f~V-~~~~'¥ "~$o~t~ ~"d ~ ~

fJ ~~ ~'~1

d Q..J ~ ~ Q..J 0

bdJe:ll'U9/1 9 b(?)e:l'U ndJJll'\f1l'U5 '\fIl.A. 2561,

ไซโครลอกเกอร (Psychro Logger)

จดท ำโดย

รองศำสตรำจำรย ดร.นฐพร ไชยญำต

นำยปรำนต เมฆอำกำศ

นำยสธรรม ชำวงว

นำงสำวปำณศำ ออนดอกไม

นำงสำวหญง ชศร

สำขำวศวกรรมพลงงำนทดแทน

วทยำลยพลงงำนทดแทน มหำวทยำลยแมโจ

ธนวำคม พ.ศ. 2560

ก

ค ำน ำ

รายงานเลมนเปนรายงานเกยวกบการออกแบบระบบตรวจวดคณสมบตของอากาศชน ซงจะมการพฒนารหสโปรแกรมภายใตโปรแกรมทางคอมพวเตอรทมชอวา Arduino IDE ควบคกบการใชวสดอปกรณทางอเลกทรอนกสตาง ๆ ในการเชอมตอเพอวดคาคณสมบตอากาศชน ซง เนอหาภายในเลมจะประกอบไปดวยเนอหาในสวนของทฤษฎเกยวกบอากาศชน แบบจ าลองทางคณตศาสตรของคณสมบตอากาศชน ตลอดจนการสรางหรอการพฒนาโปรแกรมตรวจวดคณสมบตอากาศชนทควบคมไปถงเนอหาและรายละเอยดของการตดตงโปรแกรมทางคอมพวเตอร Arduino IDE การเชอมตออปกรณตาง ๆ เพอสรางกลองเครองมอทใชในการตรวจวดคาคณสมบตของอากาศชนดงกลาว รวมไปถงลกษณะและวธการใชงานกลองเครองมอนน ๆ ดวย

คณะผจดท าหวงเปนอยางยงวารายงานเลมนจะเปนประโยชนแกผตองการศกษาอยางสงทสด หากมขอผดพลาดประการใด คณะผจดท าขอนอมรบทกค าชแนะและขออภยมา ณ ทนดวย

คณะผจดท า ธนวาคม พ.ศ. 2560

ข

กตตกรรมประกำศ

ขอขอบคณวทยาลยพลงงานทดแทน มหาวทยาลยแมโจ ภายใต “โครงการผลตและพฒนาศกยภาพบณฑตทางดานพลงงานทดแทน ในกลมประเทศอาเซยนส าหรบนกศกษาระดบบณฑตศกษา” และ “โครงการการผลตไฟฟารวมกบการท าความเยนและความรอนแบบขนบนไดจากพลงงานความรอนใตพภพในประเทศไทย” ทมอบทนการสนบสนนส าหรบการด าเนนงานวจยครงน

คณะผจดท า ธนวาคม พ.ศ. 2560

ค

สารบญ

ค ำน ำ ........................................................................................................................................................... ก

กตตกรรมประกำศ ........................................................................................................................................ ข

สำรบญ ........................................................................................................................................................ ค

สำรบญรป.................................................................................................................................................... จ

สำรบญตำรำง .............................................................................................................................................. ช

อกษรยอและสญลกษณ ................................................................................................................................ ซ

กำรออกแบบระบบตรวจวดคณสมบตอำกำศชน ........................................................................................... 1

อากาศชน ................................................................................................................................................ 1 1.

1.1 ความดนบรรยากาศ (Standard atmosphere) ........................................................................ 1

1.2 ความดนไอ (Vapor pressure) .................................................................................................. 2

1.3 ความดนไออมตว (Vapor saturation pressure) ..................................................................... 2

1.4 อณหภมกระเปาะแหง (Dry bulb temperature) .................................................................... 2

1.5 อณหภมจดน าคาง (Dew point temperature) ....................................................................... 3

1.6 อณหภมกระเปาะเปยก (Wet bulb temperature) ................................................................. 3

1.7 อตราสวนความชน (Humidity ratio) ........................................................................................ 4

1.8 ปรมาตรจ าเพาะของอากาศชน (Specific volume of moist air) ........................................... 4

1.9 เอนทลปของอากาศชน (Enthalpy) ........................................................................................... 4

แบบจ าลองทางคณตศาสตรของคณสมบตอากาศชน .............................................................................. 5 2.

โปรแกรมตรวจวดคณสมบตอากาศชน .................................................................................................... 5 3.

3.1 การตดตงโปรแกรม Arduino ..................................................................................................... 9

3.2 เรมตนการใชงานเพอการพฒนารหสโปรแกรมคณสมบตอากาศชน ......................................... 12

ง

3.3 การทดลองการใชงานอปกรณรวมกบไลบราร .......................................................................... 15

3.4 การพฒนารหสโปรแกรม Arduino เพอการตรวจวดคาคณสมบตอากาศชน ........................... 20

3.5 การตออปกรณวดคาคณสมบตอากาศชน ................................................................................. 25

3.6 วธการใชงานโปรแกรมคณสมบตอากาศชน .............................................................................. 27

เอกสำรอำงอง ............................................................................................................................................ 30

ภำคผนวก .................................................................................................................................................. 31

ภาคผนวก ก .รายละเอยดวสดอปกรณทใชในโปรแกรมคณสมบตอากาศชน ................................................ 31

