ĐỀ Luận : Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CƠNG TRÌNH BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm Giảng viên hướng dẫn : ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung : Sinh viên thực : Mạc Văn Sơn Lớp : K58 – CƠ ĐIỆN TỬ Khoá : 58 Hà Nội - năm 2017 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời buổi cơng nghệ phát triển mạnh mẽ, ngày có nhiều sản phẩn điện tử đời với tính vượt bậc vô đa dạng, phong phú đặc biệt Thông minh chứa đựng sản phẩm Khoa học phát triển làm cho ngành khác phát triển theo, kể đến điện tử, công nghệ thông tin, viễn thông, khí, chế tạo máy… Các ngành khoa học ln có kết hợp chặt chẽ với từ khí, điện tử đến lập trình Ngành điện tử đời mà đỉnh cao loại Robot thơng minh, máy móc thơng minh… Một hệ thống máy móc thơng minh cấu thành từ nhiều phận, vi xử lý lập trình phức tạp, cấu chấp hành, xử lý phức tạp hoạt động ngày mềm mại Có phận vơ quan trọng để tạo nên thơng minh khơng thể khơng kể đến loại cảm biến Nhờ có cảm biến, robot ngày phát triển để nhận biết hành động phức tạp ví dụ tay máy cầm cốc thủy tinh cho không vỡ, hay hệ thống tự động đóng mở cửa có người vào siêu thị… Có nhiều loại cảm biến chế tạo sử dụng với mục đích khác đời sống cảm biến cảm nhận nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dịng chảy… Tùy theo loại cơng việc mà loại cảm biến có cách chế tạo khác Có nhiều loại cảm biến thị trường nay, loại cảm biến thông dụng cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm Nhiệt độ độ ẩm đặc trưng quan trọng khí hậu có ý nghĩa quan trọng số q trình cơng nghệ Trong khí quyển, độ ẩm tồn phạm vi rộng (từ vài phần triệu ppm đến nước bão hòa 1000C), khoảng nhiệt độ lớn (từ -75oC đến 1000oC) lẫn tạp chất hóa chất khác Ứng dụng hai loại cảm biến vơ đa dạng, dùng xác định nhiệt độ độ ẩm môi trường, nhà kín vườn ươm, tủ sấy, nhà máy, phịng thí nghiệm… từ sở để điều khiển nhiệt độ độ ẩm phục vụ mục đính khác Sinh viên thực để tài Mạc Văn Sơn MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 1.1 Tổng quan cảm biến 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại cảm biến 1.1.3 Một số đặc trưng 1.2 Nguyên lý đo cảm biến 1.2.1 Với loại cảm biến tích cực 1.2.2 Với loại cảm biến thụ động 12 1.3 Một số cảm biến thông dụng 13 1.3.1 Cảm biến quang 13 1.3.2 Cảm biến đo nhiệt độ 14 1.3.3 Cảm biến đo độ ẩm 14 1.3.4 Cảm biến thông minh 14 1.2 Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm 15 1.2.1 Cảm biến đo độ ẩm HS1101 15 1.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 23 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ 27 2.1 Các u cầu, tính đo nhiệt độ, độ ẩm 27 2.1.1 Yêu cầu thiết bị 27 2.1.2 Tính thiết bị 27 2.2 Thiết lập sơ đồ khối đô nhiệt độ, độ ẩm 27 2.2.1 Sơ đồ khối 27 2.2.2 Cấu tạo, chức khối 28 2.3 Thiết kế phần cứng 31 2.4 Lập trình điều khiển 33 CHƢƠNG CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 35 3.1 Các bƣớc chuẩn bị, thực chung 35 3.1.1 Chuẩn bị 35 3.1.2 Thực chung 35 3.2 Mô thiết bị phần mềm 35 3.3 Chạy bo test 36 3.4 Chế tạo điều khiển gán chƣơng trình lập trình 37 3.5 Kết 39 KẾT LUẬN 39 Tài liệu tham khảo 40 Trang web thao khảo 40 DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Bảng 1.1 Các đặc điểm cảm biến HS1101 20 Bảng 1.2 Đặc tính tần số đầu mạch 21 Bảng 1.3 Đặc tính điện áp đầu mạch (ở Vcc = 5V, 250C) 22 Hình 1.1 Xác định khoảng thời gian cảm biến Hình 1.2 Sơ đồ hiệu ứng điện 10 Hình 1.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 10 Hình 1.4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 11 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ 11 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ 12 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng Hall 12 Hình 1.8 Phototransistor chế độ chuyển mạch 13 Hình 1.9 Sơ đồ đơn giản cặp nhiệt điện 14 Hình 1.10.Sơ đồ cấu trúc cảm biến thông minh 15 Hình 1.11 Điện áp cảm biến có định thời CMOS 17 Hình 1.12.Cảm biến HS1101 20 Hình 1.13.Sơ đồ ghép nối cảm biến HS1101 với IC55 21 Hình 1.14.