Thiết kế hệ thống đo thông số môi trường có tích hợp bản đồ số

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI











ðAN HỒNG THUỶ


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ


LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT



Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn
Mã số: 60.52.54

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH

Hà Nội – 2012

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng ñây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong
công trình khoa học nào trước ñó.
Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi
ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả




ðan Hồng Thủy

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nông nghiệp
Hà Nội. Tôi ñã hoàn thành luận văn thạc sĩ với ñề tài: “Thiết kế hệ thống ño
thông số môi trường có tích hợp bản ñồ số”
Tôi xin chân thành cám ơn PGS. TSKH Trần Hoài Linh – Trường ðại
học Bách khoa Hà Nội ñã tận tình hướng dẫn và tạo mọi ñiều kiện thuận lợi
cho tôi hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa Cơ ñiện, Viện
ñào tạo sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã ñọc và ñóng góp
nhiều ý kiến quý báu ñể luận văn của tôi ñược hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến Ban Giám hiệu và lãnh ñạo
Trường Cao ñẳng nghề Cơ ñiện Tây Bắc nơi tôi công tác ñã tạo mọi ñiều kiện
thuận lợi nhất ñể tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc ñến bạn bè, ñồng nghiệp và gia
ñình ñã ñộng viên, khích lệ ñể tôi hoàn thành luận văn này.

Hoà Bình , ngày tháng 8 năm 2012
Tác giả

ðan Hồng Thủy







Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iii

MỤC LỤC
MỞ ðẦU 1
1. ðặt vấn ñề 1
2. Nội dung nghiên cứu 1
3. Phương pháp nghiên cứu 2
4. Phạm vi ứng dụng 3
5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn 3
CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG 5
1.1 Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi
trường 5
1.2. Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài 5
1.2.1 Nguyên lý ño nhiệt ñộ 5
1.2.2 Nguyên lý chung 6
1.2.3. Cảm biến nhiệt ñộ PT100 (RTD) 7
1.2.4. Cảm biến nhiệt ñộ họ LM34 và LM35 (bán dẫn) 8

1.3. Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn ñề tài 9
1.3.1 Khái niệm chung 9
1.3.2 Ẩm kế ngưng tụ 12
1.3.3 Ẩm kế hấp thụ 14
1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng 16
1.4 Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm 20
CHƯƠNG II: CÔNG NGHỆ GPS VÀ KHẢ NĂNG TÍCH HỢP
BẢN ðỐ SỐ TRONG THIẾT BỊ ðO 22
2.1. Công nghệ GPS 22
2.1.1 Tổng quan về GPS 22
2.1.2 GPS là gì? 24
2.1.3 Các thành phần GPS 25

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

iv

2.1.4 GPS có thể ño những gì? 29
2.1.5 Các kiểu ñịnh vị GPS 32
2.2 Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño 36
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO THÔNG SỐ MÔI
TRƯỜNG CÓ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ 38
3.1. Sơ ñồ khối và chức năng các khối 38
3.1.1 Sơ ñồ khối chính 38
3.1.2 Chức năng các khối chính 38
3.2 Lựa chọn và thiết kế vi xử lý 39
3.3 Lựa chọn thiết kế khối LCD 40
3.4 Lựa chọn thiết kế khối phím 41
3.5 Lựa chọn và thiết kế khối mạch truyền thông USB 42
3.6 Lựa chọn và thiết khối nguồn 48

3.7 Lựa chọn thiết kế phần cứng module GPS 50
3.8. Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý 52
3.8.1 Vai trò của firmware trong hoạt ñộng chung của thiết bị 52
3.8.2 Lựa chọn công cụ ñể lập trình firmware 52
3.8.3 Nguyên lý và lưu ñồ thuật toán thực hiện chức năng chính của thiết bị 52
3.8.4 Module USB 57
3.9 Thiết kế khối cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm 57
3.10. Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 58
3.10.1 Mạch nguyên lý: 58
3.10.2 Mạch gồm các khối: 59
Chương IV: CÁC KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 60
4.1. Mạch phần cứng 60
4.1.1 Mạch in 60
4.1.2 Mạch thực tế cho vào vỏ 62

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

v

4.2. Phần mềm vi xử lý - Tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi
ñiều khiển 63
4.2.1 Giao tiếp với màn hình 16x2. 63
4.2.2 Giao tiếp với cảm biến nhiệt ñộ - ñộ ẩm SHT10 64
4.2.3 Giao tiếp với module GPS 64
4.2.4 Lưu ñồ thuật toán hàm main 65
4.3. Các kết quả thử nghiệm 66
4.3.1 Công cụ Goole Earth 66
4.3.2 Ứng dụng cập nhật dữ liệu bản ñồ môi trường trực tuyến 67
4.3.3 Thiết kế phần vỏ của thiết bị 70
4.3.4 Thiết bị hoàn thiện 72

KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 73
1. Kết luận 73
2. ðề nghị 73









Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34 8
Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35 9
Bảng 1.3:Các áp suất hơi bão hòa 15
Bảng 2.1: ðộ chính xác ñịnh vị GPS 35
Bảng 3.1 Danh sách tập lệnh của cảm biến SHT10 55
Bảng 3.2 Công thức qui ñổi ra ñộ ẩm và các hệ số ứng với các chế ñộ 8
hoặc 12 bít. 56
Bảng 3.3 Công thức qui ñổi nhiệt ñộ và các hệ số qui ñổi ứng với các
chế ñộ 14 hoặc 8 bít. 56

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ 12
Hình 1.2: ðầu ño ẩm kế ngưng tụ 13
Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ 14
Hình 1.4: Các ñường cong áp suất hơi theo nhiệt ñộ của một số dung dịch muối bão hòa 15
Hình 1.5: Ẩm kế tụ ñiện polymer 17
Hình 1.6: Ẩm kế tụ ñiện oxyt Al
2
O
3
18
Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện phân 19
Hình 1.8: Cảm biến nhiệt ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm SHT10 21
Hình 2.1: Hình ảnh trái ñất nhìn từ vệ tinh 22
Hình 2.2: Vệ tinh GPS bay xung quanh trái ñất 23
Hình 2.3: Các thành phần cơ bản của hệ thống GPS 25
Hình 2.4: Vệ tinh GPS 26
Hình 2.5: Cấu trúc tín hiệu GPS 27
Hình 2.6: Các trạm ñiều khiển GPS 28
Hình 2.7: Máy thu GPS Topcon GB-1000 trong kỹ thuật ño ñịa hình 29
Hình 2.8: Kỹ thuật so trùng ñể giải mã tín hiệu từ vệ tinh 30
Hình 2.9: Kỹ thuật giải ña trị tại các máy thu 31
Hình 2.10: Một số nguồn sai số ảnh hưởng ñến ñộ chính xác GPS 31
Hình 2.11: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 32
Hình 2.12: Tọa ñộ vệ tinh 32
Hình 2.13: Toạ ñộ của máy thu 33
Hình 2.14: Kỹ thuật ñịnh vị tương ñối 34
Hình 2.15: ðịnh vị ñộng 35

Hình 2.16: Module GPS GR-89 của hãng Holux 36
Hình 3.1: Sơ ñồ khối 38
Hình 3.2: Vi ñiều khiển PIC18F4550 39
Hình 3.3: LCD loại 16x2 character 40
Hình 3.4: Sơ ñồ khối LCD 41
Hình 3.5: Sơ ñồ khối Keypad 42
Hình 3.6: Sơ ñồ chân cắm USB 42

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

viii

Hình 3.7: Sơ ñồ nguyên lý khối nguồn 48
Hình 3.8: Hình ảnh pin 9V 48
Hình 3.9: Sơ ñồ chân của IC 7805 49
Hình 3.10: Sơ ñồ chân của IC AP1117 49
Hình 3.11: Sơ ñồ mạch GPS 50
Hình 3.12: Inactive GPS antenna 51
Hình 3.13: Active GPS antenna 51
Hình 3.14: Lưu ñồ thuật toán nhận và bóc tách dữ liệu nhận về từ GPS. 54
Hình 3.15: Sơ ñồ kết nối khối cảm biến nhiệt ñộ, ñộ ẩm . 57
Hình 3.16: Sơ ñồ nguyên lý tổng thể mạch thiết bị 58
Hình 4.1: Mạch in phía trên 60
Hình 4.2: Mạch in phía dưới 60
Hình 4.3: Mạch in hai mặt 61
Hình 4.4: Mạch in 3D mặt trên 61
Hình 4.5: Mạch in 3D mặt dưới 62
Hình 4.6: Mạch cho vào vỏ (a) 62
Hình 4.7: Mạch cho vào vỏ ( b) 63
Hình 4.8: Mạch cho vào vỏ hoàn thiện (c) 63

Hình 4.9: Lưu ñồ thuật toán hàm main 65
Hình 4.10: Bản ñồ dữ liệu với Google Earth 66
Hình 4.11: Sơ ñồ tổng quát quá trình ño, lưu dữ liệu và hiển thị trên Google Earth 67
Hình 4.12: Giao diện phần mềm Google Earth 67
Hình 4.13: Chọn Add / Placemark 68
Hình 4.14: Nhập vào các thông số tên, ñịa ñiểm, vĩ ñộ, kinh ñộ 68
Hình 4.15: Kết quả hiển thị ở ngã tư ðại Cồ Việt 69
Hình 4.16: Kết quả hiển thị ở Bến xe Mỹ ðình 69
Hình 4.17: Kết quả hiển thị ở Cầu Giấy 70
Hình 4.18: Kết quả hiển thị ở Bến xe Nước Ngầm 70
Hình 4.19: Thiết kế phần vỏ 71
Hình 4.20: Ảnh sản phẩm mặt trước 72
Hinh 4.21: Ảnh sản phẩm thể hiện cổng kết nối USB và công tắc nguồn 72


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

1

MỞ ðẦU

1. ðặt vấn ñề
Vấn ñề ô nhiễm môi trường là một vấn ñề mang tính toàn cầu và rất cấp
bách hiện nay, ñặc biệt là ñối với nước ta, một nước ñang phát triển, ñang
trong quá trình công nghiệp hóa, hiện ñại hóa. Việc ño và kiểm các thông số
trong môi trường là một việc làm cần thiết ñể bảo vệ môi trường sống của
chúng ta. Chính vì thế trong luận văn này ñã ñề xuất việc thiết kế chế tạo một
thiết bị ño một số thông số của môi trường với kích thước nhỏ gọn (có thể
cầm tay) và có tích hợp GPS dùng ñể ño, kiểm tra môi trường với hy vọng nó
sẽ ñáp ứng ñược nhu cầu thực tế.

2. Nội dung nghiên cứu
Xuất phát từ nhu cầu cần giám sát một thông số môi trường trên diện rộng
(ví dụ như muốn khảo sát phân bố nhiệt ñộ trong thành phố ñể phát hiện các
khu vực có nhiệt ñộ cao hoặc giám sát lượng bụi hoặc khí thải trong khu vực
xung quanh các khu công nghiệp, ta cần một thiết bị ño vừa ño ñược các
thông số môi trường vừa hỗ trợ xác ñịnh tọa ñộ (vị trí) của các ñiểm ño ñể
phục vụ các công tác giám sát và thống kê. Trước ñây việc xác ñịnh vị trí ño
và ghi chép kết quả ñược thực hiện thủ công nên dễ gây nhầm lẫn, ý tưởng
của ñề tài là xây dựng một thiết bị ño có tích hợp GPS ñể các kết quả ño ñược
lưu cùng với tọa ñộ GPS nhằm xác ñịnh vị trí của ñiểm ño trên bản ñồ một
cách dễ dàng.
Theo khảo sát thực tế trên thị trường nước ta và trên thế giới hiện nay
ñang có nhu cầu rất lớn về thiết bị ño kiểm tra môi trường, kiểm tra nhiệt ñộ
và ñộ ẩm có tích hợp bản ñồ số mà ñặc biệt là thiết bị ño nhỏ gọn có thể cầm
tay ñể tiện cho việc cơ ñộng, di chuyển trong quá trình tác nghiệp.
Mặc dù vậy các giải pháp công nghệ ñưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño ở
thời ñiểm hiện tại còn có một số hạn chế nhất ñịnh như:

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

2

– Thiết bị ño có ít chức năng, tính mở không cao.
– Giá thành còn khá cao nên chưa thể mở rộng phạm vi sử dụng.
– Chưa làm chủ ñược công nghệ thiết kế và chế tạo.
Thực tế trên ñã ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị ño nhiệt ñộ, ñộ
ẩm có tích hợp GPS cầm tay ñể giải quyết ñược những vấn ñề trên và ñáp ứng
ñược nhu cầu của thực tiễn như sau:
– Thiết bị có thể ño ñược cả nhiệt ñộ, ñộ ẩm và có tích hợp GPS
– Giá thành chi phí sản xuất thấp

– Thiết bị ño nhỏ gọn có thể cầm tay
Nội dung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch phần cứng thiết bị ño môi
trường nhiệt ñộ, ñộ ẩm với các yêu cầu sau:
• ðo kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường (hiển thị
trực tiếp lên LCD, cảnh báo bằng ñèn LED…)
• Thiết bị ño có kích thước nhỏ gọn (có kích thước không lớn hơn 100 x
60 x 25mm có thể cầm tay).
• Tích hợp hệ thống GPS ñể xác ñịnh vị trí ño và phục vụ việc xây dựng
lên bản ñồ số cho biết các thông tin về môi trường.
• Thiết bị hoạt ñộng sử dụng nguồn Pin.
• ðảm bảo ñộ chính xác cao (sai số ≤ 4,5%), khả năng thích ứng ñối với
môi trường làm việc.
• Lưu trữ số liệu, truyền và trao ñổi số liệu với bộ nhớ trong của thiết bị và
với máy tính.
• Có các phím chức năng ñề cài ñặt các chế ñộ hoạt ñộng.
3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ñể tìm các phương pháp ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp
GPS.
- Dùng mô hình, mô phỏng ñể ñánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

3

- Xây dựng mô hình hệ thống ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp GPS ñể
khẳng ñịnh kết quả nghiên cứu.
4. Phạm vi ứng dụng
Góp phần tổng hợp và bổ sung phương pháp ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm có tích
hợp hệ thống GPS ñể xác ñịnh vị trí ño cho biết các thông tin về môi trường
như:

- Phát hiện các khu vực có nhiệt ñộ cao (xung quanh các nhà cao tầng, khu
công nghiệp nặng có nồng ñộ khí thải cao)
- Trong các khu chế biến, sản xuất…
5. Giới thiệu về các chương mục của luận văn
Trong luận văn gồm có các chương:
Chương I: (Các giải pháp ño thông số môi trường) chương này nêu lên
bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường từ ñó
ñưa ra nguyên lý chung, cấu tạo cơ bản, chức năng hoạt ñộng, các ưu ñiểm,
nhược ñiểm và các thông số của các loại cảm biến nhiệt ñộ và ñộ ẩm. Từ yêu
cầu của bài toán ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm có tích hợp GPS trong luận văn ñã lựa
chọn ñược cảm biến tích hợp ño ñược cả nhiệt ñộ và ñộ ẩm.
Trong chương I gồm các nội dung sau:
– Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi
trường.
– Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài.
– Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn của ñề tài.
– Lựa chọn cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm.
Chương II: (Công nghệ GPS và khả năng tích hợp bản ñồ số trong thiết
bị ño) trình bày về sự ra ñời, các thành phần cũng như các kiểu ñịnh của GPS
từ ñó lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño.
Trong chương II gồm các nội dung sau:
– Công nghệ GPS.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

4

– Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño.
Chương III: (Thiết kế thiết bị ño thông số môi trường có tích hợp bản
ñồ số) trình bày sơ ñồ khối, chức năng tổng thể của các thiết bị, dựa vào sơ ñồ

khối phân tích lựa chọn và thiết kế chi tiết từng khối trong sơ ñồ. Thiết kế
tổng thể mạch của thiết bị.
Trong chương III gồm các nội dung sau:
– Sơ ñồ khối và chức năng các khối
– Lựa chọn và thiết kế vi xử lý
– Lựa chọn và thiết kế khối LCD
– Lựa chọn và thiết kế khối phím
– Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông
– Lựa chọn và thiết kế khối nguồn
– Lựa chọn và thiết kế phần cứng module GPS
– Phân tích và thiết kế phần mềm vi xử lý
– Thiết kế khối cảm biến ño nhiệt ñộ, ñộ ẩm
– Thiết kế tổng thể mạch thiết bị
Chương IV: (Các kết quả triển khai) chương này ñưa ra các hình ảnh
của thiết bị trong quá trình thiết kế như mạch in, mạch thực tế cho vào vỏ của
thiết bị, tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi ñiều khiển các kết quả thử
nghiệm, ứng dụng cập nhật lưu dữ liệu và hiển thị các thông số môi trường
trên Google Earth. Trình bày các bước thiết kế phần vỏ của thiết bị.
Trong chương IV gồm các nội dung sau:
– Mạch phần cứng
– Phần mềm vi xử lý
– Các kết quả thử nghiệm
* Kết luận và ñề nghị

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

5

CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG

1.1 Bài toán ño và kiểm soát nhiệt ñộ, ñộ ẩm trên diện rộng của môi trường
Thực tế hiện nay các thông số môi trường rất nhiều thông số cần ño và
kiểm soát như: nhiệt ñộ, ñộ ẩm, và nồng ñộ các khí CO, CH
4
, NH
3
, H
2
S…
nội dung chính trong luận văn là triển khai thực hiện bài toán ño hai thông số
của môi trường là nhiệt ñộ và ñộ ẩm.
Thiết bị ño trực tiếp các thông số này là cảm biến ño nhiệt ñộ và ñộ ẩm,
các tín hiệu nhiệt ñộ và ñộ ẩm này là các tín hiệu không ñiện. Qua cảm biến
có nhiệm vụ biến ñổi thành tín hiệu ñiện tương ứng dạng Analog, từ ñó ñưa
tới bộ ñiều khiển lập trình (có thể PLC, vi ñiều khiển). Tín hiệu ra từ bộ ñiều
khiển cũng là tín hiệu Analog ñưa tới khuếch ñại và bộ chuyển ñổi hiển thị
ñầu ra các thông số trên màn hình LCD.
Ngoài ra kết hợp trực tiếp với thiết bị ñịnh vị các vị trí ño bằng module
GPS có thể hiển thị các ñiểm ño xây dựng lên bản ñồ số cho biết các thông tin
về môi trường cần ño và kiểm soát.
Vậy bài toán ño hai thông số môi trường là nhiệt ñộ và ñộ ẩm trong ñề
tài này là ño và hiển thị hai thông số trên màn hình LCD, ñồng thời cũng hiển
thị vị trí các ñiểm ño trên màn hình LCD. Tại mỗi ñiểm ño có vị trí tọa ñộ là
bao nhiêu, thông số nhiệt ñộ và ñộ ẩm tại các vị trí là bao nhiêu. Từ các kết
quả ño ta có thể xây dựng ñược mối quan hệ giữa nhiệt ñộ và tọa ñộ, ñộ ẩm và
tọa ñộ của môi trường. Nhìn trên vị trí của một khu vực cần ño trên diện rộng
tại các thời ñiểm cũng như vị trí khác nhau ta có thể kiểm soát ñược hai thông
số môi trường nói trên theo thời gian. Cũng như hướng phát triển của luận văn
có thể tích hợp ñể ño và kiểm soát thêm các thông số khác của môi trường.

1.2. Cảm biến ño nhiệt ñộ nói chung và lựa chọn của ñề tài
1.2.1 Nguyên lý ño nhiệt ñộ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

6

Nguyên lý ño nhiệt ñộ của cảm biến tiếp xúc và cảm biến không tiếp xúc
như sau: Cảm biến tiếp xúc là trao ñổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa ñối
tượng và cảm biến, cảm biến không tiếp xúc là trao ñổi nhiệt xảy ra nhờ vào
bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại cảm biến bị tác ñộng
bởi môi trường ño, gây ra sai số khi ño nhiệt ñộ.
Có hai phương pháp xử lý tín hiệu nhiệt ñộ:
– Phương pháp cân bằng: Nhiệt ñộ xác ñịnh hoàn toàn khi không có sự
sai lệch ñáng kể giữa nhiệt ñộ bề mặt ño và nhiệt ñộ cảm biến, tức là
cân bằng nhiệt ñạt ñến giữa cảm biến và ñối tượng ño.
– Phương pháp dự báo: Cân bằng nhiệt không ñạt ñến trong thời gian
ño, nhiệt ñộ ñược xác ñịnh thông qua tốc ñộ thay ñổi nhiệt của cảm
biến.
1.2.2 Nguyên lý chung
Nhiệt ñộ từ môi trường sẽ ñược cảm biến hấp thụ, tại ñây tùy theo cơ cấu
của cảm biến sẽ biến ñại lượng nhiệt này thành một ñại lượng ñiện nào ñó.
Như thế một yếu tố hết sức quan trọng cần phân biệt ñó là “nhiệt ñộ môi
trường cần ño” và “nhiệt ñộ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể sự khác biệt này
xuất phát từ thực tế các loại cảm biến ñều có vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm
bên trong cái vỏ này (bán dẫn, lưỡng kim…) do ñó việc ño có chính xác hay
không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt từ môi trường vào ñến phần tử cảm
biến tổn thất bao nhiêu (một trong những yếu tố quyết ñịnh chất lượng cảm
biến nhiệt). Có nhiều loại cảm biến ño nhiệt ñộ như:
– Cặp nhiệt ñiện (Thermocouple)

– Nhiệt ñiện trở (RTD)
– Thermistor
– Bán dẫn
– Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế)

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

7

Với mỗi một loại cảm biến nhiệt ñộ thì lại có các cảm biến với các thông
số khác nhau như dải nhiệt ñộ ño và tín hiệu ñiện ra tương ứng ñể tùy vào
từng mục ñích sử dụng ñể lựa chọn.
Sau ñây là ñặc ñiểm cũng như thông số của một số loại cảm biến cụ thể
thường ñược sử dụng thông dụng hiện nay ñể ño và hiển thị nhiệt ñộ cũng
như các chức năng kết hợp với các bộ ñiều khiển thông dụng.
1.2.3. Cảm biến nhiệt ñộ PT100 (RTD)
RTD ñược làm bằng kim loại (thường là platinum), ñiện trở của nó thay
ñổi khi nhiệt ñộ thay ñổi theo qui tắc biết trước một cách chính xác. RTD có
ñộ ổn ñịnh cao nhất trong các bộ biến ñổi. Tín hiệu ñầu ra là tuyến tính, ñiều
này làm cho RTD ñược sử dụng trong các ứng dụng ñòi hỏi ñộ chính xác cao
và thời gian ño dài. PT100 là kí hiệu thường ñược sử dụng ñể nói ñến RTD
với hệ số alpha = 0.00391 và R0 = 100 Ohm. Nhưng cảm biến nhiệt PT100
thì không hoàn toàn tuyến tính, khi nhiệt ñộ càng cao thì sự phi tuyến càng
lớn. Các cảm biến nhiệt ñộ PT100 cũng có nhiều loại như (SP0401.01,
SP0401.02, SP0401.03, SP0401.04…., SP0401.18), về cơ bản có một số các
thông số chính sau:
– Cảm biến nhiệt ñộ - Temperature Sensor – Transmitter.
– Cảm biến nhiệt ñộ - Can nhiệt K, N, E, T, J, Pt100 - 4-20mA.
– Model : LG200-K có dải nhiệt ñộ ño từ -200 ÷ 18000C, tín hiệu ra
4÷20mADC và có nguồn nuôi 12÷36VDC, chúng có một số ưu ñiểm

và nhược ñiểm sau:
• Ưu ñiểm: Chính xác, ổn ñịnh, tuyến tính.
• Nhược ñiểm: ðộ nhạy thấp, cần mạch kích dòng, giá thành cao.

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

8

1.2.4. Cảm biến nhiệt ñộ họ LM34 và LM35 (bán dẫn)
Là cảm biến nhiệt ñộ vi mạch chế tạo từ chất bán dẫn có nhiệt ñộ tỉ lệ ñộ
C, ñộ F hay ñộ K tùy loại. Tầm ño nhiệt ñộ giới hạn từ -55 ÷ 150
0
C, ñộ chính
xác từ 1
0
C ñến 2
0
C tùy từng loại.
ðối với các bộ cảm biến phi tuyến việc viết phần mềm tương ñối phức
tạp, vì vậy các nhà sản xuất ñã cho ra thị trường các cảm biến nhiệt tuyến
tính, ñơn giản và sử dụng rộng rãi gồm họ LM34 và LM35.
LM34 là họ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có ñiện áp ñầu
ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt ñộ, không yêu cầu cần phải cân chỉnh ngoài vì nó
ñã ñược cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 1
0
F.
LM35 cũng là họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao có ñiện áp
ñầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt ñộ theo thang ñộ C, không yêu cầu cần phải
cân chỉnh ngoài vì nó ñã ñược cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 1
0

C.
Thông số kỹ thuật chính của họ cảm biến LM34 và LM35
– Họ LM34 có mã hiệu, tầm ño, ñộ chính xác, ñầu ra như sau:
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34
TT Mã hiệu Tầm ño
ðộ chính
xác
ðầu ra
1 LM34A -55
0
C÷300
0
C 2
0
F 10mV/F

2 LM34 -55
0
C÷300
0
C 3
0
F 10mV/F

3 LM34CA -40
0
C÷230
0
C 2
0

F 10mV/F

4 LM34C -40
0
C÷230
0
C 3
0
F 10mV/F

5 LM34D -32
0
C÷212
0
C 4
0
F 10mV/F


– Họ LM35 có mã hiệu, tầm ño, ñộ chính xác, ñầu ra như sau:


Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

9

Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35
TT

Mã hiệu Tầm ño

ðộ chính
xác
ðầu ra
1 LM35A
-
55
0
C÷150
0
C

1
0
C 10mV/F

2 LM35
-
55
0
C÷150
0
C

1,5
0
C 10mV/F

3 LM35CA
-
40

0
C÷110
0
C

1
0
C 10mV/F

4 LM35D -0
0
C÷100
0
C 2
0
C 10mV/F


Ưu ñiểm:
• Dễ dàng tích hợp với các thiết bị khác
• Giá thành thấp
• Kích thước nhỏ gọn
• Ngõ ra có ñiện áp, dòng ñiện hoặc số với ñộ K, F, C
Nhược ñiểm:
• Tầm nhiệt ñộ thấp
• Cần mạch kích

1.3. Cảm biến ño ñộ ẩm nói chung và lựa chọn ñề tài
1.3.1 Khái niệm chung
Trong không khí luôn có một lượng hơi nước nhất ñịnh tùy theo nhiệt ñộ

và áp suất của không khí. ðộ ẩm của không khí quyết ñịnh bởi hơi nước bay
hơi trong không khí ở một ñiều kiện nhiệt ñộ và áp suất nào ñó.
Một số khái niệm cần phân biệt

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

10

– Tỷ lệ trộn: Là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước m
h
và khối lượng không
khí khô m
k
trong một ñơn vị thể tích



– ðộ ẩm tuyệt ñối: Là khối lượng hơi nước tính ra gam chứa trong 1m
3

không khí khô (U
a
)
Ở một nhiệt ñộ nào ñó, lượng hơi nước càng lớn thì ñộ ẩm càng lớn. Tới
một lúc nào ñó thì ñộ ẩm không tăng ñược nữa. ðó là ñộ ẩm cực ñại (U
a
max)
tương ứng với lượng hơi nước lớn nhất mà không khí chứa ñược trong 1m
3
.

Nếu quá lượng ñó hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước, ví dụ ở 300
0
C thì ñộ ẩm
cực ñại của không khí là 30,3 g/m
3
áp suất lúc này gọi là áp suất hơi nước bão
hoà bằng 318 mmHg. Áp suất trong không khí ẩm ở nhiệt ñộ T là tổng 2 áp
suất riêng phần của không khí khô (P
k
) và của hơi nước (P
h
).
k h
P P P
= +

Không khí có ñộ ẩm cực ñại ở nhiệt ñộ T sẽ có áp suất hơi bão hoà ở
nhiệt ñộ ñó. ðó là áp suất lớn nhất mà khí ẩm có ñược ở nhiệt ñộ T.
– ðộ ẩm tương ñối: Là tỷ số (%) giữa ñộ ẩm tuyệt ñối và ñộ ẩm cực ñại
ở nhiệt ñộ T.
% 100%
max
a
a
U
U
U
= ⋅

Cũng có thể hiểu ñộ ẩm tương ñối (%) là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi

nước và áp suất hơi nước bão hoà ở nhiệt ñộ T.
% 100%
max
v
v
P
U
P
= ⋅

h
k
m
r
m
=

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

11

Không khí chưa bão hoà còn gọi là hơi khô. Hơi khô T
0
có thể biến
thành hơi bão hoà theo cách nén ở cùng T
0
ñể áp suất ñạt áp suất bão hoà
p
vmax
làm lạnh ở thể tích không ñổi ñể áp suất trở thành áp suất bão hoà. Hơi

bão hoà có thể trở thành hơi khô bằng các cách ngược lại:
– Cho dãn nở ở nhiệt ñộ không ñổi.
– Tăng nhiệt ñộ ở thể tích không ñổi.
– Kết hợp cả hai.
– ðiểm sương: Khi không khí ẩm bị lạnh xuống ñến nhiệt ñộ nào ñó thì
hơi nước trong không khí trở thành bão hoà. Xuống quá nhiệt ñộ ñó thì
sẽ có hơi nước ngưng tụ (thành sương). ðiểm sương là nhiệt ñộ mà tại
ñó hơi nước trong không khí trở thành bão hoà (ñộ ẩm 100%).
Việc ño ñộ ẩm của chất khí nói chung và của không khí nói riêng là rất
quan trọng vì ñộ ẩm khí liên quan tới sinh hoạt của con người cũng như hoạt
ñộng của các thiết bị máy móc trong mọi lĩnh vực. Với con người ñộ ẩm
tương ñối phù hợp có khoảng rộng từ 35% ñến 70%. ðộ ẩm quá thấp sẽ làm
con người mất nước vì bay hơi nhanh, ảnh hưởng tới sức khoẻ và nhất là bộ
máy tiêu hoá. ðộ ẩm quá cao sẽ gây khó cho sự toát mồ hôi, bài tiết ngưng trệ
gây cảm giác oi bức hoặc rét buốt. Với thiết bị máy móc, ñộ ẩm cũng ảnh
hưởng tới quá trình vận hành có thể gây hư hỏng, thậm chí không làm việc
ñược. Trong công nghiệp dệt ñộ ẩm cao ảnh hưởng tới sức căng của sợi dệt
tới quá trình nhuộm in. Trong công nghệ in, ñộ ẩm cao gây dính giấy ở máy
in tờ rời. Trong công nghiệp ñộ ẩm cao dễ gây gỉ máy móc. Trong công
nghiệp thực phẩm ñộ ẩm ảnh hưởng tới quá trình bảo quản, chế biến. Trong
công nghiệp ñiện tử ñộ ẩm ảnh hưởng tới hoạt ñộng của các mạch in. Trong
truyền dẫn ñiện ñộ ẩm cao gây mất an toàn, tăng tổn hao…
Các cảm biến ñộ ẩm làm việc trên hai nguyên lý:



Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

12

– Nguyên lý vật lý cho phép xác ñịnh trực tiếp ñộ ẩm.
– Nguyên lý dựa vào việc ño tính chất của vật liệu có liên quan ñến ñộ
ẩm rồi suy ra ñộ ẩm.
1.3.2 Ẩm kế ngưng tụ
Ẩm kế ngưng tụ còn gọi là ẩm kế gương làm việc dựa theo nguyên lý:
ðo liên tục nhiệt ñộ một vật ñược làm lạnh cho ñến khi hình thành lớp
sương hoặc lớp băng trên bề mặt ổn ñịnh quá trình làm lạnh ñể giữ cân bằng
trạng thái giữa không khí lớp sương. Nhiệt ñộ ño ñược lúc này là ñiểm sương
T
d
(hay ñiểm băng giá T
r
ño áp suất hơi trong khí ẩm và suy ra ñộ ẩm).
Do nhiều thao tác nên kết quả chính xác phải nhờ hệ thống tự ñộng.
Nguyên lý kết cấu bao gồm các bộ phận sau:


Hình 1.1: Nguyên lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ
1. Nguồn sáng 4. Bộ ñốt nóng, làm lạnh
2. ðầu thu quang 5. Gương kim loại
3. Bộ ñiều chỉnh 6. Cảm biến nhiệt ñộ
Gương kim loại và hệ thống ñiều chỉnh nhiệt ñộ gương.
– CB ño nhiệt ñộ gương (ñiện trở Pt hay cặp nhiệt).
– Nguồn sáng và ñầu ño quang.
Bố trí gương ñể khi không có ngưng tụ hơi nước, nguồn sáng chiếu vào
gương thì các tia phản xạ không ñến ñược ñầu thu quang. Bộ làm lạnh gương
hoạt ñộng ñến khi có ngưng tụ trên gương. Lớp sương ở bề mặt gương làm

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

13

ánh sáng tán xạ tới ñầu thu quang và qua bộ ñiều chỉnh sẽ cho tín hiệu nung
nóng gương. Khi nhiệt ñộ gương tăng, lớp sương không còn thì ánh sáng tán
xạ tới ñầu thu quang cũng không còn. Lúc này bắt ñầu một chu kỳ làm lạnh
mới. ðiều chỉnh thích hợp bộ ñiều chỉnh ñể nhận ñược lớp ngưng tụ có bề dày
cố ñịnh và tạo ra trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ. Cảm biến
nhiệt ñộ sau gương xác ñịnh ñiểm sương T
d

Ưu ñiểm: ðo chính xác phạm vi ño rộng (-70
0
C ÷ 100
0
C) giới hạn ño
trên có thể cao hơn. ðộ chính xác khi ño T
d
phụ thuộc vào ñộ chính xác của
cảm biến ño nhiệt ñộ và sai số hệ thống. ðộ chính xác tới ± 0,2
0
C.
Nhược ñiểm: Phức tạp về cấu tạo, giá thành cao, phải ñiều chỉnh thường
xuyên.

Hình 1.2: ðầu ño ẩm kế ngưng tụ
1. Khối quang 2. Tế bào quang dẫn
3. Cửa sổ 4. Gương
5. Khí 6. ðo nhiệt ñộ
7. Bộ làm nguội 8. ðiện trở ñốt nóng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

14

1.3.3 Ẩm kế hấp thụ
Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ như sau: Ống kim loại 4 có
bọc cách ñiện ñược bao phủ xung quanh bởi một lớp vải 2 tẩm dung dịch bão
hoà muối LiCI. Trong lớp này có quấn 2 dây bằng kim loại không bị ăn mòn
ñặt cách nhau và dùng làm 2 ñiện cực 3 cấp ñiện từ một máy biến áp. Dòng
ñiện tạo bởi 2 ñiện cực chạy qua dung dịch muối sẽ ñốt nóng và làm bay hơi
nước. Khi nước bay hơi hết, ñộ dẫn của LiCI tinh thể nhỏ hơn nhiều so với ñộ
dẫn dung dịch, nên dòng ñiện giữa 2 ñiện cực giảm kể và nhiệt ñộ giảm. Vì
LiCI là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước từ không khí ñộ ẩm tăng ñộ
dẫn tăng, dòng ñiện tăng và lớp phủ LiCI lại bị ñốt nóng. Cuối cùng sẽ có
hiện tượng cân bằng giữa áp suất hơi bão hoà phía trên dung dịch muối và áp
suất hơi trong không khí. Cân bằng này xảy ra lúc áp suất ñạt bão hoà và ñiểm
sương. Việc ño nhiệt ñộ nhờ cảm biến ño nhiệt ñộ 1 bằng ñiện trở Pt.
Như vậy ñể ẩm kế hấp thụ làm việc ñược cần phải có 2 ñiều kiện:
1. Ở cùng nhiệt ñộ, áp suất hơi trên dung dịch bão hoà chứa các muối
hoà tan (như LiCI) phải nhỏ hơn áp suất hơi trên nước ñể có thể hút
nước từ không khí và muối.
2. ðộ dẫn ñiện của muối kết tinh nhỏ hơn nhiều của dung dịch muối ñó (cỡ 10
-
3
÷10
-4
) ñể việc nung nóng giảm khi nước bay hơi khỏi dung dịch.

1. Cảm biến ño nhiệt
ñộ bằng ñiện trở Pt
2. Lớp bọc tẩm dung
dịch muối LiCl
3. ðiện cực
4. Ống kim loại bọc
cách ñiện
Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

15

Do ñó, muối LiCl ñược sử dụng vì ñáp ứng tốt ñiều kiện ñầu.
20 40

60 80 1
00

Hình 1.4: Các ñường cong áp suất hơi theo nhiệt ñộ của một số dung dịch
muối bão hòa
Bảng 1.3 cho biết các áp suất hơi bão hòa trên nước và trên dung dịch
bão hòa muối LiCl ở nhiệt ñộ khác nhau. Cột cuối cho quan hệ so sánh %
giữa các áp suất bão hòa ñó.
Bảng 1.3: Các áp suất hơi bão hòa
Nhiệt ñộ dung
dịch (
0
C)

Áp suất hơi bão
hòa trên mặt
nước (Pa)
Áp suất hơi bão
hòa trên mặt
dung dịch LiCl
(Pa)
Tỷ số giữa các áp
suất bão hòa
ax
max 2
( )
%
( )
vm
v
P LiCl
u
P H O
=

5 872,47 119,2 13,7
10 1227,94 157,6 12,8
15 1705,32 203,6 11,9
20 2338,54 260,6 11,1
25 3168,74 353,2 11,1
30 4245,20 473,9 11,2
35 5626,45 628,7 11,2
40 7381,27 823,6 11,2
45 9589,84 1066,1 11,1

50 12344,78 1364,6 11,1
55 15752,26 1727,5 11,0
60 19933,09 2163,4 10,9
65 25023,74 2681,1 10,7

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………

16

Ưu ñiểm: Do ñiểm sương chính xác cao, kết cấu ñơn giản, tin cậy và giá
thành thấp. So với ẩm kế ngưng tụ thì không phải làm lạnh.
Nhược ñiểm: Thời gian ñáp ứng lớn (hàng chục phút). Dải ño hạn chế (từ
-10
0
C ñến 60
0
C).
1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng
Ẩm kế loại này dựa vào sự thay ñổi tính dẫn ñiện (hoặc cách ñiện) của
một phần tử nhạy hút ẩm khi nó hút ẩm (hút nước từ không khí). Lượng nước
hút sẽ nhiều hơn khi ñộ ẩm không khí lớn. Vậy phần tử nhạy phải bằng các
chất mà tính dẫn ñiện (hoặc cách ñiện) của nó thay ñổi theo lượng nước mà
nó hút từ không khí. Sự thay ñổi này phải tuyến tính, có tính thuận nghịch và
ổn ñịnh theo thời gian.
Xét các ẩm kế biến thiên trở kháng phổ biến.
a. Ẩm kế ñiện trở
Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế ñiện trở khá ñơn giản. Chất hút ẩm có ñiện
trở biến thiên theo ñộ ẩm ñược phủ trên một ñế cách ñiện. Hai ñầu có 2 ñiện
cực bằng kim loại không bị oxy hoá (inoxydable). ðiện trở giữa 2 ñiện cực
R

m
ñược ño qua ñiện áp ñặt vào ñiện cực và dòng chạy qua phần tử nhạy cảm
là chất hút ẩm. ðiện trở R
m
không chỉ phụ thuộc vào ñộ ẩm mà còn cả vào
nhiệt ñộ.
ðiện trở R
m
thay ñổi khá rộng theo ñộ ẩm, từ vài MΩ ñến 80MΩ.
ðể R
m
chỉ còn phụ thuộc ñộ ẩm, ẩm kế ñược bù trừ ảnh hưởng của nhiệt
ñộ theo sơ ñồ mạch. ðiện trở R
a
mắc nối tiếp với R
m
phải có cùng hệ số nhiệt
ñiện trở với R
m
nhờ vậy do nhiệt ñộ mà R
m
tăng (giảm) bao nhiêu thì R
a
cũng
tăng (giảm) bấy nhiêu và tỷ số U
2
trên U
1
giữ nguyên (khi nhiệt ñộ thay ñổi).
Khi ñộ ẩm thay ñổi thì tỷ số này thay ñổi từ ñó có thể suy ra U%.

Ẩm kế ñiện trở có kích thước nhỏ nên thời gian ñáp ứng nhanh (vài
giây), giá thành thấp, ít chịu ảnh hưởng của môi trường (có thể sử dụng ở nơi
có hoá chất).