จ

สำรบญรป

รปท 1 ขนตอนการค านวณของแบบจ าลองทางคณตศาสตรของโปรแกรมอากาศชน.............................................. 6 รปท 2 หนาเวบเพจในสวนของการดาวนโหลดโปรแกรม ........................................................................................ 9 รปท 3 หนาเวบเพจสวนของการดาวนโหลด .......................................................................................................... 10 รปท 4 หนาตางสวนของการเรมตดตง ................................................................................................................... 10 รปท 5 หนาตางของสวนตวเลอกตดตงโปรแกรม ................................................................................................... 11 รปท 6 หนาตางการเลอกโฟลเดอรในการตดตง ..................................................................................................... 11 รปท 7 โปรแกรมท าการตดตง................................................................................................................................ 12 รปท 8 ขอความทแสดงเมอท าการตดตงโปรแกรมเสรจ......................................................................................... 12 รปท 9 เรมตนการใชงานโปรแกรม Arduino ......................................................................................................... 13 รปท 10 หนาตางของโปรแกรม Arduino IDE ....................................................................................................... 14 รปท 11 เรมตนการตดตงไลบราร .......................................................................................................................... 14 รปท 12 หนาตางของสวนทท าการตดตงไลบราร DHT22 ..................................................................................... 15 รปท 13 หนาตางของสวนทท าการตดตงไลบราร LiquidCrytal I2C .................................................................... 15 รปท 14 เลอกโปรแกรมตวอยางของ LCD I2C ....................................................................................................... 16 รปท 15 ชดค าสงโปรแกรมทดลองของ LCD I2C ................................................................................................... 17 รปท 16 การเลอกรนบอรดในการทดลอง .............................................................................................................. 17 รปท 17 การเลอกพอรททเชอมตอกบบอรด .......................................................................................................... 18 รปท 18 การอพโหลดโปรแกรมไปยงบอรดชดทดลอง ........................................................................................... 18 รปท 19 ของความทแสดงยงโมดล LCD ................................................................................................................ 19 รปท 20 โปรแกรมทดลองของเซนเซอร DHT22 ................................................................................................... 19 รปท 21 หนาตางแสดงผลของเซนเซอร DHT22 ................................................................................................... 20 รปท 22 หนาจอแสดงผลของโปรแกรมคณสมบตอากาศชน .................................................................................. 25 รปท 23 แผนภาพการตอวงจรของวสดอปกรณตาง ๆ ทใชวดคาคณสมบตอากาศชน .......................................... 26 รปท 24 การตอวงจรของอปกรณตาง ๆ ทใชวดคาคณสมบตอากาศชน ................................................................ 26 รปท 25 กลองโปรแกรมคณสมบตอากาศชน ......................................................................................................... 27 รปท 26 สวนหนาจอแสดงผล (1) .......................................................................................................................... 28 รปท 27 สวนหนาจอแสดงผล (2) .......................................................................................................................... 28 รปท 28 สวนหนาจอแสดงผล (3) .......................................................................................................................... 28

ฉ

รปท 29 สวนหนาจอแสดงผล (4) .......................................................................................................................... 29

ช

สำรบญตำรำง

ตารางท 1 การคณสมบตอากาศชนจากความดนบรรยากาศ อณหภมกระเปาะแหงและเปยก ................................ 5 ตารางท 2 วสดอปกรณทใชในการพฒนาโปรแกรมและอปกรณวดคณสมบตอากาศชน ......................................... 7

ซ

อกษรยอและสญลกษณ

สญลกษณ ควำมหมำย หนวย h เอนทลป kJ/kg H ความสงระดบพนดนเทยบกบะดบน าทะเล m P ความดน bar R คาคงท RH ความชนสมพทธ % T อณหภม °C

T อณหภม K ตวกรก ควำมหมำย

ν ปรมาตรจ าเพาะ m3/kg

ω อตราสวนความชนของอากาศชน kgW/kgda

ตวหอย ควำมหมำย a Air atm Standard atmosphere da Dry air db Dry bulb dp Dew point T Temperature W Water wb Wet bulb WS Saturated vapor

1

กำรออกแบบระบบตรวจวดคณสมบตอำกำศชน

ในการค านวณระบบทมอากาศชนมาเกยวของ โดยนยมใชแผนภมไซโครเมตรกในการวเคราะห ซงมขอจ ากดในการใชงาน คอ ตองท าการหาคาคณสมบตจากแผนภาพใหมทกครงเมอมการเปลยนแปลงเงอนไข เชน อณหภมกระเปาะแหง กระเปาะเปยก เปนตน รวมทงยงยากในการน าไปใชในวเคราะหผลขอมลทไดจากการทดสอบและเกบขอมล ซงมจ านวนมากและขอมลแตกตางกนไป ดงนนจงควรท าการพฒนาแบบจ าลองทางคณตศาสตรของอากาศชน เพอรองรบการค านวณและวเคราะหขอมล ในบทนจงไดน าเสนอการพฒนาแบบจ าลองทางคณตศาสตรคณสมบตอากาศชนโดยใชโปรแกรม Arduino IDE ซงจะมรายละเอยดดงตอไปน

อำกำศชน 1.

อากาศชน (Moist air) หรอบางครงเรยกวา “อากาศเปยก” คอ อากาศทมไอน ารวมอยดวย โดยอากาศเปยกทพบอยโดยทวไปนนสามารถยกตวอยางไปถงสภาพอากาศกอนฝนตกทพบวามกจะท าใหรสกอบอาวและอดอด เพราะวาน าหรอเหงอทผวหนงไมสามารถระเหยออกไปไดตามปกต เนองมาจากการมปรมาณไอน าในอากาศมากเกนไป ซงโมเลกลของน าทปะปนอยในอากาศแหงสามารถสงผลตอความดนอากาศไดเหมอนกบโมเลกลของสารอน ๆ ดงนนในความเปนจรงแลวอากาศจงไมใชกาซอดมคต ทงนจงมความจ าเปนอยางยงทจะตองใชวธการค านวณหาคาความสมพนธระหวางอณหภม ความดน และปรมาตร ภายใตสภาวะอน ๆ ทไมใชเงอนไขของกาซอดมคต แตในกรณการค านวณเกยวกบสมบตทางอากาศทความดนไมเกน 3 bar สามารถสมมตใหอากาศเปนกาซอดมคตได ทงนจะมสมการทางคณตศาสตรทเกยวของกบอากาศชนดงน

1.1 ควำมดนบรรยำกำศ (Standard atmosphere)

ความดนบรรยากาศ หรอความดนอากาศ มการเปลยนแปลงอยตลอดเวลา และทระดบความสงเหนอระดบน าทะเลตาง ๆ จะมคาไมเทากน ทงนขนอยกบอณหภมของอากาศดวย ซงความดนบรรยากาศทความสงระดบน าทะเล อณหภม 14 ºC จะมคาความดนบรรยากาศ 101.325 kPa โดยเมอมการเพมระดบความสงเหนอระดบน าทะเลเพมขน จะพบวาคาความดนบรรยากาศนนมคาลดนอยลง อกทงเมออณหภมของอากาศมคาเพมขน กจะท าใหคาความดนบรรยากาศมคาลดลงเชนกน ซงในทนจะท าการค านวณหาความดนบรรยากาศทแปรผนตามความสงเหนอระดบน าทะเล ดงแสดงในสมการท 1 [1]

