Nghiên cứu tổng quan về cảm biến đo khí bán dẫn và cảm biến mq135 đo nồng độ khí NH3

Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ xít kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 Tri-ô-xít Vonfam,được dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua

LỜI CẢM ƠN

Trước khi vào nội dung đồ án Em xin chân thành cảm ơn đến côThS.Trần Thị Phương Thảo giảng viên trường Đại học Hàng Hải Việt Nam đãtận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện để hoàn thành

đồ án này Cùng toàn thể thầy cô khoa Điện-Điện tử đã tận tình giảng dạy, chỉbảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng và những kinh nghiệm quý báu chochúng em trong suốt thời gian học tại trường

Xin cảm ơn đến tất cả bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thờigian học tập cũng như thực hiện đồ án này

Và cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố

mẹ đã ủng hộ và tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án này

Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhưng do khả năng, kiến thức và thời gian cóhạn nên không thể tránh được những sai sót trong lúc thực hiện đồ, em kínhmong quý Thầy, Cô chỉ dẫn, giúp đỡ em để ngày càng hoàn thiện hơn kiến thứccủa mình và có thể tự tin bước vào cuộc sống với vốn kiến thức đã có được

Do thời gian làm đồ án có hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên khôngtránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của cácthầy cô giáo, cùng toàn thể các bạn sinh viên để quyển đồ án này của em đượchoàn thiện hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 1 tháng 5 năm 2016

Sinh viên

TRẦN TUẤN ANH

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Tuấn Anh – tác giả của đề tài “Thiết kế thiết bị đo nồng độ khí NH3

sử dụng cảm biến MQ135”, tôi xin cam đoan:

- Đồ án này là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

- Các thông tin trong đồ án là chính xác và trung thực, xuất phát từ quá trình nghiên cứu của bản thân tác giả.

- Người viết xin chịu trách nhiệm về những thông tin trong luận văn.

Hải Phòng, ngày 1 tháng 5 năm 2016

Sinh viên

Trần Tuấn Anh

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 1

1.Tổng quan về thiết bị đo nồng độ khí NH3 1

1.1 Đặc điểm khí NH3 (ammoniac) 1

1.2 Các thiết bị đo khí 2

1.2.1 Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí 2

1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 trong thực tế 5

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO 10

2.1 Yêu cầu công nghệ thiết bị đo và giám sát khí nồng độ khí NH3 10

2.2 Các khối chức năng 11

2.2.1 Cảm biến 11

2.2.2 Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực 19

2.2.3 Khối lưu trữ MMC 19

2.2.4 Truyền thông máy tính 20

2.2.5 Khối nguồn ổn áp 21

2.2.6 Khối xử lý trung tâm 22

Chương 3 TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO 26

3.1 Triển khai thiết bị đo 26

3.1.1 Khối hiển thị 26

3.1.2 Khối lưu trữ MMC 26

3.1.3 Truyền thông máy tính 27

3.1.4 Khối đồng bộ thời gian (Realtime) 29

3.1.5 Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo 29

3.1.6 Lưu đồ thuật toán 32

3.1.7 Sơ đồ mạch in 33

3.1.8 Thiết bị sau khi thi công và đóng hộp 34

3.2 Phần mềm trên PC để tải dữ liệu giám sát thông số nồng độ khí NH3 .35 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

Phụ lục 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) 3

Hình 1.2 Cảm biến điện cực đo khí NH 3 5

Hình 1.3.Máy dò khí k60 series 6

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật máy dò khí k60: 6

Hình 1.4 Cảm biến điện hóa Dragersensor EC 7

Hình 1.5 Máy dò khí rò rỉ GA-170 7

Hình 1.6 Máy đo khí cầm tay 8

Hình 1.7 Cảm biến đo và giám sát nồng độ khí 9

Hình 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo 10

Hình 2.2 Hình ảnh của cảm biến MQ135 đo nồng độ khí NH 3 12

Hình 2.3 Cấu trúc cảm biến MQ135 13

Hình 2.4 Đặc tính độ nhạy của cảm biến MQ135 đối với một số khí 15

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của MQ135 vào nhiệt độ và độ ẩm 15

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch MQ135 16

Hình 2.7 Màn hình LCD Hitachi 19

Hình 2.8 Chíp DS1307 19

Hình 2.9 Hình ảnh của thẻ nhớ MMC 20

Hình 2.10 Chuấn USB 20

Bảng 2.2 Sơ đồ chân LM2576 22

Hình 2.11 Khối nguồn ổn áp dùng LM2576 22

Hình 2.12 Vi xử lý trung tâm PSoC 23

Hình 2.13 Sơ cấu trúc của chíp PSoC1 và sơ đồ chân của chíp CY8C29566 24 Hình 3.1 Sơ đồ nối màn hình LCD 26

Hình 3.2 Giao diện của thẻ MMC và mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với PSoC 27

