MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 a Loại màng dày (SnO2) b Loại màng mỏng (VO3) .7 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế CHƯƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO .15 2.2 Các khối chức 17 2.2.1 Cảm biến .17 2.2.2 Khối hiển thị kết định thời gian thực 25 2.2.3 Khối lưu trữ MMC .26 2.2.4 Truyền thông máy tính 27 2.2.5 Khối nguồn ổn áp 28 2.2.6 Khối xử lý trung tâm 29 Sơ lược công nghệ PSoC .30 Một số đặc tính bật vi điều khiển PSoC 30 Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập 30 3.1.1 Khối hiển thị 34 3.1.2 Khối lưu trữ MMC .34 3.1.3 Truyền thơng máy tính 35 USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối có dây máy tính USB sử dụng với mục đích để kết nối thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính 35 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) 37 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo 38 3.1.6 Lưu đồ thuật toán 41 DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 a Loại màng dày (SnO2) b Loại màng mỏng (VO3) .7 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế CHƯƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO .15 2.2 Các khối chức 17 2.2.1 Cảm biến .17 2.2.2 Khối hiển thị kết định thời gian thực 25 2.2.3 Khối lưu trữ MMC .26 2.2.4 Truyền thơng máy tính 27 2.2.5 Khối nguồn ổn áp 28 2.2.6 Khối xử lý trung tâm 29 Sơ lược công nghệ PSoC .30 Một số đặc tính bật vi điều khiển PSoC 30 Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập 30 3.1.1 Khối hiển thị 34 3.1.2 Khối lưu trữ MMC .34 3.1.3 Truyền thơng máy tính 35 USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối có dây máy tính USB sử dụng với mục đích để kết nối thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính 35 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) 37 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo 38 3.1.6 Lưu đồ thuật toán 41 LỜI NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vấn đề nhiễm mơi trường có xu hướng ngày nghiêm trọng nước ta toàn giới Trong khí có tự nhiên NH3 khí quan trọng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sức khỏe người nồng độ khí vượt mức cho phép Hầu hết thiết bị đo khí NH3 thị trường thiết bị nhập ngoại có giá thành cao Vì việc thiết kế thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ phục vụ cho nhu cầu đo NH3 cầm tay thiết thực, có giá trị cao Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan cảm biến đo khí, cảm biến MQ 135, nguyên lí hoạt động cấu tạo Nghiên cứu khối từ xây dựng mạch phần cứng Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sơ đồ, đặc tính cảm biến MQ 135 từ dùng vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn Thiết kế thiết bị đo có khả đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên hình LCD, trao đổi tín với máy tính, lưu trữ máy tính Có thể đo khí NH3 cầm tay, đo trang trại gia súc, gia cầm, xí nghiệp có khí thải Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 Tổng quan thiết bị đo nồng độ khí NH3 1.1 Đặc điểm khí NH3 (ammoniac) Trong môi trường làm việc sống hàng ngày; người có khả gặp phải với nhiều loại khí độc khác nhau, chúng có khả làm tổn hại đến sức khỏe kể tính mạng