Đồ án: Xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ (có code đầy đủ)

1.4 Ý NGHĨA THỰC TIỄN- Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp, mạch cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùngkhi ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ



ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Đề tài: “Xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm

biến khí gas và cảm biến nhiệt độ”

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường Sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

Lời nói đầu i

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Các yêu cầu cơ bản 1

1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu 2

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 3

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG 4

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 4

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 4

2.2.1 Giới thiệu về cảm biến khí gas 4

2.2.2 Cảm biến khí gas MQ2 6

2.2.3 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ 11

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 12

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 14

2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm 16

2.3.2 Giới thiệu về Arduino R3 17

2.4 Phân tích và lựa chọn màn hình LCD 19

2.5 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 21

2.6 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống 24

24 2.6.2 Lưu đồ giải thuật 25

Chương 3 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG 27

3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí 27

3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử 27

3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 29

PHỤ LỤC: Xây dựng chương trình điều khiển 32

i

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay có lẽ khí gas chắc không còn xa lạ với mọi nhà bởi nó rất hữu íchgiúp ta ở hầu hết mọi hoạt động từ nấu nướng ở gia đình đến áp dụng nhiều trong cácdây chuyền sản xuất trong công nghiệp…Nhưng khi sử dụng nó cũng tồn tại các mốinguy hiểm như: có rò rỉ ta không phát hiện kịp thời mà tiếp xúc và vô tình ngửi phải

sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tín mạng Thậm chí, khi có tia lửa trong vùng khônggian tồn tại khí gas sẽ gây ra cháy nổ

Xuất phát từ thực tế này cùng với kiến thức chúng em được học tập khi ngồi

trên ghế nhà trường, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài “Xây dựng hệ thống

cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ” Sản phẩm tuy

không lớn nhưng sẽ là cơ hội để em áp dụng lý thuyết vào thực tế Hệ thống được thiết

kế nhỏ gọn, độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình hoạt động,nhằm đưa ra nhữngcảnh báo kịp thời và chính xác

Trong quá trình thực hiện đề tài do lượng kiến thức còn hạn chế nên em khôngtránh khỏi những thiếu sót Em rất mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài của emđược ứng dụng trong thực tế được hiệu quả hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Trường đã hướng dẫn, giúp đỡ và

tạo điều kiện tốt để em hoàn thành môn đồ án đo lường và điều khiển này

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Ngày nay có lẽ khí gas chắc không còn xa lạ với mọi nhà bởi nó rất hữu íchgiúp ta ở hầu hết mọi hoạt động từ nấu nướng ở gia đình đến áp dụng nhiều trongcác dây chuyền sản xuất trong công nghiệp…Nhưng khi sử dụng nó cũng tồn tạicác mối nguy hiểm như: có rò rỉ ta không phát hiện kịp thời mà tiếp xúc và vô tìnhngửi phải sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tín mạng Thậm chí, khi có tia lửa trongvùng không gian tồn tại khí gas sẽ gây ra cháy nổ

Chính vì tồn tại những rủi ro hết sức nguy hiểm đó nên nhóm chúng em đãchọn và nghiên cứu một giải pháp đề phòng tránh đó là “Xây dựng hệ thống cảnhbáo an toàn sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ” Hệ thống sẽ gồm bộ

sử dụng cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ đặt ở vị trí có nguy cơ rò rỉ và cháy

nổ để thu thập tình trạng rò rỉ khí gas, nhiệt độ ở nơi đó Khi có nguy hiểm sẽ gửitín hiệu về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung tâm điều khiển báo động có rò rỉkhí gas và vượt quá nhiệt độ Nhờ đó họ sẽ có biện pháp xử lí kịp thời Bên cạnh

đó, hệ thống còi báo động trong toàn hệ thống cũng sẽ báo động và hiển thị thôngtin nơi rò rỉ lên màn hình LCD để mọi đang có ý định đi đến hoặc đi ngang khuvực nguy hiểm đó tránh xa

1.2 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN

- Mạch được thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM đến

10.000PPM

- Đo được nhiệt độ trong khoảng tử -550C đến 1250C

- Khi một khu vực trong hệ thống vượt quá các chỉ số cho phép của cảm

biến khí gas và nhiệt độ, thì hệ thống sẽ báo động bằng còi và hiển thị thông tin báo động nguy hiểm lên màn hình LCD

- Hiển thị trạng thái an toàn của khí gas và nhiệt độ liên tục theo thời gian

thực trên màn hình led 7 thanh hoặc LCD

1.3 PHƯƠNG PHÁP, PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết

- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ

- Thiết kế và thi công bộ xử lí trung tâm

- Thiết kế và thi công mạch nguồn

- Viết code cho Arduino Uno R3

- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch

- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ

- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

Với đề tài: “Xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas

và cảm biến nhiệt độ” có bố cục đồ án như sau:

 Chương 1: Tổng Quan.

