Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo và giám sát nồng độ bụi thông minh có tích hợp truyền thông không dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI    TRẦN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ GIÁM SÁT NỒNG ĐỘ BỤI THƠNG MINH CĨ TÍCH HỢP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ Hà Nội – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI    TRẦN ANH TUẤN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ GIÁM SÁT NỒNG ĐỘ BỤI THƠNG MINH CĨ TÍCH HỢP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS BÙI ĐĂNG THẢNH Hà Nội - 2014 MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI CAM ĐOAN iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG vii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: HIỆN TRẠNG VỀ BỤI Ở VIỆT NAM 1.1 TỔNG QUAN VỀ BỤI 1.1.1 Khái niệm bụi 1.1.2 Tác hại bụi: 1.1.3 Nguồn gốc phát sinh bụi: 1.2 HIỆN TRẠNG VỀ BỤI Ở VIỆT NAM 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ BỤI 2.1 PHƢƠNG PHÁP THU GOM BỤI VÀ CÂN BỤI 2.2 PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ TIA β: 2.3 PHƢƠNG PHÁP ĐIỆN MA SÁT: 13 2.4 PHƢƠNG PHÁP TÁN XẠ ÁNH SÁNG: 14 2.5 PHƢƠNG PHÁP TRỌNG LỰC (GRAVIMETRIC METHODS) 18 2.6 PHƢƠNG PHÁP HẤP THỤ ÁNH SÁNG: 19 CHƢƠNG 3:THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ BỤI KHÔNG DÂY 21 3.1 LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ 21 3.2 GIỚI THIỆU VI XỬ LÝ ATMEGA8 22 3.2.1 Đặc điểm 22 3.2.2 Cấu trúc nhớ ATmega8 24 3.2.3 Vào liệu cho thiết bị ngoại vi 26 3.2.4 Ngắt 29 i 3.2.5 Chế độ truyền thông SPI 30 3.2.6 Bộ so sánh tƣơng tự 34 3.2.7 Bộ chuyển đổi ADC 36 3.2.8 Bộ thu phát đồng USART 40 3.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 41 3.3.1 Khối hiển thị liệu LCD 42 3.3.2 Khối truyền thông RS232 44 3.3.3 Khối thu phát tín hiệu RF 46 3.3.4 Khối cảm biến đo nồng độ bụi 48 3.4 THIẾT KẾ PHẦN MỀM .51 3.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 54 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC A: MẠCH PHẦN CỨNG KHỐI MASTER 59 PHỤ LỤC B: MẠCH PHẦN CỨNG KHỐI SLAVE 60 PHỤ LỤC C: MÃ CHƢƠNG TRÌNH 61 PHỤ LỤC D: BÀI BÁO KHOA HỌC 87 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thực Các số liệu, kết nêu luận văn hồn tồn trung thực.Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu HỌC VIÊN Trần Anh Tuấn iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog – to – Digital converter Bộ chuyển đổi tƣơng tự số AVR Advanced Virtual RISC Bộ xử lý trung tâm CPU Central Processing Unit Vi điều khiển MCU Micro Controller Unit Vỏ chân cắm hai hang song song PDIP Plastic Dual Inline Package Giao diện ngoại vi nối tiếp SPI Serial Peripheral Interface Tần số vô tuyến điện RF Radio Frequency VĐK Vi điều khiển iv DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Thiết bị thu gom bụi Hình 2.2 Trình tự thực việc cân bụi Hình 2.3 Đo bụi phƣơng pháp hấp thụ tia β 10 Hình 2.4 Hình ảnh minh họa nguyên tắc suy giảm Beta 11 Hình 2.5 Quy trình đo bụi theo phƣơng pháp suy giảm β 12 Hình 2.6 Minh họa cho phƣơng pháp điện ma sát 13 Hình 2.7 Minh họa cho phƣơng pháp tán xạ thuận 15 Hình 2.8 Minh họa cho phƣơng pháp tán xạ ngƣợc 16 Hình 2.9 Nguyên tắc tán xạ ngƣợc 17 Hình 2.10 Hệ thống DDM-FC theo nguyên lý đo tán xạ ánh sáng: 17 Hình 2.11 Minh họa cho phƣơng pháp trọng lực 19 Hình 2.12 Minh họa cho phƣơng pháp hấp thụ ánh sáng 20 Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết bị đo nồng độ bụi khơng dây 22 Hình 3.2 Cấu hình chân kiểu PDIP Atemga8 23 Hình 3.3 Sơ đồ nhớ chƣơng trình ATmega8 24 Hình 3.4 Sơ đồ nhớ chƣơng trình ATmega8 25 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc khối truyền thông SPI 31 Hình 3.6 Truyền thơng SPI 33 Hình 3.7 Bộ so sánh tƣơng tự 34 Hình 3.8 Bộ chuyển đổi ADC 37 Hình 3.9 Bộ thu phát đồng USART 40 Hình 3.10 Sơ đồ phần cứng thiết bị đo nồng độ bụi không dây 41 Hình 3.11 Bộ hiển thị LCD 42 Hình 3.11 Khối hiển thị LCD thiết kế Protuse 44 Hình 3.12 Cổng truyền thơng RS232 44 Hình 3.13 Khối truyền thông RS232 thiết kế Protuse 46 Hình 3.14 Sơ đồ khối RF24L01 46 v Hình 3.15 Khối thu phát tín hiệu RF thiết kế Protuse 48 Hình 3.16 Cấu tạo cảm biến GP2Y1010AU0F 49 Hình 3.17 Dạng xung gửi đến chân số 50 Hình 3.18 Đặc tính điện áp đầu nồng độ bụi cảm biến GP2Y1010AU0F .50 Hình 3.19 Khối cảm biến GP2Y1010AU0F thiết kế Protuse 51 Hình 3.20 Lƣu đồ thuật tốn khối Master 52 Hình 3.21 Lƣu đồ thuật tốn khối Slave (khối thu) 53 Hình 3.22 Giao diện máy tính 54 Hình 3.23 Mạch thực khối Master (mạch phát tín hiệu) 54 Hình 3.24 Mạch Slave (mạch thu tín hiệu) 55 Hình 3.25 Mạch Master Slave mơ hình chạy thực nghiệm 55 Hình 3.26 Kết đo nồng độ bụi theo thời gian 56 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Định nghĩa chân vào 28 Bảng 3.2 Bảng ghi địa chúng cho PORT 28 Bảng 3.3 Bảng giá trị theo tổ hợp bit nhƣ sau 32 Bảng 3.4 Bảng giá trị theo hai bit điều khiển nhƣ sau 36 Bảng 3.5 Các chân kết nối LCD với ATMEGA8 43 Bảng 3.6 Các chân kết nối cổng COM với MAX232 45 Bảng 3.7 Các chân kết nối MAX232 với ATMEGA8 45 Bảng 3.8 Chức chân RF24L01 46 Bảng 3.9 Các chân kết RF24L01 với Atmega8 47 vii LỜI MỞ ĐẦU Ơ nhiễm mơi trƣờng ngày trở lên nghiêm trọng tồn cầu Nó khơng ảnh hƣởng đến sinh hoạt hàng ngày ngƣời mà làm tổn hại đến sức khỏe cộng đồng Ô nhiễm khơng khí vấn đề lớn cần đƣợc quan tâm xem xét Việt Nam tốc độ thị hóa ngày phát triển kéo theo lƣợng khí thải nhà máy, xí nghiệp sinh hoạt hàng ngày gây ngày tăng Để kiểm sốt tốt đƣợc nồng độ bụi bẩn khơng khí cần thiết phải có thiết bị đo giám sát thông số Hiện nay, thị trƣờng có số loại thiết bị đo nồng độ bụi nhiên giá thành đắt chủ yếu nhập nƣớc ngồi Mục đích luận văn thiết kế thiết bị đo nồng độ bụi thơng minh có khả hiển thị kết cách xác thân thiện với ngƣời dùng Luận văn “Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo giám sát nồng độ bụi thơng minh có tích hợp truyền thơng khơng dây’’gồm chƣơng Chương 1: Hiện trạng bụi Việt Nam Chương 2: Các phương pháp đo nồng độ bụi Chương 3: Thiết kế chế tạo thiết bị đo nồng độ bụi không dây Chương 4: Kết luận kiến nghị Để hoàn thành luận văn này, học viên chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Bùi Đăng Thảnh thầy, Trƣờng ĐHBK Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Tuy cố gắng hết sức, nhƣng thời gian kiến thức cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, em mong bổ sung, góp ý thầy cơ! năm 2014 Hà Nộ HỌC VIÊN THỰC HIỆN Trần Anh Tuấn } privatevoid zedGraphControl1_Load(object sender, EventArgs e) { } } } 76 LẬP TRÌNH CODE KHỐI PHÁT: MASTE /***************************************************** This program was produced by the CodeWizardAVR V2.05.6 Evaluation Automatic Program Generator © Copyright 1998-2012 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l http://www.hpinfotech.com Project : Do nong bui Version : V2 Date : 10/17/2013 Author :Tran Anh Tuan Company : 2012BDKTD Comments: Chip type : ATmega8 Program type : Application AVR Core Clock frequency: 1.000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include #include #include #include #include 77 #include "NRF24L01.h" //*******Khai bao thang do***********// #define thangdo0 #define thangdo1 #define thangdo2 #define MAX 1023 //******Khai bao bien toan cuc********// float ndbui=0; unsigned char dis[10],thangdo=0; #define ADC_VREF_TYPE 0x00 // Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } //**********************************************// char xacdinh_thangdo() { unsigned int x,y,z; 78 PORTC.3=0; delay_us(280);//0.28ms x=read_adc(0); delay_us(40);//0.04ms PORTC.3=1; delay_us(9680); // PORTC.3=0; delay_us(280);//0.28ms y=read_adc(1); delay_us(40);//0.04ms PORTC.3=1; delay_us(9680); // PORTC.3=0; delay_us(280);//0.28ms z=read_adc(2); delay_us(40);//0.04ms PORTC.3=1; delay_us(9680); if(x>=MAX) { if(y>=MAX) { ndbui=z; return thangdo2; } else { 79 ndbui=y; return thangdo1; } } else { ndbui=x; return thangdo0; } } //********************************// float noi_suy(float x1,float y1,float x2,float y2,float x) { return (y1+(((x-x1)*(y1-y2))/(x1-x2))); } /***************************************/ void docnong_dobui() { if(ndbui