ĐỀ Luận : Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm

ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ ĐIỆN VÀ CÔNG TRÌNH
BỘ MƠN KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm.

Giảng viên hướng dẫn : ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung
:
Sinh viên thực hiện
: Mạc Văn Sơn
Lớp
: K58 – CƠ ĐIỆN TỬ
Khoá
: 58

Hà Nội - năm 2017


LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời buổi công nghệ phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều sản phẩn
điện tử ra đời với những tính năng vượt bậc và vơ cùng đa dạng, phong phú và đặc biệt
hơn là sự Thông minh chứa đựng trong mỗi sản phẩm. Khoa học phát triển làm cho
những ngành khác cũng phát triển theo, có thể kể đến như điện tử, công nghệ thông
tin, viễn thông, cơ khí, chế tạo máy… Các ngành khoa học ln có sự kết hợp chặt chẽ
với nhau từ cơ khí, điện tử đến lập trình. Ngành cơ điện tử ra đời mà đỉnh cao đó là các
loại Robot thơng minh, các máy móc thơng minh… Một hệ thống máy móc thông
minh được cấu thành từ rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập trình phức tạp, các
cơ cấu chấp hành, xử lý cũng phức tạp nhưng hoạt động thì ngày càng mềm mại. Có

một bộ phận vơ cùng quan trọng để tạo nên sự thơng minh đó khơng thể khơng kể đến
đó là các loại cảm biến. Nhờ có các cảm biến, các robot ngày nay được phát triển để
nhận biết được các hành động phức tạp ví dụ như tay máy cầm cốc thủy tinh sao cho
khơng vỡ, hay hệ thống tự động đóng mở cửa khi có người ra vào ở các siêu thị… Có
rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và sử dụng với các mục đích khác nhau trong
đời sống như cảm biến cảm nhận về nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dịng chảy…
Tùy theo mỗi loại cơng việc mà mỗi loại cảm biến có cách chế tạo khác nhau.
Có rất nhiều loại cảm biến trên thị trường hiện nay, một loại cảm biến cũng rất thơng
dụng đó là cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm. Nhiệt độ và độ ẩm là một trong những đặc
trưng quan trọng nhất của khí hậu và có ý nghĩa quan trọng đối với một số q trình
cơng nghệ. Trong khí quyển, độ ẩm tồn tại trong phạm vi rất rộng (từ vài phần triệu
ppm đến hơi nước bão hòa ở 1000C), trong khoảng nhiệt độ lớn (từ -75oC đến 1000oC)
có thể lẫn tạp chất và hóa chất khác nhau. Ứng dụng của hai loại cảm biến này vơ cùng
đa dạng, có thể dùng trong xác định nhiệt độ độ ẩm của môi trường, của nhà kín vườn
ươm, tủ sấy, trong các nhà máy, phịng thí nghiệm… từ đó là cơ sở để điều khiển nhiệt
độ độ ẩm phục vụ các mục đính khác nhau.
Sinh viên thực hiện để tài

Mạc Văn Sơn


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ ĐO
NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM .................................................................................................. 5
1.1. Tổng quan về cảm biến ................................................................................... 5
1.1.1. Khái niệm ......................................................................................................... 5
1.1.2. Phân loại cảm biến ............................................................................................ 5
1.1.3. Một số đặc trưng cơ bản .................................................................................... 5
1.2. Nguyên lý đo của cảm biến ............................................................................. 9
1.2.1. Với các loại cảm biến tích cực........................................................................... 9

1.2.2. Với các loại cảm biến thụ động ....................................................................... 12
1.3. Một số cảm biến thông dụng ......................................................................... 13
1.3.1. Cảm biến quang .............................................................................................. 13
1.3.2. Cảm biến đo nhiệt độ ...................................................................................... 14
1.3.3. Cảm biến đo độ ẩm ......................................................................................... 14
1.3.4. Cảm biến thông minh ...................................................................................... 14
1.2. Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm ............................................................................ 15
1.2.1. Cảm biến đo độ ẩm HS1101 ............................................................................. 15
1.2.2. Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 ....................................................................... 23
CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM BẰNG TÍN HIỆU SỐ .... 27
2.1. Các yêu cầu, tính năng của bộ đo nhiệt độ, độ ẩm ....................................... 27
2.1.1. Yêu cầu của thiết bị .......................................................................................... 27
2.1.2. Tính năng của thiết bị ....................................................................................... 27
2.2. Thiết lập sơ đồ khối của bộ đô nhiệt độ, độ ẩm. .......................................... 27
2.2.1. Sơ đồ khối ........................................................................................................ 27
2.2.2. Cấu tạo, chức năng của từng khối ..................................................................... 28
2.3. Thiết kế phần cứng ........................................................................................ 31
2.4. Lập trình điều khiển ...................................................................................... 33
CHƢƠNG 3 CHẾ TẠO BỘ ĐO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM .......................................... 35
3.1. Các bƣớc chuẩn bị, thực hiện chung ............................................................. 35
3.1.1. Chuẩn bị........................................................................................................... 35
3.1.2. Thực hiện chung............................................................................................... 35
3.2. Mô phỏng thiết bị trên phần mềm ................................................................ 35
3.3. Chạy trên bo test ............................................................................................ 36
3.4. Chế tạo bộ điều khiển và gán chƣơng trình đã lập trình ............................. 37
3.5. Kết quả ........................................................................................................... 39
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 39
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 40
Trang web thao khảo ............................................................................................... 40