2559.5-5atm )]H10(2.255771[325.101P สมการท 1

เมอ Patm คอ ความดนบรรยากาศ (kPa) H คอ ความสงเหนอระดบน าทะเล (m)

2

1.2 ควำมดนไอ (Vapor pressure)

ความดนไอ ในทนหมายถงแรงดนยอยทเกดจากไอน า ทงนความดนไอหมายถงความดนทมความสามารถทจะท าใหสารเปลยนสถานะกลายเปนไอ มความสมพนธกบจดเดอด กลาวคอ ณ อณหภมตางกน ความดนไอของของสารชนดหนงจะมคาแตกตางกน นนคอทอณหภมสงความดนไอของของสารจะมคาสงกวาทอณหภมต า เนองจากโมเลกลมพลงงานจลนเพมขน โมเลกลจงมโอกาสเปนไอไดมากขน ซงในการเขยนโปรแกรมการค านวณหาคาความดนไอสามารถหาไดจากความสมพนธระหวางความดนไออมตวและความชนสมพทธ ดงสมการท 2 [1]

)100/RH(PP WSW สมการท 2

เมอ PW คอ ความดนไอ (kPa) PWS คอ ความดนไออมตว (kPa) RH คอ ความชนสมพทธ (%)

1.3 ควำมดนไออมตว (Vapor saturation pressure)

ความดนไออมตว ในทนหมายถงแรงดนของไอน าอมตว ซงสามารถหาไดจากสมการท 3 [1]

)]Tln(CTCTCTCC)T/C[(eP db63db5

2db4db32db1WS สมการท 3

เมอ C1 5.8002206 x 103

C2 1.3914993

C3 4.8640239 x 10-2

C4 4.1764768 x 10-5

C5 1.4452093x 10-8

C6 6.5459673

1.4 อณหภมกระเปำะแหง (Dry bulb temperature)

อณหภมกระเปาะแหง คอ อณหภมของอากาศหรออากาศชนทสามารถอานไดจากเทอรโมมเตอรโดยตรง ซงในขนตอนการวดจะตองวดในขณะทอากาศสามารถถายเทไดอยางสะดวก จงจะไดคาอณหภมทถกตอง

3

1.5 อณหภมจดน ำคำง (Dew point temperature)

อณหภมจดน าคาง หมายถง อณหภมทเมออากาศชนถกท าใหเยนลงขณะทปรมาณไอน ายงคงท การลดอณหภมถงจดหนงจะท าใหไอน าเกดการอมตว และกลนตวควบแนนเปนหยดน า (Condensate) ทความดนบรรยากาศคงท ตวอยางอณหภมจดน าคางทพบไดในชวตประจ าวน เชน การตงแกวน าเยนไว และมหยดน ามาเกาะทผวแกวดานนอก เกดขนเนองจากอณหภมของอากาศบรเวณแกวน าเยนต ากวาจดน าคางและกลนตวเกาะอยบนผวแกว ในการค านวณครงนจะท าการหาอณหภมจดน าคางจากความสมพนธระหวางความชนสมพทธและอณหภมกระเปาะแหง ดงแสดงในสมการท 4 [1]

db

db

db

db

dp

T12.243

T62.17

100

RHln62.17

T12.243

T62.17

100

RHln12.243

T สมการท 4

เมอ Tdp คอ อณหภมจดน าคาง (ºC) RH คอ ความชนสมพทธ (%) Tdb คอ อณหภมกระเปาะแหง (ºC)

1.6 อณหภมกระเปำะเปยก (Wet bulb temperature)

อณหภมกระเปาะเปยกแสดงใหเหนถงความสามารถในการระเหยของน าทสภาวะอากาศหนง ๆ โดยท าการวดดวยการใชเทอรโมมเตอรทคลมหรอหมดวยผาทเปยกน า ซงหากความชนในอากาศมนอยจะท าใหน าสามารถระเหยไดงาย จงท าใหผลตางระหวางอณหภมกระเปาะแหงและกระเปาะเปยกมคาตางกนมาก และในทางกลบกน หากความชนในอากาศมมากจะท าใหน าระเหยไดยาก ท าใหผลตางระหวางอณหภมกระเปาะแหงและกระเปาะเปยกมคาไมตางกนมากนก ซงในการค านวณครงนจะใชสมการท 5 [1] ในการค านวณ

)ba(/)bTaT(T dbdbwb สมการท 5

เมอ Twb คอ อณหภมกระเปาะเปยก (ºC) Tdb คอ อณหภมกระเปาะแหง (ºC) a และ b คอ คาทไดจากการค านวณคาจากความดนบรรยากาศ ซง a = 0.000066Patm และจากการ

ค านวณคาจากความดนไอและอณหภมจดน าคาง ซง 2dpW )15.273T/(P8.409b

4

1.7 อตรำสวนควำมชน (Humidity ratio)

อตราสวนความชน บางครงเรยกวา ความชนจ าเพาะ หมายถงมวลของไอน าตอมวลของอากาศแหง แตทงนอตราสวนความชน สามารถค านวณไดจากความสมพนธของสมการของกาซสมบรณและกฎของดาลตน ดงสมการท 6 [1]

)]PP(/P[621945.0 WatmW สมการท 6

เมอ ω คอ อตราสวนความชน (kgW/kgda) PW คอ ความดนไอ (kPa) Patm คอ ความดนบรรยากาศ (kPa)

1.8 ปรมำตรจ ำเพำะของอำกำศชน (Specific volume of moist air)

ปรมาตรจ าเพาะของอากาศชน คอ อตราสวนของปรมาตรของไอน าตอมวลของอากาศแหง ซงสามารถค านวณหาไดจากสมการท 7 [1]

atmdbdaa P/)]607858.1(1[TR สมการท 7

เมอ ν คอ ปรมาตรจ าเพาะของอากาศชน (m3/kgda) 'dbT คอ อณหภมกระเปาะแหง (K) ω คอ อตราสวนความชน (kgW/kgda) Rda คอ คาคงททมคาเทากบ 0.287042 kJ/kgda·K

1.9 เอนทลปของอำกำศชน (Enthalpy)

เอนทลปของอากาศชน หรอพลงงานความรอนรวม เปนคาทแสดงถงปรมาณพลงงานความรอนทสะสมอยในอากาศ อนเปนผลรวมของเอนทลปของอากาศแหงและไอน าทอยในอากาศ ทงนคาเอนทลปของอากาศชนสามารถค านวณหาไดจากสมการท 8 [1]

)T8057.11.501,2(T006.1h dbdba สมการท 8

เมอ ha คอ เอนทลปของอากาศชน (kJ/kgda) Tdb คอ อณหภมกระเปาะแหง (ºC) ω คอ อตราสวนความชน (kgW/kgda)

5

แบบจ ำลองทำงคณตศำสตรของคณสมบตอำกำศชน 2.

