THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU DATALOGGER

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU DATALOGGER

Họ và tên sinh viên: LÊ NGỌC ĐỨC

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khoá: 2011-2015

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2015


THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU DATALOGGER

TÁC GIẢ

LÊ NGỌC ĐỨC

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kỹ sư chuyên ngành
Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:
TH.S ĐÀO DUY VINH

Tháng 06 năm 2015

1

LỜI CẢM ƠN

Với kiến thức được thầy cô trang bị trong thời gian học tập tại trường cùng với
khoảng thời gian mệt mài nghiên cứu thiết kế phát triển luận văn của em đã hoàn thành
theo đúng qui định.
Để làm được điều đó em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Đào Duy Vinh người
luôn theo dõi và chỉ bảo tận tình em trong suốt thời gian làm khóa luận tốt nghiệp.
Thầy đã hướng dẫn tận tình và truyền đạt lại nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm
quý báo giúp em hoàn thành đề tài này. Bên cạnh đó em cũng xin chân thành cảm ơn
quý thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử cũng như nhà trường đã hướng dẫn tận tình và
dạy dỗ truyền đạt kiến thức cho em trong suốt những năm vừa qua.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp em giúp đỡ trong
suốt quá trình học tập để em hoàn thành khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!

TPHCM, ngày 10 tháng 06 năm 2015
Sinh viên thực hiện

Lê Ngọc Đức

2


TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP DỮ LIỆU
DATA LOGGER” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí
Minh, thời gian từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2015.
Đề tài đã thực hiện:

Tìm hiểu và ứng dụng mạch Arduino Mega 2560 để lập trình và điều khiển.
Thu thập tín hiệu cũng như tìm hiểu nguyên lí hoạt động của cảm biến nhiệt
ẩm DHT11.
Lưu dữ liệu thu thập từ cảm biến vào thẻ nhớ SD dưới dạng file Excel.
Điều chỉnh thời gian lấy mẫu của nhiều cảm biến.
Hiển thị tất cả số liệu lên LCD và lên màn hình máy tính.
Phần cứng gồm: board mạch Arduino Mega 2560, 8 cảm biến nhiệt ẩm để thu số
liệu, một SD Card Module dùng để lưu giá trị vào thẻ nhớ SD dưới file Excel, một
biến trở để hiệu chỉnh thời gian lấy mẫu của các cảm biến, màn hình LCD 16x2 và một
nút nhấn để hiển thị dữ liệu của cảm biến và nút nhấn để điều chỉnh chế độ hiển thị là
nhiệt độ hay độ ẩm.
Do thời gian thực hiện còn hạn chế, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, nên
phương án giải quyết bài toán của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề tài của em được
hoàn thiện hơn.

3


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................. II
TÓM TẮT................................................................................................................... III
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.......................................................................................viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG.........................................................................................x
Chương 1: MỞ ĐẦU.....................................................................................................1
1.1 Mục đích nghiên cứu...............................................................................................1
1.2 Mục tiêu đề tài.........................................................................................................1
1.3 Ý nghĩa thực tiễn.....................................................................................................2

Chương 2: TỔNG QUAN.............................................................................................3
2.1 Tổng quan về thiết bị đo đa kênh data logger..........................................................3
2.1.1 Tổng quan.......................................................................................................3
2.1.2 Phân loại và thành phần hệ thống thu thập dữ liệu..........................................4
2.1.3 Một số ứng dụng thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh..........................................4
2.2 Tổng quan về Arduino.............................................................................................5
2.2.1 Giới thiệu về board mạch Arduino Mega 2560...............................................5
2.2.2 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560...........................................................6
2.2.3 Một số ứng dụng board mạch Arduino Mega 2560.........................................6
2.3 Cảm biến nhiệt độ...................................................................................................7
2.3.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ.....................................................................7
2.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ.........................................................................8
2.4 Cảm biến độ ẩm......................................................................................................9
4


2.4.1 Tổng quan về độ ẩm.......................................................................................9
2.4.2 Phân loại cảm biến đo độ ẩm..........................................................................9
2.5 Cảm biến nhiệt, ẩm độ DHT11..............................................................................11
2.5.1 Tổng quan về cảm biến DHT11....................................................................11
2.5.2 Tính năng của cảm biến DHT11...................................................................12
2.5.3 Các ứng dụng của cảm biến DHT11.............................................................12
2.6 Màn hình hiển thị LCD 16x2.................................................................................12
2.7 Module thẻ nhớ (SD Card)....................................................................................15
2.7.1 Tổng quan module thẻ nhớ...........................................................................15
2.7.2 Thông số kỹ thuật của Mini SD Card Module..............................................17
2.7.3 Ứng dụng của Mini Sd Card Module............................................................17
2.7.4 Thẻ nhớ (SD Card).......................................................................................17
2.7.5 Chuẩn truyền thông SPI (Serial Peripheral Interface)...................................18
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................21

3.1 Đối tượng nghiên cứu............................................................................................21
3.2 Thiết bị nghiên cứu...............................................................................................21
3.3 Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................21
Truyền thông SPI (Serial Peripheral Interface)............................................................21
Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................22
4.1 Giới thiệu thiết bị đo và giám sát nhiệt độ, độ ẩm nhiều kênh...............................22
4.1.1 Bản vẽ hộp đựng boarb mạch datalogger......................................................22
4.1.2 Sơ đồ khối tổng quát thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm đa kênh.........................23
4.2 Tính toán thiết kế mạch điều khiển bộ thu thập dữ liệu đa kênh...........................24
4.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thu thập dữ liệu đa kênh......................................24
4.2.2 Nguyên lý làm việc của thiết bị thu thập tín hiệu đa kênh............................26
4.2.3 Mạch nguồn +5V..........................................................................................26
5


4.3 Tính toán thiết kế mạch điều khiển của thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh..............27
4.3.1 Sơ đồ liên kết giữa cảm biến nhiệt ẩm DHT11 với Arduino.........................27
4.3.1.1 Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến nhiệt ẩm DHT11...............................27
4.3.1.2 Nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt ẩm DHT11.............................27
4.3.1.3 Giải thuật điều khiển cảm biến nhiệt ẩm DHT11..................................30
4.3.2 Sơ đồ liên kết Arduino với LCD 16x2..........................................................31
4.3.2.1 Sơ đồ nguyên lý hiển thị giá trị 8 cảm biến lên LCD 16x2...................31
4.3.2.2 Nguyên lý hoạt động LCD 16x2...........................................................32
4.3.2.3 Giải thuật điều khiển của LCD 16x2....................................................33
4.3.3 Sơ đồ liên kết Arduino với volume...............................................................33
4.3.3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển cụm điều chỉnh thời gian lấy mẫu............34
4.3.3.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển cụm điều chỉnh thời gian lấy mẫu.....34
4.3.3.3 Giải thuật điều khiển volume................................................................35
4.3.4 Sơ đồ liên kết Arduino với thẻ SD Card Module..........................................36
4.3.4.1 Sơ đồ nguyên lý lưu trữ giá trị cảm biến vào thẻ nhớ SD.....................36

4.3.4.2 Nguyên lý hoạt động lưu trữ dữ liệu 8 cảm biến vào thẻ nhớ SD.........37
4.3.4.3 Giải thuật điều khiển lưu trữ dữ liệu vào thẻ nhớ SD...........................38
4.4 Giải thuật điều khiển truyền tín hiệu đa kênh........................................................39
4.5 Giao tiếp giữa bộ datalogger và máy tính..............................................................40
4.5.1 Matlab GUI...................................................................................................40
4.5.2 Giao diện hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên máy tính.................................42
4.5.3 Nguyên lý làm việc hiển thị giá trị nhiệt độ, độ ẩm lên máy tính.................42
4.5.4 Giải thuật hiển thị giá trị cảm biến lên máy tính...........................................43
4.6 Khảo nghiệm sơ bộ thiết bị....................................................................................44
4.6.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm của thiết bị...............................................................44
4.6.2 Bảng kết quả giá trị cảm biến.......................................................................45
4.6.3 Biểu đồ.........................................................................................................46
4.6.4 Kết luận biểu đồ của 8 cảm biến...................................................................46
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ......................................................................47
6


5.1 Kết luận................................................................................................................. 47
5.2 Đề nghị.................................................................................................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................48
PHỤ LỤC

7


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SPI: Serial Peripheral Interface.
SCK:

Serial Clock.

MISO:

Master Input Slave Output.

MOSI:

Master Ouput Slave Input.

8


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Board mạch Arduino Mega 2560..................................................................5
Hình 1.2: Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor....................................8
Hình 1.3: Cảm biến nhiệt ẩm DHT11.........................................................................11
Hình 1.4: Sơ đồ chân LCD 16x2................................................................................13
Hình 1.5: SD Card Module.........................................................................................16
Hình 1.6: Sơ đồ chân thẻ SD......................................................................................17
Hình 1.7: Giao diện SPI..............................................................................................19
Hình 1.8: Truyền dữ liệu SPI......................................................................................20
Hình 1.9: Bản vẽ của hộp đựng thiết bị thu thập tín hiệu đa kênh..............................22
Hình 2.1: Phần thiết kế hộp đựng thiết bị thu thập dữ liệu data logger.......................23
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ thu thập dữ liệu đa kênh......................23
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh........25
Hình 2.4: Sơ đồ chi tiết mạch nguồn..........................................................................26
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý của một cảm biến nhiệt ẩm DHT11 với Arduino Mega
2560

.................................................................................................................... 27

Hình 2.6: Hình mô phỏng hoạt động bước 1..............................................................28
Hình 2.7: Mô phỏng hoạt động bit 0...........................................................................29
Hình 2.8: Mô phỏng hoạt động bit 1...........................................................................29
Hình 2.9: Lưu đồ giải thuật nguyên lý hoạt động DHT11..........................................30
Hình 3.1: Sơ đồ hiển thị giá trị 8 cảm biến lên LCD 16x2..........................................31
Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật hiển thị giá trị của cảm biến lên LCD 16x2....................33
Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển cụm điều chỉnh thời giam lấy mẫu..................................34
9


Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật điều khiển cụm điều chỉnh thời gian lấy mẫu.................35
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lưu dữ liệu của 8 cảm biến vào thẻ nhớ SD............36
Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật lưu trữ dữ liệu vào thẻ nhớ SD.......................................38
Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật điều khiển truyền tín hiệu đa kênh..................................39
Hình 3.8: Cửa sổ GUIDE Quick Start........................................................................41
Hình 3.9: Giao diện hiển thị đồ thị biểu diễn giá trị cảm biến DHT11.......................42
Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật hiển thị giá trị 8 cảm biến lên máy tính..........................43
Hình 4.2: Sơ đồ thiết bị thu thập tín hiệu đa kênh......................................................44
Hình 4.3: Hiển thị giá trị của tất cả cảm biến trên Serial Monitor..............................45
Hình 4.4: Giá trị của 8 con cảm biến trên file MS Excel............................................45
Hình 4.5: Biểu đồ của 8 cảm biến trong file MS Excel..............................................46

10


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560........................................................6
Bảng 1.2: Các thang đo nhiệt độ...................................................................................7
Bảng 1.3: Chức năng các chân LCD...........................................................................13

Bảng 1.4: Chân SD Card Module...............................................................................16
Bảng 1.5: Các chân trong 2 chế độ của SD Card........................................................18

11


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Mục đích nghiên cứu
Nước ta là một nước nông nghiệp xuất khẩu nhiều sản phẩm nông nghiệp như
gạo, cà phê, hạt tiêu, chè và trái cây (vải, nhãn,… ). Do công tác bảo quản sau thu
hoạch còn nhiều bất cập nên tỷ lệ hao hụt khá lớn. Nhu cầu kiểm soát nhiệt ẩm của các
kho nông lâm sản ngày càng trở nên cần thiết nhất là đối với mặt hàng có tính an ninh
lương thực như thóc và gạo.
Bởi những lí do trên đã thực hiện đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị thu thập dữ
liệu data logger”, với các tính năng thu thập tín hiệu nhiệt ẩm, thay đổi thời gian lấy
mẫu, hiển thị dữ liệu lên LCD 16x2, lưu tín hiệu thu thập được vào thẻ SD dưới dạng
file Excel và hiển thị số liệu lên màn hình máy tính.
Mục đích của hệ thống và thu thập dữ liệu nói chung là phân tích dữ liệu thu
thập vào, xử lí, lưu trữ dữ liệu và thực hiện mục đích muốn đo. Hệ thống thu thập dữ
liệu thường là dựa trên cơ sở điện từ học, nó được làm từ phần cứng và phần mềm.
Phần cứng thì được làm từ cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu, linh kiện điện tử (ở giữ
với bộ nhớ dùng để tồn trữ thông tin). Phần mềm được làm bằng phần mềm phân tích
(vài tiện ích khác có thể sử dụng để di chuyển dữ liệu từ bộ nhớ dữ liệu thu thập được
đến một laptop hoặc tới một máy tính lớn).
1.2 Mục tiêu đề tài
Áp dụng những lý thuyết đã học khi ngồi trên ghế nhà trường vào mô hình
nghiên cứu, để tạo ra sản phẩm tối ưu, để phục vụ những ngành nghề khác.

1

Nghiên cứu được vi điều khiển Arduino, một số thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm đa
kênh.
Sản phẩm đạt được là thiết bị thu thập tín hiệu đa kênh data logger với tính
năng: thu thập tín hiệu cảm biến và lưu vào SD Card, điều khiển thời gian lấy mẫu,
hiển thị dữ liệu lên LCD.
Mong muốn đề tài sẽ được tìm hiểu và nghiên cứu để ứng dụng vào ngành công
nghiệp và xã hội để mang đến giá trị nhân văn.
1.3 Ý nghĩa thực tiễn
Các thiết bị, hệ thống đo lường và điều khiển ghép nối máy tính cho phép thực
hiện các giải pháp thu thập dữ liệu và điều khiển chính xác và hiệu suất cao. Các hệ
thống thu thập dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự bền chặc, toàn vẹn
trong các hệ thống tự động điều khiển trong công nghiệp và sự đảm bảo chất lượng
cho các thiết bị điện tử công nghiệp.
Hệ thống thu thập số liệu là một khâu không thể thiếu được trong hệ thống điều
khiển giám sát. Card thu thập dữ liệu đa kênh là một bộ phận quan trọng trong ngành
công nghiệp cũng như nông nghiệp hiện nay. Chúng có vai trò thu thập và lưu lại các
thông số như điện áp, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,… Trong ngành công nghiệp điện tử,
khi có sự cố xảy ra điện áp, nhiệt độ, áp suất quá tăng quá cao và ngược lại thì Card
thu thập dữ liệu có nhiệm vụ gửi số liệu đến các hệ thống tự động đóng cắt làm giảm
thiệt hại khi xảy ra sự cố. Và trong ngành nông nghiệp về nguyên lý cũng giống với
trong ngành công nghiệp điện tử. Do vậy, Card thu thập dữ liệu đa kênh ngày càng
phải cải tiến về chức năng và độ tin cậy.
Việc áp dụng Card thu thập số liệu đa kênh vào các hệ thống điều khiển giám
sát cho phép phát hiện và xử lý kịp thời khi các thông số về điện và vật lý vượt quá
mức an toàn, nó đặt biệt tỏ ra cần thiết đối với hệ thống cần thu thập số liệu hàng ngày
hàng giờ.

2

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về thiết bị đo đa kênh data logger
2.1.1 Tổng quan
Một bộ thu thập dữ liệu là một thiết bị điện tử được dùng để ghi lại các đo
lường được theo thời gian.
Một định nghĩa khác nữa là một bộ thiết bị trạng thái rắn được sử dụng để đo
lường và hồ sơ tương tự hoặc kỹ thuật số đầu vào từ các cảm biến hoặc dụng cụ khác.
Thông thường các bộ cảm biến hoặc dụng cụ khác sẽ tự đo môi trường hoặc xử lý các
thông số như nhiệt độ, độ ẩm, áp lực, dòng chảy, mức độ, tốc độ gió, hướng gió, và
nhiều tính chất vật lý khác.
Dữ liệu logger thiết kế đã cải thiện theo cấp số nhân trong vài năm qua. Một
điển hình dữ liệu nhỏ logger kênh duy nhất nhiệt độ đo sẽ không lớn hơn matchbox, và
có thể lưu trữ lên đến 32.000 nhiệt độ đọc. Sử dụng bộ nhớ flash một số 4 và 8 kênh
logger loại dữ liệu được vẫn còn đủ nhỏ để phù hợp giá cả, với tuổi thọ pin lên đến 2
năm.
Hầu hết các loại dữ liệu logger đi kèm với phần mềm để tải về dữ liệu đến máy
PC, hiển thị các kết quả trong định dạng đồ thị và bảng và xuất dữ liệu sang MS Excel
và các ứng dụng khác. Các phần mềm độc quyền cũng được sử dụng để chương trình
logger dữ liệu tốc độ lấy mẫu, và thời gian đăng nhập. Dữ liệu thường đã tải về trực
tiếp từ logger dữ liệu máy tính PC. Tuy nhiên với nhiều loại dữ liệu logger dữ liệu tải
về có thể cũng được điều khiển từ xa bằng cách sử dụng Ethernet, vô tuyến điện năng

3


thấp, GSM, GPGS hoặc điện thoại. Một số mô hình logger dữ liệu cũng được xuất bản
trực tiếp dữ liệu của họ đến các trang web.

2.1.2 Phân loại và thành phần hệ thống thu thập dữ liệu
Logger dữ liệu là một thiết bị ghi âm đứng một mình. Nó không cần một máy
tính để lưu trữ dữ liệu của nó. Có rất nhiều loại dữ liệu logger. Tuy nhiên, có hai loại
rộng như sau:
Nhỏ gọn pin dữ liệu logger để sử dụng tại địa điểm từ xa hoặc trong ứng dụng
mà trọng lượng và không gian là rất quan trọng.
Lớn đa kênh dữ liệu logger, thường là nguồn cung cấp để lưu trữ một lượng lớn
các dữ liệu từ nhiều bên ngoài bộ cảm biến và đầu vào.
Một hệ thống thu thập dữ liệu bao gồm các thành phần chính như sau:
Các bộ thu thập dữ liệu tại điểm đo (data logger).
Phần mềm thu thập và xem dữ liệu tại trung tâm.
Mạng truyền thông (GSM, LAN, VPN).
2.1.3 Một số ứng dụng thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh
Do tính linh hoạt của data logger trong các ứng dụng đo lường logger dữ liệu đã
trở thành một công cụ không thể thiếu cho nghiên cứu học thuật và y tế, sinh học, nhà
vật lý, quá trình kỹ sư, kỹ sư xây dụng, kỹ sư điện và nhà khoa học môi trường,… Một
loại các dữ liệu logger loại được sử dụng trên toàn bộ của ngành công nghiệp, bao gồm
cả dầu và khí thăm dò, xây dựng dân dụng, khoa học, hàng không vũ trụ, làm vườn và
y tế.
Một số ứng dụng thiết bị thu thập dữ liệu đa kênh:
Nhiệt độ dữ liệu logger – để sử dụng trong văn phòng và bệnh viện.
Nhiệt độ và độ ẩm logger dữ liệu cho đo lường trong viện bảo tàng và nhà kho.
Nhiệt độ, mưa, tốc độ gió và hướng, bức xạ mặt trời và áp lực barometric dữ liệu
logger để đo lường trong trạm thời tiết từ xa.
Nhiều đầu vào dữ liệu logger máy đo lường rung động, định hướng và di
chuyển trong robot và các phương tiện điều khiển từ xa,…
2.2 Tổng quan về Arduino
4

2.2.1 Giới thiệu về board mạch Arduino Mega 2560

Hình 1.1: Board mạch Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 là một bo mạch thiết kế với bộ xử lí trung tâm là vi điều
khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần
sau:
Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.
Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng
không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một nguồn từ
9V đến 12V.
Có 54 chân vào/ra đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất
(GND) và một chân tham chiếu (AREF).
Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Mega 2560 này sử dụng
ATMega2560.

2.2.2 Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
Vi điều khiển

ATMega2560
5


Điện áp hoạt động

5V

Điện áp đầu vào (được đề nghị )

7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn)

6-20V

Digital I/O Pins

54 (trong đó có15 cung cấp đầu ra PWM)

Analog Input Pins

16

Dòng điện hiện tại mỗi I/O Pin

40mA

Dòng điện hiện tại cho 3.3V Pin

50mA

Bộ nhớ flash

256KB (ATMega328) trong đó 8KB sử
dụng bởi bộ nạp khởi động

SRAM

8KB (ATMega328)

EEPROM

8KB (ATMega328)

Xung nhịp

16MHz

2.2.3 Một số ứng dụng board mạch Arduino Mega 2560
Đo đạc các thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,… đo gia tốc,
vận tốc, độ rung hay phát hiện chuyển động của vật thể,… thậm chí là xác định vị trí
hiện tại bằng hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu.
Điều khiển các thiết bị đơn giản như đèn LED, động cơ điện, rơle,… và ngay cả
những việc như gởi tin nhắn SMS hay truy cập Internet.
Điều khiển các loại máy móc đơn giản như robot, xe cộ, máy bay, hoặc các thiết
bị khác sử dụng động cơ là motor.
Giao tiếp với các mạch Arduino hoặc các thiết bị khác như máy tính, điện thoại
cầm tay,…
Arduino ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật
tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,… hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm
như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái,…
Các thiết bị khoa học.
2.3 Cảm biến nhiệt độ
6


2.3.1 Tổng quan về cảm biến nhiệt độ
Theo thuyết động học phân tử, nhiệt độ là tham số vật lý biểu thị động năng

trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử tạo thành vật thể. Khi hai vật tiếp
xúc với nhau thì giữa chúng có hiện tượng trao đổi năng lượng giữa các phân tử cho
đến khi động năng của các phân tử trong hai vật bằng nhau mới thôi.
Các thang đo nhiệt độ gồm: thang đo Celeius (°C), thang đo Kelvin (K), thang
đo Fahrenheit (°F), thang đo Rankine (°R).
Bảng 1.2: Các thang đo nhiệt độ
Kelvin (K)

Celeius (°C)

Rankime (°R)

Fahrenteit (°F)

0,00

273,15

0,00

273,15

0,00

491,67

32,00

273,16

0,01

491,69

32,02

373,15

100,00

671,67

212,00

459,67

Công thức chuyển đổi giữa các thang đo:
T(°C)=T(°K) 273,15
T(°F)=T(°R) 459,69
T(°C)=(T(°F) – 32)
T(°F)=T(°C) +32
2.3.2 Các phương pháp đo nhiệt độ
Đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor: Có thể đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh
kiện nhạy cảm là điốt và tranzitor mắc theo kiểu điốt (nối cực base và collector) phân
cực thuận với dòng không đổi. Điện áp giữa hai cực sẽ là hàm nhiệt độ. Người ta lợi
dụng sự thay đổi tuyến tính của chuyển tiếp P-N đối với nhiệt độ để chế tạo ra các điốt
và tranzitor chuyên dùng làm cầu cảm biến nhiệt trong đo lường và khống chế nhiệt
độ.
7

a) Điốt; b) Tranzitor mắc thành điốt; c) Hai tranzitor mắc thành điốt
Hình 1.2: Cấu tạo cảm biến đo nhiệt độ dùng điốt và tranzitor
Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở: nguyên lí làm việc là dựa vào sự thay
đổi điện trở theo nhiệt độ: R= f(t). Cuộn dây điện trở thường nằm trong ống bảo vệ và
tùy theo công dụng mà vỏ ngoài có thể là kim loại, thủy tinh hoặc gốm.
Cảm biến dưới dạng IC: nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ là mạch tích hợp
nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc dòng điện. Dựa
vào tính chất rất nhạy của bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ
thuận với nhiệt độ tuyệt đối. Khi đó tín hiệu sẽ biết được giá trị của nhiệt độ cần đo.
Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện: cấu tạo gồm một cặp nhiệt điện bởi hai dây
dẫn A và B làm từ các loại vật liệu khác nhau. Tại hai điểm tiếp xúc của chúng có nhiệt
độ T1 và T2 sẽ tạo ra một sức điện động E T1T2A/B. Thông thường nhiệt độ của một trong
hai mối hàn cố địnhvà được dùng làm chuẩn (T = T ref). T2 là nhiệt độ của mối hàn thứ
hai, khi được đặt trong môi trường nghiên cứu nó sẽ đạt tới giá trị T c chưa biết. Nhiệt
độ Tc là hàm của nhiệt độ Tx (Tx: T2) và của các quá trình trao đổi khác.
Nguyên lý làm việc: nhằm tránh những tiếp xúc khác ngoài mối nối, hai dây
dẫn được đặt trong vỏ cách điện bằng sứ. Cặp nhiệt điện với vỏ cách điện thường được
che bằng lớp vỏ để chống sự xâm phạm của các khí cũng như đột biến nhiệt lớp vỏ
bằng sứ hoặc thép. Trong trường hợp lớp vỏ bằng thép, mối nối có thể được cách với
vỏ hay tiếp xúc với vỏ. Điều này có lợi là vận tốc đáp ứng nhanh nhưng nguy hiểm
hơn.
8


2.4 Cảm biến độ ẩm
2.4.1 Tổng quan về độ ẩm
Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong
một thể tích hỗn hợp dạng khí nhất định. Các đơn vị phổ biến nhất dùng để tính độ ẩm
tuyệt đối là gam trên mét khối (g/m3), tất nhiên điều này không có nghĩa là ta không

được thay thế chúng bằng các đơn vị đo khối lượng hoặc đo thể tích khác.
Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp
khí nào với hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính theo đơn vị là %. Định
nghĩa khác của độ ẩm tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một thể tích hiện
tại so với khối lượng nước trên cùng thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi nước
bão hòa. Khi hơi nước bão hòa, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm sương.
2.4.2 Phân loại cảm biến đo độ ẩm
Loại thứ nhất: dựa trên hiện tượng vật lý cho phép xác định độ ẩm (ẩm kế
ngưng tụ, ẩm kế điện ly).
Loại thứ hai: dựa trên tính chất của vật có liên quan đến độ ẩm (ẩm kế trở
kháng)

Các loại ẩm kế:
Ẩm kế biến thiên trở kháng: đó là các cảm biến trở và tụ điện mà các phần tử
nhạy là các chất hút ẩm. Tính chất điện (điện trở, điện dung) của các cảm biến phụ
thuộc vào độ ẩm của môi trường. Cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên lý biến thiên trở
kháng được phân thành ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện.
Ẩm kế hấp thụ: Nguyên lý làm việc dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số
chất như Clorua liti (Licl) hoặc Anhidrit photphoric P 2O5. Các chất trên khi ở trạng thái
khô điện trở của chúng rất cao, lúc hút ẩm hơi nước ở môi trường xung quanh, điện trở
giảm một cách đáng kể qua đó xác định được độ ẩm của môi trường cần đo. Quá trình
đo bằng cách nung nóng dung dịch muối chứa trong ẩm kế cho đến khi áp suất hơi bão
9


hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi của môi trường không khí bình thường. Từ
nhiệt độ đó xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương. Thường người ta chọn
dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước, áp suất hơi bão hòa càng
nhỏ càng tốt.
Ẩm kế quang: Như đã biết nhiệt độ hóa sương T s là nhiệt độ cần phải làm lạnh

không khí ẩm xuống tới đó để đạt trạng thái bão hòa. Đó chính là nhiệt độ để sao cho
áp suất hơi (Ph) bằng áp suất hơi bão hòa [P bh (T)]. Tại nhiệt độ độ ẩm tuyệt đối có thể
được xác định từ nhiệt độ này trong quá trình đo với áp suất đã biết trước. Từ đó cho
thấy nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế quang là sử dụng một gương phản chiếu
mà nhiệt độ bề mặt của nó được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị điện cung cấp
nhiệt độ. Nhiệt độ gương được điều chỉnh tại ngưỡng (Ts).
Không khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và hệ thống điều khiển
làm lạnh gương (dựa vào hiệu ứng Peltier hoặc ni tơ lỏng) cho đến khi xuất hiện sự
ngưng tụ. Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu
quang và kích thích bộ phát tín hiệu làm nung nóng gương thông qua hệ điều khiển.
Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiệu chỉnh thích hợp ta nhận
được lớp ngưng tụ. Cảm biến nhiệt độ đặt sau gương cho phép xác định nhiệt độ
gương.

2.5 Cảm biến nhiệt, ẩm độ DHT11
2.5.1 Tổng quan về cảm biến DHT11

10


Cảm biến DHT11 là cảm biến rất thích hợp cho những ứng dụng thu thập dữ
liệu cơ bản. Cảm biến DHT11 có hai phần tín hiệu, phần một là cảm biến độ ẩm điện
dung và một là điện trở nhiệt.
Hình 1.3:

Cảm biến nhiệt ẩm DHT11
Mỗi DHT11 được hiệu chỉnh đúng trong các phòng thí nghiệm là cực kỳ chính
xác về độ ẩm hiệu chuẩn. Các hệ số hiệu chuẩn được lưu trữ như các chương trình
trong bộ nhớ OTP, được sử dụng bởi quá trình phát hiện tín hiệu nội bộ của cảm biến.
Các giao diện nối tiếp dây làm cho tích hợp hệ thống nhanh chóng và dễ dàng. Kích

thước nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thấp làm cho sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng
khác nhau, bao gồm những người khó tính nhất. Thuận lợi để kết nối và các gói đặt
biệt có thể được cung cấp theo yêu cầu của người sử dụng.
DHT11 kỹ thuật số nhiệt độ và độ ẩm cảm biến là một tín hiệu kỹ thuật số đầu
ra với một hiệu chuẩn nhiệt độ và độ ẩm kết hợp cảm biến. Nó sử dụng một kỹ thuật
số chuyên dụng mô-đun và mua lại của nhiệt độ và độ ẩm công nghệ cảm biến để đảm
bảo rằng các sản phẩm với độ tin cậy cao và tuyệt vời ổn định lâu dài. Siêu kích thước
nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, tín hiệu khoảng cách truyền lên đến 20m, làm cho nó một
phạm vi rộng các ứng dụng và thậm chí cả các ứng dụng đòi hỏi khắt khe nhất là sự
lựa chọn tốt nhất.
Thông số kỹ thuật:
11


Nguồn: 3 → 5VDC.
Tín hiệu ngõ ra: kỹ thuật số.
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).
Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%.
Đo tốt ở nhiệt độ 0-50°C sai số 2°C.
Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần).
Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm.
2.5.2 Tính năng của cảm biến DHT11
Chi phí thấp, ổn định lâu dài, độ ẩm tương đối và đo nhiệt độ, chất lượng tuyệt
vời, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh mẽ, khoảng truyền tính hiệu dài, đầu
ra tín hiệu kỹ thuật số và hiệu chỉnh chính xác.
2.5.3 Các ứng dụng của cảm biến DHT11
Thử nghiệm và thiết bị kiểm tra, ô tô, logger dữ liệu, hàng tiêu dùng, điều khiển
tự động , trạm thời tiết, thiết bị gia dụng, điều chỉnh độ ẩm , y tế, máy hút ẩm.
2.6 Màn hình hiển thị LCD 16x2
LCD là từ viết tắt của Liquid Crystal Display (màn hình tinh thể lỏng). Có

nhiều loại màn hình LCD với các kích cỡ khác nhau, ví dụ như LCD 16x1 (16 cột và 1
hàng), LCD 16x2 (16 cột và 2 hàng),…Trong hệ thống này ta dùng loại 16x2 phổ biến
trên thị trường.
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của
vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các ứng dụng dạng hiển thị kí tự đa
dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều
giao thức giao tiếp khác nhau, tốn ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ,…

12


Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chip điều khiển bên trong lớp vỏ và
đưa các chân giao tiếp cần thiết.

Hình 1.4: Sơ đồ chân LCD 16x2
Bảng 1.3: Chức năng các chân LCD
Châ

Kí

Mô tả

n

hiệu

1

Vss

Chân nối đất cho LCD, nối chân này với GND của mạch điều khiển.

2

VĐ

Chân cấp nguồn cho LCD, nối dây này với VCC=5V của mạch điều
khiển.

3

VEE

4

RS

Điều chỉnh độ tương phản LCD.
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic “0”
(GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
-Logic “0”:Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD ( ở
chế độ “ghi”- write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc”- read)
-Logic “1”:Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong
LCD.

5

R/W

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với logic “0”
để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế
độ đọc.
13