CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Đối tượng và mục tiêu 1. Đối tượng Trong nghiên cứu này, chúng em sẽ tập trung thiết kế và chế tạo một mạch đo cho phép thu thập dữ liệu và xác định nồng độ CO, cả nhiệt độ và độ ẩm có thể ứng dụng trong xe ô tô, hoặc khu vực nhà để xe, hầm chui và những nơi có lưu lượng người tham gia giao thông đông dễ ùn tắc. Dữ liệu sẽ được hiển thị trên màn hình LCD cho phép giúp người sử dụng có thể kịp thời nhận biết các thông số đo được và có các biện pháp xử lý an toàn.
Tối ưu sản phẩm và ứng dụng. 1 Mô hình khối hệ thống giám sát chất lượng không khí 1. Mục tiêu - Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của vi điều khiển ESP32. - Hiểu được cách thức và hoạt động của các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến đo khí độc.
- Thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm Altium. 15 - Hoàn thiện mạch đo giúp nhận biết và đo khí độc hại CO, nhiệt độ và độ ẩm trong nhà kho tầng hầm, cống lớn, nhà máy hóa chất, nhà máy xử lý chất thải, bãi rác ở khu dân cư, nơi có lưu lượng giao thông ùn tắc cao như hầm xe, ngã ba, tư. - Xây dựng (lập trình vi điều khiển) một hệ cảm biến khí có cảnh báo khí khi vượt ngưỡng cho phép an toàn. - Thiết kế chế tạo hệ quan trắc đa cảm biến khí để đo nồng độ khí CO.
Nội dung nghiên cứu - Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống gồm: mạch cảm biến khí MICS-4514, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11, mạch điều khiển sử dụng ESP32. - Lập trình đo và thu thập dữ liệu từ các cảm biến qua chip vi điều khiển. - Lập trình cảnh báo khi có thông số vượt ngưỡng an toàn. - Đánh giá sản phẩm hoàn thành với một số tiêu chí đề ra.
Phương pháp nghiên cứu - Thu thập, tham khảo và phân tích các tài liệu về các lĩnh vực, đề tài nghiên cứu liên quan, và các linh kiện thiết bị được sử dụng. - Nghiên cứu, thiết kế mạch nguyên lý và xây dựng mạch cứng của hệ đo sử dụng các phần mềm chuyên ngành. - Tìm hiểu về kỹ thuật lập trình, xây dựng giải thuật và áp dụng các phần mềm lập trình thông dụng. Khả năng ứng dụng của đề tài Đề tài này mang lại sự an toàn cho người dùng bởi vì hiện nay ở những nơi đông dân cư vấn đề ô nhiễm môi trường là rất lớn và chúng ta không thể để nhận biết khí CO thông qua khứu giác thông thường.
Vậy nên ứng dụng của đề tài này là tạo ra được một thiết bị đo và hiển thị cho người dùng biết được lượng khí độc trong không khí để có biện pháp bảo vệ kịp thời, tránh khỏi những tai nạn không đáng có về khí CO.3 Đánh giá tổng quan Hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trường không khí tại Việt Nam ngày càng trở nên nghiêm trọng, do ảnh hưởng từ nhiều nguồn như khí độc, khí gây 16 hiệu ứng nhà kính, khí gây cháy nổ, bụi mịn, và nhiều yếu tố khác. Các ngành công nghiệp lớn như nhiệt điện, xi măng, sắt - thép, gốm - sứ, xe cơ giới vẫn tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu đốt cháy, gây ra lượng khí phát thải đáng kể vào môi trường. Để giải quyết vấn đề này, Việt Nam có các cơ sở pháp lý chặt chẽ, buộc các doanh nghiệp phải tập trung vào hạn chế phát thải và xử lý vấn đề ô nhiễm môi trường. Các hệ thống quan trắc môi trường đang được triển khai rộng rãi để giám sát và cảnh báo về mức độ ô nhiễm khí, khả năng gây độc hại và cháy nổ, cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Các thiết bị này được sử dụng ở các thành phố lớn và khu công nghiệp. Trong ngành công nghiệp, quá trình đốt cháy nhiên liệu thường không đạt trạng thái tối ưu, dẫn đến tiêu thụ lớn nhiên liệu, tăng phát thải khí độc hại và ảnh hưởng xấu đến môi trường. Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu là một vấn đề quan trọng. Các ứng dụng cho các cảm biến khí tại Việt Nam mới chỉ ở giai đoạn ban đầu, tạo ra cơ hội cho các đơn vị nghiên cứu trong nước phát triển công nghệ và ứng dụng trong lĩnh vực này.
17 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 2.1 Khái quát chung về vi điều khiển ESP32 ESP32 là một vi điều khiển tích hợp trên một vi mạch có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít và hỗ trợ cả kết nối WiFi và Bluetooth dual - mode (Bluetooth chế độ kép). Nó tiếp tục tradtion từ SOC ESP8266 và cung cấp cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của Tensilica, được tích hợp với khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth. Một trong những điểm mạnh của ESP32 là sự tích hợp của các thành phần RF, bao gồm bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc anten, bộ lọc và balun RF. Điều này giúp giảm thiểu cần phải sử dụng nhiều linh kiện bên ngoài trong quá trình thiết kế phần cứng xung quanh ESP32.