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đềtài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài

 Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống

Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển, các đặctính và các thông số của cảm biến Phân tích và lựa chọn linh kiện, cách tính toán,

sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các board mạnh của hệ thống: mạch điều khiểntrung tâm, mạch điều điều khiển thứ cấp, mạch nguồn cung cấp điện áp – dòngđiện cho từng bộ xử lí trong hệ thống

 Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống.

Chương này trình bày về sơ đồ mạch, cách lập trình, cách kiểm tra các mạchcủa toàn bộ hệ thống Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế, cũng như kết quả mà hệthống có tính đến thời điểm hiện tại Trình bày kiến thức, cũng như kỹ năng

mà nhóm được sau khi thực hiện đề tài như: sử dụng các cảm biến, điều khiểncác thiết bị bằng board Arduino Uno R3 Kết quả mà đề tài đạt được, đồng thờiđưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu

1.4 Ý NGHĨA THỰC TIỄN

- Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp,

mạch cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùngkhi phát hiện có sự rò rỉ khí gas ra ngoài và sự tăng lên hay giảm xuống của nhiệt độ,giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại và có những biện pháp đề phòng nhữngchuyện không mong muốn, thiệt hại xảy ra Đối với những công ty lớn sẽ tránh đượcnhững tổn thất không đáng có

- Chỉ với một khoản kinh phí nhỏ, nhưng đảm bảo an toàn cho mọi gia đình hay

các công ty xí nghiệp đều có thể sử dụng, tránh rủi ro trong quá trình làm việc Vàkhông phải lo ngại đến giá thành sản phẩm

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

 Chức năng các khối

Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho hệ thống.

Khối cảm biến khí gas: Đo nồng độ khí gas và gửi về Arduino xử lí.

Khối cảm biến khí nhiệt độ: Đo nhiệt độ và gửi về Arduino xử lí.

Khối nhập bằng nút bấm: Điều chỉnh giới hạn nhiệt độ theo yêu cầu Khối hiển thị LCD: Hiển thị các giá trị đo được của cảm biến

Khối đèn Led: Báo động khi khí gas và nhiệt độ vượt quá giới hạn

Khối báo động tại chỗ: Phát ra tiếng báo động tại chỗ khi cảm biến

trong hệ thống phát hiện các giá trị vượt ngưỡng cho phép

Khối xử lý trung tâm: Thu nhận dữ liệu từ cảm biến và xử lý, nếu vượt

quá giới hạn cho phép thì mở chuông và hiển thị báo động nguy hiểm lênman hình LCD báo động toàn hệ thống

2.2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẢM BIẾN

2.2.1 Giới thiệu về cảm biến khí gas

Các phép đo khí và hơi dễ cháy và độc hại có thể được thực hiện theo bacách khác nhau: theo nhiệt độ, áp suất hoặc thể tích Tất cả các chất khí đều tiềm

của chúng Biết rằng mỗi thiết bị và mỗi nguyên tắc đo đều có điểm mạnh và hạn

chế, việc lựa chọn thiết bị đo phù hợp là điều cần thiết để phát hiện khí

Với tiêu chí sử dụng một loại cảm biến gas có thể độ nhạy tương đối từ 200 –

10000ppm, có độ bền sử dụng vừa phải, độ chính xác và độ phản hổi trong mức

chấp nhận được, giá thành không quá cao hoạt động tốt trong điều kiện không

khắc nghiệt đủ để phát hiện khí gas trong môi trường không khí thông thường, nên

cảm cảm biến MQ2 là một lựa chọn phù hợp.Vật liệu nhạy cảm của cảm biến khí

tiêu, độ dẫn điện của cảm biến sẽ cao hơn cùng với nồng độ khí tăng lên

Bộ cảm biến khí MQ-2 có độ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen,

cũng có thể được sử dụng cho Methane và hơi đốt khác, với chi phí thấp và thích

Dải đo:

200-10000 ppm

Dải đo:

10-60000 ppm2

Hồng

ngoại

Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng Mỗi chất khí đều hấp thụ ánh sáng theo một cách cụ thể,