Đo độ ẩm đất cách ghim giá trị độ ẩm xác định 22 Hình 1.15.Cảm biến nhiệt độ DS18B20 23 Hình 1.16.Sơ đồ ứng dụng mạch ấp trứng 26 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 27 Hình 2.2 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến nhiệt độ 28 Hình 2.3 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến độ ẩm 28 Hình 2.4 Sơ đồ khối vi xử lý 8051 29 Hình 2.5 Sơ đồ mạch khối hiển thị 30 Hình 2.6 Sơ đồ mạch khối lọc nguồn DC 5V 30 Hình 2.7 Sơ đồ mắc mạch khối relay 31 Hình 2.8 Sơ đồ mắc mạch khối truyền thông 31 Hình 2.9 Sơ đồ mạch tồn thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm 31 Hình 2.10.Thiết kế mạch in Altium 32 Hình 2.11.Mô mạch 3D Altium 32 Hình 2.12.Khai báo thƣ viện, nối chân cho LCD cảm biến 33 Hình 3.1 Mạch mơ đo nhiệt độ, độ ẩm 36 Hình 3.2 Mạch nạp Sơ đồ mắc mạch khối nạp SPI cho 8051 36 Hình 3.3 Giao diện phần mềm nạp chíp progisp 37 Hình 3.4 Thiết bị thực tế trƣớc đóng hộp 38 Hình 3.5 Thiết bị chạy hồn thành 38 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 1.1 Tổng quan cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến xác định đặc trưng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s = f(m) Trong công thức, s đại lượng đầu phản ứng cảm biến, m đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo), thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị kích thích (m) 1.1.2 Phân loại cảm biến  Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích  Theo dạng kích thích  Theo tính cảm biến  Theo phạm vi sử dụng  Theo thơng số mơ hình mạch thay 1.1.3 Một số đặc trưng a Độ nhạy Cảm biết Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu Δs biến thiên đầu vào Δm có liên hệ tuyến tính với nhau: Δs = S.Δm Đại lượng S xác định biểu thức S  s gọi độ nhạy cảm biến m Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị mi đại lượng đo xác định tỷ số biến thiên Δs đại lượng đầu biến thiên Δm tương ứng đại lượng đo đầu vào quanh giá trị đó: Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung  s  S    m  m  mi Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau:  Giá trị đại lượng cần đo m tần số thay đổi  Thời gian sử dụng  Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh Giá trị S thường cung cấp nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến b Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính khơng phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lượng đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lượng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm khơng phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (tần số riêng f0 dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, dựa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỷ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hóa c Sai số xác Ngồi đại lượng cần đo, phận cảm biến chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi Δx độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính sau:  x 100  % x Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Sai số cảm biến mang tính chất ước tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến thường phân thành hai loại sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên  Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo Sai số hệ thống thường điều kiện sử dụng không tốt người đo không hiểu biết hệ đo gây Các nguyên nhân sai số kể đến là: + Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lượng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng + Do xử lý kết đo  Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ngun nhân gây sai số hệ thống dự đốn được, khơng thể dự đốn độ lớn dấu Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lượng