a, Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 (Temperature Humidity Sensor) là cảm biến tương tự, rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.
22
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 5 bước: Bước 1: Gửi tín hiệu Start
Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte. Trong đó: Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%).
Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%). Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC). Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC). Byte 5: Kiểm tra tổng.
Đọc dữ liệu:
Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa.
Đọc dữ liệu:
Sau khi gia tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5byte kết quả của nhiệt độ và độ ẩm.
b, Hệ thống điều khiển qua App với Kit thu phát ESP8266
Kit RF thu phát wifi ESP8266 CP2102 là kit phát triển dựa trên nền tảng chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và dùng trực tiếp trình biên dịch từ Arduino. Chip có thể thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng wifi, giúp người sử dụng có thể thuận tiện hơn trong việc điều khiển thiết bị.
Thông số kĩ thuật:
- IC chính: ESP8266
- Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU.
- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
23
- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
- Kích thước: 25 x 50 mm
Sơ đồ chân:
Hình 2.18 Sơ đồ chân Kit Wifi Esp8266
2.3.2 Hệ thống điều khiển
a, Bộ xử lý trung tâm
Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip Atmega328 được phát triển bởi Arduino.cc.Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào, đầu ra digital và analog có thể giao tiếp với các bảng mạch hở rộng khác nhau.
24
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO.
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các
thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy chúng ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các cổng vào ra: Arduino Uno có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển Atemega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite (). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
25
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino Uno có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, Led sẽ sáng.
b, Giới thiệu về Matlap & Simulink 1, Giới thiệu Matlab:
Matlab là phần mềm dùng để giải một loạt các bài toán kĩ thuật, đặc biệt là các bài toán liên quan đến ma trận. Matlab cung cấp các toolboxes, tức các hàm mở rộng môi trường Matlab để giải quyết các vấn đề đặc biệt như xử lý tí hiệu số, hệ thống điều khiển, mạng neuron, fuzzy logic, mô phỏng,...
Hình 2.20 Giao diện phần mềm Matlab
Sau khi khởi động Matlab ta được cửa sổ như hình 2.24 bao gồm:
- Cửa sổ command window: Là cửa sổ làm việc chính của matlab.
- Cửa sổ current folder: Là nơi lưu các thư mục làm việc đã lưu.
- Cửa sổ command History: là nơi lưu lịch sử làm việc.
26
Simulink là phần mềm mở rộng của matlab(1 toolbook của Matlab) dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống DSP, hệ thống thông tin và các hệ thống mô phỏng khác.
Để khởi động simulink ta click chuột trái vào biểu tượng Simulink Library từ thanh công cụ của Matlab hoặc nhập lệnh Simulink vào cửa sổ lệnh command window.
Hình 2.21 Giao diện cửa sổ thư viện Simulink
Tổng quát, Simulink là một phần mềm sử dụng cho việc mô hình hóa, mô phỏng và phân tích hệ thống động. Nó hỗ trợ cả hai hệ thống phi tuyến và tuyến tính, mô phỏng trong khoảng thời gian liên tục, các khoảng thời gian lấy mẫu. Mô hình có thể được mô phỏng bằng các phương pháp phân tích mô hình từ các menu của Simulink hoặc từ cửa sổ lệnh của Matlab. Có thể sử dụng đồng hồ đo, dao động kí hoặc các khối hiển thị kết quả để lấy kết quả mô phỏng. Từ đó có thể thay đổi các thông số của hệ thống để được kết quả như ý muốn. Sau đó các kết quả mô phỏng có thể được đưa vào vùng làm việc của Matlab để xử lý tiếp. Ngoài ra để phục vụ cho việc mô phỏng các hệ thống khác nhau trên máy tính, Matlab được tích một công cụ toolbox với nhiều mô hình dành cho
27
việc mô phỏng các hệ thống khác nhau như: Xử lý tín hiệu số, hệ thống tự động điều khiển, hệ thống điện, mạng neuron, hệ thống suy luận mờ,...
3, Giới thiệu Fuzzy Logic Toolbox:
Fuzzy Logic Toolbox là tập hợp những hàm xây dựng trong môi trường tính toán số của Matlab. Nó cung cấp nhiều công cụ hữu ích cho người sử dụng để tạo và soạn thảo hệ thống suy luận mờ (FIS) trong command Windown của Matlab hoặc chúng có thể xây dựng riêng bằng ngôn ngữ lập trình mà gọi các hệ thống mờ trong Fuzzy Logic Toolbox. Người sửa dụng có thể làm việc bằng các lệnh đó, những Toolbox này thiên về những công cụ giao diện đồ họa (GUI) để giúp người sử dụng hoàn tất công việc một cách dễ dàng hơn.
Hình 2.22 Giao diện Fuzzy Logic Toolbox
2.3.3 Mối tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm
Trên thế giới có nhiều kiểu khí hậu khác nhau, do đó cũng có sự phân chia rất lớn giữa các yêu cầu, sở thích riêng về môi trường sống tương quan của mỗi người. Từ các yêu cầu thực tiễn các nghiên cứu khoa học thực tế đã đưa ra các điều kiện môi trường phù hợp cho đại đa số con người, thú nuôi trong nhà cũng như bảo vệ an toàn đối với các loại vật dụng thiết yếu.
28 a, Sự tương quan nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường
Độ ẩm cực đại có thể chứa trong không khí phụ thuộc vàonhiệt độ củakhông khí.
Nhiệt độ càng thấp, khả năng lưu trữ nước của không khí càng thấp và ngược lại, khi nhiệt độ tăng lên, không khí có thể chứa nhiều nước hơn.
Bảng 2.1 Sự tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm môi trường
Nhiệt độ (°C) Độ ẩm cực đại (g/m3) 0 4.48 5 6.8 8 8.3 10 9.4 15 12.8 20 17.3 23 20.6 25 23 27 25.81 28 27.2 30 30.29
Từ bảng trên chúng ta có thể thấy lượng hơi nước tối đa mà không khí có thể chứa được phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ. Do vậy, cùng một độ ẩm tương đối, nhưng nhiệt độ khác nhau thì lượng ẩm trong không khí khác nhau. Giả sử tại 20°C độ ẩm 50% có 8.65 g/m3 hơi nước thì tại 30°C độ ẩm 50% chứa đến 15.145 g/m3 hơi nước.
29
b, Mối liên hệ giữa nhiệt độ và độ ẩm môi trường đến cơ thể con người
Trong môi trường nhà ở và làm việc, nhiệt độ và độ ẩm có tác động rất lớn đến sức khỏe và sức lao động. Khi độ ẩm và nhiệt độ trong không khí ở một mức độ thích hợp thì rất có lợi cho sức khỏe của con người nhưng khi độ ẩm lên quá cao thì lại gây hại cho sức khỏe.
Mặc dù độ ẩm cực đại của không khí có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ môi trường tại nơi đó, tuy nhiên, lượng nước thực tế mà không khí chứa còn phụ thuộc rất nhiều vào kiểu khí hậu, địa hình, vị trí tiếp giáp với biển... Nên khi xét đến cảm giác của con người về độ ẩm, chúng ta xét đến độ ẩm tương đối của không khí (từ 0-100%).
Khi thời tiết có độ ẩm lên tới 90% thì xuất hiện hiện tượng nồm. Ở trong điều kiện độ ẩm đó sẽ tăng cao nguy cơ các bệnh khớp, hen suyễn, ho, đau đầu và một số căn bệnh mãn tính của người cao tuổi… Việc độ ẩm trong không khí cao sẽ ngăn cản quá trình bài tiết qua da, các lỗ chân lông không thoát ra gây mệt mỏi, khó chịu.
Nếu độ ẩm thời tiết khoảng 80-90% đó chính là điều kiện thích hợp nhất để nấm mốc, vi khuẩn…phát triển mạnh. Ảnh hưởng đến sức khỏe của con người cũng như làm giảm chất lượng của vật dụng trong gia đình như đồ gỗ, đồ điện tử, kim loại, kính…
Độ ẩm thấp hơn 40% sẽ gây ra hiện tượng khô da, nứt nẻ và giảm sức đề kháng cơ thể. Không khí quá khô gây ra khó chịu mệt mỏi, ngủ không ngon giấc...
30
Cơ thể chúng ta có một thân nhiệt cố định xung quanh ngưỡng 37 độ C. Và chúng ta luôn phải giữ nhiệt độ trong khoảng này để các phản ứng sinh học trong cơ thể mình diễn ra bình thường. Trong mùa hè, khi nhiệt độ trở nên quá nóng, cơ thể phải tự làm mát nó xuống theo 4 cơ chế: dẫn truyền nhiệt, đối lưu, bốc hơi và bức xạ. Trong đó, bức xạ chiếm 65% tỉ lệ cân bằng nhiệt nhưng vào mùa đông, còn mùa hè cơ chế bay hơi lại chiếm tối đa tỉ lệ, cơ thể đổ mồ hôi, chúng đọng lại trên da rồi bay đi làm mát cơ thể.
Khi tới mùa nóng, thời tiết khí hậu khô, mồ hôi trên da bay đi dễ dàng, giúp phát nhiệt dễ dàng, nhưng khi thời tiết khí hậu ẩm, mồ hôi không bay hơi ngay được, chúng sẽ vô tình tạo nên bức màng ngăn cách cơ thể với môi trường, giữ nhiệt khiến cơ thể cảm thấy oi bức, khó chịu. Đó là lí do tại sao con người có thể chịu được mức nhiệt 46°C tương ứng 10% độ ẩm mà giảm xuống 32°C với 70% độ ẩm.
Độ ẩm lí tưởng cho con người là khoảng 40-65%, vùng độ ẩm này là điều kiện cho cơ thể vừa có thể bài tiết vừa có thể thư giãn mà không bị khô nẻ, khó chịu. Hơn nữa, đây cũng là điều kiện tốt để cho thú cưng, thiết bị trong nhà tránh vi khuẩn, nấm mốc, hỏng hóc.
Tương quan với đó là mức nhiệt độ từ 25-28°C, chênh lệch môi trường ngoài từ 5- 7°C, đây là mức nhiệt mà cơ thể thoải mái dễ chịu nhất, cả đối với trẻ sơ sinh. Ở nhiệt độ này, các cơ quan bài tiết mồ hôi không phải hoạt động nhiều, không gây mất nước cũng không gây sốc nhiệt, tạo ra sự sảng khoái khi cảm nhận.
Căn cứ vào các luận điểm trên và áp dụng vào điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa Việt Nam, nhóm đồ án sử dụng vùng nhiệt độ lí tưởng để thiết lập thông số điều khiển cho đầu ra của mô hình quạt thông minh với nhiệt độ đầu vào trong khoảng[20°C - 30°C] và độ ẩm trong khoảng [40% - 70%] . Từ đó có thể xác định các biến vào ra và xây dựng luật hợp thành cho bộ điều khiển mờ, thiết kế luật điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển.
31
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH QUẠT ĐIỆN
THÔNG MINH
3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
Hệ thống quạt dùng để nghiên cứu là quạt điều hòa hơi nước HongXin:
32 Sơ đồ tổng quan:
Hình 3.2 Tổng quan quạt điều hòa HongXin
Sơ đồ tổng quan các khối điều khiển và hoạt động:
33
Tính chọn thông số kĩ thuật cho động cơ và chi tiết cơ khí: a, Động cơ quạt
Phần động cơ của quạt và động cơ bơm nước sẽ được nghiên cứu để điều khiển thay đổi tốc độ tạo gió và phun sương. Động cơ quạt có khả năng cung cấp lưu lượng gió trung bình đến 230 m3/h.
Tốc độ gió tiêu chuẩn đạt được:
V = L / S = 0.064 / 0.06 = 1.064 (m/s) (3.1)
Trong đó:
V: Vận tốc gió (m/s) L: Lưu lượng quạt (m3/s) S: Tiết diện miệng quạt (m2)
Tốc độ gió tiêu chuẩn đáp ứng yêu cầu về diện tích làm mát từ 10-15m2 cho đa số
phòng ngủ, phòng khách của các hộ gia đình. Chọn tụ khỏi động:
Từ công thức tính dòng điện trên động cơ:
I=P/ (Ucos𝜑) = 18 / (220 x 0.8) = 0.1023 (A) (3.2)
Trong đó:
P: Công suất định mức động cơ (W) U: Điện áp định mức (V)
I: Dòng điện định mức (A) cos𝜑: Hệ số công suất (0.8 ~ 1)
Suy ra:
P= UIcos𝜑 = 220 x 0.8 x I = 18 (W) (3.3)
Tụ có giá trị là:
C= (KI) / (Ucos𝜑) = (1000 x 0.1023) / (220 x 0.8) = 0.5813 ( 𝜇F) (3.4)
34
Hình 3.4 Động cơ quạt điều hòa HongXin
Thông số động cơ quạt: - Công suất 18w
- Tụ điện 1.5𝜇F/220V
- Tần số 50-60Hz b, Động cơ bơm nước
Động cơ bơm nước là động cơ cung cấp nước lên cho ngăn tản nhiệt. Theo yêu cầu đặt ra về độ cao đạt đến phải ngang bằng độ cao của hệ thống quạt nghiên cứu (0.7 m) và lưu lượng từ 90 L/h cung cấp lượng nước cần thiết cho 1 tấm làm mát có thông số kĩ thuật:
- 1 tấm có kích thước: 20 – 30 – 2.5 cm
Thể tích cần phủ nước là:
35
Hình 3.5 Động cơ máy bơm nước module DHY-16
Thông số động cơ máy bơm: - Nguồn: 220V AC
- Công suất: 3W
- Độ cao phun nước: 0.8m - Lưu lượng: 220 L/H Tốc độ cực đại:
V= (3000 x 180 / π) / 180 = 478 vòng/phút (3.6)
Lưu lượng nước này vừa đủ để làm mát mà không gây ẩm thấp cục bộ cho căn