Ngày nay, nhu cầu về sức khỏe của con ngươi ngày càng tăng cao, đặc biệt trong thời buổi bệnh dịch hiện nay. Vậy nên mọi người rất quan tâm đến các thông số, số liệu về các chỉ số chất lượng của các đại lượng môi trường xung quanh. Tuy đất nước đã có những biện pháp giảm thiểu việc di chuyển trong tình hình bệnh dịch nhưng vấn đề ô nhiễm không khí vẫn là vấn đề đau đầu và vẫn gia tăng, nhất là những thành phố lớn như Hà Nội. Vì vậy việc đo các chỉ số về chất lượng không khí là cần thiết. Thứ nhất là để người dân biết được để bảo vệ bản thân. Thứ hai, những cơ quan chức năng có thể nắm bắt và có những biện pháp cụ thể thích hợp, để giảm thiểu tình trạng này. Nắm bắt được những nhu cầu đó nên đề tài “ Thiết kế, xây dựng hệ thống quan trăc bụi” ra đời.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN KĨ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP .*** ĐỒ ÁN THIẾT KẾ (HỆ ĐẠI HỌC CHÍNH QUY) ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU, XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC BỤI Sinh viên thực : Lê Hữu hòa Mã số sinh viên : 20173886 Lớp : ĐK-TĐH 04 K62 Giảng viên hướng dẫn : GS TS Phạm Thị Ngọc Yến Hà Nội, 12-2021 i Mục lục Chương I: Chuẩn bụi đời sống môi trường làm việc Bụi gì? Phân loại thành phần Bụi mịn Phạm vi đo nồng độ bụi khơng khí 13 Chương II Công nghệ đo bụi phương pháp xác định hàm lượng bụi 14 Công nghệ đo bụi 14 1.1 Module phân tích khí 14 1.2 Công nghệ lazer, diode quang 14 Phương pháp xác định 14 A Xác định nồng độ bụi toàn phần phương pháp trọng lượng (Cân giấy lọc) 14 1.1 Nguyên lý 14 1.2 Phương pháp xác định 14 B Xác định nồng độ bụi hô hấp phương pháp trọng lượng (Cân giấy lọc) 18 1.1 Nguyên lý 18 1.2 Phương pháp xác định 18 C Xác định nồng độ bụi toàn phần bụi hô hấp thiết bị đo bụi điện tử 22 1.1 Nguyên lý 22 1.2 Phương pháp xác định 22 Bảo quản thiết bị 24 Chuẩn đo lường 24 4.1 Phạm vi áp dụng 24 4.2 Chuẩn đo lường 24 Thiết bị đo bụi 25 5.1 Định nghĩa 25 5.2 Công dụng 25 5.3 Phân loại 25 5.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng máy đo nồng độ bụi 29 5.5 Một số thiết bị đo 30 Metone Aerocet-831 30 Metone BT-645 30 Chương III Thiết kế thiết bị đo bụi 30 Yêu cầu toán 30 Lựa chọn phần cứng 30 2.1 Tìm hiểu ARM COTEX M3 30 2.1.1 Tổng quan ARM COTEX 30 2.1.2 Các phiên kiến trúc ARM 31 2.1.3 Đơn vị xử lí trung tâm Cortex (Cortex CPU) 33 2.1.4 Kiến trúc hệ thống ARM CORTEX 38 2.1.5 Cấu trúc nhớ 38 2.2 Vi xử lí STM32 39 2.3 Cảm biến 40 2.4 Màn hình LCD 43 Thiết kế 44 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 44 3.2 Sơ đồ thiết kế 48 Chương IV Kết Luận Phát Triển 48 Tài liệu tham khảo: 48 Danh mục hình ảnh: Hình 1: Thành phân bụi Hình : Kích thước bụi Hình 3: Nguồn gốc bụi 10 Hình 4: Ảnh hưởng bụi 11 Hình 5: Máy đo nồng độ bụi HT9600 26 Hình 6: Máy đo độ bụi - model: HD-110 27 Hình 7: Máy đo bụi Kanomax 3521 28 Hình Các phiên kiến trúc lõi ARM 31 Hình Bộ xử lí Cortex đơn vị xử lí trung tâm Cortex 32 Hình 10 Kiến trúc đường ống ARM Cortex 33 Hình 11 Kiến trúc load store ARM Cortex-M3 33 Hình 12 Mơ hình lập trình ARM Cortex-M 34 Hình 13 Thanh ghi trạng thái chương trình CPU Cortex 34 Hình 14 Mơ hình hoạt động chế độ Thread Handler 35 Hình 15 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý Cortex 36 Hình 16 Bản đồ nhớ tuyến tính 4Gbyte xử lý Cortex-M 37 Hình 17 Hệ thống Bus nội ARM 38 Hình 18 Cấu trúc nhớ ARM 39 Hình 19 Sơ đồ chân ARM M3 40 Hình 20 Cảm biến SDS011 41 Hình 21 Xung đầu PWM 43 Hình 22 Sơ đồ chân LCD 44 Hình 23 Chân nguồn vi điều khiển 45 Hình 24: Mạch reset vi điều khiển 46 Hình 25 Mạch tạo xung cho vi điều khiển 47 Hình 26 Mạch boot vi điều khiển 48 Danh mục bảng số liệu: Bảng 1: Số liêu chất lượng khơng khí New Delhi (17/9/2014) 12 Bảng 2: Mức số chất lượng khơng khí Việt Nam (12/11/2019) 12 Bảng Giá trị giới hạn thông số khơng khí xung quanh[4] 13 Bảng 4: Một số thiết bị đo bụi [8] 30 Bảng 5: Chân vào cảm biến SDS011 42 Bảng Giao thức truyền thông cảm biến SDS011 42 Lời nói đầu Ngày nay, nhu cầu sức khỏe ngày tăng cao, đặc biệt thời buổi bệnh dịch Vậy nên người quan tâm đến thông số, số liệu số chất lượng đại lượng môi trường xung quanh Tuy đất nước có biện pháp giảm thiểu việc di chuyển tình hình bệnh dịch vấn đề nhiễm khơng khí vấn đề đau đầu gia tăng, thành phố lớn Hà Nội Vì việc đo số chất lượng khơng khí cần thiết Thứ để người dân biết để bảo vệ thân Thứ hai, quan chức nắm bắt có biện pháp cụ thể thích hợp, để giảm thiểu tình trạng Nắm bắt nhu cầu nên đề tài “ Thiết kế, xây dựng hệ thống quan trăc bụi” đời Nội dung đồ án gồm phần sau: Chương I: Chuẩn bụi đời sống, môi trường làm việc Chương II: Công nghệ đo bụi phương pháp xác định gàm lượng bụi Chương III: Thiết kế thiết bị đo bụi Chương IV: Kết luận phát triển Em xin cơm ơn cô Phạm Thị Ngọc Yến thầy cô mơn hướng dẫn nhiệt tình, giúp đỡ để em hoàn thành đồ án Do thời gian làm đồ án ngắn khả hạn chế, chắn đồ án cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận sư đóng góp thầy bạn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Chương I: Chuẩn bụi đời sống mơi trường làm việc Bụi gì? Phân loại thành phần Bụi hạt vật chất khơng khí Bụi thường phân loại theo kích thước – Bụi tồn phần: Là bụi giải kích thước hạt có đường kính khí động học nhỏ 100 µm – Bụi hơ hấp: Là bụi giải kích thước hạt có đường kính khí động học nhỏ µm – Bụi lắng: Là bụi lắng đọng xuống bề mặt nhà xưởng, máy móc, thiết bị Hình 1: Thành phân bụi Nguồn phát sinh bụi môi trường Nguồn phát sinh: bao gồm sinh tự nhiên hoạt động người – Trong tự nhiên: bụi tự nhiên sinh hoạt động cháy rừng, khói núi lửa, bão bụi, lốc xoáy… – Hoạt động người: Các hoạt động sản xuất, chế tạo, chế biến nhà máy, khu cơng nghiệp ngun nhân phát sinh bụi Tác hại bụi sức khỏe người – Đối với bụi tồn phần có kích thước 