Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo PH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp

Trong công nghiệp, nước được sử dụng như một loại nguyên liệu thô hay phương tiện sản xuất nước cho các quá trình và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt.. Giá trị C của các thông số ô

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trong khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

Hà Nội, tháng 4 năm 2016

Tác giả luận văn

VŨ PHONG

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi đến quý thầy cô ở Viện Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Bùi Đăng Thảnh người đã trực tiếp hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn nhiệt tình của thầy em đã có được những kiến thức qúy báuvề cách thức nghiên cứu vấn đề cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể hoàn thành tốt khoá luận tốt nghiệp của mình

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 4 năm 2016 Học viên thực hiện

Vũ Phong

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ PH 2

1.1 Nước thải công nghiệp 2

1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải trong các khu công nghiệp 5

1.2.1 Xử lý sơ bộ 5

1.2.2 Xử lý cơ học 6

1.2.3 Xử lý hóa học 6

1.2.4 Xử lý sinh học 7

1.3 Đo pH trong nước thải công nghiệp 8

1.3.1 pH Là gì? 8

1.3.2 Vai trò của pH 9

1.3.3 Các phương pháp đo độ pH 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO pH CÓ TÍCH HỢP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY 18

2.1 Yêu cầu thiết kế 18

2.2 Thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây 18

2.2.1 Sơ đồ khối 18

2.2.2 Thiết kế phần cứng 19

a, Đầu đo pH meter SEN0161 21

b, Ảnh hưởng của nhiệt độ tới phép đo 23

c, Mạch tiền xử lý 24

d, Vi điều khiển AVR Atmega16A 26

e, Hiển thị LCD 27

2.2.3 Thiết kế phần mềm 29

2.3 Thiết kế mạch thu thập trung tâm 29

2.3.1 Sơ đồ khối 29

2.3.2 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ 30

2.3.3 Tích hợp truyền thông không dây 31

2.3.4 Thiết kế phần mềm 35

2.4 Thiết kế phần mềm cho máy tính 35

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 37

3.1 Phần cứng 37

3.2 Phần mềm 39

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC 42

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EEPROM Electrically Erasable Programmable

Read-Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc FET Field- effect transistor – Transistor hiệu ứng trường

MosFET Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor

RISC Reduced Instructions Set Computer – hệ thống với tập

lệnh đơn giản

Bộ điều khiển lập trình được

USART Universal Syncrounous Asynchronous Receiver

Transmitter – Bộ truyền nhận nối tiếp không đồng bộ

MCU Micro-controller Unit - Khối vi điều khiển

LCD Liquid Crystal Display – Màn hình hiển thị tinh thể lỏng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng 6

Hình 1.2 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí 8

Hình 1.3 Sơ đồ của điện cực hydro chuẩn 11

Hình 1.4 Điện cực Antimon 12

Hình 1.5 Phương pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trường 13

Hình 1.6 Đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh 14

Hình 1.7 Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch 16

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch thu thập hiện trường 19

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập hiện trường có thu phát không dây 20

Hình 2.3 Hình ảnh đầu đo pH 21

Hình 2.4 Kích thước đầu đo 23

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại 25

Hình 2.6 kết quả mô phỏng tín hiệu ra của mạch khuếch đại 25

Hình 2.7 Hình ảnh của vi xử lý Atmega16A 26

Hình 2.8 Hình ảnh LCD 16x2 27

Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán lập trình mạch thu thập hiện trường 29

Hình 2.10: Sơ đồ khối mạch thu thập trung tâm 29

Hình 2.11 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp 30

Hình 2.12 module nRF24L01 31

Hình 2.13 Sơ đồ khối bộ truyền thông không dây 31

Hình 2.14 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01 32

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý bộ thu phát nRF24L01 33

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập trung tâm có kết nối máy tính 34

Hình 2.17 Lưu đồ thuật toán lập trình mạch thu thập trung tâm 35

Hình 3.1 Mạch thu thập hiện trường 37

Hình 3.2 Mạch thu thập trung tâm kết nối máy tính 38

Hình 3.3 Kết nối mạch và máy tính 38

Hình 3.4 Màn hình hiển thị giá trị pH 39

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Lưu lượng nước thải trung bình của một số ngành công nghiệp 3

