Nghiên cứu tổng quan về cảm biến đo khí bán dẫn và cảm biến mq135 đo nồng độ khí NH3

LỜI CẢM ƠN Trước vào nội dung đồ án Em xin chân thành cảm ơn đến cô ThS.Trần Thị Phương Thảo giảng viên trường Đại học Hàng Hải Việt Nam tận tình hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình thực để hoàn thành đồ án Cùng toàn thể thầy cô khoa Điện-Điện tử tận tình giảng dạy, bảo, truyền đạt nguồn kiến thức sâu rộng kinh nghiệm quý báu cho chúng em suốt thời gian học trường Xin cảm ơn đến tất bạn bè, người giúp đỡ suốt thời gian học tập thực đồ án Và cuối chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bố mẹ ủng hộ tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án Mặc dù nỗ lực hết mình, khả năng, kiến thức thời gian có hạn nên tránh sai sót lúc thực đồ, em kính mong quý Thầy, Cô dẫn, giúp đỡ em để ngày hoàn thiện kiến thức tự tin bước vào sống với vốn kiến thức có Do thời gian làm đồ án có hạn trình độ nhiều hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo, toàn thể bạn sinh viên để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên TRẦN TUẤN ANH LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trần Tuấn Anh – tác giả đề tài “Thiết kế thiết bị đo nồng độ khí NH3 sử dụng cảm biến MQ135”, xin cam đoan: - Đồ án công trình nghiên cứu thân tác giả - Các thông tin đồ án xác trung thực, xuất phát từ trình nghiên cứu thân tác giả - Người viết xin chịu trách nhiệm thông tin luận văn Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên Trần Tuấn Anh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 a Loại màng dày (SnO2) b Loại màng mỏng (VO3) .3 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế CHƯƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO .10 2.2 Các khối chức 11 2.2.1 Cảm biến .11 2.2.2 Khối hiển thị kết định thời gian thực 19 2.2.3 Khối lưu trữ MMC .20 2.2.4 Truyền thông máy tính 20 2.2.5 Khối nguồn ổn áp 21 2.2.6 Khối xử lý trung tâm 22 Sơ lược công nghệ PSoC .23 Một số đặc tính bật vi điều khiển PSoC 23 Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập 23 3.1.1 Khối hiển thị 26 3.1.2 Khối lưu trữ MMC .26 3.1.3 Truyền thông máy tính 27 USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối có dây máy tính USB sử dụng với mục đích để kết nối thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính 27 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) 29 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo 29 3.1.6 Lưu đồ thuật toán 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .38 Kết luận .38 Phụ lục .39 65 DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 a Loại màng dày (SnO2) b Loại màng mỏng (VO3) .3 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế CHƯƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO .10 2.2 Các khối chức 11 2.2.1 Cảm biến .11 2.2.2 Khối hiển thị kết định thời gian thực 19 2.2.3 Khối lưu trữ MMC .20 2.2.4 Truyền thông máy tính 20 2.2.5 Khối nguồn ổn áp 21 2.2.6 Khối xử lý trung tâm 22 Sơ lược công nghệ PSoC .23 Một số đặc tính bật vi điều khiển PSoC 23 Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập 23 3.1.1 Khối hiển thị 26 3.1.2 Khối lưu trữ MMC .26 3.1.3 Truyền thông máy tính 27 USB (Universal Serial Bus) là chuẩn kết nối có dây máy tính USB sử dụng với mục đích để kết nối thiết bị (điện thoại, máy tính bảng, máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính 27 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) 29 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo 29 3.1.6 Lưu đồ thuật toán 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .38 Kết luận .38 Phụ lục .39 65 LỜI NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vấn đề ô nhiễm môi trường không khí giới nước ta trầm trọng, có ảnh hưởng lớn đến môi trường sống sức khỏe người, nồng độ khí NH yếu tố quan trọng Nếu nồng độ khí vượt nồng độ cho phép gây ngộ độc, nguy hiểm, gây bệnh đường hô hấp cho người Vì việc nghiên cứu thiết kế thiết bị cầm tay đo, giám sát nồng độ khí NH3 nhỏ gọn cần thiết, đáp ứng xu phát triển bảo vệ môi trường theo theo tiêu chuẩn Tuy nhiên thiết bị đo thị trường hầu hết thiết bị nhập ngoại, giá thành cao, việc nghiên cứu thiết kế thiết bị có ý nghĩa thực tế Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị, với yêu cầu sau: - Đo hiển thị kết nồng độ khí NH LCD gửi kết đo lên máy tính - Thiết bị có kích thước nhỏ gọn, thuận tiện thực phép đo - Đảm bảo độ xác kết đo Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan cảm biến đo khí bán dẫn cảm biến Mq135 đo nồng độ khí NH3 Nghiên cứu khối chức thiết bị đo khí từ xây dựng mạch phần cứng, thiết kế thiết bị đo hoàn thiện b) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cảm biến Mq135 ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu đặc tính, sơ đồ ứng dụng cảm biến Mq135 Từ dùng vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học đề tài Thiết kế thiết bị đo có khả đo hiển thị kết đo LCD thiết bị hiển thị kết lên máy tính giao diện thiết kế, lưu trữ liệu để b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài Thiết bị ứng dụng để đo kiểm soát nồng độ khí NH trang trại nuôi gia súc, gia cầm, nhà máy công nghiệp có khí thải Chương TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 Tổng quan thiết bị đo nồng độ khí NH3 1.1 Đặc điểm khí NH3 (ammoniac) Trong môi trường lao động sinh hoạt hàng ngày; người tiếp xúc với nhiều loại khí độc khác nhau, chúng làm ảnh hưởng đến sức khỏe kể tính mạng; nhiễm độc khí amoniac (NH 3) ý để phòng ngừa Nếu không phát xử lý kịp thời, nạn nhân bị di chứng nguy hiểm có khả dẫn đến tử vong tiếp xúc với nồng độ vượt mức cho phép Các nhà khoa học cho nồng độ khí NH cho phép không khí môi trường sống chung quanh 0,2 mg/m 3, vượt mức độ chúng gây nên tình trạng nhiễm độc nguy hiểm cho người Đặc điểm khí NH3 tan dễ dàng nước để tạo thành dung dịch có tính kiềm mạnh gọi amoni hydroxit (NH4OH) gây kích ứng, Chúng nén dễ dàng áp suất để thành dung dịch suốt, không màu Ở nhiệt độ cao khoảng 450 đến 500oC nhiệt độ thấp điều kiện có diện kim loại sắt, nicken, kẽm amoniac dễ bị phân hủy thành khí hydro nitơ Vì thùng chứa NH bị nổ tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong công nghiệp, nhà khoa học ghi nhận có khoảng 80% lượng NH3 dùng để làm phân bón Đồng thời chúng sử dụng để làm khí làm lạnh, tinh khiết nước; sản xuất nhựa, chất nổ, vải, thuốc nhuộm loại hóa chất khác Ngoài ra, NH phát loại dung dịch có tác dụng làm Để đo kiểm soát nồng độ khí này, thị trường có nhiều loại cảm biến với nguyên lý đo khác Tuy nhiên cảm biến đo khí theo nguyên lý bán dẫn ứng dụng rộng rãi cả, bời độ xác giá thành tính sử dụng chúng có ưu điểm 1.2 Các thiết bị đo khí 1.2.1 Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí Dựa thay đổi độ dẫn điện màng mỏng bán dẫn hấp thụ chất khí bề mặt nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC Loại cảm biến chủ yếu sử dụng đo khí độc, sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon Chất lượng cảm biến loại phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất Cảm biến loại có tính lựa chọn thấp, độ nhạy thời gian đáp ứng bị ảnh hưởng nhiều độ ẩm môi trường; suy giảm độ nhạy không phát không hiệu chuẩn lại; bị hỏng hoàn toàn đo liên tục khí nồng độ cao; bị nhiễm độc lượng nhỏ chất silicone, halocarbon Có hai loại cảm biến loại sử dụng thông dụng làm từ ôxít kim loại: loại cảm biến màng mỏng làm từ VO (Tri-ô-xít Vonfam), dùng chủ yếu phát khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít thiếc (SnO2), loại tính chọn lọc thường dùng để phát thay đổi lớn lượng khí độc khí cháy a Loại màng dày (SnO2) Loại thường cấu tạo cách nung kết ô-xít thiếc lên điện cực gốm Điện cực mặt phẳng với sợi nung mặt lại dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.1) Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) Cơ chế phát khí ga loại phức tạp, đặc biệt với khí độc Nó kết hợp các phản ứng bề mặt bao gồm hấp thụ khí ga Khi cảm biến không cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hậu cảm biến phải nhiều để ổn định lại, điều xảy cảm biến bị cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp thời gian ngắn Khi cảm biến phát có khí ga, điện trở lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, cần phải tuyến tính hoá Cảm biến loại dễ bị ảnh hưởng độ ẩm ô-xy Với lượng nhỏ độ ẩm ô-xy gây ổn định cho cảm biến, chí dừng làm việc điều kiện làm việc bình thường phục hồi trở lại b Loại màng mỏng (VO3) Loại cấu tạo vật liệu không dẫn điện gắn với hai nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ô-xít kim loại gắn vào điện cực Các phận nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường hấp thụ ô-xy tạo trường điện từ đẩy electron khỏi bề mặt Khi có khí H 2S, đẩy ô-xy (bằng cách chiếm chỗ phản ứng), từ giải phóng electron để dẫn LCD_PrHexByte(rxBuf[2]); //gio LCD_Position(1,2); LCD_PrCString(":"); LCD_Position(1,3); LCD_PrHexByte(rxBuf[1]); //phut LCD_Position(1,8); LCD_PrHexByte(rxBuf[4]); //ngay LCD_Position(1,10); LCD_PrCString("/"); LCD_Position(1,11); LCD_PrHexByte(rxBuf[5]); //Thang LCD_Position(1,13); LCD_PrCString("/"); LCD_Position(1,14); LCD_PrHexByte(rxBuf[6]); //Nam } void hien_thi_gia_tri_kenh1(void)//H2S { int i; int y; floatk,kq; for( i=1;i