đó là lý do tại sao một số chất khí có màu sắc khác nhau Một

số khí dễ cháy, chẳng hạn như metan và propan được gọi là hydrocacbon, và chúng hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau so với các thành phần chính của không khí (oxy, nitơ và argon) Sự phân biệt này có thể được sử dụng để đo lượng khí

có mặt thông qua sự thay đổi của điện trở

Khí cần đo đi qua màng để đi vào buồng cảm biến Màng này được làm bằng vật liệu kỵ nước được thiết kế để ngăn nước xâm nhập vào cảm biến và ngăn chất điện phân lỏng ra khỏi cảm biến Khí đi vào buồng cảm biến và phản ứng hóa học xảy ra trong vùng được gọi là vùng ba pha, nơi khí, các điện cực và chất điện phân lỏng gặp nhau Phản ứng hóa học này tạo ra một dòng điện được đo bằng mạch điện bên ngoài

 Máy dò khí đốt công nghiệp

 Thông số kỹ thuật

Công suất sưởi tiêu thụ

Kiểm tra mạch tiêu

chuẩn

V𝑐:5.0V±0.1V；

V𝐻:5.0V±0.1V

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cảm biến MQ-2

 Tìm hiểu module cảm biến khí gas MQ-2

Module cảm biến khí gas MQ-2 là sự tích hợp thêm cho cảm biến MQ-2 mộtmạch điện đơn giản để khi cảm biến phát hiện khí dễ cháy thì độ nhạy của cảmbiến tăng lên, cũng như độ dẫn điện cũng cao hơn dựa vào đó mạch điện đơn giản

sẽ chuyển sang tín hiệu tương tự hay tín hiệu số cho người dùng tiện sử dụng

Hình 2.3.1 Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2

Module được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơngiản, nhỏ gọn và chi phí thấp Có cả 2 tín hiệu đầu ra: Analog (A0), Digital (D0)

và điện áp sử dụng 5V

 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến MQ2 là một cảm biến chất bán dẫn oxit kim loại, dựa vào sự thayđổi điện trở của nó đối với các nồng độ khác nhau của các loại khí khác nhau.Cảm biến được mắc nối tiếp với một biến trở để tạo thành một mạch phân áp, vàbiến trở được sử dụng để thay đổi độ nhạy

Hình 2.3.2 Cấu tạo bên trong cảm biến Gas MQ2

Hình trên là cấu tạo bên trong cảm biến khi loại bỏ lưới bên ngoài Trong sốsáu kết nối, hai chân nối ( H ) chịu trách nhiệm đốt nóng phần tử cảm biến vàđược nối với qua cuộn dây Niken-Crom , một loại hợp kim dẫn điện phổ biếntrong các linh kiện điện tử Bốn chân kết nối còn lại ( A & B ) chịu trách nhiệmcho tín hiệu đầu ra được nối bằng dây bạch kim Platinum Các dây này được kếtnối với phần thân của phần tử cảm biến và truyền tải những thay đổi nhỏ trongdòng điện đi qua phần tử cảm biến

Hình 2.3.3 Lớp vỏ bọc gốm Al2O3 bên trong cảm biến

Phần tử cảm biến hình ống được làm bằng gốm có thành phần chủ yếu là oxitNhôm (Al2O3) và bên trong có một lớp phủ Thiếc Dioxit (SnO2) Thiếc Dioxit làvật liệu quan trọng nhất nhạy cảm với khí dễ cháy Tuy nhiên, đế lớp gốm chỉ đơnthuần là tăng hiệu quả làm nóng và đảm bảo vùng cảm biến được làm nóng đếnnhiệt độ làm việc liên tục

Hình 2.3.4 Lớp vỏ bọc A2O3 bên ngoài lớp bán dẫn SnO 2

Do vậy, cuộn dây Niken-Crom và ống gốm cấu tạo từ Oxit nhôm tạo thànhmột gia nhiệt; trong khi dây Platinum và lớp phủ thiếc Dioxit tạo thành hệ thốngcảm biến hoàn chỉnh

Khi thiếc đioxit (SnO2) được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ cao, oxy

sẽ bị hấp phụ trên bề mặt Trong không khí sạch, các điện tử cho trong thiếc điôxít

bị hút về phía ôxy được hấp thụ trên bề mặt của vật liệu cảm ứng Điều này ngăn

cản dòng điện chạy qua Khi có mặt các khí khử, mật độ bề mặt của oxy bị hấpphụ giảm khi nó phản ứng với các khí khử Sau đó, các điện tử được giải phóngvào thiếc điôxít, cho phép dòng điện chạy tự do qua cảm biến.

