TẤT TẦN TẬT VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ĐỘ ẨM DHT11

Giám sát điều kiện môi trường như nhiệt độ và độ ẩm là yêu cầu cấp thiết trong lĩnh vực nông nghiệp, nhà thông minh, IoT, y tế, giáo dục… Loại cảm biến được sử dụng phổ biến là cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11. Vậy cảm biến DHT11 là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cụ thể ra sao? Hãy cùng tìm hiểu trong bài chia sẻ dưới đây của Song Nam.

Giới thiệu chung cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là module cảm biến kỹ thuật số có khả năng đo cả nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Với thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và khả năng giao tiếp dễ dàng với các vi điều khiển, DHT11 là thiết bị lý tưởng cho những người mới bắt đầu học lập trình phần cứng cũng như trong các dự án DIY.

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là gì?

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là cảm biến tích hợp hai chức năng trong một: đo nhiệt độ và đo độ ẩm. Thiết bị sử dụng giao tiếp 1-wire để truyền dữ liệu, giúp tiết kiệm chân kết nối khi tích hợp với các hệ thống vi điều khiển như Arduino, ESP8266, Raspberry Pi…

Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

• Phạm vi đo nhiệt độ: 0 – 50°C (sai số ±2°C)
• Phạm vi đo độ ẩm: 20 – 90% RH (sai số ±5% RH)
• Tần suất lấy mẫu: 1 Hz (mỗi giây một lần)
• Điện áp hoạt động: 3V – 5.5V
• Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz
• Khoảng cách truyển tối đa: 20m
• Giao tiếp dữ liệu: Giao thức 1-wire
• Kích thước: 28mm x 12mm x10m

Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 có cấu tạo chính gồm một cảm biến độ ẩm điện dung, một điện trở nhiệt (NTC) để đo nhiệt độ và một IC 8 bit để xử lý và truyền dữ liệu. Cụ thể:

Cảm biến độ ẩm điện dung

Đây là bộ phận chính để đo độ ẩm không khí. Cảm biến sử dụng một cặp điện cực bao quanh một lớp vật liệu hút ẩm. Khi độ ẩm môi trường thay đổi, hằng số điên môi của vật liệu thay đổi theo, từ đó làm thay đổi điện dung giữa hai điện cực. Tín hiệu này được chuyển đổi thành dữ liệu số để vi điều khiển xử lý.

Điện trở nhiệt (NTC)

Là loại điện trở nhiệt có đặc tính giảm điện trở khi nhiệt độ tăng. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 sử dụng NTC để đo nhiệt độ môi trường xung quanh với độ chính xác vừa phải, đủ đáp ứng các ứng dụng phổ biến.

Bộ vi điều khiển IC 8-bit

DHT11 có sẵn một vi mạch xử lý tín hiệu bên trong, giúp thu thập dữ liệu từ hai cảm biến (nhiệt độ và độ ẩm), chuyển đổi thành tín hiệu số sau đó truyền dữ liệu qua giao tiếp 1-wire. Nhờ đó, người dùng không cần xử lý tín hiệu tương tự phức tạp.

Vỏ nhựa và lưới bảo vệ

Toàn bộ linh kiện được đặt bên trong lớp vỏ nhựa nhỏ gọn, có khe hở để không khí lưu thông, đảm bảo cảm biến đo chính xác. Một số phiên bản còn có lớp lọc giúp bảo vệ cảm biến khỏi bụi bẩn và hơi nước.

Nguyên lý hoạt động cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 hoạt động dựa trên việc thu thập dữ liệu từ hai cảm biến bên trong. Sau đó, xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu thông qua giao tiếp số 1-wire.

Quy trình đo lường bên trong cảm biến

• Đo độ ẩm: Cảm biến điện dung phản ứng với sự thay đổi độ ẩm trong không khí. Khi độ ẩm tăng hoặc giảm, hằng số điện môi của vật liệu bên trong cảm biến thay đổi, làm thay đổi điện dung. Tín hiệu điện dung được vi xử lý nội bộ đọc và tính toán thành giá trị độ ẩm.
• Đo nhiệt độ: Cảm biến NTC (điện trở nhiệt âm) phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và ngược lại. Vi điều khiển tích hợp tính toán giá trị nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm và ngược lại. Vi điều khiển tích hợp tính toán giá trị nhiệt độ dựa trên biến thiên điện trở.

Xử lý và truyền dữ liệu

Sau khi thu thập hai giá trị nhiệt độ và độ ẩm, bộ vi xử lý trong DHT11 thực hiện:

• Chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
• Gộp dữ liệu thành gói thông tin 5 byte:
  • Byte 1: Độ ẩm nguyên (Integer RH)
  • Byte 2: Độ ẩm thập phân (Decimal RH)
  • Byte 3: Nhiệt độ nguyên (Integer Temp)
  • Byte 4: Nhiệt độ thập phân (Decimal Temp)
  • Byte 5: Checksum (để kiểm tra dữ liệu)

Giao tiếp với vi điều khiển

DHT11 sử dụng giao tiếp 1-wire nghĩa là chỉ cần một chân dữ liệu để trao đổi thông tin với vi điều khiển (như Arduino, ESP8266…).

• Sau khi vi điều khiển gửi tín hiệu yêu cầu, DHT11 sẽ phản hồi bằng chuỗi dữ liệu 40 bit (5 byte)
• Vi điều khiển nhận và giải mã chuỗi này để lấy giá trị nhiệt độ và độ ẩm
• Chu kỳ đo lường được giới hạn khoảng 1 lần/giây để đảm bảo độ chính xác và độ ổn định

Cách giao tiếp Vi điều khiển với DHT11

Với cấu tạo gồm hai cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm, DHT11 được tích hợp sẵn một IC xử lý tín hiệu bên trong. IC này có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự từ các cảm biến thành tín hiệu số (digital), giúp đơn giản hóa quá trình giao tiếp với các viđiều khiển như Arduino, STM32, ESP8266… Dữ liệu đầu ra của DHT11 sẽ được truyền qua một chân duy nhất (Data) theo chuẩn giao tiếp 1-wire (One-Wire).

Chuẩn giao tiếp One-Wire

One-Wire là một giao thức truyền thông nối tiếp (serial communication protocol) chỉ sử dụng duy nhất một dây dữ liệu (Data) để truyền nhận thông tin giữa cảm biến và vi điều khiển. Đây là một giao thức đơn giản, tiết kiệm chân kết nối, phù hợp với các module cảm biến nhỏ gọn như DHT11.

Không giống như SPI hay I2C cần tín hiệu đồng bộ (Clock), giao tiếp One-Wire không sử dụng chân Clock. Thay vào đó, các bit 0 và 1 được phân biệt dựa trên độ rộng của các xung điện áp cao – thấp trong một khoảng thời gian xác định.

Kết nối phần cứng cảm biến DHT11

Việc kết nối cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 với vi điều khiển rất đơn giản. Bạn chỉ cần sử dụng một chân I/O kỹ thuật số để giao tiếp với chân Data của cảm biến. Để đảm bảo tín hiệu ổn định, cần thêm một điện trở pull-up (thường từ 4.7kΩ đến 10kΩ) giữa chân Data và VCC.

Sơ đồ kết nối điển hình:

• VCC → 3.3V hoặc 5V tùy loại vi điều khiển
• GND → GND
• DATA → Chân digital bất kỳ (VD: D2 của Arduino)

Cách đọc dữ liệu từ cảm biến DHT11

Để đọc giá trị nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến DHT11, chúng ta sẽ làm theo sequense sau:

• Đầu tiên, khi kéo đường truyền xuống mức thấp 1 khoảng thời gian (18ms), đưa đường truyền trở lại mức cao thì cảm biến sẽ bắt đầu truyền dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm về.
• Sau khi kéo đường truyền xuống mức thấp 1 khoảng thời gian (18ms), đưa đường truyền trở lại mức cao thì cảm biến sẽ bắt đầu truyền dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm về.
• Sau khi kéo đường truyền xuống mức thấp 1 khoảng thời gian (18ms), đưa đường truyền trở lại mức cao thì cảm biến bắt đầu truyền dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm về. Tổng data mà Cảm biến trả về bao gồm 40 bits (5 bytes).

