THIẾT kế MẠCH đo độ ẩm KHÔNG KHÍ

Trong đó, sựphát triển của kỹ thuật tự động hóa đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểmnổi bật như độ chính xác, bảo mật cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rấtcần thiết c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN - -

Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Thanh Hà

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiến tiến, thế giới củachúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Trong đó, sựphát triển của kỹ thuật tự động hóa đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểmnổi bật như độ chính xác, bảo mật cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rấtcần thiết cho sự tiện lợi trong cuộc sống, ví dụ như các thiết bị cảm biến Bên cạnh

đó, kỹ thuật vi điều khiển ngày càng trở nên quen thuộc trong các dây truyền tựđộng hóa và các sản phẩm dân dụng Chính vì vậy sẽ tạo thuận lợi hơn cho quátrình đo lường, thiết kế ứng dụng Một trong những ứng dụng đó là đề tài nhóm emnghiên cứu trong học phần đồ án I: “Thiết kế mạch đo độ ẩm không khí, sai số2%.”

Trong quá trình làm đồ án, do thời gian hạn chế, trình độ có hạn chắc hẳncòn nhiều sai sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn của côcũng như sự đóng góp của các bạn sinh viên để đồ án hoàn thiện hơn

Chúng em chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Độ ẩm có ở khắp mọi nơi trong không khí Độ ẩm là một thông số quantrọng tác động đến con người,đến thiết bị máy móc và các quá trình lí hóa Trongcông nghiệp, các thiết bị, máy móc,… độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến chúng, nhất

là các thiết bị điện, điện tử Do vậy việc đo, xác định độ ẩm và chống ẩm là nhiệm

vụ rất quan trọng Nó ảnh hưởng tới tuổi thọ của các linh kiện điện, điện tử

Ở đồ án này, chúng em nhận được đề tài “Thiết kế mạch đo độ ẩm không khí, sai số 2%” Đây cũng là một trong những đề tài rất sát với thực tế, mang tính ứng dụng thực tiễn rất cao Điều đó càng tạo động lực và cảm hứng cho sinh viên tìm tòi và nghiên cứu Đế đáp ứng yêu cầu đề bài và phù hợp với kiến thức bản thân, nhóm em quyết định thiết kế module đo độ ẩm không khí dung cảm biến DHT22 kết nối vi điều khiển AT89S52 in ra LCD 1602

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

− Để hoàn thành học phần đồ án I, tạo cơ sở cho các đồ án sau này

− Với nhóm nghiên cứu là cơ hội để kiểm tra lại kiến thức đồng thời biết vận dụng kiến thức vào thực tiễn, tìm tòi khám phá, tiếp cận nghiên cứu, biết cách làm việc nhóm vì mục đích chung

− Tạo ra sản phẩm có ứng dụng trong thực tiễn

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

− Các phương pháp đo độ ẩm không khí để timg cảm biến thích hợp

− Cảm biến DHT22 đáp ứng đúng yêu cầu đề tài

− Vi điều khiển AT89S52 cùng họ với 8051 được học trực tiếp trong học phần

vi xử lí

− Lcd 1602 phù hợp để xuất dữ liệu cần đo

− Cách lập trình để lcd và cảm biến giao tiếp với vi điều khiển

1.4 PHAM VI NGHIÊN CỨU

Do đồ án học song song với học phần vi xử lí và tình hình dịch bệnh ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu nên đồ án của nhóm tập trung vào tìm tòi kiến thức trên mạng, tham khảo tài liệu, mô phỏng được mạch trên proteus và làm mạchnếu có thể

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Báo cáo gồm 5 chương: Chương 1: Phân tích nhiệm vụ

Chương 2: Tổng quan các phương pháp đo độ ẩmChương 3: Thiết kế phần cứng

Chương 4: Thiết kế phần mềmChương 5: Kết luận và phương hướng phát triển

Chuyển đổi Mạch đo Chỉ thị

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐỘ ẨM

2.1 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG

2.1.1 Giới thiệu

Để thực hiện phép đo nào đó của một đại lượng nào đó thì tùy thuộc vào đặctính của đại lượng cần đo, điều kiện đó, cũng như độ chính xác theo yêu cầu củamột phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở củacác hệ thống đo lường khác nhau

Sơ đồ khối của một hệ thống đo lường tổng quát:

• Khối chuyển đổi: làm nhiệm vụ nhận trực tiếp các đại lượng vật lí đặctrưng cho đối tượng cần đo, biến đổi các đại lượng thành các đạilượng vật lí thống nhất (dòng điện hoặc điện áp) để thuận lợi cho việctính toán

• Mạch đo: có nhiệm vụ tính toán biến đổi tín hiệu nhận được từ bộchuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộchỉ thị

• Khối chỉ thị: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch

đo để thể hiện kết quả đo

2.1.2 Hệ thống đo lường số

2.1.2.1 Sơ đồ khối

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động

Đối tượng cần đo là đại lượng vật lí, dựa vào các đặc tính của đại lượng cần

đo mà ta chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thong số đại lượng vật lí cần

đo thành đại lượng điện, đưa vào mạch chế biến tín hiệu ( gồm: bộ cảm biến, hệthống khuếch đại, xử lí tín hiệu)

Bộ chuyển đổi tín hiệu ADC ( Analog Digital Converter) làm nhiệm vụchuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và kết nối với vi xử lí

Bộ dồn kênh tương tự và bộ chuyển đổi ADC được dung chung cho tất cảcác kênh Dự liệu nhập vào vi xử lí sẽ có tín hiệu chọn đúng kênh cần xử lí để đưavào bộ chuyển đổi ADC và đọc đũng giá trị đặc trưng của nó qua tính toán để cókết quả đại lượng cần đo

cơ Giữ cát trong lọ đậy kín.

2.2.1.3 Cách tiến hành

Lấy cốc thủy tinh có đựng 10 – 20g cát sạch và một đũa thủy tinh bẹt đầu, đem sấy ở 100 – 1030C cho đến khi trọng lượng không đổi Để nguội trong bình hút ẩm và cân trọng lượng chính xác đến 0,0001g

Sau đó cho vào cốc khoảng 10g mẫu Cân tất cả ở cân phân tích với độ chínhxác như trên

Dùng que thủy tinh trộn đều thuốc thử với cát Dàn đều thành lớp mỏng.Cho tất cả vào tủ sấy ở 100 – 1030C, sấy cho đến khi trọng lượng không đổi, thường tối thiểu là 6h Trong thời gian sấy, cứ sau 1h lại dùng đũa thuỷ tinh đầu bẹtnghiền nhỏ các phần vón cục, sau đó dàn đều và tiếp tục sấy

Sấy xong, làm nguội trong bình hút ẩm (20 -25 phút) và đem cân ở cân phân tích với độ chính xác như trên

Cho lại vào tủ sấy 100 – 1030C trong 30 phút, lấy ra làm nguội trong bình hút ẩm (20 -25 phút) và đem cân như trên tới khi trọng lượng không đổi Kết quả giữa hai lần cân liên tiếp không được cách nhau quá 0,5mg cho mỗi gam mẫu thử.

2.2.1.4 Tính kết quả

Độ ẩm theo phần trăm tính theo công thức:

X = (m1 – m2 ).100/( m1 -m )

Trong đó:

m: trọng lượng cốc cân, cát và đũa thủy tinh (g)

m1: trọng lượng cốc cân, cát, đũa thủy tinh và của mẫu trước khi sấy (g)

m2: trọng lượng cốc cân, cát đũa thủy tinh và của mẫu sau khi sấy (g)

Sai lệch giữa hai lần xác định song song không được lớn hơn 0,5%

Kết quả cuối cùng là trung bình của 2 lần lặp lại song song

Cũng có thể cho kết quả sai số do một số thành phần bị oxy hóa khi gặpkhông khí ở nhiệt độ cao (như mẫu có nhiều chất béo)

2.2.2 Phương pháp chưng cất kín với một dung môi hữu cơ

2.2.2.1 Nguyên tắc

Dùng một loại dung môi hữu cơ có 3 đặc tính:

- Có nhiệt độ sôi cao hơn nước một chút.