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng 1.1 Các đặc điểm của cảm biến HS1101 .................................................................. 20
Bảng 1.2. Đặc tính tần số đầu ra của mạch ....................................................................... 21
Bảng 1.3. Đặc tính điện áp đầu ra của mạch (ở Vcc = 5V, 250C)...................................... 22
Hình 1.1. Xác định các khoảng thời gian của cảm biến. ..................................................... 8
Hình 1.2. Sơ đồ hiệu ứng điện ........................................................................................... 10
Hình 1.3. Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện ............................................................................. 10
Hình 1.4. Ứng dụng hiệu ứng áp điện ............................................................................... 11
Hình 1.5. Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ................................................................. 11
Hình 1.6. Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ. .............................................................. 12
Hình 1.7. Ứng dụng hiệu ứng Hall .................................................................................... 12
Hình 1.8. Phototransistor trong chế độ chuyển mạch ...................................................... 13
Hình 1.9. Sơ đồ đơn giản về cặp nhiệt điện ....................................................................... 14
Hình 1.10.Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh. ........................................................ 15
Hình 1.11. Điện áp ra của cảm biến có bộ định thời CMOS. ............................................ 17
Hình 1.12.Cảm biến HS1101 .............................................................................................. 20
Hình 1.13.Sơ đồ ghép nối cảm biến HS1101 với IC55 ....................................................... 21
Hình 1.14.Đo độ ẩm đất bằng cách ghim một giá trị độ ẩm xác định ............................... 22
Hình 1.15.Cảm biến nhiệt độ DS18B20.............................................................................. 23
Hình 1.16.Sơ đồ ứng dụng mạch ấp trứng ......................................................................... 26
Hình 2.1. Sơ đồ khối chính của thiết bị ............................................................................. 27
Hình 2.2. Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến nhiệt độ........................................................... 28
Hình 2.3. Sơ đồ mắc mạch khối cảm biến độ ẩm .............................................................. 28
Hình 2.4. Sơ đồ khối vi xử lý 8051 ..................................................................................... 29
Hình 2.5. Sơ đồ mạch khối hiển thị ................................................................................... 30
Hình 2.6. Sơ đồ mạch khối lọc nguồn DC 5V ................................................................... 30
Hình 2.7. Sơ đồ mắc mạch khối relay ............................................................................... 31
Hình 2.8. Sơ đồ mắc mạch khối truyền thơng .................................................................. 31
Hình 2.9. Sơ đồ mạch của tồn thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm .............................................. 31

Hình 2.10.Thiết kế mạch in trên Altium ............................................................................ 32
Hình 2.11.Mơ phỏng mạch 3D trên Altium ....................................................................... 32
Hình 2.12.Khai báo thƣ viện, nối chân cho LCD và cảm biến .......................................... 33
Hình 3.1. Mạch mơ phỏng đo nhiệt độ, độ ẩm .................................................................. 36
Hình 3.2. Mạch nạp và Sơ đồ mắc mạch khối nạp SPI cho 8051 ..................................... 36
Hình 3.3. Giao diện phần mềm nạp chíp progisp ............................................................. 37
Hình 3.4 .Thiết bị thực tế trƣớc khi đóng hộp ................................................................... 38
Hình 3.5. Thiết bị chạy khi đã hoàn thành ........................................................................ 38


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ,
ĐỘ ẨM
1.1. Tổng quan về cảm biến
1.1.1. Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được
Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất,
khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến sẽ xác định một đặc trưng (s)
mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng) chứa đựng thơng tin cho
phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):
s = f(m)
Trong công thức, s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, m là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo), thông qua đo đạc (s)
cho phép nhận biết giá trị của kích thích (m).