Ưu và nhược điểm cảm biến nhiệt độ DHT11

Cảm biến độ ẩm DHT11 có thiết kế đơn giản, giá thành rẻ và khả năng giao tiếp dễ dàng thông qua One-Wire. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 là lựa chọn phổ biến trong các dự án học tập, nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

Ưu điểm:

• Giá rẻ, dễ tìm mua: Cảm biến DHT11 là loại cảm biến nhiệt độ – độ ẩm có giá thành thấp nhất, phù hợp với sinh viên, người mới học hoặc các dự án DIY.
• Thiết kế nhỏ gọn, tích hợp vi xử lý nội bộ: Giúp xử lý và truyền dữ liệu số (digital) mà không cần mạch chuyển đổi tín hiệu rườm rà.
• Giao tiếp đơn giản qua chuẩn One-Wire: Chỉ cần một chân Data để kết nối với vi điều khiển như Arduino, ESP8266, STM32..., giúp tiết kiệm chân I/O.
• Dễ sử dụng và có nhiều thư viện: Có sẵn thư viện trên Arduino IDE, dễ lập trình và triển khai với các nền tảng phổ biến.
• Tiêu thụ điện năng thấp: Phù hợp với các thiết bị IoT sử dụng pin, năng lượng mặt trời hoặc cần tiết kiệm điện.

Nhược điểm:

- Độ chính xác chưa cao

• Độ ẩm: Sai số ±5% RH
• Nhiệt độ: Sai số ±2°C
• Với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao (phòng thí nghiệm, nhà yến, nhà máy...), cảm biến DHT11 có thể chưa đáp ứng tốt.

- Tốc độ lấy mẫu chậm: Cảm biến chỉ có thể cập nhật dữ liệu mỗi 1 giây/lần, không phù hợp với các hệ thống cần phản hồi nhanh.

- Giới hạn phạm vi đo

• Nhiệt độ: 0°C – 50°C
• Độ ẩm: 20% – 90% RH

Điều này khiến cảm biến độ ẩm DHT11 không thể sử dụng trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt hoặc độ ẩm rất thấp/cao. Mặc dù trả về 5 byte dữ liệu nhưng 2 byte chứa phần thập phân thường là 0x00. Điều này khiến độ phân giải bị giới hạn, đặc biệt khi so với dòng cao cấp hơn như DHT22.

Ứng dụng cảm biến nhiệt độ DHT11

Với thiết kế nhỏ gọn, dễ sử dụng và chi phí thấp, cảm biến nhiệt độ DHT11 được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau – từ học tập, nghiên cứu đến các hệ thống tự động hóa thông minh. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến DHT11:

Đo nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường sống

• Theo dõi nhiệt độ – độ ẩm trong phòng ngủ, phòng làm việc, văn phòng để cải thiện sức khỏe và hiệu suất làm việc.
• Lắp đặt trong nhà kính, kho lạnh, phòng bảo quản thực phẩm để duy trì điều kiện lý tưởng cho cây trồng hoặc hàng hóa.

 Ứng dụng trong các dự án DIY và giáo dục

Là thành phần quen thuộc trong các đồ án sinh viên ngành điện – điện tử – tự động hóa. Phù hợp với các dự án DIY như trạm thời tiết mini, đồng hồ đo nhiệt độ, thiết bị cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm. Thích hợp để giảng dạy và học lập trình Arduino nhờ cách sử dụng đơn giản và tài liệu phong phú.

Tích hợp trong hệ thống IoT và nhà thông minh

Kết hợp với các vi điều khiển kết nối Wi-Fi như ESP8266, ESP32 để gửi dữ liệu thời tiết lên web/server. Ứng dụng trong các hệ thống giám sát môi trường tự động, điều khiển quạt, máy hút ẩm, máy lạnh...

Sử dụng trong thiết bị gia dụng và điện tử

Tích hợp vào các sản phẩm như: Đồng hồ điện tử có đo nhiệt độ – độ ẩm, tủ lạnh thông minh, máy điều hòa nhiệt độ, thiết bị cảnh báo thời tiết mini, máy lọc không khí thông minh, bảng điện tử hiển thị thời tiết trong nhà hoặc ngoài trời.

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 không chỉ phù hợp cho những người mới bắt đầu mà còn là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng thực tế yêu cầu giám sát môi trường cơ bản. Nếu bạn đang xây dựng một hệ thống thông minh, tự động hóa hoặc chỉ đơn giản muốn theo dõi môi trường sống DHT11 là lựa chọn đáng cân nhắc.