- Không trộn lẫn với nước

- Nhẹ hơn nước

Khi đun sôi dung môi hữu cơ đã trộn lẫm với mẫu, dung môi bốc hơi và sẽ kéotheo nước trong mẫu Dung môi và nước gặp lạnh ngưng tụ ở ống đo có vạch chialàm hai lớp riêng biệt Đọc thể tích nước lắng ở phía dưới, từ đó tính ra phần trămnước có trong mẫu

- Đũa thủy tinh

- Bi thủy tinh hoặc đá bọt

- Toluol (toluen) tinh khiết (độ sôi: 1100C) hoặc xylen tinh khiết (độ sôi: 138 –

Lắp máy cất, mở nước vào máy sinh hàn Đun cho toluen sôi mạnh,bốc hơikéo theo phần nước có trong mẫu và ngưng tụ trong phần ống đo có khắc vạch.Tiếp tục đun cho đến khi mực nước trong ống đo không đổi Nếu có những giọtnước đọng lại trên thành ống, dùng ống thủy tinh mảnh đưa giọt nước xuống

Trong ống đo, nước và toluen chia thành hai phần rõ rệt, nước ở phía dưới

và toluen ở phía trên, sau khi để nguội đọc thể tích trong ống đo

2.2.2.4 Tính kết quả

Độ ẩm theo phần trăm tính theo công thức:

X = m x 100/m 0

Trong đó:

X: phần trăm độ ẩm

m: trọng lượng nước trong ống đo (g)

m0: trọng lượng mẫu đem phân tích (g)

- Đối với các thực phẩm hòa tan trong dung môi như dầu mỡ,… những thựcphẩm nhẹ hơn dung môi, khi sôi nổi ở phía trên như bột, những thực phẩn đunsôi lâu không bị phá hủy như khoai, ngô, … cách làm như trên không trở ngại

gì Nhưng đối với thực phẩm như mứt, mật, siro, phomat, … có thể dính vàothành bình cầu, khi đun sẽ bị cacbon hóa, cần phải chú ý làm như sau: chothêm vào bình khoảng 30 – 40g cát sạch, một phần cát trộn đều vào thực phẩnthành một khối rỗng vừa không dính vào thành bình vừa không làm thực phẩmđóng vón với nhau làm cho thực phẩm dễ bốc hơi nước, một phần cát lắngxuống sẽ làm lửa không trực tiếp đốt cháy được thực phẩm

2.2.3 Phương pháp Karl Fischer

2.2.3.1 Nguyên tắc

Dựa trên độ mất màu của iot Ở nhiệt độ thường, iot kết hợp với nước và

SO2 thành HI không màu, theo phản ứng:

I 2 + SO 2 + 2H 2 O ↔ 2HI + H 2 SO 4

Từ sự mất màu của dung dịch iot, ta có thể tính phần trăm lượng nước cótrong mẫu Phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch, muốn cho phản ứng theo mộtchiều, Fischer cho thực hiện phản ứng trong môi trường có piridin

Phương pháp này có thể phát hiện được tới vết nước (lượng nước rất nhỏ) vànếu sử dụng máy đo tự động có thể xác định đọ ẩm hàng loạt trong công nghiệp

2.2.4 Phương pháp sử dụng khúc xạ kế

2.2.4.1 Nguyên tắc

Khi đi từ một môi trường (không khí) vào một môi trường khác (chất lỏng)tia sáng sẽ bị lệch đi (khúc xạ) Nếu chất lỏng là một dung dịch chất hòa tan (dungdịch đường, muối, …) dựa trên độ lệch của tia sáng, ta có thể tính được nồng độcủa chất hòa tan và từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩn

Phương pháp này chủ yếu để xác định hàm lượng chất khô trong các thựcphẩm lỏng hòa tan trong nước

xứ nghiền nhanh và cẩn thận Lọc qua vải lọc và lấy giọt thứ 3 hay thứ 4 để thử.Tiến hành thử:

- Bỏ trực tiếp hoặc dùng đũa thủy tinh đưa một giọt thuốc thử vào mặt phẳngcủa lăng kính Ấp hai lăng kính lại Nhìn vào thị kính và điều chỉnh thị kính đểnhìn thấy đường phân chia rõ nhất giữa nửa tối và nửa sáng của thị trường Điều

chỉnh đường phân chia sao cho trùng với đường chấm chấm hay tâm của vòng trònquan sát.

- Đọc kết quả trên thang đo ở phía có ghi hàm lượng chất khô Chú ý nhiệt độkhi thử phải là 200C

a: số đo đọc trên khúc xạ kế theo phấn trăm ở 200C

Sai lệch giữa hai lần xác định song song không được vượt quá 0,2%

Kết quả cuối cùng là kết quả trung bình của hai lần xác định song song

- Dưới +200C ứng với mỗi một sai khác trừ đi 0.07 vào kết quả

- Trên +200C ứng với mỗi một sai khác cộng thêm 0.07 vào kết quả

2.2.5 Phương pháp đo độ ẩm bằng cảm biến

2.2.5.1 Ẩm kế điện trơ

- Nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện trở dùng điện trở hút ẩm( dùng chất hút ẩmphủ lên) sau đó điện trở được nối tới cầu Wheatons có bù nhiệt Điện trở của cảmbiến thay đổi tỷ lệ với độ ẩm được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng

• Dải đo RH 15%÷99%

• Dải nhiệt độ -10oC÷60oC

• Độ chính xác ±2%

• Thời gian hồi đáp 10s

• Kích thước nhỏ ,rẻ, ít chịu ảnh hưởng ô nhiễm môi trường trừ nơi có hóa chất

ăn mòn cao

2.2.5.2 Ẩm kế điện dung

- Nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện dung sử dụng điện môi là màng mỏngpolyme (hay Al2O3) có khả năng hấp thụ hơi nước Điện dung của tụ thay đổi tỉ lệvới độ ẩm được chuyển hóa thành tín hiệu điện tương ứng

• Dải đo RH : 0%-100%

• Dải nhiệt độ: -40÷100oC

• Độ ch ính xác: ±2÷ ±3%

• Thời gian hồi đáp: khoảng vài giây

• Kích thước nhỏ ,ít chịu ảnh hưởng của môi trường

Nhận xét: Cảm biến DHT22 có hai phần, 1 cảm biến độ ẩm điện dung và 1 điện

trở nhiệt, thích hợp cho những ứng dụng thu thập dữ liệu cơ bản

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

3.1 MẠCH NGUYÊN LÝ

3.2 CÁC KHỐI TRONG MẠCH

3.2.1 Khối xử lí trung tâm

3.2.2 Khối đo độ ẩm

3.2.3 Khối hiển thị LCD

3.2.4 Khối nguồn

3.2.5 Khối reset

3.2.6 Khối dao động

3.2.7 Khối nút nhấn

3.2.8 Khối nạp

3.3 TÌM HIỂU VỀ CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG

Trong mạch đo độ ẩm không khí dùng cảm biến cảm biến DHT22 hiển thị ramàn hình LCD ta cần sử dụng các linh kiện sau:

3.3.1 Vi điều khiển AT89S52

3.3.1.1 Giới thiệu

Các vđk thuộc họ MCS51 có chung một số đặc tính như sau:

- 4KB ROM để nạp chương trình điều khiển

- 256 bytes RAM gồm các thanh ghi

- 4 Port vào ra 8 bits

- 2 bộ định thời 16 bits

- Một cổng giao tiếp nối tiếp chuẩn RS232

- Có thể quản lý 64KB bộ nhớ chương trình và 64KB bộ nhớ dữ liệu

- Một bộ xử lý các phép toán logic

- 210 bit RAM nội được dịa chỉ hóa

- Bộ nhân/chia thực hiện trong 4 micro giây

3.3.1.2 Cấu tạo và chức năng các chân trên AT89S52

AT89S52 có tất cả 40 chân có chức năng như các đường xuất nhập Trong đó

có 24 chân có tác dụng kép (có nghĩa là 1 chân có 2 chức năng), mỗi đường có thể

hoạt động như đường xuất nhập hoặc như đường điều khiển hoặc là thành phần củacác bus dữ liệu và bus địa chỉ.