người; nhiễm độc khí amoniac (NH3) để ý phòng tránh Nếu khơng phát xử lí lúc, kịp thời, nạn nhân bị di chứng ảnh hưởng nghiêm trọng có khả thể tử vong tiếp xúc với nồng độ vượt định mức cho phép Các nhà khoa học cho nồng độ khí amoniac có khơng khí mơi trường sống xung quanh phép 0,2 mg/m 3, vượt mực độ khí NH3 có khả làm cho người bị nhiễm độc, nguy hiểm Đặc thù khí NH3 có khả tan dễ nước thường để thành dung dịch có đặc tính kiềm mạnh gọi amoni hydroxit (NH 4OH) có khả gây kích ứng, bỏng Khí có khả bị nén dễ dàng áp suất để tạo thành dung dịch suốt, không màu Ở nhiệt độ cao khoảng 450 oC tới 500oC nhiệt độ thấp hoàn cảnh có diện kim loại sắt, niken, kẽm NH3 dễ bị phân hủy tạo thành khí hydro nitơ Do thùng chứa khí NH3 có khả bị nổ tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong công nghiệp, nhà khoa học ghi nhận khoảng 80% lượng khí NH dùng để tạo phân bón Song song với chúng dùng để làm lạnh khí, tinh khiết nước; làm nhựa, thuốc nổ, vải, thuốc nhuộm màu loại hóa chất khác Bên cạnh đó, khí NH3 phát bên loại dung dịch dùng mục đích tẩy rửa làm Để đo đạc kiểm tra nồng độ khí amoniac này, thị trường có nhiều loại cảm biến với nguyên lý đo khí khác Tuy nhiên cảm biến đo khí theo nguyên lý bán dẫn sử dụng rộng rãi cả, bời độ xác cao, giá thành rẻ tính hiệu sử dụng có nhiều ưu điểm 1.2 Các thiết bị đo khí 1.2.1 Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí Dựa thay đổi độ dẫn điện màng bán dẫn hấp thụ khí độc nhiệt độ 150 – 500 độ C Ở điều kiện ko khí màng bán dẫn dẫn điện điều kiện có độc nhiệt độ làm việc chuẩn tính dẫn điện màng bán dẫn tang Chất lương loại cảm biến phụ thuộc vào sản xuất Loại cảm biến có tính chọn lựa thấp, độ nhạy, khả đáp ứng, độ xác bị ảnh hưởng nhiều yếu tố môi trường nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Khi bị sai số cần hiệu chỉnh lại Thiết bị hỏng hồn tồn làm việc liên tục nhiệt độ cao Có cảm biến loại sử dụng nhiều (làm từ ô-xít kim loại): Loại cảm biến màng mỏng làm từ VO (Tri-ơ-xít Vonfam), dùng chủ yếu phát khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ơ-xít thiếc (SnO2), loại khơng có tính chọn lọc thường dùng để phát thay đổi lớn lượng khí độc khí cháy a Loại màng dày (SnO2) Loại thường cấu tạo cách nung kết ơ-xít thiếc lên điện cực gốm Điện cực mặt phẳng với sợi nung mặt lại dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.1) Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) Loại có chế phát khí độc phức tạp Nó có kết hợp các phản ứng bề mặt cảm biến gồm hấp thụ khí Khi khơng cấp nguồn, khí độc bám vào bề mặt dễ dàng hậu cảm biến phải nhiều thời gian để ổn định lại trạng thái ban đầu, điều xảy cảm biến bị cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp thời gian ngắn Khi cảm”biến phát có khí ga, điện trở lớp ơ-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi điện trở khơng tuyến tính với nồng độ khí, cần phải tuyến tính hố Cảm biến loại dễ bị ảnh hưởng độ ẩm ô-xy Với lượng nhỏ độ ẩm ô-xy gây ổn định cho cảm biến, chí dừng làm việc điều kiện làm việc bình thường phục hồi”trở lại b Loại màng mỏng (VO3) Loại cấu tạo vật liệu không dẫn điện gắn với hai nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ơ-xít kim loại gắn vào điện cực Các phận nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Bề mặt lớp ơ-xít kim loại bình thường hấp thụ ô-xy tạo trường điện từ đẩy electron khỏi bề mặt Khi có khí H 2S, đẩy ơ-xy (bằng cách chiếm chỗ phản ứng), từ giải phóng electron để dẫn điện, tức thay đổi độ dẫn điện chất bán dẫn Độ dẫn điện chất bán dẫn ô-xít kim loại nguồn tín hiệu c Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến bán dẫn Có yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính cảm biến mà người sử dụng cần biết để lựa chọn đánh giá cảm biến bán dẫn xác : (1) ơ-xít kim loại Vật liệu bán dẫn nhân tố ảnh hưởng đến tồn đặc tính cảm biến bán dẫn Thơng thường nhà sản xuất bổ sung thêm vật liệu phụ để gia tăng đặc tính chất bán dẫn, mục đích để ổn định nhiệt độ ơ-xít kim loại nhiệt độ làm việcntốt (2) nhiệt độ làm việc Nhiệt độ làm việc cảm biến bán dẫn ảnh hưởng nhiều đến đường đặc tính độ nhạy tín hiệu Chính mà nhà sản xuất mong muốn nhiệt độ làm việc cảm biến không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường xung quanh, từ đường đặc tính tín hiệu tuyến tính hố với độ xác cao (3) đặc tính hấp thụ khí Đặc tính hấp thụ khí ga ơ-xít bán dẫn yếu tố cần thiết để cảm biến loại đo nồng độ khí.Với lượng nhỏ bị hấp thụ vật liệu xung quanh, vật liệu chế tạo cảm biến cần phải lựa chọn kỹ Khả hấp thụ khí độc nước mạnh, nước ngưng tụ bám vào lỗ phận chống lửa làm tác dụng cảm biến Biện pháp hữu hiệu cung cấp nguồn lượng đủ cho cảm biến làm việc để hạn chế ảnh hưởng độ ẩm ngăn chặn nước ngưng tụ phận chống lửa cảm biến (4) độ”ẩm (5) nhiệt độ mơi trường (6) q trình hoạt động cảm biến Nhiều cảm biến loại hoạt động không ổn định không cấp nguồn mơi trường có độ ẩm cao khoảng thời gian ngắn Các nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 trước cảm biến hoạt động thức hiệu chỉnh”cảm biến 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế Hình 1.2 Cảm biến điện cực đo khí NH3 CY8C29566 - Khối điều khiển ngắt: có tác dụng xử lý yêu cầu ngắt trường hợp cần thiết - Khối điều khiển I2C: tác dụng giúp cho vxl PSoC giao tiếp với phần cứng khác theo chuẩn I2C - Khối tạo điện áp tham chiếu: cần thiết cho thành phần analog nằm bên khối tương tự, có khả lập trình - Bộ nhân tổng MAC: tác dụng thực phép nhân có dấu - Hệ thống SMP: sử dụng phần chuyển đổi điện áp Ví dụ, cung cấp công suất cho vi điều khiển hoạt động pin 1,5V Chương TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO 3.1 Triển khai thiết bị đo Dựa vào linh kiện chọn ta triển khai thiết kế thiết bị sau: 3.1.1 Khối hiển thị Kết đo hiển thị hình LCD thiết bị đo LCD LCD16x2 LCD K 16 A 15 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 D1 D0 E R/W RS V0 VDD VSS P4_2 P4_3 P4_0 P4_1 P4_6 P4_4 P4_5 V0 GND VCC VCC 1K GND R1 V0 RV ON LCD VCC GND MAN HINH LCD Hình 3.1 Sơ đồ nối hình LCD 3.1.2 Khối lưu trữ MMC Do PSoC hỗ trợ chuẩn giao tiếp với thẻ nhớ MMC nên vấn đề thực dễ dàng Dữ liệu lưu vào thẻ nhớ dạng FAT32 hoàn tồn truy xuất thiết bị khác hỗ trợ chuẩn FAT32 Chức chống ghi (Write Protect) phát thẻ (Card Detect) PSoC hỗ trợ cách đầy đủ C10 VCC GND 104 GND VCC MISO1 MOSI1 SCK1 CS1 MMC Header THE NHO MMC Hình 3.2 Giao diện thẻ MMC mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với PSoC 3.1.3 Truyền thơng máy tính Chuẩn truyền thơng thiết bị máy tính lựa chọn chuẩn USB USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối có dây máy tính USB sử dụng với mục đích để kết nối thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính Thiết bị sử dụng IC driver PL2302 để đồng chuẩn UART tích hợp vi xử lý PSoC với chuẩn USB Hình 3.3 Khối USB 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) Thiết bị sử dụng chip đồng hồ thời gian thực (RTC - Real-time clock) IC DS1307 Chip có ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong tuần), ngày, tháng, năm VCC C1 R2 R3 4K7 4K7 SCL_I2C SDA_I2C CX1 CX2 32K 104 VCC U1 GND GND SCL SDA X1 X2 VCC VBAT SQW/OUT GND VCC BT 7Battery3.3V GND DS1307 GND Khoi t hoi gian t huc Hình 3.4 Khối thời gian thực 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo SDA 18 SCL 16 MOSI_PSOC 19 MISO_PSOC15 IN6 20 CSN_PSOC 14 IN5 21 K1 13 GND GND 17 XRES SMP P1(0)/XTALout/SDA P1(1)/XTALin/SCL P1(2) P1(3) P1(4)/EXTCLK P1(5)/SDA P1(6) P1(7)/SCL Vss LED SCK1 SCL_I2C MOSI1 SDA_I2C MISO1 LED R9 P4(0) P4(7) P4(2) P4(5) P4(4) P4(3) P4(6) P4(1) 31 32 33 34 44 GND P3(0) P3(1) P3(2) P3(3) P3(4) P3(5) P3(6) P3(7) CS1 C18 104 C17 104 26 P2(0) P2(1) P2(2) P2(3) P2(4)/EXT AGND P2(5) P2(6)/EXT VREF P2(7) XRES CY8C29566-24AXI U3 Vdd P0(0) P0(1) P0(2) P0(3) P0(4) P0(5) P0(6) P0(7) VCC VCC 39 DATA SCK 35 43 36 42 37 41 38 40 IN1 V2 IN2 V1 IN3 VCC 470R P4 VCC GND GND XRES SCL SDA Programming KHOI VI XU LY TRUNG TAM Hình 3.5 Khối vi xử lý trung tâm PSoC 22 12 23 11 24 10 25 IN4 K2 RXD K3 RE/DE K4 TXD K5 27 28 29 30 P4_0 P4_2 P4_5 P4_4 P4_3 P4_6 P4_1 C10 VCC C1 VCC GND 104 VCC VCC GND 104 R2 R3 4K7 4K7 SCL_I2C SDA_I2C CX1 CX2 GND MMC VCC MISO1 MOSI1 SCK1 CS1 32K U1 SCL SDA X1 X2 VCC VBAT SQW/OUT VCC BT 7Battery3.3V IN_SS IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 GND Header GND DS1307 Header GND GND THE NHO MMC LCD GND Sensor Khoi t hoi gian t huc LCD16x2 U2 RXD LCD 10 11 12 13 14 VCC TXD C2 104GND K 16 A 15 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 D1 D0 E R/W RS V0 VDD VSS P4_3 P4_2 P4_1 P4_0 P4_4 P4_6 P4_5 V0 VCC GND VCC GND 1K C9 TXD DTR_N RST_N VCCIO RXD RI_N GND NC DSR_N DCD_N CTS_N SHTD_N EE_CLK EE_DATA OSC2 OSC1 PLL_TEST AGND NC GP1 GP0 GND VCC NC GND VO_33 USBDM USBDP GND GND C6 C4 22p GND 104 R4 GND V33 DM DP R5 R6 27R 27R 1K5 C8 C7 104 Tu Tantalum 1uF GND USB_COM V0 C3 22p GND VCC_PC Tu Tantalum 1uF RV 12MHz Y1 GND PL2303HX VCC_PC R1 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 VCC_PC USBUSB+ ON LCD VCC GND GND Header 4Hien GND KHèI USB MAN HINH LCD VCC P1(0)/XTALout/SDA P1(1)/XTALin/SCL P1(2) P1(3) P1(4)/EXTCLK P1(5)/SDA P1(6) P1(7)/SCL Vss LED R9 470R VCC P2(7) 44 CS1 P2(6)/EXT VREF 34 P2(5) MISO1 P2(4)/EXT AGND 33 SDA_I2C P2(3) MOSI1 P2(2) 32 SCL_I2C P2(1) SCK1 P2(0) 31 LED GND 27 28 29 30 IN4 K2 RXD K3 RE/DE K4 TXD K5 LM2576_(dan) T1 24V C12 10uF FEEDBACK IN GND OUT ON/OFF VCC L1 Cuon cam (dan) D1 100mH 3A XRES SCL SDA P4_2 P4_5 P4_4 P4_3 P4_6 P4_1 GND 24V DC 2M GND Header - M VCC R8 NGUON CUNG CAP Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị đo 470R Programming KHOI VI XU LY TRUNG TAM C11 10uF P4_0 P4 GND GND P4(0) P4(7) P4(2) P4(5) P4(4) P4(3) P4(6) P4(1) 22 12 23 11 24 10 25 17 XRES SMP P3(0) P3(1) P3(2) P3(3) P3(4) P3(5) P3(6) P3(7) GND GND Vdd SDA 18 SCL 16 MOSI_PSOC 19 MISO_PSOC15 IN6 20 CSN_PSOC 14 IN5 21 K1 13 C18 104 C17 104 26 P0(7) P0(6) P0(5) P0(4) P0(3) P0(2) P0(1) P0(0) XRES 39 SCK 40 DATA38 41 37 42 36 43 35 IN3 V1 IN2 V2 IN1 VCC VCC CY8C29566-24AXI U3 GND 3.1.6 Lưu đồ thuật tốn Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán - Bắt đầu”ta khởi tạo khối chức năng: Khối sensor, khối thời gian thực, khối thẻ nhớ MMC, khối truyền thông thiết bị máy tính, khối vi xử lý trung tâm, khối hình LCD Tiếp lúc ta cho trường hợp (TH) = 1, với khởi tạo khối ADC vi xử lý để chuyển tín hiệu sau chuẩn hóa thành tín hiệu số Và đọc liệu từ thẻ nhớ MMC - Lúc bật máy (tức cấp nguồn cho thiết bị) ta mặc định cho TH=1, thiết bị đọc giá trị nồng độ đo khí NH đưa kết lên hình LCD - Ta cài đặt thời gian lặp lại phút phút đọc lại giá trị hiển thị lên LCD lần đồng thời lưu kết vào thẻ nhớ SD Nếu sai sau lại ban đầu kiểm tra xem TH = không? - Khi báo ngắt UART báo cho CPU để tạm dừng chương trình hoạt động xử lý ngắt lúc máy tính kiểm tra giá trị biến TH tương ứng lệnh với lệnh điều khiển - Với Trường hợp TH = t reset lại thẻ nhớ MMC, STT =1 lúc TH =1 (Ở ta chia thẻ nhớ ngăn nhổ STT, sau chạy ta lưu dữu liệu vào STT+1) - Nếu sai lúc kiểm tra biến TH = khơng? Nếu chương trình cho hiển thị liệu lên PC - Cuối kiểm tra trường hợp TH = 4, ta đọc liệu từ thẻ nhớ MMC lên PC để giám sát Nếu sai tiếp tục quay lại ban đầu kiểm tra”TH 3.1.7 Sơ đồ mạch in Hình 3.8a Mặt mạch in Hình 3.8b Mặt mạch in 3.1.8 Thiết bị sau thi cơng đóng hộp Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị 3.2 Phần mềm PC để tải liệu giám sát thơng số nồng độ khí NH3 Giao diện kết nối máy tính với thiết bị thơng qua chuẩn USB Toàn thao tác phần mềm giao diện hình 3.9, thể hình 3.10 Hình 3.10 Hình ảnh giao diện phần mềm PC Giao diện chia làm khối sau: Ví dụ: Hình 3.11 Khối chọn file sở liệu, định dạng Excel - Khối II: Khối hiển thị thơng báo qua trình vận hành Hình 3.12 Khối hiển thị online thơng số Giới thiệu: Hình 3.13 Khối kết nối với thẻ nhớ MMC thiết bị - Khối V: Khối điều khiển - V.1: Nút Connect- lệnh kêt nối với thiết bị qua cổng USB - V.2: Nút Exit- Thoát khỏi giao diện - V.3: Nút STT=1- Reset MMC Kết đọc liệu từ thiết bị lên máy tính dạng file Microsoft Excel bảng 3.1 Bảng 3.1: Kết nồng độ khí đo Kết đo được hiển thị bảng liệu Excel (Bảng 3.1) bao gồm: Số thứ tự lần đo, ngày, tháng, năm, đo nồng độ khí NH3 (ppm) ... vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan cảm biến đo khí, cảm biến MQ 135, nguyên lí hoạt động cấu tạo Nghiên cứu khối từ xây dựng mạch phần cứng Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sơ đồ, đặc tính cảm. .. tính cảm biến MQ 135 từ dùng vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn Thiết kế thiết bị đo có khả đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên hình LCD, trao đổi tín với máy tính, lưu... 2.2.1 Cảm biến Do MQ1 35 loại cảm biến hoạt động dựa nguyên lý cảm biến bán dẫn, có tính dễ sử dụng, giá thành rẻ, nên em chọn cảm biến 1 Cấu tạo cảm biến MQ1 35 Hình 2.2 Hình ảnh cảm biến MQ1 35 đo