Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu và triển khai xây dựng một hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu trên cơ sở sử dụng các cảm biến đầu ra số ghép nối với một vi điều khiển và kết nối với máy tính làm Server. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, tháng 12 năm 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Thị Minh Phương XÂY DỰNG HỆ ĐO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG ĐA TÍN HIỆU Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60.44.01.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐỖ TRUNG KIÊN Hà Nội - Năm 2014
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc và lòng biết ơn trân thành tới TS. Đỗ Trung Kiên, thầy đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin gửi lời cảm ơn trân thànhđến các thầy cô trong khoa Vật lý, bộ môn Vật lý vô tuyến và điện tử trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội, các thầy cô đã giúp đỡ và chỉ bảo cho em trong suốt thời gian học tập tại Trường. Em cũng xin cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài nhóm B - Đại học Quốc gia Hà nội QG.12.02. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới gia đình, bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn. Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn. Một lần nữa, em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên: Trần Thị Minh Phương
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................. 3 1.1. Hệ thiết bị đo lường ....................................................................................... 3 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger) ................................................................... 4 1.2.1. Giới thiệu ................................................................................................ 4 1.2.2. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu. ........................................ 5 1.2.3. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay ......................................................... 6 1.3. Thu thập số liệu thông qua webserver ............................................................ 7 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................... 9 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến............................................................. 9 2.1.1. Đo độ ẩm. ................................................................................................... 9 a) Giới thiệu: ..................................................................................................... 9 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................... 10 2.1.2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ................................................................. 14 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 14 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................. 14 2.1.3. Đo nồng độ khí CO2 .............................................................................. 15 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 15 b) Lựa chọn cảm biến ................................................................................... 16 2.1.4. Cảm biến âm thanh ............................................................................... 18 a) Giới thiệu: ................................................................................................ 18 b) Lựa chọn cảm biến: .................................................................................. 19 2.2. Vi điều khiển: ........................................................................................... 20 a) Giới thiệu về vi điều khiển ....................................................................... 20 b) Giới thiệu về vi điều khiển PIC ................................................................ 21 c) Về vi điều khiển PIC 16F887A ................................................................. 22 2.3. Các thành phần khác trong mạch: ............................................................. 23
2.3.1. Bộ nguồn ........................................................................................... 23 2.3.2. IC thời gian thực RTC DS1307 .......................................................... 23 2.4. Truyền, nhận dữ liệu đo ............................................................................ 26 2.5. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server: ......................................................... 27 2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu ...................................... 29 2.6.1. Mạch mô phỏng của hệ đo: ................................................................ 29 2.6.2. Xây dựng thuật toán cho hệ đo:.......................................................... 31 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....................................................... 32 3.1 Kết quả xây dựng hệ đo ................................................................................ 32 3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo.................................................................. 33 3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server. ............................................................. 34 3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn........................................................ 36 3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thông .................................................. 36 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 40 Phụ lục .................................................................................................................. 42
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ Trang Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3 Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu 4 Hình 1..3: Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100 6 Hình 2.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11 11 Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11 11 Hình 2.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11 Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11 13 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 13 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13 Hình 2.7: Quá trình gửi bits “1” 14 Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 14 Hình 2.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng 15 Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 15 Hình 2.10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811 16 Hình 2.11: Cấu tạo của cảm biến MG811 17 Hình 2.12: Sự phuh thuộc của cường độ dòng ra và nồng độ CO2 – trong 17 điều kiện môi trường bình thương (nhiệt độ 28oC; độ ẩm 65%) Hình 2.13: Hình ảnh cảm biến MG811 trong mạch mô phỏng 18 Hình 2.14: Hình ảnh của micro trong cảm biến đo âm thanh 19 Hình 2.15: Hình ảnh cảm biến đo âm thanh ghép nối với khuếch đại thuật 20 toán LM386 Hình 2.16: Hình ảnh của vi điều khiển PIC 16F877A 22
Hình vẽ Trang Hình 2.17: Hình ảnh của DS1307 trong mạch mô phỏng 23 Hình 2.18: Sơ đồ khối của DS1307 24 Hình 2.19: Giản đồ thời gian của giao tiếp UART 26 Hình 2.20: Giao diện của phần mềm Herquese. 27 Hình 2.21: Mô hình đặt quyền truy cập dữ liệu 29 Hình 2.22: Sơ đồ khối của hệ đo 30 Hình 3.1: Hình ảnh hệ thống thu thập số 32 Hình 3.2: Hình ảnh chọn chế độ hiển thị số liệu lên LCD và truyền 32 UART Hình 3.3: Hình ảnh truyền dữ liệu đo theo UART vào máy tính. 33 Hình 3.4. Hình ảnh file số liệu ghi nhận từ hệ và lưu trên máy tính 33 Hình 3.5: Số liệu hiển thị qua phần mềm Herquese 34 Hình 3.6: Giao diện của hệ thống quản lý số liệu môi trường qua Lan Server 35 Hình 3.7: Hình ảnh kết quả đo được truy cập từ máy tính trung cùng 35 mạng cục bộ
MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài. Trong những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin(CNTT) đã đưa tự động hóa vào từng ngõ ngách của cuộc sống, tạo ra những thay đổi to lớn trong lao động, sản xuất. Ứng dụng của vi điều khiển, vi xử lý cho phép con người có thể tạo ra những hệ thống hoạt động chính xác, tính ổn định cao, có khả năng làm việc một cách tự động và thông minh hơn, phục vụ cho từng mục đích cụ thể. Với yêu cầu trong thực tế là tại các phòng thí nghiệm, bênh viện, nhà kính trồng cây, …. cần kiểm soát tự động các thông số của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điểm sương, tiếng ồn, nồng độ khí, …) để có thể điều chỉnh cho phù hợp thì việc nghiên cứu, xây dựng hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu là rất quan trọng và cần thiết. Với yêu cầu hệ cần thu thập các thông số môi trường một cách tự động,từ xa với khả năng xử lý, lưu trữ dữ liệu môi trường 24/24 và có thể giám sát qua môi trường Internet thì đã được thương mại hóa, tuy nhiên giá thành của các hệ này còn khá cao. Chính vì vậy, việc nghiên cứu và làm chủ được kỹ thuật cho hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệulà điều cần thiết, phát huy được nội lực trong nước, định hướng sản xuất ra những sản phẩm tự động hóa chất lượng cao, giá cả cạnh tranh. Với mục đích đó, nội dung luận văn tập trung trình bày việc nghiên cứu và triển khai xây dựng một hệ đo các thông số môi trường đa tín hiệu trên cơ sở sử dụng các cảm biến đầu ra số ghép nối với một vi điều khiển và kết nối với máy tính làm Server. 2. Phương pháp nghiên cứu. Để có thể xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, em đã tiến hành khảo sát, phân tích các đặc điểm liên quan đến thông số kỹ thuật của các cảm biến 1
ứng với từng thông số môi trường cần khao sát, các đặc trưng của vi điều khiển, các chuẩn kết nối; ngoài ra để có thể khảo sát, đánh giá phương án thiết kế hệ đó em sử dụng các phần mềm mô phỏng, tính toán thiết kế mạch trước khi thực hiện lắp đặt. Trong luận văn này, các thông số môi trường được xác định và tập trung nghiên cứu bao gồm: nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ khí CO2. Việc khảo sát số liệu và kiểm chứng kết quả thu được được thực hiện và so sánh với các hình thức đo đạt truyền thống. 3. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu. Chương 3:Kết quả thực nghiệm Các kết quả chính của luận văn được chứa đựng trong chương 2 và chương 3.Kết quả luận văn đã thu được biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ CO2 theo thời gian. 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Hệ thiết bị đo lường ờng Việc ệc đo đạc, thu thập xử lý thông tin nói chung chia làm làm ba phần ph chính là đo, thu thập truyền và xử ử lý. Trong đó quá tr trình đo thực chất là việc ệc định llượng các đại lượng vật lý thành ành các con số s và đơn vịị bằng cách thực hiện phép đo bằng dụng cụ đo. Dụng cụ đo thông qua phép đo mà chuyển chuy các đại lượng ợng vật lý cần đo của đối tượng cần đo thành ành các đại đ lượng khác có thông tin định lượng ợng của đại llượng đó tức là có thể hiển thị được ợc hoặc đọc được đ một cách định lượng. Thường ờng ng ngày nay, để thuận lợi cho việc lưu trữ, ữ, truyền thông, xử lý thì các đại lượng ợng cần đo đều chuyển về cái đại lượng ợng điện mang thông tin định llượng của đại lượng ợng cần đo nh như hiệu điện thế hoặc dòng điện. ện. Đại lượng l điện này thuận ận lợi cho việc truyền, llưu trữ, xử lý bằng ằng các thiết bị điện, mạch điện tích t hợp, ợp, với công nghệ điện toán m mà nhân loại đã đạt được rất nhiều thành ành tựu. t Việc thu thập gồm truyền và lưu trữ ữ ng ngày nay thường được thực hiện trên ên cơ sở s điện toán. Việc xử lý thông tin được ợc thực hiện tự động hoàn toàn hoặc ặc tự động một phần thông qua hệ thống ống điện toán, th thường thực hiệu bằng ằng ít nhất một bộ vi xử lý và v một chương trình hoạt động trên ên vi xử x lý đó. Người thực hiện công việc liên ên quan hệ h thống này là xây dựng ựng hệ thống gồm phần cứng và v phần mềm, vận hành hệệ thống, sử dụng và v đánh giá các kết quảả đo. Một hệ thống đo đạc và điều ều khiển tự động có các chức năng đo đạc các đại lượng, l ợng, thông số của đối tượng, truyền thông, lưu ưu trữ, tr xử lý, phân tích đánh giá và còn có thểể đưa đ ra các tín hiệu điều khiển ển phản hồi tự động. Sơ đồ ồ khối của một hệ đo lường l tự động như trên Hình 1.21: Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ đo lường tự động. 3
Tuy nhiên trong luận văn này chỉ đề cập đến bộ thu thập số liệu là hệ thống đo không có phần phản hồi. Nhiệm vụ của bộ thu thập số liệu là đo đạc và lưu trữ, truyền thông số liệu. Và cụ thể hơn và việc thu thập, đo đạc các thông số của môi trường. 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger) 1.2.1. Giới thiệu Bộ thu thập số liệu (Data logger) là thiết bị điện tử có khả năng đo đạc tự động và lưu trữ các số liệu đo được theo thời gian. Do có khả năng tự động đo và lưu trữ số liệu 24/24 giờ nên thiết bị này thường được sử dụng để hỗ trợ đo các đại lượng vật lý mà yêu cầu phải đo ở xa phòng thí nghiệm và thực hiện đo nhiều lần liên tiếp trong một khoảng thời gian dài. Trên thực tế, những đại lượng vật lý thường được đo là những thông tin liên quan đến các thông số của môi trường nghiên cứu như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tốc độ gió, nồng độ khí, cường độ âm, theo các tọa độ GPS,… Nhờ vào thiết bị này mà các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng có được những thông tin chi tiết về sự biến đổi của các đại lượng nghiên cứu cũng như những thay đổi của môi trường. Sơ đồ khối của một bộ thu thập số liệu như trên Hình 1.2: Hình 1.2: Sơ đồ khối bộ thu thập số liệu 4
Trong đó: - Sensor hay còn gọi là các cảm biến (biến tử), được sử dụng để thực hiện quá trình chuyển đổi các đại lượng vật lý không điện thành tín hiệu điện phục vụ cho việc đo đạc các tín hiệu tự động bằng các thiết bị điện tử. - Khối lưu trữ thường là EEPROM, FLASH, thẻ nhớ, ổ cứng di động, … dùng để lưu trữ các số liệu đo đạc được, dung lượng của các bộ nhớ này thường khá lớn so với những bộ nhớ nội của chip vi xử lý, vi điều khiển. - Khối xử lý trực tiếp thực hiện việc đo đạc các tín hiệu điện từ sensor và đưa các số liệu đo được, xử lý tạm thời để đưa thông tin đo được vào trong bộ phận lưu trữ để lưu lại hoặc truyền đi xa. - Ngoài ra khối xử lý còn cung cấp thêm một chuẩn giao tiếp để có thể đưa thông tin ra ngoài cho người sử dụng. Khối xử lý có thể là một hệ vi điều khiển hoặc máy tính cá nhân kết hợp với một số IC chuyên dụng khác. 1.2.2. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu. Các hệ thống thu thập số liệu môi trường thường được đặt ở những nơi xa phòng thí nghiệm, do vậy nó phải có khả năng hoạt động độc lập, lưu trữ số liệu và có giao thức để truyền số liệu vào máy tính. Ngoài ra, thiết bị phải có khả năng sử dụng nguồn DC và tiêu thụ ít năng lượng. Hệ thống được đặt ở xa nên khó có thể có người thường xuyên theo dõi sửa chữa được nên hệ thống phải có độ bền cao, chạy ổn định, tránh được các lỗi thông thường có thể xảy ra làm ảnh hưởng tới việc đo đạc và lưu trữ số liệu. Các kết quả nghiên cứu không thể chỉ dựa trên số liệu đo đạc của một đại lượng mà còn phải dựa trên các yếu tố môi trường khác nữa nên hệ thống phải có khả năng đo đồng thời nhiều đại lượng khác nhau. Các đại lượng đo thường là các đại lượng biến đổi chậm theo thời gian. Bởi nếu không như vậy thì số lượng thông tin đo được sẽ là một khối lượng khổng lồ. Đối với hệ thống thì tần số lấy mẫu là 1 Hz (tương ứng tần số tín hiệu nhỏ hơn 5
0,5Hz - Theo định lý Nyquist) thì khối lượng thông tin cần lưu trữ trong 1 ngày đã là rất lớn. Một số loại data logger hỗ trợ thêm khả năng xử lý thông tin trước khi lưu trữ. Nhờ vậy làm cho số liệu gọn hơn tiết kiệm dung lượng lưu trữ, đồng thời giảm bớt các công đoạn trong quá trình xử lý các số liệu thu thập được. Ngoài ra, một số hệ thống thông minh còn cho phép người sử dụng thay đổi cấu hình thiết bị từ xa (thêm bớt các đại lượng đo, xóa các số liệu cũ,…) cho phù hợp với mục đích của người sử dụng cũng như để tiết kiệm bộ nhớ. 1.2.3. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay Hiện nay, rất nhiều hãng sản xuất thiết bị điện tử và thiết bị khoa học đều nghiên cứu và cho ra đời các bộ thu thập số liệu phục vụ nhiều mục đích khác nhau, nhất là trong công nghiệp. Điển hình là các bộ Data Logger của các hãng nổi tiếng như của Advantech, National Instruments, bộ DVT của Supco, bộ MT100 của DataQ, ICP DAS, Measurement Computing …những hệ này thường dùng để thu thập số liệu về nhiệt độ, độ ẩm và những tham số khác của môi trường (hình 1.3), thông tin được lưu trữ vào thẻ nhớ hoặc truyền vào máy tính thông qua các kết nối USB, Ethernet, Wireless (RF, Blue tooth), GPRS… Hình 1.3: Bộ thu thập số liệu DVTH và MT100 Ví dụ với bộ MT100, thiết bị này có một số ưu điểm nổi bật như sau: - Có màn hình màu 5,7 inch hiển thị trực tiếp số liệu dưới dạng đồ thị. 6
- Có 10 kênh đo analog (để đo điện thế, cặp nhiệt điện, độ ẩm,…). - Lưu trữ số liệu trên thẻ nhớ. - Có thể truy xuất số liệu qua mạng LAN. - Có 4 rơle báo động - Có thể mở rộng, thiết lập thông qua các nút bấm trên thiết bị. Tuy nhiên thiết bị này vẫn còn một vài hạn chế sau: - 10 kênh đo đều là dạng analog nên phải chuyển các đại lượng cần đo về dạng điện thế. - Chỉ có thể lấy dữ liệu thông qua thẻ nhớ hoặc mạng LAN. - Thiết bị chỉ sử dụng được nguồn điện AC với công suất là 38VA do đó không thể thực hiện đo khi gặp sự cố mất điện hoặc không thể đo ở các nơi xa không có nguồn điện AC. - Chi phí của thiết bị khoảng 599$. Các nhà nghiên cứu cũng không đứng ngoài những công việc nhằm mục đích làm ra những bộ thu thập số liệu có tính năng tiên tiến theo mục đích sử dụng cũng như ứng dụng thành quả của công nghệ vi điện tử. Cụ thể, Thakur, S. và Conrad, J.M dùng hệ nhúng trên nền ARM9 làm bộ thu thập dữ liệu cho thiết bị dưới nước, nhóm Hsueh-Chun Lin thực hiện dùng mạng không dây, nhóm Prabhudesai, R.G. nghiên cứu thiết bị thu thập dữ liệu hải dương khí tượng, nhóm của Ku, K.K.K với các thiết bị thu thập dữ liệu dùng trong hải quân, hay bộ thu thập số liệu phục vụ nhiều mục đích sử dụng , các hệ thu thập dữ liệu phục vụ sức khỏe con người, thông tin qua trang Web … 1.3. Thu thập số liệu thông qua webserver Webserver là một hệ thống với hosts là một website và đáp ứng tất cả các yêu cầu từ các clients. Để sử dụng các ứng dụng chúng ta chỉ việc truy cập vào một hệ thống nhúng thông qua trình duyệt Web đến Web server. Các trang web đều hiện 7
thị dưới dạng HTML (Hyper Text Transfer Protocol -Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản) và thông qua kết nối internet. Nền tảng cơ bản trong hệ thống tự động hóa là các ứng dụng được quản lí dựa trên nên tảng kết nối giữa các máy trạm với máy chủ. Máy chủ sẽ tự động thu thập tất cả các sự kiện của hệ thống đo tự động được chuyển đổi vào các trang HTML để theo dõi web và cho phép các máy trạm theo dõi web nay; thiết lập mạng nội bộ để theo dõi điều khiển hoặc thiết lập IP để theo dõi từ xa qua Internet. Người dùng sẽ có thể để xem hệ thống dữ liệu của họ trong thời gian thực và gửi các lệnh (thay đổi điểm thiết lập, điều khiển thiết bị bật hoặc tắt). Tất cả các lệnh và các điểm thiết lập mật khẩu bảo vệ an ninh. Lệnh nhận được từ trình duyệt được chuyển tiếp đến các các cảm biến và cơ cấu chấp hành cũng giống như khi đang ở máy tính trạm cơ sở. 8
CHƯƠNG 2:ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong chương này, luận văn tập trung nghiên cứu các thông số môi trường cần đo từ đó đưa ra các loại cảm biến phù hợp; cấu tạo và hoạt động của vi điều khiển PIC16F; truyền nhận dữ liệu UART. Tiếp đó triển khai xây dựng hệ thu thập số liệu môi trường tự động. Như đã trình bày tại phần mở đầu, luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu xây dựng hệ đo các thông số môi trường gồm: nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ âm và nồng độ khí CO2, các thông số này sẽ được theo dõi đồng thời theo thời gian. 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến 2.1.1. Đo độ ẩm. a) Giới thiệu: Độ ẩm tương đối là một trong số các đại lượng đặc trưng cho môi trường, có nhu cầu được theo dõi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Đại lượng này có sự thay đổi thường xuyên trong ngày, tuy nhiên tốc độ biến đổi khá là chậm nên có thể sử dụng được các hệ thống thu thập số liệu được. Độ ẩm là đại lượng đặc trưng cho lượng hơi nước trong vật, môi trường; độ ẩm tương đối là tỷ lệ áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp không khí; độ ẩm tương đối phục thuộc vào nhiệt độ và áp suất của hệ đo. Để đo được độ ẩm tương đối ta có thể sử dụng biến tử với điện dung hoặc điện trở thay đổi phụ thuộc vào độ ẩm không khí. Sau đó sử dụng các phương pháp để xác định giá trị điện dung hoặc điện trở đó và biến đổi tương ứng thành giá trị độ ẩm tương đối. Để có thể đo được độ ẩm tương đối thông qua các hệ điện tử, ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như dùng ẩm kế điện trở, ẩm kế tụ điện, ẩm kế hấp thụ,… hoặc sử dụng các IC chuyên dụng như HS1100, HS1101,… Mỗi phương pháp đo trên có những ưu điểm riêng và phù hợp với những khoảng nhiệt độ riêng và độ chính xác nhất định. Đối với hệ thống cần xây dựng này, thì yêu cầu ở đây là 9
đo độ ẩm của môi trường ờng trong điều kiện ở nước ta thì độ ẩm nằm ằm trong khoảng từ 10 đến 85%; có độ ộ chính xác và v ổn đinh; giá thành rẻ. b) Lựa ựa chọn cảm biến: Trong luận ận văn này n để đo độ ẩm tương đối, em sử dụng cảm ảm biến độ ẩm DHT11 (hình 2.2). Cảm ảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là l một ột loại cảm biến đã đ đươc cân chỉnh ỉnh với tín hiệu đầu ra là l tín hiệu số. Cảm biến này bao gồm ồm 1 thành th phần đo đạc nhạy ẩm và một thành ành phần ph đo lường nhiệt độ NTC, vàà khi đư được kết nối với một vi điều khiển 8-bit bit hi hiệu năng cao thì sẽ cung cấp được ợc một chất lượng l khá tốt, phản ản ứng nhanh, khả năng ổn định chống nhiễu và v giá thành rẻ. Mỗi ỗi chiếc DHT11 đều đã đ được cân chỉnh khi sản xuất vàà hhệ số cân chỉnh được lưu trữ như là một ột chương ch trình trong bộ nhớ OTP được ợc sử dụng bởi quá trình tr phát hiện ện tín hiệu nội của sensor. Giao tiếp nối tiếp 1 dây cũng giúp hệ thống trở nên n nhanh gọn và dễ dàng àng hơn. Với V kích thước nhỏ, công suất thấp vàà có th thể truyền tín hiệu ệu ở khoảng cách 20m đã đ làm DHT11 trở thành lựa ựa chọn tốt nhất cho nhiều ứng dụng khác nhau. Biến tử này đã được đư nhà sản xuất đưa ra hàm phụ ụ thuộc của giá trị điện dung vào độ ẩm tương đối ối của không khí như nh sau: Trong đó: - C là điện ện dung của biến tử ở độ ẩm hiện tại - RH % là độ ộ ẩm không khí hiện tại - C0 là điện ện dung của ứng với độ ẩm tương t đối là 55% Và biểu ểu đồ phụ thuộc điện dung vào v độ ẩm tương đối ối của cảm biến cho bởi nhà sản xuất: 10
Hình 2.1: Sự phụ thuộc của điện dung vào độ ẩm tương đối của DHT11 Hình 2.2: Hình ảnh của cảm biến DHT11  DHT11 có một số đặc tính kỹ thuật sau: - Khoảng đo: 20-90%RH, 0-50oC - Sai số độ ẩm: ±5%RH - Sai số nhiệt độ: ±2oC - Độ phân giải: 1%RH, 1oC - Đóng gói: Sensor 4 chân. Hình 2.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11
 Nguyên lý hoạt động: Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 dây, vi xử lý thực hiện theo các giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: Khởi động quá trình giao tiếp bằng việc MCU gửi tín hiệu Start đến DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại, khi đã giao tiếp thành công. - Bước 1: Khởi động quá trình fiao tiếp, MCU kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian lớn hơn 18ms, sau đó MCU thả nổi chân DATA. Khi đó DHT11 sẽ hiểu là MCU muốn nhận giá trị về nhiệt độ và độ ẩm. - Bước 2: Sau khoảng thời gian 20us đến 40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp (nếu sau 40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp thì có nghĩa là không giao tiếp được với DHT11). Chân DATA sẽ ở mức thấp 8-us sau đó được DHT11 kéo lên cao trong 80us. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không. Nếu tín hiệu được DHT11 đưa lên cao. Khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp với DHT11. Giai đoạn 2: DHT11 gửi giá trị nhiệt độ, độ ẩm về MCU Sau khi giao tiếp giữa MCU và DHT11 thành công, DHT11 sẽ gửi 5 byte liên tiếp kết quả của nhiệt độ và độ ẩm về MCU. 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 phân nguyên của nhiệt độ (TC) Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC). Byte 5: Kiểm tra tổng. Chú ý: nếu Byte 5(8bit) = (Byte 1+Byte 2+ Byte3+Byte ) thì giá trị của độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa. Quá trình gửi tín hiệu từ DHT11 tới MCU được thực hiện như sau: Đầu tiên xung START kéo dài trong 50us (xung đồng bộ) nếu chân DATA được đưa lên mức 12
cao trong khoảng thời gian 26us đến 28 us thì có nghĩa là DHT11 gửi bit “0”, còn chân DATA được đưa lên mức cao trong khoảng 70us thì nghĩa là DHT11 gửi bit “1”. Sau khi gửi hết 5 byte dữ liệu thì DHT11 sẽ gửi 1 xung STOP kéo dài trong 50us. Hình 2.4: Hình ảnh kết nối MCU và DHT11 Hình 2.5: MCU gửi tín hiệu Start và tín hiệu trả lời của DHT11 Hình 2.6: Quá trình gửi bits “0” 13