1.1.2. Phân loại cảm biến
 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
 Theo dạng kích thích
 Theo tính năng của bộ cảm biến
 Theo phạm vi sử dụng
 Theo thông số của mơ hình mạch thay thế
1.1.3. Một số đặc trưng cơ bản
a. Độ nhạy của Cảm biết
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm
có sự liên hệ tuyến tính với nhau: Δs = S.Δm. Đại lượng S xác định bởi biểu
thức S 

s
được gọi là độ nhạy của cảm biến.
m

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra
và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:
5


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

 s 
S 


 m  m  mi
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao
cho độ nhạy S của nó khơng đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
 Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó
 Thời gian sử dụng
 Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi
trường xung quanh.
Giá trị S thường được cung cấp bởi nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm
việc nhất định của cảm biến.
b. Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế
độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự khơng phụ thuộc của độ nhạy của
cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên các đặc trưng
tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo cịn
nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng phụ thuộc của độ nhạy ở
chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (tần số
riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính, dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho
tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự
hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hóa.
c. Sai số và chính xác
Ngồi đại lượng cần đo, các bộ phận trong cảm biến còn chịu tác động của nhiều
đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng
cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối),
sai số tương đối của bộ cảm biến được tính như sau:



x
.100  %
x

6


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì khơng thể biết chính xác
giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến thì thường phân
thành hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
 Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng đổi
hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị
thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do điều kiện sử dụng không tốt hoặc do
người đo không hiểu biết về hệ đo gây ra. Các nguyên nhân sai số có thể kể đến đó là:
+ Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo.
 Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều khơng xác định.
Ngun nhân gây ra sai số hệ thống thì có thể dự đốn được, nhưng khơng thể dự đốn
được độ lớn cũng như dấu của nó. Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng khơng được tính đến khi chuẩn cảm biến.

Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích
hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp
nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện
phép đo lường thống kê.
d. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời
gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại
lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi
biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính
bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải
chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính

7


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và làm
hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thơng số
thời gian gồm thời gian trễ khi tăng tdm và thời gian tăng tm ứng với sự tăng đột ngột
của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng
đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó lên 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng
này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10%
đến 90% biến thiên tổng cộng của nó.

Hình 1.1. Xác định các khoảng thời gian của cảm biến.
Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết
để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của
đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra
giảm từ 90% đến 10% biến thiên tổng cộng của nó.
Các thơng số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về
thời gian hồi đáp của nó.
e. Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác
động nhiệt, … Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi
đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến cần phải biết rõ các
giới hạn này.
 Vùng làm việc danh định

8


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường
của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại
lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể
thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm
biến.
 Vùng không gây nên hư hỏng
Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại
lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm

việc danh định những vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng gây nên hư hỏng, các đặc
trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận
nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại
giá trị ban đầu của chúng.
 Vùng không phá hủy
Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý
có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư
hỏng nhưng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến
bị thay đổi và những thay đổi này mang tính khơng thuận nghịch, tức là khi trở về
vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu
của chúng. Trường hợp này, cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải chuẩn lại.
1.2. Nguyên lý đo của cảm biến
1.2.1. Với các loại Cảm biến tích cực
Cảm biến tích cực là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là
điện tích, điện áp hay dịng. Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng
dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ, bức xạ, …)
thành năng lượng điện. Khái quát lại, có thể kể đến các loại cảm biến với các hiệu ứng
vật lý sau:
a. Hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn M1, M2 có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành
một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong
mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch

9


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

nhiệt độ giữa T1 và T2. Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết
trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 00C.

Hình 1.2. Sơ đồ hiệu ứng điện
b. Hiệu ứng hỏa điện
Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ: tinh thể Sulfate triglycine) có tính
phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các
mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ
thuộc vào độ phân cực của tinh thể hỏa điện.
Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta
chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ
của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác
định được thơng lượng ánh sáng Φ.

Hình 1.3. Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện
c. Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị
biến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất
hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện.
Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F.

10


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Hình 1.4. Ứng dụng hiệu ứng áp điện
d. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện
một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa
là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt
trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc
độ biến thiên của từ thông qua khung dây. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng
để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.

Hình 1.5. Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ
e. Hiệu ứng quang điện
 Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng
giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng
một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một
ngưỡng nhất định.
 Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay cịn gọi là hiệu ứng quang điện ngồi) là
hiện tượng các điện tử được giải phóng và thốt khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dịng có
thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
f. Hiệu ứng quang - điện – từ
Khi tác dụng một từ trường B vng góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán
dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vng góc với từ
trường B và hướng bức xạ ánh sáng.

11


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Hình 1.6. Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ.
g. Hiệu ứng Hall
Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dịng điện
chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dịng điện I trong tấm một góc
θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V H theo hướng vng góc với B và I. Biểu thức hiệu
điện thế có dạng:

VH  K H IB sin 

Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu.

Hình 1.7. Ứng dụng hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall được dùng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật cần
xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam
châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm
vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm
phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.
1.2.2. Với các loại Cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thơng số chủ
yếu nhạy với các đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước
hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện
mơi, …). Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước
hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai.

