Bài tập lớn môn Thiết bị đo và cảm biến công nghiệp đề tài 4: Thiết kế chế tạo mạch đo độ ẩm không khí"

lOMoARcPSD| 38777299 lOMoARcPSD| 38777299 MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................2
Chương 1: Giới thiệu về đại lượng đo..................................................3
1. Ứng dụng của đại lượng cần đo...................................................3
2. Tìm hiểu các loại cảm biến có thể đo lường đại lượng đo và từ đólựa chọn cảm
biến phù hợp..............................................................6
Chương 2: Nguyên lí hoạt động của cảm biến DHT11 và các hiện
tượng vật lí..........................................................................................8
1. Cảm biến DHT11 là gì?.................................................................8
2. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11....................................9
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT11................................10
3.1 Đo độ ẩm...............................................................................10 3.2 Đo nhiệt
độ............................................................................11
Chương 3: Thiết Kế Và Chế Tạo Mạch Đo..........................................12
1.Cấu Tạo.......................................................................................12
2.Thông Số Kỹ Thuật :....................................................................12
3.Thiết kế và chế tạo mạch đo......................................................15
Chương 1: Giới thiệu về đại lượng đo 1.
Ứng dụng của đại lượng cần đo Độ ẩm RH:
Độ ẩm RH hay độ ẩm tương đối là tỉ số giữa áp suất hơi nước hiện tại của một
khối không khí so với áp suất của chính khối không khí đó khi hơi nước bão hòa.
Khái niệm khác: Độ ẩm tương đối là tỉ số giữa khối lượng nước trên một thể tích
hiện tại so với khối lượng nước trong cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi
nước bão hòa thì hỗn hợp khí và nước đó sẽ đạt tới điểm sương. Ở trạng thái điểm
sương tương đương với độ ẩm tương đối của khối không khí đó là 100%.
Độ ẩm tương đối tiếng anh là Relative Humidity, ký hiệu độ ẩm tương đối là RH.
Độ ẩm trong không khí sẽ làm cho cảm giác con người thoải mái hoặc khó chịu. Nếu
độ ẩm không khí cao sẽ tạo cảm giác khó chịu. lOMoARcPSD| 38777299
Ứng dụng của đại lượng cần đo: •
Kiểm soát sự sống của sinh vật
Độ ẩm không khí giúp duy trì lượng hơi ẩm cần thiết cho sự sống. Nó góp phần
hình thành nên các loài sinh vật, vi khuẩn có lợi và có hại tham gia vào quá trình tuần hoàn của tự nhiên. •
Ảnh hưởng đến sức khỏe con người
Độ ẩm RH mà con người có thể chấp nhận được là khoảng 3070% tùy thuộc vào
nhiệt độ không khí. Nhưng mức độ ẩm lý tưởng nhất là khoảng 50-60%.
Độ ẩm tương đối càng thấp, sự bay hơi của nước qua da càng nhanh và cơ thể
càng đổ nhiều mồ hôi. Vì thế cho nên bạn thường cảm thấy khó chịu khi mất nước
trong những ngày khô hanh.
Độ ẩm tương đối càng cao (vượt qua mức 70%) thì con người càng dễ bị lạnh vì
nước trong da khó bốc hơi ra bên ngoài. •
Độ ẩm RH gây ảnh hưởng đến đồ đạc, vật dụng
Khi nhiệt độ cao và độ ẩm tương đối thấp, quá trình bốc hơi nước sẽ nhanh hơn.
Điều đó dẫn đến tình trạng đồ nội thất bằng gỗ có thể bị co lại hoặc bị gãy.
Khi nhiệt độ thấp và độ ẩm tương đối cao, quá trình bốc hơi nước sẽ diễn ra
chậm hơn. Đến khi độ ẩm đạt tới trạng thái bão hòa (100%), hơi ẩm sẽ ngưng tụ trên lOMoARcPSD| 38777299
các bề mặt. Từ đó dẫn đến tình trạng nấm mốc, ăn mòn và giảm độ bền của đồ đạc, thiết bị điện tử. •
Máy đo nhiệt độ độ ẩm giúp quản lý môi trường làm việc công nghiệp
Nhiều xí nghiệp, phân xưởng sản xuất hoặc khu nghiên cứu đòi hỏi môi trường
làm việc phải luôn được duy trì ở một nhiệt độ cố định và có độ ẩm được duy trì
trong hạn mức cho phép. Nếu nhiệt độ, độ ẩm của môi trường quá cao hoặc quá thấp
có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt là các chế phẩm dược, hóa -
sinh… khi không được phát hiện kịp thời có thể gây thiệt hại lớn cho doanh nghiệp.
Do đó máy đo nhiệt độ độ ẩm có vai trò rất quan trọng trong việc đảm bảo các
số liệu này luôn ổn định. Trong trường hợp các chỉ số cho phép vượt quá giới hạn,
máy sẽ tự động thông báo để người quản lý kịp thời khắc phục. •
Máy đo nhiệt độ độ ẩm hỗ trợ ngành công nghiệp thực phẩm
Máy đo nhiệt độ độ ẩm là thiết bị không thể thiếu trong ngành công nghiệp thực
phẩm. Không chỉ đảm bảo môi trường chế biến, khu bảo quản - lưu trữ thực phẩm
luôn trong điều kiện tiêu chuẩn, chiếc máy này còn giúp đo được độ ẩm của các loại
hạt giống, ngũ cốc, gạo…
Cùng với đó, trong ngành công nghiệp chăn nuôi gia súc, gia cầm, máy đo nhiệt
độ độ ẩm trong phòng, không khí giúp chủ trang trại điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm phù
hợp với từng loài riêng biệt. Điều này giúp hạn chế dịch bệnh xảy ra trong các tháng
thời tiết mưa nhiều hoặc quá lạnh, giảm thiểu nguy cơ chết của vật nuôi. •
Máy đo nhiệt độ độ ẩm giúp bảo quản máy móc, thiết bị công nghiệp
Kẻ thù lớn nhất của máy móc, thiết bị công nghiệp là gì? Chính là độ ẩm. Quá nhiều
ẩm trong không khí có thể khiến các vi mạch mau hỏng, gây rỉ sét các chi tiết máy kim
loại. Ngược lại nếu quá khô, không đủ độ ẩm cần thiết thì rất dễ phát sinh hiện tượng
tích điện, đánh lửa trong không khí, làm dễ phát sinh hỏa hoạn.
Giải pháp kiểm soát tình hình chính là máy đo nhiệt độ độ ẩm. Khi các chỉ số nhiệt độ
và độ ẩm cân bằng ở ngưỡng bình thường, tuổi thọ của máy móc, thiết bị công nghiệp sẽ tăng lên. lOMoARcPSD| 38777299
2. Tìm hiểu các loại cảm biến có thể đo lường đại lượng đo và từ đó lựa chọn cảm biến phù hợp.
Hiện nay, trên thị trường đang có 3 loại cảm biến nhiệt độ và độ ẩm rất phổ
biến, đó là: Cảm biến độ ẩm điện dung, cảm biến độ ẩm dẫn nhiệt, cảm biến độ ẩm điện trở. lOMoARcPSD| 38777299 lOMoARcPSD| 38777299
Như vậy, thông qua những đặc điểm, ứng dụng của 3 loại cảm biến độ ẩm trên, ta dễ
dàng thấy được rằng, có loại cảm biến được ưa chuộng nhiều nhiều nhất là cảm biến
độ ẩm điện dung và cảm biến độ ẩm điện trở. Trong đó:
• Cảm biến độ ẩm điện dung: thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp,
hệ thống nhúng lớn hơn (hệ thống giám sát không khí), các ngành công nghiệp nặng,…
• Cảm biến độ ẩm điện trở: thường được ứng dụng trong các sản phẩm đo độ ẩm
thông minh có kích thước nhỏ gọn hoặc được tích hợp với các thiết bị nhà thông minh
nhằm đem tới cho cuộc sống của con người nhiều tiện nghi nhất. lOMoARcPSD| 38777299
Chương 2: Nguyên lí hoạt động của cảm
biến DHT11 và các hiện tượng vật lí
1. Cảm biến DHT11 là gì?
Cảm biến DHT11 là một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí giá rẻ, được sử
dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa và IoT. Cảm biến này sử dụng một điện
trở nhiệt độ nhạy cảm (NTC) để đo nhiệt độ và một điện dung cảm ứng để đo độ ẩm.
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số chi phí thấp để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm. Cảm
biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ điều khiển vi mô nào như Arduino,
Raspberry Pi, v.v. để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
2. Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở
nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ
ẩm làm chất điện môi giữa chúng. Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của
các mức độ ẩm. IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm
giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng. Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối lOMoARcPSD| 38777299
với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer.
+ Thông số kỹ thuật DHT11
- Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC
- Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA
- Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
- Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
- Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT11 3.1 Đo độ ẩm
Để đo độ ẩm, cảm biến DHT11 sử dụng một điện dung cảm ứng để đo sự thay đổi
điện dung của điện dung cảm ứng theo độ ẩm. Điện dung cảm ứng là điện dung giữa hai
điện cực cách nhau một khoảng cách nhỏ. lOMoARcPSD| 38777299
Cảm biến DHT11 sử dụng một mạch điện tử để đo điện dung của điện dung cảm
ứng. Mạch điện tử này gồm một điện trở mắc nối tiếp với điện dung cảm ứng.
Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của điện dung cảm ứng sẽ thay đổi. Sự thay đổi điện
dung của điện dung cảm ứng sẽ làm thay đổi điện áp rơi trên điện trở. Điện áp rơi trên
điện trở sẽ được sử dụng để tính toán độ ẩm.
Hiện tượng vật lý:
+ Hiện tượng điện dung cảm ứng:
+ Hiện tượng điện dung cảm ứng là hiện tượng xuất hiện một điện tích trên một vật dẫn
khi vật dẫn này được đặt gần một điện tích khác.
Điện tích trên vật dẫn được tính bằng công thức sau: Q = CV + Trong đó:
Q là điện tích trên vật dẫn
C là điện dung của vật dẫn
V là điện áp giữa vật dẫn và điện tích khác 3.2 Đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ, cảm biến DHT11 sử dụng một điện trở nhiệt độ nhạy cảm (NTC)
để đo sự thay đổi điện trở của NTC theo nhiệt độ. NTC là một loại điện trở có điện trở
giảm khi nhiệt độ tăng.
Cảm biến DHT11 sử dụng một mạch điện tử để đo điện trở của NTC. Mạch điện
tử này gồm hai điện trở mắc nối tiếp với NTC. Điện trở thứ nhất có điện trở cố định,
điện trở thứ hai là NTC.
Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở của NTC sẽ thay đổi. Sự thay đổi điện trở của NTC
sẽ làm thay đổi điện áp rơi trên điện trở thứ hai. Điện áp rơi trên điện trở thứ hai sẽ được
sử dụng để tính toán nhiệt độ.
Hiện tượng vật lý:
+ Hiện tượng nhiệt điện: lOMoARcPSD| 38777299
+ Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện một hiệu điện thế giữa hai vật dẫn có
nhiệt độ khác nhau. Hiệu điện thế này được gọi là hiệu điện thế nhiệt điện.
Hiệu điện thế nhiệt điện được tính bằng công thức sau: Vth = S * dT + Trong đó:
Vth là hiệu điện thế nhiệt điện S là hệ số
Seebeck dT là chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật dẫn
Chương 3: Thiết Kế Và Chế Tạo Mạch Đo 1.Cấu Tạo
- Các linh kiện cần thiết bao gồm : + Adruino Uno R3 + Dây cáp nạp + Màn hình LCD 162 + Module I2C 162
+ Cảm biến đo nhiệt độ , độ ẩm DHT11 + Dây cắm đực cái
2.Thông Số Kỹ Thuật : a, Màn hình LCD 162 : lOMoARcPSD| 38777299
LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số.
• LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN).
• 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
• Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.
• Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
• LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm. b, Module I2C LCD: lOMoARcPSD| 38777299
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng
nhiều chân trên vi điều khiển.
Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn.
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6,
D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …)
và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay. Ưu điểm
• Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
• Dễ dàng kết nối với LCD. lOMoARcPSD| 38777299
Thông số kĩ thuật
• Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.
• Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780). • Giao tiếp: I2C.
• Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).
• Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.
• Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.
c, Cảm biến đo nhiệt độ , độ ẩm DHT11:
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ
và rất dễ lấy dữ liệu thông qua chuẩn giao tiếp 1 wire.
Chuẩn giao tiếp 1 wire là dùng 1 chân Digital để truyền dữ liệu.
Bộ tiền xử lý tín hiệu được tích hợp trong cảm biến giúp bạn có thể đọc dữ liệu chính
xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.
Thông số kỹ thuật của cảm biến:
• Điện áp hoạt động: 3V – 5V (DC)
• Dãi độ ẩm hoạt động: 20% – 90% RH, sai số ±5%RH
• Dãi nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
• Khoảng cách truyển tối đa: 20m
3.Thiết kế và chế tạo mạch đo
- Ta dùng dây đực cái để kết nối màn hình hiển thị LCD sử dụng I2C với Adruino Uno R3 theo các cổng sau. lOMoARcPSD| 38777299 Màn hình LCD I2C Arduino UNO R3 GND GND VCC 5 V SDA A4 SCL A5
- Sau đó ta kết nối cảm biến DHT11 kết nối với Adruino Uno R3 sau khi kết nối với màn hình LCD
- Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT 11 VCC 3.3 V DATA D4 GND GND Sơ đồ đấu nối:
- Sau khi đấu nối xong ta tiến hành nạp code và cắm nguồn để cảm biến hoạt động.
- Các thông số về nhiệt độ , độ ẩm sẽ được đo và hiển thị trên màn hình LCD 162. Code : lOMoARcPSD| 38777299 #include #include
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F,16,2); const int DHTPIN = 4; const int DHTTYPE = DHT11; DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); byte degree[8] = { 0B01110, 0B01010, 0B01110, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000, 0B00000 }; void setup() { lcd.init(); lcd.backlight(); lcd.print("Nhiet do: "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("Do am: "); lcd.createChar(1, degree); dht.begin(); } void loop() {
float h = dht.readHumidity();
float t = dht.readTemperature(); if (isnan(t) || isnan(h)) { } else { lcd.setCursor(10,0); lcd.print(round(t)); lcd.print(" "); lcd.write(1); lcd.print("C"); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(round(h)); lcd.print(" %"); } } lOMoARcPSD| 38777299