Ý tưởng một hệ thống kiểm soát trạng thái chất thải bể phốt

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÀO CAI CUỘC THI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KĨ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI CHẤT THẢI BỂ KHỐT LĨNH VỰC: KĨ THUẬT CƠ KHÍ A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Với sống sinh hoạt thường ngày người, với việc sản xuất thải lượng lớn chất thải ngày với lượng lớn, chất thải thải trực tiếp bên ngồi mơi trường làm ô nhiễm cảnh quan thiên nhiên ảnh hưởng xấu tới sức khỏe người Bể phốt lại nơi chứa nhiều chất thải, bốc mùi hôi, thối hệ thống bể phốt phải kín, việc kiểm tra dung tích bể phốt thường xuyên gây nhiều trở ngại, việc hút chất thải bể khốt thường gia đình, trường học… thực bị đầy, gây tắc bốc mùi gây nhiễm thực tế chưa có thiết bị hỗ trợ kiểm tra dung tích bể phốt báo cho người xử lí trước gây tắc gây ô nhiễm Trong thời đại nay, khoa học kỹ thuật phát triển, việc sử dụng hệ thống cảm biến dễ dàng giải vấn đề đặt cách hiệu mà giá thành không đắt, nhóm nghiên cứu chúng em đưa ý tưởng tạo “HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI CHẤT THẢI BỂ PHỐT ” đưa thơng báo cho người sử dụng tình trạng chứa bể phốt kịp thời xử lý tránh gây tắc đường nước thải gây mùi ô nhiễm Thông qua thơng tin tìm hiểu qua tài liệu, mạng Internet giúp đỡ giáo viên nhà trường, chúng em tìm nguyên lý, cách để lập trình tích hợp cảm biến đo khoảng cách vào mạch mã nguồn mở ARDUINO UNO để giải vấn đề, sản phẩm dễ dàng sử dụng hộ gia đình B VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU Mô tả thực tế, vấn đề cần nghiên cứu Bởi nhu cầu sử dụng người dân ngày lớn, nên chất thải ngày nhiều nên bể phốt hay bể tự hoại- nơi chứa chất thải sinh hoạt ngày người dễ tình trạng đầy mà hộ gia đình sử dụng khơng hay biết dẫn tới tình trạng tràn bể phốt gây nhiễm Vì hệ thống xử lý chất thải khép kín nên việc kiểm tra bất tiện Ngày nay, nhiều khu đô thị, xí nghiệp ngày nhiều sở hạ tầng hệ thống nước hạn chế nên có mưa nhiều, nước ngập tràn vào hệ thống nước thải gia đình, quan, xí nghiệp làm nước thải bể khốt tràn ngược bên ngồi gây nhiễm Thơng qua trình khảo sát 45 hộ gia đình: Thông qua biểu ( mùi hôi, bồn cầu nước xuống chậm) Hộ gia đình Sử dụng biện pháp thủ công ( dùng thước đo thông thường) 41 Sử dụng cơng nghệ Thơng qua q trình khảo sát hộ gia đình: Có tới 90% hộ gia đình nhận biết bể phốt đầy thơng qua biểu bốc mùi, nước xả chậm, Còn lại sử dụng biện pháp đo thủ công (sử dụng thước đo, ống đo thông thường) chưa có hộ gia đình sử dụng cơng nghệ để nhận biết thông tin trạng thái mức chất thải Do ứng dụng cơng nghệ kĩ thuật điện tử để thiết kế hệ thống tự động đo mức chất thải bể phốt báo cho người sử dụng biết để xử lý cần thiết đặc biệt nơi có dân cư đơng đúc