10 micromét vào đường hơ hấp chất nhầy, lông, tiêm mao, đường hô hấp giữ lại trừ thông qua ho, hắt xì hơi, gỉ mũi, khạc đờm… – Đối với bụi hơ hấp có kích thước nhỏ cơng nhân hít phải tiến sâu mắc kẹt lại quan phổi, phế quản tiếp xúc lâu dài, tích lũy lại gây bệnh hô hấp gọi bện bụi phổi Tùy theo loại bụi xâm nhập nhân bị bệnh bủi phổi tương ứng: bụi phổi silic, bụi phổi amiăng, bụi phổi bông, bụi phổi than, bụi phổi talc, bệnh viêm phế quản mãn tính, bệnh hen,….[1] Vì đồ án lần hướng đến chuẩn bụi đời sống, khu dân cư nên loại bụi môi trường nhà máy như: bụi amiăng, bụi silic, bụi bông, bụi than… không đề cập Chúng ta giới hạn bụi mịn phần đề cập cụ thể bụi mịn ảnh hưởng lên mơi trường người Bụi mịn Bụi mịn hay gọi bụi PM (Paticulate Matter) phân loại dựa đặc tính học ảnh hưởng tới sức khỏe chúng phân làm 02 loại bụi PM sau: bụi PM10 hạt bụi có đường kính học nhỏ 10 µm, bụi PM2.5 hạt bụi có đường kính học nhỏ 2.5 µm Trong bụi PM2.5 phân loại bụi khác PM1, hạt bụi có đường kính học nhỏ µm hay cịn gọi với tên khác bụi siêu mịn (Ultrafine Particles) Hình : Kích thước bụi Nguồn gốc bụi mịn Các hạt bụi mịn PM 2.5 PM 10, PM 1.0 sinh từ tự nhiên cháy rừng, bụi sa mạc, khói núi lửa, bão cát, lốc xoáy, từ chất thải sinh vật phấn hoa, bào tử nấm, nước thải côn trùng Nhưng đa phần bụi tạo từ hoạt động người: từ khí thải phương tiện giao thông, hoạt động nhà máy công nghiệp, hoạt động xây dựng, đốt rơm rạ nông nghiệp, hoạt động sinh hoạt hộ gia đình (đặc biệt đun nấu sưởi ấm than, củi), từ khói thuốc lá… Hầu hết hạt hình thành khí kết phản ứng phức tạp hóa chất sulfur dioxide nitơ oxit, chất gây ô nhiễm phát từ nhà máy điện, hoạt động công nghiệp ơtơ Hình 3: Nguồn gốc bụi Ảnh hưởng đến người Khi nồng độ bụi mịn pm2.5 pm10 khơng khí ngồi trời tăng lên làm cho khơng khí bị mờ tầm nhìn bị giảm trơng giống sương mù Bụi mịn dễ dàng xâm nhập vào thể người thông qua đường hô hấp gây nên số bệnh nguy hiểm đột quỵ, tim mạch, ung thư Người thường xuyên phải tiếp xúc với bụi mịn gặp phải vấn đề sức khỏe hắt hơi, sổ mũi, khó thở, khơ mắt tiếp xúc lâu dài làm gia tăng tỷ lệ giảm chức phổi, viêm phế quản mãn tính tăng tỷ lệ tử vong ung thư phổi bệnh tim người bệnh Theo thống kê năm, bụi mịn pm2.5 tăng 10μg/m3, đồng nghĩa với việc số bệnh nhân cấp cứu bệnh cao huyết áp tăng 8% bệnh tim mạch tăng lên đáng kể Ngoài mối nguy hiểm kể bụi mịn pm2.5 cịn mệnh danh sát thủ thúc đẩy, làm đẩy nhanh trình tiến triển bệnh xơ gan làm tăng nguy mắc bệnh chuyển hóa rối loạn chức gan, góp phần vào phát triển bệnh tiểu đường 10 đa giá trị tối thiểu • Giống tập lệnh ARM32-bit, lệnh Thumb-2 thực mã điều kiện lệnh phù hợp với trạng thái cờ ghi trạng thái chương trình ứngdụng (Application Program Status Register) Nếu mã điều kiện lệnh khơng phù hợp, lệnh ngang qua đường ống lệnh NOP (lệnh không làm cả) Điều đảm bảo lệnh qua đường ống cách trơn tru giảm thiểu làm rỗng đường ống 2.1.3.4 Các chế độ hoạt động CPU Bộ xử lý Cortex có hai chế độ hoạt động: chế độ Thread chế độ Handler CPU chạy chế độ Thread thực thi chế độ khơng có ngắt xảy chuyển sang chế độ Handler thực thi ngắt đặc biệt (exceptions) Ngoài ra, CPU Cortex thực thi mã chế độ đặc quyền không đặc quyền (privileged or non-privileged mode) Trong chế độ đặc quyền, CPU có quyền truy cập tất lệnh Trong chế độ không co đặc quyền, số lệnh bị cấm truy cập (như lệnh MRS MSR cho phép truy cập vào xPSR trường nó) Ngồi ra, việc cập ghi điều khiển hệ thống vi xử lý Cortex bị cấm Cách sử dụng ngăn xếp (stack) cấu hình Ngăn xếp (main stackR13) sử dụng hai chế độ Thread Handler Chế độ Handler cấu hình để sử dụng ngăn xếp trình (process stack-R13 banked register) Hình 14 Mơ hình hoạt động chế độ Thread Handler Sau reset, xử lý Cortex chạy cấu hình phẳng (flat configuration) Cả hai chế độ Thread Handler thực thi chế độ đặc quyền (privileged mode), đó, khơng có giới hạn quyền truy cập vào tài nguyên xử lý Cả hai chế độ Thread Handler sử dụng ngăn xếp [10] 35 2.1.3.5 Tập lệnh Thumb-2 Các CPU ARM7 ARM9 thực thi hai tập lệnh: ARM 32-bit Thumb 16-bit Điều cho phép người phát triển để tối ưu hố chương trình cách lựa chọn tập lệnh sử dụng cho thủ tục khác nhau: lệnh 32-bit để tăng tốc độ xử lí lệnh 16bit để nén mã chương trình CPU Cortex thiết kế để thực thi tập lệnh Thumb-2, pha trộn lệnh 16-bit 32-bit Tập lệnh thumb-2 cải tiến 26% mật độ mã so với tập lệnh ARM 32-bit 25% hiệu suất so với tập lệnh Thumb 16-bit Tập lệnh Thumb2 có số lệnh nhân cải tiến, thực chu kì đơn khả thực phép chia phần cứng từ 2-7 chu kỳ Hình 15 Đồ thị biểu diễn hiệu xử lý Cortex Điểm chuẩn xử lý Cortex (Cortex processor benchmark) cho mức độ thực 1,25 DMIPS/MHz, cao so với ARM7 (0.95 DMIPS/MHz với tập lệnh ARM 0.74 DMIPS/MHz với tập lệnh Thumb) ARM9 [10] 2.1.3.6.Bản đồ nhớ (Memory Map) Bộ xử lý Cortex-M3 lõi vi điều khiển tiêu chuẩn hóa, có đồ nhớ xác định Mặc dù có nhiều bus nội, đồ nhớ khơng gian địa Gbyte tuyến tính Bản đồ nhớ chung cho tất thiết bị dựa lõi Cortex 36 Hình 16 Bản đồ nhớ tuyến tính 4Gbyte xử lý Cortex-M Một Gbyte nhớ chia cho vùng mã (code region) vùng SRAM (SRAM region) Khơng gian mã tối ưu hóa để thực thi từ bus I-Code Tương tự, SRAM nối đến bus D-Code Mặc dù mã nạp thực thi từ SRAM, lệnh lấy cách sử dụng bus hệ thống, phải chịu thêm trạng thái chờ (an extra wait state) Tức mã chạy SRAM chậm so với từ nhớ Flash chip (on-chip) nằm vùng mã Vùng 0,5 Gbyte nhớ vùng ngoại vi chip, tất thiết bị ngoại vi cung cấp nhà sản xuất vi điều khiển đặt vùng Vùng Mbyte gồm SRAM (màu vàng nhạt) vùng ngoại vi (màu hồng nhạt) định địa theo bit, sử dụng kỹ thuật gọi dải bit (bit banding) Từ tất SRAM thiết bị ngoại vi người dùng (user peripherals) STM32 đặt vùng này, tất vị trí nhớ vùng STM32 thao tác theo word-wide bitwise Không gian địa Gbyte phân cho nhớ ngoài- ánh xạ SRAM thiết bị ngoại vi (external RAM external Device) Vùng 0,5 Gbyte cuối phân cho thiết bị ngoại vi bên xử lí Cortex khu vực dành cho cải tiến tương lai nhà sản xuất chip cho xử lý Cortex Tất ghi xử lý Cortex đặt vị trí cố định cho tất vi điều khiển dựa lõi Cortex Điều cho phép mã 37 chương trình dễ dàng chuyển biến thể STM32 khác vi điều khiển dựa lõi Cortex nhà sản xuất chip khác [10] 2.1.4 Kiến trúc hệ thống ARM CORTEX ARM Cortex STM32 gồm nhân Cortex kết nối với nhớ FLASH thông qua đường bus lệnh chuyên biệt Các bus liệu(Cortex Data busses) hệ thống (Cortex System busses) kết nối tới ma trận busses tốc độ cao( ARM Advanced High Speed Busses- AHB) SRAM nội kết nối với AHB đóng vai trị DMA Các thiết bị ngoại vi kết nối hệ thống bus ngoại vi tốc độ cao ( APB-ARM Advanced Peripheral Busses) Các bus APBs thông qua bus cầu nối AHB-APBs kết nối vào hệ thống AHB Ma trận bus AHB sử dụng xung nhịp đồng hồ với xung nhịp nhân Cortex Tuy nhiên thông qua chia tần số AHB hoạt động tần số thấp nhằm tiết kiệm lượng Hình 17 Hệ thống Bus nội ARM Cấu trúc bus nội cung cấp đường truyền chuyên biệt dành cho tập lệnh thực thi ma trận bus đường liệu cho nhân Cortex điều khiển DMA truy cập tài nguyên vi xử lý 2.1.5 Cấu trúc nhớ Bên cạnh hệ thống bus nội đa dạng STM32 cịn cung cấp 4Gbytes khơng gian nhớ liên tục dành cho lập trình Bộ nhớ địa 0x00000000.On-chip SRAM địa 0x20000000 tất SRAM nội bố trí điểm bắt đầu vùng bit band Vùng nhớ thiết bị ngoại vi ánh xạ từ địa 0x40000000 vùng bit band Các ghi điều khiển nhân Cortex ánh xạ từ địa 0xE0000000 38 Hình 18 Cấu trúc nhớ ARM Vùng nhớ dành cho flash chia nhỏ thành vùng Vùng thứ gọi User Flash địa 0x00000000 Kế tiếp System Memory hay gọi vùng nhớ lớn Vùng có độ lớn 4Kbytes thông thường nhà sản xuất cài đặt bootloader Cuối vùng nhớ nhỏ địa 0x1FFFFF80 chứa thơng tin cấu hình dành cho STM32 Bootloader thường dùng để tải chương trình thơng qua USART1 chứa vùng User Flash [10] 2.2 Vi xử lí STM32 Vi điều khiển STM32F103C8T6 họ vi điều khiển 32 bit hãng TexasInstrument với • 64-128 Kb nhớ Flash • USB 2.0 full-speed • Timer • ADC giao diện kết nối • Lõi: ARM 32 bit Cortex-M3 • Tần số hoạt động lên tới 72 Mhz • Bộ nhớ: 64-128 Kb Flash, 20 Kb SRAM ã ADC: 2ì12 bit, tn số lấy mẫu 1Mhz • DAC: khơng • DMA: Điều khiển kênh DMA • Timer: bộ, 16 bit 39 • Giao diện kết nối: 2xI2C, 3xUSART, 2xSPI, CAN, USB 2.0 full-speed • Kiểu chân: VFQFPN36, UFQFPN48, BGA100, LQFP48, LQFP64, LQFP100 • Ứng dụng: ❖ Điều khiển động ❖ Thiết bị cầm tay thiết bị y tế ❖ Ứng dụng công nghiệp ❖ PLC ❖ Inverters ❖ Hệ thống cảnh báo ❖ HVAC Hình 19 Sơ đồ chân ARM M3 2.3 Cảm biến Cảm Biến SDS011[11] Cảm biến bụi quang học đo chất lượng khơng khí xác cáchđo hạt khơng khí bụi dựa phát laser 40 Hình 20 Cảm biến SDS011 THƠNG SỐ KỸ THUẬT • • • • • • • • Điện áp: 4.7 – 5.3V DC Công suất tiêu thụ: 70mA ± 10mA (khi hoạt động),