Hình 3.3 Khối USB 28

Hình 3.4 Khối thời gian thực 29

Hình 3.5 Khối vi xử lý trung tâm PSoC 30

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết bị đo 31

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán 32

Hình 3.8a Mặt trên của mạch in 33

Hình 3.8b Mặt dưới của mạch in 34

Hình 3.9 Hình ảnh của thiết bị 35

Hình 3.10 Hình ảnh giao diện phần mềm trên PC 35

Hình 3.11 Khối chọn file cơ sở dữ liệu, định dạng Excel 35

Hình 3.12 Khối hiển thị online các thông số 36

Hình 3.13 Khối kết nối với thẻ nhớ MMC của thiết bị 36

Bảng 3.1: Kết quả nồng độ khí đo được 37

1 LỜI NÓI ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đề ô nhiễm môi trường không khí trên thế giới và ở nước ta hiệnnay đang rất trầm trọng, nó có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống và sứckhỏe của con người, trong đó nồng độ khí NH3 là một trong các yếu tố rất quantrọng Nếu như nồng độ khí này vượt quá nồng độ cho phép có thể gây ngộ độc,rất nguy hiểm, gây bệnh đường hô hấp cho con người

Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế một thiết bị cầm tay đo, giám sát nồng

độ khí NH3 nhỏ gọn là rất cần thiết, đáp ứng được xu thế phát triển và bảo vệmôi trường theo theo tiêu chuẩn Tuy nhiên hiện nay các thiết bị đo này trên thịtrường hầu hết là các thiết bị nhập ngoại, giá thành cao, do đó việc nghiên cứuthiết kế thiết bị này có ý nghĩa trong thực tế

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị, với các yêu cầu sau:

- Đo và hiển thị kết quả nồng độ khí NH3 trên LCD và gửi kết quả đolên máy tính

- Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, thuận tiện thực hiện phép đo

- Đảm bảo độ chính xác của kết quả đo.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về cảm biến đo khí bán dẫn và cảm biến Mq135

4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu về đặc tính, sơ đồ ứng dụng của cảm biến Mq135 Từ đó dùng

vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Ý nghĩa khoa học của đề tài

Thiết kế thiết bị đo có khả năng đo và hiển thị kết quả đo trên LCD tạithiết bị và hiển thị kết quả lên máy tính bằng giao diện thiết kế, lưu trữ dữ liệu

để có thể

b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Thiết bị có thể được ứng dụng để đo và kiểm soát nồng độ khí NH3 tạicác trang trại nuôi gia súc, gia cầm, các nhà máy công nghiệp có khí thải

Chương 1 TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3

1 Tổng quan về thiết bị đo nồng độ khí NH3

1.1 Đặc điểm khí NH3 (ammoniac)

Trong môi trường lao động và sinh hoạt hàng ngày; con người có thểtiếp xúc với nhiều loại khí độc khác nhau, chúng có thể làm ảnh hưởng đến sứckhỏe kể cả tính mạng; trong đó nhiễm độc khí amoniac (NH3) ít khi được chú ý

để phòng ngừa Nếu không được phát hiện và xử lý kịp thời, nạn nhân sẽ bịnhững di chứng nguy hiểm và có khả năng dẫn đến tử vong nếu tiếp xúc vớinồng độ vượt quá mức cho phép

Các nhà khoa học cho rằng nồng độ khí NH3 cho phép trong không khí ởmôi trường sống chung quanh là 0,2 mg/m3, nếu vượt quá mức độ này chúng cóthể gây nên tình trạng nhiễm độc và nguy hiểm cho con người Đặc điểm khí

NH3 có thể tan dễ dàng ở trong nước để tạo thành dung dịch có tính kiềm mạnhgọi là amoni hydroxit (NH4OH) có thể gây kích ứng, phỏng Chúng cũng có thểđược nén dễ dàng dưới áp suất để thành dung dịch trong suốt, không màu Ởnhiệt độ cao khoảng 450 đến 500oC và ở nhiệt độ thấp hơn trong điều kiện có sựhiện diện của các kim loại như sắt, nicken, kẽm thì amoniac dễ bị phân hủythành khí hydro và nitơ Vì vậy những thùng chứa NH3 có thể bị nổ khi tiếp xúcvới nhiệt độ cao Trong công nghiệp, các nhà khoa học ghi nhận có khoảng 80%lượng NH3 được dùng để làm phân bón Đồng thời chúng cũng được sử dụng đểlàm khí làm lạnh, tinh khiết nước; sản xuất nhựa, chất nổ, vải, thuốc nhuộm vànhững loại hóa chất khác Ngoài ra, NH3 còn được phát hiện trong các loại dungdịch có tác dụng làm sạch

Để đo và kiểm soát nồng độ khí này, hiện nay trên thị trường có rấtnhiều loại cảm biến với những nguyên lý đo khác nhau Tuy nhiên cảm biến đokhí theo nguyên lý bán dẫn là được ứng dụng rộng rãi hơn cả, bời độ chính xáccũng như giá thành và tính năng sử dụng của chúng có ưu điểm hơn

Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ xít kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam),được dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xítthiếc (SnO2), loại này không có tính chọn lọc và thường được dùng để phát hiện

ô-sự thay đổi lớn lượng khí độc và khí cháy

a Loại màng dày (SnO2)

Loại này thường được cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một điệncực bằng gốm

Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại hoặc ở dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.1).

Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO 2 )

Cơ chế phát hiện khí ga loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khí độc Nó

là sự kết hợp các các phản ứng trên bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khí ga Khicảm biến không được cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hơn và hậu quả

là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra ngay cả khicảm biến bị mất cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn.Khi cảm biến phát hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệvới nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do

đó nó cần phải được tuyến tính hoá Cảm biến loại này dễ bị ảnh hưởng bởi độ

ẩm và ô-xy Với một lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn địnhcho cảm biến, thậm chí dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bìnhthường được phục hồi trở lại

b Loại màng mỏng (VO3)

Loại này được cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với haihoặc nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ô-xít kim loại được gắn vào giữa các điệncực Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp

Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra mộttrường điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy(bằng cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn

điện, tức nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn Độ dẫn điện của chất bándẫn ô-xít kim loại chính là nguồn tín hiệu.

c Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến bán dẫn

Có 6 yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của cảm biến mà người sử dụng nênbiết để lựa chọn và đánh giá cảm biến bán dẫn: (1) lựa chọn ô-xít kim loại, (2)nhiệt độ làm việc, (3) đặc tính hấp thụ khí, (4) độ ẩm, (5) nhiệt độ môi trường,(6) quá trình hoạt động của cảm biến

Vật liệu bán dẫn là một trong những nhân tố chính ảnh hưởng đến toàn

bộ đặc tính của cảm biến bán dẫn Thông thường các nhà sản xuất bổ sung thêmcác vật liệu phụ để gia tăng đặc tính của chất bán dẫn, mục đích là để ổn địnhnhiệt độ của ô-xít kim loại ở nhiệt độ làm việc tốt nhất

Nhiệt độ làm việc của cảm biến bán dẫn ảnh hưởng rất nhiều đến đườngđặc tính và độ nhạy của tín hiệu Chính vì thế mà các nhà sản xuất luôn mongmuốn nhiệt độ làm việc của cảm biến luôn không đổi không phụ thuộc vào nhiệt

độ môi trường xung quanh, từ đó đường đặc tính tín hiệu mới được tuyến tínhhoá với độ chính xác cao

Đặc tính hấp thụ khí ga của ô-xít bán dẫn là yếu tố cần thiết để cảm biếnloại này đo được nồng độ khí.Với lượng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệuxung quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải được lựa chọn kỹ càng.Khả năng hấp thụ khí độc của nước là rất mạnh, nước ngưng tụ bám vào các lỗcủa bộ phận chống lửa sẽ làm mất tác dụng của cảm biến Biện pháp hữu hiệunhất hiện giờ là cung cấp một nguồn năng lượng đủ cho cảm biến làm việc đểhạn chế ảnh hưởng của độ ẩm và ngăn chặn nước ngưng tụ và bộ phận chốnglửa của cảm biến

Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu khôngđược cấp nguồn ở môi trường có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn.Các nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48giờ trước khi cảm biến hoạt động chính thức hoặc hiệu chỉnh cảm biến

Hình 1.2 Cảm biến điện cực đo khí NH 3

Điện cực đo khí amoniac NH3 được dùng cho hệ thống phân tích chất

lượng không khí xung quanh - ETC 3000.

ETL 3000 là hệ thống thiết bị quan trắc môi trường không khí xungquanh dùng để đo các chất làm ô nhiễm không khí ở dạng nồng độ phần tỷ(ppb) Hệ thống này được dựa trên công nghệ mới về cảm biến màng rắn từ đócung cấp độ nhạy và độ chính xác cao.Kỹ thuật của cảm biến dựa vào các tế bàođiện hóa thông thường Thiết bị có khả năng đo: O3, CO và NO2 Và các cảmbiến khác C6H6, CH4, SO2, H2S, NH3 Ngoài ra thiết bị còn có thể tích hợp để đocác chỉ tiêu bụi tổng: TSP, PM10, PM2.5, PM1.0, tiếng ồn, và các thông số thờitiết như: tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, áp suất, bức xạ

Cảm biến công nghệ màng rắn là cảm biến dựa trên hiện tượng dẫn điệnxảy ra trên bề mặt chất bán dẫn nano oxid kim loại (có đường kính khoảng 30-50nm) tại khoảng nhiệt độ 200-400 C

* Ưu điểm:

- Hệ thống này đã tích hợp sẵn bộ datalogger (flash memory) để lưu trữ dữliệu và một modem GSM

- Chi phí để bảo dưỡng thấp, dễ dàng bảo trì và thay thế

- Khả năng tiêu thụ điện thấp, vì có thể sử dụng hoặc bình acqui hoặc pinnăng lượng mặt trời

- Tuổi thọ cảm biến cao khoảng trung bình 5-10 năm

- Trọng lượng nhỏ thuận tiện cho sử dụng

- Hoạt động đơn giản dễ dàng sử dụng

- Tuổi thọ lâu

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật máy dò khí k60:

Báo động lỗi: & Le;& Plusmn; 3%

Hình 1.4 Cảm biến điện hóa Dragersensor EC

- Có 4 cảm biến cho mỗi môđun điều khiển

- Giao diện than thiện với người dùng, dễ dàng cài đặt và vận hành

- Có thể dùng cho khí Cl2, SO2, NH3, H2S, O3, ClO2, H2, O2, NO, NO2,HCl

- Bao gồm 6 rơle báo động

- Màn hình LCD hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự

- Còi báo động 90dB và đèn LED cảnh báo nguy hiểm

- Pin dự bị tùy chọn, nguồn 12 giờ

Hình 1.6 Máy đo khí cầm tay

Hình 1.7 Cảm biến đo và giám sát nồng độ khí.