Bảng 1.2 Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp 4

Bảng 1.3 Ví dụ về độ pH 9

Bảng 1.4 Tính chất của một số chất chỉ thị màu 10

Bảng 1.5 so sánh các phương pháp đo pH 16

Bảng 2.1 Đầu ra pH tại nhiệt độ 25oC 22

Bảng 2.2 giá trị đầu ra tại các nhiệt độ khác nhau 23

Bảng 2.3 Chức năng các chân của LCD 27

Bảng 2.4 Chức năng các chân bộ thu phát không dây 32

MỞ ĐẦU

Nước ta là một quốc gia đang phát triển với rất nhiều ngành công nghiệp kết hợp Các khu công nghiệp được nhà nước ưu tiên đầu tư, phát triển rất nhiều Trong những năm gần đây rất nhiều khu công nghiệp đã được xây dựng góp phần thu hút nguồn vốn đầu tư, tạo ra nhiều việc làm, tác động tốt đến đến tình hình kinh tế, xã hội, nâng cao GDP cũng như mức thu nhập bình quân của người dân

Tuy nhiên việc xuất hiện quá nhiều các khu công nghiệp cũng ảnh hưởng nhất định đến môi trường, điều kiện sống của con người, mà trực tiếp nhất đó là vấn đề môi trường Hàng loạt các vấn đề về khí thải, bụi, tiếng ồn, nước thải không được kiểm soát đã gây ra những hậu quả hết sức nghiêm trọng Từ đây yêu cầu giám sát, xử lý các vấn đề về chất thải được đặt ra hết sức cấp bách

Ảnh hưởng trực tiếp và nhiều nhất đến môi trường cũng như sức khỏe cộng đồng chính là chất lượng nước thải từ các khu công nghiệp, vì vậy yêu cầu nước thải phải được xử lý trước khi xả vào môi trường là bắt buộc Do vậy cần có những thiết bị có thể đo, giám sát các thông số của nước thải sau khi xử lý một cách chính xác, nhanh chóng để đưa ra những biện pháp phù hợp

PH là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng nước thải, nếu có thể thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây thì việc giám sát chất lượng nước

thải sẽ trở nên dễ dàng, chính xác Đây chính là lý do học viên chọn đề tài: “Nghiên

cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP VÀ PH

1.1 Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất công

nghiệp Đối với xí nghiệp công nghiệp có hai loại nước thải: nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất

Nước thải sinh hoạt bao gồm: nước thải sinh hoạt từ khâu chuẩn bị, chế biến thức ăn tại các nhà hàng nhà ăn xí nhiệp, nước thải sinh hoạt của công nhân… Nước thải sản xuất là loại nước thải phát sinh trong quá trình sản xuất của công

ty, xí nghiệp…tùy thuộc vào nguyên liệu, công nghệ sản xuất…thì mức độ ô nhiễm sẽ khác nhau

Dưới tốc độ phát triển công nghiệp, đô thị hoá và sự gia tăng dân số, tài nguyên nước trong các vùng lãnh thổ ngày càng chịu áp lực càng nhiều Hệ quả là môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp đóng một phần lớn cho sự ô nhiễm chung, bên cạnh là ô nhiễm từ nguồn nước thải sinh hoạt

Trong công nghiệp, nước được sử dụng như một loại nguyên liệu thô hay phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt Nước cấp cho sản xuất có thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp có hệ thống xử lý riêng Nhu cầu về cấp nước và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất

Bảng 1.1 Lưu lượng nước thải trung bình của một số ngành công nghiệp

STT Ngành công nghiệp Đơn vị sản phẩm Lưu lượng nước thải

2 Tinh chế đường 1 tấn củ cải đường 10 – 20m3

4 Nhà máy đồ hộp rau quả 1 tấn sản phẩm 1,5 – 4,5m3

Đặc tính nước thải sinh hoạt thường ổn định so với nước thải sản xuất Nước thải sinh hoạt ô nhiễm chủ yếu bởi các thông số BOD5, COD, TSS, Tổng N, Tổng P, dầu mỡ – chất béo Trong khi đó các thông số ô nhiễm nước thải công nghiệp chỉ xác định được ở từng loại hình và công nghệ sản xuất cụ thể Nếu không xử lý cục bộ mà chảy chung vào đường cống thoát nước, các loại nước thải này sẽ gây ra ô nhiễm môi trường, hư hỏng đường ống, cống thoát nước

Nước thải sản xuất có nhiều yếu tố độc hại, gây ô nhiễm, ví dụ trong các ngành công nghiệp đặc thù như dệt may, giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9 – 11, chỉ số ôxy sinh hoá (BOD), ôxy hoá học (COD) lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa Xyanua (CN–) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4.2 lần, hàm lượng NH3+ vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm cho các nguồn nước bề mặt trong vùng dân cư, chưa tính đến các ngành công nghiệp có tác động nặng nề hơn đối với môi trường (như các ngành xi măng, mạ, thép, sản xuất thức

Vì vậy, yêu cầu chung đối với các nhà máy, xí nghiệp trong các khu công nghiệp cần phải xây dựng hệ thống xử lý nước thải sơ bộ trước khi xả nước thải vào

hệ thống thoát nước chung của khu công nghiệp Sau đó cần xử lý tiếp khi đạt yêu cầu mới được phép xả ra môi trường

Bảng 1.2 Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp

(không áp dụng khi xả vào

nguồn nước mặn, nước lợ)

vật phốt pho hữu cơ

1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải trong các khu công nghiệp

Có nhiều phương pháp xử lý nước thải, mục đích cuối cùng là làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng độc hại của nước thải đến sức khỏe cho người và làm giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Quy trình cơ bản để xử lý nước thải công nghiệp

o Song chắn rác: Chỉ dùng ở những trạm xử lý nhỏ có lượng rác <0,1m3/ng.đ Khi rác tích lũy ở song chắn, mỗi ngày vài lần người ta dùng cào kim loại để lấy rác ra và cho vào máng có lổ thoát nước ở đáy rồi đổ vào các thùng kín để

o Lưới lọc: Để loại bỏ cặn bẩn và vật thô có kích thước nhỏ hoặc thu hồi các sản phẩm có giá trị Thường áp dụng cho các trạm xử lý nước thải công nghiệp (dệt, giấy, da )

1.2.2 Xử lý cơ học

Xử lý cơ học thường dùng bể lắng Bể lắng cát được đặt phía sau song chắn rác

và trước bể lắng sơ cấp Quá trình có thể bao gồm kênh dẫn hoặc buồng cát hoặc đá mạt, nơi vận tốc của nước thải đến được điều chỉnh để cho phép làm lắng cát, sạn, sỏi,

và kính vỡ Những hạt này được loại bỏ vì chúng có thể làm hỏng máy bơm và các thiết bị khác Đối với hệ thống thoát nước vệ sinh nhỏ, việc loại bỏ này có thể không quan trọng, nhưng lại rất cần thiết tại các nhà máy lớn hơn Các dạng bể lắng: Bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng có sục khí, bể lắng xoáy nước

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng 1.2.3 Xử lý hóa học

Để làm sạch nước bằng phương pháp hóa học oxy hóa khử người ta sử dụng các chất oxi hóa sau: clo khí và lỏng, dioxit clo, clorat canxi, hypoclorua canxi và natri, pemanganat kali, bicromat kali, oxi già, oxi của không khí, ozôn, piroluzit MnO2 Trong quá trình oxi hóa, các chất ô nhiễm độc hại, chứa trong nước thải, do phản ứng hóa học, chuyển thành chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước

Nước thải vào

Nước trong ra

Phương pháp này yêu cầu chi phí lớn, vì vậy nó được ứng dụng khi chất ô nhiễm không thể loại được bằng các phương pháp khác Ví dụ, xử lí các xianua, các hợp chất tan của asen

Chất có tính oxi hóa mạnh nhất là flo, nhưng do có tính ăn mòn mạnh nên nó không thể được ứng dụng trong thực tế

Thế oxi hóa của các chất khác như sau: Ozôn - 2,07; Clo - 0,94; H2O2 - 0,68; Pemanganat kali - 0,59 (đơn vị: Vôn)

1.2.4 Xử lý sinh học

- Phương pháp vi sinh vật hiếu khí

Thực chất của phương pháp sinh hóa để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng khác làm nguồn dinh dưỡng

và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào cũng như sinh trưởng và sinh sản và do vậy nên sinh khối được tăng

lên và hệ quả là nước thải được làm sạch

Để thực hiện quá trình ôxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo, các chất phân tán nhỏ trong nước thải là tổ hợp các quá trình gồm ba giai đoạn:

Giai đoạn 1: Các chất gây ô nhiễm (các chất hữu cơ hòa tan, các chất phân tán nhỏ,…) được dịch chuyển từ môi trường nước thải xung quanh đến bề mặt tế bào vi sinh vật do quá trình khuếch tán đối lưu và phân tử

Giai đoạn 2: Dịch chuyển các chất bẩn từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm của tế bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự

- Phương pháp vi sinh vật yếm khí

Phương pháp này dùng để loại bỏ các chất hữu cơ trong phần cặn của nước thải bằng vi sinh vật yếm khí

Hai cách xử lý yếm khí thông dụng là:

• Lên men axit: Thuỷ phân và chuyển hoá các sản phẩm thuỷ phân (như axit béo, đường) thành các axit và rượu mạch ngắn hơn và cuối cùng thành khí cacbonic

• Lên men metan: Phân huỷ các chất hữu cơ thành metan (CH4) và khí cacbonic (CO2) việc lên men metan nhạy cảm với sự thay đổi pH pH tối ưu cho quá trình là từ 6,8 đến 7,4

Hình 1.2 Ba giai đoạn của quá trình lên men yếm khí 1.3 Đo pH trong nước thải công nghiệp

1.3.1 pH Là gì?

PH là chỉ số đo độ hoạt động (hoạt độ) của các ion hiđrô (H+) trong dung dịch và vì vậy là độ axít hay bazơ của nó Trong các hệ dung dịch nước, hoạt độ của

ion hiđrô được quyết định bởi hằng số điện ly của nước (Kw) = 1,008 × 10−14 ở 25 °C

và tương tác với các ion khác có trong dung dịch Do hằng số điện ly này nên một dung dịch trung hòa (hoạt độ của các ion hiđrô cân bằng với hoạt độ của các ion hiđrôxít) có pH xấp xỉ 7 Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 được coi là có tính axít, trong khi các giá trị pH lớn hơn 7 được coi là có tính kiềm

Bảng 1.3 Ví dụ về độ pH

Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính acid hoặc kiềm rất cao chẳng những làm cho nguồn nước không còn hữu dụng đối với các hoạt động của con người mà còn làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật

Sức khỏe con người

Nguồn nước có pH>7 thường chứa nhiều ion nhóm carbonate và bicarbonate (do chảy qua nhiều tầng đất đá) Nguồn nước có pH < 7 thường chứa nhiều ion gốc axit Bằng chứng dễ thấy nhất liên quan giữa độ pH và sức khỏe của người sử dụng là nó là làm hỏng men răng

pH của nước có liên quan đến tính ăn mòn thiết bị, đường ống dẫn nước và dụng cụ chứa nước Đặc biệt, trong môi trường pH thấp, khả năng khử trùng của Clo sẽ mạnh hơn Tuy nhiên, khi pH > 8,5 nếu trong nước có hợp chất hữu cơ thì việc khử trùng bằng Clo dễ tạo thành hợp chất trihalomethane gây ung thư

Môi trường sống của động thực vật

Nếu không được kiểm soát tốt, môi trường xung quanh các khu công nghiệp, những nới phát sinh nhiều nước thải sẽ bị ô nhiễm nặng, không thuận lợi cho sự phát triển của các loài vi sinh vật, động thực vật Thậm chí dẫn đến chết hàng loạt, thiệt hại về kinh tế rất lớn nếu nước thải không qua xử lý thải ra các khu nuôi trồng thủy sản hoặc các vùng sông, hồ, biển

1.3.3 Các phương pháp đo độ pH

o Dùng chỉ thị màu (phương pháp gần đúng)

Một số hóa chất, chủ yếu là các hợp chất hữu cơ, có khả năng đổi màu tùy theo

pH của dung dịch Người ta đã nghiên cứu khoảng pH đổi màu của các hóa chất này như trong bảng

o Phương pháp điện cực hydro

Hình 1.3 Sơ đồ của điện cực hydro chuẩn

Điện cực hydro là một bản platin được phủ platin xốp (bằng phương pháp điện phân) nhúng trong dung dịch có hydro đi qua với áp suất 1 atm Thế của điện cực này bằng :

Bromcresol green Vàng Xanh dương 3.8 – 5.4

Methyl red Đỏ Vàng 4.4 – 6 2

Litmus Đỏ Xanh dương 4.5 – 8.3

Bromthymol blue Vàng Xanh dương 6.0 – 7.6

Phenol red Vàng Đỏ 6.8 – 8.4

Thymol blue (kiềm) Vàng Xanh dương 8.0 – 9 6

Phenolphthalein Không màu Đỏ 8.2 – 9.8

Thymolphthalein Không màu Xanh dương 9.3 – 10.5

Alizarin yellow Vàng Hoa cà 10.1 – 11.1

Malachite green

(kiềm) Xanh lá cây Không màu 11.4– 13.0

Trong đó,

R = 8,314 J/(mol.K) là hằng số khí

T là nhiệt độ tuyệt đối

F = 9,649.104 là hằng số Faraday

[H+] là nồng độ ion hydro trong dung dịch

Theo phương trình này ta thấy thế điện cực tỷ lệ thuận với pH

o Phương pháp điện cực quihydron

Khi cho quinhydron vào dung dịch, nó được phân tích ra thành hydroquinon (C6H4(OH)2) và quinon (C6H4O2) với tỷ lệ 1 : 1 Bởi độ hòa tan của quinon thay đổi theo pH của dung dịch, do đó có thể đo pH bằng cách xác định điện thế giữa điện cực

Pt và điện cực so sánh Mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng ngày nay nó ít được

sử dụng, bởi nó không áp dụng được khi dung dịch có độ pH cao hơn 8 hoặc 9, hay khi trong dung dịch có các chất có tính ôxy hóa hay tính khử

Lưu ý: dung dịch quinhydron với một độ pH nào đó thường được sử dụng để kiểm tra xem một dụng cụ đo thế oxy hóa khử có hoạt động bình thường hay không Nguyên lý của điện cực quinhydron được áp dụng trong những trường hợp như vậy

o Phương pháp điện cực antimon

Hình 1.4 Điện cực Antimon

Nội dung của phương pháp này là nhúng đầu của một thanh antimon được đánh bóng và một điện cực so sánh vào trong dung dịch kiểm tra và đo pH từ sự chênh lệch điện thế giữa chúng Phương pháp này đã từng được sử dụng rộng rãi bởi bộ dụng cụ rất chắc chắn và dễ thao tác Tuy nhiên, ứng dụng của nó ngày nay khá giới hạn bởi kết quả phụ thuộc nhiều vào độ bóng của điện cực, và khả năng lặp lại kết quả là thấp Lưu ý: phương pháp này chỉ áp dụng trong những trường hợp không yêu cầu độ chính xác quá cao (chỉ sử dụng trong công nghiệp) và để kiểm tra các dung dịch có ion F-

o Phương pháp pHFETs

Thời gian gần đây các công cụ đo pH được phát triển dựa trên việc sử dụng các transitor hiệu ứng trường FET như một thành phần của cảm biến Các con chip silicon kết hợp một màng đáp ứng pH (như điện cực thủy tinh) với mạch khuyếch đại kích thước nhỏ, tăng công suất, giảm kích thước hệ thống đo pH Những thiết

bị này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm nơi mà việc đo pH

sử dụng điện cực màng thủy tinh có thể vỡ, không thể đo được pH, đồng thời gây nguy cơ mất an toàn, hoặc những trường hợp đo pH của chất keo, bột nhão phương pháp thông thường sẽ gây sai số lớn

Hình 1.5 Phương pháp đo pH sử dụng transitor hiệu ứng trường

o Phương pháp điện cực thủy tinh

Một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất để đo pH là sử dụng điện cực thành thủy tinh

Tổ chức Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản JIS đã nhấn mạnh “phép đo sử dụng điện cực thủy tinh được khuyến cáo để đo pH trong công nghiệp.”

Hình 1.6 Đo pH sử dụng điện cực màng thủy tinh

(a) hệ thống đo gồm pH mét, điện cực chỉ thị và điện cực mẫu; (b) cấu trúc điện cực

chỉ thị; (c) cấu trúc điện cực mẫu; (d) mạch khuyếch đại

Nguyên lý cơ bản như sau: chuyển đổi dùng ở đây được gọi là chuyển đổi gavanic pH mét có nhiệm vụ đo điện áp giữa hai điện cực: điện cực chỉ thị màng thủy tinh và điện cực mẫu (điện cực so sánh); cả hai điện cực này được nhúng vào trong dung dịch cần đo pH Điện cực màng thủy tinh có chứa ion kim loại kiềm như Na

Khi nhúng vào trong dung dịch, các ion kiềm Na+ từ thủy tinh đi vào trong dung dịch còn các ion hydro từ dung dịch vào chiếm chỗ của chúng do đó điện cực thủy tinh có tính chất như điện cực hydro Điện thế xuất hiện trên điện cực thủy

tinh phụ thuộc vào nồng độ ion H

+ hay pH Do điện thế này rất nhỏ nên cần lựa chọn điện cực mẫu phù hợp và trở kháng đầu vào của pH mét lớn nhằm mục đích

đo chính xác

Cấu trúc điện cực chỉ thị như được minh họa trên hình 1.6(b) Màng thủy tinh ở cuối điện cực hoạt động như một lớp chuyển đổi pH, có độ dày 0.1mm Màng này được làm từ silicat, oxit kim loại kiềm, trong đó thành phần silicat SiO2 chiếm 70% Ví dụ máy đo pH thương phẩm điện cực thuỷ tinh được làm từ thủy tinh Corning mang nhãn hiệu 015 có thành phần bao gồm 22% Na2O; 6% CaO; 72% SiO2

Khi lớp màng được nhúng vào dung dịch, một phía của màng tiếp xúc với dung dịch cần đo, một phía tiếp xúc với dung dịch chất điện ly như kali clorua KCl với nồng độ xác định, ví dụ ở đây là 3mol/lit Do nó ngăn cách hai dung dịch có nồng độ ion H+ khác nhau, tạo nên một lớp hydrat hóa dày 100nm bám lên bề mặt của màng thủy tinh Phản ứng trao đổi ion trên ranh giới tiếp xúc chỉ xảy ra chọn lọc với ion H+ của dung dịch và ion Na+ của màng thủy tinh:

H+dd + Na+tt ↔ Na+dd + H+tt Một dây bạc phủ bạc clorua được nhúng vào dung dịch chất điện ly tạo ra tiếp xúc ổn định giữa dung dịch điện ly và pH meter

Điện cực mẫu được minh họa như trên hình với cấu trúc giống như điện cực chỉ thị bên trong chứa dung dịch chất điện ly kali clorua KCl 3M nhưng thay vì màng thủy tinh cuối điện cực là miếng gốm tạo ra tiếp xúc giữa dung dịch trong điện cực và dung dịch cần đo pH

Khi nhúng hai điện cực: điện cực mẫu và điện cực chỉ thị vào dung dịch cần

đo pH thì xuất hiện các mức điện thế khác nhau Hình 1.6 minh họa sự khác nhau giữa các mức điện thế này

Hình 1.7 Các mức điện thế khác nhau khi nhúng hai điện cực vào dung dịch

Từ hình vẽ trên từ trái qua phải ta có thể liệt kê các mức điện áp như sau:

- Điện áp giữa dây bạc phủ bạc clorua Ag/AgCl với dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu

- Điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M trong điện cực mẫu với dung dịch cần đo pH (mẫu) Điện áp này rất nhỏ có thể bỏ qua

- Điện áp giữa dung dịch cần đo pH với dung dịch điện ly KCl 3M

trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh

- Và cuối cùng là điện áp giữa dung dịch điện ly KCl 3M với dây bạc phủ bạc clorua

Ag/AgCl trong điện cực chỉ thị màng thủy tinh

o So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp

Bảng 1.5 so sánh các phương pháp đo pH

Dùng chất chỉ thị Đơn giản, dễ thực hiện,

không yêu cầu kỹ thuật

Độ chính xác thấp

Dùng điện cực hydro Kết quả có độ chính xác

cao

Phức tạp, chi phí lớn, bị ảnh hưởng nhiều bởi các chất có tính oxy hóa, khủ cao

Dùng điện cực quihydron Đơn giản, dễ thực hiện Không áp dụng được cho

các dung dịch có độ pH cao hơn 8 hoặc 9

Dùng điện cực antimon Dễ thao tác, thiết bị chắc

chắn

Độ ổn định và chính xác là không cao

Phương pháp pHFETs Có độ bên cao, chỉ cần lấy

mẫu một lượng nhỏ

Chi phí cao

Dùng điện cực thủy tinh Đáp ứng nhanh, khả năng

lập lại cao, phù hợp trong

đo công nghiệp

Thường xuyên bảo dưỡng đầu đo

Sau khi tìm hiểu, đánh giá các phương pháp đo pH, học viên nhận thấy phương pháp đo dùng điện cực thủy tinh có nhiều ưu điểm như độ tin cậy cao, dễ dàng tiếp cận, phù hợp trong môi trường nước thải công nghiệp Vì vậy trong nghiên cứu này học viên quyết định sử dụng đầu đo pH điện cực thủy tinh

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO pH CÓ TÍCH HỢP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

2.1 Yêu cầu thiết kế

Nội dung chính của luận văn này tập trung vào thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây Bài toán thiết kế được đặt ra là:

 Thiết kế mạch thu thập hiện trường

o Thiết bị thu thập sử dụng vi điều khiển, cho phép lập trình thay đổi

o Thu thâp được 2 thông số là nhiệt độ và giá trị pH

o Hiển thị thông số đo được tại hiện trường trên màn hình để dễ dàng quan sát trực tiếp

o Có khả năng giao tiếp với bộ thu thập trung tâm ở xa thông qua truyền thông không dây

 Thiết kế mạch thu thập trung tâm

o Dùng vi điều khiển

o Tích hợp truyền thông không dây, nhận tín hiệu một cách chính xác từ mạch thu thập hiện trường

o Có các chuẩn giao tiếp để kết nối với máy tính giám sát

 Phần mềm thu thập hiển thị thông tin thu thập được trên máy tính

2.2 Thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây

2.2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ khối của thiết bị mô tả như hình vẽ

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch thu thập hiện trường

từ đầu đo sẽ được chuyển đổi sang tín hiệu số nhờ bộ ADC tích hợp sẵn trong vi xử

lý Sau khi chuyển đổi xong tín hiệu của dữ liệu lúc này là 8 bit Tín hiệu ngõ ra bộ

mã hoá lúc này là tín hiệu số dạng nối tiếp sẽ được đưa vào module phát Tại đây tín hiệu số được điều chế và được bức xạ ra anten phát đi