12


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Sự thay đổi thơng số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử
chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử
chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở
kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến
có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng
đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến.
Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại
lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo.
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo
trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, …). Để chế tạo cảm
biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng
vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau là không đáng kể. Khi đó có thể
thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng
của cảm biến.
1.3. Một số cảm biến thơng dụng
1.3.1. Cảm biến quang
Trong cảm biến quang có cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ.
Với cảm biến quang dẫn thì có photodiot, phototransistor, phototransistor hiệu ứng
trường các loại này có ngun lý hoạt động chính đó là khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm
thay đổi điện trở của linh kiện. Với cảm biến quang điện phát xạ thì có tế bào quang
điện chân khơng, tế bào quang điện dạng khí, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý là
khi có một bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định chiếu vào bề
mặt của tế bào thì sẽ giải phóng các điện tử tạo thành dịng điện.

Hình 1.8. Phototransistor trong chế độ chuyển mạch
(Role, Role sau khuếch đại, cổng logic, Thyristor)

13


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

1.3.2. Cảm biến đo nhiệt độ
Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính
chất vật liệu vào nhiệt độ. Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các cảm biến nhiệt
độ. Trong cảm biến nhiệt độ bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như thermistor,
cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, nhiệt kế bức xạ, … Mỗi loại có một nguyên lý làm việc
khác nhau nhưng đều tuân theo một thang đo nhiệt độ nhất định (Kelvin, Celsius,
Fahrenheit).

Hình 1.9. Sơ đồ đơn giản về cặp nhiệt điện
1.3.3. Cảm biến đo độ ẩm
Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý là sự hấp thụ độ ẩm (hơi nước)
làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến (chất hóa học cấu tạo
như LiCl, P2O5) làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm.
1.3.4. Cảm biến thơng minh
Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp Si, các đại lượng đo và các đại lượng
của yếu tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đối
chuẩn hóa CĐCH. Các bộ chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn,
thường là điện áp từ 0 – 5V hoặc 0 – 10V để đưa vào bộ dồn kênh MUX. Bộ dồn kênh
MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tượng tự - số A/D trước khi
vào bộ vi xử lý μP.
 Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến thơng thường thì đầu ra của chúng được
đưa vào một vi mạch công nghệ lai bao gồm các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, bộ dồn

kênh MUX, bộ chuyển đổi tương tự - số A/D và vi xử lý μP trong một khối có đầu ra
qua bộ ghép nối để truyền thông tin đi xa hay vào máy tính cấp trên hay bộ ghi chương
trình cho EPROM.
 Nếu cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau đều được để
trong một khối công nghệ lai.

14


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Hoạt động của cảm biến là do vi xử lý đảm nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau
giữa các khâu theo một thuật toán chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới
hạn đo của từng kênh, tính tốn sai số của phép đo. Trong quá trình hoạt động xảy ra
sự trao đổi lệnh giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (thường là hợp ngữ).
Các chương trình phần mềm đảm bảo mọi hoạt động của cảm biến bao gồm:
 Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như ngăn xếp, cổng thông
tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào bộ ADC, điều khiển hoạt động của bộ dồn kênh
MUX.
 Chương trình biến đổi và xử lý thơng tin đo: Biến đổi các giá trị đo được thành
mã BCD, mã ASCII, các chương trình xử lý số liệu đo.
 Chương trình giao diện: Đưa hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn
phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thơng tin hay truyền vào
mạng hay gửi cho máy tính cấp trên.

Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh.
1.2. Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm

Thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm được thiết kế để nhận biết được nhiệt độ và độ ẩm
bằng tín hiệu số từ tín hiệu tương tự thông qua 2 cảm biến (sensor) là HS1101 và
DS18B20.
1.2.1. Cảm biến đo độ ẩm HS1101
a. Khái niệm
Độ ẩm được xác định như hàm lượng hơi nước trong không khí hoặc trong các
chất khí khác. Theo thuật ngữ chuyên mơn thì độ ẩm khơng khí là nồng độ hơi nước
trong khơng khí. Độ ẩm thường được đo lường là:

15


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

 Độ ẩm tuyệt đối bằng khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích khơng
khí hay chất khí gas (tính ra [g/m3]);Điểm sương (nhiệt độ và áp suất mà tại đó chất
khí bắt đầu tích tụ hơi nước thành chất lỏng);
 Độ ẩm tương đối, hoặc RH (Relative Humidity) là tỷ lệ hàm lượng hơi ẩm của
khơng khí so với mức hơi ẩm bão hịa ở cùng nhiệt độ và áp suất; nói cách khác, là tỷ
số giữa độ ẩm tuyệt đối với độ ẩm cực đại (khi hơi nước bão hòa) ở nhiệt độ và áp suất
đang xét. Độ ẩm tương đối tính bằng phần trăm [%RH].
 Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người, đến thiết bị
máy móc và các qn trình lý hóa.
 Độ ẩm thay đổi trong một dải rộng từ 30% đến 70% với độ ẩm nhỏ hơn 35% bộ máy
tiêu hóa kích thích nếu lớn hơn 75% sự ra mồ hôi giảm nghiêm trọng.