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO 2.1 Yêu cầu công nghệ thiết bị đo và giám sát khí nồng độ khí NH3

Căn cứ theo yêu cầu thực tế và đặc điểm của nồng độ khí NH3, thì thiết

bị đo phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Dải đo: 1 ÷ 100ppm NH3,

- Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, hiển thị trực tiếp nồng độ khí trênLCD, ngoài ra có thể kết nối với máy tính để hiển thị và lưu trữ kếtquả đo trên máy tính.…),

- Lưu trữ số liệu, truyền và trao đổi số liệu với bộ nhớ của thiết bị vàmáy tính,

- Thiết bị có thể chạy nguồn điện lưới hoặc pin

Với các yêu cầu trên ta đưa ra mô hình xây dựng thiết bị đo như hình 2.1:

Chuẩn hóa tín hiệu

Màn hình LCD

Máy tính

Hình 2.1 Sơ đồ khối của thiết bị đo

Cảm biến khí MQ135 cảm nhận thông tin đo từ môi trường đo, biến đạilượng khí NH3 thành đại lượng điện, tín hiệu sau cảm biến được đưa vào chuẩnhóa tín hiệu (CHTH), các bộ CHTH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (thường

là điện áp từ 0 đến 5V, hoặc dòng điện từ 4÷20mA), Tuy nhiên khi ta sử dụngcảm biến MQ135 thì tín hiệu đầu ra của cảm biến đã được chuẩn hóa dưới dạngtín hiệu điện áp từ 0÷5V, đưa tín hiệu vào bộ vi xử lý trung tâm là PSOC BộADC tích hợp sẵn trong vi xử lý trung tâm sẽ biến thành các tín hiệu số Sau đótính toán xử lý tín hiệu và cho kết quả đo dưới dạng nồng độ khí cần đo NH3

(ppm) Kết quả đo này được đưa hiển thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hayghi vào bộ nhớ ngoài (SD)

Chức năng chính của thiết bị

- Về màn hình LCD: Cần hiển thị thời gian (giờ, ngày, tháng, năm) và giá

trị đo NH3 nên có thể sử dụng các màn hình đơn giản với 2x16 ký tự

- Về khối lưu trữ: Để lưu trữ số liệu đo và thời gian gian đo với tần số 1lần/

phút ta cần dung lượng cho 1 lần ghi khoảng ~20 byte nên để lưu trữ 1 năm sốliệu ta cần khoảng 10MB Dung lượng này lớn hơn các bộ nhớ EEPROM thôngdụng nên ta có thể sử dụng các thẻ nhớ SD Các thẻ này có khả năng lưu trữđược dữ liệu lớn (có thể dễ dàng tới 4GB), tốc độ truy cập cao… dùng để lưu trữ

dữ liệu đo trong thời gian dài

- Về máy tính: máy tính để đọc, lưu trữ, giám sát dữ liệu đo thông qua giao

diện nên có thể sử dụng các máy tính cá nhân thông dụng

- Khối đồng bộ thời gian: Chuyên dùng để đồng bộ các kết quả đo với hệ

thống, với các thiết bị khác với thời gian thực nên ta có thể sử dụng các IC thờigian thực chuyên dụng

- Vi xử lý trung tâm: Cũng do yêu cầu về tính nhỏ gọn, đa chức năng, kết

nối được với các ngoại vi đã nêu trên nên ta lựa chọn khối xử lý trung tâm làPSoC Dòng vi xử lý này có khả năng sử dụng các khối Analog và Digital vớicấu hình lập trình mềm linh hoạt trong tài nguyên của PSoC sẽ giúp giảm bớtgánh nặng phần cứng phía bên ngoài vi xử lý PSoC có thư viện hỗ trợ hầu hếtcác khối chức năng quan trọng như ADC, giao tiếp SPI, giao tiếp UART, LCD

- Khối nguồn cung cấp: từ 9-30VDC, 1A

2.2 Các khối chức năng

2.2.1 Cảm biến

Do MQ135 là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý của cảm biến bán dẫn, có tính năng dễ sử dụng, giá thành rẻ, nên em đã chọn cảm biến này

1 Cấu tạo cảm biến MQ135

Hình 2.2 Hình ảnh của cảm biến MQ135 đo nồng độ khí NH 3

MQ135 là cảm biến khí do hãng Hanwei Sensor Đài Loan sản xuất,được

sử dụng để kiểm soát chất lượng không khí trong các tòa nhà, văn phòng, là loạicảm biến dựa trên nguyên lý độ dẫn điện (cảm biến bán dẫn) Vật liệu của cảmbiến là thiếc oxit (SnO2) có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Khi khí cầnphát hiện là các khí dễ cháy tồn tại, độ dẫn điện của cảm biến tăng cùng vớinồng độ khí Với mạch điện chuyển đổi đơn giản thực hiện việc chuyển đổi sựthay đổi độ dẫn điện của cảm biến tương ứng với nồng độ khí Cảm biến khíMQ135 có độ chính xác cao để phát hiện các khí NH3, Nox, rượu, Benzen,khói, CO2

- Đặc tính của cảm biến:

+ Khoảng đo rộng, phát hiện nhanh

+ Độ nhạy cao với NH3, Nox, benzen, khói và CO2

+ Tuổi thọ cao và chi phí thấp

+ Mạch điều khiển đơn giản

- Ứng dụng:

+ Phát hiện khí gas rò rỉ trong gia đình

+ Phát hiện các khí dễ cháy trong công nghiệp

+ Các máy phát hiện khí cầm tay

Hình 2.3 Cấu trúc cảm biến MQ135

1 Lớp nhạy khí vật liệu SnO2

2 Điện cực vật liệu Au

3 Dây điện cực vật liệu Pt

4 Cuộn gia nhiệt vật liệu hợp kim Ni-Cr

5 Ống gốm phủ Al2O3

6 Chống nổ bằng lưới thép 100 không gỉ (SUS316)

7 Vòng kẹp bằng đồng mạ niken

8 Đế bằng nhựa bakelite

9 Chân nối bằng đồng mạ niken

Cấu trúc của cảm biến MQ 135 được thể hiện như hình 2.2, cảm biếnđược tạo bởi một lớp rất mỏng Al2O3 phủ trên ống gốm, lớp thiếc oxit nhạy khí(SnO2), điện cực đo lường và bộ gia nhiệt được cố định vào một lớp vỏ làm bằngthép không gỉ và nhựa Bộ gia nhiệt cung cấp điều kiện làm việc cần thiết chocảm biến Cảm biến MQ 135 có 6 chân, 4 chân được dùng để lấy tín hiệu, 2chân còn lại sử dụng cho bộ sấy

2 Thông số kỹ thuật và đặc tính của MQ 135

- Thông số làm việc tiêu chuẩn:

+ Điện áp mạch VC = 5V0.1 (AC hoặc DC)

+ Điện áp bộ gia nhiệt VH = 5V0.1 (AC hoặc DC)

+ Điện trở tải RL = 20K

+ Điện trở bộ gia nhiệt RH = 33 (điều kiện nhiệt độ phòng)

+ Công suất bộ gia nhiệt PH ≤ 800mW

- Điều kiện môi trường:

+ Nhiệt độ sử dụng Tao từ -10C đến 45C

+ Nhiệt độ lưu trữ Tas từ -20C đến 70C

+ Độ ẩm môi trường nhỏ hơn 95%Rh

+ Nồng độ oxy là 21% (điều kiện chuẩn) Nồng độ oxy có thể ảnh hưởngđến độ nhạy của cảm biến

- Đặc tính độ nhạy của cảm biến:

Hình 2.4 Đặc tính độ nhạy của cảm biến MQ135 đối với một số khí

Hình 2.4 cho thấy sự phụ thuộc của MQ135 vào nhiệt độ và độ ẩm Trụctung thể hiện tỷ số (Rs/R0) của cảm biến, trục hoành thể hiện nhiệt độ môitrường Rs là điện trở của cảm biến ở 100 ppm khí NH3 dưới nhiệt độ và độ ẩmkhác nhau R0 là điện trở của cảm biến trong không khí ở nồng độ 100ppm NH3,nhiệt độ 20C, độ ẩm 33%RH

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của MQ135 vào nhiệt độ và độ ẩm

3 Mạch ứng dụng của MQ135

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch MQ135

Hình mạch nguyên lý cơ bản của cảm biến Cảm biến cần phải được cấp 2điện áp, điện áp bộ sấy (VH) và điện áp cung cấp (VC) VH sử dụng để cung cấpnhiệt độ làm việc của cảm biến, trong khi VC sử dụng để tạo điện áp (Vout) trênđiện trở tải (RL) khi nối tiếp với cảm biến VC và VH có thể sử dụng cùng mộtmạch nguồn để đảm bảo hiệu suất của cảm biến Để sử dụng cảm biến với hiệusuất tốt nhất, giá trị RL cần lựa chọn phù hợp nên chọn là 20K (dải điều chỉnh

từ 10K đến 47K)

Công suất của cảm biến: Ps=(VC)2 x Rs/(Rs+RL)2

Vì đặc tính của nhà sản xuất thiết bị cho Rs/Ro = f (ppm) dưới dạng log, vìvậy ta phải tính toán và vẽ lại đường đặc tính dưới dạng đường cong Vout = f(ppm), khi không xét đến sự ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ và độ ẩm, từhình 2.12 ta có:

Bằng phương pháp: Từ đường đặc tính Rs/R0 =f(ppm) của cảm biến trên hình gióng trục ta có tọa độ tương ứng như sau:

4 Những điều cần chú ý khi sử dụng cảm biến MQ135

- Không được tiếp xúc với hơi silicon hữu cơ: hơi này làm cho cảm biếnngưng hoạt động, cảm biến phải tránh tiếp xúc với các chất kết dính silicon, cao

su silic, nhựa có chứa silicon

- Không tiếp xúc với các khí ăn mòn cao: nếu cảm biến tiếp xúc với cáckhí ăn mòn nồng độ cao như H2S, SOx, Cl2, HCl…dẫn đến ăn mòn cấu trúc củacảm biến, nó cũng gây ra sự suy giảm độ nhạy

- Hiệu suất của cảm biến sẽ bị thay đổi nếu tiếp xúc với muối của cáckiềm loại kiềm hoặc tiếp xúc với các halogen như flo

- Độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm khi bị phun hay nhúng nước

- Tránh đóng băng bề mặt của cảm biến, nếu không sẽ mất độ nhạy củacảm biến

- Điện áp cung cấp cho cảm biến không được cao hơn giá trị quy định,nếu không sẽ gây giảm hay hỏng bộ gia nhiệt và thay đổi xấu đặc tính độ nhạy

- Cấp điện áp sai: đối với 6 chân của cảm biến nếu điện áp cấp trên chân1-3 hoặc 4-6 nó sẽ bị hỏng và không có tín hiệu khi cấp vào chân 2-4.

