Rubric đánh giá Mức độ đạt chuẩn quy định Tiêu chí đánh giá Điểm 3.90-Điểm 4.0-5.4Điểm 5.5-6.9Điểm 7.0-8.4Điểm 8.5-10CĐR Trọng số % Điểm đánh giá TC1: Hình thức báo Đơn điệu, chữ nhỏ, nh
TỔNG QUAN
Đối tượng và mục tiêu
Trong nghiên cứu này, chúng em sẽ tập trung thiết kế và chế tạo một mạch đo cho phép thu thập dữ liệu và xác định nồng độ CO, cả nhiệt độ và độ ẩm có thể ứng dụng trong xe ô tô, hoặc khu vực nhà để xe, hầm chui và những nơi có lưu lượng người tham gia giao thông đông dễ ùn tắc
Dữ liệu sẽ được hiển thị trên màn hình LCD cho phép giúp người sử dụng có thể kịp thời nhận biết các thông số đo được và có các biện pháp xử lý an toàn Tối ưu sản phẩm và ứng dụng
Hình 1 1 Mô hình khối hệ thống giám sát chất lượng không khí
- Hiểu được cách thức và chế độ hoạt động của vi điều khiển ESP32
- Hiểu được cách thức và hoạt động của các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến đo khí độc
- Thiết kế mạch nguyên lý trên phần mềm Altium
- Hoàn thiện mạch đo giúp nhận biết và đo khí độc hại CO, nhiệt độ và độ ẩm trong nhà kho tầng hầm, cống lớn, nhà máy hóa chất, nhà máy xử lý chất thải, bãi rác ở khu dân cư, nơi có lưu lượng giao thông ùn tắc cao như hầm xe, ngã ba, tư đường - Xây dựng (lập trình vi điều khiển) một hệ cảm biến khí có cảnh báo khí khi vượt ngưỡng cho phép an toàn
- Thiết kế chế tạo hệ quan trắc đa cảm biến khí để đo nồng độ khí CO
- Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống gồm: mạch cảm biến khí MICS-4514, cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11, mạch điều khiển sử dụng ESP32
- Lập trình đo và thu thập dữ liệu từ các cảm biến qua chip vi điều khiển
- Lập trình cảnh báo khi có thông số vượt ngưỡng an toàn
- Đánh giá sản phẩm hoàn thành với một số tiêu chí đề ra
- Thu thập, tham khảo và phân tích các tài liệu về các lĩnh vực, đề tài nghiên cứu liên quan, và các linh kiện thiết bị được sử dụng
- Nghiên cứu, thiết kế mạch nguyên lý và xây dựng mạch cứng của hệ đo sử dụng các phần mềm chuyên ngành
- Tìm hiểu về kỹ thuật lập trình, xây dựng giải thuật và áp dụng các phần mềm lập trình thông dụng.
Khả năng ứng dụng của đề tài
Đề tài này mang lại sự an toàn cho người dùng bởi vì hiện nay ở những nơi đông dân cư vấn đề ô nhiễm môi trường là rất lớn và chúng ta không thể để nhận biết khí CO thông qua khứu giác thông thường Vậy nên ứng dụng của đề tài này là tạo ra được một thiết bị đo và hiển thị cho người dùng biết được lượng khí độc trong không khí để có biện pháp bảo vệ kịp thời, tránh khỏi những tai nạn không đáng có về khí CO.