Hình 2.3.5 Sự phản ứng điện hóa với các phần tử khí

Ở điều kiện bình thường, điện trở cảm biến sẽ cao nên điện áp rơi trên tải sẽthấp và nó sẽ không đổi Nếu cảm biến phát hiện khí dễ cháy, điện trở của cảmbiến sẽ giảm Điều đó có nghĩa là sẽ có nhiều dòng điện chạy hơn từ điện trở tải,

do đó điện áp trên nó tăng lên Điện áp đầu ra này tăng khi nồng độ khí trongkhông khí tăng lên Có thể điều chỉnh độ nhạy của cảm biến khí bằng chiết áp

Hình 2.3.6 Sơ đồ mạch của module cảm biến khí Gas MQ-2

Các cảm biến này bao gồm một ống gốm nhỏ (Al2O3) xung quanh ống có mộtmàng mỏng thiếc Dioxit (SnO2 ) Khả năng phát hiện khí của cảm biến Gas phụ thuộcvào chất bán dẫn là Thiếc Dioxit (SnO2) để dẫn điện Các hạt oxy trong môi trườnghút các electron tự do có trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặt của SnO2 Vì không cóelectron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không Khi đặt cảm biến trong môi trườngkhí độc hoặc dễ cháy, khí dễ cháy sẽ phản ứng với các hạt oxy bị hấp phụ và phá vỡliên kết hóa học giữa oxy và các điện tử tự do(electron), do đó giải phóng các điện tử tự

do Khi các điện tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điệnnày sẽ tỷ lệ thuận với số lượng các điện tử tự do có sẵn trong SnO2, nếu khí có độctính cao thì sẽ có nhiều điện tử tự do hơn sẽ dẫn đến sự thay đổi điện trở của cảm biến Giá trị điện trở của MQ-2 là sự khác biệt với các loại khí nồng độ khác nhau

Vì vậy, khi sử dụng các thành phần này, điều chỉnh độ nhạy là rất cần thiết Dựatrên biểu đồ được cung cấp trong bảng dữ liệu MQ-2 , Rs là điện trở của cảm biếntrong không khí sạch ở nhiệt độ và độ ẩm đã cho là một hằng số Tỷ lệ Rs /R0(điện trở của tải) trong không khí sạch là 9,83 như được mô tả trong biểu dữliệu Bằng cách sử dụng tỷ lệ Rs / R0 như được thể hiện trong biểu đồ dưới đây

Để tính nồng độ của khí cụ thể theo ppm, lấy hai điểm từ đồ thị của khí cần tính từ

đồ thị bên dưới Sau đó tính một hệ số góc của đường thẳng đó

Công thức tính điện trở của cảm biến R s=(5−sensor volt )

sensor volt , với giá trị điện áp

thu được trên chân Analog: sensor volt = sensor value× 5

1024

Hình 2.3.7 Mối quan hệ giữa điện trở và nồng độ với các loại khí khác nhau

Lấy hai điểm từ đường thẳng LPG, điểm 1 là (log 200, log 1.6) và điểm 2 là (log

1000, log 0,26) Các điểm này ở thang đo logarit, vì vậy khi lấy log của các điểm vàtính độ dốc bằng công thức:Độ dốc = (y2-y1) / (x2-x1) = - 0.47 Một điểm từ phía trên

và độ dốc được sử dụng ở định dạng (x, y, độ dốc) trong một c hương trình Với khíLPG(2.3 , 0.21 , - 0.47), khí CO(2.3, 0.72, -0.34), CH4(2.3, 0.53, - 0.44) Sử dụng công

1 Cặp nhiệt

điện Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại

gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh

Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV)

Dải đo: -100-1400℃±2℃

2 Nhiệt điện

trở Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ:

Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài

Dải đo: -200-700 ℃±2℃

3 Thermistor

Thermistor được cấu tạo từ hỗn hợp các bột ocid

Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi hay nhiệt độthay đổi khi điện trở thay đổi

là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Nhiệt độ thay đổi thì điện áp thay đổi

Dải đo: -50 - 150 ℃±2℃

Cảm biến nhiệt là một loại đầu đo để xác định nhiệt độ môi trường, cơ thể, vậtthể, hiện nay có rất nhiều loại Cảm biến nhiệt khác nhau Tuy nhiên ta có thể phân ralàm hai loại chính: Cảm biến tương tự và Cảm biến số

Cảm biến tương tự có cấu tạo như một nhiệt điện trở, tức là điện trở thay đổi theonhiệt độ và điện trở của cảm biến tỷ lệ với điện thế mà nó xuất ra trên chân giao tiếp.Điện trở thay đổi thì hiệu điện thế cũng thay đổi tương ứng Để sử dụng trước tiên tacần thông qua ADC chuyển tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, sau đó dùng vi điềukhiển đọc giá trị số này và cho hiển thị thông qua Led 7 thanh hoặc hiển thị trên màn

hình tinh thể lỏng LCD.

