Luận văn thạc sĩ xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu 05

Luận văn thạc sĩ xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu ứng dụng công nghệ hiện đại trong giám sát và phân tích môi trường chính xác.

• Tác giả: Trần Thị Minh Phương
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Trung Kiên
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử
• Đề tài: Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Hệ thiết bị đo lường
• 1.2. Bộ thu thập số liệu (Data logger)
• 1.3. Một số đặc điểm số liệu và hệ thu thập số liệu
• 1.4. Một số bộ thu thập số liệu hiện nay
• 1.5. Thu thập số liệu thông qua webserver
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các đại lượng đo và lựa chọn cảm biến
• 2.1.1. Giới thiệu
• 2.1.2. Lựa chọn cảm biến
• 2.1.2.1. Cảm biến nhiệt độ DS18B20
• 2.1.2.2. Đo nồng độ khí CO2
• 2.1.2.3. Cảm biến âm thanh
• 2.2. Vi điều khiển
• 2.2.1. Giới thiệu về vi điều khiển
• 2.2.2. Giới thiệu về vi điều khiển PIC
• 2.2.3. Về vi điều khiển PIC 16F887A
• 2.3. Các thành phần khác trong mạch
• 2.3.1. IC thời gian thực RTC DS1307
• 2.4. Truyền, nhận dữ liệu đo
• 2.5. Xử lý số liệu và đưa lên Lan Server
• 2.6. Xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu
• 2.7. Mạch mô phỏng của hệ đo
• 2.8. Xây dựng thuật toán cho hệ đo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 3.1. Kết quả xây dựng hệ đo
• 3.2. Kết quả số liệu thu thập từ hệ đo
• 3.3. Kết quả đưa số liệu lên Lan Server
• 3.4. Các khả năng ứng dụng trong thực tiễn
• 3.5. Tiềm năng, mở rộng và nâng cấp hệ thống
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Luận văn thạc sĩ xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu 05

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống đo lường các thông số môi trường đa tín hiệu, nhằm đáp ứng nhu cầu giám sát và quản lý môi trường một cách hiệu quả. Hệ thống này sử dụng các cảm biến hiện đại để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí CO2 và tiếng ồn. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này không chỉ giúp nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.1. Giới thiệu về hệ đo thông số môi trường

Hệ đo thông số môi trường là một thiết bị quan trọng trong việc giám sát và thu thập dữ liệu về các yếu tố môi trường. Hệ thống này có khả năng hoạt động tự động, thu thập dữ liệu liên tục và truyền tải thông tin đến người dùng qua mạng Internet.

1.2. Tầm quan trọng của việc xây dựng hệ thống đo lường

Việc xây dựng hệ thống đo lường không chỉ giúp theo dõi các thông số môi trường mà còn hỗ trợ trong việc đưa ra các quyết định kịp thời nhằm bảo vệ sức khỏe con người và môi trường sống.

II. Vấn đề và thách thức trong việc xây dựng hệ đo thông số môi trường

Mặc dù việc xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải không ít thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của cảm biến, khả năng lưu trữ dữ liệu và chi phí đầu tư là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến

Độ chính xác của cảm biến là yếu tố quyết định đến chất lượng dữ liệu thu thập. Cần lựa chọn các cảm biến có độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường khác nhau.

2.2. Chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống đo lường có thể cao, tuy nhiên, việc tiết kiệm chi phí bảo trì và nâng cấp hệ thống trong tương lai cũng cần được tính toán để đảm bảo tính bền vững.

III. Phương pháp xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

Để xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hệ thống một cách khoa học. Việc lựa chọn cảm biến, vi điều khiển và các thành phần khác là rất quan trọng.

3.1. Lựa chọn cảm biến phù hợp

Cảm biến là thành phần chính trong hệ thống đo lường. Việc lựa chọn cảm biến phù hợp với từng thông số môi trường là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống.

3.2. Thiết kế mạch điện và lập trình vi điều khiển

Thiết kế mạch điện và lập trình vi điều khiển là bước quan trọng trong việc xây dựng hệ thống. Cần đảm bảo rằng mạch điện hoạt động ổn định và vi điều khiển có khả năng xử lý dữ liệu một cách nhanh chóng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu

Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như nông nghiệp, y tế, và quản lý môi trường. Việc giám sát các thông số môi trường giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ sức khỏe con người.

4.1. Ứng dụng trong nông nghiệp

Hệ thống đo lường giúp nông dân theo dõi các yếu tố môi trường như độ ẩm và nhiệt độ, từ đó điều chỉnh các điều kiện trồng trọt một cách hiệu quả.

4.2. Ứng dụng trong y tế

Việc giám sát các thông số môi trường trong bệnh viện giúp đảm bảo môi trường sạch sẽ và an toàn cho bệnh nhân, đồng thời hỗ trợ trong việc kiểm soát dịch bệnh.

V. Kết luận và tương lai của hệ đo thông số môi trường

Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu không chỉ mang lại lợi ích cho việc giám sát môi trường mà còn mở ra nhiều cơ hội cho nghiên cứu và phát triển công nghệ mới. Tương lai của hệ thống này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn.

5.1. Tương lai của công nghệ đo lường

Công nghệ đo lường sẽ tiếp tục phát triển với sự xuất hiện của các cảm biến thông minh và hệ thống tự động hóa, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc giám sát môi trường.

5.2. Định hướng nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới trong lĩnh vực đo lường sẽ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường, đồng thời tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong ngành công nghệ cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ linh kiện điện tử và công nghệ thông tin, việc tự động hóa trong đo lường và giám sát môi trường ngày càng trở nên thiết yếu. Theo ước tính, các hệ thống đo đạc tự động có thể thu thập dữ liệu liên tục 24/24, giúp kiểm soát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, tiếng ồn và nồng độ khí CO2 một cách chính xác và hiệu quả. Tuy nhiên, các thiết bị thương mại hiện nay thường có giá thành cao, gây khó khăn cho việc ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm, bệnh viện, nhà kính trồng cây và các khu vực cần giám sát môi trường liên tục.

Luận văn tập trung xây dựng hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu sử dụng các cảm biến đầu ra số kết hợp với vi điều khiển PIC16F887A, nhằm thu thập, xử lý và truyền dữ liệu môi trường qua mạng LAN. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thông số nhiệt độ, độ ẩm, cường độ âm thanh và nồng độ khí CO2, được khảo sát trong điều kiện thực tế tại phòng thí nghiệm trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong năm 2014. Mục tiêu chính là phát triển một hệ thống đo lường đa tín hiệu có độ chính xác cao, ổn định, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp, đồng thời có khả năng giám sát từ xa qua mạng nội bộ.

Hệ thống này không chỉ đáp ứng nhu cầu đo đạc liên tục mà còn hỗ trợ lưu trữ và truyền dữ liệu tự động, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý môi trường trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu môi trường, nông nghiệp và xây dựng nhà thông minh. Các chỉ số đo được có thể được theo dõi trực tiếp qua giao diện web, giúp người dùng dễ dàng truy cập và điều chỉnh thông số theo yêu cầu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết đo lường điện tử: Chuyển đổi các đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh và khí CO2 thành tín hiệu điện số để xử lý và truyền tải.
• Mô hình hệ thống thu thập dữ liệu đa tín hiệu: Sử dụng các cảm biến chuyên dụng kết hợp với vi điều khiển để thu thập đồng thời nhiều thông số môi trường.
• Khái niệm về vi điều khiển PIC16F887A: Vi điều khiển 8-bit với khả năng xử lý tín hiệu ADC 10-bit, giao tiếp UART và I2C, phù hợp cho các ứng dụng đo lường tự động.
• Giao tiếp UART và mạng LAN: Truyền nhận dữ liệu không đồng bộ qua UART và truyền dữ liệu lên máy chủ mạng LAN để giám sát từ xa.
• Nguyên lý hoạt động của các cảm biến:
  • Cảm biến độ ẩm DHT11 sử dụng điện dung thay đổi theo độ ẩm tương đối.
  • Cảm biến nhiệt độ DS18B20 với giao tiếp 1-wire, độ chính xác ±0.5°C.
  • Cảm biến khí CO2 MG811 dựa trên nguyên lý điện phân rắn, tín hiệu đầu ra điện áp tỷ lệ với nồng độ CO2.
  • Cảm biến âm thanh micro điện dung kết hợp bộ khuếch đại LM386 để đo cường độ âm thanh trong dải 48-75 dB.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các tín hiệu đo được từ hệ thống cảm biến đặt tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu dữ liệu thu thập trong nhiều khoảng thời gian khác nhau trong ngày, đảm bảo tính đại diện cho các điều kiện môi trường biến đổi. Phương pháp chọn mẫu là đo liên tục với tần số lấy mẫu 1 Hz, phù hợp với đặc điểm biến đổi chậm của các đại lượng môi trường.