ảnh hưởng khơng tính đến chuẩn cảm biến Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp bảo vệ mạch đo tránh ảnh hưởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lường thống kê d Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh tr khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn ε tính % Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị đầu với độ Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung xác định trước Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ độ cảm biến làm hàm thông số thời gian xác định chế độ Trong trường hợp thay đổi đại lượng đo có dạng bậc thang, thông số thời gian gồm thời gian trễ tăng tdm thời gian tăng tm ứng với tăng đột ngột đại lượng đo Khoảng thời gian trễ tăng tdm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ giá trị ban đầu lên 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Hình 1.1 Xác định khoảng thời gian cảm biến Tương tự đại lượng đo giảm, thời gian trễ giảm tdc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 90% đến 10% biến thiên tổng cộng Các thơng số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp e Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt, … Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến cần phải biết rõ giới hạn  Vùng làm việc danh định Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Vùng làm việc danh định tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà đại lượng đo, đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trưng làm việc danh định cảm biến  Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc danh định cịn nằm phạm vi khơng gây nên hư hỏng, đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng  Vùng không phá hủy Vùng không phá hủy vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng không gây nên hư hỏng cịn nằm phạm vi khơng bị phá hủy, đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính khơng thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng Trường hợp này, cảm biến sử dụng được, phải chuẩn lại 1.2 Nguyên lý đo cảm biến 1.2.1 Với loại Cảm biến tích cực Cảm biến tích cực cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dịng Các cảm biến tích cực chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, cơ, xạ, …) thành lượng điện Khái quát lại, kể đến loại cảm biến với hiệu ứng vật lý sau: a Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn M1, M2 có chất hóa học khác hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 khác nhau, mạch xuất suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn phụ thuộc chênh lệch Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung nhiệt độ T1 T2 Hiệu ứng nhiệt điện ứng dụng để đo nhiệt độ T1 biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 00C Hình 1.2 Sơ đồ hiệu ứng điện b Hiệu ứng hỏa điện Một số tinh thể gọi tinh thể hỏa điện (ví dụ: tinh thể Sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất mặt đối diện chúng điện tích trái dấu Độ lớn điện áp hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực tinh thể hỏa điện Hiệu ứng hỏa điện ứng dụng để đo thông lượng xạ ánh sáng Khi ta chiếu chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng nhiệt độ tăng lên, làm thay đổi phân cực điện tinh thể Đo điện áp V ta xác định thơng lượng ánh sáng Φ Hình 1.