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. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến 2. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.3: Hình ảnh của cảm biến DHT11 trong mạch mô phỏng 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7: Quá trình gửi bits “1” Hình 2.8: Quá trình gửi bit STOP 2. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 a) Giới thiệu: Nhiệt độ theo cách hiểu đơn giản nhất là đại lượng mô tả tính chất vật lý đặc trưng cho sự nóng, lạnh của vật, môi trường. Để có thể đo được nhiệt độ thông qua các hệ điện tử, ta có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như dùng cặp nhiệt điện, điện trở kim loại, đường đặc trưng Volt-Ampere của diode,… hoặc sử dụng các IC chuyên dụng như LM75, DS18B20,… 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 đo nhiệt độ của môi trường, trong điều kiện ở nước ta thì nhiệt độ nằm trong khoảng từ 0oC đến 50oC. b) Lựa chọn cảm biến: Sensor DHT11 được thiết kế để đo được cả độ ẩm tương đối và nhiệt độ, tuy nhiên do sensor nhiệt độ trong DHT11 chỉ có độ chính xác tới đơn vị 1 độ nên em sử dụng thêm sensor nhiệt độ DS18B20của MAXIM. DS18B20 là một sensor có 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com khả năng phân giải nhiệt độ trong khoảng từ -55oC đến 125oC với độ phân giải từ 9 đến 12 bit, độ chính xác 0.5oC hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu phép đo. Chương trình ứng dụng có thể trao đổi thông tin thông qua chuẩn giao tiếp 1-wire (1-dây).
Ngoài ra mỗi IC có mã ROM CODE riêng, do đó cho phép nối nhiều IC trên cùng 1 đường dữ liệu, điều này thực sự có ý nghĩa khi ta muốn nghiên cứu nhiệt độ tại nhiều vị trí khác nhau. Bên cạnh đó, DS18B20 là IC đo nhiệt độ giao tiếp số, mỗi giá trị của nhiệt độ tương ứng với một con số nhị phân trong một độ phân giải xác định. Cảm biến đã chuẩn hóa sẵn bởi nhà sản xuất nên không cần phải chuẩn hóa như trong cảm biến tuyến tính.10 là hình ảnh của cảm biến DS18B20.9: Hình ảnh cảm biến DS18B20 trong mạch mô phỏng Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của cảm biến DS18B20 2. Đo nồng độ khí CO2 a) Giới thiệu: 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Cảm biến đo nồng độ khí là biến tử cho phép các định thông tin về môi trường khí, dựa trên lớp nhậy khí và phần chuyển tín hiệu điện.
Việc phát hiện khí được dựa trên sự thay đổi môi trường khí dẫn đến thay đổi tính chất lớp nhậy khí và được chuyển thành tín hiệu điện. b) Lựa chọn cảm biến Trong luận văn này, để đo nồng độ khí CO2em sử dụng cảm biến khí gas CO2MG811 dùng để đo lường nồng độ CO2 có mặt trong không khí tại thời điểm đo với đơn vị ppm(Hình 2.10: Ảnh của MG811).10: Hình ảnh của cảm biến khí gas MG811 Nguyên lý hoạt động. Sensor MG811 sử dụng nguyên lý điện phân rắn, nó được tạo thành từ các lớp màng mỏng của:Air, Au|NASICON||Carbonate|Au, air, CO2 Khi mà sensor tiếp xúc với CO2, phản ứng tại điện cực sau sẽ xảy ra: - Tại Cathode: 2Li+ + CO2 + 1/2O2 + 2e- = Li2CO3 - Tại Anode: 2Na+ + 1/2O2 + 2e- =Na2O - Phản ứng tổng cộng: Li2CO3 + 2Na+ = Na2O + 2Li+ + CO2 Suất điện động được tạo ra từ phản ứng trên, theo như phương trình Nerst: EMF = Ec – (R.T)/(2F)ln (P(CO2)) Trong đó: P(CO2) – CO2 : Áp suất khí Ec – Hằng số thể tích R – Hằng số thể tích khí T – Nhiệt độ tuyệt đối 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com F – Hằng số Faraday Từ hình 2.11, khi thế nung nóng được đặt vào cho tới khi nhiệt độ bề mặt đủ lớn, sensor sẽ tạo thành một khối thống nhất, 2 mặt của nó sẽ tạo ra một tín hiệu điện thế mà dựa theo phương trình Nerst, trở kháng của khuếch đại nên rơi vào từ 100- 1000GOhm.11: Cấu tạo của cảm biến MG811 Đây là một sensor có tính chọn lọc và độ nhạy cao đối với khí CO2, ít phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm, có tính ổn định cao. Sensor MG811 hoạt động tại điện thế 6.