Đo nhiệt độ môi trường
cảm biến đầu tiên đáng tin cậy

Nhiệt độ là đại lượng dễ đo nhất mà lại dùng được ở nhiều môn nhất. Một cảm biến DS18B20 phục vụ được bài nhiệt học của Vật lí, bài enthalpy của Hóa, bài hô hấp của Sinh, và bài vi khí hậu của Công nghệ.

Sau bài này học sinh làm được

• Nối và đọc được cảm biến DS18B20 qua giao thức 1-Wire.
• Giải thích được vì sao cảm biến số đáng tin hơn nhiệt kế thủy ngân trong việc theo dõi quá trình.
• Hiệu chuẩn cảm biến bằng hai mốc nhiệt độ đã biết trước.
• Xuất số liệu thành tệp CSV và vẽ được đường nhiệt độ theo thời gian.
• Chỉ ra được vị trí đặt đầu dò ảnh hưởng tới kết quả như thế nào.

Nhiệt kế thủy ngân cho điểm rời rạc, không cho quá trình

Nó đo rất tốt một giá trị tại một thời điểm. Nhưng phần lớn hiện tượng nhiệt ở phổ thông là một quá trình: nước nóng dần, đá tan, phản ứng tỏa nhiệt rồi nguội. Muốn thấy quá trình thì cần đường liên tục, không phải ba chấm điểm.

DS18B20 đọc mỗi giây một lần suốt hai mươi phút mà không ai phải ngồi canh.

DS18B20 là cảm biến SỐ

Khác hẳn nhiệt điện trở. Trong vỏ thép nhỏ có cả một con chip: bộ cảm nhiệt, bộ chuyển đổi sang số, hệ số hiệu chuẩn nạp sẵn từ nhà máy, và số hiệu riêng 64 bit. Nó không đưa một điện áp để ta tự đoán — nó đưa thẳng 26.44 và bảo: đây là độ C.

1-Wire — một dây vừa nhận lệnh vừa trả lời

Hai bên cùng kéo dây xuống mức thấp theo những khoảng thời gian có quy ước, bên kia đọc độ dài các khoảng ấy.

Để dây tự nhả về mức cao, phải có điện trở 4,7 kΩ nối lên 3,3 V. Thiếu nó thì dây thả nổi và chip đọc ra rác — chi tiết mà người mới nào cũng quên đúng một lần.

Bốn bước

1. Cắm ba dây của DS18B20 lên breadboard: đỏ vào hàng 3V3, đen vào hàng GND, vàng vào một hàng trống.
2. Cắm điện trở 4,7 kΩ nối hàng dây vàng với hàng 3V3.
3. Nối hàng dây vàng sang GPIO4 của ESP32.
4. Kiểm tra lại một lần nữa trước khi cắm USB — đặc biệt là đừng đảo đỏ với đen.

Mã đầy đủ tại kho GitHub, thư mục cap-2/bai-11-nhiet-do/. Có kèm bản ghi ra thẻ SD và bản gửi lên web.

Chương trình chính — đọc và in ra dạng CSV

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 22 - Doc nhiet do DS18B20 va ghi thanh bang CSV
#  Phan cung: DS18B20 DATA -> GPIO4, dien tro 4,7k keo len 3V3
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin
import onewire, ds18x20, time

# ===== CAU HINH =====
CHAN_DATA = 4
CHU_KY_MS = 1000        # 1 giay mot lan doc
# ===== het phan cau hinh =====

bus = onewire.OneWire(Pin(CHAN_DATA))
cam_bien = ds18x20.DS18X20(bus)

dia_chi = cam_bien.scan()
if not dia_chi:
    raise RuntimeError("Khong thay DS18B20. Kiem tra dien tro 4,7k keo len.")
print("Tim thay", len(dia_chi), "cam bien tren cung mot day.")

print("t_s,T_degC")          # dong tieu de CSV
bat_dau = time.ticks_ms()

while True:
    cam_bien.convert_temp()
    time.sleep_ms(750)                     # DS18B20 can 750 ms de do xong
    t = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), bat_dau) / 1000
    for dc in dia_chi:
        nhiet = cam_bien.read_temp(dc)
        print("{:.1f},{:.2f}".format(t, nhiet))
    time.sleep_ms(CHU_KY_MS)

Kết quả trên màn hình:

Tim thay 1 cam bien tren cung mot day.
t_s,T_degC
1.8,26.44
3.6,26.50
5.4,26.62
7.2,26.75
9.0,26.94

Để ý dòng đầu tiên là tiêu đề CSV có kèm đơn vị. Học sinh chỉ cần bôi đen toàn bộ cửa sổ, dán vào Google Sheets, chọn tách cột theo dấu phẩy là có ngay bảng số liệu để vẽ đồ thị.

Chương trình hiệu chuẩn hai điểm

# So sanh voi hai moc nhiet do da biet truoc
# - Nuoc da dang tan (hon hop nuoc + da, co khuay): 0,0 do C
# - Nuoc dang soi manh o do cao muc bien:          100,0 do C
#   (o Da Lat 1500 m thi chi khoang 95 do C - hoi hoc sinh vi sao)

from machine import Pin
import onewire, ds18x20, time

cb = ds18x20.DS18X20(onewire.OneWire(Pin(4)))
dc = cb.scan()[0]

def do_trung_binh(n=20):
    tong = 0
    for _ in range(n):
        cb.convert_temp()
        time.sleep_ms(750)
        tong += cb.read_temp(dc)
    return tong / n

input("Nhung dau do vao nuoc da dang tan, khuay deu, roi Enter...")
t0 = do_trung_binh()
print("Doc duoc o diem bang: {:.2f} do C  (lech {:+.2f})".format(t0, t0 - 0.0))

input("Nhung vao nuoc dang soi, roi Enter...")
t100 = do_trung_binh()
print("Doc duoc o diem soi : {:.2f} do C".format(t100))

print("Do lech goc  =", round(t0, 2), "do C")
print("Do doc       =", round((t100 - t0) / 100, 4))

Hai mốc nhiệt độ có sẵn trong mọi phòng học

Bạn không cần nhiệt kế chuẩn đắt tiền. Thiên nhiên đã cho sẵn hai mốc rất chính xác:

• Nước đá đang tan: 0,0 °C. Điều kiện là phải có cả đá lẫn nước, và phải khuấy. Chỉ nước lạnh thôi thì không phải 0 °C; chỉ đá thôi cũng không phải.
• Nước đang sôi mạnh: 100,0 °C ở ngang mực nước biển.

Đọc kết quả hiệu chuẩn

Chạy chương trình hiệu chuẩn, bạn sẽ có hai con số. Cách diễn giải:

Danh sách kiểm

• Chương trình in ra "Tìm thấy 1 cảm biến" chứ không báo lỗi.
• Đầu dò trong nước đá đang tan đọc trong khoảng −0,5 đến +0,5 °C.
• Cầm đầu dò trong lòng bàn tay, số tăng lên rõ rệt trong 20 giây.
• Số liệu dán được vào bảng tính và vẽ ra đồ thị.

Vật lí — theo dõi một quá trình nhiệt

Bài mở đường cho toàn bộ chương Vật lí nhiệt. Ba thí nghiệm làm được ngay với đúng bộ này:

• Đường nguội của nước. Rót nước nóng vào cốc, ghi 20 phút. Đường cong thu được chính là định luật làm nguội Newton. Vẽ ln(T − T_phòng) theo thời gian sẽ ra đường thẳng — nối thẳng sang bài hàm số mũ của môn Toán.
• So sánh cách nhiệt. Hai cốc nước nóng như nhau, một cốc bọc khăn. Đường nào nguội chậm hơn và chậm hơn bao nhiêu?
• Nhiệt độ nước đá trong lúc tan. Học sinh luôn ngạc nhiên khi thấy nhiệt độ đứng yên ở 0 °C suốt lúc đá đang tan, dù ta vẫn đun. Đây là cách hay nhất để dạy nhiệt nóng chảy.

Hóa học — phản ứng tỏa nhiệt và thu nhiệt

Cho hai chất an toàn phản ứng trong cốc xốp và ghi nhiệt độ theo thời gian: baking soda với giấm (thu nhiệt, nhiệt độ giảm), hoặc hòa tan NaOH loãng trong nước dưới sự giám sát chặt (tỏa nhiệt).

Điều mà nhiệt kế thủy ngân không cho thấy được: hình dạng của đường nhiệt độ. Phản ứng nhanh cho đỉnh nhọn, phản ứng chậm cho đỉnh tù. Từ đó nối sang bài tốc độ phản ứng.

Sinh học — sự sống tỏa nhiệt

Thí nghiệm kinh điển mà nay đo được: cho hạt đậu ngâm nảy mầm vào một phích giữ nhiệt, cắm đầu dò vào giữa khối hạt, để một phích đối chứng chứa hạt đã luộc chín. Ghi liên tục 24 giờ.

Phích hạt sống ấm hơn phích đối chứng một vài độ. Đó là hô hấp tế bào, đo được bằng một cảm biến mười lăm nghìn đồng.

Toán — dữ liệu thật để dạy hàm số

Bộ số liệu nguội của nước là bộ dữ liệu tốt nhất tôi biết để dạy hàm mũ. Nó không phải bài toán bịa; nó là nước trong cốc của chính các em. Và thao tác "lấy logarit để bẻ thẳng đường cong" trở nên có lí do.