BÁO cáo NHẬP môn đề tài thiết bị đo và cảnh báo chất lượng không khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO NHẬP MÔN

Đề tài: Thiết bị đo và cảnh báo chất lượng khơng khí

GVHD: PGSTs. Nguyễn Đức Minh
Thực hiện: D3TM
Họ và tên
Phạm Anh Du
Đỗ Tiến Dũng
Phạm Quang Minh
Nguyễn Bá Đạt
Phan Đình Trung

download by :


Hà Nội, 1 - 2021

download by :


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến của thế
giới, chúng ta đã và đang ngày càng một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát
triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật cũng
như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ,… là những yếu tố rất cần thiết góp phần

cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn. Trong kì học tập vừa qua,
được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Đức Minh, chúng em đã học hỏi được rất nhiều điều
cũng như tìm hiểu chung vấn đề, tài liệu liên quan giúp ích cho việc hồn thành bài tập
lớn này. Vì thế sau khi cân nhắc chúng em đã chọn đề tài: “Thiết bị đo và hiển thị nhiệt
độ và độ ẩm”.
Nhóm chúng em đã rất cố gắng để có thể hồn thành tốt nhất đề tài của mình. Tuy
nhiên, do vốn kiến thức cịn chưa nhiều, cũng như có nhiều yếu tố khách quan khác mà
sản phẩm của nhóm cịn nhiều thiếu sót. Chúng em rất mong thầy đóng góp ý kiến, phê
bình và hướng dẫn thêm để các sản phẩm sau được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy Nguyễn Đức Minh đã
hướng dẫn tận tình, chi tiết hằng tuần để chúng em có thể hồn thành tốt bài tập lớn này.
Qua đây, chúng em khơng chỉ có thêm nhiều kiến thức về chun mơn mà cịn nâng cao
hơn được kỹ năng làm việc nhóm, trau dồi thêm ngoại ngữ, biết cách phân tích và tư
duy, cùng nhiều kỹ năng mềm khác.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

download by :


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................................................. 1
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.............................................................................. 3
1.1 Lý do chọn đề tài.............................................................................................................. 3
1.2 Mục tiêu của đề tài.......................................................................................................... 3
1.3 Phân công công việc....................................................................................................... 4
1.4 Kế hoạch dự kiến............................................................................................................. 4
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG.......................................................................5
2.1 Yêu cầu chức năng.......................................................................................................... 5

2.2 Yêu cầu phi chức năng................................................................................................... 5
2.3 Sơ đồ khối của hệ thống................................................................................................. 5
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC HỆ THỐNG..................................................... 7
3.1 Khối điều khiển NODEMCCU ESP8266................................................................... 7
3.1.1 Một vài thông số của NODEMCCU ESP8266.................................................... 8
3.1.2 Năng lượng................................................................................................................ 8
3.1.3 Các cổng vào ra......................................................................................................... 9
3.1.4 Lập trình cho Arduino............................................................................................ 13
3.2 Khối nguồn...................................................................................................................... 15
3.3 Khối cảm biến................................................................................................................. 15
3.3.1 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm..................................................................................... 15
3.4 Khối hiển thị................................................................................................................... 18
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH.......................................................................................... 20
4.1 Sơ đồ kết nối.................................................................................................................... 20
4.2 Kết quả mô phỏng.......................................................................................................... 22
4.3 Kết quả thử nghiệm trên board trắng........................................................................ 22

download by :


KẾT LUẬN................................................................................................................................. 25
PHỤ LỤC: MÃ NGUỒN......................................................................................................... 26
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................... 29

download by :


download by :

DANH MỤC HÌNH VẼ

H^nh 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống.......................................................................................... 6
H^nh 3.1 NODEMCCU ESP8266........................................................................................... 8
H^nh 3.3 Sơ đồ khối DHT11.................................................................................................. 17
H^nh 3.4 Tín hiệu Bus điều khiển........................................................................................ 18
H^nh 3.5 Cảm biến DHT11.................................................................................................... 18
H^nh 3.6 LCD 20x04................................................................................................................ 19
H^nh 4.1 Sơ đồ kết nối NODEMCCU ESP8266 với DHT 11........................................ 20
H^nh 4.2 Sơ đồ kết nối LCD 20x04...................................................................................... 21
H^nh 4.3 Kết quả mô phỏng.................................................................................................. 22
H^nh 4.4 Kết quả thực nghiệm............................................................................................. 22