Một điều quan trọng khác là ESP32 được sản xuất bằng công nghệ công suất cực thấp 40nm của TSMC. Điều này làm cho việc thiết kế ứng dụng yêu cầu năng lượng thấp, chẳng hạn như thiết bị đeo, thiết bị âm thanh, đồng hồ thông minh, trở nên dễ dàng hơn và cung cấp hiệu suất tốt với tài nguyên năng lượng giới hạn. Nhờ vào những đặc điểm này, ESP32 trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng IoT và thiết bị di động đòi hỏi hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. 1 Vi điều khiển ESP32 18 Ứng dụng Module này được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điêu khiển thiết bị thông qua kết nối WiFi và Bluetooth.
Nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, quản lý mạng lưới cảm biến, mã hóa hoặc xử lý âm thanh, thậm chí cả xử lý tín hiệu Analog-Digital trong các ứng dụng phát nhạc hoặc phát các file MP3. Ngoài ra, module cũng có thể được tích hợp vào các thiết bị điện tử như đồng hồ thông minh. 2 Ứng dụng của ESP32 2.2 Cảm biến khí MiCS-4514 Cảm biến khí MICS-4514 là một loại cảm biến khí dùng để đo nồng độ các loại khí độc hại trong môi trường. Đặc điểm chính của cảm biến này là có khả năng đo đồng thời nồng độ khí Carbon Monoxide (CO) và khí Nitrogen Dioxide (NO2).
Cảm biến MICS-4514 hoạt động dựa trên nguyên tắc của điện hóa hóa học. Nó sử dụng hai điện cực cho mỗi loại khí để phản ứng với các phân tử của khí trong không khí. Khi có sự tương tác giữa các phân tử khí và các điện cực, cảm biến sẽ tạo ra một tín hiệu điện trở hoặc điện áp thay đổi, từ đó cho phép đo lường nồng độ của các khí đó, thường được sử dụng trong các ứng dụng như hệ thống cảnh báo khí độc, giám sát chất lượng không khí trong nhà, hệ thống an ninh và an toàn, và trong các ứng dụng công nghiệp. 3 Cảm biến khí MICS-4514 Thông số kỹ thuật: Bảng 2.
1 Thông số kỹ thuật của cảm biến khí MICS-4514 Đặc tính sản phẩm Thuộc tính giá trị Nhà sản xuất Amphenol Danh mục sản phẩm Cảm biến chất lượng không khí Loại Gas Sensor Loại cảm biến Carbon monoxide(CO) Nhiệt độ làm việc tối đa +85 C Nhiệt độ làm việc tối thiểu - 30 C Nhãn hiệu Amphenl SGX Sensortech Định mức dòng 32mA Kiểu gắn SMD/SMT Loại sản phẩm Air Quality Sensors Danh mục phụ Sensors Điện áp cấp nguồn – Tối đa 5.1V Điện áp cấp nguồn – Tối thiểu 4.9V Đơn vị khối lượng 4.087g 20 Dải đo khí có thể phát hiện được Bảng 2. 2 Dải khí đo được của MICS-4514 Loại khí Ký hiệu Dải đo Carbon monoxide CO 1 – 1000ppm Nitrogen dioxide NO2 0.05 – 10ppm Ethanol C2H5OH 10 – 500ppm Hydrogen H2 1 – 1000ppm Ammonia NH3 1 – 500ppm Methane CH4 >1000ppm 2.3 DHT11 DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm. Cảm biến này có khả năng dễ dàng giao tiếp với các bộ vi điều khiển như Arduino, Raspberry Pi,. để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức.
DHT11 chủ yếu là một cảm biến độ ẩm tương đối. Để đo độ ẩm của không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung. 4 Cảm biến DHT11 21 Bảng 2. 3 Thông số kỹ thuật của DHT11 Điện áp hoạt động 3V đến 5V Dòng hoạt động 2.5mA Đầu ra Dữ liệu nối tiếp Phạm vi nhiệt độ 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C Phạm vi độ ẩm 20% - 90% RH, sai số ±5%RH Kích thước 23 * 12 * 5 mm Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần) 2.4 Module chuyển đổi I2C cho LCD Module chuyển đổi I2C cho LCD mang lại lợi ích tiết kiệm chân kết nối với vi điều khiển.
Thay vì cần sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (bao gồm RS, EN, D7, D6, D5 và D4), module chuyển đổi này chỉ yêu cầu sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để thực hiện kết nối. Module cũng cung cấp khả năng điều chỉnh độ tương phản thông qua biến trở gắn trên bản mạch, giúp tối ưu hóa hiển thị trên LCD. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình kết nối giữa vi điều khiển và LCD, làm cho nó trở nên dễ dàng hơn cho người sử dụng. 5 Module chuyển đổi I2C 22 2.
Màn hình LCD 16x02 Màn hình LCD 16x02 màu xanh lá cây sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng chứa 16 ký tự. Màn hình này được biết đến với độ bền cao và rất phổ biến. Nó hỗ trợ nhiều mẫu và có thể dễ dàng tích hợp khi kèm theo mạch chuyển đổi I2C, giảm số lượng chân kết nối và làm cho quá trình sử dụng trở nên thuận tiện hơn. 4 Thông số kỹ thuật của LCD Điện áp hoạt động 5V Kích thước 80 x 36 x 12.5mm Dòng điện cấp nguồn 350uA - 600uA Nhiệt độ hoạt động - 30 - 75 độ C Trọng lượng 38g Hình 2.
6 Màn hình LCD 23 2.2 Ý tưởng thiết kế 2.1 Lập trình ESP32 với Arduino IDE Phần mềm Arduino giúp việc biên dịch mã trở nên dễ dàng, thậm chí cả người không có kiến thức kỹ thuật đặc biệt cũng có thể thực hiện được. Môi trường phát triển tích hợp (IDE) chủ yếu bao gồm hai thành phần cơ bản: Trình chỉnh sửa mã và Trình biên dịch.