Phân tích dữ liệu sử dụng các công cụ mô phỏng mạch điện tử và phần mềm Herquese để thu nhận và lưu trữ dữ liệu qua giao tiếp UART. Dữ liệu sau đó được truyền lên máy chủ mạng LAN, hiển thị qua giao diện web xây dựng bằng HTML và PHP, cho phép truy cập và quản lý dữ liệu từ xa.

Timeline nghiên cứu bao gồm khảo sát và lựa chọn cảm biến (tháng 1-3/2014), thiết kế và mô phỏng mạch (tháng 4-6/2014), lắp ráp và thử nghiệm hệ thống (tháng 7-9/2014), thu thập và phân tích dữ liệu (tháng 10-11/2014), hoàn thiện luận văn (tháng 12/2014).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đo lường chính xác các thông số môi trường:
   • Nhiệt độ đo được ổn định quanh 28°C với sai số dưới 0.5°C so với thiết bị chuyên dụng.
   • Độ ẩm không khí duy trì khoảng 59% với sai số ±5%RH.
2. Biến động cường độ âm thanh và nồng độ CO2:
   • Cường độ âm dao động từ 48 đến 52 dB, phù hợp với mức đo thực tế trong phòng thí nghiệm.
   • Nồng độ CO2 thay đổi trong khoảng 424 đến 456 ppm, phản ánh sự biến đổi nhanh của môi trường.
3. Tính ổn định và khả năng thu thập dữ liệu liên tục:
   • Hệ thống hoạt động ổn định trong nhiều giờ liên tục, dữ liệu thu thập có tính nhất quán cao.
   • Tần số lấy mẫu 1 Hz đảm bảo thu thập đủ thông tin mà không gây quá tải bộ nhớ lưu trữ.
4. Khả năng truyền dữ liệu và giám sát từ xa qua mạng LAN:
   • Dữ liệu được truyền thành công lên máy chủ mạng cục bộ, cho phép truy cập và quản lý qua giao diện web.
   • Hệ thống phân quyền truy cập, với quyền quản trị hiển thị toàn bộ dữ liệu, quyền khách chỉ xem 5 dữ liệu cuối cùng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của độ chính xác cao là do việc lựa chọn cảm biến phù hợp với đặc điểm môi trường Việt Nam, như DHT11 cho độ ẩm từ 20-90%RH và DS18B20 cho nhiệt độ từ -55°C đến 125°C. Việc sử dụng vi điều khiển PIC16F887A với khả năng ADC 10-bit giúp chuyển đổi tín hiệu analog sang số chính xác, đồng thời giao tiếp UART ổn định hỗ trợ truyền dữ liệu hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu khác, hệ thống này có ưu điểm về chi phí thấp và khả năng mở rộng cao nhờ giao tiếp 1-wire cho cảm biến nhiệt độ và khả năng kết nối nhiều cảm biến khác nhau. Các thiết bị thương mại như MT100 có giá khoảng 599 USD, trong khi hệ thống này sử dụng linh kiện phổ biến, tiết kiệm chi phí đáng kể.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thể hiện biến động nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh và CO2, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích. Bảng so sánh sai số giữa hệ thống và thiết bị chuyên dụng cũng minh chứng cho độ tin cậy của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng hệ thống cảm biến:
   • Thêm các cảm biến đo áp suất, tốc độ gió, hướng gió để đánh giá toàn diện hơn các yếu tố môi trường.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển.
2. Nâng cấp giao tiếp không dây:
   • Tích hợp module GSM/GPRS hoặc Wi-Fi để truyền dữ liệu độc lập không cần máy tính trung gian, phù hợp với các khu vực không có mạng LAN.
   • Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: bộ phận kỹ thuật phần cứng.
3. Phát triển phần mềm quản lý dữ liệu nâng cao:
   • Xây dựng cơ sở dữ liệu để lưu trữ, xử lý số liệu tự động như tính trung bình, giá trị cực đại, cảnh báo vượt ngưỡng.
   • Cải tiến giao diện web với biểu đồ trực quan và chức năng tìm kiếm dữ liệu.
   • Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm phát triển phần mềm.
4. Tối ưu năng lượng cho hệ thống:
   • Thiết kế chế độ tiết kiệm năng lượng cho vi điều khiển và cảm biến.
   • Kết hợp nguồn năng lượng mặt trời để hệ thống hoạt động độc lập lâu dài.
   • Thời gian thực hiện: 6-9 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu năng lượng và phần cứng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Vật lý điện tử, vi điều khiển:
   • Học hỏi phương pháp thiết kế hệ thống đo đa tín hiệu, ứng dụng vi điều khiển PIC16F887A và giao tiếp UART.
2. Kỹ sư phát triển hệ thống tự động hóa và IoT:
   • Áp dụng kiến thức về cảm biến môi trường, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu qua mạng LAN để phát triển sản phẩm tương tự.
3. Chuyên gia môi trường và nông nghiệp công nghệ cao:
   • Sử dụng hệ thống để giám sát điều kiện môi trường trong nhà kính, phòng thí nghiệm, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường và tự động hóa:
   • Tham khảo giải pháp tiết kiệm chi phí, nâng cao tính năng và khả năng mở rộng hệ thống đo môi trường đa tín hiệu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống có thể đo được những thông số môi trường nào?
   Hệ thống đo đồng thời nhiệt độ, độ ẩm, cường độ âm thanh và nồng độ khí CO2, đáp ứng nhu cầu giám sát đa dạng trong môi trường phòng thí nghiệm và thực tế.

2. Độ chính xác của các cảm biến trong hệ thống như thế nào?
   Độ ẩm sai số ±5%RH, nhiệt độ sai số ±0.5°C, cường độ âm thanh sai số dưới 10%, nồng độ CO2 đo trong khoảng 350-10000 ppm với tín hiệu điện áp tuyến tính.

3. Làm thế nào để truy cập dữ liệu đo từ xa?
   Dữ liệu được truyền qua mạng LAN và hiển thị trên giao diện web, người dùng có thể truy cập từ các máy tính trong cùng mạng với quyền quản trị hoặc khách.

4. Hệ thống có thể mở rộng để đo thêm các thông số khác không?
   Có, hệ thống hỗ trợ kết nối nhiều cảm biến khác nhau, đặc biệt cảm biến nhiệt độ có thể nối nhiều điểm trên cùng một đường 1-wire.

5. Hệ thống có thể hoạt động độc lập không cần máy tính không?
   Hiện tại hệ thống cần máy tính làm server mạng LAN, tuy nhiên có thể nâng cấp tích hợp module GSM/GPRS để hoạt động độc lập và truyền dữ liệu qua mạng không dây.

Kết luận

• Hệ đo thông số môi trường đa tín hiệu đã được xây dựng thành công, đo chính xác nhiệt độ, độ ẩm, âm thanh và CO2.
• Kết quả đo so sánh với thiết bị chuyên dụng cho sai số nhỏ, đảm bảo độ tin cậy cao.
• Hệ thống hỗ trợ truyền dữ liệu và giám sát từ xa qua mạng LAN với giao diện web thân thiện.
• Cần bổ sung thêm các cảm biến và nâng cấp phần mềm để mở rộng chức năng và cải thiện quản lý dữ liệu.
• Tiếp tục phát triển module truyền dữ liệu không dây và tối ưu năng lượng để hệ thống hoạt động linh hoạt, phù hợp nhiều môi trường đo đạc.

Hệ thống này là nền tảng quan trọng để phát triển các giải pháp đo lường môi trường tự động, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp tục cải tiến và ứng dụng hệ thống trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] 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 6.1V với dòng đốt nóng vào khoảng 200mA.