ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, cùng với sự phát triển dân số và gia tăng nhanh của các phương tiện giao thông, đặc biệt là ở Việt Nam tỉ lệ lưu thông xe gắn máy, các xe cơ giới và xe thô sơ là rất cao. Ở các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội, hầu như ngày nào cũng có một lượng xe đông đúc lưu thông trên đường thì vấn đề ô nhiễm không khí là cực kì nghiêm trọng. Vấn đề này không chỉ ảnh hưởng tới môi trường mà nó còn tác động trực tiếp đến sức khỏe con người. Vì vậy, con người cần có một giải pháp để biết được các yếu tố đó tác động ở mức độ như thế nào để chủ động phòng tránh và hạn chế gây ra tác động xấu đến môi trường.
Có nhiều bài nghiên cứu của sinh viên và các luận văn thạc sĩ làm về vấn đề môi trường. Chẳng hạn, luận văn của Trịnh Minh Phương nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ứng dụng IoT cho giám sát môi trường”, sử dụng Raspberry Pi giao tiếp với cảm biến ánh sáng BH1750, DHT22. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để đọc dữ liệu từ cảm biến ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm sau đó hiển thị lên Web. Hay một luận văn khác của thạc sĩ Nguyễn Văn Long “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo ô nhiễm không khí (PM10, SOx, NOx)”, sử dụng các module cảm biến để đo đạc và tính toán chỉ số chất lượng không khí AQI theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Với mong muốn tìm ra một giải pháp thiết kế đo lường chất lượng không khí, liên tục theo dõi và cảnh báo cho người dùng nồng độ các chất ô nhiễm không khí, nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống đo và cảnh báo nồng độ các thông số môi trƣờng (CO, CO2, bụi mịn và tia UV). Hệ thống được thiết kế với kích thước nhỏ, có thể dễ dàng lắp đặt ở bất kì vị trí nào để theo dõi chất lượng không khí. Các cảm biến đo đạc có chi phí thấp và được bán phổ biến trên thị trường như cảm biến CO, PM2. Bên cạnh đó, hệ thống cho phép giao tiếp với nhiều dòng cảm biến khác nhau và hiển thị thông báo cho người dùng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 do an CHƢƠNG 1. MỤC TIÊU Thiết kế và thi công hệ thống đo và cảnh báo nồng độ bụi, CO2, CO và tia UV trong không khí khi vượt ngưỡng cho phép.Viết web tạo giao diện hiển thị thông tin về nồng độ bụi, CO2, CO và tia UV. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công hệ thống đo và cảnh báo nồng độ các thông số môi trường (Bụi mịn, CO2, CO và tia UV), nhóm chúng em đã tập trung giải quyết và hoàn thành được những nội dung sau: - Nội dung 1: Kết nối STM32F1 với cảm biến bụi mịn, cảm biến CO và cảm biến tia UV. - Nội dung 2: Kết nối STM32F1 với SIM808 để lấy dữ liệu GPS và gửi dữ liệu lên Firebase bằng GPRS.
- Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng Web giao tiếp với hệ thống để hiển thị nồng độ các khí. - Nội dung 4: Thiết kế mô hình hệ thống. - Nội dung 5: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống. - Nội dung 6: Viết báo cáo thực hiện.
- Nội dung 7: Bảo vệ luận văn. GIỚI HẠN - Hệ thống chỉ đo nồng độ và cảnh báo bụi, CO2, CO và tia UV và hiển thị lên web. - Phát hiện và cảnh báo nồng độ CO2 dựa trên tín hiệu giả lập. BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng quan Chương này trình bày dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Nền tảng lý thuyết quan trọng được trình bày trong chương này, dựa vào đó để tính toán và thiết kế mạch thực tế, bao gồm giới thiệu các cảm biến được sử dụng và phần mềm thiết kế, lập trình cho hệ thống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán Chương này trình bày cụ thể cách tính toán số liệu đo được từ khối cảm biến, tính toán khối nguồn và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch cho hệ thống đo nồng độ và cảnh báo các thông số môi trường. Chƣơng 4: Thi công hệ thống Nội dung chương này sẽ trình bày tóm tắt từng bước quá trình thi công hệ thống và hoàn thành mô hình.
Chƣơng 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá Sau khi hoàn thành việc thi công, chương này sẽ trình bày kết quả nghiên cứu và từ đó rút ra nhận xét và đánh giá. Chƣơng 6: Kết luận và hướng phát triển Nội dung chương 6 sẽ nêu rõ nhóm có hoàn thành mục tiêu ban đầu đã đề ra hay không, nếu không hoàn thành thì tìm hiểu nguyên nhân. Hướng phát triển của đề tài sau này. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2. Tổng quan về CO CO (hay còn gọi Cacbon mônôxít), là chất khí không màu, không mùi, không vị, nặng hơn không khí, nên hay lắng đọng dưới mặt đất hay các hố sâu. Là sản phẩm trong sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon như xăng, dầu, gỗ.
Cacbon mônôxít có độc tính cao, cực kỳ nguy hiểm với sức khỏe con người. Nếu hít một lượng lớn sẽ gây thương tổn cho cơ thể. Chính vì thế việc giám sát khí CO rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe người lao động, đặc biệt những nơi làm việc kín như hầm lò, nhà máy. Cách nhận biết Cảm biến khi phát hiện ra khí CO sẽ chuyển thành điện áp đưa ra chân ngõ ra của cảm biến.
Cảm biến MQ - 7 a. Thông số kỹ thuật Bảng 2. Thông số kỹ thuật MQ7. Ký hiệu Tên thông số Điều kiện kỹ thuật VC Điện áp nguồn 5V ± 0.1 VH (H) Điện áp gia nhiệt (mức 5V ± 0.1 cao) VH (L) Điện áp gia nhiệt (mức 1.1 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT thấp) RL Điện trở tải Có thể tùy chỉnh (Thường dùng 10kΩ) C Trở kháng làm nóng 33Ω ± 5% TH (H) Thời gian gia nhiệt 90 ± 1 seconds (mức cao) TH (L) Thời gian gia nhiệt 90 ± 1 seconds (mức thấp) PH Công suất sợi đốt ~350mW RS Điện trở cảm biến 2- 20 KΩ t Nhiệt độ làm việc -20 ± 2 ˚C h Độ ẩm 65% ± 5% tpreheat Thời gian làm nóng sơ >= 48h bộ Mạch đo của cảm biến MQ7 chia làm 2 thành phần: - Mạch sấy có chức năng điều khiển thời gian (điện áp cao và điện áp thấp làm việc luân phiên) - Mạch tín hiệu ngõ ra dùng để phản hồi những thay đổi điện trở bề mặt (R S) của cảm biến. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Sơ đồ mạch đo thông số điện áp của cảm biến MQ7.
- RO: điện trở cảm biến ở 100ppm CO trong môi trường khí sạch. - RS: điện trở cảm biến ở các mật độ khí khác nhau. Đường cong đặc tính độ nhạy của cảm biến MQ7 với một số khí gas. Với nồng độ khí 100ppm CO, giá trị điện trở tải (RL) khoảng 10kΩ (5kΩ ÷ 47kΩ).
- RO: Điện trở cảm biến ở 100ppm CO trong môi trường khí 33%RH và 200C. - RS: Điện trở cảm biến ở các nhiệt độ và độ ẩm khác nhau. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cảm biến MQ7 với nhiệt độ và độ ẩm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lớp cảm ứng của cảm biến CO được chế tạo từ SnO2 với tính ổn định. Điều này làm cho cảm biến có độ ổn định trong thời gian dài, tuổi thọ lên tới 5 năm. Cảm biến MQ7. Chân Kết nối VCC 2.5 – 5V GND Nối đất AOUT Kết nối chân digital của vi điều khiển DOUT Kết nối chân analog của vi điều khiển c.
Nguyên lý hoạt động Sự thay đổi tín hiệu ngõ ra RL của cảm biến MQ7. Tín hiệu ngõ ra RL. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Biểu đồ trên biểu thị sự thay đổi tín hiệu ngõ ra RL khi cảm biến chuyển từ không khí sạch sang khí Cacbon Monoxit (CO).
Việc đo tín hiệu ngõ ra được thực hiện trong một hoặc hai khoảng thời gian làm nóng hoàn toàn (2.5 phút từ điện áp cao sang điện áp thấp). Để có được giá trị đo đáng tin cậy, các cảm biến cần có một thời gian sấy sơ bộ trước khi tiến hành đọc kết quả, thời gian sấy sơ bộ là thời gian phải vượt qua trước khi cấp nguồn, thời gian đó phụ thuộc vào từng cảm biến, thường kéo dài vài giờ. Với cảm biến MQ-7, phép đo muốn chính xác cảm biến phải được gia nhiệt theo các chu kỳ nhiệt độ cao và thấp. Trong giai đoạn nhiệt độ thấp, CO được hấp thụ trên phần tử cảm biến, tạo ra dữ liệu có ý nghĩa.
Trong giai đoạn nhiệt độ cao, CO và các hợp chất khác hấp thụ trên bề mặt sẽ được làm bay hơi khỏi bề mặt cảm biến, làm sạch nó cho lần đo tiếp theo. Do đó, một chu kỳ đọc dữ liệu từ cảm biến sẽ trải qua hai giai đoạn: - Cấp nguồn 5V cho sợi đốt trong thời gian 60s để làm sạch cảm biến.4V cho sợi đốt trong 90s. - Tiến hành đọc kết quả nồng độ CO sau 2 chu kì để có kết quả đo chính xác. Tổng quan về bụi PM2.5 là các hạt mịn có đường kính nhỏ hơn hoặc bằng 2.5µm được tìm thấy trong khói và sương mù.
Nguồn phát thải PM2.5 có thể là khói từ các vụ cháy rừng, khí thải từ các nhà máy điện, các ngành công nghiệp và ô tô, khí thải từ động cơ diesel của các phương tiện giao thông.5 có thể đi sâu vào phần sâu nhất (phế nang) của phổi, nơi trao đổi khí xảy ra giữa không khí và máu. Đây là những hạt nguy hiểm nhất vì phần phế nang của phổi không có phương tiện hiệu quả để loại bỏ chúng và nếu các hạt tan trong nước, chúng có thể đi vào máu trong vòng vài phút. Nếu chúng không hòa tan trong nước, chúng vẫn tồn tại trong phế nang phổi trong một thời gian dài.