Hỗ trợ đồ án báo cáo tiểu luận dacn1 thiết kế chế tạo hệ mạch đo điều khiển hiển thị nhiệt độ và độ ẩm của môi trường

Hướng dẫn thiết kế và chế tạo hệ mạch đo điều khiển, hiển thị nhiệt độ và độ ẩm môi trường, phục vụ đồ án và báo cáo tiểu luận dacn1.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quốc
• Người hướng dẫn: Giảng Viên Hướng Dẫn. Đỗ Công Thắng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Mạch Đo Điều Khiển, Hiển Thị Nhiệt Độ Và Độ Ẩm Của Môi Trường
• Loại tài liệu: Đồ án chuyên ngành
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hưng Yên

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ mạch đo điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

Hệ mạch đo điều khiển nhiệt độ và độ ẩm là một giải pháp công nghệ hiện đại giúp theo dõi và điều chỉnh các điều kiện môi trường trong các không gian sống và làm việc. Hệ thống này kết hợp các cảm biến thông minh với vi điều khiển để đo lường chính xác các thông số khí hậu và tự động kích hoạt các thiết bị điều chỉnh khi cần thiết. Với dải nhiệt độ phòng sinh hoạt từ 16-32°C, hệ thống có khả năng bật hệ thống làm mát khi nhiệt độ vượt quá 30°C và kích hoạt hệ thống phun ẩm khi độ ẩm thấp hơn 70%. Ứng dụng của hệ mạch điều khiển môi trường ngày càng trở nên phổ biến trong các tòa nhà thông minh, phòng thí nghiệm, và các cơ sở sản xuất đặc thù, nơi cần duy trì điều kiện khí hậu ổn định.

1.1. Ý nghĩa và tính cấp thiết của đề tài

Thiết kế hệ mạch đo điều khiển môi trường là yêu cầu cấp thiết trong bối cảnh công nghệ tự động hóa phát triển mạnh mẽ. Hệ thống này giúp tối ưu hóa chi phí năng lượng bằng cách chỉ kích hoạt các thiết bị khi cần, đồng thời bảo vệ sức khỏe con người bằng cách duy trì độ ẩm và nhiệt độ lý tưởng. Ứng dụng cảm biến DTH11 và vi điều khiển lập trình cho phép xây dựng hệ thống tinh gọn, hiệu quả, phù hợp với các yêu cầu thực tế của ngành công nghệ điều khiển tự động hóa.

1.2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu

Mục đích chính của đề tài là thiết kế và chế tạo một hệ thống hoàn chỉnh có khả năng đo lường chính xác nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời hiển thị dữ liệu thời gian thực trên màn hình LCD. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn các linh kiện phù hợp, thiết kế mạch điện và phần mềm lập trình, cũng như thử nghiệm và kiểm chứng các chức năng điều khiển tự động.

II. Nguyên lý hoạt động và cảm biến đo lường

Nguyên lý hoạt động của hệ mạch đo điều khiển dựa trên vòng lặp phản hồi tiêu chuẩn trong các hệ thống tự động hóa. Cảm biến nhiệt độ phát hiện thay đổi nhiệt độ môi trường, trong khi cảm biến độ ẩm đo lường độ ẩm không khí. Dữ liệu từ các cảm biến thông minh được gửi đến vi điều khiển (Arduino hoặc tương tự) để so sánh với các giá trị ngưỡng được lập trình sẵn. Khi nhiệt độ vượt quá 30°C, vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu kích hoạt quạt tản nhiệt hoặc hệ thống điều hòa. Tương tự, khi độ ẩm dưới 70%, hệ thống sẽ kích động máy phun sương siêu âm để tăng độ ẩm không khí. Toàn bộ quy trình được hiển thị trên màn hình LCD 16x2 để người dùng có thể theo dõi trạng thái hoạt động.

2.1. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DTH11

Cảm biến DTH11 là một linh kiện phổ biến trong các dự án điều khiển môi trường nhờ độ chính xác cao và giá thành hợp lý. Cảm biến này kết hợp cảm biến nhiệt độ NTC thermistor và cảm biến độ ẩm tụ điện trong một module duy nhất. Dải đo nhiệt độ của DTH11 là từ 0-50°C với độ chính xác ±2°C, trong khi dải đo độ ẩm là 20-95% với độ chính xác ±5%. Giao tiếp với vi điều khiển thông qua cổng vào ra số (GPIO) sử dụng giao thức One-Wire, giúp giảm số chân kết nối cần thiết.

2.2. Các phương pháp đo nhiệt độ và độ ẩm

Có nhiều phương pháp đo nhiệt độ khác nhau như thermistor NTC/PTC, cặp nhiệt điện, và cảm biến IC tích hợp. Với yêu cầu của đề tài, cảm biến số DTH11 được lựa chọn vì tính ổn định và khả năng kết nối trực tiếp với vi điều khiển. Để đo độ ẩm chính xác, cảm biến sử dụng nguyên lý tụ điện biến đổi, nơi điện dung thay đổi theo độ ẩm không khí, cho phép điều khiển dự báo tình trạng môi trường một cách chính xác.

III. Phân tích yêu cầu và lựa chọn giải pháp thiết kế

Phân tích yêu cầu kỹ thuật là bước tiền đề quan trọng trong thiết kế hệ thống điều khiển. Hệ thống cần đáp ứng các tiêu chí: (1) Đo nhiệt độ trong dải 16-32°C (phòng sinh hoạt); (2) Kích hoạt làm mát khi T > 30°C; (3) Kích hoạt phun ẩm khi RH < 70%; (4) Hiển thị dữ liệu trên màn hình LCD với cập nhật theo thời gian thực; (5) Độ chính xác cao và hoạt động ổn định. Giải pháp lựa chọn sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp với cảm biến DTH11, module rơle để điều khiển các thiết bị chấp hành, và màn hình LCD 16x2 hiển thị thông tin. Kiến trúc hệ thống tuân theo mô hình phản hồi âm điển hình trong các hệ thống tự động hóa, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

3.1. Lựa chọn giải pháp điều khiển

Trong các phương án điều khiển khác nhau, phương án sử dụng vi điều khiển Arduino Uno được chọn vì tính linh hoạt, dễ lập trình, và chi phí thấp. Arduino cung cấp nhiều cổng GPIO, giao tiếp I2C/UART, và thư viện phần mềm phong phú để hỗ trợ cảm biến DTH11 và màn hình LCD. Phương án này cho phép tùy chỉnh logic điều khiển một cách dễ dàng và nâng cấp hệ thống trong tương lai.

3.2. Lựa chọn thiết bị chấp hành và giao diện

Thiết bị chấp hành bao gồm quạt tản nhiệt DC 12V để làm mát và bơm phun sương siêu âm để tăng độ ẩm. Các thiết bị này được điều khiển thông qua module rơle 2 kênh để cách ly an toàn giữa mạch logic và mạch công suất. Giao diện người dùng được thực hiện bằng màn hình LCD 16x2 kết nối qua giao thức I2C, giúp tiết kiệm chân vi điều khiển và hiển thị thông tin rõ ràng.

IV. Thiết kế mạch và lập trình điều khiển

Thiết kế mạch điều khiển bao gồm các phần chính: mạch nguồn cung cấp 5V cho vi điều khiển và 12V cho các thiết bị chấp hành, mạch giao diện cảm biến kết nối DTH11 với Arduino, mạch điều khiển rơle để kích hoạt quạt tản nhiệt và bơm phun sương, và mạch hiển thị LCD. Lập trình vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Arduino C, thực hiện các chức năng: (1) Đọc dữ liệu cảm biến định kỳ; (2) So sánh với giá trị ngưỡng; (3) Kiểm soát rơle dựa trên logic điều khiển; (4) Cập nhật màn hình LCD. Code sử dụng thư viện DHT.h để giao tiếp với cảm biến và thư viện LiquidCrystal_I2C.h cho LCD. Sơ đồ mạch được vẽ trên phần mềm Proteus hoặc KiCAD, đảm bảo kết nối logic đúng và tuân theo tiêu chuẩn an toàn.

4.1. Thiết kế sơ đồ mạch điện

Sơ đồ mạch gồm hai mạch chính: mạch logic (Arduino + cảm biến + LCD) hoạt động ở 5V, và mạch công suất (rơle + thiết bị chấp hành) hoạt động ở 12V hoặc 220V. Kết nối cảm biến DTH11 sử dụng GPIO pin 2 với điện trở 4.7kΩ kéo lên. Màn hình LCD kết nối qua I2C module với địa chỉ 0x27. Module rơle nhận tín hiệu từ GPIO pin 3 và 4. Toàn bộ mạch được bảo vệ bằng diode flyback và tụ lọc để tránh quá điện áp từ thiết bị cảm ứng.

4.2. Chương trình lập trình và logic điều khiển

Code lập trình thực hiện vòng lặp chính bao gồm: đọc nhiệt độ và độ ẩm từ DTH11, hiển thị trên LCD, so sánh với ngưỡng 30°C và 70% độ ẩm, sau đó kích hoạt rơle tương ứng. Logic điều khiển sử dụng các lệnh điều kiện IF-ELSE để kiểm soát hai thiết bị chấp hành độc lập. Độ trễ giữa các lần đọc cảm biến được thiết lập 2 giây để ổn định dữ liệu và tránh dao động. Histeresis được thêm vào để ngăn chặn dao động điều khiển khi giá trị gần ngưỡng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐO 1.1 Hệ thống đo nhiệt độ 1.1 Cảm biến đo nhiệt độ - Khái niệm: là một thiết bị cảm biến công nghiệp phổ biến hiện nay. Thiết bị được sử dụng để đo và ghi nhận giá trị nhiệt độ của môi trường hoặc đối tượng cụ thể. Khi nhiệt độ có sự thay đổi thì thiết bị này đo và truyền tín hiệu để bộ đọc có thể phân tích. Sau đó, bộ đọc sẽ đưa ra kết quả đo theo dạng con số cụ thể để người dùng dễ dàng đọc số liệu thực tế.1 Cảm biến nhiệt độ.

- Cấu tạo: Một cảm biến nhiệt độ thường bao gồm thành phần chính:Cảm biến đo nhiệt gồm có: 2 dây kim loại được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (đầu đo), 2 đầu còn lại là đầu lạnh (đầu chuẩn). - Các phần phụ bao gồm: + Bộ phận quan trọng nhất trong thiết bị cảm biến là bộ phận cảm biến nhiệt. + Các bộ phận cảm biến được kết nối với nhau thông qua 2 – 4 dây kết nối cảm biến. + Chất cách điện bằng gốm có nhiệm vụ làm chất cách điện, ngăn ngừa đoản mạch.

13 + Chất làm đầy bột alumina mịn, được sấy khô. Sử dụng nhằm lấp đầy các khoảng trống hạn chế rung trong cảm biến. + Vỏ bảo vệ cảm biến và các dây kết nối. + Đầu kết nối của cảm biến làm bằng vật liệu gốm cách điện.

Bao gồm các bảng mạch để kết nối với điện trở.2 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ. 1) Các loại cảm biến nhiệt độ a) Nhiệt điện trở kim loại Đối với nhiệt điện trở kim loại thì viêc chế tạo nó thích hợp hơn cả là sử dụng các kim loại nguyên chất như: plantin, đồng, niken. Để tăng độ nhạy cảm nên sử dụng các kim loại có hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt. Tuy nhiên tùy thuộc vào khoảng nhiệt độ cần kiểm tra mà ta có thể sử dụng nhiệt điện trở loại này hay loại khác.

Cụ thể nhiệt điện trở chế tạo từ dây dẫn bằng đồng làm việc trong khoảng nhiệt độ -50 0C ÷ 1500C. Nhiệt điện trở từ dây dẫn plantin làm việc trong khoảng nhiệt độ -190 0C ÷ 6500C. Cấu trúc của nhiệt điện trở kim loại bao gồm: dây dẫn mảnh kép đôi quấn trên khung cách điện tạo thành phần tử nhạy cảm, nó được đặt trong chiếc vỏ đặc biệt có các cực đưa ra. Giá trị của nhiệt điện trở từ 100C÷ 1000C.

Ưu điểm: + Việc sử dụng nhiệt điện trở kim loại để đo nhiệt độ cao rất tin cậy, đảm bảo độ chính xác đến 0.010C và sai số không quá 0,5% đến 1%. + Vật liệu chế tạo tương đối đơn giản. 14 Nhược điểm: + Kích thước của nhiệt điện trở kim loại lớn nên hạn chế việc sử dụng nó để đo nhiệt độ ở nơi hẹp. + Do là kim loại nên sau 1 thời gian chúng sẽ dễ bị oxy hóa, gây ảnh hưởng đến độ nhạy của chúng.3 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại.

b) Nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở được chế tạo từ vật liệu bán dẫn, chúng được sử dụng trong hệ thống tự động kiểm tra và điều khiển. Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ hợp kim của đồng – măng gan hoặc coban. Loại này hoàn toàn trái ngược với nhiệt điện trở kim loại, khi nhiệt độ tăng thì điện trở của chúng lại giảm khoảng nhiệt độ đo của chúng thường dao động trong khoảng từ -600C ÷ 1800C. Ưu điểm: + Độ chính xác khá cao + Kích thước nhỏ nhẹ, giúp nó làm việc ở những nơi chật hẹp 15 Nhược điểm: + Chế tạo phức tạp Hình 1.4 Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn c) Cặp nhiệt điện Thiết bị cặp nhiệt điện có độ bền tốt, thường đo được các mức nhiệt độ cao với dải đo từ -100 độ C đến 1800 độ C.

Đây là một loại cảm biến nhiệt độ sử dụng hiệu ứng Seebeck để tạo ra một điện thế khi nhiệt độ thay đổi. Cảm biến điện mạch kín, gồm 2 dây kim loại nối ở 2 đầu. Mỗi khi nhiệt độ ở 2 đầu dây khác nhau sẽ sinh ra dòng điện.5 Cảm biến cặp nhiệt điện. d) Cảm biến nhiệt kế bức xạ Là một loại cảm biến nhiệt độ bằng cách đo lượng bức xạ nhiệt phát ra từ một vật thể.

Thay vì tiếp xúc trực tiếp với vật thể như các loại cảm biến nhiệt khác. Thì cảm biến này hoạt động theo việc đo tính chất bức xạ năng lượng có trong môi trường mang nhiệt.6 Cảm biến nhiệt kế bức xạ. - Ứng dụng cảm biến nhiệt độ Sử dụng cảm biến nhiệt độ để đo: trong bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ các loại máy móc, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy,… Ngoài ra, ATPro còn cung cấp các giải pháp giám sát nhiệt độ độ ẩm tại kho hàng, kho dược, kho đông lạnh, phòng server,…Hỗ trợ việc quản lý- giám sát nhiệt độ từ xa thông qua các thiết bị thông minh có kết nối internet.7 Ứng dụng cảm biến nhiệt độ.2 Một số phương pháp đo nhiệt độ 1) Đo nhiệt độ bằng phương pháp cặp nhiệt điện Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch có 2 dây dẫn. chỗ nối giữa 2 dây dẫn này được hàn với nhau.

Chiều của dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mỗi hàn. Nếu để hở một đầu thì giữa 2 cực xuất hiện 1 suất điện động nhiệt. như vậy bằng cách đo sdd ta có thể tìm được nhiệt độ của đối tượng đó. 17 2) Đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học là dựa trên các hiện tượng bức xa của các vật thể ở nhiệt độ cao, chúng dựa trên ánh sáng, bức xạ nhiệt của vật phát ra mà tính được nhiệt độ của vật.

3) Đo nhiệt độ bằng IC Các IC này làm việc bằng cách tìm mỗi quan hệ giữa đại lượng nhiệt độ đầu vào và đại lượng ( điện áp, dòng điện) đầu ra. Các cảm biến này tạo ra các giá trị điện áp hay dòng điện tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ đầu vào,vì vậy đo tín hiệu điện đầu ra sẽ biết được nhiệt độ đầu vào. Nó có ưu điểm là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi đo nhiệt độ giới hạn từ -500C ÷ 1500C. Đặc tính của một số loại IC thông dụng: - AD 590 + Ngõ ra là dòng điện + Độ nhạy 1A/10K + Nguồn cung cấp 4-30V + Phạm vi sử dụng -550C ÷ 1500C - Họ LM35, LM135, LM235, LM335 + Ngõ ra là điện áp + Độ nhạy 10mV/0C + Nguồn cung cấp 5-30V + Phạm vi sử dụng: LM335: -100C ÷ 1250C LM235: - 400C ÷ 1400C LM135: - 550C ÷ 2000C LM35: - 550C ÷ 1500C 18 4) Phương pháp đo tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ trong công nghiệp thường được sử dụng là các nhiệt kế tiếp xúc.

Có hai loại nhiệt kế tiếp xúc, gồm: - Nhiệt kế nhiệt điện trở - Nhiệt kế nhiệt ngẫu Ngoài ra đối với các ứng dụng đơn giản, dải nhiệt độ cỡ -550℃ ÷ 2000℃, hiện nay người ta thường ứng dụng các IC bán dẫn ứng dụng tính chất nhạy nhiệt của các điốt, tranzito để đo nhiệt độ. Cấu tạo của nhiệt kế nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu cũng như cách lắp ghép chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường đo: - Đối với môi trường khí và nước: chuyển đổi được đặt theo hướng ngược lại với dòng chảy. - Với vật rắn khí: đặt nhiệt kế sát vào vật, nhiệt lượng sẽ truyền từ vật sang chuyển đổi và dễ gây tổn hao vật, nhất là với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tiếp xúc giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.

- Khi đo nhiệt độ của các chất ở dạng hạt (cát, đất.): cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường cần đo và thường dùng nhiệt điện trở có cáp nối ra ngoài. 19 5) Phương pháp đo không tiếp xúc Phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc là một kỹ thuật đo nhiệt độ từ xa, không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể được đo. Nguyên lý của phương pháp này dựa trên việc phát hiện và phân tích bức xạ hồng ngoại được phát ra bởi vật thể đó. Tất cả các vật thể có nhiệt độ trên không độ tuyệt đối đều phát ra bức xạ hồng ngoại với mức độ phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng.

Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc, gọi là nhiệt kế hồng ngoại hoặc nhiệt kế bức xạ, sẽ thu nhận bức xạ hồng ngoại từ vật thể và chuyển đổi thông tin này thành giá trị nhiệt độ tương ứng. Ưu điểm chính của phương pháp này là có thể đo nhiệt độ của các vật thể đang chuyển động, các vật thể có nhiệt độ rất cao hoặc các vật thể ở vị trí khó tiếp cận mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như khí quyển, độ phản xạ của bề mặt vật thể.3 Quá trình đo nhiệt độ Ta có thể chia quá trình đo nhiệt độ ra làm 3 khâu chính: a) Khâu chuyển đổi Quá trình chuyển đổi nhiệt độ thường dựa vào những biến đổi đặc trưng của vật liệu khi chịu tác động của nhiệt độ. Có một số tính chất đặc trưng chính như sau: 1.

Sự biến đổi điện trở: Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của các vật liệu dẫn điện như kim loại và bán dẫn cũng thay đổi theo một quy luật nhất định. Tính chất này được ứng dụng trong các cảm biến nhiệt điện trở kim loại và bán dẫn. Sức điện động sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ: Khi hai kim loại khác nhau được nối với nhau tại hai đầu và có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối, sẽ sinh ra một hiệu điện thế điện động (suất điện động nhiệt). Nguyên lý này được sử dụng trong các cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ.

Sự biến đổi thể tích, áp suất: Một số chất lỏng hoặc khí đặc biệt sẽ thay đổi thể tích hoặc áp suất khi nhiệt độ thay đổi. Tính chất này có thể được sử dụng trong các cảm biến nhiệt độ dạng đồng hồ đo nhiệt. Sự thay đổi cường độ bức xạ: Mọi vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt dưới dạng bức xạ hồng ngoại với cường độ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể đó. Nguyên lý này được ứng dụng trong các nhiệt kế bức xạ hay nhiệt kế hồng ngoại.

Trong quá trình chuyển đổi nhiệt điện, hai tính chất đầu tiên là sự biến đổi điện trở và sức điện động sinh ra do chênh lệch nhiệt độ được sử dụng phổ biến nhất.