LỜI CẢM ƠNĐồ án vi điều khiển là một trong những thử thách trong quá trình học tập, thực hiện đề tài này sau hành trình hai năm học tập tại trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, là cơ hội
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Tổng quan về đề tài
Môi trường không khí xung quanh đóng vai trò quan trọng đối với sức khỏe và chất lượng cuộc sống Trong bối cảnh hiện đại, với nhu cầu về sự thoải mái và an toàn ngày càng cao, việc tạo ra một môi trường nhân tạo lý tưởng trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.
Nhiệt độ và độ ẩm là hai yếu tố quan trọng trong môi trường không khí, ảnh hưởng sâu sắc đến sức khỏe, tinh thần và hiệu suất làm việc của con người Nhiệt độ không phù hợp có thể gây cảm giác khó chịu và dẫn đến các vấn đề sức khỏe như trầm cảm, căng thẳng và đau nhức cơ bắp Ngoài ra, độ ẩm không đúng mức cũng gây ra nhiều vấn đề, từ khó chịu cho da đến gia tăng nguy cơ nhiễm trùng đường hô hấp.
Việc kiểm soát và duy trì nhiệt độ cùng độ ẩm lý tưởng trong môi trường nhân tạo là rất quan trọng, đặc biệt tại các khu vực công cộng như văn phòng, trường học và bệnh viện Hệ thống điều hòa không khí không chỉ tạo ra sự thoải mái cho người sử dụng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu nguy cơ lây nhiễm.
Trong các ngành công nghiệp như nông nghiệp, chế biến thực phẩm và sản xuất hàng hóa, việc kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm không khí là rất quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và an toàn sản phẩm Đề tài “Thiết Kế Thi Công Bộ Đo Nhiệt Độ Và Độ Ẩm” sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm, hiển thị trên LCD và cho phép cài đặt thông số qua nút nhấn Hệ thống cũng có chức năng cảnh báo khi nhiệt độ và độ ẩm vượt quá mức đã cài đặt, nhằm đảm bảo hiệu suất tương tự như các mạch đo nhiệt độ và độ ẩm thương mại.
Hệ thống chương trình này có khả năng mở rộng cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm bộ đo độ ẩm đất và đồng hồ theo thời gian thực, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả trong thực tiễn.
Vai trò và mục tiêu của đề tài
Nhiệt độ và độ ẩm là những yếu tố quan trọng trong đời sống hàng ngày cũng như trong lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp Việc đo đạc chính xác nhiệt độ và độ ẩm đã thu hút sự quan tâm của cả các nhà khoa học và người dân Do đó, nhiều phương pháp đo lường ngày càng được phát triển và cải tiến Hiện nay, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và dân dụng, mang lại hiệu quả cao trong việc kiểm soát môi trường.
Ngày nay, việc sử dụng thiết bị điện tử trong đời sống hàng ngày trở nên phổ biến, đặc biệt là các thiết bị cảm ứng và hiển thị thông số môi trường Những thiết bị này phục vụ nhiều mục đích khác nhau, mang lại sự tiện lợi cho sinh hoạt Xuất phát từ nhu cầu đó, tôi đã thiết kế một mạch cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, hiển thị trên LCD, sử dụng vi điều khiển PIC16F877A và cảm biến DHT11.
Nguyên lý hoạt động
- Nguyên lí hoạt động của máy đo độ ẩm và nhiệt độ có thể hiểu như sau:
Đầu cảm biến nhiệt độ và độ ẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường, truyền tín hiệu đến bộ phân tích để xử lý, tính toán và xác định mức nhiệt độ cùng độ ẩm tại điểm tiếp xúc Kết quả sẽ được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD.
Để xác định nhiệt độ và độ ẩm trong một không gian, cần thực hiện đo lường ở nhiều điểm nhằm tính toán giá trị trung bình Trong các khu vực kín hoặc nơi có sự đối lưu không khí, có thể chỉ cần đo ở một điểm duy nhất để xác định nhiệt độ và độ ẩm chung.