Cảm biến số là loại cảm biến đã được tích hợp sẵn nên có khả năng xuất ra tínhiệu số mà không cần đến ADC Thông thường có giao tiếp 1 - Wire Để sử dụng loạinày ta chỉ cần kết nối cảm biến với vi điều khiển, đọc dữ liệu từ ảm biến đưa về và hiểnthị trên Led 7 thanh hoặc màn hình tinh thể lỏng LCD

Với chi phí phần cứng thấp, khả năng chống nhiễu mạnh và độ chính xác cao vànhiều ứng dụng rộng rãi nên đề tài này chúng em lựa chọn cảm biến DS18B20 với mụctiêu là đề cao độ chính xác của thiết bị đo nhiệt độ và những ứng dụng trong các lĩnhvực khác nhau

2.2.4 Cảm biến nhiệt độ DS18B20

 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ

Đặc tính

sai lệch ± 1 ° C

và giá trị nhiệt độ có thể được chuyển đổi trong 750ms ở độ phân giải

12 bit

sẽ lấy nguồn từ chân tín hiệu)

mạch chuyển đổi được tích hợp trong một mạch

tương ứng là 0,5 ° C, 0,25 ° C, 0,125 ° C và 0,0625 ° C, cho phép đonhiệt độ chính xác cao

đến CPU bằng bus 1 Wire và có khả năng chống nhiễu và sửa lỗimạnh mẽ

sẽ không hoạt động bình thường DS18B20 tuân theo một giao thứcbus đơn Mỗi lần đo nhiệt độ phải có 4 quá trình: khởi tạo, chuyểnlệnh ROM, chuyển lệnh RAM và trao đổi dữ liệu

Hình 2.4.1 Sơ đồ chân kết nối cảm biến DS18B20

 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.4.2 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến DS18B20

Bên trong cảm biến có hai bộ dao động với tần số đặc trưng cho hai nhiệt độ khácnhau Mỗi một bộ dao động có một tần số dao động đặc trưng cho nhiệt độ của nó Một

bộ dao động cho nhiệt độ cao, một bộ dao động cho nhiệt độ thấp Khi có sự thay đổinhiệt độ thì tần số của bộ dao động sẽ thay đổi, sao cho ở một nhiệt độ cụ thể, mỗi bộdao động trong số chúng đều ở một khoảng cách nhất định so với nhiệt độ danh nghĩa

của nó và tạo ra một tần số rung động mong muốn So sánh hai tần số này thì sẽ thuđược tần số tỷ lệ với nhiệt độ môi trường được tạo ra bởi hệ thống so sánh và tính ragiá trị chính xác của nhiệt độ môi trường.

DS1820 là cảm biến số có độ phân giải 9-12 bit giao tiếp với vi điều khiển trungtâm thông qua 1 dây duy nhất ( 1 wire communication) DS1820 hoạt động với điện áp

từ 3V-5.5V có thể được cấp nguồn qua chân DQ- chân trao đổi dữ liệu Nó có thể đo

code 64bits duy nhất, điều này cho phép kết nối nhiều IC trên cùng đường bus

Bên trong DS1820 sẽ có bộ chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang giá trị số(ADC)

và được lưu trong các thanh thi ở bộ nhớ scratchpad Độ phân giải nhiệt độ đo cóthể được cấu hình ở chế độ 9 bits, 10bits, 11bits, 12bits Ở chế độ mặc định thìDS1820 hoạt động ở độ phân giải 12bits Sự khác biệt giữa 9, 10, 11 và 12 bit nằm

ở sự thay đổi nhiệt độ tối thiểu có thể phát hiện được hoặc tương ứng là 0,5 ° C,0,25 ° C, 0,125 ° C và 0,0625 ° C cũng như trong thời gian chuyển đổi lâu hơn khi

số lượng bit tăng lên

Hình 2.4.3 Sơ đồ khối cảm biến DS18B20

Để bắt đầu quá trình đọc nhiệt độ, và chuyển đổi từ giá trị tương tự sang giátrị số thì vi điều khiển gửi lệnh Convert T [44h], sau khi chuyển đổi xong thì giátrị nhiệt độ sẽ được lưu trong 2 thanh ghi nhiệt độ ở bộ nhớ scratchpad và IC trở

về trạng thái nghỉ

Nhiệt độ được lưu bên trong DS1820 được tính ở nhiệt độ Celcius nếu tính ởnhiệt độ Fahrenheit cần phải xây dựng thêm bảng chuyển đổi nhiệt độ Giá trịnhiệt độ lưu trong bộ nhớ gồm 2bytes-16bits: số âm sẽ được lưu dưới dạng bù 2.Bit cao nhất là bit dấu (S) nếu S=0 thì giá trị nhiệt độ dương và S=1 thì giátrị nhiệt độ âm

Nếu cấu hình độ phân giải là 12bits thì tất cả các bit đều được sử dụng Nếu

độ phân giải 11bits thì bit 0 không được sử dụng Tương tự nếu cấu hình là 10bitsthì bit 1,0 không được sử dụng, nếu cấu hình là 9 bits thì bit 2,1,0 không được sửdụng

Hình 2.4.4 Sự tương ứng của nhiệt độ khi ở độ phân giải 12 bit

2.3 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN

2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm

Trên thị trường có rất nhiều vi điều khiển để xử lý hệ thống như: vi điềukhiển hãng Microchip (tiêu biểu PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng

ATMEL (AT89C52), RASPBERRY PI, ARDUINO, các loại vi điều khiển lại cónhững đặc tính và thông số riêng Với đề tài này, do sử dụng 2 cảm biến, màn hìnhLCD, và loa nên số lượng chân của các linh kiện khá nhiều, đòi hỏi phải có một viđiều khiển phải có đủ các cổng giao tiếp, hoạt động ổn định, có độ trễ khi xử lý tínhiệu thấp, giá thành rẻ nhưng vẫn hoạt động ổn định trong điều kiện môi trườngthông thường.

Với đề tài này nhóm đang thực hiện chú ng em lựa chọn bộ điều khiển trung tâm là Arduino Uno R3

2.3.2 Giới thiệu về Arduino Uno R3

Arduino Uno R3 là một board điều khiển phù hợp nhất cho những người mớibắt đầu sử dụng vi xử lí ATmega328 Nó có 14 đầu vào / đầu ra số (trong đó 6chân có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, một thạch anhthạch anh 16 MHz, một kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nútreset Nó chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ đơn giản kết nối nóvới một máy tính bằng cáp USB hoặc sử dụng nó với một bộ chuyển đổi AC sang

DC hoặc pin để bắt đầu Với chi phí khá rẻ, vi điều khiển Arduino R3 có thể dễdàng thay thế

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3

 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3

 Vi xử lý: Atmega328

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

 Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM)

 Chân vào tương tự: 6

 Chân I/O số PWM: 6

 Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA

 Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

 Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động

 SRAM: 2 KB (ATmega328)

 EEPROM: 1 KB (ATmega328)

 Xung nhịp: 16MHz

 Các thành phần chức năng chính của Arduino Uno R3

Hình 2.6 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3 USB Connector:

Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính Thông qua cáp USBchúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn lànguồn cho Arduino

Power Jack:

Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoàithông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin vàGND để cấp nguồn cho Arduino

Board mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 12 volt Chúng ta cóthể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt Vànếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng boardmạch Khuyết cáo nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt.

Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra

từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino Lưu ý: không được cấp nguồnvào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino

GND: chân mass

Chip ATmega328:

Chip ATmega328 có 32KB bộ nhớ flash trong đó 0.5 KB sử dụng cho trìnhnạp khởi động

Digital I/O pins:

Arduino UNO có 14 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân.Cũng trên 14 chân digital của Uno chúng ta còn một số chân chức năng đólà: Serial: 0 và 1 Dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liệu nối tiếp TTL Chúng

ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linhkiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp

PWM (pulse width modulation): 6 chân PWM trên board mạch Uno Cácchân PWM giúp chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sángcủa đèn…

Reset button: Dùng để reset Arduino.

2.4 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MÀN HÌNH LCD

 Giới thiệu LCD

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trongrất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với cácdạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí

tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khácnhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẽ…

Hình 2.8 Sơ đồ chân của LCD 16x2

Chức năng các chân

Bảng 2.4 Chức năng các chân của LCD

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân

này với GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối

chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD