Luận văn thạc sĩ 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 MƠI TRƯỜNG
CĨ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Chun ngành: ðiện khí hố sản xuất nơng nghiệp và nông thôn
Mã số:

60.52.54

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

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ðOAN
Tơi xin cam đoan rằng đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa cơng bố trong
cơng trình khoa học nào trước đó.
Tơi xin cam đoan rằng các thơng tin trích dẫn trong bản luận văn của tơi
đều được chỉ rõ nguồn gốc.

Tác giả

ðan Hồng Thủy

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

i


LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ðại học Nơng nghiệp
Hà Nội. Tơi đã hồn thành luận văn thạc sĩ với đề tài: “Thiết kế hệ thống đo
thơng số mơi trường có tích hợp bản đồ số”
Tơi 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 tơi hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cám ơn Bộ mơn Tự động hóa – Khoa Cơ ñiện, Viện
ñào tạo sau ðại học Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội đã đọc và đóng góp
nhiều ý kiến q báu để luận văn của tơi được hồn chỉnh hơn.
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc ñến Ban Giám hiệu và lãnh ñạo
Trường Cao ñẳng nghề Cơ điện Tây Bắc nơi tơi cơng tác đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu.
Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến bạn bè, đồng nghiệp và gia
đình đã động viên, khích lệ để tơi hồn thành luận văn này.

Hồ 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 …………………………..

ii


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 MƠI TRƯỜNG.......... 5
1.1

Bài tốn đo và kiểm sốt nhiệt độ, 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: CƠNG 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 …………………………..

iii


2.1.4

GPS có thể đo những gì? ................................................................. 29

2.1.5

Các kiểu định vị GPS ...................................................................... 32

2.2

Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị ño ...................... 36

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ðO THƠNG SỐ MƠI
TRƯỜNG CĨ TÍCH HỢP BẢN ðỒ SỐ ..................................... 38
3.1.

Sơ ñồ khối và chức năng các khối ................................................... 38

3.1.1

Sơ đồ 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 trị của firmware trong hoạt động chung của thiết bị ................. 52

3.8.2

Lựa chọn cơng cụ để lập trình firmware .......................................... 52

3.8.3

Ngun lý và lưu đồ thuật tốn 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 …………………………..

iv


4.2.

Phần mềm vi xử lý - Tóm tắt kết quả lập trình Firmware cho vi
điều khiển........................................................................................ 63

4.2.1

Giao tiếp với màn hình 16x2. .......................................................... 63

4.2.2

Giao tiếp với cảm biến nhiệt độ - 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 đồ mơi 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 …………………………..

v


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 định 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 độ 8
hoặc 12 bít. ........................................................................................ 56
Bảng 3.3 Cơng thức qui đổi nhiệt độ và các hệ số qui ñổi ứng với các
chế ñộ 14 hoặc 8 bít. ........................................................................ 56

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

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Ngun lý kết cấu ẩm kế ngưng tụ ................................................................... 12
Hình 1.2: ðầu đo 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 hịa 15
Hình 1.5: Ẩm kế tụ điện polymer..................................................................................... 17
Hình 1.6: Ẩm kế tụ điện oxyt Al2O3 ................................................................................ 18
Hình 1.7: Nguyên lý cấu tạo của ẩm kế điện phân............................................................ 19
Hình 1.8: Cảm biến nhiệt đo 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 đất................................................................ 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 điều 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 để giải mã tín hiệu từ vệ tinh ................................................ 30
Hình 2.9: Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu................................................................... 31
Hình 2.10: Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS................................... 31
Hình 2.11: Kỹ thuật định vị tương đối ............................................................................. 32
Hình 2.12: Tọa độ vệ tinh ................................................................................................ 32
Hình 2.13: Toạ độ của máy thu........................................................................................ 33
Hình 2.14: Kỹ thuật định vị tương đối ............................................................................. 34
Hình 2.15: ðịnh vị động .................................................................................................. 35
Hình 2.16: Module GPS GR-89 của hãng Holux.............................................................. 36
Hình 3.1: Sơ đồ khối ....................................................................................................... 38
Hình 3.2: Vi điều 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 …………………………..