Cấu trúc quyển báo cáo
- Nội dung quyển báo cáo gồm 3 phần:
+ Chương 1: Giới thiệu đề tài
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết
+ Chương 3: Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý
Kế hoạch thực hiện đề tài
Thời gian Công việc Sinh viên thực hiện
22/02/2024 Nhận đề tài Lưu Đình Hoàng Phúc
23/02/2024 Tìm hiểu đề tài Lưu Đình Hoàng Phúc
29/02/2024 Nộp tài liệu tìm kiếm được
02/03/2024 Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý
13/03/2024 Nộp sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý
14/03/2024 Mua linh kiện và vẽ mạch in
21/03/2024 Viết chương trình Lưu Đình Hoàng Phúc
17/04/2024 Viết báo cáo Lưu Đình Hoàng Phúc
05/05/2024 Hoàn tất mô hình Lưu Đình Hoàng Phúc
Bảng 1.5.1 Bảng phân công thực hiện nhiệm vụ đồ án
LÝ THUYẾT CƠ BẢN
Lý thuyết cơ bản
Nhiệt độ là một thuộc tính vật lý quan trọng, thể hiện mức độ "nóng" và "lạnh" của vật chất Vật chất có nhiệt độ cao hơn sẽ cảm thấy nóng hơn so với vật chất có nhiệt độ thấp.
- Định nghĩa chính xác của nhiệt độ trong nhiệt động lực học dựa vào các định luật nhiệt động lực học, miêu tả bên dưới đây.
Nhiệt độ là thông số quan trọng được đo bằng nhiệt kế và có thể được biểu thị bằng nhiều đơn vị khác nhau Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị Kelvin (K) được sử dụng, trong khi ở Việt Nam và nhiều quốc gia khác, nhiệt độ thường được đo bằng độ Celsius (°C), với 1 độ C tương đương 274,15 K.
C và K là hai thang đo nhiệt độ có cùng mức chia, nhưng vạch xuất phát của chúng cách nhau 273,15 Tại nhiều quốc gia như Anh và Mỹ, nhiệt độ thường được đo bằng độ F, trong đó 1 độ F tương đương khoảng 255,93 K Công thức chuyển đổi giữa độ C và độ F là F = (1,8 x C) + 32 Nhiệt độ cơ thể người thường khoảng hơn 98 độ F.
2.1.1.2 Các thang đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ của một vật thể trong vật lý, cần xây dựng một thang đo chuẩn chung, được gọi là các thang nhiệt giai Trong số các thang nhiệt giai thường dùng, thang nhiệt giai Celsius là một trong những loại phổ biến nhất.
PIC, hay còn gọi là "Peripheral Interface Controller", là một vi điều khiển 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CPU CP1600 16-bit Mặc dù CP1600 là một CPU tốt, nhưng nó gặp khó khăn trong các hoạt động xuất nhập PIC sử dụng microcode đơn giản được lưu trữ trong ROM và, mặc dù thuật ngữ RISC chưa được sử dụng vào thời điểm đó, PIC thực sự có kiến trúc RISC, cho phép thực hiện một lệnh trong một chu kỳ máy, tương đương với 4 chu kỳ của bộ dao động.
Năm 1985, General Instrument đã bán bộ phận vi điện tử của mình, dẫn đến việc chủ sở hữu mới hủy bỏ hầu hết các dự án đã lỗi thời Tuy nhiên, PIC đã được cải tiến với việc bổ sung EEPROM, tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình Hiện nay, nhiều dòng PIC được sản xuất với hàng loạt module ngoại vi tích hợp sẵn như USART, PWM, ADC, và có bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word.
- Hiện nay, tại Việt Nam, đã có một cộng đồng nghiên cứu và phát triển PIC, dsPIC và PIC32.
PIC sử dụng tập lệnh RISC với các dòng sản phẩm khác nhau: dòng low-end (độ dài mã lệnh 12 bit, ví dụ: PIC12Cxxx) và mid-range (độ dài mã lệnh 14 bit, ví dụ: PIC16Fxxxx) có khoảng 35 lệnh, trong khi dòng high-end (độ dài mã lệnh 16 bit, ví dụ: PIC18Fxxxx) có khoảng 70 lệnh Tập lệnh bao gồm các lệnh toán học trên thanh ghi, hằng số và vị trí bộ nhớ, cũng như các lệnh điều kiện, lệnh nhảy/gọi hàm và lệnh quay trở về, cùng với các tính năng phần cứng như ngắt và chế độ tiết kiệm điện (sleep) Microchip cung cấp môi trường lập trình MPLAB, bao gồm phần mềm mô phỏng và trình dịch ASM.