* PORT

Port 0: là port có 2 chức năng ở các chân từ 32- 39 Trong các thiết kế cỡ

nhỏ không dùng đến bộ nhớ mở rộng thì port 0 có chức năng là xuất/nhập dữ liệu.Nếu trong các thiết kế cỡ lớn phải dùng đến bộ nhớ mở rộng thì port 0 được kếthợp giữa bus địa chỉ và bus dữ liệu

Port 1: là port có 1 chức năng từ chân 1- 8 Có thể dùng cho giao tiếp với

thiết bị ngoài nếu cần Vì không có chức năng khác ngoài xuất/nhập nên nó chỉđược dùng giao tiếp với các thiết bị bên ngoài

Port 2: là 1 port có tác dụng kép trên các chân 21- 28 được dùng như các

đường xuất nhập hoặc là byte cao của các bus địa chỉ đối với thiết bị dùng bộ nhớ

mở rộng

Port 3: là port có tác dụng kép trên các chân 10- 17, port này có nhiều chức

năng cụ thể như sau:

P3.6 WR Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoàiP3.7 RD Tín hiệu đọc dữ liệu bộ nhớ ngoài

* Các ngõ tín hiệu điều khiển

PSEN là tín hiệu ngõ ra ở chân 29 có ứng dụng cho phép đọc bộ nhớ chươngtrình mở rộng thường được nối với chân 0E( output ennable) của EPROM cho phép đọc các byte mã lệnh PSEN ở mức 0 khi 89s52 lấy lệnh, các mã lệnh của chương trình đọc từ EPROM qua bus dữ liệu và được chốt vào thanh ghi lệnh để giải lệnh PSEN ở mức 1 khi 89s52 thi hành chương trình trong ROM nội

ALE

ALE ở chân số 30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường địachỉ và dữ liệu khi kết nối chúng với IC chốt Vì khi 89s52 truy xuất bộ nhớ bênngoài port 0 có chức năng là đường địa chỉ và dữ liệu nên phải tách riêng ra

Tín hiệu ra ở chân ALE là một xung trong khoảng thời gian port 0 đóng vaitrò là địa chỉ thấp nên chốt địa chỉ hoàn toàn tự động

EA

Ngõ tín hiệu vào EA ở chân 31 thường được mắc lên nguồn Nếu ở mức 1thì 89s52 thi hành chương trình từ ROM nội trong khaongr địa chỉ thấp 8kbyte.Nếu ở mức 0 thì 89s52 sẽ thi hành chương trình từ bộ nhớ mở rộng

− Cảm biến loại điện dung

− Không cần thêm linh kiện

− Nhiệt độ toàn dải được bù

− Khoảng cách truyền dài, lên tới 100 mét

− Đo độ ẩm và nhiệt độ tương đối

− Tiêu thụ điện năng thấp

3.3.3.5 Nguyên lý hoạt động

a Nguồn và chân:

Điện áp của nguồn phải là 3,3-5,5V DC

Khi cấp nguồn cho cảm biến, không gửi bất kỳ lệnh nào đến cảm biến trong vòng một giây để chuyển trạng thái không ổn định Một tụ điện có giá trị 100nF có thể được thêm vào giữa VDD và GND để lọc sóng

b Truyền thông và tín hiệu

Bus 1 dây được sử dụng để liên lạc giữa MCU và DHT22 được thiết kế đặc biệt, khác với bus 1 dây Maxim / Dallas, do đó, nó không tương thích với bus dây Dallas Minh họa:

DATA = 16 bit dữ liệu độ ẩm + 16 bit dữ liệu nhiệt độ + 8 bit Check sum

DHT22 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte, được miêu tả như sau:

- Byte 1: Byte cao của giá trị độ ẩm

- Byte 2: Byte thấp của giá trị độ ẩm

- Byte 3: Byte cao giá trị nhiệt độ

- Byte 4 : Byte thấp giá trị nhiệt độ

- Byte 5 : Kiểm tra tổng

Nếu Byte 5 = (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chínhxác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa