IOT giám sát các thông số môi trường. Thiết kế mạch đo tốc độ gió, hướng gió, đo nhiệt độ, độ ẩm và báo mưa gửi dữ liệu qua WIFI lên server và hiển thị trên smartphone. Về phần cứng bao gồm khối xử lý trung tâm module Wifi ESP8266 v07, khối đo nhiệt độ, độ ẩm module DHT11, cảnh báo mưa bằng module cảm biến mưa, đo tốc độ gió sử dụng module cảm biến Hall, đo hướng gió sử dụng module thu phát hồng ngoại. Thiết kế phần mềm: giao thức mạng, lưu đồ thuật toán, chương trình chạy trên trình biên dịch Arduino IDE.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO ĐỒ ÁN Đề tài: Thiết kế mạch đo tốc độ gió, hướng gió, đo nhiệt độ, độ ẩm báo mưa gửi liệu qua WiFi lên server hiển thị smartphone Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực MSSV Hà Nội, tháng 11 năm 2018 MỤC LỤC Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ loại cảm biến 1.2.2 Các phương pháp đo độ ẩm loại cảm biến 1.2.3 Phương pháp đo hướng gió 1.2.4 Phương pháp đo tốc độ gió 1.2.5 Công nghệ truyền thông không dây Wi-Fi 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ 12 2.1 Thiết kế phần cứng linh kiện điện tử sử dụng 12 2.1.1 Khối xử lý trung tâm -Module WiFi ESP8266 v07 13 2.1.2 Khối đo nhiệt độ, độ ẩm - module DHT11 14 2.1.3 Cảnh báo mưa module cảm biến mưa 17 2.1.4 Đo tốc độ gió sử dụng module cảm biến Hall 19 2.1.5 Đo hướng gió sử dụng module thu phát hồng ngoại 21 2.2 Thiết kế phần mềm 25 2.2.1 Giao thức mạng 25 2.2.2 Lưu đồ thuật tốn 26 2.2.3 Chương trình chạy trình biên dịch Arduino IDE 27 Chương 3: TỔNG KẾT 35 3.1 Kết thử nghiệm 35 3.2 Kết luận 35 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Đường cong đặc trưng cho phụ thuộc điện trở với độ ẩm tương đối a.Sự phụ thuộc điện trở vào độ ẩm b Mạch đo Hình 2.1: Sơ đồ thực việc truyền nhận liệu thiết bị 12 Hình 2.2: ESP8266 13 Hình 2.3: DHT11 14 Hình 2.4: Sơ đồ nối kết nối MCU với DHT11 15 Hình 2.5: Giao tiếp 1-wire MCU DHT11 15 Hình 2.6: MCU gửi tín hiệu giao tiếp đến DHT11 16 Hình 2.7: Dữ liệu trả từ DHT11 17 Hình 2.8: Cảm biến mưa 17 Hình 2.9: Sơ đồ ngun lí module cảm biến mưa 18 Hình 2.10: Mơ hình máy đo tốc độ gió 19 Hình 2.11: Hiệu ứng Hall 19 Hình 2.12: Module cảm biến Hall 20 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến Hall phát từ trường 20 Hình 2.14: Mạch ngun lí cảm biến hall 21 Hình 2.15: Mơ hình máy đo hướng gió 21 Hình 2.16: Đĩa gray mã hóa 22 Hình 2.17: Nguyên lý thu phát mắt hồng ngoại 22 Hình 2.18: Module thu phát hồng ngoại 23 Hình 2.19: LM339 gồm so sánh điện áp độc lập 24 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, kỹ thuật vi điều khiển trở nên quen thuộc ngành kỹ thuật dân dụng Các vi điều khiển có khả xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà cần chip vi mạch nhỏ, thay tủ điều khiển lớn phức tạp mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng Cùng với phát triển công nghệ, kỹ thuật cảm biến ngày ứng dụng rộng rãi thiếu dây chuyền sản xuất tự động hóa, bán tự động Hiện cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giá thành tốt nên ứng dụng hầu hết thiết bị điện tử Với phát triển nhanh chóng không ngừng khoa học kỹ thuật, đặc biệt việc ứng dụng công nghệ mới, kỹ thuật vi mạch ngày phổ biến sống, với lĩnh vực, phục vụ cho sống người ngày tốt Một ứng dụng lĩnh vực xây dựng nhiều người quan tâm đến tạo thiết bị cảm biến mơi trường giúp cho người ứng dụng vào công việc, dự án yêu cầu thông tin, điều kiện môi trường Xuất phát từ ý tưởng gợi ý thầy Hồng Sỹ Hồng, nhóm em định chọn đề tài “Thiết kế mạch đo tốc độ gió, hướng gió, đo nhiệt độ, độ ẩm báo mưa gửi liệu qua WiFi lên server hiển thị smartphone” làm đề tài Đồ án cho nhóm Trong q trình thực đề tài, cịn nhiều thiếu sót kiến thức hạn chế nội dung trình bày báo cáo cố gắng tìm hiểu thành nhóm đạt Mong nhận nhiều góp ý từ thầy bạn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển mạnh Ứng dụng khoa học - kỹ thuật t rong đo lường ngày sử dụng rộng rãi độ xác hiệu có đem lại cao Bộ cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay q trình vật lý hay hóa học môi trường cần khảo sát, biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tin trạng thái hay q trình Thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng môi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thơng tin, hay điều khiển q trình khác Vi điều khiển, thực chất, hệ thống bao gồm vi xử lý có hiệu suất đủ dùng giá thành thấp kết hợp khối ngoại vi dùng để giao tiếp điều khiển thiết bị điện tử, cảm biến, … Với đề tài “Thiết kế mạch đo tốc độ gió, hướng gió, đo nhiệt độ, độ ẩm báo mưa gửi liệu qua wifi lên server hiển thị smartphone”, yêu cầu đặt là: + Vị trí: Thiết bị đặt trời (khoảng sân sau C2) + Nguồn: Sử dụng nguồn pin sạc, pin lắp trực tiếp vào thiết bị, tháo rời để sạc + Nhiệt độ: Dải nhiệt độ đo trời từ – 50°C, dùng để đo nhiệt độ khơng khí ngồi sân (khơng cần độ xác cao nên sai số cho phép khoảng ± 2°C) + Độ ẩm: Dải độ ẩm tương đối đo trời: từ - 100% RH dùng để đo độ ẩm khơng khí ngồi sân (khơng cần độ xác cao nên sai số cho phép ±5%RH) + Mưa: phát báo cáo việc xuất mưa khu vực đặt cảm biến + Tốc độ gió, hướng gió: Thơng báo tình hình tốc độ gió hướng gió + Hiển thị: Thiết bị sử dụng WiFi phòng thí nghiệm để gửi liệu thơng qua web server, từ hiển thị điện thoại đâu truy cập Internet Từ đó, phải chọn thiết bị phương pháp thiết kế phù hợp với yêu cầu vànăng lực chúng em 1.2 Cơ sở lý thuyết 1.2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ loại cảm biến Cảm biến nhiệt độ "Temperature Sensor" thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,…các đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện Ví dụ nhiệt độ tín hiệu khơng điện, qua cảm biến trở thành dạng tín hiệu khác (điện áp, điện trở…) Sau phận xử lí trung tâm thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp để xử lí a, Cặp nhiệt điện (Thermocouple) - Cấu tạo: Gồm chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính đầu - Nguyên lý: Gồm dây kim loại khác hàn dính đầu gọi đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu lại gọi đầu lạnh ( đầu chuẩn ) Khi có chênh lệch nhiệt độ đầu nóng đầu lạnh phát sinh sức điện động V đầu lạnh Đo điện áp đầu r fvr4 fvr4a dựa tỉ lệ điện áp cấp ta đọc giá trị nhiệt độ thang b, Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD) - Cấu tạo RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng đầu đo - Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở hai đầu dây kim loại thay đổi, tùy chất liệu kim loại có độ tuyến tính khoảng nhiệt độ định Tính tốn giá trị điện trở đó, ta đo nhiệt độ c, Điện trở oxit kim loại - Cấu tạo: Làm từ hổn hợp oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… Chúng làm kết hợp hai ba oxit kim loại với oxit kẽm trong số loại Sự kết hợp đưa vào vỏ bọc gốm chất cách điện - Nguyên lý: Thay đổi điện trở nhiệt độ thay đổi - Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ d, Cảm biến nhiệt bán dẫn - Cấu tạo: Làm từ loại chất bán dẫn - Nguyên lý: Sự phân cực chất bán dẫn bị ảnh hưởng nhiệt độ - Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, kiểu IC LM35, LM335, LM45, Nguyên lý chúng nhiệt độ thay đổi cho điện áp thay đổi Điện áp phân áp từ điện áp chuẩn có mạch 1.2.2 Các phương pháp đo độ ẩm loại cảm biến Cảm biến độ ẩm thường chia làm hai loại: Loại thứ dựa tượng vật lý cho phép xác định độ ẩm (ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly) Loại thứ hai dựa tính chất vật có liên quan đến độ ẩm (ẩm kế trở kháng, cảm biến điện dung, nhiệt dẫn) a, Ẩm kế biến thiên trở kháng Ẩm kế biến thiên trở kháng cảm biến điện trở tụ điện mà phần tử nhạy chất hút ẩm Tính chất điện (điện trở, điện dung) cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm môi trường Các cảm biến độ ẩm dựa nguyên lý biến thiên trở kháng phân thành ẩm kế điện trở ẩm kế tụ điện • Ẩm kế điện trở Ẩm kế điện trở thiết bị đo độ ẩm dựa cảm biến điện trở, chúng chia làm hai loại: + Điện trở kim loại: đế có kích thước nhỏ cỡ vài mm2 phủ chất hút ẩm gắn hai điện cực kim loại khơng bị ăn mịn oxy hóa Giá trị điện trở đo hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) vào nhiệt độ chất hút ẩm Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối nhiệt độ + Chất điện phân: chất dẫn điện, điện trở chúng phụ thuộc vào thể tích thể tích thay đổi theo hàm lượng nước Do biến đổi độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện Thực tế, điện trở Rm phụ thuộc đồng thời độ ẩm tương đối nhiệt độ Ảnh hưởng nhiệt độ sử dụng mạch bù hình trên, điện trở RA, RB có hệ số nhiệt αT giống Với cảm biến điện trở sử dụng với dải đo từ 5% đến 95% dải nhiệt độ từ - 100C đến 500C 600C Thời gian hồi đáp cỡ 10 giây sai số ±2 ÷ 5% Hình 1.1: Đường cong đặc trưng cho phụ thuộc điện trở với độ ẩm tương đối a.Sự phụ thuộc điện trở vào độ ẩm b Mạch đo • Ẩm kế tụ điện Giả sử tụ điện hai cực khơng khí coi cảm biến đo độ ẩm ẩm không khí làm thay đổi số điện mơi biểu diễn theo công thức: s=1+ 211 T (P + 48Pbh T U) 10–6 Trong T nhiệt độ tuyệt đối (0K); P áp suất khí ẩm (mmHg); Pbh: áp suất bão hòa nhiệt độ T (mmHg); U độ ẩm tương đối (%) Từ công thức trên, nhận thấy số điện môi khí ẩm tức điện dung tụ tỷ lệ với độ ẩm tương đối Nếu thay đổi không khí chất điện mơi khác hai cực tụ điện tạo cảm biến đo độ ẩm b, Ẩm kế hấp thụ Nguyên lý làm việc ẩm kế hấp thục dựa hấp thụ nước số chất Clorua Liti Anhidrit Photphoric Các chất trạng thái khô điện trở chúng cao, lúc hút ẩm nước môi trường xung quanh, điện trở giảm cách đáng kể qua xác định độ ẩm môi trường cần đo Q trình đo độ ẩm cách nung nóng dung dịch muối chứa ẩm kế áp suất bão hịa phía dung dịch áp suất mơi trường khơng khí bình thường Từ nhiệt độ xác định áp suất nhiệt độ hóa sương Thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa cho nhiệt độ cho trước, áp suất nhỏ tốt c, Ẩm kế quang Nhiệt độ hóa sương TS nhiệt độ cần phải làm lạnh khơng khí ẩm xuống tới để đạt trạng thái bão hịa Đó nhiệt độ để cho áp suất Ph áp suất bão hòa Pbh (T) Tại nhiệt độ độ ẩm tuyệt đối xác định từ nhiệt độ trình đo với áp suất biết trước Từ nguyên lý thấy nguyên lý hoạt động ẩm kế quang sử dụng gương phản chiếu mà nhiệt độ bề mặt điều chỉnh xác nhờ thiết bị điện cung cấp nhiệt độ Nhiệt độ gương điều chỉnh ngưỡng TS Khơng khí cần đo độ ẩm dẫn qua bề mặt gương hệ thống điều khiển làm lạnh gương (dựa hiệu ứng Peltier nito lỏng) xuất ngưng tụ Khi xuất lớp sương bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang kích thích phát tín hiệu làm nóng gương thông qua hệ điều khiển Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến chấm dứt tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ sau làm lạnh lại bắt đầu Với hiệu chỉnh thích hợp nhận lớp ngưng tụ với độ dày xác định tạo trạng thái cân nước lớp ngưng tụ Cảm biến nhiệt độ đặt sau gương cho phép xác định điều chỉnh nhiệt độ gương 1.2.3 Phương pháp đo hướng gió Ngun lí: thực chất đo góc lệch hướng gió thổi so với hướng Bắc Thực tế, thường áp dụng phương pháp để đo góc lệch: sử dụng cảm biến quang (optical encoder) biến trở (potention meter) 1.2.4 Phương pháp đo tốc độ gió Để đo tốc độ gió, người ta sử dụng dụng cụ gọi Anemometer – Máy đo gió Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, anemos có nghĩa gió đề cập đến cơng cụ sử dụng để đo