I2C thì quyềnđiều khiển thuộc về thiết bị chủ Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho toàn hệthống, khi giữa hai thiết bị chủ-tớ giao tiếp thì thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ

và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt quá trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủđộng, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp

Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng 7 bit để định địa chỉ, do đó trên một bus cóthể có tới 2^7 địa chỉ tương ứng với 128 thiết bị có thể kết nối, nhưng chỉ có 112 , 16 địachỉ còn lại được sử dụng vào mục đích riêng Bit còn lại quy định việc đọc hay ghi dữ liệu(1 là write, 0 là read) Điểm mạnh của I2C chính là hiệu suất và sự đơn giản của nó: mộtkhối điều khiển trung tâm có thể điều khiển cả một mạng thiết bị mà chỉ cần hai lối rađiều khiển

Ngoài ra I2C còn có chế độ 10 bit địa chỉ tương đương với 1024 địa chỉ, tương tựnhư 7 bit, chỉ có 1008 thiết bị có thể kết nối, còn lại 16 địa chỉ sẽ dùng để sử dụng mụcđích riêng.

1.4 Giao tiếp UART

1.4.1 Giới thiệu

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Thường làmột mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính vàcác thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART, vì vấn đềtốc độ và độ điện dụng của UART không thể so sánh với các giao tiếp mới hiện nay nêncác dòng PC & Laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART Như đã biết giao tiếpSPI và I2C có 1 dây truyền dữ liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) đểđồng bộ trong giao tiếp Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi màviệc truyền UART được dùng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lý

có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng

Hình 1.4 Mô hình giao tiếp UART giữa PC và Arduino

1.4.2 Nguyên lí hoạt động

Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi

đi, sau đó là các bit dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Hình 1.5 Mô tả hoạt động của giao tiếp UART

Như hình có thể thấy Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (High).Khi bắt đầu truyền START bit sẻ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận làquá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7(Theo hình vẽ các bit này có thể ở mức High hay Low tùy theo dữ liệu) Sau khitruyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệutruyền Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong.Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của

dữ liệu

Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART:

– Baund rate (tốc độ baund ): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được

truyền Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận

– Frame (khung truyền ): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần

truyền

– Start bit : là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị

nhận có một gói dữ liệu sắp đc truyền đến Bit bắt buộc

– Data : dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước

sau đó đến bit MSB

– Parity bit : kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không.

– Stop bit : là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong.

Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của

dữ liệu Bit bắt buộc

1.5 Cảm biến số nhiệt độ, độ ẩm DHT11

DHT11 Là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữliệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền dữ liệu duy nhất).Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác

mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào

Thông số kỹ thuật

 Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)

 Dãi độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

 Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

 Khoảng cách truyển tối đa: 20m

Sơ đồ chân

Cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu Hiện nay,thông dụng ngoài thị trường có hai loại đóng gói cho DHT11: 3 chân và 4 chân

Hình 1.6 DHT 11 loại 3 chân và 4 chân.

1.6 Node MCU (ESP8266)

1.6.1 Giới thiệu

NodeMCU là một nền tảng IoT mã nguồn mở Nó bao gồm phần firmwarechạy trên SoC Wi-Fi ESP8266 của Espressif Systems và phần cứng dựa trênmôđun ESP-12.ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điềukhiển các thiết bị điện tử.Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng

Chip ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếpWifi cho các thiết bị IoT Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợpcác mạch RF như balun, antenna switches, TX power amplifier và RX filter ngaybên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các board sử dụng ESP8266không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều linh kiện xung quanh.

Hình 1.7 ESP8266 trên thực tế

1.6.2 Thông số kĩ thuật

-WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n

-Điện áp hoạt động: 3.3V

-Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB

-Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire,trừ chân D0)

-Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)