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện c Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng dước tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất lượng điện tích trái dấu, gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định cường độ lực tác dụng F 10 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung  Một ứng dụng thực tế cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 dùng phổ biến trì nhiệt độ để ấp trứng Ta ghim giá trị nhiệt độ định phận gia nhiệt - sinh nhiệt, cảm biến đo đến ngưỡng xử lý điều khiển đóng/ngắt relay để ngắt nguồn sinh nhiệt Hình 1.16 Sơ đồ ứng dụng mạch ấp trứng 26 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ 2.1 Các yêu cầu, tính đo nhiệt độ, độ ẩm 2.1.1 Yêu cầu thiết bị  Đo nhiệt độ, độ ẩm khơng khí hiển thị tín hiệu số  Có thể đo tốt mơi trường ngồi trời khơng mưa, phịng ở, phịng thí nghiệm, máy ấp trứng, sấy tỏi 2.1.2 Tính thiết bị  Thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí nên điều kiện thời tiết khơng mưa (nếu đặt ngồi trời), nhiệt độ đo xác khoảng từ -40oC đến 125oC, độ ẩm xác khoảng  Thiết bị đặt nhà chủ yếu Là thiết bị cầm tay sử dụng pin 9v nên linh động việc đo nhiệt độ độ ẩm không gian khác  Kết hiển thị số lên hình lcd 16x2  Nhiệt độ độ ẩm đo đồng thời, hiển thị đồng thời  Không hiển thị thời gian, thời điểm xem tức thời 2.2 Thiết lập sơ đồ khối đô nhiệt độ, độ ẩm 2.2.1 Sơ đồ khối Nguồn cấp (Pin, sạc) OUTPUT Bộ lọc nguồn DC 5V INPUT Cảm biến DS18B20 Màn hình LCD 16x2 VXL 8051 Cảm biến HS1101 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị 27 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung 2.2.2 Cấu tạo, chức khối  Khối INPUT a Khối cảm biến nhiệt độ dùng DS18B20  Cấu tạo Khối cảm biến DS18B20 cấu tạo gồm có cảm biến DS18B20 điện trở Được mắc theo sơ đồ sau: Hình 2.2 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến nhiệt độ  Chức Khối có chức đo nhiệt độ, cách sử dụng cảm biến DS18B20 nhận tín hiệu tương tự nhiệt độ từ mơi trường xung quanh sau gửi khối xử lý để xử lý thơng tin đưa tín hiệu số hình hiển thị b Khối cảm biến độ ẩm dùng HS1101  Cấu tạo Khối có cấu tạo gồm số linh kiện điện tử như: cảm biến độ ẩm HS1101, IC555, điện trở Được mắc theo sơ đồ sau: Hình 2.3 Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến độ ẩm 28 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung  Chức Khối có chức đo độ ẩm môi trường sử dụng cảm biến HS1101 tụ điện thay đổi điện dung độ ẩm thay đổi, điện dung thay đổi IC 555 tạo xung, điều chế độ rộng xung (PWM) đưa khối xử lý để so sánh đưa tín hiệu số hình c Khối vi xử lý 8051  Cấu tạo Khối xử lý cấu tạo gồm chip 89S52 – với loại chip ta nạp mạch mà khơng cần phải có mạch nạp kèm theo, thạch anh tạo dao động, nút bấm reset Được mắc theo sơ đồ sau: Hình 2.4 Sơ đồ khối vi xử lý 8051  Chức Các tín hiệu đầu vào (input) cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, bàn phím… xử lý chuyển đổi thành tín hiệu số đưa hình đưa loa Căn vào tín hiệu mà ta mở rộng nhiều ứng dụng  Khối OUTPUT  Cấu tạo Khối output thiết bị gồm hình LCD 16x2 vi chỉnh 103 Được mắc theo sơ đồ sau: 29 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Hình 2.5 Sơ đồ mạch khối hiển thị  Chức Nhận tín hiệu từ khối xử lý hiển thị số  Khối lọc nguồn DC 5V  Cấu tạo Khối gồm linh kiện cầu chì, tụ điện, LM7805, đèn báo nguồn Được mắc theo sơ đồ sau: Hình 2.6 Sơ đồ mạch khối lọc nguồn DC 5V  Chức Chuyển đổi nguồn cấp từ 9V, 12V xuống cịn 5V để ni khối In, Out, chip, hình  Phần mở rộng sau thiết bị Ngồi khối nói đến mục thiết bị có thêm phần mở rộng khối truyền thơng lên máy tính khối relay đóng ngắt tự động theo nhiệt độ, độ ẩm tùy theo mục đích yêu cầu người sử dụng Được mắc theo hai sơ đồ sau: 30 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Hình 2.7 Sơ đồ mắc mạch khối relay Hình 2.8 Sơ đồ mắc mạch khối truyền thông 2.3 Thiết kế phần cứng  Sơ đồ nguyên lý Hình 2.9 Sơ đồ mạch tồn thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm 31 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Từ khối nói phần ta sử dụng phần mền Altium để vẽ mạch, thiết kế mắc mạch nguyên lý cho linh kiện hình 2.9 Với chíp 8051 dễ bị nhiễu nên yếu tố chống nhiễu ưu tiên, việc sử dụng tụ gốm, tụ hóa mắc song song khối nguồn phủ mát GND cho toàn mạch Sau vẽ mạch nguyên lý xong ta tiếp tục dùng phần mềm Altium để thiết kế mạch in cho thiết