2.2.2 Thiết kế phần cứng

Sơ đồ nguyên lý phần mạch thu thập tín hiệu từ hiện trường để truyền không

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập hiện trường có thu phát không dây

Trong nghiên cứu này học viên sử dụng

• Vi điều khiển Atmega16A

• LCD16x2

a, Đầu đo pH meter SEN0161

Hình 2.3 Hình ảnh đầu đo pH

Nguyên lý hoạt động của đầu đo:

Đầu cảm biến bằng 1 bầu thủy tinh trong chứa dung dịch KCl 3M, có 2 điện cực (điện cực đo và điện cực tham khảo) Điện cực tham khảo cấu tạo tương đối phức tạp, gồm có 1 dây Ag và mạ AgCl nhúng trong dung dịch KCl, để có điện thế 0 mV Bầu thủy tinh có 1 junction để cho dung dịch electrolyte chảy từ từ ra môi trường đo (sau 1 thời gian phải bổ sung KCl vào trong cảm biến) Bảo quản cảm biến bằng cách nhúng vào dung dịch KCl 3 M Trong môi trường này pH ~7 nên điện thế sinh ra ~0

mV Việc nhúng trong KCl để cảm biến không bị khô (tắc juction) giúp cảm biến có tuổi thọ cao hơn

Đầu đo này có nhiệm vụ chuyển tín hiệu pH thành tín hiệu điện thế (mV) Tín hiệu điện thế này tỷ lệ thuận với pH của dung dịch theo công thức Nerst Sau đó phần thiết kế sau của thiết bị đo pH (nội dung nghiên cứu của luận văn) có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện thế nhận được từ đầu đo sang giá trị pH hiển thị trên LCD Thực

tế giá trị điện thế đo được sau đầu đo sẽ quy đổi về giá trị pH qua công thức thức Nernst

Công thức Nernst

Điện thế mV xuyên qua điện cực thay đổi theo thang loragit tùy theo nồng độ ion hydro Bởi ion hydro chịu ảnh hưởng của môi trường cho nên thuật ngữ chính xác dùng cho mối quan hệ này phải gọi là hoạt độ của ion hydro Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng, cụm từ nồng độ và hoạt độ có thể được thay thế cho nhau

Công thức để xác định nồng độ ion hydro là công thức Nernst:

E = E0 + 0.059 log [H+]

Hay E = E0 – 0.059 pH

Trong đó: E = Điện thế (volts)

E0 = Điện thế chuẩn (volts)

Bảng 2.1 Đầu ra pH tại nhiệt độ 25 o C

Tín hiệu Vôn (mv) Giá trị pH Tín hiệu Vôn (mv) Giá trị pH

b, Ảnh hưởng của nhiệt độ tới phép đo

Điện thế xuất hiện trên các điện cực tỷ lệ tuyến tính với độ pH Ở điều kiện chuẩn, với pH 7, hiệu điện thế giữa 2 cực là 0V, độ dốc là 59.17 mV / pH, độ tuyến tính đạt 99% trong tầm đo từ 4 đến 12 pH, giảm xuống còn 96% trong khoảng từ 0 đến 4 pH, 97% ở tầm đo từ 12 đến 13pH, và 92% trong tầm đo từ 13 đến 14 pH Điện thế này có nội trở nguồn rất lớn Do đó mạch khuếch đại hoặc đo lường nó phải là mạch có tổ trở vào rất cao Thường người ta dùng các Op Amp JFet hoặc MosFET

Do điện thế này sẽ thay đổi nhỏ theo nhiệt độ, nên trong cảm biến pH thường

có đặt thêm một cảm biến nhiệt độ để đo lường và bù trừ Cảm biến nhiệt độ thường là loại Pt100, Pt1000 hoặc cũng có thể là nhiệt điện trở bán dẫn

Bảng 2.2 giá trị đầu ra tại các nhiệt độ khác nhau

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại

Hình 2.6 kết quả mô phỏng tín hiệu ra của mạch khuếch đại

d, Vi điều khiển AVR Atmega16A

Hình 2.7 Hình ảnh của vi xử lý Atmega16A

Atmega16A có những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip cụ thể: + Hiệu năng cao, công suất tiêu thụ thấp

+ Kiến trúc mới của RISC:

- 131 lệnh mạnh mẽ - Thực thi vòng quét 1 xung nhịp

- 32 x 8 thanh ghi làm việc đa năng

- Khả năng thực lệch mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock Atmega có thể

đạt được tốc độ 16MIPS trên 16MHz (16 triệu lệnh/s/MHz)

- Bộ nhân 2 vòng trên chip

+ Vùng nhớ giữ được lâu

- 16KBytes bộ nhớ trong hệ thống tự lập trình chương trình Flash

- 512Bytes EEPROM

- 1KByte nội SRAM

+ Các tính năng ngoại vi:

- 2 bộ 8-bit Timer / Counters

- 1 bộ 16-bit Timer / Counter

- Bộ đếm thời gian thực tách riêng với bộ dao động

- 8 kênh, 10-bit ADC

- Bộ truyền nhận nối tiếp UART lập trình được

- Giao tiếp nối tiếp SPI chủ/ tớ

- Đóng vỏ 44 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A, B,

C, D Các chân này đều có chế độ điện trở treo

- AVCC: là chân nguồn cung cấp cho Port A và bộ chuyển đổi A/D Nó nên được kết nối ngoài tới VCC, ngay khi nếu bộ ADC không được dùng Nếu bộ ADC được sử dụng thì nó được kết nối tới VCC thông qua một mạch lọc thông thấp

e, Hiển thị LCD

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ

Chức năng của LCD trong hầu hết các mạch, các bộ điều khiển là hiển thị các thông số, các thông tin mà chúng ta nhập vào hay các thông tin xử lý mà bộ điều khiển đang hoạt động được hiển thị ra màn hình, giúp giao tiếp gần hơn với quá trình hoạt động của hệ thống Loại LCD mà học viên sử dụng là loại LCD16x2, có 16 chân

Hình 2.8 Hình ảnh LCD 16x2

Bảng 2.3 Chức năng các chân của LCD

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0”

+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic

“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus

DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ

ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7 - 14 DB0 -

DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU

Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường + Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường

15 - Nguồn dương cho đèn nền

2.2.3 Thiết kế phần mềm

Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán lập trình mạch thu thập hiện trường

2.3 Thiết kế mạch thu thập trung tâm

2.3.1 Sơ đồ khối

2.3.2 Truyền thông nối tiếp không đồng bộ

Trong quá trình làm việc các vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu cho nhau, ví dụ tình huống Master truyền lệnh cho Slaver hoặc Slaver gửi tín hiệu thu thập được về Master xử lý Giả sử dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bit, chúng ta có thể

sẽ nghĩ đến cách kết nối đơn giản nhất là kết nối 1 Port (8 bit) của mỗi vi điều khiển với nhau, mỗi đường trên Port sẽ chịu trách nhiệm truyền nhận 1 bit dữ liệu Đây gọi

là cách giao tiếp song song, cách này là cách đơn giản nhất vì dữ liệu được xuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào và vì thế tốc độ truyền cũng rất nhanh Tuy nhiên, nhược điểm của cách truyền này là số đường truyền quá nhiều, nếu dữ liệu có giá trị càng lớn thì số đường truyền cũng sẽ nhiều thêm Hệ thống truyền thông song song thường rất cồng kềnh và vì thế kém hiệu quả Truyền thông nối tiếp sẽ giải quyết vần đề này, trong tuyền thông nối tiếp dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc ít) đường truyền Vì lý do này, cho dù dữ liệu có lớn đến đâu cũng chỉ dùng rất ít đường truyền Hình 2.10 mô tả sự so sánh giữa 2 cách truyền song song và nối tiếp trong việc truyền con số 187 thập phân (tức 10111011 nhị phân)

Hình 2.11 Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp

Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp so với song song là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khi truyền nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn nhất định

Khái niệm “đồng bộ” để chỉ sự “báo trước” trong quá trình truyền Lấy ví dụ thiết bị 1(tb1) kết nối với thiết bị 2 (tb2) bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp Mỗi lần tb1 muốn gửi 1 bit dữ liệu, tb1 điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho tb2 sẵn sàng nhận một bit Bằng cách “báo

trước” này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền/nhận dễ dàng Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình (send or receive)

Khác với cách truyền đồng bộ, truyền thông “không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một quá trình “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến Ví dụ 2 thiết bị đang giao tiếp với nhau theo phương pháp này, chúng đã được quy định rằng cứ 1ms thì sẽ có 1 bit dữ liệu truyền đến, như thế thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra và đọc đường truyền mỗi mili-giây để đọc các bit dữ liệu và sau đó kết hợp chúng lại thành dữ liệu có ý nghĩa Truyền thông nối tiếp không đồng bộ vì thế hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ (không cần nhiều đường truyền) Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng

2.3.3 Tích hợp truyền thông không dây

Hình 2.12 module nRF24L01

Hình 2.14 Các chân bộ thu phát không dây nRF24L01

Bảng 2.4 Chức năng các chân bộ thu phát không dây

11 VDD_PA Nguồn ra Đầu ra nguồn 1,8V cho mạch khuyếch

đại bên trong

16 IREF Nguồn ra Dòng điện tham chiếu, kết nối 1 điện