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.. Trong khi đ
TỔ NG QUAN V Ề NƯ Ớ C TH I CÔNG NGHI P VÀ PH 2 Ả Ệ
Nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp phát sinh trong quá trình sản xuất, bao gồm hai loại chính: nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất.
Nước thải sinh hoạt bao gồm nước thải từ quá trình chuẩn bị và chế biến thực phẩm tại nhà hàng, bếp ăn, cũng như nước thải phát sinh từ hoạt động của công nhân Trong khi đó, nước thải sản xuất phát sinh trong quá trình sản xuất tại các công ty, xí nghiệp, và mức độ ô nhiễm của loại nước thải này phụ thuộc vào nguyên liệu và công nghệ sản xuất được sử dụng.
Tốc độ phát triển công nghiệp, đô thị hóa và gia tăng dân số đang tạo áp lực lớn lên tài nguyên nước Hệ quả là môi trường nước tại nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng ô nhiễm do nước thải, khí thải và chất thải rắn Ô nhiễm nước từ sản xuất công nghiệp đóng góp đáng kể vào tình trạng ô nhiễm chung, bên cạnh ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt.
Trong công nghiệp, nước được sử dụng như một nguyên liệu thô và phương tiện sản xuất, đóng vai trò quan trọng trong các quá trình sản xuất và truyền nhiệt Nước cung cấp cho sản xuất có thể được lấy từ nguồn nước ngầm hoặc nước mặt, mỗi loại đều có hệ thống xử lý riêng Nhu cầu về áp nước và lưu lượng nước trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố, được xác định bởi đặc tính sản phẩm cần sản xuất Đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp” sẽ tập trung vào việc cải thiện chất lượng nước thải trong quá trình sản xuất.
B ả ng 1.1 Lưu lượng nướ c th ả i trung bình c a m ủ ộ t s ố ngành công nghi p ệ
STT Ngành công nghiệp Đơn vị ả s n ph m ẩ Lưu lượng nướ c th i ả
2 Tinh chế đườ ng 1 t n c c ấ ủ ải đườ ng 10 20m – 3
4 Nhà máy đồ ộ h p rau qu 1 t n s n ph m ả ấ ả ẩ 1,5 4,5m – 3
Nước thải sinh hoạt thường có đặc tính ổn định hơn so với nước thải công nghiệp, với các chỉ số ô nhiễm chủ yếu như BOD5, COD, SS, Tổng N, Tổng P và chất béo Ngược lại, nước thải công nghiệp có các thông số ô nhiễm khác nhau tùy thuộc vào loại hình và công nghệ sản xuất Nếu không được xử lý cục bộ và để chảy chung vào hệ thống cống thoát nước, nước thải này có thể gây ô nhiễm môi trường, làm hư hỏng đường ống và cống thoát nước.
Nước thải sản xuất chứa nhiều yếu tố độc hại, gây ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt trong các ngành công nghiệp như dệt may, giấy và bột giấy Độ pH của nước thải thường dao động từ 9 đến 11, với chỉ số ôxy sinh hóa (BOD) và ôxy hóa học (COD) đạt đến 700mg/l và 2.500mg/l, cùng với hàm lượng chất rắn lơ lửng vượt mức cho phép Ngoài ra, nước thải trong các ngành này còn chứa Xyanua (CN–) vượt 84 lần, H2S vượt 4.2 lần, và hàm lượng NH3+ vượt 84 lần tiêu chuẩn, gây ô nhiễm các nguồn nước bề mặt trong khu vực dân cư Điều này càng nghiêm trọng hơn khi xem xét các ngành công nghiệp có tác động nặng nề hơn đối với môi trường như xi măng, mạ, thép và sản xuất thực phẩm.
Các nhà máy và xí nghiệp trong khu công nghiệp cần thiết lập hệ thống xử lý nước thải sơ bộ trước khi xả thải vào hệ thống thoát nước chung Sau khi hoàn thành xử lý sơ bộ, nước thải cần được xử lý tiếp để đạt tiêu chuẩn trước khi được xả ra môi trường.
B ảng 1.2 Giá trị C c a ủ các thông s ô ố nhiễ m trong nướ c thả i công nghiệ p
TT Thông số Đơn vị Giá C trị
6 Chất rắn lơ lửng mg/l 50 100
20 Tổng dầu mỡ khoán g mg/l 5 10
25 Tổng phốt pho (tính theo P ) mg/l 4 6
(không áp dụng khi vào xả nguồn nước mặn, nước lợ) mg/l 500 1000
28 Tổng hoá chất bảo vệ thực vật clo hữu cơ mg/l 0,05 0,1
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong việc đo và giám sát nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong việc kiểm soát nồng độ tổng hợp hóa chất bảo vệ thực vật và phốt pho hữu cơ Nồng độ tối thiểu cần chú ý là 0,3 mg/l.