bị Với khối hai khối mở rộng ta cần thiết kế mạch chứa đủ khối với kích thước khơng q lớn nhằm mục đính thiết bị nhỏ gọn đầy đủ khối đáp ứng yêu cầu Mạch in thiết kế hình 2.10 – 2.11 với kích thước dài x rộng 88x65mm Hình 2.10 Thiết kế mạch in Altium Hình 2.11 Mơ mạch 3D Altium 32 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung 2.4 Lập trình điều khiển  Lập trình 8051 phần mềm Keil C Từ cách mắc chân cho linh kiện có mạch nguyên lý với chip 89S52 ta khai báo thư viện, gán chân tiến hành lập trình Hình 2.12 Khai báo thư viện, nối chân cho LCD cảm biến  Lập trình mã code cho cảm biến nhiệt độ DS18B20 sbit DQ = P1^0; void delay_18B20 (unsigned int i) { while(i ); } { unsigned char x=0; DQ = 1; delay_18B20(8); DQ = 0; delay_18B20(80); DQ = 1; delay_18B20(14); x=DQ; delay_18B20(20); } unsigned char ReadOneChar(void) { unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i>0;i ) { DQ = 0; dat>>=1; DQ = 1; if(DQ) dat|=0x80; delay_18B20(4);} return(dat); } void WriteOneChar(unsigned char dat) { unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i ) { DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay_18B20(5); DQ = 1; dat>>=1; }} a=ReadOneChar(); b=ReadOneChar(); nhiet_thuc=b4; return(nhiet_thuc); } 33 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung  Lập trình mã code cho cảm biến độ ẩm HS1101 #include "hs1101.h" code int HS1101_Table[101]={ 8109,8090,8070,8051,8033,8015,7997,7979,7961,7944, 7927,7910,7894,7878,7862,7846,7830,7815,7799,7784, 7769,7755,7740,7726,7711,7697,7683,7669,7655,7641, 7628,7614,7600,7587,7574,7560,7547,7534,7521,7507, 7494,7481,7468,7455,7442,7429,7416,7403,7390,7377, 7364,7350,7337,7324,7311,7298,7284,7271,7257,7244, 7230,7216,7203,7189,7175,7161,7147,7132,7118,7103, 7089,7074,7059,7045,7029,7014,6999,6984,6968,6952, 6936,6920,6904,6888,6872,6855,6838,6821,6804,6787, 6770,6752,6735,6717,6699,6680,6662,6644,6625,6606, 6587}; int HS1101_GetHumi(int frequency) { int i; for(i=0;iHS1101_Table[i]) return i;} return 100;} Với khối cảm biến độ ẩm HS1101 ta cần thêm hàm so sánh giá trị tần số thay đổi độ ẩm thay đổi với dải tần từ 6033–7351 ứng với độ ẩm 100-0%, mã code sau: if (so_xung>7351) else if(so_xung>7224) else if(so_xung>7100) else if(so_xung>6976) else if(so_xung>6853) else if(so_xung>6728) else if(so_xung>6600) else if(so_xung>6468) else if(so_xung>6330) else if(so_xung>6186) else if(so_xung>6033) do_am=0; do_am=10+(so_xung-7224)*10/(7351-7224); do_am=20+(so_xung-7100)*10/(7224-7100); do_am=30+(so_xung-6976)*10/(7100-6976); do_am=40+(so_xung-6853)*10/(6976-6853); do_am=50+(so_xung-6728)*10/(6853-6728); do_am=60+(so_xung-6600)*10/(6728-6600); do_am=70+(so_xung-6468)*10/(6600-6468); do_am=80+(so_xung-6330)*10/(6468-6330); do_am=90+(so_xung-6186)*10/(6330-6186); do_am=100(so_xung-6033)*10/(6186-6033);  Chương trình unsigned char temp; void main(void) { int hum; float Nhiet_Do; char str[20]; khoitao(); lenh(0x80); khoi_tao_ngat_ngoai0(); khoi_tao_timer0(); while(1) {hum = do_am; Nhiet_Do=ReadTemp(); lenh(0x80); sprintf(str,"Nhiet Do: %2.0f oC ",Nhiet_Do); chuoi(str); lenh(0xc0);sprintf(str, "Do Am: %d %%", hum); chuoi(str); delay(500); } } 34 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung CHƢƠNG CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 3.1 Các bƣớc chuẩn bị, thực chung 3.1.1 Chuẩn bị  Phầm mềm mô proteus  Bo test, dây cắm  Fip đồng  Máy hàn thiếc, thiếc hàn  Linh kiện điện tử với thông số theo mạch nguyên lý gồm: Cục nguồn – 12V, pin 9V, cầu chì, chíp, tụ điện (tụ gốm, tụ hóa), điện trở, thạch anh, nút bấm, đèn led, hình lcd, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, chân đế & IC555, Jum cắm, chân đế & chip 89S52, số linh kiện cho khối mở rộng  Mạch nạp SPI  Phần mền nạp chíp Progisp 3.1.2 Thực chung  Mơ  Chạy bo test  Làm mạch, hàn linh kiện, chạy thực tế 3.2 