Mạch ứng dụng cảm biến giám sát thông số nhiệt độ độ ẩm qua webserverCác phương án điều khiển và xử lý dữ liệu ra LCD.Tìm hiểu vi điều khiển Arduino R3.Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino R3.Tìm hiểu DHT11.Tìm hiểu ESP8266.Giao tiếp giữa các modul.Lập trình cho Arduino R3.Dùng cảm biến độ ẩm DHT11 để đo độ ẩm.Đo đạc được giá trị nhiệt độ độ ẩm và hiển thị tại chỗ trên màn LCD.Thiết kế ngưỡng nhiệt độ bằng bàn phím 4x4.Tự tạo điểm truy cậpWiFi (Access Point) để các thiết bị mobile có thể kết nối.Các thiết bị kết nối AP này có thể đọc được thông số đo đạc qua ứng dụng web trên mobile.Cấu hình bằng tay tại chỗ cho SSID và Password cho điểm truy cập của node sensor wireless.
Mục lục DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nhu cầu theo dõi nhiệt độ độ ẩm ngày trở nên phổ biến thiết thực, chúng sử dụng trong: Sản xuất chế biến nông nghiệp, Hiển thị thực thi điều khiển (quạt gió, máy sấy, điều hòa, hay báo động), Theo dõi môi trường, chế độ làm việc số dây chuyền, thiết bị có yêu cầu cao Khái niệm đo nhiệt độ độ ẩm có từ lâu, chúng yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất vật chất mơi trường sống nói chung Riêng cơng nghiệp sản xuất đo lường điều khiển, trình đo xử lí nhiệt độ - độ ẩm giữ vai trò quan trọng Do ta thấy tầm quan trọng tính thực tế việc đo điều chỉnh nhiệt độ - độ ẩm thiết bị tự động hóa đời sống ngày Được đồng ý phân công khoa ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG nhóm em tiến hành thực đề tài: “Mạch ứng dụng cảm biến giám sát thông số nhiệt độ - độ ẩm qua webserver” Đề tài kết hợp kiến thức học nhà trường với q trình tìm tòi nghiên cứu hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn, song chắn khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp q báu phê bình, dẫn q Thầy Cơ II MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI: - Mục đích thực đề tài tiến hành nghiên cứu là: Trước tiên để hồn - thành mơn học Với thân người thực đề tài, hội tốt để tự - kiểm tra lại kiến thức mình, đồng thời có hội để nổ lực vận động tìm hiểu, tiếp cận nghiên cứu với vấn đề chưa biết, chưa hiểu rõ nhằm trang bị cho thân nhiều kiến thức bổ ích sau ứng dụng vào thực tế sống Tập tính làm việc độc lập, khả tự suy nghĩ tìm tòi, học hỏi, phát huy - lực thân Ngoài tạo sản phẩm có tính ứng dụng thực tế III ĐỐI TƯỢNG NGHIÊNG CỨU: - Các phương án điều khiển xử lý liệu LCD Tìm hiểu vi điều khiển Arduino R3 - Tìm hiểu phương pháp lập trình cho Arduino R3 Tìm hiểu DHT11 Tìm hiểu ESP8266 Giao tiếp modul IV LẬP KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU: Để thực đề tài nhóm kết hợp sử dụng nhiều phương pháp phương tiện hỗ trợ gồm có: - Tham khảo tài liệu kỹ thuật số, điện tử bản, vi điều khiển Arduino - R3,… Quan sát thực tế Thực nghiệm Tổng kết kinh nghiệm Phương tiện : máy tính, Internet, thư viện,… V GIỚI HẠN ĐỀ TÀI: Với thời gian gần năm tuần thực đề tài trình độ chun mơn có hạn, dù em cố gắng để hoàn thành sản phẩm này, giải vấn đề sau: - Lập trình cho Arduino R3 Dùng cảm biến độ ẩm DHT11 để đo độ ẩm Đo đạc giá trị nhiệt độ - độ ẩm hiển thị chỗ LCD Thiết kế ngưỡng nhiệt độ bàn phím 4x4 Tự tạo điểm truy cậpWiFi (Access Point) để thiết bị mobile kết - nối Các thiết bị kết nối AP đọc thơng số đo đạc qua ứng dụng - web mobile Cấu hình tay chỗ cho SSID Password cho điểm truy cập node sensor wireless CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan cấu trúc phần cứng Arduino UNO R3 1.1.1 Giới thiệu Arduino thật bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn 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 với khoảng $30, người dùng sở hữu board Arduino có 20 ngõ I/O tương tác điều khiển chừng thiết bị Arduino đời thị trấn Ivrea thuộc nước Ý đặt theo tên vị vua vào kỷ thứ King Arduin Arduino thức đưa giới thiệu vào năm 2005 công cụ khiêm tốn dành cho sinh viên giáo sư Massimo Banzi, người phát triển Arduino, trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII) Mặc dù khơng tiếp