Đồng Hồ Vạn Niên Để Bàn
Tổng quan về đề tài
Mục tiêu của đề tài
Mục tiêu tổng quát
Nhằm phục vụ xem giờ, tính thời gian.
Mục tiêu cụ thể
Với mục tiêu nhằm thực hiện được những yêu cầu sau:
• Đồng hồ chạy đúng giờ.
• Báo thức
• Chỉnh được giờ
• Hiện thị nhiệt độ, độ ẩm.
• Đồng hồ chạy đúng giờ.
• Báo thức
• Chỉnh được giờ
• Hiện thị nhiệt độ, độ ẩm.
Giới hạn và phạm vi
Đối tượng nghiên cứu
• PIC16F877A
• DS1307
• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.
• DS1307
• Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trên mô phỏng.
Nội dung thực hiện
• Nghiên cứu chức năng
• Thiết kế mạch
• Lập trình điều khiển
• Thử nghiệm
• Thiết kế mạch
• Lập trình điều khiển
• Thử nghiệm
Phương pháp tiếp cận
● Áp dụng kiến thức đã học vào lập trình.
● Sử dụng các tài liệu liên quan để hỗ trợ việc lập trình hệ thống.
● Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên hướng dẫn.
● Thiết kế mô phỏng trên Proteus.
● Sử dụng các tài liệu liên quan để hỗ trợ việc lập trình hệ thống.
● Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên hướng dẫn.
● Thiết kế mô phỏng trên Proteus.
Cơ sở lý thuyết
Vi điều khiển PIC16F877A
Xem tại: Giới thiệu về PIC16F877A
IC DS1307
DS1307 là chip đồng hồ thời gian thực (RTC : Real-time clock), khái niệm thời gian thực ở đây được dùng với ý nghĩa thời gian tuyệt đối mà con người đang sử dụng, tình bằng giây, phút, giờ…DS1307 là một sản phẩm của Dallas Semiconductor (một công ty thuộc Maxim Integrated Products). Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm. Ngoài ra DS1307 còn có 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống có thể dùng như RAM. DS1307 được đọc và ghi thông qua giao diện nối tiếp I2C nên cấu tạo bên ngoài rất đơn giản. DS1307 xuất hiện ở 2 gói SOIC và DIP có 8 chân.
Hình 1: Hai gói cấu tạo IC DS1307
Các chân của DS1307 được mô tả như sau:
- X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip.
- VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.
- GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
- Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển.
Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).
- SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình. Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
- SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.
- X1 và X2: là 2 ngõ kết nối với 1 thạch anh 32.768KHz làm nguồn tạo dao động cho chip.
- VBAT: cực dương của một nguồn pin 3V nuôi chip.
- GND: chân mass chung cho cả pin 3V và Vcc.
- Vcc: nguồn cho giao diện I2C, thường là 5V và dùng chung với vi điều khiển.
Chú ý là nếu Vcc không được cấp nguồn nhưng VBAT được cấp thì DS1307 vẫn đang hoạt động (nhưng không ghi và đọc được).
- SQW/OUT: một ngõ phụ tạo xung vuông (Square Wave / Output Driver), tần số của xung được tạo có thể được lập trình. Như vậy chân này hầu như không liên quan đến chức năng của DS1307 là đồng hồ thời gian thực, chúng ta sẽ bỏ trống chân này khi nối mạch.
- SCL và SDA là 2 đường giao xung nhịp và dữ liệu của giao diện I2C.
Hình 2: Mạch ứng dụng đơn giản của DS1307
Cấu tạo bên trong DS1307 bao gồm một số thành phần như mạch nguồn, mạch dao động, mạch điều khiển logic, mạch giao điện I2C, con trỏ địa chỉ và các thanh ghi (hay RAM). Do đa số các thành phần bên trong DS1307 là thành phần “cứng” nên chúng ta không có quá nhiều việc khi sử dụng DS1307. Sử dụng DS1307 chủ yếu là ghi và đọc các thanh ghi của chip này. Vì thế cần hiểu rõ 2 vấn đề cơ bản đó là cấu trúc các thanh ghi và cách truy xuất các thanh ghi này thông qua giao diện I2C. Phần này chúng ta tìm hiểu cấu trúc các thanh ghi trước và cách truy xuất chúng sẽ tìm hiểu trong phần 2, điều khiển DS1307 bằng PIC.
Bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 0x00 đến 0x3F theo hệ hexadecimal). Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trông có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn. Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY), ngày (DATE), tháng (MONTH) và năm (YEAR). Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC. Việc đọc giá từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra. Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54. Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6). Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8.
Bộ nhớ DS1307 có tất cả 64 thanh ghi 8-bit được đánh địa chỉ từ 0 đến 63 (từ 0x00 đến 0x3F theo hệ hexadecimal). Tuy nhiên, thực chất chỉ có 8 thanh ghi đầu là dùng cho chức năng “đồng hồ” (RTC) còn lại 56 thanh ghi bỏ trông có thể được dùng chứa biến tạm như RAM nếu muốn. Bảy thanh ghi đầu tiên chứa thông tin về thời gian của đồng hồ bao gồm: giây (SECONDS), phút (MINUETS), giờ (HOURS), thứ (DAY), ngày (DATE), tháng (MONTH) và năm (YEAR). Việc ghi giá trị vào 7 thanh ghi này tương đương với việc “cài đặt” thời gian khởi động cho RTC. Việc đọc giá từ 7 thanh ghi là đọc thời gian thực mà chip tạo ra. Ví dụ, lúc khởi động chương trình, chúng ta ghi vào thanh ghi “giây” giá trị 42, sau đó 12s chúng ta đọc thanh ghi này, chúng ta thu được giá trị 54. Thanh ghi thứ 8 (CONTROL) là thanh ghi điều khiển xung ngõ ra SQW/OUT (chân 6). Tuy nhiên, do chúng ta không dùng chân SQW/OUT nên có thề bỏ qua thanh ghi thứ 8.
Hình 3: Tổ chức bộ nhớ của DS1307
Vì 7 thanh ghi đầu tiên là quan trọng nhất trong hoạt động của DS1307, chúng ta sẽ khảo sát các thanh ghi này một cách chi tiết.
Hình 4: Tổ chức các thanh ghi thời gian
Điều đầu tiên cần chú ý là giá trị thời gian lưu trong các thanh ghi theo dạng BCD. BCD là viết tắt của cụm từ Binary-Coded Decimal, tạm dịch là các số thập phân theo mã nhị phân. Ví dụ bạn muốn cài đặt cho thanh ghi MINUTES giá trị 42. Nếu quy đổi 42 sang mã thập lục phân thì chúng ta thu được 42=0x2A. Theo cách hiểu thông thường chúng ta chỉ cần gán MINUTES=42 hoặc MINUTES=0x2A, tuy nhiên vì các thanh ghi này chứa giá trị BCD nên mọi chuyện sẽ khác.
Với số 42, trước hết nó được tách thành 2 chữ số (digit) 4 và 2. Mỗi chữ số sau đó được đổi sang mã nhị phân 4-bit. Chữ số 4 được đổi sang mã nhị phân 4-bit là 0100 trong khi 2 được đổi thành 0010. Ghép mã nhị phân của 2 chữ số lại chúng ta thu được mốt số 8 bit, đó là số BCD. Với trường hợp này, số BCD thu được là 01000010 (nhị phân) = 66. Như vậy, để đặt số phút 42 cho DS1307 chúng ta cần ghi vào thanh ghi MINUTES giá trị 66 (mã BCD của 42). Tất cả các phần mềm lập trình hay thanh ghi của chip điều khiển đều sử dụng mã nhị phân thông thường, không phải mã BCD, do đó chúng ta cần viết các chương trình con để quy đổi từ số thập nhị phân (hoặc thập phân thường) sang BCD, phần này sẽ được trình bày trong lúc lập trình giao tiếp với DS1307. Thoạt nhìn, mọi người đều cho rằng số BCD chỉ làm vấn đền thêm rắc rối, tuy nhiên số BCD rất có ưu điểm trong việc hiển thị nhất là khi hiển thị từng chữ số như hiển thị bằng LED 7 đoạn chẳng hạn. Quay lại ví dụ 42 phút, giả sử chúng ta dùng 2 LED 7-đoạn để hiện thị 2 chữ số của số phút. Khi đọc thanh ghi MINUTES chúng ta thu được giá trị 66 (mã BCD của 42), do 66=01000010 (nhị phân), để hiển thị chúng ta chỉ cần dùng phương pháp tách bit thông thường để tách số 01000010 thành 2 nhóm 0100 và 0010 (tách bằng toán tử shift “>>” của C hoặc instruction LSL, LSR trong asm) và xuất trực tiếp 2 nhóm này ra LED vì 0100 = 4 và 0010 =2, rất nhanh chóng. Thậm chí, nếu chúng ta nối 2 LED 7-đoạn trong cùng 1 PORT, việc