32 Tổng hoạt độ phóng xạ α Bq/l 0,1 0,1
33 Tổng hoạt độ phóng xạ β Bq/l 1,0 1,0
Cột A Bảng 1.2 quy định giá trị C cho các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả ra nguồn nước, nhằm đảm bảo nước này đạt tiêu chuẩn cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Cột B Bảng 1.2 xác định giá trị C đối với các thông số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp khi xả ra nguồn nước không phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải trong các khu công nghiệp
Có nhiều phương pháp xử lý nước thải nhằm giảm thiểu mức độ ảnh hưởng độc hại đến sức khỏe con người và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Mục tiêu cuối cùng là bảo vệ sức khỏe cộng đồng và duy trì sự sạch sẽ của môi trường sống.
Quy trình cơ bản để ử x lý nư ớ c th i công nghi p ả ệ o X ử lý sơ bộ o X ử lý cơ họ c o X ử lý hóa họ c o X ử lý bằ ng sinh h c ọ
Xử lý sơ bộ là bước quan trọng nhằm loại bỏ các vật liệu có thể gây tắc nghẽn và hư hại cho hệ thống xử lý nước thải Trong quá trình này, các đối tượng thường được loại bỏ bao gồm rác, cành cây và lá Đặc biệt, song chắn rác được sử dụng để giữ lại rác với lượng 7 thường chứa nhiều ion carbonate và bicarbonate, trong khi nguồn nước có pH < 7 thường chứa ion gốc axit Sự liên quan giữa độ pH và sức khỏe răng miệng thể hiện rõ qua việc pH cao có thể gây hại cho men răng pH của nước cũng ảnh hưởng 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 mạnh hơn, nhưng khi pH > 8,5, nếu nước có hợp chất hữu cơ, việc khử trùng bằng Clo có thể tạo ra hợp chất trihalomethane gây ung thư.
Môi trườ ng s ng c ố ủa độ ng th c v t ự ậ
Nếu không được kiểm soát, ô nhiễm môi trường tại các khu công nghiệp có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng Nước thải không được xử lý sẽ gây ra ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến sự phát triển của các loài vi sinh vật và động thực vật Điều này không chỉ đe dọa sức khỏe cộng đồng mà còn có thể dẫn đến thiệt hại kinh tế lớn, đặc biệt là trong ngành nuôi trồng thủy sản và các hoạt động liên quan đến sông, hồ và biển.
1.3.3 Các phương phá đo độ p pH o Dùng ch ỉ ị màu (phương pháp gần đúng) th
Một số hóa chất, đặc biệt là các hợp chất hữu cơ, có khả năng thay đổi màu sắc theo độ pH của dung dịch Nghiên cứu đã chỉ ra khoảng pH mà các hóa chất này có thể đổi màu, được thể hiện trong bảng.
B ảng 1.4 Tính ch ất củ a m ột số chấ t ch màu ỉ thị
Chất chỉ thị Màu axit Màu bazơ Khoảng pH đổi màu
Malachite green (axit) Vàng Xanh lá cây-
Đề tài "Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp" sử dụng phương pháp điện cực hydro nhằm cải thiện hiệu quả trong việc kiểm tra chất lượng nước thải Thiết bị này giúp theo dõi pH một cách chính xác và liên tục, góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo quy trình sản xuất an toàn.
Điện cực hydro là một bản platin phủ platin xốp, được nhúng trong dung dịch hydro với áp suất 1 atm Sơ đồ ủa điện cực hydro cho thấy cấu trúc và cách hoạt động của nó trong quá trình điện phân.
Thymol blue (axit) Đỏ Vàng 1.2 2.8 –
Methyl orange Đỏ Cam-Vàng 3.1 4.6 –
Bromcresol green Vàng Xanh dương 3.8 5.4 –
Bromthymol blue Vàng Xanh dương 6.0 7.6 –
Thymol blue (kiềm) Vàng Xanh dương 8.0 9 6 –
Thymolphthalein Không màu Xanh dương 9.3 10.5 –
Alizarin yellow Vàng Hoa cà 10.1 11.1 –
(kiềm) Xanh lá cây Không màu 11.4 13.0 – Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
R = 8,314 J/(mol.K) là hằng số khí
T là nhiệt độ tuyệt đối
[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 quinhydron được đưa vào dung dịch, nó phân tách thành hydroquinon (C6H4(OH)2) và quinon (C6H4O2) với tỷ lệ 1:1 Độ hòa tan của quinon thay đổi theo pH của dung dịch, cho phép đo pH thông qua việc xác định điện thế giữa các điện cực.
So sánh giữa pt và điện cực cho thấy mặc dù phương pháp này đơn giản, nhưng hiện nay ít được áp dụng Điều này chủ yếu do hạn chế của nó khi không thể sử dụng trong dung dịch có độ pH cao hơn 8 hoặc 9, cũng như khi có mặt các chất có tính ôxy hóa hoặc tính khử trong dung dịch.