DANH MỤC BẢNG BIỂ

1

download by :


Bảng 1.1 Phân công công việc.................................................................................................. 4
Bảng 1.2 Kế hoạch cụ thể.......................................................................................................... 4
Bảng 3.1 So sánh sensor DHT-11 và DHT-22..................................................................... 17
Bảng 3.2 Thứ tự các chân của LCD 16x02......................................................................... 21

CHƯƠNG 1.

2

download by :

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài
Xác định nhu cầu: Trong cuộc sống hiện đại, việc phòng cháy chữa cháy đang trở
thành mối quan tâm hàng đầu vì quanh ta ln tồn tại những khu vực dễ cháy, có
thể gây thiệt hại nặng nề về người và của. Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy
và chữa cháy có vai trị rất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lí kịp thời các đám
cháy khi con người chưa thể can thiệp được.
Lý do chọn đề tài: Củng cố kiến thức môn học vi xử lý, nâng cao kỹ năng lập trình
và thiết kế mạch điện tử, đáp ứng với nhu cầu của thực tế, tạo ra cơ hội phát triển
các ý tưởng và sản phẩm bắt kịp với xu hướng mới.

1.2 Mục tiêu của đề tài
Với đề tài này chúng em mong muốn sẽ chế tạo được một sản phẩm có thể đáp ứng
được các chức năng:
Đo nhiệt độ, độ ẩm khơng khí.
Hiển thị kết quả đo được lên LCD và điện thoại

3

download by :


1.3 Phân cơng cơng việc
Sau các buổi họp nhóm, các cơng việc được phân cơng cụ thể để hồn
thành đúng hạn các nhiệm vụ:

Bảng 1.1 Phân công công việc

Tên công việc
Tìm hiểu khái qt về đề tài
Phân tích cụ thể các phần
• NODEMCCU ESP8266
• DHT11
• LCD
Lập trình(code)
Mơ phỏng
Test lại mạch
Làm báo cáo
1.

Tổng quan về đề tài

2.

Giới thiệu chung về hệ

thống
3.
4.

Phân tích kiến trúc hệ thống
Thiết kế mạch

1.4 Kế hoạch dự kiến
Sau khi phân tích hệ thống và khả năng nhóm phát triển cũng như quá trình
vận hành hệ thống. Kế hoạch có thể thực hiện theo trình tự:

4


download by :
Bảng 1.2 Kế hoạch cụ thể

Tên quá trình
Nghiên cứu sơ bộ (tìm hiểu
về đề tài và các tài liệu liên
quan)
Phân tích
Lập trình, mơ phỏng
Làm báo cáo, chỉnh
sửa

Thời gian
2 tuần
3 tuần
3 tuần
2 tuần

CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG

2.1 Yêu cầu chức năng
Sử dụng NODEMCCU ESP8266 với vai trò điều khiển và nhập xuất dữ liệu từ
các thiết bị giao tiếp với nó chính là các cảm biến, nhập xuất
dữ liệu đọc độ ẩm, nhiệt độ từ cảm biến, sau đó giao tiếp với thiết bị LCD mã
hóa dữ liệu
để hiển thị kết quả ra màn hình (chỉ nhiệt độ(°C), độ ẩm khơng khí (%), nồng
độ khí ga (PPM)); Mạch phải có Jac DC để cấp nguồn và nạp code, thiết bị có

khả năng reset.

2.2 Yêu cầu phi chức năng
Điện áp sử dụng: 5-10V.
Màn hình LCD hiển thị rõ nét chính xác các thơng số đo được.

5


download by :


Mạch nhỏ gọn 15x15x5 (cm) dễ dàng lắp đặt ở bất kì các vị trí trong
phịng mà khơng làm ảnh hưởng đến không gian hay mỹ quan ngôi
nhà.
Trọng lượng sản phẩm: 0.2-0.3kg.
Thời gian hoàn thành: dự kiến trong 2 tháng. Giá
thành sản phẩm sẽ khoảng 300.000 đ.

2.3 Sơ đồ khối của hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống bao gồm 4 khối: khối nguồn, khối hiển thị, khối cảm
biến, khối xử lý điều khiển như sau:

Ứng dụng điện
Tín hiệu độ thoại ẩm

H^nh 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Giải thích sơ đồ khối:
Khối xử lí điều khiển: có vai trị quan trọng, sử dụng NODEMCCU

ESP8266 điều khiển trạng thái hoạt động của hệ thống. Khi khối này
nhận được thông tin về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí ga của mơi trường từ
các khối cảm biến gửi về, sẽ thực hiện hiển thị những thơng tin đó ra
LCD, và ứng dụng ở điện thoại.

6

download by :


CHƯƠNG 1. Khối cảm biến: dùng các sensor cảm biến về nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ khí
GA để đo và gửi thơng tin về khối xử lí điều khiển.
CHƯƠNG 3. Khối hiển thị: hiển thị giá trị về nhiệt độ, độ ẩm của môi trường mà các
sensor đo được.
CHƯƠNG 4. Khối nguồn: cung cấp nguồn 1 chiều cho mạch hoạt động.

7

download by :


CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH KIẾN TRÚC HỆ THỐNG

Ở chương 2, chúng ta đã tìm hiểu, nghiên cứu tổng quan về cấu trúc hệ thống và
đưa
ra được sơ đồ khối. Trong chương này, chúng ta sẽ đi sâu vào phân tích cụ thể từng
khối:
khối nguồn, điều khiển, hiển thị, sensor; đi sâu vào đặc tính kĩ thuật của ESP8266.

3.1 Khối điều khiển NODEMCU ESP8266

NodeMCU là phần sụn dựa trên Lua nguồn mở cho ESP8266 WiFi SOC của
Espressif và sử dụng hệ thống tệp SPIFFS dựa trên flash trên mô-đun . NodeMCU được
triển khai bằng C và được xếp lớp trên Espressif NON-OS SDK .

Ban đầu phần sụn được phát triển như là một dự án đồng hành với các môđun phát triển NodeMCU dựa trên ESP8266 phổ biến , nhưng dự án hiện được
cộng đồng hỗ trợ và phần sụn hiện có thể chạy trên bất kỳ mơ-đun ESP nào .
Mạch WiFi ESP8266 CP2102 NodeMCU sử dụng IC nạp CP2102, đây là IC nạp mới và ổn
định nhất, có khả năng tự nhận driver, trung tâm là module Wifi SoC ESP8266, board có thiết
kế dễ sử dụng và đặc biệt là có tính tương thích với trình biên dịch Arduino IDE để lập trình và
nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn
giản. Ngồi ra, board có cổng cấp nguồn micro USB 5V phổ biến, giúp bạn dễ dàng cấp nguồn
cũng như giao tiếp với board qua cổng UART.

8

download by :


H^nh 3.2 NODEMCCU ESP8266

3.1.1 Một vài thông số của NODEMCCU ESP8266
Thơng số kỹ thuật
Tương thích các chuẩn wifi : 802.11 b/g/n
Hỗ trợ : Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
Tích hợp TCP/IP protocol stack
Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network
Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power management units +25.dBm
output power in 802.11b mode
Power down leakage current of <10uA
Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processor

SDIO 1.1/2.0, SPI, UART STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO A-MPDU &
A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval Wake up and transmit
packets in < 2ms
Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3)
3.1.2 Năng lượng
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.

Các chân năng lượng

9

download by :


GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho NODEMCU ESP8266. Khi
bạn dung các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân
này phải được nối với nhau.
5VDC MicroUSB

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho NODEMCU ESP8266, bạn nối
cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.

3.1.3 Các cổng vào ra
Một điều quan trọng cần được chú ý về ESP8266 là số GPIO không trùng với các nhãn
được in trên các bo phát triển. Ví dụ, D0 tương ứng với GPIO16 và D1 tương ứng với GPIO5.

Bảng sau miêu tả sự tương ứng giữa các nhãn và số GPIO cũng như chân nào hay được

sử dụng trong các dự án của bạn, và chân nào cần được lưu ý khi sử dụng.
Các chân được in bằng màu xanh thì OK để dùng. Các chân được in màu vàng thì OK để dùng,
tuy nhiên bạn cần lưu ý bởi vì chúng có thể có những hành vi khơng mong muốn khi khởi động.
Các chân được in màu đỏ không được khuyến khích để dùng như input và output.

10

download by :


Chúng ta hãy tiếp tục theo dõi chi tiết và phân tích sâu hơn về các chân GPIO của
ESP866 và các chức năng của nó

GPIO kết nối với Flash Chip
GPIO6 tới GPIO11 thường được sử dụng để kết nối với flash chip
trong các bo ESP8266. Vì vậy, những chân này khơng được khuyến
khích sử dụng cho các mục đích khác.

11

download by :


Các chân được sử dụng trong suốt quá trình Boot (Khởi động)
Có thể ngăn cản q trình Boot xẩy ra trên ESP8266 nếu một trong
các chân sau được thiết lập ở mức LOW hoặc HIGH. Danh sách sau miêu
tả trạng thái các chân trong quá trình BOOT.

GPIO16: chân ở mức high trong quá trình BOOT
GPIO0: Boot lỗi nếu chân ở mức LOW

GPIO2: chân ở mức high trong quá trình BOOT, boot lỗi nếu
chân ở mức LOW
GPIO15: boot lỗi nếu chân ở mức HIGH
GPIO3: chân ở mức high trong quá trình BOOT
GPIO1: chân ở mức high trong quá trình BOOT, boot lỗi nếu
chân ở mức LOW
GPIO10: chân ở mức high trong quá trình BOOT
GPIO9: chân ở mức high trong quá trình BOOT
Các chân ở mức HIGH trong quá trình BOOT
Một số chân có thể phát một tín hiệu 3.3V, khi ESP8266 khởi động.
Điều này có thể gây ra những vấn đề rắc rồi nếu bạn kết nối các relay
hoặc các thiết bị ngoại vi khác kết nối tới những chân GPIO này.
Những chân GPIO phát ra tín hiệu 3.3V trong quá trình boot:

GPIO16
GPIO3
GPIO1
GPIO10
GPIO9
Ngồi ra, các chân GPIO khác, ngoại trừ GPIO5 và GPIO4, có thể
phát ra tín hiệu điện áp thấp trong qua trình boot. Điều này có thể gây
ra những vấn đề rắc rối nếu những chân này kết nối tới các transistor
hoặc relay.

12

download by :


Analog Input

ESP8266 chỉ hỗ trợ đọc tín hiệu analog trên một chân GPIO. Chân
GPIO này được gọi là ADC0 và nó thường được gắn nhãn là A0.
Điện áp đầu vào lớn nhất của chân ADC0 từ 0 tới 1V nếu bạn đang sử
dụng chip ESP8266 để trần (Chip chưa gắn các linh kiện bổ trợ). Nếu bạn
đang sử dụng một bo phát triển như như ESP8266 12-E NodeMCU, điện
áp đầu vào sẽ vào khoảng từ 0 tới 3.3V bởi vì những bo này đã chứa một
bộ phân chia điện áp bên trong cho chip.

LED tích hợp trên bo
Hầu hết các bo phát triển của ESP8266 có một LED đã được tích hợp sẵn. LED
này thường được kết nối tới chân GPIO2.

LED được kết nối tới một điện trở pull-down, vì vậy khi bạn gửi một tín hiệu mức
HIGH, LED sẽ tắt.

Chân RST
Khi chân RST được thiết lập ở trạng thái LOW, ESP8266 sẽ reset. Điều này tương
đượng với việc bạn ấn nút RESET được tích hợp trên các bo phát triển.

13

download by :


GPIO0
Khi chân GPIO0 được thiết lập ở trạng thái LOW, nó sẽ kích hoạt chế độ bootloader
cho ESP8266. Điều này tương đương với việc bạn ấn nút FLASH/BOOT được tích hợp
trên các bo phát triển.

14

download by :


GPIO16
GPIO16 có thể được sử dụng để đánh thức ESP8266 khi nó đang ở trạng thái deep sleep (ngủ
sâu). Để đánh thức ESP8266 từ chế độ deep sleep, GPIO16 nên kết nối tới chân RST.

I2C
ESP8266 không hỗ trợ về mặt phần cứng cho giao thức I2C, tuy nhiên chúng ta có thể
lập trình cho nó bằng phần mềm. Vì vậy bạn có thể sử dụng bất cứ chân GPIO nào cho
I2C. Thông thường các chân sau được sử dụng như là các chân I2C:

GPIO5: SCL
GPIO4: SDA
SPI
Những chân được sử dụng như là các chân SPI:

GPIO12: MISO
GPIO13: MOSI
GPIO14: SCLK
GPIO15: CS
Các chân PWM
ESP8266 cho phép lập trình PWM bằng phần mềm trên tất cả các chân I/O: GPIO0
tới GPIO16. Các tín hiệu PWM trên ESP8266 có độ phân giải 10 bit.

Các chân Interrupt (Ngắt)
ESP8266 hỗ trợ các chế độ interrupt trên bất cứ chân GPIO nào, trừ chân GPIO16.

3.1.4 Lập trình cho NODEMCU ESP8266

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn ngữ
này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là một
biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C+
+, hoặc là là “ngôn ngữ Arduino”. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ

15

download by :


biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập
trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển
dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một mơi trường lập trình Arduino được gọi
là Arduino IDE (Intergrated Development Environment).

16

download by :


3.2 Khối nguồn
Cấp nguồn cho toàn hệ thống, hệ thống được nuôi bằng nguồn 5V lấy từ
cổng USB của mạch nạp USB ISP. Mạch nạp này đồng thời cũng được sử
dụng để nạp chương trình code từ máy tính vào vi xử lí.

3.3 Khối cảm biến
Khối cảm biến lấy dữ liệu về khí ga, độ ẩm của mơi trường, biến đổi thành các tín
hiệu điện tương ứng rồi gửi dữ liệu về cho vi xử lí, bao gồm hai phần là cảm biến khí
ga và cảm biến độ ẩm.

Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm
Nhóm chúng em đã tìm hiểu về hai loại cảm biến độ ẩm và nhiệt độ là DHT-22 và
DHT-11:

17

download by :


Nguồn (V)
Dịng sử dụng
Nhiệt độ làm việc
Độ ẩm làm việc
Kích thước (mm)
Sai số độ ẩm
Sai số nhiệt độ
Tần số lấy mẫu
Qua bảng so sánh trên về một số thông số cần thiết, nhận thấy hai loại này có sự
tương đương về nguồn, dịng sử dụng. Tuy DHT-22 có dải nhiệt độ cũng như độ ẩm
rộng hơn và sai số có phần nhỏ hơn DHT-11. Nhưng nhóm chúng em đã quyết định
chọn DHT-11. Do mục đích bọn em đo nhiệt độ, độ ẩm ở trong phòng nên dải làm việc
của DHT-11 đáp ứng vừa đủ nhu cầu. Thêm nữa kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với
DHT-22 là một lợi thế trong việc thiết kế mạch, tần số lấy mẫu của DHT-11 lớn hơn
DHT-22 tức là trong 1 phút DHT-11 sẽ tái tạo tín hiệu nhanh hơn gấp đơi so với DHT22.
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 Temperature Humidity Sensor
là cảm biến rất thơng dụng hiện nay vì chi phí rẻ, kích thước nhỏ gọn và rất dễ
lấy

dữ

liệu

thơng

giao tiếp 1 wire (TTL).
Thông số kĩ thuật DHT-11:
-

Nguồn: 3 -> 5 VDC.

-

Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).

-

Đo tốt ở độ ẩm 20 to 70%RH với sai số 5%.

-

Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.

-

Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần).

18

download by :

qua