thị cả, tin tức Arduino lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ lời truyền miệng tốt đẹp người dùng Hiện Arduino tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea để tham quan nơi sản sinh Arduino 1.1.2 Cấu trúc thông số Arduino Uno R3 bo mạch thiết kế với xử lý trung tâm vi điểu khiển AVR Atmega328 Cấu tạo Arduino Uno R3 bao gồm phần sau: Hình 1.1 Board Arduino Uno R3 - Cổng USB: loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đồng thời giao tiếp serial để truyền liệu vi điều khiển máy tính - Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ lấy nguồn từ cổng USB trên, lúc cắm với máy tính Lúc ta cần nguồn từ 9V đến 12V - Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ đến 13, ngồi có chân nối đất (GND) chân điện áp tham chiếu (AREF) - Vi điều khiển AVR: xử lí trung tâm tồn bo mạch Với mẫu Arduino khác chip khác Ở Arduino Uno R3 sử dụng ATMega328 - Các thông số chi tiết Arduino Uno R3: Vi xử lý: Atmega328 Điện áp hoạt động: 5V Điện áp đầu vào: 7-12V Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V Chân vào/ra (I/O) số: 14 ( chân cho đầu PWM) Chân vào tương tự: 10 Dòng điện chân I/O: 40mA Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA Bộ nhớ trong: 32 KB (ATmega328) SRAM: KB (ATmega328) EEPROM: KB (ATmega328) Xung nhịp: 16MHz 1.2 Giao tiếp One wire 1.2.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp One wire Chuẩn giao tiếp dây (One wire) hãng Dallas giới thiệu Trong chuẩn giao tiếp cần dây để truyền tín hiệu làm nguồn ni (Nếu khơng tín dây mass) Là chuẩn giao tiếp không đồng bán song công (half-duplex) Trong giao tiếp tuân theo mối liên hệ chủ tớ cách chặt chẽ Trên bus gắn nhiều thiết bị slave Nhưng có master kết nối đến bus Bus liệu trạng thái rãnh (khi khơng có liệu đường truyền) phải mức cao bus liệu phải kéo lên nguồn thông qua điện trở Giá trị điện trở tham khảo datasheet thiết bị / thiết bị slave Các thiết bị tớ (slave) kết nối với bus phân biệt với nhờ 64 bit địa (64-bit serial number) byte (64 bit) chia làm ba phần chính: - Bắt đầu với LSB, byte mã họ thiết bị có độ lớn bit (8-bit family codes) xác định kiểu thiết bị - byte lưu trữ địa riêng thiết bị - Byte cuối (MSB) byte kiểm tra tính tồn vẹn liệu cyclic redundancy check (CRC) có giá trị tương ứng với giá trị byte Nhờ byte CRC giúp cho master xác định có địa đọc có bị lỗi hay khơng Với 224 địa khác tạo số lượng lớn địa chỉ.Do vấn đề địa khơng phải vấn đề chuẩn giao tiếp 1.2.2 Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu bus wire chia thành khe thời gian 60 µs bit liệu truyền bus dựa khe thời gian (time slots) Các thiết bị slave cho phép 12 có thời gian có chúc khác biệt từ thời gian danh nghĩa Tuy nhiên thiết bị master cần có định thời với độ xác cao, để đảm bảo giao tiếp với thiết bị salve có thời gian khác biệt Do quan trọng để tuân theo giới hạn thời gian mô tả phần sau Bốn thao tác hoạt động bus wire Reset/Presence, gửi bit 1, gửi bit 0, đọc bit Thao tác byte gửi byte đọc byte dựa thao tác bít Gửi bit (“Write 1” signal) Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp khoảng đến 15µs Sau nhả bus (releases the bus) hết phần lại khe thời gian Gửi bit ("Write 0" signal) Kéo bus xuống mức thấp 60µs, với chiều dài tối đa 120 µs Đọc bit: Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp từ -15µs Khi thiết bị tớ sẻ giữ bus mức thấp muốn gửi bit 0, Nếu muốn gửi bit đơn giản nhả bus Bus nên lấy mẫu 15 µs sau bus kéo xuống mức thấp "Reset/Presence": Tín hiệu reset Presence(Báo diện) trình bày hình bên Thiết bị master kéo bus xuống thấp khe thời gian (tức 480 µs) sau nhả bus Khoảng thời gian bus mức thấp gọi tín hiệu reset Nếu có thiết bị slave gắn bus sẻ trả lời tín hiệu Presence tức thiết bị tớ sẻ kéo bus xuống mức thấp khoảng thời gian 60µs Nếu khơng có tín hiệu Presence, thiết bị master sẻ hiểu khơng có thiết bị slave bus, giao tiếp sẻ diễn 14 Hình 1.2 Mơ tả cách thức hoạt động giao tiếp one wire 1.3 Giao tiếp I2C 1.3.1 Giới thiệu Đầu năm 1980 Phillips phát triển chuẩn giao tiếp nối tiếp dây gọi I2C I2C tên viết tắt cụm từ Inter-Intergrated Circuit Đây đường Bus giao tiếp IC với I2C phát triển bới Philips, nhiều nhà sản xuất IC giới sử dụng I2C trở thành chuẩn công nghiệp cho giao tiếp điều khiển, kể vài tên tuổi ngồi Philips như: Texas Intrument(TI), MaximDallas, analog Device, National Semiconductor Bus I2C sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi cho nhiều loại IC khác loại Vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM 1.3.2 Cấu tạo ngun lí hoạt động 16 Hình 1.3 Bus I2C thiết bị ngoại vi I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu: • Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) Master phát (thông thường • 100kHz 400kHz Mức cao 1Mhz 3.4MHz) Một đường liệu (SDA) theo hướng Có nhiều thiết bị kết nối vào bus I2C, nhiên không xảy chuyện nhầm lẫn thiết bị, thiết bị nhận bởỉ địa với quan hệ chủ/tớ tồn suốt thời gian kết nối Mỗi thiết bị hoạt động thiết bị nhận truyền liệu hay vừa truyền vừa nhận Hoạt động truyền hay nhận tùy thuộc vào việc thiết bị chủ (master) tớ (slave) Một thiết bị hay IC kết nối với bus I2C, ngồi địa (duy nhất) để phân biệt, cấu hình thiết bị chủ hay tớ Đó bus I2C quyền điều khiển thuộc thiết bị chủ Thiết bị chủ nắm vai trò tạo xung đồng hồ cho tồn hệ thống, hai thiết bị chủ-tớ giao tiếp thiết bị chủ có nhiệm vụ tạo xung đồng hồ quản lý địa thiết bị tớ suốt q trình giao tiếp Thiết bị chủ giữ vai trò chủ động, thiết bị tớ giữ vai trò bị động việc giao tiếp Về lý thuyết lẫn thực tế I2C sử dụng bit để định địa chỉ, bus có tới 2^7 địa tương ứng với 128 thiết bị kết nối, có 112 , 16 địa lại sử dụng vào mục đích riêng Bit lại quy định việc đọc hay ghi liệu (1 write, read) Điểm mạnh I2C hiệu suất đơn giản nó: khối điều khiển trung tâm điều khiển mạng thiết bị mà cần hai lối điều khiển 18 1.7.2 Chức chân : 32 Chân Ký hiệu Mô tả Vss Chân nối đất cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với GND mạch điều khiển VDD Chân cấp nguồn cho LCD, thiết kế mạch ta nối chân với VCC=5V mạch điều khiển VEE Điều chỉnh độ tương phản LCD RS Chân chọn ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) logic “1” (VCC) để chọn ghi * + 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”: Bus DB0-DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động chế độ ghi, nối với logic “1” để LCD chế độ đọc E Chân cho phép (Enable) Sau tín hiệu đặt lên bus DB0-DB7, lệnh chấp nhận có xung cho phép chân E + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào(chấp nhận) ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E LCD giữ bus đến chân E xuống mức thấp - DB0 - DB7 Tám đường bus liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus : 14 + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường, với bit MSB bit DB7 - + Chế độ bit : Dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB DB7 34 Nguồn dương cho đèn - GND cho đèn Ghi : Ở chế độ “đọc”, nghĩa MPU đọc thông tin từ LCD thông qua chân DBx Còn chế độ “ghi”, nghĩa MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua chân DBx 36 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Xác định tiêu kỹ thuật cho thiết bị Trên sở nghiên cứu đặc tính kỹ thuật thiết bị Nhóm chúng em đề xuất tiêu kỹ thuật cụ thể cho Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm xuất LCD hiển thị Webserver nhóm chúng em sau: +Nguồn cung cấp 5V + Đo đạc giá trị nhiệt độ - độ ẩm hiển thị chỗ LCD + Tự tạo điểm truy cậpWiFi (Access Point) để thiết bị mobile kết nối + Các thiết bị kết nối AP đọc thơng số đo đạc qua ứng dụng web mobile + Cấu hình tay chỗ cho SSID Password cho điểm truy cập node sensor wireless 38 2.2 Sơ đồ nguyên lý 2.2.1 Khối 2.2.1.1 Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn khối cảm biến đo độ ẩm mơi trường DHT11 sau chuyển tín hiệu đo khối xử lý, khối xử lý đọc tín hiệu xuất độ ẩm đo LCD 2.2.2.2 Lưu đồ giải thuật Bắt đầu Đọc liệu từ DHT11 Kiểm tra nhiệt độ ngưỡng Hiển thị lên LCD >T0 Bật quạt