Dung dịch quinhydron với độ pH nhất định thường được sử dụng để kiểm tra hoạt động của dụng cụ đo thế oxy hóa khử Nguyên lý hoạt động của điện cực quinhydron được áp dụng trong những trường hợp này Ngoài ra, phương pháp điện cực antimon cũng là một lựa chọn đáng chú ý.
Hình 1.4 Điệ n c ự c Antimon Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
Phương pháp này liên quan đến việc nhúng đầu của thanh antimon được đánh bóng và một điện cực so sánh vào dung dịch kiểm tra để đo pH dựa trên sự chênh lệch điện thế giữa chúng Mặc dù đã từng được sử dụng rộng rãi nhờ vào bộ dụng cụ chắc chắn và dễ thao tác, nhưng hiện nay ứng dụng của nó bị giới hạn do kết quả phụ thuộc nhiều vào độ bóng của điện cực và khả năng lặp lại kết quả không cao.
Phương pháp pHFETs chỉ nên được áp dụng trong các trường hợp không yêu cầu độ chính xác cao, chủ yếu trong lĩnh vực công nghiệp, để kiểm tra các dung dịch có ion F-.
Gần đây, các công cụ đo pH đã được phát triển mạnh mẽ nhờ việc sử dụng các transistor hiệu ứng trường FET, tạo thành một phần của chip silicon kết hợp với màng điện cực thủy tinh để đáp ứng pH Thiết kế này giúp tăng cường công suất và giảm kích thước của ống đo pH Những thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, nơi mà việc đo pH bằng điện cực thủy tinh có thể gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện, gây nguy cơ mất an toàn Hơn nữa, trong những trường hợp pH không phù hợp, việc đo bằng chất keo và bột nhão có thể dẫn đến sai số lớn.
Phương pháp đo pH sử dụng transistor hiệu ứng trường là một phần quan trọng trong nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây, nhằm mục đích đo và giám sát chất lượng nước thải công nghiệp Đặc biệt, phương pháp điện cực thủy tinh được áp dụng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình đo pH.
M t ộ trong nh ững phương pháp đượ c s d ng r ng rãi nhất ử ụ ộ để đo pH là sử d ụng điệ n c c ự 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 ụ d ng đi ệ n c c màng th y tinh ự ủ
(a) hệ ống đo gồm pH mét, điệ th n c c ch ự ỉ ị và điệ th n c ự c m u; (b) c ẫ ấu trúc điệ n c ự c chỉ ị th ; (c) c ấu trúc điệ n c c m u; (d) m ch khuy ự ẫ ạ ế ch đ ạ i.
THIẾ T K THI T B Ế Ế Ị ĐO pH CÓ TÍCH HỢ P TRUY N THÔNG Ề KHÔNG DÂY
Yêu cầu thiết kế
N i dung chính c a lu ộ ủ ận văn này tậ p trung vào thi t k ế ế thiế ị đo pH có t b tích h p ợ truy n thông không dây Bài toán thi ề ết kế đượ c đ ặ t ra là:
Thiết bị thu thập dữ liệu môi trường cho phép lập trình thay đổi và thu thập hai thông số chính là nhiệt độ và giá trị pH Thông số này được hiển thị trực tiếp trên màn hình, giúp người dùng dễ dàng quan sát Ngoài ra, thiết bị còn có khả năng giao tiếp với bộ thu thập trung tâm xa thông qua mạng truyền thông không dây.
Thiết bị thu thập trung tâm tại Đà Dũng được trang bị điều khiển từ xa, tích hợp truyền thông không dây, nhận tín hiệu một cách chính xác để thu thập thông tin hiện trường Nó có các chuẩn giao tiếp để kết nối với máy tính giám sát.
Phầ n m m thu th p hi n th thông tin thu th ề ậ ể ị ập đượ c trên máy tính.
Thiết kế thiết bị đo pH có tích hợp truyền thông không dây
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm ứng dụng trong việc đo và giám sát nước thải công nghiệp Sơ đồ khối của thiết bị được thể hiện trong hình vẽ, cho thấy cấu trúc và chức năng của từng thành phần trong hệ thống Thiết bị này không chỉ giúp theo dõi chất lượng nước thải mà còn đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.
Hình 2.1 Sơ đồ khố i m ạch thu th p hi ậ ện trường
Khối tín hiệu đầu vào tương tự Thông số : pH
Micro-controller : Khối vi xử lý
RF: Bộ thu phát không dây
LCD: Màn hình hiển thị
PS: Nguồn điện 1 chiều cấp cho vi điều khiển và RF module
Tín hiệu pH trong hệ thống nước thải được thu thập và đưa vào mạch tín hiệu xử lý, sau đó chuyển đến vi xử lý để xử lý và hiển thị trên màn hình LCD Tín hiệu pH được chuyển đổi thành tín hiệu số bằng ADC tích hợp trong vi xử lý Sau khi chuyển đổi, tín hiệu đầu ra là 8 bit và được mã hóa để đưa vào module phát Tại đây, tín hiệu số được điều chế và phát ra qua anten.
