Đồ án : XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VÀ KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM TRONG ĐẤT (có code đầy đủ)

Trong đó, nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thếmạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu.Với sự phát triển của công nghệ hiện nay,cảm biến nhiệt độ và đ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



-BÁO CÁO

ĐỀ ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 2020

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐO VÀ KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ

VÀ ĐỘ ẨM TRONG ĐẤT

Thành viên tham gia: DƯƠNG VIẾT NGUYÊN

NGUYỄN ĐỨC MINH NGUYỄN XUÂN KIÊN

Giáo viên hướng dẫn: NGUYỄN VĂN TRƯỜNG

Mục lục

Chương 1 Tổng quan về hệ thống 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Các yêu cầu cơ bản 2

1.2.1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ 2

1.2.2 Cấu trúc thiết bị 3

1.2.3 Đặc tính kỹ thuật 3

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 3

1.3.1 Phươn pháp nghiên cứu 3

1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu 4

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 4

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống 5

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 5

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 6

2.2.1 Các loại cảm biến nhiệt độ 6

2.2.2 Các loại cảm biến độ ẩm 9

2.2.3 Lựa chọn cảm biến 9

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 11

2.3.1 ARDUINO UNO R3: 11

2.3.2 Màn hình LCD: 17

2.3.3 IC logic AND SN74LS11N : 19

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 20

Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 21

3.1 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 21

3.2 Xây dựng chương trình điều khiển 23

3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 25

3.4 Nhận xét và đánh giá 29

PHỤ LỤC 31

Chương 1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung

Trong cuộc sống hiện nay, có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất vàcon người Trong đó, nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thếmạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu.Với sự phát triển của công nghệ hiện nay,cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực như sản xuấtcông nghiệp, y tế, … Tùy theo nhu cầu mà mà chúng ta có thể tùy biến thêm ngoài chứcnăng của đề tài này để phù hợp với yêu cầu hoạt động ngaoif chức năng chính là hiển thịnhiệt độ, độ ẩm của khu vực cần khảo sát

Với đề tài này 1 bộ mạch “Đo nhiệt độ và độ ẩm trong đất” ta có thể đo cùng lúcnhiệt đô và độ ẩm hiệu quả hơn, nhưng đề tìa chỉ trong phạm vi là một đồ án nên tínhhiệu quả thực tế cũng như tính chính xác của mạch không cao

1.2 Các yêu cầu cơ bản

1.2.1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ

Hệ thống có khả năng:

- Đo và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm trong đất

- Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm liên tục theo thời gian thực trên màn hình led 7 thanh hoặcLCD

- Có chức năng lựa chọn giới hạn nhiệt độ trên và dưới để đưa ra cảnh báo khi giá trịnhiệt độ vượt ngoài khoảng cho phép

- Phát đi tín hiệu điều khiển bơm khi thiếu độ ẩm và nhiệt độ cao

- Hệ thống có khả năng kết nối với điện thoại để lưu trữ và hiển thị dữ liệu

1.2.2 Cấu trúc thiết bị

Cảm biến đo nhiệt độ trong đất Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến đo độ ẩm trong đất Cảm biến độ ẩm

Mạch chuyển đổi xử lí tín hiệu ADC ngoài hoặc trong chíp

Bộ điều khiển Vi điều khiển/ PLC/PC/ArduinoHiện thị nhiệt độ tức thời LCD /LED/MonitorPhím chức năng nhập dữ liệu Nút bấm / Màn hình chạm

Tín hiệu cảnh báo Trên LCD/ Đèn/Còi

1.2.3 Đặc tính kỹ thuật

Giới hạn đo nhiệt

độ Giới hạn đo với nhiệt độ từ 0

oC - 50oCGiới hạn đo độ ẩm Giới hạn đo với độ ẩm 0% - 100% với độ ẩm

Sai số đo nhiệt độ Sai số 2% với độ C

Sai số đo độ ẩm Sai số 5% với độ ẩm

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.3.1 Phươn pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tính toán và mô phỏng hệ thống đo nhiệt độ và

độ ẩm sử dụng cảm biến phù hợp bằng phần mềm Khảo sát yêu cầu xem hệ thống cóhoạt động đúng hay không

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Từ nghiên cứu lý thuyết, bắt đầu thiết kế một

hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm đơn giản rồi tiến hành kiểm tra trong điều kiện thực tế với

các yếu tố bên ngoài thay đổi, các tình huống có thể xảy ra, sau đó đánh giá mức độ đápứng của hệ thống từ đó có những cải tiến phù hợp nhằm tạo ra một hệ thống tối ưu, chínhxác và hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu kế thừa: Dựa vào các mô hình thiết kế thực tế đã được chếtạo hiện nay và nghiên cứu tài liệu kết hợp tìm kiếm thông tin…giúp nắm vững kiến thứccũng như tăng cường khả năng vận dụng trong thực tế