vii


Hình 3.7: Sơ đồ ngun lý khối nguồn............................................................................. 48
Hình 3.8: Hình ảnh pin 9V .............................................................................................. 48
Hình 3.9: Sơ đồ chân của IC 7805 ................................................................................... 49
Hình 3.10: Sơ đồ chân của IC AP1117 ............................................................................ 49
Hình 3.11: Sơ đồ mạch GPS ........................................................................................... 50
Hình 3.12: Inactive GPS antenna ..................................................................................... 51
Hình 3.13: Active GPS antenna ...................................................................................... 51
Hình 3.14: Lưu đồ thuật tốn 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 hồn thiện (c) ....................................................................... 63
Hình 4.9: Lưu đồ thuật tốn hàm main............................................................................. 65
Hình 4.10: Bản đồ dữ liệu với Google Earth .................................................................... 66

Hình 4.11: Sơ đồ tổng qt q trình đo, 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 thơng số tên, địa điểm, vĩ độ, kinh độ ....................................... 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 …………………………..

viii


MỞ ðẦU
1. ðặt vấn đề
Vấn đề ơ nhiễm mơi trường là một vấn đề mang tính tồn cầu và rất cấp
bách hiện nay, ñặc biệt là ñối với nước ta, một nước đang phát triển, đang
trong q trình cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa. Việc đo và kiểm các thơng số
trong mơi trường là một việc làm cần thiết để bảo vệ mơi trường sống của
chúng ta. Chính vì thế trong luận văn này ñã ñề xuất việc thiết kế chế tạo một
thiết bị đo một số thơng số của mơi trường với kích thước nhỏ gọn (có thể
cầm tay) và có tích hợp GPS dùng để đo, kiểm tra mơi trường với hy vọng nó
sẽ đáp ứng được 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 độ cao hoặc giám sát lượng bụi hoặc khí thải trong khu vực
xung quanh các khu công nghiệp,... ta cần một thiết bị đo vừa đo được các
thơng số mơi trường vừa hỗ trợ xác định tọa độ (vị trí) của các điểm đo để
phục vụ các cơng tác giám sát và thống kê. Trước ñây việc xác ñịnh vị trí đo
và ghi chép kết quả được thực hiện thủ cơng nên dễ gây nhầm lẫn, ý tưởng
của đề tài là xây dựng một thiết bị đo có tích hợp GPS ñể các kết quả ño ñược
lưu cùng với tọa độ GPS nhằm xác định vị trí của điểm ño trên bản ñồ một
cách dễ dàng.
Theo khảo sát thực tế trên thị trường nước ta và trên thế giới hiện nay
đang có nhu cầu rất lớn về thiết bị ño kiểm tra môi trường, kiểm tra nhiệt ñộ
và ñộ ẩm có tích hợp bản đồ số mà đặc biệt là thiết bị đo nhỏ gọn có thể cầm
tay để tiện cho việc cơ động, di chuyển trong q trình tác nghiệp.
Mặc dù vậy các giải pháp cơng nghệ đưa ra ñể áp dụng vào thiết bị ño ở
thời ñiểm hiện tại cịn có một số hạn chế nhất định như:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

1


– Thiết bị đo có ít chức năng, tính mở khơng cao.
– Giá thành cịn khá cao nên chưa thể mở rộng phạm vi sử dụng.
– Chưa làm chủ ñược cơng nghệ thiết kế và chế tạo.
Thực tế trên đã ñặt ra nhiệm vụ thiết kế, chế tạo thiết bị đo nhiệt độ, độ
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 đo được cả nhiệt độ, độ ẩm và có tích hợp GPS
– Giá thành chi phí sản xuất thấp
– Thiết bị đo nhỏ gọn có thể cầm tay
Nội dung nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch phần cứng thiết bị đo mơi
trường nhiệt độ, độ ẩm với các u cầu sau:

ðo kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm trên diện rộng của mơi trường (hiển thị

•

trực tiếp lên LCD, cảnh báo bằng đèn LED…)
Thiết bị đo có kích thước nhỏ gọn (có kích thước khơng lớn hơn 100 x

•

60 x 25mm có thể cầm tay).
Tích hợp hệ thống GPS để xác định vị trí đo và phục vụ việc xây dựng

•

lên bản đồ số cho biết các thơng tin về mơi trường.
•

Thiết bị hoạt động sử dụng nguồn Pin.

•

ðảm bảo độ chính xác cao (sai số ≤ 4,5%), khả năng thích ứng đối với

mơi 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 đề cài đặt các chế độ hoạt động.

•

3. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để tìm các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm có tích hợp
GPS.
- Dùng mơ hình, mơ phỏng để đánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

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

2


- Xây dựng mơ hình hệ thống đo nhiệt độ, độ ẩm có tích hợp GPS để
khẳng định 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 để xác định vị trí ño cho biết các thông tin về môi trường
như:
- Phát hiện các khu vực có nhiệt độ cao (xung quanh các nhà cao tầng, khu
cơng nghiệp nặng có nồng độ 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 đo thơng số mơi trường) chương này nêu lên
bài tốn đo và kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm trên diện rộng của mơi trường từ đó
đưa ra ngun 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 độ và độ ẩm. Từ u
cầu của bài tốn đo nhiệt độ, độ ẩm có tích hợp GPS trong luận văn đã lựa
chọn được cảm biến tích hợp đo ñược cả nhiệt ñộ và ñộ ẩm.

Trong chương I gồm các nội dung sau:
– Bài tốn đo và kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm trên diện rộng của mơi
trường.
– Cảm biến đo nhiệt độ 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 độ, độ ẩm.
Chương II: (Cơng nghệ GPS và khả năng tích hợp bản đồ số trong thiết
bị đo) trình bày về sự ra ñời, các thành phần cũng như các kiểu định của GPS
từ đó lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị đo.
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 …………………………..

3


– Lựa chọn module GPS tích hợp vào trong thiết bị đo.
Chương III: (Thiết kế thiết bị đo thơng số mơi trường có tích hợp bản
đồ số) trình bày sơ ñồ khối, chức năng tổng thể của các thiết bị, dựa vào sơ đồ
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 thơng
– 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 đưa ra các hình ảnh
của thiết bị trong q 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 thơng số mơi 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 …………………………..

4


CHƯƠNG I: CÁC GIẢI PHÁP ðO THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG
1.1 Bài tốn đo và kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm trên diện rộng của môi trường
Thực tế hiện nay các thơng số mơi trường rất nhiều thơng số cần đo và
kiểm sốt như: nhiệt độ, độ ẩm, và nồng độ các khí CO, CH4, NH3, H2S…
nội dung chính trong luận văn là triển khai thực hiện bài tốn đo hai thơng số
của mơi trường là nhiệt độ và độ ẩm.
Thiết bị đo trực tiếp các thơng số này là cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm,
các tín hiệu nhiệt độ và độ ẩm này là các tín hiệu khơng điện. Qua cảm biến
có nhiệm vụ biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng dạng Analog, từ đó đưa
tới bộ điều khiển lập trình (có thể PLC, vi điều khiển). Tín hiệu ra từ bộ điều
khiển cũng là tín hiệu Analog ñưa tới khuếch ñại và bộ chuyển ñổi hiển thị
đầu ra các thơng số trên màn hình LCD.

Ngồi ra kết hợp trực tiếp với thiết bị ñịnh vị các vị trí đo bằng module
GPS có thể hiển thị các ñiểm ño xây dựng lên bản ñồ số cho biết các thơng tin
về mơi trường cần đo và kiểm sốt.
Vậy bài tốn đo hai thơng số mơi trường là nhiệt ñộ và ñộ ẩm trong ñề
tài này là ño và hiển thị hai thơng số trên màn hình LCD, đồng thời cũng hiển
thị vị trí các điểm đo trên màn hình LCD. Tại mỗi điểm đo 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 mơi 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 sốt được hai thơng
số mơi trường nói trên theo thời gian. Cũng như hướng phát triển của luận văn
có thể tích hợp để đo và kiểm sốt thêm các thơng số khác của mơi trường.
1.2. Cảm biến đo nhiệt độ nói chung và lựa chọn của ñề tài
1.2.1 Nguyên lý ño nhiệt độ
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

5


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 đối
tượng và cảm biến, cảm biến khơng 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 động
bởi mơi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ.
Có hai phương pháp xử lý tín hiệu nhiệt độ:
– Phương pháp cân bằng: Nhiệt độ xác định hồn tồn khi khơng có sự
sai lệch đáng 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 khơng đạt đến trong thời gian
đo, nhiệt độ ñược xác ñịnh thông qua tốc ñộ thay ñổi nhiệt của cảm

biến.
1.2.2 Ngun lý chung
Nhiệt độ từ mơi trường sẽ ñược cảm biến hấp thụ, tại ñây tùy theo cơ cấu
của cảm biến sẽ biến ñại lượng nhiệt này thành một đại lượng điện nào đó.
Như thế một yếu tố hết sức quan trọng cần phân biệt đó 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 đều có vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm
bên trong cái vỏ này (bán dẫn, lưỡng kim…) do đó việc đo 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 đo nhiệt độ 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 …………………………..

6


Với mỗi một loại cảm biến nhiệt độ thì lại có các cảm biến với các thơng
số khác nhau như dải nhiệt độ đo và tín hiệu điện ra tương ứng để tùy vào
từng mục đích sử dụng để lựa chọn.
Sau đây là đặc điểm cũng như thơng số của một số loại cảm biến cụ thể
thường ñược sử dụng thơng dụng hiện nay để đo 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

đổi khi nhiệt độ thay đổi theo qui tắc biết trước một cách chính xác. RTD có
độ 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 địi hỏi độ chính xác cao
và thời gian đo dài. PT100 là kí hiệu thường được sử dụng để nói đến RTD
với hệ số alpha = 0.00391 và R0 = 100 Ohm. Nhưng cảm biến nhiệt PT100
thì khơng hồn tồn tuyến tính, khi nhiệt ñộ càng cao thì sự phi tuyến càng
lớn. Các cảm biến nhiệt độ PT100 cũng có nhiều loại như (SP0401.01,
SP0401.02, SP0401.03, SP0401.04…., SP0401.18), về cơ bản có một số các
thơng số chính sau:
– Cảm biến nhiệt độ - Temperature Sensor – Transmitter.
– Cảm biến nhiệt ñộ - Can nhiệt K, N, E, T, J, Pt100 - 4-20mA.
– Model : LG200-K có dải nhiệt độ đo từ -200 ÷ 18000C, tín hiệu ra
4÷20mADC và có nguồn ni 12÷36VDC, chúng có một số ưu điểm
và nhược điểm sau:
• Ưu điểm: Chính xác, ổn định, tuyến tính.
• Nhược điểm: ðộ nhạy thấp, cần mạch kích dịng, giá thành cao.

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

7


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 độ tỉ lệ độ
C, độ F hay ñộ K tùy loại. Tầm ño nhiệt ñộ giới hạn từ -55 ÷ 1500C, độ chính
xác từ 10C ñến 20C tùy từng loại.
ðối với các bộ cảm biến phi tuyến việc viết phần mềm tương đối phức
tạp, vì vậy các nhà sản xuất ñã cho ra thị trường các cảm biến nhiệt tuyến
tính, đơn giản và sử dụng rộng rãi gồm họ LM34 và LM35.
LM34 là họ cảm biến nhiệt, mạch tích hợp chính xác cao có điện áp đầu

ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ, khơng u cầu cần phải cân chỉnh ngồi vì nó
đã được cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 10F.
LM35 cũng là họ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao có điện áp
đầu ra tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ C, khơng u cầu cần phải
cân chỉnh ngồi vì nó đã được cân chỉnh, ñiện áp thay ñổi 10mV ứng với 10C.
Thông số kỹ thuật chính của họ cảm biến LM34 và LM35
– Họ LM34 có mã hiệu, tầm đo, độ chính xác, đầu ra như sau:
Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật của họ LM34
TT

Mã hiệu

Tầm đo

ðộ chính
xác

ðầu ra

1

LM34A

-550C÷3000C

20 F

10mV/F

2

LM34

-550C÷3000C

30 F

10mV/F

3

LM34CA

-400C÷2300C

20 F

10mV/F

4

LM34C

-400C÷2300C

30 F

10mV/F

5

LM34D

-320C÷2120C

40 F

10mV/F

– Họ LM35 có mã hiệu, tầm đo, độ chính xác, ñầu ra như sau:

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

8


Bảng 1.2: Thông số kỹ thuật của họ LM35
Mã hiệu

TT
1

LM35A

2

LM35

3

LM35CA

4

LM35D

Tầm đo

ðộ chính

-

ðầu ra

xác
10 C

10mV/F

0

1,50C

10mV/F

0

10 C

10mV/F

20 C

10mV/F

0

0

0

0

55 C÷150 C
55 C÷150 C
40 Cữ110 C
-00Cữ1000C

u ủim:
ã D dng tớch hp vi cỏc thit bị khác
• Giá thành thấp
• Kích thước nhỏ gọn
• Ngõ ra có điện áp, dịng điện hoặc số với độ K, F, C
Nhược điểm:
• Tầm nhiệt độ thấp
• Cần mạch kích
1.3. Cảm biến đo độ ẩm nói chung và lựa chọn đề tài
1.3.1 Khái niệm chung
Trong khơng khí ln có một lượng hơi nước nhất ñịnh tùy theo nhiệt ñộ
và áp suất của khơng khí. ðộ ẩm của khơng khí quyết định bởi hơi nước bay

hơi trong khơng khí ở một điều kiện nhiệt độ và áp suất nào đó.
Một số khái niệm cần phân biệt

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

9


– Tỷ lệ trộn: Là tỷ lệ giữa khối lượng hơi nước mh và khối lượng khơng
khí khơ mk trong một đơn vị thể tích

r=

mh
mk

– ðộ ẩm tuyệt đối: Là khối lượng hơi nước tính ra gam chứa trong 1m3
khơng khí khơ (Ua)
Ở một nhiệt độ nào đó, lượng hơi nước càng lớn thì độ ẩm càng lớn. Tới
một lúc nào đó thì độ ẩm khơng tăng được nữa. ðó là ñộ ẩm cực ñại (Ua max)
tương ứng với lượng hơi nước lớn nhất mà khơng khí chứa được trong 1m3.
Nếu q lượng đó hơi nước sẽ ngưng tụ thành nước, ví dụ ở 3000C thì độ ẩm
cực đại của khơng khí là 30,3 g/m3 áp suất lúc này gọi là áp suất hơi nước bão
hoà bằng 318 mmHg. Áp suất trong khơng khí ẩm ở nhiệt độ T là tổng 2 áp
suất riêng phần của khơng khí khơ (Pk) và của hơi nước (Ph).

P = Pk + Ph
Khơng khí có độ ẩm cực đại ở nhiệt độ T sẽ có áp suất hơi bão hồ ở
nhiệt độ đó. ðó là áp suất lớn nhất mà khí ẩm có được ở nhiệt ñộ T.
– ðộ ẩm tương ñối: Là tỷ số (%) giữa ñộ ẩm tuyệt ñối và ñộ ẩm cực đại

ở nhiệt độ T.
U% =

Ua
⋅100%
U a max

Cũng có thể hiểu ñộ ẩm tương ñối (%) là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi
nước và áp suất hơi nước bão hồ ở nhiệt độ T.
U% =

Pv
⋅100%
Pv max

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

10


Khơng khí chưa bão hồ cịn gọi là hơi khơ. Hơi khơ T0 có thể biến
thành hơi bão hồ theo cách nén ở cùng T0 ñể áp suất ñạt áp suất bão hồ
pvmax làm lạnh ở thể tích khơng đổi ñể áp suất trở thành áp suất bão hoà. Hơi
bão hồ có thể trở thành hơi khơ bằng các cách ngược lại:
– Cho dãn nở ở nhiệt độ khơng đổi.
– Tăng nhiệt độ ở thể tích khơng đổi.
– Kết hợp cả hai.
– ðiểm sương: Khi khơng khí ẩm bị lạnh xuống đến nhiệt độ nào đó thì
hơi nước trong khơng khí trở thành bão hồ. Xuống q nhiệt độ đó thì
sẽ có hơi nước ngưng tụ (thành sương). ðiểm sương là nhiệt độ mà tại

đó hơi nước trong khơng khí trở thành bão hồ (độ ẩm 100%).
Việc đo độ ẩm của chất khí nói chung và của khơng khí nói riêng là rất
quan trọng vì độ 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 độ ẩm
tương đối 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 q cao sẽ gây khó cho sự tốt mồ hơi, bài tiết ngưng trệ
gây cảm giác oi bức hoặc rét buốt. Với thiết bị máy móc, độ ẩm cũng ảnh
hưởng tới q trình vận hành có thể gây hư hỏng, thậm chí khơng làm việc
được. Trong cơng nghiệp dệt độ ẩm cao ảnh hưởng tới sức căng của sợi dệt
tới q trình nhuộm in. Trong cơng nghệ in, độ ẩm cao gây dính giấy ở máy
in tờ rời. Trong cơng nghiệp độ ẩm cao dễ gây gỉ máy móc. Trong cơng
nghiệp thực phẩm độ ẩm ảnh hưởng tới q trình bảo quản, chế biến. Trong
cơng nghiệp điện tử độ ẩm ảnh hưởng tới hoạt ñộng của các mạch in. Trong
truyền dẫn điện độ ẩm cao gây mất an tồn, 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 …………………………..

11


– Nguyên lý vật lý cho phép xác ñịnh trực tiếp độ ẩm.
– Ngun lý dựa vào việc đo tính chất của vật liệu có liên quan đến độ
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 đến khi hình thành lớp
sương hoặc lớp băng trên bề mặt ổn định q trình làm lạnh để giữ cân bằng
trạng thái giữa khơng khí lớp sương. Nhiệt ñộ ño ñược lúc này là ñiểm sương

Td (hay ñiểm băng giá Tr 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 động.
Ngun 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 đốt 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 đầu đo quang.
Bố trí gương để khi khơng có ngưng tụ hơi nước, nguồn sáng chiếu vào
gương thì các tia phản xạ khơng đến được đầu thu quang. Bộ làm lạnh gương
hoạt động đến 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 …………………………..

12


ánh sáng tán xạ tới ñầu thu quang và qua bộ điều chỉnh sẽ cho tín hiệu nung
nóng gương. Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương khơng cịn thì ánh sáng tán

xạ tới đầu thu quang cũng khơng cịn. Lúc này bắt ñầu một chu kỳ làm lạnh
mới. ðiều chỉnh thích hợp bộ điều chỉnh để nhận được lớp ngưng tụ có bề dày
cố định và tạo ra trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ. Cảm biến
nhiệt ñộ sau gương xác ñịnh ñiểm sương Td
Ưu ñiểm: ðo chính xác phạm vi đo rộng (-700C ÷ 1000C) giới hạn đo
trên có thể cao hơn. ðộ chính xác khi đo Td phụ thuộc vào độ chính xác của
cảm biến ño nhiệt ñộ và sai số hệ thống. ðộ chính xác tới ± 0,20C.
Nhược điểm: Phức tạp về cấu tạo, giá thành cao, phải điều chỉnh thường
xun.

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 độ

7. Bộ làm nguội

8. ðiện trở đốt nóng

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

13

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 điện được 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 khơng bị ăn mịn
đặt cách nhau và dùng làm 2 điện cực 3 cấp điện từ một máy biến áp. Dịng
điện tạo bởi 2 ñiện cực chạy qua dung dịch muối sẽ đốt nóng và làm bay hơi
nước. Khi nước bay hơi hết, ñộ dẫn của LiCI tinh thể nhỏ hơn nhiều so với độ
dẫn dung dịch, nên dịng điện giữa 2 điện cực giảm kể và nhiệt độ giảm. Vì
LiCI là chất ưa nước nên nó lại hấp thụ hơi nước từ khơng khí độ ẩm tăng độ
dẫn tăng, dịng ñiện tăng và lớp phủ LiCI lại bị ñốt nóng. Cuối cùng sẽ có
hiện tượng cân bằng giữa áp suất hơi bão hồ phía trên dung dịch muối và áp
suất hơi trong khơng khí. Cân bằng này xảy ra lúc áp suất đạt bão hồ và điểm
sương. Việc đo 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 để có thể hút
nước từ khơng khí và muối.
2. ðộ dẫn ñiện của muối kết tinh nhỏ hơn nhiều của dung dịch muối đó (cỡ 103

÷10-4) để 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 điện
Hình 1.3: Ngun lý cấu tạo của một ẩm kế hấp thụ

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

14


Do đó, muối LiCl được sử dụng vì đáp ứng tốt điều kiện đầu.

20

40

60

80

100

Hình 1.4: Các đường 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 hịa đó.
Bảng 1.3: Các áp suất hơi bão hịa
Nhiệt độ dung
dịch (0C)
5
10
15
20

25
30
35
40
45
50
55
60
65

Áp suất hơi bão
hòa trên mặt
nước (Pa)
872,47
1227,94
1705,32
2338,54
3168,74
4245,20
5626,45
7381,27
9589,84
12344,78
15752,26
19933,09
25023,74

Áp suất hơi bão
hòa trên mặt
dung dịch LiCl

(Pa)
119,2
157,6
203,6
260,6
353,2
473,9
628,7
823,6
1066,1
1364,6
1727,5
2163,4
2681,1

Tỷ số giữa các áp
suất bão hòa
u=

Pvmax ( LiCl )
%
Pv max ( H 2 O )

13,7
12,8
11,9
11,1
11,1
11,2
11,2

11,2
11,1
11,1
11,0
10,9
10,7

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

15


Ưu điểm: Do điểm sương chính xác cao, kết cấu ñơn giản, tin cậy và giá
thành thấp. So với ẩm kế ngưng tụ thì khơng phải làm lạnh.
Nhược điểm: Thời gian ñáp ứng lớn (hàng chục phút). Dải ño hạn chế (từ
-100C ñến 600C).
1.3.4 Ẩm kế biến thiên trở kháng
Ẩm kế loại này dựa vào sự thay đổi tính dẫn ñiện (hoặc cách ñiện) của
một phần tử nhạy hút ẩm khi nó hút ẩm (hút nước từ khơng khí). Lượng nước
hút sẽ nhiều hơn khi độ ẩm khơng 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 khơng khí. Sự thay đổi này phải tuyến tính, có tính thuận nghịch và
ổn định 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 điện trở khá đơn 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 khơng bị oxy hố (inoxydable). ðiện trở giữa 2 ñiện cực
Rm ñược ño qua ñiện áp ñặt vào ñiện cực và dòng chạy qua phần tử nhạy cảm
là chất hút ẩm. ðiện trở Rm không chỉ phụ thuộc vào ñộ ẩm mà còn cả vào

nhiệt ñộ.
ðiện trở Rm thay ñổi khá rộng theo ñộ ẩm, từ vài MΩ ñến 80MΩ.
ðể Rm chỉ cịn phụ thuộc độ ẩm, ẩm kế ñược bù trừ ảnh hưởng của nhiệt
ñộ theo sơ ñồ mạch. ðiện trở Ra mắc nối tiếp với Rm phải có cùng hệ số nhiệt
điện trở với Rm nhờ vậy do nhiệt độ mà Rm tăng (giảm) bao nhiêu thì Ra cũng
tăng (giảm) bấy nhiêu và tỷ số U2 trên U1 giữ nguyên (khi nhiệt ñộ thay ñổi).
Khi ñộ ẩm thay đổi thì tỷ số này thay đổi từ đó có thể suy ra U%.
Ẩm kế điện trở có kích thước nhỏ nên thời gian ñáp ứng nhanh (vài
giây), giá thành thấp, ít chịu ảnh hưởng của mơi trường (có thể sử dụng ở nơi
có hố chất).
Trường ðại học Nơng nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………..

16