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm ứng dụng trong việc đo và giám sát chất lượng nước thải công nghiệp Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị này sẽ giúp truyền tín hiệu hiệu quả, đảm bảo độ chính xác trong quá trình thu thập dữ liệu Việc phát triển công nghệ đo pH không dây sẽ góp phần nâng cao hiệu quả quản lý môi trường trong ngành công nghiệp.
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý m ch thu th p hi ạ ậ ện trườ ng có thu phát không dây Trong nghiên c u này h c viên s d ứ ọ ử ụng
• Đầ đo pH u meter SEN0161 Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
• LCD16x2 a, Đầu đo pH eter m SEN0161
Hình 2.3 Hình ảnh đầu đo pH
Nguyên lý hoạt động của đầu đo bao gồm việc sử dụng một buồng thí nghiệm chứa dung dịch KCl 3M, trong đó có hai điện cực: điện cực đo và điện cực tham khảo ảo Điện cực tham khảo được cấu tạo từ một dây Ag và một lớp AgCl nhúng trong dung dịch KCl, nhằm tạo ra điện thế ổn định ở mức 0 mV.
Bầu ủy tinh có một junction cho dung dịch điện phân chảy ra môi trường đo, yêu cầu bổ sung KCl vào trong cảm biến Cảm biến được bảo quản bằng cách ngâm vào dung dịch KCl 3 M, với pH khoảng 7, tạo ra điện thế khoảng 0 mV Việc ngâm trong KCl giúp cảm biến không bị khô, đảm bảo độ nhạy cao hơn Đầu đo chuyển tín hiệu pH thành tín hiệu điện thế (mV) theo công thức Nernst Sau đó, thiết kế hệ thống hiển thị giá trị pH trên LCD từ tín hiệu điện thế đo được Giá trị điện thế sẽ được quy đổi sang giá trị pH thông qua công thức Nernst Đề tài nghiên cứu “Thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp” sẽ tập trung vào các khía cạnh này.
Công thức Nernst cho biết điện thế mV xuyên qua điện cực thay đổi theo thang logarithmic tùy thuộc vào nồng độ ion hydro Do ion hydro bị ảnh hưởng bởi môi trường, thuật ngữ chính xác để mô tả mối quan hệ này là hoạt độ của ion hydro Tuy nhiên, trong nhiều ứng dụng thực tế, nồng độ và hoạt độ thường được sử dụng thay thế cho nhau.
Công thức để xác định nồng độ ion hydro là công thức Nernst:
Trong đó: E = Điện thế (volts)
Giá trị “0.059” là hằng số Nernst, thay đổi theo nhiệt độ Ở 25°C hằng số
Thông số kỹ thuật đầu đo mô tả như sau :
Phạm vi đo pH: 0 - 14pH
Phạm vi đo nhiệt độ: 0 - 60 ℃ Độ chính xác: ± 0.1pH (25 ) ℃
Thời gian đáp ứng: ≤ 1 phút
B ả ng 2.1 u ra pH t Đầ ạ i nhi ệ t đ ộ 25 o C Tín hiệu Vôn (mv) Giá trị pH Tín hiệu V ôn (mv) Giá trị pH
414,12 0 -414,12 14 Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
Khi đo độ pH, hiệu điện thế giữa hai cực ở điều kiện chuẩn (pH 7) là 0V, với độ nhạy đạt 59.17 mV/pH Độ chính xác của phép đo đạt 99% trong khoảng pH từ 4 đến 12, giảm xuống còn 96% trong khoảng từ 0 đến 4 pH, 97% trong khoảng từ 12 đến 13 pH, và 92% trong khoảng từ 13 đến 14 pH Điện thế này có nội trở rất lớn, vì vậy việc sử dụng mạch khuếch đại hoặc đo lường cần phải có trở kháng đầu vào cao Thông thường, người ta sử dụng các Op Amp JFet hoặc MosFET cho mục đích này.
Điện trở nhiệt sẽ thay đổi theo nhiệt độ, vì vậy trong cảm biến pH thường có thêm một cảm biến nhiệt độ để đo lường và bù trừ Cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng là Pt100, Pt1000 hoặc có thể là nhiệt điện trở bán dẫn.
Bảng 2.2 trình bày giá trị trung bình của các chỉ tiêu đo pH ở các độ khác nhau Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm ứng dụng trong việc đo lường và giám sát chất lượng nước thải công nghiệp.
Tín hiệu ra của đầu đo là điện áp xoay chiều có giá trị từ -0.5 đến +0.5 mV, vì vậy cần thiết kế mạch khuếch đại tín hiệu để biến tín hiệu đầu vào từ mức ±0.5 mV thành tín hiệu 0÷5 V Tín hiệu này sau đó sẽ được đưa vào bộ ADC tích hợp trong vi điều khiển Đề tài nghiên cứu "Thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp" sẽ tập trung vào việc phát triển công nghệ này.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý m ch khu ạ ếch đạ i
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế thiết bị đo pH không dây, nhằm ứng dụng trong việc đo và giám sát chất lượng nước thải công nghiệp Thiết bị sẽ sử dụng vi điều khiển AVR Atmega16A để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình thu thập và truyền tải dữ liệu Hình 2.6 minh họa kết quả mô phỏng tín hiệu ra của cảm biến khuếch đại, hỗ trợ cho việc phân tích và đánh giá chất lượng nước thải.
Hình 2.7 Hình ả nh c ủ a vi x lý Atmega16A ử
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
+ Các tính năng ngoại vi:
- Bộ đếm thời gian thực tách riêng với bộ dao động
- 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 u chia làm 4 PORT A, B, liệ
C, D Các chân này đề u có ch ế độ điệ n tr treo ở Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
AVCC là chân nguồn cung cấp cho Port A và b chuy ển đổi A/D Nó nên được kết nối ngoài tới VCC, ngay khi nút bấm ADC không được sử dụng Nếu nút ADC được sử dụng, nó được sử dụng kết nối tới VCC thông qua một mạch logic thông thường.
Ngày nay, màn hình LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vi điều khiển nhờ vào nhiều ưu điểm nổi bật LCD có khả năng hiển thị đa dạng ký tự, bao gồm chữ, số và ký tự đồ họa, mang lại trải nghiệm trực quan cho người dùng Hơn nữa, việc tích hợp LCD vào mạch ứng dụng rất dễ dàng thông qua nhiều giao thức giao tiếp khác nhau Thiết bị này cũng tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có giá thành phải chăng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều dự án công nghệ.
LCD đóng vai trò quan trọng trong các mạch và bộ điều khiển, giúp hiển thị thông số và thông tin người dùng nhập vào, cũng như các dữ liệu xử lý của bộ điều khiển Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp và theo dõi quá trình hoạt động của hệ thống Học viên sử dụng loại LCD 16x2, với 16 chân kết nối.
B ả ng 2.3 Ch ức năng các chân củ a LCD
Chân Ký hiệu Mô tả
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
Thiết kế mạch thu thập trung tâm 29 1 Sơ đồ kh i 29ố 2 Truy n thông n i tiề ố ếp không đồ ng b 30ộ
2.3.1 Sơ đồ khố i Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
2.3.2 Truy n thông n ề ố i ti ếp không đồ ng b ộ
Trong quá trình làm việc, vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu, như khi Master truyền lệnh cho Slaver hoặc Slaver gửi tín hiệu về Master Để trao đổi dữ liệu 8 bit, một cách đơn giản là kết nối các Port (8 bit) của mỗi vi điều khiển, nơi mỗi đường trên Port truyền nhận 1 bit dữ liệu, gọi là giao tiếp song song Mặc dù giao tiếp song song nhanh chóng và đơn giản, nhưng nhược điểm là số đường truyền lớn, dẫn đến hệ thống cồng kềnh và kém hiệu quả Truyền thông nối tiếp giải quyết vấn đề này bằng cách truyền từng bit qua 1 hoặc ít đường truyền, giúp tiết kiệm số đường truyền cần thiết, bất kể kích thước dữ liệu Hình 2.10 so sánh hai phương pháp truyền song song và nối tiếp với ví dụ về số 187 thập phân (10111011 nhị phân).
Hình 2.11 Truy n 8 bit ề theo phương pháp song song và nố i ti ế p.
Một trong những hạn chế rõ ràng của truyền dữ liệu nối tiếp so với truyền song song là tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu Khi dữ liệu được chia nhỏ thành từng bit để truyền nhận, tốc độ truyền sẽ giảm Đồng thời, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận phải tuân thủ những tiêu chuẩn nhất định.
Khái niệm "đồng bộ" trong truyền dữ liệu đề cập đến việc "báo trước" khi truyền thông tin Ví dụ, thiết bị 1 (tb1) kết nối với thiết bị 2 (tb2) qua hai đường: một đường dữ liệu và một đường xung nhịp Khi tb1 muốn gửi một bit dữ liệu, nó điều khiển đường xung nhịp để tất cả các bit dữ liệu có thể được truyền và nhận một cách dễ dàng Tuy nhiên, phương pháp truyền này yêu cầu ít nhất hai đường truyền cho mỗi quá trình gửi hoặc nhận dữ liệu.
Truyền thông không đồng bộ chỉ cần một đường truyền cho toàn bộ quá trình, khác với truyền đồng bộ Các thiết bị đã chuẩn hóa "khung dữ liệu", do đó không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu Ví dụ, hai thiết bị giao tiếp theo phương pháp này quy định rằng cứ 1ms sẽ có 1 bit dữ liệu được truyền, giúp thiết bị nhận chỉ cần kiểm tra đường truyền mỗi mili- giây để đọc và kết hợp các bit thành dữ liệu có ý nghĩa Truyền thông nối tiếp không đồng bộ hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ vì không cần nhiều đường truyền, nhưng việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là rất quan trọng để đảm bảo quá trình truyền thành công.
2.3.3 Tích h p truy n thông không dây ợ ề
Hình 2.12 module nRF24L01 Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
Hình 2.14 Các chân b thu phát không dây nRF24L01 ộ
B ả ng 2.4 Ch ức năng các ch ân b thu phát ô ộ kh ng d ây
Chân Ký hiệu Chức năng Mô tả
1 CE Đầu vào số Kích hoạt chế độ RX hoặc TX
2 CSN Đầu vào số Lựa chọn chip SPI
3 SCK Đầu vào số Đồng hồ SPI
4 MOSI Đầu vào số Đầu vào dữ liệu tớ SPI
5 MISO Đầu ra số Đầu ra dữ liệu tớ SPI
6 IRQ Đầu ra số Chân ngắt
9 XC2 Đầu ra tương tự Chân 2 thạch anh
10 XC1 Đầu vào tương tự Chân 1 thạch anh
11 VDD_PA Nguồn ra Đầu ra nguồn 1,8V cho mạch khuyếch đại bên trong
12 ANT1 RF Giao diện an ten 1
13 ANT2 RF Giao diện an ten 2
15 VDD Nguồn Nguồn 1,9V - 3,6VDC Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
16 IREF Nguồn ra Dòng điện tham chiếu, kết nối 1 điện trở 22kΩ với 0V
19 DVDD Nguồn ra Nguồn ra số nội
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý b thu phát nRF24L01 ộ
RF24L01 là một chip thu phát 2,4GHz tích hợp công cụ giao thức băng tần, được thiết kế cho ứng dụng không dây tiêu thụ điện năng cực thấp Chỉ cần một vi điều khiển (MCU) và một số ít linh kiện thụ động là đủ để xây dựng hệ thống vô tuyến với RF24L01 Chip này được cấu hình và điều khiển thông qua giao diện nối tiếp SPI, với các sơ đồ thanh ghi chứa thông tin cấu hình Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong giám sát nước thải công nghiệp có thể tận dụng các chức năng của RF24L01 FIFOs nội giúp duy trì luồng dữ liệu liên tục giữa bộ phát và MCU, hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 2Mbps Với tốc độ cao và hai chế độ tiết kiệm năng lượng, RF24L01 rất phù hợp cho các thiết kế tiêu thụ điện thấp, đồng thời có khả năng điều chỉnh điện áp nội giúp nâng cao độ ổn định nguồn cung cấp.
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm ứng dụng trong việc đo và giám sát nước thải công nghiệp, với sơ đồ nguyên lý mạch thu thập trung tâm kết nối máy tính.
Hình 2.17 Lưu đồ thu t toán l p trình m ậ ậ ạ ch thu th p trung tâm ậ
Thiết kế phần mềm cho máy tính
Lập trình với Visual Studio 2013: Đây là phần mềm được sử dụng rộng rãi vì nó được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình C Phần mềm này được thiết kế chuyên nghiệp, hướng tới người sử dụng nhờ vào sự đơn giản và dễ dàng trong việc sử dụng.
Việc quản lý và điều khiển hệ thống xử lý nước thải được thực hiện tại một trung tâm điều khiển, nơi có thể giám sát và điều chỉnh toàn bộ quy trình Trung tâm này có thể được đặt gần công trình hoặc ở vị trí xa hơn Đề tài nghiên cứu "Thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp" nhằm cải thiện hiệu quả giám sát nước thải.
Liên tục theo dõi, kiểm tra các thông số mà mạch thu thập hiện trường gửi về
Khi có các cảnh báo về chất lượng thông số đưa về cần báo ngay với cấp trên để đưa ra giải pháp xử lý kịp thời
Từ nhiệm vụ trên ta đưa ra y êu cầu thiết kế:
Giao diện dễ quan sát, theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước thải, thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành.
Hiển thị theo 2 dạng đồ thị và số
Hệ thống cung cấp cảnh báo trực quan khi giá trị pH vượt ngưỡng cho phép, giúp người dùng dễ dàng nhận biết sự cố Cảnh báo được kích hoạt thông qua việc so sánh giá trị đo được với ngưỡng đã thiết lập trong chương trình Khi thông số vượt quá ngưỡng cảnh báo sớm hoặc ngưỡng báo động, thông tin sẽ được hiển thị rõ ràng trên màn hình máy tính Phần mềm cũng tích hợp cảnh báo cho thông số pH, đảm bảo người dùng luôn được thông báo kịp thời về tình trạng nước.
KẾ T QU TH C NGHI M 37 Ả Ự Ệ
Phần cứng
Dựa trên các phân tích thiết kế đã thực hiện, kết quả ban đầu cho thấy các mạch phần cứng hoạt động đúng theo yêu cầu Hình ảnh dưới đây minh họa mạch thu hiện trường.
Hình 3.1 M ch thu th ạ ập hiện trường
Tín hiệu từ biến trở được thu thập và chuyển đổi thành số qua bộ ADC, sau đó được xử lý trên vi điều khiển và truyền không dây Kết quả thu thập được hiển thị trên màn hình LCD.
Đề tài nghiên cứu này tập trung vào việc thiết kế thiết bị đo pH không dây, nhằm ứng dụng trong việc đo lường và giám sát chất lượng nước thải công nghiệp Thiết bị này sẽ giúp cải thiện hiệu quả quản lý môi trường và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn.
Phần mềm
Sau khi chạy phần mềm học viên thu được một số đồ thị trên máy tính nhận được từ bộ thu phát như sau:
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm mục đích đo và giám sát nước thải công nghiệp Màn hình hiển thị giá trị pH là một phần quan trọng trong việc theo dõi chất lượng nước Thiết bị này sẽ giúp cải thiện quy trình quản lý môi trường trong ngành công nghiệp.
K T LU Ế ẬN VÀ HƯỚ NG PHÁT TRI N C Ể ỦA ĐỀ TÀI
Sau khi hoàn thành đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp”, học viên đã thu được những kiến thức quan trọng liên quan đến việc phát triển thiết bị đo pH hiện đại, khả năng giám sát chất lượng nước thải hiệu quả và ứng dụng công nghệ không dây trong ngành công nghiệp.
Nghiên cứu tìm hiểu về nước thải và xử lý nước thải công nghiệp.
Mạch đo pH tích hợp công nghệ truyền thông không dây RF được thiết kế và thực hiện dựa trên vi điều khiển ATMEGA16A Mạch này có khả năng thu thập nhiều kênh tương tự, cho phép truyền dữ liệu một cách hiệu quả và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế.
Thiết kế và thực hiện mạch thu thập trung tâm có dùng vi điều khiển Mạch trung tâm này cho phép giao tiếp với máy tính giám sát
Để nâng cao khoảng cách truyền trong phần truyền thông không dây, việc sử dụng modul phát với công suất lớn hơn là cần thiết, mặc dù việc thử nghiệm hiện tại chỉ được thực hiện trong khoảng nhỏ.
Phát triển phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính giám sát bằng Visual Studio là một bước quan trọng trong nghiên cứu Học viên mong muốn mở rộng dự án này để tạo ra thiết bị đo lường nhiều thông số khác nhau, không chỉ giới hạn ở pH và nhiệt độ, với chất lượng tốt hơn Các thông số như nhiệt độ và giá trị pH sẽ được kiểm nghiệm kỹ lưỡng và đánh giá sai số để đảm bảo độ chính xác Đồng thời, việc thay đổi các đầu đo sẽ giúp thiết bị phù hợp hơn với điều kiện thực tế.
Phần mềm giao tiếp máy tính mang đến nhiều tiện ích mới, giúp người sử dụng dễ dàng hơn trong công việc Ứng dụng của phần mềm này có thể cải thiện hiệu quả làm việc của hệ thống giám sát trong xử lý nước thải công nghiệp Đề tài nghiên cứu "Thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp" sẽ đóng góp quan trọng vào lĩnh vực này.
[1] Hoàng Minh Sơn, Mạ ng truy n thông công nghi p Tái b n l n 2, nhà xu ề ệ ả ầ ất b n khoa h ả ọc và kỹ thuật, 2004.
[2] Manchester Data Encoding for Radio Communications
[3] Giáo trình đo lường và điều khiển xa dùng cho sinh viên ngành kĩ thuật: Khoa điện –Bộ môn tự động hóa Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2009
[4] Phạm Văn Ất Kỹ thuật lập trình C Tái bản lần thứ 6, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 2006
[5] Bảng dữ liệu thiết bị atmega 16A, nRF24L01, PL2303, LCD2x16, cảm biến nhiệt độ DS18B20
[6] Javaid N., Sharif A., Mahmood A., Ahmed S., Qasim U., Khan Z A.,
“Monitoring and controlling power using ZigBee communications,” the 7th International Conference on Broadband, Wireless Computing, Communication and Applications, Victory, Canada, Aug 2012
[7] Murat K., Mehedi H., Saifur R and Hasan D., “Design of wireless smart metering system based on MSP430 MCU and ZigBee for residential applications,” the 7th International Conference on Electrical and Electronics
Engineering (ELECO), pp.255-258, Bursa, Malaysia, Dec 2011
[8] Archana R Raut, Dr L G Malik “ ZigBee Based Industrial Automation Profile for Power monitoring Systems” International Journal on Computer Science and Engineering (IJCSE), vol 3, no 5, May 2011
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 24:2009/BTNMT quy định các tiêu chuẩn cần thiết cho việc quản lý và giám sát chất lượng nước thải Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây nhằm ứng dụng trong việc đo và giám sát nước thải công nghiệp, góp phần nâng cao hiệu quả kiểm soát ô nhiễm môi trường.
PH Ụ Ụ L C : Chương trình phầ n m ềm cho vi điề u khi n ể
AVR Core Clock frequency: 1.000000 MHz
#include "Main.h" extern unsigned char ds1820_devices; extern unsigned char ds1820_rom_codes[MAX_DS1820][9]; extern float _PH, _Temp; extern char _PH_ST, _Temp_ST;
// Timer1 overflow interrupt service routine interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)
} Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
// Declare your global variables here void main(void)
// Declare your local variables here unsigned char RxBuf[32];
// Func7=In Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=In Func1=In Func0=In
// State7=T State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=T State1=T State0=T
// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=T State2=T State1=T State0=T
// Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out
// State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0
// Port D initialization Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
// Input Capture on Falling Edge
TCNT1L=0xDC; Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
// USART initialization Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
// USART Baud Rate: 9600 (Double Speed Mode)
// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off
// ADC Voltage Reference: Int., cap on AREF
// ADC Auto Trigger Source: Free Running
// TWI initialization Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
// №te: 1 Wire port settings are specified in the
// Project|Configure|C Compiler|Libraries|1 Wire menu w1_init();
// Determine the number of DS1820 devices
// connected to the 1 Wire bus ds1820_devices=w1_search(0xf0,ds1820_rom_codes);
// Connections are specified in the
// Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu:
Đề tài nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong việc đo và giám sát nước thải công nghiệp Thiết bị này sẽ giúp cải thiện hiệu quả trong việc theo dõi chất lượng nước, đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường.
// Determine the number of DS1820 devices
To interface with the 1-Wire bus, the DS1820 devices are identified using the command `ds1820_devices=w1_search(0xf0,ds1820_rom_codes)` After locating the devices, the initialization process for the DS18B20 sensor is initiated with `ds18b20_init(&ds1820_rom_codes[0][0],10,50,DS18B20_12BIT_RES)` This initialization is repeated in a loop until successful, ensuring reliable sensor operation.
{ lcd_clear(); lcd_puts("Init DS18B20 Err"); delay_ms(1000);
//Send to PC and RF
Dưới đây là đoạn văn được viết lại dựa trên nội dung bạn cung cấp:Đề tài "Nghiên cứu thiết kế thiết bị đo pH không dây ứng dụng trong đo và giám sát nước thải công nghiệp" tập trung vào việc phát triển một hệ thống đo pH không dây hiện đại, có khả năng giám sát và đo lường nồng độ pH của nước thải một cách chính xác và hiệu quả.
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0XFF); // Clear Bit Send printf("%s",TxBuf);//Sent to pc delay_ms(30); sprintf(TxBuf,"BD*2*%0.2f*%d*SS\n",_PH,_PH_ST); nRF24L01_TxPacket(TxBuf);
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,0XFF); // Clear Bit Send printf("%s",TxBuf);//Sent to pc delay_ms(30);
// Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)
ADMUXc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10);
// Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10; delay_us(500); Đề tài: “Nghiên c u thi ứ ết kế thiết bị đo pH không dây ứ ng d ụng trong đo và giám sát nước thả i công nghi p” ệ
float _PH=0, _Temp=0; char _PH_ST=0, _Temp_ST=0; unsigned char ds1820_devices=0; unsigned char ds1820_rom_codes[MAX_DS1820][9]; char Sensor_Process(void)
_PH = ((float)read_adc(2))*PH_Rank;
_Temp = ds18b20_temperature(&ds1820_rom_codes[0][0]); while(_Temp == -9999)
_Temp = ds18b20_temperature(&ds1820_rom_codes[0][0]);
_PH_ST=0; lcd_gotoxy(0,0); sprintf(dis,"PH=%0.2f",_PH); lcd_puts(dis); for(i=strlen(dis);i 5) && (_PH < 6)) || ((_PH > 8) && (_PH < 9)))
_PH_ST=1; lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(" WARNING PH!! "); sprintf(dis,"PH=%0.2f",_PH); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(dis); for(i=strlen(dis);i