1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu

Về khả năng phân tích và đánh giá, nhóm đã đi vào tìm hiểu và chế tạo cảm biến đonhiệt độ và độ ẩm sử dụng tín hiệu từ cảm biến kết hợp với vi xử lý ATmega328 Nhómhướng tới việc dùng tín hiệu đó đưa vào tính toán từ đó đưa cho ra thông số về nhiệt độ

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Ngoài việc sử dụng đo tốc độ động cơ trong băng chuyền, bộ cảm biến nhiệt độ, độ

ẩm đã nghiên cứu ở trên còn có thể được ứng dụng vào nhiều mô hình nghiên cứu khácnhư:

- Đo và kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong đất

- Đề tài có hướng phát triển sẽ có thế điều khiển được nhiệt độ trong phòng bằngcách tự động tắt mở quạt, máy lạnh mở cửa sổ, đặc biệt hơn là báo cháy và tự động dậplửa

Chương 2 Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Màn hình LCD

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1 Các loại cảm biến nhiệt độ

số về sức điện động khác nhau

Hình 2.2 Cảm biến cặp nhiệt độ

Nhiệt điện trở (RTD – Resitance temperature detector)

Cảm biến nhiệt độ công nghiệp điện trở có tên gọi tiếng anh là Resitancetemperature detector hay tên gọi tắt là RTD

Ưu điểm nổi bật của RTD đó là: Chiều dài dây nối kéo dài, không hạn chế.Thiết kế dễ sử dụng Độ chính xác của thiết bị này cao hơn so với cặp nhiệt điện.Tuy nhiên, thiết bị vẫn có nhược điểm như: Giá thành cao hơn so với cặp nhiệt

độ nên khách hàng cần cân nhắc Dải đo của RTD thì hẹp hơn, bé hơn so với cặpnhiệt

Nếu muốn do nhiệt độ dùng trong công nghiệp môi trường, công nghiệp giacông vật liệu, gia công hóa chất với khoảng nhiệt từ -200 độ C đến 700 độ C thì lựachọn ngay thiết bị nhiệt điện thở.

Hình 2.3 Cảm biến nhiệ điện trở

Hình 2.4 Thermistor

Song song với những ưu điểm trên thì thiết bị này vẫn có những khuyết điểm

mà chúng ta cần phải khắc phục như: Thiết bị không thích hợp nhiệt độ rất cao Sosánh độ bền bỉ với các thiết bị cảm biến khác thì loại này kém bền hơn

Loại cảm biến bán dẫn này thường dùng để lắp trong các thiết bị đo, thiết bịbảo vệ các mạch điện tử, đo nhiệt độ của không khí

Hình 2.5 Cảm biến nhiệt bán dẫn

Nhiệt kế bức xạ (Hỏa kế – Pyrometer)

Ngoài các loại cảm biến trên thì khách hàng có thêm một sự lựa chọn khác đó

là các hỏa kế hay gọi là nhiệt kế bức xạ, có tên tiếng anh là Pyrometer

Ưu điểm nổi bật của thiết bị đo này là: Có thể sử dụng tốt trong những môitrường có tính chất khắc nghiệt mà không cần đo trực tiếp Tuy nhiên, thiết bị nàyvẫn có nhược điểm đó là: Giá thành đầu tư cao, độ chính xác không tuyệt đối

Hình 2.6 Hỏa kế

2.2.2 Các loại cảm biến độ ẩm

1 Cảm biến độ ẩm điện

dung + Hằng số điện môi thay đổi tỷ lệ thuận với độẩm tương đối trong môi trường

+ Hiệu ứng nhiệt không đáng kể + Điện dungthay đổi từ 0,2-0,5pF cho mỗi 1% RH thay đổi

2 Cảm biến điện trở + Đo sự thay đổi trở kháng

+ Quan hệ với độ ẩm theo hàm mũ nghịch đảo+ Chủ yếu dùng Polymer dẫn điện, muối+ Vỏ ceramic để tránh hiện tượng ngưng tụ

3 Cảm biến độ ẩm dựa vào

độ dẫn nhiệt + Đo độ ẩm tuyệt đối.+ Gồm 1 điện trở đặt trong Nito khô và một đặt

trong môi trường, sai lệch nhiệt độ tỷ lệ với độẩm

2.2.3 Lựa chọn cảm biến

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor là cảmbiến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1wire (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 tínhtoán nào So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độchính xác kém hơn rất nhiều.

Hình 2.7 Cảm biến DHT11

Thông số kỹ thuật:

Item MeasurementRange HumidityAccuracy TemperatureAccuracy Resolution Package

DHT11 20-90%RH0-50 ℃ ± 5％RH ± 2℃ 1 4 Pin SingleRow

Thông số kỹ thuật chi tiết:

(a) Các loại vi điều khiển

- Vi điều khiển 8051: Intel 8051 - là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard.

Tên gọi chính thức của họ vi điều khiển Intel 8051 - MCS 51 Những vi điều khiển Intel

8051 được sản xuất với việc dùng công nghệ MOSFET, những những bản sau, chứa kíhiệu “C” trong tên, như 80C51, dùng công nghệ CMOS và yêu cầu công suất thấp, hơnnhững cái MOSFET trước (điều này cho phép trang bị cho các thiết bị với nguồn là pin).Các thông số kỹ thuật: 8 bit ALU, 8 bit thanh ghi 8 bit dữ liệu bus 16 bit địa chỉ bus vìvậy không gian bộ nhớ tối đa cho ROM và RAM lên tới 64 kb Bộ nhớ dữ liệu SRAM

128 bytes Bộ nhớ chương trình ROM 4 kb 32 chân vào/ra đa hướng Giao tiếp nối tiếpUART Hai bộ timer/counter 16 bit Hai ngắt ngoài Sơ đồ chân của 8051: Sơ đồ khốiđiều khiển: Lập trình cho 8051: Các nhà sản xuất 8051 đều hỗ trợ ngôn ngữ lập trìnhAssembler tuy nhiên ngôn ngữ này thường ít được dùng cho những ứng dụng lớn do tínhphù hợp của nó, vì vậy trong các ứng dụng thực tế hay sử dụng ngôn ngữ C Ngoài ra cònmột số ngôn ngữ khác được phát triển cho 8051 như Pascal, Basic, Forth

Hình 2.8 Module vi điều khiển 8051

- Vi điều khiển AVR: Là dòng vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất có nhiều loại

AVR như:

 32-bit AVR UC3

 8/16-bit AVR XMEGA

 8-bit mega AVR

 8-bit tiny AVR

Vi điều khiển Atmega 16: Là vi điều khiển 8 bit với tiêu thụ điện năng thấp dựa trênkiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) Vào ra Analog – digital và ngược lại.Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc

độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần số 1Mhz Vi điều khiển nàycho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc

độ xử lý Lõi AVR có tập lệnh phong phú với số lượng với 32 thanh ghi làm việc chungvới nhau Tất cả 32 thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit),cho phép 2 thanh ghi truy cập độc lập trong một chỉ lệnh đơn trong một chu kỳ xung nhịp.Kiến trúc đạt được có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC (ComplexInstruction Set Computer) thông thường Atmega 16 được hỗ trợ đầy đủ phần mềm và

công cụ phát triển hệ thống bao gồm: Trình dịch Assembly như AVR studio của Atmel,Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR C - CMPPILER của GNU…Trình dịch C đã được nhiều người dùng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối vớinhững người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C Phần mềm này

hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn - Bộ nhớ: Flash16KB EEPROM 512 Byte SRAM 1KB - Ngoại vi: Hai timer 8 bit Một timer 16 bit Bộcounter với tần số riêng Bốn bộ điều chế độ rộng xung PWM Tám kênh ADC 10 bit.USART Giao tiếp SPI, Giao diện I2C Watchdog timer Bộ so sánh tương tự trên chip -Tính năng: Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết thực hiện trong một chu kỳ máy Xử lý 16triệu lệnh ở tần số 16 MHZ 32 chân vào/ra có thể lập trình được Sáu chế độ sleep 40pin kiểu PDIP, 44 pin kiểu TQFP và kiểu QFL/MLF 32 thanh ghi 8 bit đa dụng Ngắttrong và ngắt ngoài Điện áp hoạt động từ 2,7-5,5V cho Atmega 16A

Hình 2.9 KIT AVR V4

- Vi điều khiển PIC: PIC là một họ vi điều khiển RISC được sản xuất bởi công ty

Microchip Technology Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởiMicroelectronics Division thuộc General Instrument PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của

"Programmable Intelligent Computer" (Máy tính khả trình thông minh) Là vi điều khiểnvới kiến trúc RISC thực thi một lệnh với một chu kỳ máy (bằng bốn chu kỳ của bộ dao

động) Ngày nay có nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt các mô đun ngoại vi tíchhợp sẵn như ADC, PWM, USART, SPI…với bộ nhớ chương trình từ 512 word đến 32Kword Các họ vi điều khiển PIC: - Họ 8 bit: PIC 10/ PIC 12/ PIC 16/ PIC 18 - Họ 16 bit:PIC 24F/ PIC 24H/ dsPIC 30/ dsPIC 33 - Họ 32 bit: PIC 32.

