Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch giám sát các thông số nhiệt độ và độ ẩm qua sóng wifi

ĐỒ ÁN VI XỬ LÍ TRONG ĐIỀU KHIỂN

Đề tài : “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch giám sát các thông số
nhiệt độ và độ ẩm qua sóng wifi”

Người hướng dẫn: Lại Văn Song
Bộ môn:

Tự Động Hóa

SV thực hiện:
Hoàng Minh Tuấn

576145

Nguyễn Thị Phương Dung

573100

Đặng Thị Phương

573125

Nguyễn Xuân Nam

576202

Cao Duy Hải

576177

Đặt Vấn Đề
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, đã làm cho
cuộc sống của chúng ta ngày càng được nâng cao về mọi mặt cả trong sinh hoạt
hàng ngày cũng như trong sản xuất. Với xu hướng tự động hoá và mục tiêu tăng
năng suất lao động nhiều thiết bị máy móc và các mạch điện tử đã được nghiên cứu
và ứng dụng trong thực tế. Với sự ra đời của các mạch điện tử đã làm tăng đáng kể
năng suất lao động và làm giảm sức lao động của con người trong quá trình sản
xuất. Vì vậy, những ứng dụng mang tính tự động ngày càng được sử dụng rộng
rãi. Trong đó có sự đóng gióp không nhỏ của kỹ thuật vi điều khiển. Các bộ vi điều
khiển liên tục được cải tiến và sử dụng ngày càng phổ biến ở mọi mặt của đời sống
xã hội. Hầu hết các thiết bị được ứng dụng hiện nay từ thiết bị tự động cho văn
phòng đến gia đình hay nhà xưởng đều có thể dùng các thiết bị vi xử lí đem lại sự
tiện nghi cho con người trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
Đo nhiệt độ , độ ẩm môi trường là vấn đề khá phức tạp ngày nay cũng trở nên
đơn giản và dễ làm. Không cần phải dùng các thiết bị thô sơ như các loại nhiệt kế
rồi phải tự tay kiểm tra như trước nữa, chúng ta có thể áp dụng các kiến thức đã
học để tạo ra một mạch vi điều khiển đơn giản để kiểm soát nhiệt độ độ ẩm ở bất kì
môi trường nào.
Với suy nghĩ đó, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết
kếvàchếtạo mạch giám sát các thông số nhiệt độvà độ ẩm qua sóng wifi”. Đây
được coi là một trong những đề tài đang được tìm hiểu và thiết kế khá nhiều trong
lĩnh vực tự động hóa ngày nay. Nó giúp con người có thể tiện theo dõi các chỉ số
về nhiệt độ và độ ẩm của căn phòng, nhà xưởng, nhà lưới…mà không cần mất
nhiều thời gian như trước. Đồng thời, mạch cũng có khả năng điều chỉnh nhiệt độ,
độ ẩm khi tăng đột ngột hay giảm bất thường.


Đề tài của chúng em có sự tham gia của tất cả các thành viên trong nhóm nhằm
tạo ra được sản phẩm mạch điều khiển cuối cùng có tính ứng dụng cao.

Mặc dù có sự cố gắng nhưng trong quá trình nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm em
không thể tránh khỏi các sai sót vì thiếu kinh nghiệm cũng như kiến thức còn nhiều
hạn chế. Mong thầy xem xét và đóng góp ý kiến để đề tài của nhóm em có thể
hoàn thiện hơn…

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU


1

Giới thiệu về nhiệt độ và độ ẩm

Nhiệt độ là một đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng của hầu hết các
quy trình công nghệ cũng như môi trường sống của con người. Vì vậy thiết bị
đo nhiệt độ tồn tại ở mọi nơi trong đời sống và kỹ thuật. Nhiệt độ là đại lượng
vật lý biểu thị mức độ nóng lạnh của vật thể và môi trường. Giá trị nhiệt độ
đặc trưng cho năng lượng động học trung bình chuyển động của các phần tử
vật chất. Nó là một trong những thông số của trạng thái nhiệt.
Bên cạnh nhiệt độ, độ ẩm cũng là một trong các đặc trưng nhất của khí hậu
hay môi trường và đặc biệt có ý nghĩa quan trọng trong các quy trình công
nghệ hay sức khỏe của con người. Trong khí quyển, độ ẩm tồn tại trong phạm
vi rất rộng từ phần triệu ppm đến hơi nước bão hòa ở 100 độ C, trong khoảng
nhiệt độ lớn từ -60độ C đến 1000 độ C, có thể lẫn tạp chất và hóa chất khác
nhau.
Độ ẩm thường đi đôi với nhiệt độ, nếu nhiệt độ không khí càng thấp, trời trở
lạnh và kèm theo đó là độ ẩm tăng lên, lượng hơi nước trong không khí sẽ dần
đạt tới trạng thái bão hòa. Ngược lại nhiệt độ tăng, thời tiết ấm dần thì độ ẩm
không khí cũng sẽ giảm xuống mức nhất định. Độ ẩm và nhiệt độ giữ vai trò
quan trọng, có cả tích cực và tiêu cực nhưng ít khi hai yếu tố này được chú ý
một cách đúng mực. Nếu hai yếu tố này bị chênh lệch dù lên cao hay xuống

thấp cũng sẽ gây nên tình trạng sinh sôi của các loại vi khuẩn gây bệnh, gây
khô nứt da, đề kháng con người bị ảnh hưởng. Đối với các công đoạn sản xuất,
nó ít nhiều sẽ ảnh hưởng tới các sản phẩm mà ta sản xuất cũng như sức khỏe
người vận hành.
1.2 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và xây dựng mô hình điều khiển dựa trên module wifi ESP8266
V12E.Từ đó phát triển cao hơn, đưa bộ điều khiển áp dụng vào trong thực tế.


Làm quen với việc tính toán thiết kế , chế tạo, nguyên lý hoạt động của mô
hình và củng cố phần lý thuyết về mạch điện tử, cảm biến và mạch điều khiển bằng
vi điều khiển.
1.3 Nội dung đề tài
Việc thực hiện nghiên cứu đề tài ‘‘Nghiên cứu thiết kếvà chếtạo mạch giám
sát các thông số nhiệt độ, độ ẩm qua sóng wifi”. trong điều kiện :
- Thời gian thực hiện đề tài trong một học kỳ .
- Kinh nghiệm thực tế chưa nhiều .
- Vật tư và linh kiện không đồng bộ .
Vì vậy chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài với những đặc điểm chính sau
đây:
- Lập trình cho module Wifi ESP8266 trên Arduino IDE.
- Thiết kết chế tạo mạch điều khiển nhiệt độ, độ ẩm
- Tìm hiểu 1 số linh kiện có trong đồ án
- Các loại relay có trong đồ án
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kế thừa: Kế thừa từ các tài liệu, công trình nghiên cứu trước đó
về hai mảng chính của đề tài: Cấu trúc cấu trúc, ứng dụng của ESP8266 và điều
khiển nhiệt độ.
Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Sau khi đã xây dựng xong cơ sở lý
thuyết của đề tài sẽ tiến hành thử nghiệm sự hoạt động trên các thiết bị hiện có.

Các bước tiến hành nghiên cứu là tìm hiểu cơ sở lý thuyết về vấn đề nghiên
cứu, tiến hành thiết kế chương trình điều khiển và mạch điều khiển, sau đó thử
nghiệm trên mô hình để đưa ra kết luận.
1.5. Phạm vi ứng dụng
Đề tài là mô hình thu nhỏ , tuy nhiên, nó được ứng dụng rộng rãi ở các môi
trường khác nhau như nhà ở, nhà xưởng, nhà kính…. Trong sản xuất cũng như sinh
hoạt.


CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN
VÀ CÁC THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ ĐƯỢC SỬ DỤNG
TRONG ĐỀ TÀI
2.1 Module Wifi ESP8266_V12E
ESP8266 là một module SOC với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức
TCP/IP, có thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp
trên chip, có khả tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian.
Mỗi Module WiFi được tích hợp sẵn một firmware với các tập lệnh AT, tuy nhiên
đã có thêm nhiều phiên bản firmware hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, trong đó có LUA và
Arduino. Chính vì thế chúng ta thể dùng bất kì board Arduino nào để điều khiển
thu phát thông qua giao tiếp nối tiếp. Đặc biệt ESP8266 là một sản phẩm công
nghệ giá hấp dẫn, có hiệu năng lớn và một cộng đồng phát triển lớn, ngày càng
hùng hậu trên khắp thế giới.

2.1.1 Tổng quan về ESP8266V12E


ESP8266 được sản xuất bởi Espressif Systems tại Thượng Hải, Trung Quốc.
Các đặc điểm của chip ESP8266 được tóm tắt như sau:

•

Wifi chuẩn 802.11b/g/n.

•

Tích hợp CPU 32-bit RISC: Tensilica Xtensa LX106 chạy ở 80MHz *

•

Tích hợp bộ đọc 1xADC 10 bit

•

16 chân GPIO.

•

Hỗ trợ giao tiếp UART, I2C, SPI

•

I2S giao tiếp với DMA

•

64 KB RAM.

•

4MB bộ nhớ chương trình với ESP8266V12E.
* Cả hai CPU và tốc độ flash có thể được tăng lên gấp đôi khi ép xung trên
một số thiết bị. CPU có thể được chạy ở 160 MHz và flash có thể được tăng
tốc lên từ 40 MHz đến 80 MHz.

Hình 2.1 Sơ đồ khối của ESP8266


Nguyên lí : Để truyền dẫn ữ liệu qua wifi chúng cần kết nối module wifi
ESP8266. Nguyên lý hoạt động cấp nguồn 3.3v cho cả hai chân EN và Vcc để
module vào chế độ hoạt động.Để gửi dữ liệu qua wifi ta cần kết nối module với hai
chân Txd, RxD của module UART hoặc IC có giao tiếp UART để nhận lệnh AT từ
IC hoặc module UART. Khi gửi lệnh AT thì module ESP8266 gửi trả về một dòng
lệnh để biết được lệnh yêu cầu đó có được thực hiện hay không.

2.1.2 Mô tả chân ESP8266
a) Sơ đồ chân ESP8266

Hình 2.2 Sơ đồ chân ra của ESP8266


b. Chân ngõ ra của phiên bản ESP-12.

Hình 2.3 : Sơ đồ chân ngõ ra ESP-12


2.1.3 : Các tập lệnh AT

2.2. Module Wifi Node MCU ESP8266 IOT- ESP 12
2.2.1. Chức năng.
Giám sát các thông số của hệ thống và gửi về server
Module Node MCU tích hợp sẵn chíp CP2102 cao cấp
Giúp người sử dụng lập trình sẵn trên bo mạch mà không cần bất cứ một công cụ
nào khác.
Tất cả chân của ESP8266 được đưa ra ngoài để linh động trong quá trình thiết kế
và chạy thử.
Kit ESP 8266 là kít phát triển dựa trên nền chip wifi SOC ESP8266 với thiết kế dễ
dàng sử dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chip 2102 trên board.


Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lí vì thể có thể trực tiếp lập trình trên nó
mà không cần một con vi xử lí gián tiếp nào khác.

Thông số kỹ thuật:
•

Ic chính ESP8266 Wifi SoC

•

Chip nạp CP2102

•

Nguồn cấp 5vdc

•

GPIO giao tiếp mức logic 3.3v


2.2.2. Sơ đồ chân


Hình 2.4: Sơ đồ chân Module Wifi Node MCU ESP8266 IOT- ESP 12

2.2. Relay
2.2.1 Giới thiệu
Rơ-le là một loại linh kiện điện tử thụ động rất hay gặp trong các ứng dụng thực
tế. Khi bạn gặp các vấn đề liên quan đến công suất và cần sự ổn định cao, ngoài ra
có thể dễ dàng bảo trì, thì rơ-le chính là cái bạn cần tìm. Vì vậy, hôm nay, chúng ta
sẽ cùng nhau tìm hiểu về relay và các ứng dụng của nó trong cuộc sống!
2.2.2 Relay (rơ-le) là gì ?
Từ rơ-le là từ vay mượn từ tiếng nước ngoài (cụ thể là tiếng Pháp) nên trong từ
đó không bao hàm ý nghĩa gì nhiều. Vì vậy, ta sẽ không phân tích rơ-le là gì thông
qua tên gọi của nó. Vì vậy, sẽ sử dụng những linh kiện điện tử khác mà chắc chắn
đã biết rồi để diễn giải!


Rơ-le là một công tắc (khóa K). Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le
được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng
làm công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở.
"Khi nào nó đóng? Khi nào nó mở? và làm sao thay đổi được trạng thái của
nó?,..." đó chính là những câu hỏi mà chúng ta cần tìm kiếm câu trả lời.

2.2.3 Các loại rơ-le và cách xác định trạng thái của nó

Trên thị trường chúng ta có 2 loại module rơ-le: module rơ-le đóng ở mức

thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng),module rơ-le đóng ở mức
cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Nếu so sánh giữa 2 module
rơ-le có cùng thông số kỹ thuật thì hầu hết mọi kinh kiện của nó đều giống nhau,
chỉ khác nhau ở chỗ cái tranzito của mỗi module. Chính vì cái transistor này nên
mới sinh ra 2 loại module rơ-le này (có 2 loại transistor là NPN - kích ở mức cao,
và PNP - kích ở mức thấp).
Làm sao để nhận biết được module rơ-le nào thuộc loại nào? Có 3 cách :
- Hỏi người bán và sau khi mua về chúng ta đặt ngăn nắp, loại nào ra loại
đấy.
- Kiểm tra module rơle bằng cách thử cấp nguồn vào các chân điều khiển
- Tìm trên google thử tên của loại transistor mà module rơ-le đó dùng, nếu là
loại NPN là module rơ-le kích ở mức cao, và nếu là PNP thì module rơ-le ấy là loại
kích ở mức thấp.


Module relay kích ở mức cao

Module relay kích ở mức thấp
Thông số của một module relay
Một module rơ-le được tạo nên bởi 2 linh kiện thụ động cơ bản là rơ-le và
transistor, nên module rơ-le có những thông số của chúng.
Hiệu điện thế kích tối ưu
o

Cái này bạn phải hỏi người bán và người bán sẽ đáp ứng đúng loại
phù hợp với bạn. Ngoài ra bạn có thể xem ảnh dưới (mục số 5)


o

•

Chẳng hạn, bạn cần một module relay sẽ làm nhiệm vụ bật tắt một
bóng đèn (220V) khi trời tối từ cảm biến ánh sáng hoạt động ở mức 512V thì bạn bảo họ bán loại module relay 5V (5 volt) hoặc module
relay 12V (12 volt) kích ở mức cao (bạn xem bài viết cảm biến ánh
sáng để xem cách hoạt động của cảm biến và suy ra tại sao lại dùng
module relay kích ở mức cao).

Các mức hiệu điện thế tối đa và cường độ dòng điện tối đa của đồ dùng điện
khi nối vào module rơ-le
o

Cái này bạn xem phía trên relay thôi. Bạn xem ví dụ về hình ảnh ở
dưới nhé

10A - 250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu
điện thế <= 250V (AC) là 10A.
10A - 30VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu
điện thế <= 30V (DC) là 10A.
10A - 125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu
điện thế <= 125V (AC) là 10A.


10A - 28VDC: Cường độ dòng điện tối đa qua các tiếp điểm của rơ-le với hiệu
điện thế <= 28V (DC) là 10A.
SRD-05VDC-SL-C: Hiện điện thế kích tối ưu là 5V.
Cách sử dụng Rơle
Vì sao đến bây giờ mình mới nói đến cách sử dụng rơ-le? Bởi vì mình muốn các
bạn nắm các thông số cơ bản trước nhằm tránh các trường hợp xấu có thể xảy ra...
Rơ-le bình thường gồm có 6 chân. Trong đó có 3 chân để kích, 3 chân còn lại nối

với đồ dùng điện công suất cao.
3 chân dùng để kích:
o

+: cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này.

o

- : nối với cực âm

o

S: chân tín hiệu, tùy vào loại module rơ-le mà nó sẽ làm nhiệm vụ
kích rơ-le


Nếu bạn đang dùng module rơ-le kích ở mức cao và chân S bạn
cấp điện thế dương vào thì module rơ-le của bạn sẽ được kích,
ngược lại thì không.



Tương tự với module rơ-le kích ở mức thấp.

3 chân còn lại nối với đồ dùng điện công suất cao:
o

COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, nhưng mình
khuyên bạn nên mắc vào đây chân lửa (nóng) nếu dùng hiệu điện thế
xoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện một chiều.

o

ON hoặc NO: chân này bạn sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện
xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều.

o

OFF hoặc NC: chân này bạn sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng
điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều.

2.3 : Phần mềm Blynk


Phần mềm Blynk là một phần mềm được thiết kế cho Android, iOS cho chúng ta
khả năng tự tạo ứng dụng kết nối với các board Arduino, Raspberry và các bo
mạch khác để điểu khiển chúng.
Blynk giúp bạn điều khiển thiết bị từ xa qua internet, thu thập dữ liệu của cảm
biến, ảo hóa việc giao tiếp và thực hiện nhiều việc khác
Nguyên lý làm việc là khi bạn nhấn nút điều khiển, lệnh sẽ được truyền về server
của Blynk, sau đó Blynk gửi lệnh về module điều khiển, module sau khi chạy lệnh
sẽ gửi lại kết quả theo quy trình ngược lại nghĩa là từ thiết bị gửi về server rồi từ
server gửi về điện thoại của bạn.
Sử dụng Blynk bạn không cần phải biết viết app cho Android, chỉ với thao tác rê
và thả các đối tượng trong giao diện và vài thiết lập là xong.
Trước khi biết Blynk, để điều khiển được thiết bị qua Internet, tôi phải làm rất
nhiều việc như mở port modem trong nhà, đăng ký dịch vụ tên miền như DynDNS,
No-IP để tự cập nhật địa chỉ IP modem, viết code cho phần cứng, viết ứng dụng
cho phần cứng biến phần cứng đó thành một webserver để điều khiển từ trình
duyệt web, viết app android hay iOS, tất cả những điều trên rất dễ làm nản lòng

nếu một trong các giai đoạn đó chưa được thực hiện rốt ráo.
Bây giờ với Blynk, bạn cần các module phần cứng được hỗ trợ và app này vậy là
xong. Bạn có thể điều khiển thiết bị dựa trên Internet qua mạng LAN, mạng
Internet bất kỳ chổ nào và thậm chí 3G, rồi cả 4G nữa. Tất cả đều không còn là vấn
đề, vấn đề còn lại là bạn làm ra thiết bị để sử dụng vào việc gì


Phần mềm Blynk được cài trên Android
Nguyên lý làm việc là khi nhấn nút điều khiển, lệnh sẽ được truyền về server của
Blynk.Sau đó, Blynk gửi lệnh về module điều khiển, module sau khi chạy lệnh sẽ
gửi lại kết quả theo quy trình ngược lại từ thiết bị gửi về server rồi từ server gửi về
điện thoại.


Sơ đồ kết nối mạng của Blynk

2.4 Cảm biến DHT11
Giới thiệu:
- DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
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 giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ
liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ
liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. So với cảm biến đời mới
hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều.
Tuy nhiên, nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi
không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm.


- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình. Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.
- Thông số kỹ thuật:

+ Đo độ ẩm: 20%-95%
+ Nhiệt độ: 0-50ºC
+ Sai số độ ẩm ±5%
+ Sai số nhiệt độ: ±2ºC
2. Nguyên lý hoạt động:
- Sơ đồ kết nối vi xử lý:


- Nguyên lý hoạt động:
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
+Gửi tin hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.
+ Khi đã giao tiếp được với DHT11, Cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ
đo được.
- Bước 1: gửi tín hiệu Start