Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm hiển thị trên LCD sử dụng DHT11

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆNTỬ - BÀI TIỂU LUẬN NHÓM MÔN : THỰC HÀNH CƠ SỞ ĐỀ TÀI: Cảm Biến Nhiệt Độ, Độ Ẩm hiển thị LCD sử dụng DHT11 GVHD : Nguyễn Đức Minh NHÓM : Đoàn Đình Tuyên Lương Thị Quỳnh LỜI CẢM ƠN Trước tiên nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô khoa KTĐT tạo điều kiện giúp nhóm chúng em hoàn thành tốt môn học mà Học Viện đề Đặc biệt nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Đức Toàn, thầy tận tình bảo, giúp đỡ nhóm chúng em suốt trình học tập Trong thời gian thầy bảo nhóm chúng em học nhiều kinh nghiệm bổ ích mà học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc thầy, điều cần thiết cho chúng em học tập công tác sau EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!  Ý tưởng thiết kế hướng phát triển Sự bùng nổ công nghệ ngành điện tử ngày phát triển cách mạnh mẽ Những ứng dụng giúp người ngày có sống nâng cao Sự khảo sát nhiệt độ ,độ ẩm môi trường với người trước gặp khó khăn phải đo đạc tính toán cách phức tạp Do chúng em lựa chọn đề tài đo nhiệt độ độ ẩm môi trường để ứng dụng vào nhiều công việc khác *Hướng phát triển: • hiển thị lcd dễ dàng quan sát( làm) • Ứng dụng việc cảnh báo cháy nổ đóng ngắt • Ứng dụng việc phát triển nhà thong minh • Hệ thống tưới tự động • Và nhiều ứng dụng khác nữa… I Giới thiệu chung vềArduino ArduinothựcsựđãgâysónggiótrênthịtrườngngườidùngDIY(lànhững ngườitựchếrasảnphẩmcủamình)trêntoànthếgiớitrongvàinămgầnđây,gần giống với Apple làm thị trường thiết bị di động, số lượng ngườidùngcựclớnvàđadạngvớitrìnhđộtrảirộngtừbậcphổthônglênđếnđại họcđãlàmchongaycảnhữngngườitạorachúngphảingạcnhiênvềmứcđộphổ biến Hình 1.1: Những thành viên khởi xướngArduino Arduino mà khiến sinh viên nhà nghiên cứu trường đại học danh tiếng MIT, Stanford, Camegie Mellon phải sử dụng;hoặcngaycảGooglecũngmuốnhỗtrợkhichorađờibộkitArduinoMega ADK dùng để phát triển ứng dụng Android tương tác với cảm biến thiết bịkhác Arduino thật bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác vớicácthiếtbịphầncứngnhưcảmbiến,độngcơ,đènhoặccácthiếtbịkhác.Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngôn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ vớikhoảng $30, người dùng sở hữu board Arduino có 20 ngõ I/O tương tác điều khiển chừng thiếtbị II: Giới thiệu board Arduino Mega328(họ bit) Cấu tạo Arduino Mega 328 baogồm phầnsau: a USB Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USB Upload chương trình cho Arduino hoạt động, USB nguồn cho Arduino b ChipAtmega328 Chip Atmega328 Có 32K nhớ flash 0.5k sử dụng cho bootloader Ngoài có 2K SRAM, 1KEEPROM c Input Output ( 4, và6) Arduino Uno có 14 chân digital với chức input output sử dụng hàm pinMode(), digitalWrite() digitalRead() để điều khiển chân đề cập chúng phầnsau Cũng 14 chân digital số chân chức đólà: Serial : chân (Rx ), chân ( Tx) Hai chân dùng để truyền (Tx) nhận (Rx) liêu nối tiếp TTL Chúng ta sử dụng để giao tiếp với cổng COM số thiết bị linh kiện có chuẩn giao tiếp nốitiếp PWM (pulse width modulation): chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 bo mạch có dấu “~” chân PWM sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng đèn… SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), chân hỗ trợ giao chuẩnSPI I2C:ArduinohỗtrợgiaotiếptheochuẩnI2C.CácchânA4(SDA)vàA5(SCL)cho phép chúng tao giao tiếp giửa Arduino với linh kiện có chuẩn giao tiếp làI2C d Reset (7): dùng để resetArduino -Các thông số arduino : Chip ATmega328 Điện áp cấpnguồn 5V Điện áp đầu vào (input) (kiến 7-12V nghị) Điện áp đầu vào(giớihạn) 6-20V Số chân DigitalI/O 14 (có chân điều chế độ rộng xungPWM) Số chân Analog (Input) DC Current per I/OPin 40mA DC Current for 3.3VPin 50mA FlashMemory 32KB (ATmega328) với 0.5KB sử dụng bootloader SRAM KB(ATmega328) EEPROM KB(ATmega328) Xungnhịp 16MHz III : Giới thiệu cảm biến nhiệt dộ DHT11 Phần giới thiệu linh kiện mạch - DHT11 cảm biến nhiệt độ độ ẩm Nó đời sau sử dụng thay cho dòng SHT1x nơi không cần độ xác cao nhiệt độ độ ẩm - DHT11 có cấu tạo chân hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn dây - Thông số kỹ thuật: o Do độ ẩm: 20%-95% o Nhiệt độ: 0-50ºC o Sai số độ ẩm ±5% o Sai số nhiệt độ: ±2ºC Nguyên lý hoạt động: - Sơ đồ kết nối vi xử lý: - Nguyên lý hoạt động: Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bước: o Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nhận lại o Khi giao tiếp với DHT11, Cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo - Bước 1: gửi tín hiệu Start o MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Trong Code để 25ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ độ ẩm o MCU đưa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào o Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko kéo xuống thấp nghĩa ko giao tiếp với DHT11 o Chân DATA mức thấp 80us sau DHT11 kéo nên cao 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU biết có giao tiếp với DHT11 ko Nếu tín hiệu đo DHT11 lên cao, hoàn thiện trình giao tiếp MCU với DHT - Bước 2: đọc giá trị DHT11 o DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dạng byte Trong đó: § Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) § Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) § Byte 3: giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) § Byte : giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) § Byte : kiểm tra tổng ð Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo nghĩa o Đọc liệu: Sau giao tiếp với DHT11, DHT11 gửi liên tiếp 40 bit MCU, tương ứng chia thành byte kết Nhiệt độ độ ẩm § Bit 0: § Bit 1: Sau tín hiệu đưa 0, ta đợi chân DATA MCU DHT11 kéo lên Nếu chân DATA khoảng 26-28 us 0, tồn 70us Do lập trình ta bắt sườn lên chân DATA, sau delay 50us Nếu giá trị đo ta đọc bit 0, giá trị đo giá trị đo Cứ ta đọc bit -IV: Giới thiệu LCD 16x2: Hình ảnh sơ đồ chân LCD 16x2 − Lcd có tất 16chân: - Chân cấp nguồn: vss (nối nguồn 5V), VDD (nối 0V), V0 (điều chỉnhđộ tươngphản) - RS:Chânchọnthanhghi(Registerselect).NốichânRSvớilogic“0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn thanhghi + Logic “0”: Bus DB0-DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ “ghi” - write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ “đọc” -read) +Logic“1”:BusDB0-DB7sẽnốivớithanhghidữliệuDRbêntrongLCD - RW:Chânchọnchếđộđọc/ghi (Read/Write).NốichânR/W vớilogic“0” đểLCDhoạtđộngởchếđộghi,hoặc nốivớilogic“1”đểLCDởchếđộđọc - E: Chân cho phép chốt xung kí tự Sau tín hiệu đượcđặt lên bus DB0DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép củachân E +Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào (chấp nhận) ghibêntrongnókhipháthiệnmộtxungcủatínhiệuchân E +Ởchếđộđọc:DữliệusẽđượcLCDxuấtraDB0-DB7khipháthiệncạnh lên chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mứcthấp -D0-D7: Chân dữliệu -A, K: Chân điều khiển đènnền Lcdcóthể hoạtđộngtheo2chếđộ:4bitvà 8bit.Chếđộ4bitđòihỏiphải kết nối với chân I/O ardiuno Chế độ bit đòi hỏi phải kết nối với 11 chân I/O Ardiuo Trong đề tài em chọn LCD hoạt động chế độ 4bit -v:Khối nguồn Máy biến áp : - Gồm có hai cuộn dây : cuộn sơ cấp có N1 vòng cuộn thứ cấp có N2 vòng Lõi biến áp gồm nhiều sắt mỏng ghép cách điện với để tránh dòng Fu-cô tăng cường từ thông qua mạch - Số vòng dây hai cuộn phải khác nhau, tuỳ thuộc nhiệm vụ máy mà N1 > N2 ngược lại - Cuộn sơ cấp nối với mạch điện xoay chiều cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ điện - Trong thực máy biến áp có dạng hình 1, việc biểu diễn sơ đồ máy biến áp có dạng hình - Nguyên tắc hoạt động: Máy biến hoạt động tuân theo tượng vật lí: + Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo từ trường (từ trường) + Sự biến thiên từ thông cuộn dây tạo hiệu điện cảm ứng (cảm ứng điện) Dòng điện tạo cuộn dây sơ cấp nối với hiệu điện sơ cấp, từ trường biến thiên lõi sắt.Từ trường biến thiên tạo mạch điện thứ cấp hiệu điện thứ cấp.Như hiệu điện sơ cấp thay đổi hiệu điện thứ cấp thông qua từ trường.Sự biến đổi điều chỉnh qua số vòng quấn lõi sắt - DIODE  Điốt bán dẫn :Điốt loại linh kiện bán dẫn cho phép dòng điện qua theo chiều mà không theo chiều ngược lại.Có nhiều loại điốt bán dẫn, điốt chỉnh lưu thông thường, điốt Zener, LED Chúng có nguyên lý cấu tạo chung khốibán dẫn loại P ghép với khối bán dẫn loại N  Điốt bán dẫn, loại sử dụng phổ biến nay, mẫu vật liệu bán dẫn kết tinh với cấu trúc p-n nối với hai chân anode cathode  Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự mang điện tích dương nên ghép với khối bán dẫn N (chứa điện tử tự do) lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống dư thừa điện tử) khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử dư thừa lỗ trống)  Tính chất Điốt dẫn điện theo chiều từ anode sang cathode Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, muốn có dòng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp, cần phải đặt anode điện cao ởcathode Khi ta có UAK > ngược chiều với điện áp tiếp xúc (Utiếp xúc) Như muốn có dòng điện qua điốt điện trường UAK sinh phải mạnh điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX Khi phần điện áp UAK dùng để cân với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận dòng điện qua điốt lúc gọi dòng điện thuận (thường ký hiệu IF tức I-FORWARD ID tức I-DIODE) Dòng điện thuận có chiều từ anode sang cathode Khi UAK đủ cân với điện áp tiếp xúc điốt trở nên dẫn điện tốt, tức điện trở điốt lúc thấp (tầm khoảng vài chụcOhm) Do phần điện áp để tạo dòng điện thuận thường nhỏ nhiều so với phần điện áp dùng để cân với Utiếp xúc Thông thường phần điện áp dùng để cân với U tiếp xúc cần khoảng 0.6V phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere Như giá trị UAK đủ để có dòng qua điốt khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V ngưỡng điốt bắt đầu dẫn U AK = 0.7V dòng qua Diode khoảng vài chục mA Nếu Diode tốt không dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode Thực tế tồn dòng ngược điốt bị phân cực ngược với hiệu điện lớn.Tuy nhiên dòng điện ngược nhỏ (cỡ μA) thường không cần quan tâm ứng dụng công nghiệp Mọi điốt chỉnh lưu không dẫn điện theo chiều ngược điện áp ngược lớn (VBR ngưỡng chịu đựng Diode) điốt bị đánh thủng, dòng điện qua điốt tăng nhanh đốt cháy điốt Vì sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây: • Dòng điện thuận qua điốt không lớn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, tra cứu tài liệu hãng sản xuất để xác định) • Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không lớn VBR (ngưỡng đánh thủng điốt, nhà sản xuất cung cấp) Đặc tuyến Volt-Ampere Đặc tuyến Volt-Ampere điốt bán dẫn lý tưởng Đặc tuyến Volt-Ampere Diode đồ thị mô tả quan hệ dòng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào Có thể chia đặc tuyến thành hai giai đoạn: • Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > mô tả quan hệ dòng áp điốt phân cực