Lập trình cho PIC: Hãng Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB nó baogồm phần mềm mô phỏng, trình dịch ASM, liên kết và gỡ rối Ngoài ra hãng này cũngbán trình biên dịch C cho các dòng PIC18 và dsPIC tích hợp trong MPLAB Ngoài ra cònmột số công ty khác cung cấp trình biên dịch C, PASCAL, BASIC cho PIC đó có thể làphần mềm thương mại hoặc phần mềm mã nguồn mở

Hình 2.10 Vi điều khiển PIC 16F877A

- Vi điều khiển ARM: Cấu trúc ARM (viết tắt từ tên gốc là Acorn RISC Machine)

là một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi trong các thiết kếnhúng Được phát triển lần đầu trong một dự án của công ty máy tính Acorn Do có đặcđiểm tiết kiệm năng lượng, các bộ CPU ARM chiếm ưu thế trong các sản phẩm điện tử diđộng, mà với các sản phẩm này việc tiêu tán công suất thấp là một mục tiêu thiết kế quantrọng hàng đầu Ngày nay, hơn 75% CPU nhúng 32-bit là thuộc họ ARM, điều này khiếnARM trở thành cấu trúc 32-bit được sản xuất nhiều nhất trên thế giới CPU ARM đượctìm thấy khắp nơi trong các sản phẩm thương mại điện tử, từ thiết bị cầm tay (PDA, điệnthoại di động, máy đa phương tiện, máy trò chơi cầm tay, và máy tính cầm tay) cho đếncác thiết bị ngoại vi máy tính (ổ đĩa cứng, bộ định tuyến để bàn.) Một nhánh nổi tiếngcủa họ ARM là các vi xử lý Xscale của Intel Giới thiệu về vi điều khiển LPC2148: Làdòng vi điều khiển ARM được sản xuất bởi hãng Philips

On-chip Flash Memory: LPC 2148 có 512K bộ nhớ Flash có thể được dùng để lưu trữcode và dữ liệu Trong khi thực thi ứng dụng, vẫn có thể xóa hoặc lập trình Flash thôngqua IAP (In Application Programming) Khi đó trình loader trên chip được sử dụng, bộnhớ trống còn lại là 500K Bộ nhớ Flash có thể ghi xóa được ít nhất 100000 lần, lưu trữ

dữ liệu đến 20 năm On-chip Static RAM: LPC 2148 có 32K RAM tĩnh, có thể được truyxuất theo đơn vị byte, half word & word Bộ điều khiển SRAM sử dụng phương thứcwrite-back buffer để ngăn chặn tình trạng treo CPU khi có thao tác ghi Bộ đệm luôn giữ

dữ liệu cuối cùng từ chương trình gửi tới bộ nhớ Dữ liệu chỉ được ghi vào SRAM khi có

1 thao tác ghi khác từ chương trình Lập trình cho ARM: Ngôn ngữ lập trình chính choARM hiện nay là ngôn ngữ C

Hình 2.11 Chip ARM

(b) Arduino UNO R3

Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng khác nhaunhư: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino LilyPad, Trong số đó, Arduino Uno R3 làmột trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chi phí và tính linh động củanó

Arduino UNO R3 là kit Arduino UNO thế hệ thứ 3, với khả năng lập trình cho cácứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các loại bộ nhớ ROM,RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệuPWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI(I2C).

Hình 2.12 ARDUINO UNO R3

Bảng thông số kỹ thuật của arduino UNO R3

Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khảnăng băm xung)

Vi điều khiển ATmega328P

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O pin 20 mA

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V pin 50 mA

Flash Memory 32 KB (ATmega328P)0.5 KBđược sử dụng bởi bootloader

Mạch điều khiển màn hình 16x02 giao tiếp I2C sử dụng IC điều khiển màn hình kí

tự gồm 16 cột và 2 dòng giúp tiết kiệm dây nối với vi điều khiển (hoặcArduino) cho khảnăng hiển thị nhanh với nhiều chức năng

Hình 2.13 Màn hình LCD + module I2C

Thông thường, để điều khiển và hiển thị được kí tự từ vi điều khiển xuất ra mànhình 16x02 cần tới 7-8 dây nối đến chân vi điều khiển Điều này gây ra rất nhiều phiềntoái: đi sai dây, mạch rườm ra, khó viết code

Những điều này được mạch điều khiển màn hình khắc phục hoàn toàn vì số lượngdây tín hiệu giảm còn duy nhất: 2 dây Bằng việc sử dụng giao tiếp I2C, việc điều khiểntrực tiếp màn hình được chuyển sang cho IC xử lý nằm trên mạch, chỉ việc gửi các mãlệnh cùng nội dung hiển thị, do vậy giúp vi điều khiển có nhiều thời gian để xử lý các tiếntrình phức tạp khác

-Ưu điểm của việc sử dụng giao tiếp I2C

 Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA và SCL giúp tiếtkiệm chân trên vi điều khiển

 Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps

 Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK)trên mỗi byte dữ liệu

 Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hànA0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của module

 Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module (3bitaddress set)

 Điện áp hoạt động: 3V-6V