tránh gây tượng tràn bể phốt ảnh hưởng tới cảnh quan xung quanh, sức khỏe người Xác định tiêu chí cho giải pháp - Căn kích thước chiều sâu bể khốt, xác định mức độ đầy chất thải, mức độ cạn bể khốt - Để nhận biết chất thải bể khốt mức nào, sử dụng cảm biến đo khoảng cách kết nối bo mạch chủ Arduino lập trình sẵn - Để thị kết đo cảnh báo cho người sử dụng biết mức độ chất thải, sử dụng đèn led màu khác bật sáng (hoặc còi kêu) hiển thị khoảng cách thơng báo hình LCD mức độ: + Mức cạn + Mức an toàn + Mức đầy + Mức đầy - Khi báo bể đầy, kích hoạt rơ le máy bơm Nếu có phương tiện chở chất thải xử lý nhấn công tắc nối tiếp rơ le để máy bơm hoạt động thực bơm chất thải khỏi bể phốt, khơng khơng ấn cơng tắc để khơng bơm Hệ thống máy bơm tự động ngắt đèn báo tắt bể cạn - Thiết kế nhỏ gọn, sử dụng cho bể khốt gia đình, quan, xí nghiệp - Giá thành thiết bị rẻ, phù hợp nhu cầu người sử dụng Lí giải tính cấp thiết - Ở lĩnh vực này, thị trường chưa có nhiều giải pháp ưu việt, có biện pháp đơn giản sử dụng que đo độ cao ống chất thải hữu bể phốt, sử dụng vi sinh, Gây khó khăn cho hộ gia đình, người sử dụng trình sinh hoạt - Tình trạng tràn, đầy bể phốt diễn nhiều nơi, chưa có biện pháp xử lý thích hợp, gây nhiễm cảnh quan xung quanh - Đồng thời chất thải tràn chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh hệ tiêu hóa, nhiều khí độc hại SO2, H2S, CH4 gây hại cho sức khỏe người cụ thể gây hại cho đường hô hấp - Tình trạng đầy bể phốt kéo dài khơng cịn khơng gian để chứa chất xả thải Thì đường ống dẫn thải thường xuyên gặp phải tình trạng tắc nghẽn, ứ đọng chất thải sau sử dụng Gây hư hỏng hệ thống bể phốt - Bể phốt tràn, dễ dẫn tới tắc nghẽn đường ống phát tán nước qua xử lý - Môi trường bị ảnh hưởng nặng nề, tượng tràn bể phốt phần gây nên tác động lớn với mơi trường Từ lý nhóm em đưa ý tưởng nghiên cứu, chế tạo HỆ THỐNG KIỂM SOÁT TRẠNG THÁI CHẤT THẢI BỂ PHỐT C THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP Các giải pháp biết Thơng qua việc tìm hiểu thực tế mạng Internet kết hợp với khảo sát nhỏ nhóm nghiên cứu chúng em nhận thấy, đề tài lĩnh vực chưa có giải pháp tối ưu, mà nhận biết trạng bể phốt thông qua biểu hệ thống vệ sinh, ngồi cịn có số biện pháp như: Hút bể phốt: biện pháp hữu hiệu nhất, sử dụng phổ biến nhiên hộ gia đình đơn dựa vào vài biểu mà cho bể phốt đầy Bổ sung lợi khuẩn: bổ sung lợi khuẩn nhằm giúp chất thải tự tiêu hủy Từ giảm chất thải tạo thêm khơng gian chứa bể Tuy nhiên bạn phải thực thường xuyên để bể phốt rơi vào tình trạng đầy không mang lại hiệu giá trị kinh tế buộc người dùng phải thường xuyên kiểm tra dẫn tới nhiều bất tiện Ngồi cịn xử lý bể phốt đầy cách thả cá lóc vào bể : biện pháp thủ công trước phát minh dụng cụ hút bể phốt Hạn chế biện pháp hạn chế mặt kinh tế, thời gian, hệ thống lớn việc thả cá vào bể nhiều chi phí đồng thời khơng thể trì thời gian dài, hệ thống bể phốt hệ thống khép kín thả cá buộc người dùng phải mở nắp từ nhiều loại khí bay ra, bốc mùi thối nhiều loại khí độc hại ảnh hưởng tới sức khỏe cảnh quan xung quanh => Các biện pháp hầu hết mang tính giải tạm thời, chưa phải giải pháp hiệu nhất, Từ biện pháp nêu trên, nhóm em nhận thấy biện pháp cịn chưa hợp lý, chưa đem lại hiệu suất hiệu cao Thơng qua việc tìm hiểu kiến thức thân nhóm em tích hợp tìm giải pháp thiết kế hệ thống cảnh báo tình trạng tràn, đầy bể phốt tích hợp hệ thống bơm trực tiếp tránh gây tràn bể phốt Tìm hiểu cách giải pháp để giải vấn đề Vì đề tài hướng tới nghiên cứu hệ thống đo mơi trường kín cần sử dụng loại cảm biến thích hợp với mục đích đo khoảng cách Phương án 1: Chế tạo hệ thống kiểm soát sử dụng cảm biến tiệm cận - Ưu điểm: + Giá thành cảm biến rẻ + Nhỏ gọn - Nhược điểm: + Khoảng cách đo khoảng 30mm Với khoảng cách này, cảm biến tiệm cận sử dụng trường hợp đo gần, khoảng cách bể phốt chưa đáp ứng nhu cầu sử dụng Phương án : Sử dụng cảm biến hồng ngoại - Ưu điểm: + Giá thành rẻ + Độ nhạy bén cao - Nhược điểm: + Góc quét có điểm chết + Dễ bị ảnh hưởng nhiệt độ khắc nghiệt, chất lỏng cắt, hóa chất Tuy biến có độ xác cao, cần có yếu tố nhiệt độ, khoảng cách chưa đảm bảo yêu cầu sử dụng Phương án : Sử dụng cảm biến laser - Ưu điểm + Độ xác cao + Đo xa - Nhược điểm + Giá thành cao + Việc sản xuất thiết bị laser phức tạp Với mục đích hướng tới người tiêu dùng thiết bị an toàn, rẻ, chất lượng, giá thành cao, trình độ đòi hỏi kỹ thuật cao nên sử dụng loại cảm biến cần cân nhắc Phương án : Sử dụng cảm biến siêu âm - Ưu điểm: + Có thể đo khoảng cách mà khơng cần tiếp xúc với vật chất cần đo + Có thể đo mức chất lỏng có độ ăn mịn cao acid xăng, dầu,… + Độ xác cảm biến siêu âm gần tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% - Nhược điểm: + Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều nhiệt độ áp suất + Một nhược điểm khác cảm biến siêu âm dễ bị nhiễu tín hiệu nên lắp đặt, bạn cần phải lắp theo hướng dẫn nhà sản xuất Tuy nhiên nhiệt độ áp suất bể phốt khơng q cao cảm biến siêu âm sử dụng Xác định lựa chọn giải pháp phù hợp Dựa sở phân tích, nhóm lựa chọn phương án sử dụng cảm biến siêu âm, cảm biến siêu am nhạy đồng thời đo loại chất lỏng khác giá thành phù hợp, đáp ứng nhu cầu hệ thống bể phốt Các tiêu chí giải pháp lựa chọn - Đo khoảng cách chất thải mơi trường kín - Thiết kế mạch điện khoa học, đảm bảo an toàn điện - Hoạt động xác, tự động cảnh báo thơng báo cho người sử dụng biết mức độ chất thải đầy, cạn… để xử lý - Hệ thống nhỏ gọn, giá thành thấp Phát triển nguyên mẫu a Nguyên mẫu 1: * Cấu tạo thiết bị - Arduino Uno R3 - LCD 16x02 Module I2C LCD - Đèn led 5mm - Cảm biến siêu âm SRF 04 - Dây dẫn * Sơ đồ lắp đặt * Cách lắp đặt - Thiết kế hộp chứa linh kiện - Ở mặt trước hộp, ta đặt hình LCD 12C LCD - đèn led đặt mặt trước ( LCD) - Mạch Arduino mạch điện lắp đặt sau mặt trước hộp * Nguyên lý hoạt động - Lắp đặt hệ thống cảm biến, LCD kết nối với bo mạch chủ Arduino uno R3 lập trình sẵn sóng siêu âm từ đầu phát đến mặt chất cản phản xạ lại đến đầu thu cảm biến nhận, qua xử lý Arduino báo lên hình LCD cho người sử khoảng cách bể phốt Khi bể đầy, đèn led bật sáng hình LCD thị khoảng cách báo tình trạng bể đầy * Một số hạn chế nguyên mẫu 1: Người dùng biết bể phốt đầy, chưa thể nắm rõ khoảng trống cịn bể dung tích chứa cịn lại có lớn hay khơng b Ngun mẫu 2: Từ hạn chế nêu nguyên mẫu ta đưa giải pháp nguyên mẫu * Cấu tạo thiết bị - Arduino Uno R3 - LCD 16x02 Module I2C LCD - Đèn led 5mm - Cảm biến siêu âm SRF 04 - Dây dẫn * Sơ đồ lắp đặt * Cách lắp đặt - Thiết kế hộp chứa linh kiện - Ở mặt trước hộp, ta đặt hình LCD 12C LCD - đèn led, với màu khác đặt mặt trước ( LCD) - Mạch Arduino mạch điện lắp đặt sau mặt trước hộp * Nguyên lý hoạt động Tương tự nguyên mẫu nguyễn mẫu ta bổ sung thêm hệ thống đèn led báo hiệu cho người sử dụng mức độ khác nhau: + Đèn led màu trắng: biểu thị mức cạn bể phốt + Đèn led màu xanh dương: biểu thị mức an toàn + Đèn led màu vàng: biểu thị mức đầy + Đèn led màu đỏ: biểu thị mức đầy bể phốt Khi đèn báo hiệu màu khác tương ứng LCD đồng thời hiển thị trạng thái, khoảng cách ứng với mức độ - Hạn chế: khắc phục hạn chế nguyên lý nhiên vấn đề cần đặt ra, bể phốt đầy lúc ta thiết kế thêm hệ thống bơm trực tiếp có kiểm sốt để “cứu nguy” tránh tình trạng bể phốt bị tràn gây ảnh hưởng tới cảnh quan xung quanh c Nguyên mẫu (sản phẩm): * Cấu tạo thiết bị - Arduino Uno R3 - LCD 16x02 Module I2C LCD - Đèn led 5mm - Cảm biến siêu âm SRF 04 - Dây dẫn - Máy bơm mini 12V - Công tắc - Relay( rơ le) 5V - Đèn led báo relay( rơ le) * Sơ đồ lắp đặt * Cách lắp đặt - Thiết kế hộp chứa linh kiện - Ở mặt trước hộp, ta đặt hình LCD 12C LCD - đèn led, với màu khác đặt mặt trước ( LCD) - Mạch Arduino mạch điện lắp đặt sau mặt trước hộp - Relay nối với mạch Arduino phía sau - Lắp công tắc nối tiếp với relay - Bổ sung thêm đèn led để báo trạng thái hoạt động relay (bật, tắt) * Nguyên lý hoạt động - Tương tự nguyên mẫu nguyên mẫu trang bị thêm hệ thống bơm, thêm đèn led báo mở, tắt relay công tắc nối tiếp relay với bơm, bể phốt có dấu hiệu đầy, ta nhấn công tắc, relay hoạt động nối điện tới bơm, đèn báo sáng, bơm hoạt động để nước thải bơm đèn tắt hệ thống bơm tự động ngắt tức bể đầy D THỰC HIỆN VÀ KIỂM TRA Cấu tạo thiết bị a Cảm biến siêu âm SR04  Thông số kỹ thuật: - Điện áp hoạt động: 5VDC - Dòng tiêu thụ: 10~40mA - Tín hiệu giao tiếp: TTL - Chân tín hiệu: Echo, Trigger (thường dùng) Out (ít dùng) - Góc quét: