Đang tải... (xem toàn văn)
Như vậy, thông qua những đặc điểm, ứng dụng của 3 loại cảm biếnđộ ẩm trên, ta dễ dàng thấy được rằng, có loại cảm biến được ưachuộng nhiều nhiều nhất là cảm biến độ ẩm điện dung và cảm b
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
- -
Khoa Cơ khíNgành kỹ thuật cơ điện
BÀI TẬP LỚN THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆPĐỀ TÀI: 4 - Thiết kế chế tạo mạch đo độ ẩm không khí
Lớp: 66MEC1Sinh viên thực hiện:
Hà Nội 2023
Trang 2MỤC 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 hiệntượng 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
Trang 3Chương 1: Giới thiệu về đại lượngđo
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 đươngvới 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.
Trang 4Ứng 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 70% tùy thuộc vào nhiệt độ không khí Nhưng mức độ ẩm lý tưởng nhất là khoảng 50-60%.
30-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 nướcsẽ 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 nướcsẽ diễn ra chậm hơn Đến khi độ ẩm đạt tới trạng thái bão hòa (100%), hơi ẩm sẽ ngưng tụ trên các bề mặt Từ đó dẫn đến tình trạng nấm mốc, ăn mòn và giảm độ bền của đồ đạc, thiết bị điện tử.
Trang 5 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 địnhvà 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… khikhông 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
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
Trang 6các 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.
Trang 72.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.
Trang 9Như vậy, thông qua những đặc điểm, ứng dụng của 3 loại cảm biếnđộ ẩm trên, ta dễ dàng thấy được rằng, có loại cảm biến được ưachuộng nhiều nhiều nhất là cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biếnđộ 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 sátkhông khí), các ngành công nghiệp nặng,…
Cảm biến độ ẩm điện trở: thường được ứng dụng trong các sảnphẩm đo độ ẩm thông minh có kích thước nhỏ gọn hoặc được tíchhợp với các thiết bị nhà thông minh nhằm đem tới cho cuộc sống củacon người nhiều tiện nghi nhất.
Trang 10Chương 2: Nguyên lí hoạt động của cảmbiến DHT11 và các hiện tượng vật lí1 Cảm biến DHT11 là gì?
Cảm biến DHT11 là một cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí giá rẻ, được sửdụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa và IoT Cảm biến này sử dụng một điệntrở 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 Cảmbiến 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.
Trang 112 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 điệntrở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nềngiữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổicủa các mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúngthành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làmgiảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngaycả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốmbán 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
Trang 123 Nguyên lý hoạt động của cảm biến DHT113.1 Đo độ ẩm
Để đo độ ẩm, cảm biến DHT11 sử dụng một điện dung cảm ứng để đo sự thayđổi điện dung của điện dung cảm ứng theo độ ẩm Điện dung cảm ứng là điện dunggiữa hai điện cực cách nhau một khoảng cách nhỏ.
Cảm biến DHT11 sử dụng một mạch điện tử để đo điện dung của điện dung cảmứng 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 đổiđiện dung của điện dung cảm ứng sẽ làm thay đổi điện áp rơi trên điện trở Điện áp rơitrên 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 vậtdẫn 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 dẫnC là điện dung của vật dẫn
V là điện áp giữa vật dẫn và điện tích khác
Trang 133.2 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 trởgiảm khi nhiệt độ tăng.
Cảm biến DHT11 sử dụng một mạch điện tử để đo điện trở của NTC Mạch điệntử 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 củaNTC sẽ làm thay đổi điện áp rơi trên điện trở thứ hai Điện áp rơi trên điện trở thứ haisẽ được sử dụng để tính toán nhiệt độ.
Hiện tượng vật lý:+ Hiện tượng nhiệt điện:
+ Hiện tượng nhiệt điện là hiện tượng xuất hiện một hiệu điện thế giữa hai vật dẫn cónhiệt 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 điệnS là hệ số Seebeck
dT là chênh lệch nhiệt độ giữa hai vật dẫn
Trang 14Chương 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 :
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).
Trang 15 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 độdữ 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 đanglàm.
b, Module I2C LCD:
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếmdụng 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.
Trang 17Thông 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 rẻvà 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 chínhxác 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
Trang 183.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 UnoR3 theo các cổng sau.
Trang 19Sơ đồ đấu nối:
- Sau khi đấu nối xong ta tiến hành nạp code và cắm nguồn để cảm biến hoạtđộng.
- Các thông số về nhiệt độ , độ ẩm sẽ được đo và hiển thị trên màn hình LCD162.
Code :#include <DHT.h>#include <Wire.h>
#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};
Trang 20void 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(" %"); }
}