thuận • Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< mô tả quan hệ dòng áp điốt phân cực nghịch (UAK lấy giá trị 0,7V với điốt Si, với điốt Ge thông số khác) Khi điốt phân cực thuận dẫn điện dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở mạch (được mắc nối tiếp với điốt).Dòng điện phụ thuộc vào điện trở thuận điốt điện trở thuận nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở mạch điện + Dòng xoay chiều từ nguồn qua biến áp, nắn qua cầu diode hai nửa chu kì thành dòng điện chiều có độ nhấp nhô cao: Điện áp sau cầu Đi-ốt +Như biết tụ C1 tụ hóa dùng để lọc điện áp Vì điện áp chiều chưa phằng gợn nhấp nhô nên tụ có tác dụng lọc nguồn cho thành điện áp chiều phẳng Tụ C1 lọc nguồn đầu vào cho 7805 Tụ tụ hóa phải có điện dung đủ lớn để lọc phẳng điện áp đầu vào điện áp tụ chịu đựng phải lớn điện áp đầu vào • Tụ C1 san điện áp giúp dòng chiều phẳng hơn: Điện áp sau lọc qua tụ +IC 7805 tạo áp chuẩn 5VDC + Các tụ C2,C3 lọc nhiễu cao tần cho mạch + Nguyên lí hoạt động mạch : Trên mạch ổn áp 5V đơn giản sử dụng 7805 Mạch có bảo vệ chống dòng ngược, bảo vệ tải Công suất đầu thấp (5W) Mạch sử dụng nhiều mạch điều khiển, mạch cấp nguồn cho mạch tín hiệu Mạch xoay quanh chức ổn định điện áp 7805 +Ic 7805 :Trên thực tế linh kiện ổn áp 7805 dùng nhiều mạch điện điều khiển dùng để cấp nguồn ổn định cho mạch Với ưu điểm dễ ghép nối , dễ thiết kế với chi phí thấp, nguồn đầu ổn định Nhược điểm công suất đầu thấp (1A) hoạt động không ổn định có nhiễu bên Hoạt động giải nhiệt độ cao -125 độ C Trên hình vẽ dạng đóng vỏ 7805 Tùy theo mạch thiết kế mà người ta dùng dạng đóng Ví dụ mạch dùng nhiều linh kiện dán người ta dùng dạng đóng D-PAL tiếp kiệm diện tích mạch * 7805 có chân cho ta kết nối với : Chân chân nguồn đầu vào, chân chân GND , chân chân lấy điện áp + Chân - (Chân điện áp đầu vào) : Đây chân cấp nguồn đầu vào cho 7805 hoạt động Giải điện áp cho phép đầu vào lớn 40V Theo datasheet giải điện áp đầu 5V ta nên cho điện áp vào 35V để mạch lúc hoạt động ổn định điện áp không bị lên xuống nguồn đầu vào + Chân ( Chân điện áp đầu ra) : Chân cho lấy điện áp đầu ổn định 5V Đảm bảo đầu ổn định nằm giải từ (4.75V đến 5.25V) * Đảm bảo thông số : Vi - V0 > 3V Thông số phải đảm bảo cấp nguồn cho 7805 Tức điện áp cấp vào cho 7805 phải nằm 8V đến 40V Nếu 8V mạch ổn áp không tác dụng Thông thường người ta không cấp nguồn 8V vào mà người ta phải cấp nguồn lớn gấp đôi nguồn đầu để tráng trường hợp sụt áp đầu vào sinh nguồn đầu không ổn định thời gian ngắn PCB mạch nguồn -VI : Khối điều khiển hiển thị Phần lập trình #include "DHT.h" #include #define DHTPIN LiquidCrystal lcd(3, 4, 5, 6, 7, 8); #define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 // Connect a 10K resistor from pin (data) to pin (power) of the sensor DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); byte degree[8] = { 0B01110, 0B01010, 0B01110, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000 }; void setup() { Serial.begin(9600); Serial.println("DHTxx test!"); lcd.begin(16, 2); lcd.print("Nhiet do: "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Do am: "); lcd.createChar(1, degree); dht.begin(); } void loop() { float h = dht.readHumidity(); float t = dht.readTemperature(); if (isnan(t) || isnan(h)) { Serial.println("Failed to read from DHT"); } else { lcd.setCursor(10,0); lcd.print(round(t)); lcd.print(" "); lcd.write(1); lcd.print("C"); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(round(h)); lcd.print(" %"); Serial.print("Humidity: "); Serial.print(h); Serial.print(" %\t"); Serial.print("Temperature: "); Serial.print(t); Serial.println(" *C"); } }