Mô thiết bị phần mềm Để tiện quan sát nạp thử nghiệm code chương trình ta xây dựng mạch mơ Mạch mô hoạt động gần mạch thực tế (lý tưởng), lập trình ta cần đổ chương trình vào mạch mơ trước để biết code ta lập trình chạy hay sai tiện lợi sửa Sau ta nạp code vào mạch bên ngồi Điều tránh việc phải xóa – nạp liên tục chip chương trình sai chưa yêu cầu Sử dụng phần mềm Proteus để để vẽ chạy mạch mô dựa sơ đồ nguyên lý (hình 2.9) 35 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Hình 3.1 Mạch mô đo nhiệt độ, độ ẩm 3.3 Chạy bo test Khi mạch mô hoạt động theo yêu cầu ta làm mạch, hàn linh kiện chạy thiết bị thực tế Nhưng để đảm bảo lần tính ổn định linh kiện điện tử không bị lỗi ta thử nghiệm bo test trước Cắm linh kiện bo test dựa theo sơ đồ nguyên lý (hình 2.9), sử dụng phần mềm nạp Progisp (hình 3.3) để nạp code lập trình cho chíp Hình 3.2 Mạch nạp Sơ đồ mắc mạch khối nạp SPI cho 8051 Sau nạp chương trình cho chíp bo mạch test không hoạt động hoạt động không theo yêu cầu ta cần kiểm tra lại chân cắm, linh kiện mạch test hoạt động bình thường theo yêu cầu ta thực bước – chế tạo điều khiển gán chương trình lập trình 36 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung 3.4 Chế tạo điều khiển gán chƣơng trình lập trình  Từ mạch in thiết kế phần mềm altium (hình 2.10) ta làm mạch in thực tế fip đồng phương pháp ủi mạch – ăn mịn hóa học phương pháp film cảm quang  Sau có mạch in thực tế, sử dụng máy hàn thiếc hàn để hàn, lắp đặt linh kiện điện vào mạch in vị trí theo thiết kế ban đầu (thiết kế mạch in hình 2.10 – 2.11) Chú ý nên sử dụng linh kiện cắm bo test trước để đảm bảo tính ổn định đảm phần trăm thành công cao  Nạp chương trình: chương trình lập trình tạo file hex – file mã hóa để chíp đọc File hex file ta đổ vào mạch mơ phỏng, mạch bo test, dùng chip nạp bo test khơng cần nạp lại chươn trình Hình 3.3 Giao diện phần mềm nạp chíp progisp 37 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung 3.5 Kết  Kết ta thu thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm thực tế Hình 3.4.Thiết bị thực tế trước đóng hộp Hình 3.5 Thiết bị chạy hồn thành 38 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu lý thuyết đến thực tiễn với hướng dẫn tận tình Đinh Hải Lĩnh thầy Nguyễn Thành Trung môn kỹ thuật điện & tự động hóa khoa Cơ Điện & Cơng Trình tơi hoàn thành sản phẩm, thiết bị đo nhiệt độ độ ẩm, sở cho thiết bị điều khiển nhiệt độ, độ ẩm mà sống sử dụng hàng ngày Sản phẩm kết ứng dụng thành công vi điều khiển 8051 vào q trình phân tích xử lý tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm nhận từ cảm biến để thị hình giúp ta quan sát xử lý thuận tiện Trong phạm vi đề tài, cố gắng nâng cấp thiết bị thông qua hai khối mở rộng thiết kế làm đề tài, thiết bị truyền thơng hiển thị lên máy tính đóng ngắt nguồn nhiệt – nước tự động theo nhiệt độ độ ẩm theo yêu cầu 39 Sinh viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung Tài liệu tham khảo Tiêu Kim Cương, Giáo Trình Ngơn Ngữ Lập Trình C, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2010 GS Phạm Văn Ất, Kỹ Thuật Lập Trình C sở nâng cao, Nhà xuất Giao thông vận tải Hà Nội, 2006 Trang web thao khảo http://www.hocavr.com http://www.codientu.org http://www.alldatasheet.com http://www.dientuvietnam.net 40 ... Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm thiết kế để nhận biết nhiệt độ độ ẩm tín hiệu số từ tín hiệu tương tự thông qua cảm biến (sensor) HS1101 DS18B20 1.2.1 Cảm biến đo độ ẩm. .. viên: Mạc Văn Sơn GVHD: ThS Đinh Hải Lĩnh KS Nguyễn Thành Trung CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ 2.1 Các yêu cầu, tính đo nhiệt độ, độ ẩm 2.1.1 Yêu cầu thiết bị  Đo nhiệt độ, . .. biến đo nhiệt độ DS18B20 23 CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ 27 2.1 Các yêu cầu, tính đo nhiệt độ, độ ẩm 27 2.1.1 Yêu cầu thiết bị 27 2.1.2 Tính thiết