- Điều kiện trong nhà, ngưng tụ nước nhẹ sẽ ảnh hưởng nhỏ đến hiệu suấtcủa cảm biến Tuy nhiên nếu nước ngưng tụ trên bề mặt cảm biến một khoảngthời gian nhất định độ nhạy cảm biến sẽ giảm

- Nếu đặt cảm biến thời gian dài trong nồng độ khí quá cao sẽ ảnh hưởngđến đặc tính của cảm biến Không tiếp xúc thời gian dài với môi trường bất lợinhư nhiệt độ cao, độ ẩm cao, độ rung và chấn động lớn Khi lưu trữ và bảo quảnphải đúng cách Hàn cảm biến tốt nhất là hàn bằng tay và nhiệt độ hàn tốc độhàn phải đạt yêu cầu: chất hàn chứa ít clo, tốc độ hàn 1-2 m/phút, nhiệt độ mốihàn 25010C

2.2.2 Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực

Do chỉ cần nhu cầu hiển thị tối thiểu bằng các màn hình LCD văn bản nên

đồ án lựa chọn màn hình LCD của hãng Hitachi (2x16) là màn hình hiển thịthông dụng Hình 2.6 minh họa màn hình thực tế đã chọn

Hình 2.8 Chíp DS1307

2.2.3 Khối lưu trữ MMC

Do PSoC hỗ trợ chuẩn giao tiếp với thẻ nhớ MMC nên vấn đề này có thểđược thực hiện khá là dễ dàng Dữ liệu lưu vào trong thẻ nhớ dưới dạng FAT32cho nên hoàn toàn có thể truy xuất bằng các thiết bị khác hỗ trợ chuẩn FAT32

Chức năng chống ghi (Write Protect) và phát hiện ra thẻ (Card Detect) được

PSoC hỗ trợ một cách đầy đủ

Hình 2.9 Hình ảnh của thẻ nhớ MMC

2.2.4 Truyền thông máy tính

Chuẩn truyền thông giữa thiết bị và máy tính được lựa chọn là chuẩn USB.Chuẩn USB sử dụng 4 đường tín hiệu trong đó có 2 đường cấp nguồn DC(VBUS-5V và GND), 2 đường còn lại là một cặp tín hiệu vi sai (D+ và D-) chophép truyền dữ liệu Cặp dây tín hiệu này được nối xoắn ở bên trong nên có khảnăng chống nhiễu tốt

Lưu ý: cổng USB trên máy tính cho phép cấp nguồn nuôi ra bên ngoài với

dòng lên tới 500mA Như vậy, các thiết bị sử dụng ít điện năng như chuột, thẻnhớ USB đều có thể lấy trực tiếp nguồn từ cổng USB của máy tính mà khôngcần dùng thêm nguồn ngoài

Hình 2.10 Chuấn USB

Thiết bị sẽ sử dụng một IC driver PL2302 để đồng bộ chuẩn UART đã

Đặc tính của PL2303HX:

- On-chip USB 1.1 thu phát và điều chỉnh 3.3V - 5V

- Hỗ trợ giao diện nối tiếp RS-232 với tốc độ truyền Programmable từ 75bps đến 12 Mbps (Rev D)

- Hỗ trợ RS422 / RS485 (Rev D)

- Tích hợp trên chip Clock Generator (Rev D)

- On-chip OTP (One Time Programming) ROM cho các cấu hình thiết bịkhởi động như chuỗi sản phẩm và chuỗi số nối tiếp (Rev D)

- Cơ chế kiểm soát dòng chảy rộng lớn như mức điểu chỉnh cao / thấp,phần cứng hoặc phần mềm kiểm soát tự động, và phát hiện lỗi tràn bộ đệm

dữ liệu vào

- Cấu hình 256-byte đệm outbound và 256-byte đệm nội; hoặc 128-byteoutbound đệm và 384-byte đệm inbound

- Hỗ trợ từ xa đánh thức từ các tín hiệu đầu vào MODEM

- Hỗ trợ lên đến 8 chân GPIO (Rev D)

Họ LM2576 có nhiều loại với các mức điện áp đầu ra khác nhau, nhưLM2576-3.3V, LM2576-5V, LM2576-12V, LM2576-15V, và còn loại có khảnăng điều chỉnh điện áp đầu ra là LM2576ADJ

Ngoài ưu điểm so về dải điện áp đầu vào so với các IC ổn định điện áptuyến tính thông thường như KA7805, KA7812,… Họ LM2576 còn có khả năngcho dòng đầu ra lớn hơn nhiều, lên tới 3A dòng tải, là lựa chọn phù hợp chonhiều ứng dụng cần ổn áp dòng lớn như Led driver, motor DC …

Họ LM2576 có 5 chân với các chức năng bên dưới bảng 2.2:

Bảng 2.2 Sơ đồ chân LM2576

Sơ đồ chân LM2576 Chức năng các chân

Chân 1: chân điện áp vàoChân 2: chân điện áp ra

Chân 3: chân nối đất

Chân 4: chân phản hồi điện áp

Chân 5: điều khiển ON/OFF nguồn

Tuy là IC nguồn switching nhưng cấu tạo mạch của ổn áp dùng LM2576cũng rất đơn giản, gồm ít các linh kiện Hình 2.10 là mạch ổn áp đầu ra cungcấp nguồn ổn áp cho vi điều khiển, mạch chạy ổn định