ách ra từng digit là không cần thiết, để hiển thị cả số, chỉ cần xuất trực tiếp ra PORT. Như vậy, với số BCD, việc tách và hiển thị digit được thực hiện rất dễ dàng, không cần thực hiện phép chia (rất tốn thời gian thực thi) cho cơ số 10, 100, 1000…như trong trường hợp số thập phân.Thanh ghi giây (SECONDS): thanh ghi này là thanh ghi đầu tiên trong bộ nhớ của DS1307, địa chỉ của nó là 0x00. Bốn bit thấp của thanh ghi này chứa mã BCD 4- bit của chữ số hàng đơn vị của giá trị giây. Do giá trị cao nhất của chữ số hàng chục là 5 (không có giây 60 !) nên chỉ cần 3 bit (các bit SECONDS6:4) là có thể mã hóa được (số 5 =101, 3 bit). Bit cao nhất, bit 7, trong thanh ghi này là 1 điều khiển có tên CH (Clock halt – treo đồng hồ), nếu bit này được set bằng 1 bộ dao động trong chip bị vô hiệu hóa, đồng hồ không hoạt động. Vì vậy, nhất thiết phải reset bit này xuống 0 ngay từ đầu.
Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 0x01, chứa giá trị phút của đồng hồ.
Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0. Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307. Thanh ghi này có địa chỉ 0x02. Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ. Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 xác lập hệ thống giờ. Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ. Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa. Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM. Bit 7 luôn bằng 0. (thiết kế này hơi dở, nếu dời hẳn 2 bit mode và A-P sang 2 bit 7 và 6 thì sẽ đơn giản hơn).
Thanh ghi phút (MINUTES): có địa chỉ 0x01, chứa giá trị phút của đồng hồ.
Tương tự thanh ghi SECONDS, chỉ có 7 bit của thanh ghi này được dùng lưu mã BCD của phút, bit 7 luôn luôn bằng 0. Thanh ghi giờ (HOURS): có thể nói đây là thanh ghi phức tạp nhất trong DS1307. Thanh ghi này có địa chỉ 0x02. Trước hết 4-bits thấp của thanh ghi này được dùng cho chữ số hàng đơn vị của giờ. Do DS1307 hỗ trợ 2 loại hệ thống hiển thị giờ (gọi là mode) là 12h (1h đến 12h) và 24h (1h đến 24h) giờ, bit6 xác lập hệ thống giờ. Nếu bit6=0 thì hệ thống 24h được chọn, khi đó 2 bit cao 5 và 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giá trị giờ. Do giá trị lớn nhất của chữ số hàng chục trong trường hợp này là 2 (=10, nhị phân) nên 2 bit 5 và 4 là đủ để mã hóa. Nếu bit6=1 thì hệ thống 12h được chọn, với trường hợp này chỉ có bit 4 dùng mã hóa chữ số hàng chục của giờ, bit 5) chỉ buổi trong ngày, AM hoặc PM. Bit5 =0 là AM và bit5=1 là PM. Bit 7 luôn bằng 0. (thiết kế này hơi dở, nếu dời hẳn 2 bit mode và A-P sang 2 bit 7 và 6 thì sẽ đơn giản hơn).
Thanh ghi thứ (DAY – ngày trong tuần): nằm ở địa chĩ 0x03. Thanh ghi DAY chỉ mang giá trị từ 1 đến 7 tương ứng từ Chủ nhật đến thứ 7 trong 1 tuần. Vì thế, chỉ có 3 bit thấp trong thanh ghi này có nghĩa.
Các thanh ghi còn lại có cấu trúc tương tự, DATE chứa ngày trong tháng (1 đến 31), MONTH chứa tháng (1 đến 12) và YEAR chứa năm (00 đến 99). Chú ý, DS1307 chỉ dùng cho 100 năm, nên giá trị năm chỉ có 2 chữ số, phần đầu của năm do người dùng tự thêm vào (ví dụ 20xx).
Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register). Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập. Giá trị của thanh ghi địa chỉ (tức địa chỉ của bộ nhớ) được set trong lệnh Write.
Ngoài các thanh ghi trong bộ nhớ, DS1307 còn có một thanh ghi khác nằm riêng gọi là con trỏ địa chỉ hay thanh ghi địa chỉ (Address Register). Giá trị của thanh ghi này là địa chỉ của thanh ghi trong bộ nhớ mà người dùng muốn truy cập. Giá trị của thanh ghi địa chỉ (tức địa chỉ của bộ nhớ) được set trong lệnh Write.
Hình 5: Cấu trúc DS1307
Do DS1307 hoạt động như một Slave I2C. Để thực hiện cuộc gọi ở chế độ Master, PIC sẽ gởi điều kiện START, tiếp theo là 7 bit địa chỉ Slave (SLA) +1 bit Write/Read, kế đến là quá trình đọc hay ghi dữ liệu giữa Master và Slave bằng các byte dữ liệu 8 bit (có thể chỉ 1 byte hoặc 1 dãy bytes), cứ sau mỗi byte sẽ có 1 bit ACK hoặc NOT ACK. Cuộc gọi kết thúc với việc Master phát điều kiện STOP. Cứ mỗi một quá trình, sẽ có 1 “code” được sinh ra trong thanh ghi trạng thái TWSR, kiểm tra giá trị code này để biết quá trình giao tiếp có thành công không. Bạn cần nhơ dãy code thành công khi Master truyền dữ liệu là: 0x08 -> 0x18 -> 0x28 ->…->0x28. Và dãy code
thành công khi Master truyền dữ liệu là 0x08 - > 0x40 - > 0x50 ->…->0x50 -> 0x58. Nắm được cách ghi và đọc của PIC Master là bạn đã nắm được 50% cách giao tiếp với DS1307, 50% còn lại chúng ta phải hiểu cách bố trí dãy dữ liệu của riêng DS1307.Vì DS1307 là một Slave I2C nên chỉ có 2 mode (chế độ) hoạt động giao tiếp với chip này. Hai mode của DS1307 bao gồm Data Write (từ PIC đến DS14307) và Data Read (từ DS1307 vào PIC). Mode Data Write được dùng khi xác lập giá trị ban đầu cho các thanh ghi thời gian hoặc dùng để canh chỉnh thời gian. Trong chế độ này, PIC là 1 Master truyền dữ liệu đến DS1307 (Slave nhận dữ liệu). Mode Data Read được sử dụng khi đọc thời gian từ đồng hồ DS1307 vào PIC để hiển thị hoặc so sánh….Trong chế độ này, PIC là Master nhận dữ liệu và DS1307 là Slave truyền dữ liệu.
Hình 6: Mô tả cấu trúc dữ liệu trong chế độ Data Write
Về địa chỉ Slave Address (SLA) của DS1307 trong mạng I2C. Trên mạng I2C mỗi thiết bị sẽ có một địa chỉ riêng gọi là SLA. SLA là con số 7 bit, như thế theo lý thuyết sẽ có tối đa 128 thiết bị trong 1 mạng I2C. Chip DS1307 là một I2C Slave nên cũng có một địa chỉ SLA, giá trị này được set cố định là 1101000 nhị phân, hay 0x68 thập lục phân. Do SLA của DS1307 cố định nên trong 1 mạng I2C sẽ không thể tồn tại cùng lúc 2 chip này (điều này thực sự không cần thiết) nhưng có thể tồn tại các thiết bị I2C khác hoặc tồn tại nhiều Master PIC. Quan sát hình 2.12, sau khi điều kiện START được gởi bởi Master (PIC) sẽ là 7 bit địa chỉ SLA của DS1307 (1101000). Do chế độ này là Data Write nên bit W (0) sẽ được gởi kèm sau SLA. Bit ACK (A) được DS1307 trả về cho Master sau mỗi quá trình giao tiếp. Tiếp theo sau địa chỉ SLA sẽ là 1 byte chứa địa chỉ của thanh ghi cần truy cập (tạm gọi là Addr_Reg). Cần phân biệt địa chỉ thanh ghi cần truy cập và địa chỉ SLA. Địa chỉ của thanh ghi cần tuy cập sẽ được lưu trong thanh ghi địa chỉ (hay con trỏ địa chỉ), vì vậy byte dữ liệu đầu tiên sẽ được chứa trong thanh ghi địa chỉ của DS1307. Sau byte địa chỉ thanh ghi là một dãy các byte dữ liệu được ghi vào bộ nhớ của DS1307. Byte dữ liệu đầu tiên sẽ được ghi vào thanh ghi có địa chỉ được chỉ định bởi Addr_Reg, sau khi ghi 1 byte, Addr_Reg được tự động tăng nên các byte tiếp theo sẽ được ghi liên tiếp vào các thanh ghi kế sau. Số lượng bytes dữ liệu cần ghi do Master quyết định và không được vượt quá dung lương bộ nhớ của DS1307. Ví dụ sau khi gởi SLA+W, Master gởi 8 bytes gồm 1 byte đầu 0x00 và 7 bytes khác thì con trỏ địa chỉ sẽ trỏ đến thanh ghi đầu tiên (0x00 – thanh ghi SECONDS) và ghi liên tiếp 7 bytes vào 7 thanh ghi thời gian của SD1307. Đây là cách mà chúng ta sẽ thực hiện trong phần lập trình giao tiếp (xem chương trình con TWI_DS1307_wblock phía sau). Quá trình ghi kết thúc khi Master phát ra điều kiện STOP.
Chú ý, nếu sau khi gởi byte Addr_Reg, Master không gởi các bytes dữ liệu mà gởi liền điều kiện STOP thì không có thanh ghi nào được ghi. Trường hợp này được dùng để set địa chỉ Addr_Reg phục vụ cho quá trình đọc.
Hình 7: Mô tả cấu trúc dữ liệu trong chế độ Data Read
Trong chế độ Data Read, bit R (1) được gởi kèm sau 7 bit SLA. Sau đó là liên tiếp các byte dữ liệu được truyền từ DS1307 đến PIC.
Điểm khác biệt trong các bố trí dữ liệu của chế độ này so với chế độ Data Write là không có byte địa chỉ thanh ghi dữ liệu được gởi đến. Tất cả các bytes theo sau SLA+R đều là dữ liệu đọc từ bộ nhớ của DS1307. Vậy thì dữ liệu được đọc bắt đầu từ thanh nào? Câu trả lời đó là thanh ghi được chỉ định bởi con trỏ địa chỉ, giá trị này được lưu lại trong các lần thao tác trước đo. Như vậy, muốn đọc chính xác dữ liệu từ một địa nào đó, chúng ta cần thực hiện quá trình ghi giá trị cho con trỏ địa chỉ trước. Để ghi giá trị vào con trỏ địa chỉ chúng ta sẽ gọi chương trình Data Write với chỉ 1 byte được ghi sau SLA+W như phần chú ý ở trên.
Điểm khác biệt trong các bố trí dữ liệu của chế độ này so với chế độ Data Write là không có byte địa chỉ thanh ghi dữ liệu được gởi đến. Tất cả các bytes theo sau SLA+R đều là dữ liệu đọc từ bộ nhớ của DS1307. Vậy thì dữ liệu được đọc bắt đầu từ thanh nào? Câu trả lời đó là thanh ghi được chỉ định bởi con trỏ địa chỉ, giá trị này được lưu lại trong các lần thao tác trước đo. Như vậy, muốn đọc chính xác dữ liệu từ một địa nào đó, chúng ta cần thực hiện quá trình ghi giá trị cho con trỏ địa chỉ trước. Để ghi giá trị vào con trỏ địa chỉ chúng ta sẽ gọi chương trình Data Write với chỉ 1 byte được ghi sau SLA+W như phần chú ý ở trên.
Cảm biến DHT11
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ để cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến này có thể dễ dàng giao tiếp với bất kỳ bộ vi điều khiển vi nào như Arduino, Raspberry Pi, ... để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức. DHT11 là một cảm biến độ ẩm tương đối. Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11:
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng. Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm. IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng. Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer.
Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11:
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ. Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ ẩm làm chất điện môi giữa chúng. Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi của các mức độ ẩm. IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số.
Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng. Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer.
Tính năng:
Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều.
Cảm Biến Nhiệt Độ Và Độ Ẩm DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. So với cảm biến đời mới hơn là DHT22 thì DHT11 cho khoảng đo và độ chính xác kém hơn rất nhiều.
Hình 8: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Thông số kỹ thuật DHT11:• Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC
• Dòng điện tiêu thụ: 2.5Ma
• Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH
• Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C
• Tần số lấy mẫu tối đa: 1Hz (1 giây 1 lần)
• Kích thước: 23 * 12 * 5 mm
Phân tích và thiết kế hệ thống
Đặc tả yêu cầu hệ thống
Các yêu cầu chức năng
• Hiển thị giây, phút, giờ, thứ, ngày, tháng, năm lên LCD.
• Hiện thị nhiệt độ, độ ẩm.
• Hiện thị nhiệt độ, độ ẩm.
Các yêu cầu phi chức năng
• Báo thức.
• Chỉnh được thời gian.
• Chỉnh được thời gian.
Thiết kế hệ thống
Thiết kế phần cứng cho hệ thống
a. Sơ đồ khối
Hình 9: Sơ đồ khối hệ thống
Vi điều khiển giao tiếp với DS1307 để lấy thời gian, giao tiếp với DHT11 để lấy được nhiệt độ và độ ẩm. Vi điều khiển sẽ gửi và nhận tín hiệu phản hồi của DS1307 và DHT11. Hiển thị những dữ liệu nhận được lên LCD.
b. Sơ đồ nguyên lý
Hình 10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Hệ thống có các khối để thực hiện các chức năng riêng:
• Khối vi điều khiển : Là khối quan trọng nhất, xử lý và điều hành toàn bộ các khối còn lại.
• Khối hiển thị: Có chức năng hiện thị nội dung của hệ thống.
• Khối phím chức năng: Có chức năng chỉnh ngày, giờ, báo thức.
• Khối thời gian thực DS1307: Đếm ngày tháng theo thời gian thực.
• Khối cảm biến : Để nhận biết nhiệt độ và độ ẩm môi trường gửi về VDK để xử lý.
• Khối cảnh báo: Để báo thức khi đến giờ.
Thiết kế phần mềm cho hệ thống
Hình 11: Lưu đồ thuật toán
Mô tả hoạt động của hệ thống:
Khi cấp nguồn, hệ thống sẽ đọc và hiển thị thời gian, nhiệt độ, độ ẩm lên LCD. Sau đó, kiểm tra các phím điều khiển có được nhấn không. Nếu nút được nhấn là:
Nhấn 1 lần chỉnh giờ, nhấn lần 2 chỉnh phút, …., nhấn lần 7 để lưu lại các dữ liệu được chỉnh và thoát khỏi trạng thái chỉnh thời gian.
• Nút set: bật chế độ báo thức. Chỉnh thời gian muốn để báo thức.
• Nút tăng: Tăng các giá trị tương ứng (giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm)
• Nút giảm: Giảm các giá trị tương ứng (giờ, phút, giây, ngày, tháng, năm)
Nếu thời gian thực bằng với thời gian được chỉnh trong báo thức thì sẽ báo coi.
Còi kêu đến khi nào người dùng ấn nút set lần nữa thì mới tắt.
Tích hợp và đánh giá hệ thống
Xây dựng và tích hợp hệ thống
Trong chương trình đã được định nghĩa các chân điều khiển và các chân tín hiệu chính xác với phần cứng.
Kiểm thử và đánh giá hệ thống
Phương pháp kiểm thử
• Kiểm tra các chức năng của hệ thống.• Chỉnh thời gian.
• Đặt báo thức
• Đo nhiệt độ môi trường và kiểm tra với hệ thống.
Đánh giá hệ thống
• Hiện thị được thời gian, nhiệt độ và độ ẩm.• Bật được báo thức.
Hướng dẫn vận hành hệ thống
Các bước vận hành:
• Cấp nguồn
• 4 nút điều khiển để chỉnh và đặt báo thức.
• Cấp nguồn
• 4 nút điều khiển để chỉnh và đặt báo thức.
Kết luận
Kết quả đạt được
Kiến thức
• Biết cách giao tiếp với pic16F877a• Xử lý tín hiệu với các cảm biến DHT11
• Giao tiếp 1 wire
• Giao tiếp I2C.
Sản phẩm
• Tự tay làm được 1 sản phẩm nhúngHạn chế của đề tài
Còn thiếu nhiều chức năng. Phân tích hệ thống chưa hoàn thiện do đề tài có 1 số chức năng đơn giản. Kỹ thuật lập trình còn là cơ bản.
Download Project
Mô phỏng Proteus: Tại đây
Code CCS: Tại đây
Báo cáo (PDF): Tại đây
Báo cáo (PowerPoint): Tại đây
Xem video demo:
Chúc Các Bạn Thành Công!