vận tốc gió Một số loại máy đo gió trình bày a, Pitot Anemometer (Máy đo gió sử dụng ống Pitot) Ống Pitot phương pháp cổ điển để đo tốc đô máy bay, môt công cụ đơn giản sử dụng để đo tốc độ gió Dụng cụ bao gồm ống pitot đơn giản hệ thống đo áp suất Nó hoạt động dựa nguyên tắc phân tử không khí chuyển động vào lỗ hổng pitot tạo áp suất động tỷ lệ với vận tốc phân tử khơng khí ống b, Hot-wire Anemometer (Phong tốc kế dây nhiệt) Một phong tốc kế dây nhiệt sử dụng dây nhỏ (chỉ vài micromet) làm nóng lên (bằng điện) cao so với nhiệt độ mơi trường xung quanh vài độ Khơng khí thổi qua dây nóng có tác dụng làm mát dây Do điện trở điện hầu hết kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ kim loại (vonfram lựa chọn phổ biến cho dây nóng), nên đạt thiết lập quan hệ điện trở dây tốc độ dịng chảy khơng khí c, Acoustic Anemometer (Máy đo gió siêu âm) Cảm biến khơng có phận chuyển động Cách xác định tốc độ gió sau: xung siêu âm phát biến đổi, nhận máy dị gần tính tốn thời gian chuyển nhận Sau đó, đo thời gian chuyển ngược lại trả Trong trường hợp khơng có gió, hai khoảng thời gian nhau; có gió, thành phần gió dọc theo hướng máy phát máy thu ảnh hưởng đến thời gian vận chuyển, từ xác định tốc độ gió d, Rotational Anemometer Loại máy đo gió dùng phổ biến phép đo khí tượng May đo gió bao gồm cối xay gió, cánh quạt, ba chén hình bán cầu kèm theo trục quay ngang Các phân tử khơng khí di chuyển va chạm với máy đo gió này, tạo lực tác dụng lên chén cánh quạt làm chúng quay quanh trục Vận tốc gió tỉ lệ với tốc độ quay trục quay Từ tốc độ quay trục quay, ta tính tốc độ gió Loại máy đo gió chia thành loại: máy đo gió hình chén máy đo gió dạng cối xay gió 1.2.5 Công nghệ truyền thông không dây Wi-Fi Wi-Fi viết tắt từ Wireless Fidelity hay mạng 802.11 hệ thống mạng khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến, giống điện thoại di động, truyền hình radio để truyền tin qua mạng Tín hiệu tương tự truyền qua anten, tới giải mã gọi định tuyến Sau giải mã, liệu gửi đến Internet thơng qua kết nối 10 Hình 2.16: Đĩa gray mã hóa Trên thành trục gắn cảm biến IR (cảm biến hồng ngoại) tương ứng với mắt phát có mắt thu Mắt phát hồng ngoại phát sóng ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, mắt thu bình thường có nội trở lớn (khoảng vài trăm kilo Ôm), mắt thu bị tia hồng ngoại chiếu vào nội trở giảm xuống (khoảng vài chục ơm) Hình sau biểu diễn nguyên lý hoạt động cảm biến phát vật cản IR Hình 2.17: Nguyên lý thu phát mắt hồng ngoại Từ hình ta thấy, sóng hồng ngoại chiếu vào bề mặt màu trắng sóng bị phản xạ lại mắt thu tiếp nhận Khi sóng chiếu vào bề mặt màu đen sóng bị hấp thụ Vi điều khiển đọc giá trị nhận từ mắt dịch thành mã Ứng với mã ta xác định hướng tương ứng với hướng lập trình (với dãy mắt đọc hồng ngoại hướng hướng Bắc) 22 b, Mạch điện tử - cảm biến hồng ngoại • Các linh kiện có module: + IC so sánh LM339 + triết áp 10K + điot phát quang : D1,D2,D3,D4,D5 + điện trở 1K, điện trở 10K + tụ C 104uF + nhóm cổng: P1,P2,P3,P4,P5 + cặp led thu- phát hồng ngoại với góc thu-phát cặp 35 độ • Sơ đồ nguyên lý: - Hình 2.18: Module thu phát hồng ngoại Thông số kỹ thuật cách điều chỉnh: + Độ nhạy sáng cảm biến điều chỉnh triết áp + Khoảng cách phát từ 2-60cm +Nhiệt độ hoạt động : -10 độ C - 50 độ C 23 • Ngun lý hoạt động: Hình 2.19: LM339 gồm so sánh điện áp độc lập - - Nguyên lý hoạt động phần tử so sánh OP-AMP: + Nếu V+ > V- Vout =1 ( V- điều chỉnh triết áp) + Nếu V+ < V- Vout =0 Nguyên lý hoạt động module: + Đầu tiên, led phát phát tia hồng ngoại với tần số định , phát có vật cản ( mặt phản xạ) hướng truyền,tia hồng ngoại phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, led thu hồng ngoại làm thay đổi điện áp vào chân so sánh IC LM339( V+