:

Hình 2.11 Khối nguồn ổn áp dùng LM2576

2.2.6 Khối xử lý trung tâm

Đây là khối xử lý mọi thông tin và tạo các chức năng cho thiết bị Em lựachọn dòng vi điều khiển PSoC cho khối này, đây là dòng vi điều khiển tích hợpnhiều các chức năng và rất linh hoạt, bao gồm cả số và tương tự

Vi xử lý này có các chức năng giao tiếp ngoại vi đáp ứng được bài toán cho thiết bị, đồng thời nó cũng tích hợp các bộ biến đổi ADC, bộ khuyếch đại, bộ biến đổi DAC, hạn chế tối đa linh kiện trung gian và giảm được nhiều thời gian thiết kế phần cứng cũng như phần mềm.

Hình 2.12 Vi xử lý trung tâm PSoC

1 Sơ lược về công nghệ PSoC

Khối xử lý trung tâm bao gồm nhiều các chức năng khác nhau để có thểgiao tiếp hết với các ngoại vi của thiết bị

Chíp PSoC là dòng vi xử lý có cấu hình rất động, có thể cấu hình đồng thờithành các khối chức năng rất đa dạng, Dòng chíp PSoC do hãng Cypress pháttriển, đây cũng là dòng vi điều khiển giống như các dòng vi điều khiển khác(8051, PIC,…), nhưng có điểm nổi bật là dòng này tích hợp thêm các khối ngoại

vi khả trình cho phép cấu hình động thành các ADC, DAC, các bộ đếm, bộkhuyếch đại, bộ lọc, bộ truyền thông nối tiếp UART, I2C, SPI, …

Có nghĩa là chíp PSoC có khả năng cung cấp nhiều các loại ngoại vi khácnhau giúp làm giảm thời gian cũng như không gian thiết kế cho mạch của thiết

bị Chíp PSoC tuy phức tạp nhưng với sự hỗ trợ của phần mềm phát triển trênmáy tính thì việc xây dựng chương trình không gặp mấy khó khăn và không cầnthiết phải hiểu sâu về kiến trúc cũng như các thanh ghi chế độ của chíp

Hiện nay có hai phiên bản phần mềm phát triển của hãng Cypress là PSoCDesigner cho dòng PSoC1 và PSoC Creator cho các dòng PSoC3 & 5 cao hơn

2 Một số đặc tính nổi bật của vi điều khiển PSoC

- Có khả năng thay đổi điện áp hoạt động 3,3V đến 5V

- Khả năng cung cấp điện áp thấp 1V

- Khả năng lựa chọn tần số nhờ lập trình

3 Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập

- Bộ nhớ 16/32/64/128K bytes lập trình được

- 2k bytes RAM

- Chuyển đổi ADC độ phân giải tối đa 14 bít

- Chuyển đổi DAC độ phân giải tối đa 9 bít

- Khuếch đại điện áp lập trình được

- Các bộ lọc và so sánh lập trình được

- Các bộ định thời và bộ đếm 8-16-32 bít

- Khối tạo mã CRC và mã giả ngẫu nhiên

- Hai khối UART song công

- Các thiết bị SPI

- Lựa chọn các kết nối cho tất cả các chân đầu ra

- Lựa chọn việc kết hợp các khối chức năng

- Lựa chọn cho việc lập trình trên vùng bộ nhớ xác định và ghi có bảo vệ

- Các chân I/O đều có các chế độ Pull up, Pull down, High Z, Strong, hoặcOpen pin state

- I2C Slaver hoặc Master và Multi-Master có tốc độ lên tới 400kHz

- Khối CPU: là trung tâm của vi điều khiển có chức năng thực hiện lệnh và điều khiển chu trình hoạt động (workflow) của các khối chức năng khác

- Khối tạo tần số dao động: tạo ra các tần số thích hợp cung cấp cho CPU

hoạt động cũng như cung cấp một tập hợp các tần số khác nhau cho các khối cóchức năng lập trình được Các tần số được tạo ra dựa trên tần số tham chiếu bêntrong PSoC hoặc được cung cấp từ bên ngoài PsoC

- Khối điều khiển Reset: kích hoạt cho vi điều khiển hoạt động cũng như

giúp hồi phục trạng thái hoạt động bình thường của VĐK khi xảy ra lỗi

- Bộ định thời Watch-Dog: được sử dụng để phát hiện ra các vòng lặp vô

hạn trong chương trình

- Bộ định thời Sleep: có thể kích hoạt vi điều khiển theo chu kì để thoát ra

khỏi chế độ tiết kiệm công suất Nó cũng có thể được sử dụng như một bộ địnhthời thông thường

- Các chân vào/ra: giúp cho việc giao tiếp giữa CPU và các khối chức

năng số/tương tự lập trình được cũng như giao tiếp với ngoại vi

- Khối chức năng số: có khả năng lập trình được cho phép người sử dụng

tự cấu hình nên các thành phần số tùy biến

- Khối chức năng tương tự: có khả năng lập trình được cho phép người sử

dụng tự cấu hình nên các thành phần tương tự như các bộ chuyển đổi dữ liệuAD/DA, các bộ lọc, bộ thu nhận mã đa tần rời rạc DTMF, bộ đảo, các bộ khuếchđại thuật toán OA

- Khối điều khiển ngắt: có chức năng xử lý các yêu cầu ngắt trong trường

hợp cần thiết

- Khối điều khiển I2C: giúp cho PSoC giao tiếp với các phần cứng khác

theo chuẩn I2C

- Khối tạo điện áp tham chiếu: cần thiết cho các thành phần analog và nằm

bên trong các khối tương tự, có khả năng lập trình được

- Bộ nhân tổng MAC: thực hiện các phép nhân có dấu

- Hệ thống SMP: có thể được sử dụng như 1 phần của bộ chuyển đổi điện

áp Ví dụ, nó có thể cung cấp công suất cho 1 VĐK hoạt động chỉ bằng 1 pin1,5V duy nhất

Chương 3 TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO

3.1 Triển khai thiết bị đo

Dựa vào linh kiện đã chọn ta triển khai thiết kế thiết bị như sau:

Chức năng chống ghi (Write Protect) và phát hiện ra thẻ (Card Detect)

được PSoC hỗ trợ một cách đầy đủ

6 5 4 3 2 1

CS1

104 C10

Hình 3.2 Giao diện của thẻ MMC và mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với

PSoC

3.1.3 Truyền thông máy tính

Chuẩn truyền thông giữa thiết bị và máy tính được lựa chọn là chuẩn USB

USB (Universal Serial Bus) là là một chuẩn kết nối có dây trong máy tính USB sử dụng với mục đích là để kết nối các thiết bị ( điện

với máy tính

Thiết bị sẽ sử dụng một IC driver PL2302 để đồng bộ chuẩn UART đãđược tích hợp trên vi xử lý PSoC với chuẩn USB

Hình 3.3 Khối USB

Đặc tính của PL2303HX:

- On-chip USB 1.1 thu phát và điều chỉnh 3.3V - 5V

- Hỗ trợ giao diện nối tiếp RS-232 với tốc độ truyền Programmable từ 75bps đến 12 Mbps (Rev D)

- Hỗ trợ RS422 / RS485 (Rev D)

- Tích hợp trên chip Clock Generator (Rev D)

- On-chip OTP (One Time Programming) ROM cho các cấu hình thiết bịkhởi động như chuỗi sản phẩm và chuỗi số nối tiếp (Rev D)

- Cơ chế kiểm soát dòng chảy rộng lớn như mức điểu chỉnh cao / thấp,phần cứng hoặc phần mềm kiểm soát tự động, và phát hiện lỗi tràn bộ đệm dữliệu vào

- Cấu hình 256-byte đệm outbound và 256-byte đệm nội; hoặc 128-byteoutbound đệm và 384-byte đệm inbound

- Hỗ trợ từ xa đánh thức từ các tín hiệu đầu vào MODEM

- Hỗ trợ lên đến 8 chân GPIO (Rev D)

3.1.4 Khối đồng bộ thời gian (Realtime)

Thiết bị sử dụng chip đồng hồ thời gian thực (RTC - Real-time clock) là IC

DS1307

Chip này có 7 thanh ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trongtuần), ngày, tháng, năm

BT Battery3.3V

GND GND

SCL_I2C VCC

SDA_I2C CX1 CX2

104 C1

X1 1 X2 2

GND 4

Khoi thoi gian thuc

Hình 3.4 Khối thời gian thực

3.1.5 Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo

Từ các chức năng của thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có các chuẩn

truyền thông cơ bản để ghép nối với các thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, phím điều khiển…) IC PSoC (Programmable System on Chip) có khả năng tích

hợp các chức năng ghép nối cơ bản nên có tính mở, tính linh hoạt, khả năng kếtnối với các thiết bị ngoại vi Sử dụng IC PSoC tạo ra được các thiết bị đo nhỏgọn, đầy đủ các chức năng cần thiết, thuận tiện cho người sử dụng Do đó ICPSoC hoàn toàn thích hợp làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị đo Trong đồ án sửdụng PSoC CY8C29566 của hãng Cypress

PSoC (Programmable System -on-chips) là chip mà có thể tích hợp cả viđiều khiển các thành phần tương tự và thành phần số xung quanh vi điều khiểnnhúng vào một hệ thống

Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ có thể được cấu hình cho cácứng dụng khác nhau

Khối tương tự được sử dụng cho các công cụ Analog như bộ lọc, bộ so sánh tín hiệu tương tự, các bộ khuyếch đại đảo, không đảo như AD, DA.

P1(7)/SCL 13

P1(5)/SDA 14

P1(3) 15 P1(1)/XTALin/SCL 16

Vss 17

P1(0)/XTALout/SDA 18

P1(2) 19 P1(4)/EXTCLK 20

P1(6) 21

XRES 26

P4(7) 4P4(5) 5P4(3) 6P4(1) 7

P3(7) 9P3(5) 10P3(3) 11P3(1) 12P3(0) 22P3(2) 23P3(4) 24P3(6) 25

U3 CY8C29566-24AXI

XRES

SCL SDA

V V

K5 K4 K3 K2

RE/DE TXD RXD

MISO_PSOC

IN4

IN5 CSN_PSOC

MOSI_PSOC IN6

KHOI VI XU LY TRUNG TAM

Hình 3.5 Khối vi xử lý trung tâm PSoC