Trong công nghiệp, độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị, máy móc nhất là

các thiết bị điện, điện tử. Do vậy việc đo, xác định độ ẩm và chống ẩm là nhiệm vụ rất
quan trọng trong các q trình cơng nghệ, điều khiển và thiết kế chế tạo các thiết bị.
b. Lựa chọn và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến độ ẩm
Sự khác biệt giữa các loại cảm biến về độ chính xác, khả năng thay thế lấp lẫn,
những ưu nhược điểm của mỗi loại.
Những tiêu chí quan trọng trọng lựa chọn cảm biến độ ẩm bao gồm:
 Độ chính xác
 Tính thay thế và lắp lẫn
 Tính lặp lại đặc tính kỹ thuật
 Tính ổn định
 Khẳ năng phục hồi sau ngưng tụ hơi nước
 Tính kháng nhiễm tạp chất, chất bẩn
 Kích cỡ và bao gói
 Tính hiệu quả và giá thành
 Giá thành thay thế và bảo dưỡng khi có hỏng hóc
 Hiệu chuẩn
 Tính phức hợp và hiện thực hóa q trình chuẩn hóa tín hiệu và mạch thu nhập
dữ liệu

16


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

c. Lựa chọn cảm cảm biến RH kiểu điện dung
Các ứng dụng đối với cảm biến độ RH kiểu điện dung chiếm một phạm vi rộng
bao gồm:

 Các thiết bị bên trong ơ tơ như bộ phận chống đóng băng kính chắn gió
 Các máy in, máy vi tính
 Các thiết bị y tế như quạt thơng gió và lò ấp
 Những ứng dụng dân dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy sấy quần áo
 HVAC (Nhiệt, thơng gió và điều hịa khơng khí)
 Các máy thu và ghi dữ liệu
 Bộ phận phát hiện rò rỉ
 Các trạm khí tượng
 Thiết bị cơng nghiệp và xử lý thực phẩm
 Buồng thử môi trường
Tiếp nhận những tiến bộ nguyên lý cutting-edge trong lĩnh vực thiết kế chế tạo
chất bán dẫn, nhiều cảm biết điện dung đã có được đặc tính độ trơi và độ trễ tối thiểu
và lâu bền. Việc ứng dụng công nghệ CMOS trong các bộ phát xung định thời giúp
cho cảm biến tạo được tính hiệu điện ấp ra gần tuyến tính.

Hình1.11. Điện áp ra của cảm biến có bộ định thời CMOS.
Độ bất định của cảm biến điển hình là ±2% RH trong phạm vi độ RH từ 5% đến
95% sử dụng hiệu chuẩn hai điểm. Hiệu ứng điện dung của đường cáp nối liên quan
với những thay đổi điện dung nhỏ của cảm biến hạn chế khoảng cách lắp đặt phần tử
17


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu trong phạm vi thực tế là ngắn hơn 100 feet. Việc
điều hưởng tinh có thể giảm thiểu độ biến động ±2% làm tăng khả năng thay thế lấp
lẫn một cách trực tiếp.

Các chương trình máy tính hiệu chuẩn lại cũng có khả năng bù lại cho điện dung
cảm biến từ 100 đến 500pF.
Các cảm biến RH kiểu điện dung là không tuyến tính dưới vài phần trăm độ RH,
đó là lý do tại sao nhiều cảm biến trong các hệ đo lường điểm sương lại dùng các mạch
vi xử lý để lưu giữ các dữ liệu hiệu chuẩn. Phát triển này đã giúp làm giảm giá thành
các máy đo độ ẩm và máy truyền phát trong điều hịa khơng khí và các ứng dụng thám
báo khí tượng viễn thơng.
Về ưu điểm và nhược điểm: với ưu điểm thì điện áp ra gần như là tuyến tính,
pham vị đo độ RH và dung sai ngưng tụ hơi nước rộng; tính thay thế lấp lẫn nếu dùng
điều hưởng tinh bằng laser, tính ổn định trong thời gian dài sử dụng. Về nhược điểm
thì khoảng cách từ phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu bị giới hạn là ưu
điểm lớn nhất của loại này.
d. Lựa chọn cảm cảm biến RH kiểu điện trở
Các cảm biến kiểu điện trở là những cảm biến độ ẩm loại nhỏ, giá thấp mà lại có
độ ổn định lâu bền và tính thay thế lấp lẫn cao. Chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng
công nghiệp, thương mại và dân dụng, đặc biệt là trong kiểm tra và chỉ thị chất lượng
sản phẩm.
Các cảm biến điện trở có đáp ứng phi tuyến đối với sự thay đổi độ ẩm, nhưng có
thể tuyến tính hóa bằng các phương pháp tương tự hay phương pháp số. Phạm vi biến
thiên điện trở điển hình là từ vài kΩ tới hàng trăm MΩ. Tần số kích thích định mức từ
30Hz đến 10kHz.
Các cảm biến độ RH có tính thay thế lấp lẫn cao (trong phạm vi ±2% RH). Mạch
điện tử chuẩn hóa tín hiệu có thể được hiệu chuẩn tại một điểm RH cố định, hạn chế sự
cần thiết các chuẩn độ ẩm. Độ chính xác có thể được kiểm nghiệm tại một buồng hiệu
chuẩn RH hoặc bằng một hệ tiêu chuẩn dùng máy tính tham chiếu tới một mơi trường
tiêu chuẩn. Các cảm biến kiểu điện trở có nhiệt độ làm việc định mức trong phạm vi từ
-40 tới 1000C.
Tuổi thọ cảm biến mong đợi là ít hơn 5 năm trong các ứng dụng thương mại và
dân dụng, nhưng sử dụng trong các điều kiện bám bẩn có thể gây ra những hỏng hóc
18

Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

vĩnh viễn. Các cảm biến kiểu điện trở cũng có xu hướng suy dời chỉ số chỉ chị trong
quá trình bộc lộ cho hơi nước ngưng tụ khi sử dụng các lớp phủ hòa tan được trong
nước.
 Ưu điểm:

+ Khơng cần chuẩn hiệu chỉnh, có tính thay thế lắp lẫn cao và khả năng thay thế
tại chỗ
+ có tính ổn định lâu bền
+ Có khả năng sử dụng những vị trí lắp đặt xa
+ Kích thước nhỏ
+ Giá thành thấp
 Nhược điểm:

+ Việc phản ứng với hơi hóa chất và bám bẩn
Trị số đo có thể bị suy dời bở sử dụng lớp phủ hòa tan được trong nước
e. Lựa chọn cảm cảm biến kiểu nhiệt dẫn
Các cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn nói chung được sử dụng trong các thiết bị
máy móc, kể cả máy sấy quần áo và lị vi sóng. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng
dụng cơng nghiệp, kể cả các lị sấy gỗ, máy sấy, bào chế dược phẩm, nấu ăn và khử
nước trong thực phẩm.
Được cấu trúc từ thủy tinh, vật liệu bán dẫn, chất dẻo nhiệt độ cao và nhôm, các
cảm biến nhiệt dẫn là loại lâu bền và có tính năng chịu được hơi hóa chất.
Chúng cho độ phân giải cao hơn so với các cảm biến kiểu điện dung và kiểu điện

trở ở nhiệt độ lớn hơn 2000F. Độ chính xác điển hình là 3(g/m3), được chuyển đổi
thành gần ±5% RH ở 400C và ±0,5% RH ở 1000C.


Ưu điểm
+ Rất lâu bền
+ Hoạt động tốt ở môi trường ăn mịn và nhiệt độ cao tới 575oF.
+ Có độ phân giải tốt hơn các cảm biến kiểu điện dung và điện trở.



Nhược điểm
+ Đáp ứng với chất khí bất kỳ có các tính chất nhiệt khác với nito lỏng, điều này

có thể ảnh hưởng tới phép đo.

19


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

f. Cảm biến đo độ ẩm HS1101
 Cảm biến HS1101
HS1101 (Hình 1.12) là loại cảm biến đo độ ẩm có độ chính xác ±2%. Dải nhiệt
độ hoạt động từ -400C ÷ 1000C. Cảm biến HS1101 được sử dụng phổ biến trong cuộc
sống, ngồi ra nó cịn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ. Để đạt
tiêu chí kinh tế và độ chính xác tương đối thì HS1101 có thể tốt nhất, với độ chính xác

về độ ẩm 2%RH, HS1101 khơng thua kém gì SHT1x (lên tới ±4.5%RH)

Hình 1.12. Cảm biến HS1101
 Đặc điểm

Bảng 1.1 Các đặc điểm của cảm biến HS1101 (xét ở Ta=250C, tần số đo lường cỡ
10kHz)
 Nguyên lý làm việc
Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung. Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của
HS1101 thay đổi. Do vậy, để đo được độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung của
HS1101. Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 và IC NE555. Khi đó giá trị
điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555. Như vậy bài
toán đo độ ẩm được thay bằng bài toán đo tần số, cụ thể là tần số đầu ra của IC555.
20


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Hình 1.13. Sơ đồ ghép nối cảm biến HS1101 với IC55
 Cách đo độ ẩm dùng cảm biến HS1101
Ghép nối mạch như hình 2.3, tần số dao động của mạch được tính bằng cơng thức:

F

1
1


th  tl [C @% RH ( R4  2 R2 )ln 2 ]

Trong công thức: F là tần số, C@%RH là độ ẩm, R2 = 576kΩ, R4 = 49,9kΩ
(@ là ký tự đặc biệt trong ngôn ngữ C, sau @ là giá trị của biến.)
RH

0

Tần số HZ

10

7351 7224

20

30

40

50

60

70

80

90

100

7100

6976

6853

6728

6600

6468

6300

6186

6033

Bảng 1.2. Đặc tính tần số đầu ra của mạch: (điểm tham chiếu ở f = 6660Hz cho
55%RH / 250C)
Giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555
bài tốn của chúng ta bây giờ chính là đo tần số tại đầu ra của 555 từ đó tham chiếu
đến datasheet của HS1101 để tìm ra độ ẩm hiện tại.
Cơng thức liên hệ giữa độ ẩm và điện dung
C(pF)=C@55%(1,25.10-7RH3-1,36.10-5RH2+2,19.10-3RH+9.010-1)
Trong đó: C@55% ~ 180pF (datasheet HS1101), C(pF) là điện dung đo được.
Ảnh hưởng của tần số đo lường:
C@fkHz=[C@10kHz(1,027-0,01185ln(fkHz)]

Điện áp tỉ lệ lối ra của mạch:
Vout=Vcc(0,00474x%RH+0,2354)
21


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

Khoảng độ ẩm tương đối xét từ 5% đến 99%RH, hệ số nhiệt điển hình là
+0,1%RH/0C từ 100C đến 600C.
RH

0

Điện áp (V)

-

10

20

30

1,41 1,65 1,89

40

50

60

70

2,12

2,36

2,60

2,83

80

90

100

3,07 3,31 3,55

Bảng 1.3. Đặc tính điện áp đầu ra của mạch (ở Vcc = 5V, 250C)
 Một ứng dụng thực tế ở nông thôn đã được áp dụng là báo động độ ẩm đất

Hình 1.14. Đo độ ẩm đất bằng cách ghim một giá trị độ ẩm xác định, nếu độ ẩm
thấp hơn giá trị này thì cịi kêu, đèn sáng

22

Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

1.2.2. Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20
a. Đặc điểm DS18B20

Hình 1.15. cảm biến nhiệt độ DS18B20



Lấy nhiệt độ theo giao thức 1 dây (1wire)



Cung cấp nhiệt độ với độ phân giải config 9,10,11,12 bit, tùy theo sử dụng.
Trong trường hợp khơng config thì nó tự động ở chế độ 12 bit.

Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa là 750ms cho mã hóa 12 bit


Có thể đo nhiệt độ trong khoảng -55 -> +125°C. Với khoảng nhiệt độ là -10°C to
+85°C thì độ chính xác ±0.5°C,±0.25°C ,±0.125°C,±0.0625°C. theo số bít
config.



Có chức năng cảnh báo nhiệt khi nhiệt độ vượt ngưỡng cho phép. Người dùng có

thể lập trình chức năng này cho DS18B20. Bộ nhớ nhiệt độ cảnh báo không bị
mất khi mất nguồn vì nó có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ
ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia laze.



Cảm biến nhiệt độ DS18B20 có mã nhận diện lên đến 64-bit, vì vậy bạn có thể
kiểm tra nhiệt độ với nhiều IC DS18B20 mà chỉ dùng 1 dây dẫn duy nhất để giao
tiếp với các IC này.

Với DS18B20 ta hồn tồn có thể tạo cho mình mạch cảm biến nhiệt độ theo ý muốn.
 Điện áp sử dụng : 3 – 5.5 V
 Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ rất nhỏ.
23


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

b. Đo nhiệt độ với DS18B20
 READ ROM (33h)
Cho phép đọc ra 8 byte mã đã khắc bằng laser trên ROM, bao gồm: 8 bit mã định
tên linh kiện (10h), 48 bit số xuất xưởng, 8 bit kiểm tra CRC. Lệnh này chỉ dùng khi
trên bus có 1 cảm biến DS18B20, nếu không sẽ xảy ra xung đột trên bus do tất cả các
thiết bị tớ cùng đáp ứng.
 MATCH ROM (55h)
Lệnh này được gửi đi cùng với 64 bit ROM tiếp theo, cho phép bộ điều khiển bus
chọn ra chỉ một cảm biến DS18B20 cụ thể khi trên bus có nhiều cảm biến DS18B20

cùng nối vào. Chỉ có DS18B20 nào có 64 bit trên ROM trung khớp với chuỗi 64 bit
vừa được gửi tới mới đáp ứng lại các lệnh về bộ nhớ tiếp theo. Còn các cảm biến
DS18B20 có 64 bit ROM khơng trùng khớp sẽ tiếp tục chờ một xung reset. Lệnh này
được sử dụng cả trong trường hợp có một cảm biến một dây, cả trong trường hợp có
nhiều cảm biến một dây.
 SKIP ROM (CCh)
Lệnh này cho phép thiết bị điều khiển truy nhập thẳng đến các lệnh bộ nhớ của
DS18B20 mà không cần gửi chuỗi mã 64 bit ROM. Như vậy sẽ tiết kiệm được thời
gian chờ đợi nhưng chỉ mang hiệu quả khi chỉ có một cảm biến.
 SEARCH ROM (F0h)
Lệnh này cho phép bộ điều khiển bus có thể dị tìm được số lượng thành viên tới
đang được đấu vào bus và các giá trị cụ thể trong 64 bit ROM của chúng bằng một chu
trình dị tìm.
 ALARM SEARCH (ECh)
Tiến trình của lệnh này giống hệt như lệnh Search ROM, nhưng cảm biến
DS18B20 chỉ đáp ứng lệnh này khi xuất hiện điều kiện cảnh báo trong phép đo nhiệt
độ cuối cùng. Điều kiện cảnh báo ở đây được định nghĩa là giá trị nhiệt độ đo được lớn
hơn giá trị TH và nhỏ hơn giá trị TL là hai giá trị nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp
nhất đã được đặt trên thanh ghi trong bộ nhớ của cảm biến.
Sau khi thiết bị chủ (thường là một vi điều khiển) sử dụng các lệnh ROM để định
địa chỉ cho các cảm biến một dây đang được đấu vào bus, thiết bị chủ sẽ đưa ra các
lệnh chức năng DS18B20. Bằng các lệnh chức năng thiết bị chủ có thể đọc ra và ghi
24


Sinh viên: Mạc Văn Sơn

GVHD: ThS. Đinh Hải Lĩnh
KS. Nguyễn Thành Trung

vào bộ nhớ nháp (scratchpath) của cảm biến DS18B20. khởi tạo quá trình chuyển đổi
giá trị nhiệt độ đo được và xác định chế độ cung cấp điện áp nguồn. Các lệnh chức
năng có thể được mơ tả ngắn gọn như sau:
 WRITE SCRATCHPAD (4Eh)
Lệnh này cho phép ghi 2 byte dữ liệu vào bộ nhớ nháp của DS18B20. Byte đầu
tiên được ghi vào thanh ghi TH (byte 2 của bộ nhớ nháp) còn byte thứ hai được ghi
vào thanh ghi TL (byte 3 của bộ nhớ nháp). Dữ liệu truyền theo trình tự đầu tiên là bit
có ý nghĩa nhất và kế tiếp là những bit có ý nghĩa giảm dần. Cả hai byte này phải được
ghi trước khi thiết bị chủ xuất ra một xung reset hoặc khi có dữ liệu khác xuất hiện.
 READ SCRATCHPAD (BEh)
Lệnh này cho phép thiết bị chủ đọc nội dung bộ nhớ nháp. Q trình đọc bắt đầu
từ bit có ý nghĩa nhấy của byte 0 và tiếp tục cho đến byte rhứ 9 (byte 8 - CRC). Thiết
bị chủ có thể xuất ra một xung reset để làm dừng quá trình đọc bất kỳ lúc nào nếu như
chỉ có một phần của dữ liệu trên bộ nhớ nháp cần được đọc.
 COPYSCRATCHPAD (48h)
Lệnh này copy nội dung của hai thanh ghi TH và TL (byte 2 và byte 3) vào bộ
nhớ EEPROM. Nếu cảm biến được sử dụng trong chế dộ cấp nguồn l bắt đầu việc đo.
 CONVERT T (44h)
Lệnh này khởi động một quá trình đo và chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành số (nhị
phân). Sau khi chuyển đổi giá trị kết quả đo nhiệt độ được lưu trữ trên thanh ghi nhiệt
độ 2 byte trong bộ nhớ nháp Thời gian chuyển đổi không quá 200 ms, trong thời gian
đang chuyển đổi nếu thực hiện lệnh đọc thì các giá trị đọc ra đều bằng 0.
 READ POWER SUPPLY (B4h)
Một lệnh đọc tiếp sau lệnh này sẽ cho biết DS18B20 đang sử dụng chế độ cấp
nguồn như thế nào, giá trị đọc được bằng 0 nếu cấp nguồn bằng chính đường dẫn dữ
liệu và bằng 1 nếu cấp nguồn qua một đường dẫn riêng.

25