Một số công ty đã phát triển trình dịch cho các ngôn ngữ như C, Basic và Pascal dành cho vi điều khiển PIC Microchip cung cấp trình dịch "C18" cho dòng PIC cao cấp và "C30" cho dsPIC30Fxxx Họ cũng phát hành các phiên bản "student edition/demo" cho sinh viên và người dùng thử, nhưng những phiên bản này không hỗ trợ tối ưu hóa mã và có thời hạn sử dụng giới hạn Ngoài ra, PicForth cũng cung cấp các trình dịch mã nguồn mở cho C, Pascal, JAL và Forth.
GPUTILS là một kho mã nguồn mở cung cấp các công cụ theo giấy phép GNU General Public License, bao gồm trình dịch và trình liên kết hoạt động trên các hệ điều hành như Linux, Mac OS X, OS/2 và Microsoft Windows Ngoài ra, GPSIM là một trình mô phỏng vi điều khiển PIC, thiết kế tương thích với từng module phần cứng, cho phép giả lập các thiết bị đặc biệt kết nối với PIC, chẳng hạn như LCD và LED.
Các công cụ và thiết bị
2.2.1.1 Cảm biến DHT11 là gì?
Cảm biến DHT11 là một trong những cảm biến độ ẩm và nhiệt độ phổ biến hiện nay nhờ vào chi phí thấp và khả năng thu thập dữ liệu dễ dàng qua giao tiếp 1 wire Với bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp, cảm biến này cung cấp dữ liệu chính xác mà không cần phải thực hiện bất kỳ tính toán nào.
- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).
- Đo tốt ở độ ẩm 20-90%RH với sai số ±5%RH
- Đo tốt ở nhiệt độ 0-50°C sai số ±2°C.
- Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
- Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.
Cảm biến DHT11 được hiệu chuẩn sẵn tại nhà máy, cho phép xuất dữ liệu qua giao tiếp nối tiếp, giúp việc thiết lập trở nên đơn giản Dưới đây là sơ đồ kết nối cho cảm biến này.
Hình 2.2.2 Sơ đồ kết nối của DHT11 với vi điều khiển
Nguyên lý hoạt động của DHT11 bao gồm hai bước chính để giao tiếp với vi xử lý: đầu tiên, vi xử lý gửi tín hiệu yêu cầu đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 sẽ xác nhận tín hiệu này Khi kết nối thành công, cảm biến DHT11 sẽ gửi lại kết quả đo.
5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được.
- Bước 1: gửi tín hiệu Start
Hình 2.2.3 dạng tín hiệu giao tiếp với cảm biến
MCU thiết lập chân DATA là Output và kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18ms, trong khi trong mã lệnh mình đặt là 25ms Điều này cho phép DHT11 hiểu rằng MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm Sau đó, MCU đưa chân DATA lên 1 và thiết lập lại là chân đầu vào Khoảng 20-40us sau, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu sau 40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp, điều này có nghĩa là không thể giao tiếp với DHT11 Chân DATA sẽ ở mức thấp trong 80us và sau đó được DHT11 kéo lên cao trong 80us Bằng cách giám sát chân DATA, MCU có thể nhận biết tín hiệu từ DHT11.
Nếu tổng của 4 byte (Byte1 + Byte2 + Byte3 + Byte4) bằng Byte 5 (8 bit), thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác Nếu không, kết quả đo sẽ không có ý nghĩa Sau khi kết nối với DHT11, cảm biến này sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, được chia thành 5 byte để thể hiện kết quả của nhiệt độ và độ ẩm.
Hình 2.2.4 dạng tín hiệu khi ở bit 0
Sau khi tín hiệu trở về 0, chúng ta chờ chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1 Nếu chân DATA ở mức 1 trong khoảng 26-28 micro giây, giá trị là 0; nếu ở mức 1 tồn tại 70 micro giây, giá trị là 1 Trong lập trình, ta bắt sườn lên của chân DATA và sau đó delay 50 micro giây Nếu giá trị đo được là 0, ta ghi nhận bit 0; nếu giá trị đo được là 1, ta ghi nhận bit 1 Quá trình này tiếp tục để đọc các bit tiếp theo.
Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống vi điều khiển (VĐK) nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội LCD 1602 có khả năng hiển thị đa dạng các ký tự như chữ, số và ký tự đồ họa, đồng thời dễ dàng tích hợp vào mạch ứng dụng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau Ngoài ra, thiết bị này tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án.
Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Điện áp ra mức thấp :