Đánh giá tổng quan
Hiện nay, tình trạng ô nhiễm môi trường không khí tại Việt Nam ngày càng trở nên nghiêm trọng, do ảnh hưởng từ nhiều nguồn như khí độc, khí gây hiệu ứng nhà kính, khí gây cháy nổ, bụi mịn, và nhiều yếu tố khác Các ngành công nghiệp lớn như nhiệt điện, xi măng, sắt - thép, gốm - sứ, xe cơ giới vẫn tiêu thụ lượng lớn nhiên liệu đốt cháy, gây ra lượng khí phát thải đáng kể vào môi trường Để giải quyết vấn đề này, Việt Nam có các cơ sở pháp lý chặt chẽ, buộc các doanh nghiệp phải tập trung vào hạn chế phát thải và xử lý vấn đề ô nhiễm môi trường Các hệ thống quan trắc môi trường đang được triển khai rộng rãi để giám sát và cảnh báo về mức độ ô nhiễm khí, khả năng gây độc hại và cháy nổ, cũng như ảnh hưởng đến sức khỏe con người Các thiết bị này được sử dụng ở các thành phố lớn và khu công nghiệp
Trong ngành công nghiệp, quá trình đốt cháy nhiên liệu thường không đạt trạng thái tối ưu, dẫn đến tiêu thụ lớn nhiên liệu, tăng phát thải khí độc hại và ảnh hưởng xấu đến môi trường Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu là một vấn đề quan trọng
Các ứng dụng cho các cảm biến khí tại Việt Nam mới chỉ ở giai đoạn ban đầu, tạo ra cơ hội cho các đơn vị nghiên cứu trong nước phát triển công nghệ và ứng dụng trong lĩnh vực này.
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
2.1.1 Khái quát chung về vi điều khiển ESP32
ESP32 là một vi điều khiển tích hợp trên một vi mạch có giá thành thấp, tiêu thụ năng lượng ít và hỗ trợ cả kết nối WiFi và Bluetooth dual - mode (Bluetooth chế độ kép) Nó tiếp tục tradtion từ SOC ESP8266 và cung cấp cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của Tensilica, được tích hợp với khả năng kết nối Wi-Fi và Bluetooth
Một trong những điểm mạnh của ESP32 là sự tích hợp của các thành phần
RF, bao gồm bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc anten, bộ lọc và balun RF Điều này giúp giảm thiểu cần phải sử dụng nhiều linh kiện bên ngoài trong quá trình thiết kế phần cứng xung quanh ESP32
Một điều quan trọng khác là ESP32 được sản xuất bằng công nghệ công suất cực thấp 40nm của TSMC Điều này làm cho việc thiết kế ứng dụng yêu cầu năng lượng thấp, chẳng hạn như thiết bị đeo, thiết bị âm thanh, đồng hồ thông minh, trở nên dễ dàng hơn và cung cấp hiệu suất tốt với tài nguyên năng lượng giới hạn Nhờ vào những đặc điểm này, ESP32 trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng IoT và thiết bị di động đòi hỏi hiệu suất và tiết kiệm năng lượng
Hình 2 1 Vi điều khiển ESP32 Ứng dụng
Module này được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng thu thập dữ liệu và điêu khiển thiết bị thông qua kết nối WiFi và Bluetooth Nó đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng tiết kiệm năng lượng, quản lý mạng lưới cảm biến, mã hóa hoặc xử lý âm thanh, thậm chí cả xử lý tín hiệu Analog-Digital trong các ứng dụng phát nhạc hoặc phát các file MP3 Ngoài ra, module cũng có thể được tích hợp vào các thiết bị điện tử như đồng hồ thông minh
Hình 2 2 Ứng dụng của ESP32
Cảm biến khí MICS-4514 là một loại cảm biến khí dùng để đo nồng độ các loại khí độc hại trong môi trường Đặc điểm chính của cảm biến này là có khả năng đo đồng thời nồng độ khí Carbon Monoxide (CO) và khí Nitrogen Dioxide (NO2) Cảm biến MICS-4514 hoạt động dựa trên nguyên tắc của điện hóa hóa học Nó sử dụng hai điện cực cho mỗi loại khí để phản ứng với các phân tử của khí trong không khí Khi có sự tương tác giữa các phân tử khí và các điện cực, cảm biến sẽ tạo ra một tín hiệu điện trở hoặc điện áp thay đổi, từ đó cho phép đo lường nồng độ của các khí đó, thường được sử dụng trong các ứng dụng như hệ thống cảnh báo khí độc, giám sát chất lượng không khí trong nhà, hệ thống an ninh và an toàn, và trong các ứng dụng công nghiệp
Hình 2 3 Cảm biến khí MICS-4514
Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật của cảm biến khí MICS-4514 Đặc tính sản phẩm Thuộc tính giá trị
Danh mục sản phẩm Cảm biến chất lượng không khí
Loại cảm biến Carbon monoxide(CO)
Nhiệt độ làm việc tối đa +85 C
Nhiệt độ làm việc tối thiểu - 30 C
Nhãn hiệu Amphenl SGX Sensortech Định mức dòng 32mA
Loại sản phẩm Air Quality Sensors
Danh mục phụ Sensors Điện áp cấp nguồn – Tối đa 5.1V Điện áp cấp nguồn – Tối thiểu 4.9V Đơn vị khối lượng 4.087g
Dải đo khí có thể phát hiện được
Bảng 2 2 Dải khí đo được của MICS-4514
Loại khí Ký hiệu Dải đo
DHT11 là một cảm biến kỹ thuật số giá rẻ được sử dụng để đo nhiệt độ và độ ẩm Cảm biến này có khả năng dễ dàng giao tiếp với các bộ vi điều khiển như Arduino, Raspberry Pi, để đo độ ẩm và nhiệt độ ngay lập tức
DHT11 chủ yếu là một cảm biến độ ẩm tương đối Để đo độ ẩm của không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung
Bảng 2 3 Thông số kỹ thuật của DHT11 Điện áp hoạt động 3V đến 5V Dòng hoạt động 2.5mA Đầu ra Dữ liệu nối tiếp Phạm vi nhiệt độ 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C Phạm vi độ ẩm 20% - 90% RH, sai số ±5%RH Kích thước 23 * 12 * 5 mm
Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
2.1.4 Module chuyển đổi I2C cho LCD
Module chuyển đổi I2C cho LCD mang lại lợi ích tiết kiệm chân kết nối với vi điều khiển Thay vì cần sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (bao gồm RS, EN, D7, D6, D5 và D4), module chuyển đổi này chỉ yêu cầu sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để thực hiện kết nối Module cũng cung cấp khả năng điều chỉnh độ tương phản thông qua biến trở gắn trên bản mạch, giúp tối ưu hóa hiển thị trên LCD Điều này giúp đơn giản hóa quá trình kết nối giữa vi điều khiển và LCD, làm cho nó trở nên dễ dàng hơn cho người sử dụng
Màn hình LCD 16x02 màu xanh lá cây sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng chứa 16 ký tự Màn hình này được biết đến với độ bền cao và rất phổ biến Nó hỗ trợ nhiều mẫu và có thể dễ dàng tích hợp khi kèm theo mạch chuyển đổi I2C, giảm số lượng chân kết nối và làm cho quá trình sử dụng trở nên thuận tiện hơn
Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của LCD Điện áp hoạt động 5V
Dòng điện cấp nguồn 350uA - 600uA
Nhiệt độ hoạt động - 30 - 75 độ C
2.2.1 Lập trình ESP32 với Arduino IDE
Phần mềm Arduino giúp việc biên dịch mã trở nên dễ dàng, thậm chí cả người không có kiến thức kỹ thuật đặc biệt cũng có thể thực hiện được Môi trường phát triển tích hợp (IDE) chủ yếu bao gồm hai thành phần cơ bản: Trình chỉnh sửa mã và Trình biên dịch Phần chỉnh sửa mã được sử dụng để viết mã theo yêu cầu, trong khi phần biên dịch được sử dụng để chuyển đổi và tải mã lên module Arduino
Môi trường IDE này hỗ trợ cả ngôn ngữ lập trình C và C++, tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng để phát triển ứng dụng cho các module
Arduino một cách linh hoạt và hiệu quả
Hình 2 7 Màn hình giao diện Arduino IDE
Các chức năng chính của Arduino IDE:
Verify / Compile: Kiểm tra hoặc biên dịch chương trình để xác minh nếu có bất kỳ lỗi nào, và hiển thị chúng trong bảng đầu ra
Upload: Biên dịch và tải mã lên bo Arduino, đưa chương trình vào bộ nhớ của bo mạch để thực thi
Upload using programmer: Tải mã lên sử dụng một chương trình nạp có sẵn trong tab Tools
Export Compiled Binary: Lưu trữ file hex trong hệ thống, cho phép bạn giữ lại phiên bản đã biên dịch của chương trình
Show Sketch Folder: Mở thư mục sketch hiện tại trong cửa sổ quản lý tệp
Include Library: Thêm thư viện vào sketch bằng cách chèn câu lệnh #include vào đầu mã
Add File… : Thêm một tệp vào sketch, và tệp mới sẽ xuất hiện trong tab mới trong cửa sổ làm việc
Auto Format: Tự định dạng mã của bạn thành một định dạng đẹp để dễ đọc và hiểu
Archive Sketch: Sao chép mã vào một file nén định dạng winrar (.zip) để thuận tiện lưu trữ và chia sẻ
Fix Encoding & Reload: Khắc phục sự khác biệt có thể xuất hiện giữa mã hóa bản đồ ký tự của trình soạn thảo và bản đồ ký tự của hệ điều hành khác
Serial Monitor: Màn hình nối tiếp hiển thị giao tiếp trực quan thông qua việc gửi và nhận dữ liệu
Board: Chọn loại bo Arduino để đảm bảo mã được biên dịch và tải lên đúng thiết bị
Port: Chọn cổng mà bạn đã kết nối Arduino để thiết lập kết nối
Programmer: Chọn một chương trình nạp phần cứng khi lập trình bo mạch hoặc chip, không sử dụng kiểu giao tiếp USB
Burn Bootloader: Sử dụng để ghi bộ nạp khởi động vào bo Arduino, hữu ích khi cần khôi phục bootloader sau một số thay đổi cấu hình
Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử
Hình 2 8 Phần mềm Altium Đặc trưng:
- Giao diện thiết kế, quản lý và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lý file, quản lý phiên bản cho các tài liệu thiết kế
- Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện Hỗ trợ việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện, netlist có sẵn từ trước theo các tham số mới
- Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, netlist, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng…
- Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số, tương tự…
- Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hình 3 1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống
Hình 3 2 Sơ đồ kết nối
Hình 3 3 Lưu đồ thuật toán
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Cấp nguồn vào mạch để hệ thống hoạt động
- Sản phẩm bao gồm cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm DHT11, cảm biến đo khí MICS-
4514 có độ nhạy cao với các khí CO
- Vi điều khiển ESP32-WROOM- 32 với chức năng xử lý trung tâm cho phép kết nối và xử lý dữ liệu đọc từ hệ cảm biến cho đến bộ truyền phát dữ liệu
- Khối cảm biến nhận được tín hiệu thì sẽ truyền đến vi điều khiển để chuyển đổi tín hiệu và hiển thị lên ứng dụng điện thoại
3.1.3 Sơ đồ nguyên lý mạch hệ thống
Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý mạch hệ thống
Nguyên lý hoạt động của từng khối
Khối hiển thị gồm có LCD 16x02 giao tiếp với I2C để nhận dữ liệu là các thông số đo được từ cảm biến và hiển thị lên màn hình
Hình 3 6 Khối cảm biến khí MICS-4514
Hình 3 7 Khối cảm biến DHT11
Khối cảm biến bao gồm cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT11 sử dụng 1 pin giao tiếp để truyền và nhận dữ liệu với VĐK và cảm biến đo khí đọc MICS4514 Trước tiên VĐK gửi 1 xung tín hiệu mức cao xuống mức thấp sau đó đưa lên mức cao đến cảm biến Sau khi gửi 1 xung từ VĐK thì cảm biến sẽ phản hồi 1 xung mức thấp sau đó có mức cao về VĐK để đọc dữ liệu
Khối xử lý trung tâm
Hình 3 8 Khối xử lý trung tâm ESP8266 Đầu vào kĩ thuật số (Digital Input) dùng để đọc các giá trị từ cảm biến có đầu ra số, Digital Output dùng để điều khiển các thiết bị buzzer, button
Các chân JPIO hỗ trợ chức năng dầu vào analog và cho phép đọc giá trị analog từ các cảm biến như j cảm biến nhiệt độ độ ẩm - DHT11, cảm biến đo khí độc - MICS 6814
Chân SCL (Serial Clock) và SDA (Serial Data) trên ESP32 được sử dụng để kết nối với các thiết bị sử dụng giao thức I2C, bao gồm cả màn hình LCD
3.2 Đọc dữ liệu từ cảm biến khí
Hình 3 9 Chuẩn cảm biến theo datasheet của nhà sản xuất Để xác định được nồng độ khí đo từ cảm biến, trước tiên ta phải tìm được giá trị điện trở thay đổi Rs của từng lớp cảm biến CO
Hình 3 10 Mạch đo cảm biến MICS-4514
Do trên package của sản phẩm đã có sẵn những điện trở gia nhiệt cho từng lớp cảm biến, ta chỉ cần làm một bộ chia áp cho cảm biến Ở đây, ta chọn
VCC= 3.3V Gọi RL1 là điện trở chia áp cho CO, RL2 là điện trở chia áp cho
NO2 Theo đề nghị của datasheet, ta có RL1=1MΩ, RL2=6K8Ω
Do mạch vi xử lý ta dùng có 12bit nên sẽ có 4096 giá trị tương ứng với các mức điện áp từ 0 đến 3.3V Khi đó ta tìm được điện áp của Rs bằng cách đọc giá trị analog A của cảm biến theo công thức
Do RS và RL mắc nối tiếp ta có:
Sau khi có 𝑅𝑆, ta cần chuyển đổi dữ liệu điện đo được sang dữ liệu dạng nồng độ (ppm) Theo datasheet của cảm biến: Với 𝑅0 là hằng số phụ thuộc vào môi trường Sau khi có tỉ lệ ta tính được nồng độ (ppm) dựa theo đồ thị Vì trục của đồ thị có đơn vị 10 mũ nên ta có:
Ta thấy đồ thị của CO có dạng đường thẳng, chọn hai điểm bất kỳ ta sẽ tìm được phương trình Chọn A (3,-2) và B (2,-1.14) Ta có phương trình đường thẳng:
3.3 Mạch và chế tạo mạch
Bước Nội dung thực hiện Hình ảnh quá trình làm mạch
1 Thiết kế mạch in và in mạch in lên giấy in mạch glossy(giấy) in ảnh có tráng 1 lớp hợp chất vô cơ
Phớp đồng thủy tinh 1 mặt, ẵ tờ A4 (lớn hơn kích thước mạch in)
Bùi nhùi dùng chà nhám mặt có đồng trên phíp
3 Quấn giấy bóng đã được in lên board đồng Lưu ý, mặt có mực của giấy tiếp xúc với
Board đồng để mực có thể in vào được
Nhiệt độ bàn là để vừa vừa để tránh làm rỗ Board đồng hoặc cháy xém, quan trọng là đều tay (không để bàn là tiếp xúc trực tiếp quá lâu dẫn đến, lúc là tránh cháy phíp đồng)
4 Rửa mạch bằng dung dịch
FeCl3, lúc rửa mạch phải lắc đều
Tiếp theo lấy một chậu (thau) nước rồi đổ bột sắt vào Hỗn hợp tránh quá lỏng nhưng không đậm đặc quá sẽ dẫn tới hao bột
5 Dùng nước để rửa sạch lớp mực bám lên Board đồng Khi đó nó để lại cho chúng ta đường mạch khá là đẹp sáng
Nếu mạch chưa được ăn mòn hoàn toàn dẫn đến chập (có thể kiểm tra bằng máy đo) cần sử dụng dao để tách hoàn toàn các phần đồng chưa bị ăn mòn
6 Khoan mạch trong khi làm mạch thủ công:
Chọn mũi khoan phù hợp với lỗ chân cắm không được chọn to quá mất hết phần bao của của lỗ và khoanh cần thận không rách mạch Khoan từ từ đi xuống không có bên kia sẽ bị rỗ ra.
KẾT QUẢ
Kết quả hiển thị lên WebServer
Hình 4 1 Hiển thị dữ liệu cảm biến lên WebServer
Hình 4 2 Hiệu suất đánh giá hiệu năng của App
Kết quả hiển thị lên ứng dụng điện thoại
Hình 4 3 Màn hình chờ ứng dụng
Hình 4 4 Cảnh báo mức khí an toàn
Hình 4 5 Hiển thị mức khí cảnh báo
Hình 4 6 Cảnh báo mức khí nguy hiểm
Hình 4 7 Hiển thị dữ liệu khí trên ứng dụng lên thanh thông báo