ในการค านวณระบบทมอากาศชนมาเกยวของ โดยนยมใชแผนภมไซโครเมตรกในการวเคราะห ซงมขอจ ากดในการใชงาน คอ ตองท าการหาคาคณสมบตจากแผนภาพใหมทกครงเมอมการเปลยนแปลงเงอนไข เชน อณหภมกระเปาะแหง กระเปาะเปยก เปนตน รวมทงยงยากในการน าไปใชในวเคราะหผลขอมลทไดจากการทดสอบและเกบขอมล ซงมจ านวนมากและขอมลแตกตางกนไป ดงนนจงควรท าการพฒนาแบบจ าลองทางคณตศาสตรของอากาศชน เพอรองรบการค านวณและวเคราะหขอมล

ในบทนน าเสนอการพฒนาแบบจ าลองทางคณตศาสตรคณสมบตอากาศชน โดยใชโปรแกรม Arduino IDE และมเงอนไขเรมตนการค านวณ คอ อณหภมกระเปาะแหง (Tdb) ความชนสมพทธ (RH) และความสงของพนทเหนอระดบน าทะเล (H) ดงแสดงสมการทใชในการพฒนาแบบจ าลองและรายละเอยดโปรแกรมคอมพวเตอร Arduino IDE ดงแสดงในตารางท 1 และขนตอนการค านวณในรปท 1

ตารางท 1 การคณสมบตอากาศชนจากความดนบรรยากาศ อณหภมกระเปาะแหงและเปยก

คณสมบตอำกำศชน สมกำรและค ำสงทใชในแบบจ ำลอง

ความดนบรรยากาศ (Patm) 101.325(1 – 2.25577 x 10-5 H)5.2559

อณหภมจดน าคาง (Tdb)

db

db

db

db

db

T12.243

T62.17

100

RHln62.17

T12.243

T62.17

100

RHln12.243

T

อณหภมกระเปาะเปยก (Twb) Twb (aTdb bTdp) / (a b)

a 0.000066Patm

b 409.8PW / (Tdp + 273.15)2

อตราสวนความชน (ω) 0.621945[PW / (Patm – PW)]

ปรมาตรจ าเพาะ (a) RdaTdb[1 + (1.607858ω)] / Patm

เอนทลป (ha) 1.006Tdb + ω(2,501.1 + 1.8057Tdb)

โปรแกรมตรวจวดคณสมบตอำกำศชน 3.

การพฒนารหสโปรแกรมคอมพวเตอร Arduino IDE ในการสรางโปรแกรมคณสมบตอากาศชน ทมการรบคาอณหภมกระเปาะแหง (Tdb) และความชนสมพทธของอากาศ (RH) และคาความสงเหนอระดบน าทะเล (H) ซงจะ

6

แสดงผลบนจอ LCD โดยผานการประมวลผลจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอรตระกล Arduino จะมรายละเอยดในการค านวณเพอหาคาความดนบรรยากาศ (Patm) อณหภมจดน าคาง (Tdb) อณหภมกระเปาะเปยก (Twb)

อตราสวนความชน (ω) ปรมาตรจ าเพาะ (a) และเอนทลป (ha) ของอากาศชนดงแสดงในแผนผงรปท 1

รปท 1 ขนตอนการค านวณของแบบจ าลองทางคณตศาสตรของโปรแกรมอากาศชน

7

ในการพฒนาโปรแกรมและอปกรณวดคณสมบตอากาศชนในครงน จะใชอปกรณเซนเซอรทใชในการรบคาขอมลขาเขาและแสดงผลของขอมลทตองการดงทไดกลาวไปแลวขางตน ซงจะมรายละเอยดของอปกรณ ดงแสดงในตารางท 2

ตารางท 2 วสดอปกรณทใชในการพฒนาโปรแกรมและอปกรณวดคณสมบตอากาศชน อปกรณ หนำท คณสมบต

1. บอรดไมโครคอนโทรลเลอร Arduino Mega R3

ประมวลผลขอมลทรบไดจากเซนเซอร

- แรงดนไฟฟาภายใน 5 V - แรงดนไฟฟาเขา 7-12 V - Digital Pin 54 ขา - Analog Pin 16 ขา - สญญาณนาฬกา 16 MHz

2. จอแอลซด (LCD) ขนาด 20 x 4

ท าหนาทแสดงผลของขอมลตามค าสงจากบอรดไมโครคอนโทรลเลอร

- แรงดนไฟฟาเขา 5 V - จ า น ว น ต วอ ก ษ ร 2 0 ต ว 4 บรรทด

8

อปกรณ หนำท คณสมบต

3. LCD adapter I2C

ท าหนาทชวยเสรมการใชงานของโมดล LCD ในดานการลดจ านวนขาตอสญญากบบอรด

ไมโครคอนโทรลเลอร

- แรงดนไฟฟาเขา 5 V

4. DHT22 (AM2302)

เปนเซนเซอรทใชวดคาอณหภมกระเปาะแหงและคาความชน

สมพทธ

- แรงดนไฟฟาเขา 3.3-6 V - ชวงคาความชนสมพทธทวดได 0 ถง 100% (±2%) - ชวงคาอณหภมกระเปาะแหงทวดได -40 ถง 80 °C (±0.5 °C)

ในสวนของการพฒนารหสโปรแกรมและอปกรณเพอการวดคาคณสมบตอากาศชนในครงน จะเลอกใช

โปรแกรม Arduino ซง Arduino เปนโปรแกรมทางคอมพวเตอรและฮารดแวรทมลกษณะเปน Open source กลาวคอสามารถดาวนโหลดตวโปรแกรมไปพฒนาตอยอดไดโดยไมตองเสยคาใชจาย ซงในปจจบนเปนเทคโนโลยทไดรบความนยมเปนอยางมากในการประยกตใชรบสงคาสญญาณจากเซนเซอรอเลกทรอนกส โดยในสวนของดานการวดทางพลงงานทดแทนตาง ๆ ลวนมความจ าเปนทจะตองมการใชเซนเซอรอ เลกทรอนกส ซงสวนมากจะคอนขางมราคาสงเมอท าการซออปกรณหรอโปรแกรมส าเรจรปมาใช ดงนนเพอเปนการลดราคาคาใชจายดงกลาว เทคโนโลย Arduino จงเขามามบทบาทส าคญในการพฒนาการสรางโปรแกรมและอปกรณในการวดคาหรอประมวลผลทางขอมลตาง ๆ มากยงขน ดงนนในการพฒนาโปรแกรมและอปกรณทใชในการว ดคณสมบตของอากาศชนครงน จงไดท าการน า Arduino มาบรณาการใชทงทางดานโปรแกรมทางคอมพวเตอรและฮารดแวร ซงจะมขนตอนการตดตง การเรมตนใชงาน การทดลองใชงานกบอปกรณตาง ๆ ตลอดจนการพฒนารหสโปรแกรมเพอใชกบการวดคณสมบตของอากาศชน ดงรายละเอยดในหวขอตอไปน

9

3.1 กำรตดตงโปรแกรม Arduino

ในการตดตงโปรแกรม Arduino จะมขนตอนและรายละเอยดดงตอไปน 1) เขาไปยงหนาเวบเพจของ Arduino “https://www.arduino.cc/en/Main/Software” แลวท าการ

ดาวนโหลดโดยการคลกเมาสไปยง “Windows Installer” ดงรปท 2

รปท 2 หนาเวบเพจในสวนของการดาวนโหลดโปรแกรม

2) คลกทไอคอน “JUST DOWNLOAD” ดงรปท 3 ซงหากตองการดาวนโหลดในแบบทมการบรจาคเงนใหแกองคกร ใหคลก “CONTRIBUTE & DOWNLOAD”

10

รปท 3 หนาเวบเพจสวนของการดาวนโหลด

3) เมอดาวนโหลดเสรจแลว จะไดไฟลทท าการดาวนโหลดทม ชอวา “arduino-1.8.5-windows.exe” จากนนใหท าการเปดไฟลและคลกทไอคอน “I Agree” เพอท าการเรมตดตงโปรแกรม Arduino IDE ซงในสวนทน ามาแสดงตวอยางการตดตง จะเปนโปรแกรม Arduino IDE เวอรชน 1.8.5 ดงรปท 4

รปท 4 หนาตางสวนของการเรมตดตง

4) คลกทไอคอน “Next >“ เพอตอบตกลงในสวนของขนตอนถดไป ดงรปท 5

11

รปท 5 หนาตางของสวนตวเลอกตดตงโปรแกรม

5) เลอกโฟลเดอรทตองการท าการตดตงโปรแกรม Arduino IDE เมอท าการเลอกโฟลเดอรเสรจเรยบรอยแลว ใหคลกทไอคอน “Install” ดงรปท 6

รปท 6 หนาตางการเลอกโฟลเดอรในการตดตง

6) รอใหโปรแกรมท าการตดตงจนแลวเสรจ (สามารถตรวจสอบความกาวหนาในการตดตงไดโดยการคลกทไอคอน Show details) ดงรปท 7

12

รปท 7 โปรแกรมท าการตดตง

7) เมอโปรแกรมตดตงเสรจแลว บรรทดสดทายจะแสดงค าวา “Completed” จากนนใหคลกไอคอน “Close” เพอท าการปดโปรแกรม ซงเปนอนสนสดขนตอนของการตดตง ดงรปท 8

รปท 8 ขอความทแสดงเมอท าการตดตงโปรแกรมเสรจ

3.2 เรมตนกำรใชงำนเพอกำรพฒนำรหสโปรแกรมคณสมบตอำกำศชน

ในการเรมตนใชงานโปรแกรม Arduino IDE เพอการพฒนารหสโปรแกรมคณสมบตอากาศชน จะมขนตอนและรายละเอยดดงตอไปน

1) เปดโปรแกรม Arduino IDE โดยการดบเบลคลกทไอคอนโปรแกรม Arduino ดงรปท 9

13

รปท 9 เรมตนการใชงานโปรแกรม Arduino

2) ใหสงเกตหนาตางของสวนโปรแกรม Arduino IDE ดงรปท 10 จะสงเกตเหนค าสงภายใน (ในทนใชภาษา C ในการเขยนโปรแกรมและค าสง) ซงไดแบงดงน

สวนท 1 สวนของค าสงการตงคา (void setup) เปนสวนทเขยนค าสงลงไปโดยการเขยนค าสงทท างานเพยงครงเดยว และค าสงจะตองอยภายในสญลกษณ “{ }” เทานน

สวนท 2 สวนของค าสงทวนจนกวาจะท าการปดระบบ (void loop) และค าสงจะตองอยภายในสญลกษณ “{ }” เทานน

14

รปท 10 หนาตางของโปรแกรม Arduino IDE

3) ท าการตดตงไลบราร (Library) ทตองการใชงาน (ไลบราร คอ หนวยค าสงยอยทผใชสามารถท าการดงค าสงพเศษจากไลบรารนน ๆ ได) ในทนไดใชไลบรารของเซนเซอรวดอณหภมความชนสมพทธ และโมดล LCD I2C ทใชในการท าการทดลอง โดยการตดตงจะเขาไปยงหนาตางดวยการคลกท “Sketch” > “Include Library” > “Manage Libraries” ดงรปท 11

รปท 11 เรมตนการตดตงไลบราร

4) ใสค าส าคญลงในชองทตองการคนหาเพอคนหาไลบราร (ในขนตอนนไดท าการตดตงไลบราร DHT22 ซงเปนเซนเซอรทใชในการทดลอง) เมอคนหาเจอแลวใหคลกทไอคอน “Install” ดงรปท 12

1

2

15

รปท 12 หนาตางของสวนทท าการตดตงไลบราร DHT22

5) ท าการตดตงไลบรารของ LiquidCrytal I2C ซงจะตดตงโดยการคลกท “Install” รปท 13

รปท 13 หนาตางของสวนทท าการตดตงไลบราร LiquidCrytal I2C

3.3 กำรทดลองกำรใชงำนอปกรณรวมกบไลบรำร

ส าหรบการทดลองการใชงานอปกรณรวมกบไลบรารทท าการตดตงไปแลวขางตน จะมรายละเอยดดงขนตอนตอไปน

1) ท าการทดลองการใชงานของโมดลจอแสดงผล LCD โดยการคลกท “File” > “Examples” > “LiquidCrystal I2C” > “HelloWorld” ดงรปท 14

16

รปท 14 เลอกโปรแกรมตวอยางของ LCD I2C

2) เมอท าการเปดโปรแกรมทดลองของ LCD I2C เสรจแลวหลงจากนนใหสงเกตทสวนของค าสงภายใน จะพบวามสวนทเขยนทงหมด 4 สวน ดงแสดงในรปท 15 คอ

สวนท 1 เปนสวนทใชในการดงชดขอมลไลบรารโดยจะมค าสง “#include” อยขางหนาชอไฟลไลบรารทอยใน “<>” เสมอ

สวนท 2 เปนสวนทเปนชดค าสงทท างานครงเดยวตอการเปดระบบหนงครงและทส าคญ จะเปนค าสง “void setup()” และค าสงในการท างานจะอยภายใตเครองหมาย “{ }” เสมอ

สวนท 3 เปนสวนทเปนชดค าสงทท างานวนซ าตลอดเมอเปดระบบจะเปนค าสง “void loop()” และค าสงในการท างานจะอยภายใตเครองหมาย “{ }” เสมอ

สวนท 4 เปนสวนทท าหนาทเปนขอความซงไมมผลตอค าสงภายในโปรแกรมโดยจะมเครองหมาย “//” อยหนาขอความเสมอ

17

รปท 15 ชดค าสงโปรแกรมทดลองของ LCD I2C

3) ท าการเลอกรนของบอรดใหตรงกนทใชในการทดลอง (ในทนไดใชบอรด Arduino Mega R3 ในการทดลอง) ดงรปท 16

รปท 16 การเลอกรนบอรดในการทดลอง

1

2

3

4

18 4) เลอกพอรททเชอมตอคอมพวเตอรไปยงบอรด (ในทนไดใชพอรทชอ COM3) ดงรปท 17

รปท 17 การเลอกพอรททเชอมตอกบบอรด

5) ท าการอพโหลดโปรแกรมไปยงบอรดโดยการคลกทเครองหมายอพโหลดของโปรแกรม Arduino IDE ดงรปท 18

รปท 18 การอพโหลดโปรแกรมไปยงบอรดชดทดลอง

19 6) สงเกตบอรดทดลองทโมดลจอ LCD แลวสงเกตขอความดงรปท 19

รปท 19 ของความทแสดงยงโมดล LCD

7) ท าการทดลองเซนเซอร DHT22 โดยคลกท File > Examples > DHT sensor library > DHTtester แลวท าการอพโหลดโปรแกรมเขาไปยงบอรดทดลอง และสงเกตคาผานพอรทอนกรม (Serial Mornitor) ดงรปท 20

รปท 20 โปรแกรมทดลองของเซนเซอร DHT22

20 8) สงเกตคาผานพอรทอนกรม หากในกรณทตอเซนเซอรไมถกตองจะปรากฏขอความ “Failed to read

from DHT sensor!” และกรณททเซนเซอรตอเขากบบอรดทดลองถกตองจะแสดงผล ดงรปท 21

รปท 21 หนาตางแสดงผลของเซนเซอร DHT22

3.4 กำรพฒนำรหสโปรแกรม Arduino เพอกำรตรวจวดคำคณสมบตอำกำศชน

การพฒนารหสโปรแกรม Arduino เพอการตรวจวดคาคณสมบตอากาศชน 1) ท าการเขยนค าสงลงในโปรแกรม Arduino IDE เพอหาคณสมบตของอากาศจากการวดคาอณหภมและ

ความชนสมพทธของอากาศ โดยมการเขยนค าสงและรายละเอยดดงน

#include <Wire.h> //เรยกใชไลบรารของ Wire #include <LiquidCrystal_I2C.h> //เรยกใชไลบรารของ LCD I2C #include "DHT.h" //เรยกใชไลบรารของ DHT #define DHTPIN 2 //ตงชอ DHTPIN แทน 2 #define DHTTYPE DHT22 //ตงชอ DHTTYPE แทน DHT22 #define High 310 //ตงชอ High แทน 310 *ความสงจากน าทะเล #define R 0.287042 //ตงชอ R แทน 0.287042 #define C1 -5.8002206*pow(10,-3) //ตงชอ C1-C6 เปนจ านวนใด ๆ ทใชในสมการ

21

#define C2 1.3914993 #define C3 -4.8640239*pow(10,-2) #define C4 4.1764768*pow(10,-5) #define C5 -1.4452093*pow(10,-8) #define C6 6.5459673 #define e 2.71828 //ตงชอ e แทน 2.71828 *คาคงท #define tim 5000 //ตงชอ tim แทน 5000 *ใชในการหนวงเวลา LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4); //ตงคา LCD I2C เปนขนาด 20 x 4 ชอ lcd DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //ตงคาเซนเซอร DHT ตอสญญาณทขา DHTPIN และเปนชนด DHTTYPE ชอ dht float T, H, P_atm, P_w, P_ws, tem_dp, tem_wp, hum_r, v, h; //สรางตวแปรชนด float

void setup() { lcd.init(); //เรมการใชงานของ LCD dht.begin(); //เรมการใชงาน DHT22 lcd.backlight(); //สงใหไฟพนหลงสวาง

}

void loop() { check(); //ไปยงฟงกชน check peasur(); //ไปยงฟงกชน peasur temp_dp(); //ไปยงฟงกชน temp_dp temp_wb(); //ไปยงฟงกชน temp_wb hum_ratio(); //ไปยงฟงกชน hum_ratio viloc(); //ไปยงฟงกชน viloc Enthalpy(); //ไปยงฟงกชน Enthalpy show(); //ไปยงฟงกชน show

}

void check() { //ฟงกชน check สวนของการรบคาจากเซนเซอร T = dht.readTemperature(); //ค าสงใหรบคาอณหภมเขามาเกบทตวแปร T H = dht.readHumidity(); //ค าสงใหรบคาความชนสมพทธเขามาเกบทตวแปร

22 H

if (isnan(h) || isnan(t) || isnan(f)) { //เงอนไขถาไมมการเชอมตอกบเซนเซอร Serial.println("Failed to read from DHT sensor!"); //แสดงขอความไปยง Serial monitor return;

}

delay(500); //หนวงเวลา 0.5 วนาท }

void peasur() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาความดน บรรยากาศ

P_atm = 101.325 * pow((1 - ((2.25577 * 0.00001) * High)), 5.2559); P_ws = e * ((C1 / T) + C2 + (C3 * T) + (C4 * pow(T, 2)) + (C5 * pow(T, 3)) + (C6 * log(T))); P_w = P_ws * (H / 100);

}

void temp_dp() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาอณหภมจด น าคาง

float B = log(H / 100); tem_dp = 243.12 * (B + ((17.62 * T) / (243.12 + T))) / (17.62 - B - ((17.62 * T) / (243.12 + T)));

}

void temp_wb() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาอณหภม กระเปาะเปยก

float a = 0.000066 * P_atm; float b = (409.8 * P_w) / pow((T + 273.15), 2); tem_wp = ((a * T) + (b * tem_dp)) / (a + b);

}

void hum_ratio() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาอตราสวน ความชนในอากาศ

hum_r = 0.621945 * (P_w / (P_atm - P_w));

23

}

void viloc() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาปรมาตร จ าเพาะ

v = R * (T + 273.15) * ((1 + (1.607858 * hum_r )) / P_atm); }

void Enthalpy() { //ฟงกชนค าสงของการค านวณหาคาเอนทลปของ อากาศ

h = (1.006 * T) + (hum_r * (2501.1 + (1.8057 * T))); }

void show() { //ฟงกชนค าสงของการแสดงผลไปยงโมดล LCD lcd.clear(); //ค าสงลางหนาจอท 1 lcd.setCursor(0, 0); //ค าสงตงคาตวอกษรทจะท าการแสดงในตวอกษรท 0 แถว 0 lcd.print("Relative Humidity"); //แสดงขอความ “Relative Humidity” โมดล LCD lcd.setCursor(0, 1); //ค าสงตงคาตวอกษรทจะท าการแสดงในตวอกษรท 0 แถว 1 lcd.print(H); //แสดงคาความชนสมพทธทเกบไวในตวแปรทชอวา H lcd.print(" %"); //แสดงสญลกษณหนวยของขอความกอนหนา lcd.setCursor(0, 2); //ค าสงตงคาตวอกษรทจะท าการแสดงในตวอกษรท

0 แถว 2 lcd.print("Dry-bulb Temp"); //แสดงขอความ “Dry-bulb Temp” โมดล LCD lcd.setCursor(0, 3); //ค าสงตงคาตวอกษรทจะท าการแสดงในตวอกษรท 0 แถว 3 lcd.print(T); //แสดงคาอณหภมกระเปาะแหงทเกบไวในตวแปรท ชอวา T lcd.print(" C"); delay(tim); //หนวงเวลาทมคาเทากบ tim หนวยเปน ms lcd.clear(); //ค าสงลางหนาจอเพอเตรยมแสดงขอมลในหนาจอ

24 ท 2 lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Barometric Pressure"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(P_atm); lcd.print(" kPa"); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("Dew point Temp"); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(tem_dp); lcd.print(" C"); delay(tim); lcd.clear(); //ค าสงลางหนาจอเพอเตรยมแสดงขอมลในหนาจอ ท 3 lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Wet-bulb Temp"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(tem_wp); lcd.print(" C"); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("Humidity Ratio"); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(hum_r); lcd.print(""); delay(tim); lcd.clear(); //ค าสงลางหนาจอเพอเตรยมแสดงขอมลในหนาจอ ท 4 lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Specific Volume"); lcd.setCursor(0, 2);

25 lcd.print("Ethalpy"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(v); lcd.print(" m3/kg"); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print(h); lcd.print(" kJ/kg"); delay(tim);

}

2) เมอท าการเขยนโปรแกรมเปนทเรยบรอยแลว ใหอพโหลดโปรแกรมเขาไปยงบอรดทดลองแลวสงเกตทหนาจอ LCD จะแสดงผลดงรปท 22

รปท 22 หนาจอแสดงผลของโปรแกรมคณสมบตอากาศชน

3.5 กำรตออปกรณวดคำคณสมบตอำกำศชน

ส าหรบการออกแบบอปกรณภายนอกหรอฮารดแวรทใชวดคณสมบตอากาศชนในครงน จะมแผนภาพการตอวงจรของวสดอปกรณตาง ๆ ดงทไดกลาวไปแลวในตารางท 2 ดงแสดงในรปท 23 ซงหลงจากทดสอบระบบการวดคาคณสมบตอากาศชนทมการตออปกรณดงกลาวกบรหสโปรแกรมทพฒนาภายใตโปรแกรมทางคอมพวเตอรของ Arduino IDE ส าเรจแลว จะท าการตดตงอปกรณไวในกลองเพอความเรยบรอยและสะดวกตอการใชงาน ดงแสดงในรปท 24 ซงเมอตดตงแลวเสรจจะไดกลองโปรแกรมวดคณสมบตอากาศชน ดงแสดงในรปท 25

26

รปท 23 แผนภาพการตอวงจรของวสดอปกรณตาง ๆ ทใชวดคาคณสมบตอากาศชน

รปท 24 การตอวงจรของอปกรณตาง ๆ ทใชวดคาคณสมบตอากาศชน

27

รปท 25 กลองโปรแกรมคณสมบตอากาศชน

3.6 วธกำรใชงำนโปรแกรมคณสมบตอำกำศชน

ส าหรบวธการใชงานโปรแกรมคณสมบตอากาศชนทไดท าการสรางดงทไดกลาวถงรายละเอยดไวแลงขางตน จะมวธการใชงานดงน

1) ท าการตอแหลงจายไฟกระแสตรงขนาด 5 V ใหกบกลองโปรแกรมวดคาคณสมบตอากาศชน 2) เมอกลองโปรแกรมเรมท างาน จะสงเกตใหไฟและตวอกษรขนบรเวณหนาจอแอลซด ดงแสคงในรปท 26

ถงรปท 29 ซงจะแสดงผลคาความชนสมพทธ (Relative Humidity, %) อณหภมกระเปาะแหง (Dry-bulb Temp, C) ความดนบรรยากาศ (Barometric Pressure, kPa) อณหภมจดน าคาง (Dew point Temp, C) อณหภมกระเปาะเปยก (Wet-bulb Temp, C) อตราสวนความชน (Humidity Ratio) ปรมาตรจ าเพาะ (Specific Volume, m3/kg) และคาเอนทลป (Enthalpy, kJ/kg) ตามล าดบ

28

รปท 26 สวนหนาจอแสดงผล (1)

รปท 27 สวนหนาจอแสดงผล (2)

รปท 28 สวนหนาจอแสดงผล (3)

29

รปท 29 สวนหนาจอแสดงผล (4)

30

เอกสำรอำงอง

[1] นฐพร ไชยญาต. (2560). การน าความรอนทงกลบคน (พมพครงท 6). เชยงใหม: ส านกพมพมหาวทยาลยแมโจ.

31

ภำคผนวก

ภำคผนวก ก. รำยละเอยดวสดอปกรณทใชในโปรแกรมคณสมบตอำกำศชน

1) บอรดไมโครคอนโทรลเลอร Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 เปนบอรดรนใหญในตระกลของบอรดไมโครคอนโทรลเลอร Arduino ซงมคณสมบต

เพมขนจากบอรด Arduino Uno R3 จะใชชพรน ATmega2560 ทมหนวยความจ าแฟลช 256 KB แรม 8 KB ใชไฟเลยง 7-12 V แรงดนของระบบอยท 5 V ม Digital Input/Output มากถง 54 ขา (เปน PWM ได 14 ขา) ม Analog Input 16 ขา Serial UART 4 ชด I2C 1 ชด SPI 1 ชด ซงจะเขยนโปรแกรมบนโปรแกรม Arduino IDE และโปรแกรมผาน USB เหมาะส าหรบผทสนใจเรมตนทจะเรยนรการพฒนาไมโครคอนโทรลเลอรทตองการบอรด Arduino ทมหนวยความจ าและขาสญญาณตาง ๆ ทเพยงพอตอใชงานมากขน ทงนจะมรายละเอยดเพมเตมดงแสดงในตารางท ก.1 และมแผนผงขาสญญาณดงแสดงในรปท ก.1

ตารางท ก.1 รายละเอยด Arduino MEGA 2560 R3 [www.arduinoall.com] Microcontroller ATmega2560

Operating Voltage 5 V Input Voltage (Recommended) 7-12 V Input Voltage (Limits) 6-20 V Digital I/O Pins 54 (of which 14 provide PWM output , 4 UART TTL) Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3 V Pin 50 mA Flash Memory 256 KB of which 8 KB used by bootloader SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz

32

รปท ก.1 แผนผงขาสญญาณของบอรด Arduino Mega 2560

2) เซนเซอรวดอณหภมกระเปาะแหงและความชนสมพทธ DHT22/AM2305 โมดล DHT22 หรอ AM2302 มราคาถก ใหคาเปนแบบดจทล และใชขาสญญาณดจทลเพยงเสนเดยวในการ

เชอมตอแบบบตอนกรมสองทศทาง (Serial Data, Bi-Directional) โดยน ามาเชอมตอกบบอรด Arduino เพออานคาจากเซนเซอร ซงจะมขอมลเชงเทคนค (Technical details) ดงตอไปน

- ใชแรงดนไฟเลยงไดในชวง: 3.3-5.5 VDC ดงนนจงใชไดกบ 3.3 V และ 5 V ได - วดอณหภมไดในชวง: -40 ถง 80 °C (ความแมนย า ±0.5 °C) - วดความชนสมพทธไดในชวง: 0 ถง 100% (ความแมนย า 2-5%) - อตราการวดสงสด: 0.5 Hz - ขาเชอมสญญาณเปนแบบ 4 ขา ( 0.1 inch/2.54 mm spacing) โดย Pin 1 = VCC, Pin 2 = SDA

(Serial data, bidirectional), Pin 3 = N.C. (Not Connect) และ Pin 4 = GND จากขอมลเชงเทคนคดงทไดกลาวไปขางตน โมดล DHT22 จะมผงการตอขาสญญาณดงแสดงในรปท ก.2

33

รปท ก.2 ต าแหนงและรายละเอยดการตอขาสญญาณของ DHT22 [http://www.myarduino.net]

3) จอแอลซดทมการเชอมตอแบบ I2C จอ LCD ทมการเชอมตอแบบ I2C หรอเรยกอกอยางวาการเชอมตอแบบ Serial จะเปนจอ LCD ธรรมดา

ทวไปทมาพรอมกบบอรด I2C Bus โดยตรงหรอสามารถเชอมตอภายหลงได ซงเหตผลทท าการเชอมตอกบ I2C กเพอตองการใชงานทสะดวกยงขน (ลดจ านวนขาสญญาณในการตอกบบอรดไมโครคอนโทรลเลอรลง ) และยงมาพรอมกบ VR ส าหรบปรบความเขมของจอ ในรปแบบ I2C ซ งจะใชขาในการเชอมตอกบบอรดไมโครคอนโทรลเลอรเหลอเพยง 4 ขา (ซงจอแอลซดทไมมการตอกบ I2C จะเปนการตอสญญาณแบบ Parallel ซงจะใช 16 ขาในการตอ) ทงนลกษณะการตอสายสญญาณจาก I2C ไปยงบอรด จะมลกษณะดงแสดงในรปท ก.3

รปท ก.3 ขาทในการเชอมตอของ I2C ไปยงบอรด Arduino [http://www.thaieasyelec.com]