Trong cuộc sống hiện nay có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và con người.Trong đó nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu. Với sự phát triển của công nghệ hiện nay việc sản xuất mạch đo nhiệt độ và độ ẩm đơn giản mà độ chính xác cao là điều khá đơn giản. Việc áp dụng trong thực tế càng phổ biến hơn khi nhiệt độ độ ẩm đóng vai trò lớn ảnh hưởng đến con người, hàng hoá, máy móc, độ bền … Vì vậy nhiệt độ được sử dụng hầu hết các nhà máy sản xuất, kho chứa hàng hoá, bảo quản máy móc cũng như điều kiện vận hành. Trong y tế nó được sử dụng rộng rãi trong các phòng cách ly, phòng điều trị cho bệnh nhân cũng như áp dụng hầu hết trong các dây chuyền cũng như các công nghệ sản xuất tuỳ theo nhu cầu mà chúng ta có thể tuỳ biến thêm ngoài chức năng của đề tài này để phù hợp với đúng nhu cầu trong quá trình hoạt động ngoài chức năng chính là hiển thị nhiệt độ độ ẩm của các khu vực cần khảo sát nhiệt độ và độ ẩm.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường
dùng vi điều khiển at89s52
MỤC LỤC
Trang 2A.ĐẶT VẤN ĐỀ ……….………… 1
B NỘI DUNG……… ……… ……1
I Tổng quan……….… … 1
1 Giới thiệu chung hệ thống đo 1
2 Sơ lược các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm 2
3 Lựa chọn phương pháp đo, cảm biến 3
II Lựa chọn thiết bị phần cứng………3
1 Sơ đồ tổng quan của hệ thống……… 3
2 Khối cảm biến……… 3
3 Khối vi điều khiển……… 6
4 Khối hiển thị……….8
5 Khối nguồn……… 9
III Mô phỏng và lập trình……… ………10
IV Thi công lắp đặt……….13
C ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN……… ……… 16
Trang 3A.ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong cuộc sống hiện nay có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sản xuất và con người.Trong đó nhiệt độ và độ ẩm cũng là yếu tố được đề cập tới rất nhiều, vì thế mạch đo nhiệt độ và độ ẩm ra đời là sự tất yếu Với sự phát triển của công nghệ hiện nay việc sản xuất mạch đo nhiệt độ và độ ẩm đơn giản mà độ chính xác cao là điều khá đơn giản Việc áp dụng trong thực tế càng phổ biến hơn khi nhiệt độ độ ẩm đóng vai trò lớn ảnh hưởng đến con người, hàng hoá, máy móc, độ bền … Vì vậy nhiệt độ được sử dụng hầu hết các nhà máy sản xuất, kho chứa hàng hoá, bảo quản máy móc cũng như điều kiện vận hành Trong y tế nó được sử dụng rộng rãi trong các phòng cách ly, phòng điều trị cho bệnh nhân cũng như áp dụng hầu hết trong các dây chuyền cũng như các công nghệ sản xuất tuỳ theo nhu cầu mà chúng ta có thể tuỳ biến thêm ngoài chức năng của đề tài này để phù hợp với đúng nhu cầu trong quá trình hoạt động ngoài chức năng chính là hiển thị nhiệt độ độ ẩm của các khu vực cần khảo sát nhiệt độ và độ ẩm
Với đề tài này 1 bộ mạch “Đo nhiệt độ và độ ẩm” ta có thể đo cùng lúc nhiệt độ và độ ẩm có thể phát triển hiệu quả hơn, nhưng đề tài chỉ trong phạm
vi là Đồ án 1 nên tính hiệu quả thực tế cũng như tính chính xác của mạch không cao
B.NỘI DUNG
I Tổng quan
1 Giới thiệu chung hệ thống đo
Để thực hiện phép đo nào đó của một đại lượng nào đó thì tùy thuộc vào đặc tính của đại lượng cần đo, điều kiện đó, cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà ta có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ
sở của các 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 đặc trưng cho đối tượng cần đo, biến đổi các đại lượng thành các đại lượng vật lí thống nhất (dịng điện hoặc điện áp) để thuận lợi cho việc tính tốn
Trang 4- Mạch đo: có nhiệm vụ tính tốn biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị
- Khối chỉ thị: làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện nhận được từ mạch đo
để thể hiện kết quả đo
2 Sơ lược các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm
2.1 Sơ lược về phương pháp đo nhiệt độ
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc nhiệt độ Hiện nay chúng ta có nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau để chế tạo cảm
biến nhiệt độ như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt ngẫu, phương pháp dựa trên phân
bố bức xạ nhiệt, phương pháp dựa trên sự dãn nở của vật rắn, lỏng, khí hoặc dựa trên tốc độ âm… có hai phương pháp chính:
- Ở dải nhiệt độ thấp và trung bình phương pháp đo là phương pháp tiếp xúc, nghĩa là các chuyển đổi được lắp đặt trực tiếp ngay trong môi trường đo Thiết bị đo như: nhiệt điện trở, cặp nhiệt, bán dẫn
- Ở dải nhiệt độ cao phương pháp đo là không tiếp xúc (công cụ đặt ngòai môi trường đo) Các thiết bị đo như: cảm biến quang, hỏa quang
kế (Hỏa quang kế phát xạ, hỏa quang kế cường độ sáng, hỏa quang kế màu sắc)…
2.2 Sơ lược về phương pháp đo độ ẩm
Độ ẩm là yếu tố có vai trị quan trọng trong cuộc sống con người, từ sức khỏe, sinh hoạt, học tập, lao động sản xuất đến tầm quan trọng đối với hàng hóa, vật dụng, sinh vật, máy móc Xác định độ ẩm do đó trở thành một công việc không thể thiếu để đảm bảo một môi trường sống và bảo quản tốt nhất
mà ở đó, độ ẩm luôn được giữ ở mức cân bằng và thích hợp nhất
Các phương pháp đo độ ẩm phổ biến hiện nay có:
+ Phương pháp sấy khơ: Dùng sức nóng làm bay hơi hết hơi nước trong mẫu Cân trọng lượng mẫu trước và sau khi sấy khơ, từ đó tính ra phần trăm nước
có trong mẫu
+ Phương pháp chưng cất kín với một dung môi hữu cơ: Khi đun sôi dung môi hữu cơ đã trộn lẫm với mẫu, dung môi bốc hơi và sẽ kéo theo nước trong mẫu Dung môi và nước gặp lạnh ngưng tụ ở ống đo có vạch chia làm hai lớp riêng biệt Đọc thể tích nước lắng ở phía dưới, từ đó tính ra phần trăm nước
có trong mẫu
+ Phương pháp Karl Fischer: 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:
I2 + SO2 + 2H2O ↔ 2HI + H2SO4
Trang 5Từ sự mất màu của dung dịch iot, ta có thể tính phần trăm lượng nước có trong mẫu Phản ứng trên là phản ứng thuận nghịch, muốn cho phản ứng theo một chiều, Fischer cho thực hiện phản ứng trong mơi trường có piridin
Phương pháp này có thể phát hiện được tới vết nước (lượng nước rất nhỏ) và nếu sử dụng máy đo tự động có thể xác định đọ ẩm hàng loạt trong công nghiệp
+ Phương pháp sử dụng khúc xạ kế: 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 (dung dịch đường, muối, …) dựa trên độ lệch của tia sáng, ta có thể tính được nồng độ của chất hòa tan và từ đó tính ra phần trăm nước có trong thực phẩm
Phương pháp này chủ yếu để xác định hàm lượng chất khô trong các thực phẩm lỏng hòa tan trong nước
+ Phương pháp đo độ ẩm bằng cảm biến: Nguyên lý hoạt động: ẩm kế điện trở dùng điện trở hút ẩm ( dùng chất hút ẩm phủ lên) sau đó điện trở được nối tới cầu Wheatons có bù nhiệt Điện trở của cảm biến thay đổi tỷ lệ với độ ẩm được chuyển thành tín hiệu điện tương ứng
3 Lựa chọn phương pháp đo, cảm biến
Vận dụng những kiến thức đã được học chúng em đã nghiên cứu, dựa vào thực tế cũng như kinh tế phù hợp chúng em đã lựa chọn thiết bị cảm biến DHT22 đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, vi xử lí 8051, màn hình LCD để hoàn thiện đề tài này
Trong đồ án chắc hẳn còn nhiều sai sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ bảo, hướng dẫn của thầy để đồ án hoàn thiện hơn
II Lựa chọn thiết bị phần cứng
1 Sơ đồ tổng quan đề tài:
2 Khối cảm biến
Sử dụng cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm DHT22
*Thông số kỹ thuật:
-Nguồn: 3 -> 5 VDC
-Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
-Đo tốt ở độ ẩm 0 to 100%RH với sai số ±2%
Trang 6-Đo tốt ở nhiệt độ -40 to 80°C sai số ±0.5°C.
-Tần số lấy mẫu tối đa 0.5Hz (2 giây 1 lần)
-Kích thước 27mm x 59mm x 13.5mm (1.05" x 2.32" x 0.53")
*Cấu tạo:
-Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số DHT22 bao gồm cảm biến độ
ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ NTC (hoặc nhiệt điện trở) và một
IC ở phía sau của cảm biến
với chất giữ ẩm giữa chúng Vì vậy, khi độ ẩm thay đổi, độ dẫn của chất nền thay đổi hoặc điện trở giữa các điện cực này thay đổi Sự thay đổi điện trở này được đo và xử lý bởi IC khiến cho vi điều khiển luôn sẵn sàng để đọc
NTC hoặc nhiệt điện trở
Một nhiệt điện trở thực sự là một điện trở thay đổi điện trở của nó với
sự thay đổi của nhiệt độ Những cảm biến này được chế tạo bằng cách thiêu kết các vật liệu bán dẫn như gốm hoặc polyme để cung cấp những thay đổi lớn hơn trong điện trở chỉ với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ Thuật ngữ có tên là “NTC” có nghĩa là hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là điện trở giảm khi nhiệt độ tăng
Trang 7*Nguyên lý hoạt động:
-Nhận tín hiệu từ 8051 (Request)
-Thực hiện qua trình truyền 40 bit dữ liệu
DHT22 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.(checksum)
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
Nó sẽ dựa vào thời gian để xác định truyền ra bit 0 hoặc là bit 1
Trang 8Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT22 kéo lên 1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là bit 0, còn nếu tồn tại 70us là bit 1 Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được
là 1 thì ta đọc được là bit 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo
3.Khối vi điều khiển
Ngày nay những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người Thực tế hiện nay là hầu hết các thiết bị điện hiện nay đều có sự góp mặt của vi điều khiển và vi xử lý Ứng dụng của vi điều khiển trong thiết kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống Trên thị trường hiện nay có nhiều họ vi điều khiển để lựa chọn như: 8051, Pic, AVR, ARM,… và 8051 là dòng vi điều khiển mà chúng em được làm quen khi học tập môn Vi xử lý ở trường, do đó chúng em lựa chọn dòng này trong nội dung
Đồ án 1
AT89S52 là họ IC vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất Các sản phẩm AT89S52 thích hợp cho những ứng dụng điều khiển Việc xử lý trên byte và các toán số học ở cấu trúc dữ liệu nhỏ được thực hiện bằng nhiều chế độ truy xuất dữ liệu nhanh trên RAM nội Tập lệnh cung cấp một bảng tiện dụng của những lệnh số học 8 bit gồm cả lệnh nhân và lệnh chia Nó cung cấp những
hổ trợ mở rộng trên chip dùng cho những biến một bit như là kiểu dữ liệu riêng biệt cho phép quản lý và kiểm tra bit trực tiếp trong hệ thống điều khiển AT89S52 cung cấp những đặc tính chuẩn như: 8 Kbyte bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa và lập trình nhanh (EPROM), 128 Byte RAM, 32 đường I/O, 3TIMER/COUNTER 16 Bit, 5 vectơ ngắt có cấu trúc 2 mức ngắt, một Port
Trang 9nối tiếp bán song công, 1 mạch dao động tạo xung Clock và bộ dao động ON-CHIP.Các đặc điểm của chip AT89S52 được tóm tắt như sau:
- Tần số hoạt động từ: 0Hz đến 24 MHz
- 3 bộ Timer/counter 16 Bit
- 28 Byte RAM nội, 64 KB vùng nhớ dữ liệu ngoại
- 4 Port xuất /nhập I/O 8 bit, giao tiếp nối tiếp
*Mô tả chân:
+VCC (40): Chân cấp điện áp Vcc cho chip
+GND (20): Chân nối đất
+RST: Ngõ vào reset (thiết lập lại trạng thái ban đầu) Tất cả các chân I/O được reset đến mức logíc ngay sau khi RST lên mức cao Việc duy trì chân RST ở mức cao trong 2 chu kỳ máy trong khi mạch dao động đang hoạt động
sẽ reset chip
+Port 0 (Cổng 0)
Port 0 là một port hai chức năng trên các chân 32–39 Trong các thiết kế cỡ nhỏ (không dùng bộ nhớ mở rộng) nó có chức năng như các đường I/O Đối với các thiết kế lớn với bộ nhớ mở rộng, nó được dồn kênh giữa bus địa chỉ
và bus dữ liệu
+Port 1 (Cổng 1)
Port 1 là cổng dành riêng cho nhập/xuất trên các chân 1–8 Các chân được ký hiệu P1.0, P1.1, P1.2, có thể dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài nếu cần Port 1 không có chức năng khác, vì vậy chúng chỉ được dùng cho giao tiếp với các thiết bị ngoài
+Port 2 (Cổng 2)
Port 2 là một cổng công dụng kép trên các chân 21–28 được dùng như các đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng bộ nhớ mở rộng
+Port 3 (Cổng 3)
Các chân của port 3 từ P3.0 đến P3.5, P3.7 là chân I/O hai chiều với các mạch kéo lên bên trong P3.6 được nối dây cứng làm ngõ vào nối đến ngõ ra của mạch so sánh trên chip và không thể truy cập như một chân I/O có mục đích tổng quát Các mạch đệm ngõ ra của port 3 có thể hút dòng 20mA Khi các
Trang 10logíc được ghi đến các chân của port 3, các chân này được kéo lên mức cao bởi các mạch kéo lên bên trong và có thể được sử dụng làm các ngõ vào Các chân của port 3 còn được sử dụng cho các chức năng đặc biệt khác của AT89S52 như được liệt kê dưới đây Port 3 cũng nhận một số tín hiệu điều khiển để lập trình và kiểm tra bộ nhớ Flash
4 Khối hiển thị
Chức năng của từng chân LCD 1602:
- Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển
- Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển
- Chân số 3 - VEE : điều chỉnh độ tương phản của LCD, sử dụng một biến trở 10K
Trang 11- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế
độ “ghi” write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” -read)
+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc
- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau:
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp
- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MCU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)
- Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền
- Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền
Chỉ dùng LCD để hiển thị (Write) nên chân RW được nối mass
5 Khối nguồn
Mạch chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V AC thành điện áp một chiều 5V DC
Trang 12Trong mạch sử dụng biến áp 220V-12VAC, qua cầu diod thành điện áp một chiều và được lọc phẳng thông qua tụ 1000uF, chuyển đổi qua LM7805 xuống thành nguồn 5V
Nguồn ra được đấu song song với tụ 100uF để chống nhiễu
Với led được mắc song song để dễ dàng biết khối nguồn đã hoạt động cũng như đã có nguồn nuôi linh kiện cho mạch
III MÔ PHỎNG VÀ LẬP TRÌNH
Mô phỏng trên phần mềm Proteus
Phần mềm proteus là phần mềm chuyên dụng cho việc thiết kế mạch điện tử, cũng như mô phỏng các đề tài về điện tử Một số ưu điểm của phần mềm này như:
- Thư viện linh kiện phong phú
- Hỗ trợ các thiết bị đo
- Hỗ trợ thiết kế mạch in
- Cho phép chạy mô phỏng vi điều khiển họ AT89, PIC…
Vì vậy Proteus là phần mềm có ưu điểm vượt trội để dễ dàng hỗ trợ thực hiện các thiết kế, mô phỏng trước khi lắp đặt nhằm khắc phục tối đa các lỗi có thể xảy ra
Dưới đây là mạch mô phỏng đo nhiệt độ và độ ẩm:
Trang 13-Mạch mô phỏng khi làm việc bình thường.
-Khi mạch xảy ra sự cố:
Có thể lỗi là do hỏng thiết bị chân cảm biến không dẫn hay các lỗi khác liên quan đến kết nối với cảm biến thì mạch sẽ thông báo lên màn hình
Trang 14Lập trình cho vi điều khiển là một điều hết sức quan trọng để mạch có thể vận hành và đạt được mục đích khi thiết kế Vì vậy sau khi thiết kế phần cứng điều quan trọng đó là lập trình cho mạch, đặc biệt là lập trình đúng theo hoạt động cũng như theo sơ đồ khi lập trình
Ở đồ án này, để lập trình cho dòng vi điều khiển 8051 này thì em chọn phần mềm Keil uVision5 và lập trình bằng ngôn ngữ C
Sơ đồ giải thuật: