Thiết kế thiết bị đo có khả năng đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên màn hình LCD, trao đổi tín hiện với máy tính, lƣu trữ trên máy tính

MỤC LỤC Chƣơng 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) 1.2 Các thiết bị đo khí 1.2.1 Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế CHƢƠNG LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO 15 2.1 Yêu cầu công nghệ thiết bị đo giám sát khí nồng độ khí NH3 15 2.2 Các khối chức 16 2.2.1 Cảm biến 16 2.2.2 Khối hiển thị kết định thời gian thực 24 2.2.3 Khối lƣu trữ MMC 24 2.2.4 Truyền thơng máy tính 25 2.2.5 Khối nguồn ổn áp 26 2.2.6 Khối xử lý trung tâm 27 Chƣơng TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO 32 3.1 Triển khai thiết bị đo 32 3.1.1 Khối hiển thị 32 3.1.2 Khối lƣu trữ MMC 32 3.1.3 Truyền thơng máy tính 33 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) 34 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo 35 3.1.6 Lƣu đồ thuật toán 38 3.1.7 Sơ đồ mạch in 39 3.1.8 Thiết bị sau thi cơng đóng hộp 40 3.2 Phần mềm PC để tải liệu giám sát thông số nồng độ khí NH3 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined Phụ lục Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) Hình 1.2 Cảm biến điện cực đo khí NH3 10 Hình 1.3.Máy dị khí k60 series 11 Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật máy dị khí k60: Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Cảm biến điện hóa Dragersensor EC 12 Hình 1.5 Máy dị khí rị rỉ GA-170 12 Hình 1.6 Máy đo khí cầm tay 13 Hình 1.7 Cảm biến đo giám sát nồng độ khí 14 Hình 2.1 Sơ đồ khối thiết bị đo 15 Hình 2.2 Hình ảnh cảm biến MQ135 đo nồng độ khí NH3 17 Hình 2.3 Cấu trúc cảm biến MQ135 18 Hình 2.4 Đặc tính độ nhạy cảm biến MQ135 số khí 20 Hình 2.5 Sự phụ thuộc MQ135 vào nhiệt độ độ ẩm 20 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch MQ135 21 Hình 2.7 Màn hình LCD Hitachi 24 Hình 2.8 Chíp DS1307 24 Hình 2.9 Hình ảnh thẻ nhớ MMC 25 Hình 2.10 Chuấn USB 25 Bảng 2.2 Sơ đồ chân LM2576 Error! Bookmark not defined Hình 2.11 Khối nguồn ổn áp dùng LM2576 27 Hình 2.12 Vi xử lý trung tâm PSoC 28 Hình 2.13 Sơ cấu trúc chíp PSoC1 sơ đồ chân chíp CY8C29566 29 Hình 3.1 Sơ đồ nối hình LCD 32 Hình 3.2 Giao diện thẻ MMC mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với PSoC 33 Hình 3.3 Khối USB 34 Hình 3.4 Khối thời gian thực 35 Hình 3.5 Khối vi xử lý trung tâm PSoC 36 Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị đo 37 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn 38 Hình 3.8a Mặt mạch in 39 Hình 3.8b Mặt mạch in 40 Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị 41 Hình 3.10 Hình ảnh giao diện phần mềm PC 41 Hình 3.11 Khối chọn file sở liệu, định dạng Excel 41 Hình 3.12 Khối hiển thị online thông số 42 Hình 3.13 Khối kết nối với thẻ nhớ MMC thiết bị 42 Bảng 3.1: Kết nồng độ khí đo 43 LỜI NÓI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng có xu hƣớng ngày nghiêm trọng nƣớc ta nhƣ tồn giới Trong khí có tự nhiên NH3 khí quan trọng có ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng nhƣ sức khỏe ngƣời nhƣ nồng độ khí vƣợt mức cho phép Hầu hết thiết bị đo khí NH3 thị trƣờng thiết bị nhập ngoại có giá thành cao Vì việc thiết kế thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ phục vụ cho nhu cầu đo NH3 cầm tay thiết thực, có giá trị cao Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan cảm biến đo khí, cảm biến MQ 135, nguyên lí hoạt động cấu tạo Nghiên cứu khối từ xây dựng mạch phần cứng Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu sơ đồ, đặc tính cảm biến MQ 135 từ dùng vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn Thiết kế thiết bị đo có khả đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên hình LCD, trao đổi tín với máy tính, lƣu trữ máy tính Có thể đo khí NH3 cầm tay, đo trang trại gia súc, gia cầm, xí nghiệp có khí thải Chƣơng 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 trƣờng làm việc sống hàng ngày; ngƣời có khả gặp phải với nhiều loại khí độc khác nhau, chúng có khả làm tổn hại đến sức khỏe kể tính mạng ngƣời; nhiễm độc khí amoniac (NH3) đƣợc để ý phòng tránh Nếu nhƣ khơng đƣợc phát xử lí lúc, kịp thời, nạn nhân bị di chứng ảnh hƣởng nghiêm trọng có khả thể tử vong tiếp xúc với nồng độ vƣợt định mức cho phép Các nhà khoa học cho nồng độ khí amoniac có khơng khí mơi trƣờng sống xung quanh đƣợc phép 0,2 mg/m3, vƣợt mực độ khí NH3 có khả làm cho ngƣời bị nhiễm độc, nguy hiểm Đặc thù khí NH3 có khả tan dễ nƣớc thƣờng để thành dung dịch có đặc tính kiềm mạnh đƣợc gọi amoni hydroxit (NH4OH) có khả gây kích ứng, bỏng Khí có khả bị nén dễ dàng dƣới áp suất để tạo thành dung dịch suốt, không màu Ở nhiệt độ cao khoảng 450oC tới 500oC nhiệt độ thấp hoàn cảnh có diện kim loại nhƣ sắt, niken, kẽm NH3 dễ bị phân hủy tạo thành khí hydro nitơ Do thùng chứa khí NH3 có khả bị nổ tiếp xúc với nhiệt độ cao Trong công nghiệp, nhà khoa học ghi nhận khoảng 80% lƣợng khí NH3 đƣợc dùng để tạo phân bón Song song với chúng cịn đƣợc dùng để làm lạnh khí, tinh khiết nƣớc; làm nhựa, thuốc nổ, vải, thuốc nhuộm màu loại hóa chất khác Bên cạnh đó, khí NH3 đƣợc phát bên loại dung dịch dùng mục đích tẩy rửa làm Để đo đạc kiểm tra nồng độ khí amoniac này, thị trƣờng có nhiều loại cảm biến với nguyên lý đo khí khác Tuy nhiên cảm biến đo khí theo nguyên lý bán dẫn đƣợc sử dụng rộng rãi cả, bời độ xác cao, giá thành rẻ tính hiệu sử dụng có nhiều ƣu 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 bán dẫn hấp thụ khí độc nhiệt độ 150 – 500 độ C Ở điều kiện ko khí màng bán dẫn dẫn điện nhƣng điều kiện có độc nhiệt độ làm việc chuẩn tính dẫn điện màng bán dẫn tang Chất lƣơng loại cảm biến phụ thuộc vào sản xuất Loại cảm biến có tính chọn lựa thấp, độ nhạy, khả đáp ứng, độ xác bị ảnh hƣởng nhiều yếu tố môi trƣờng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Khi bị sai số cần hiệu chỉnh lại Thiết bị hỏng hồn tồn làm việc liên tục nhiệt độ cao Có cảm biến loại đƣợc sử dụng nhiều (làm từ ơ-xít kim loại): Loại cảm biến màng mỏng đƣợc làm từ VO3 (Tri-ơ-xít Vonfam), đƣợc dùng chủ yếu phát khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ơ-xít thiếc (SnO2), loại khơng có tính chọn lọc thƣờng đƣợc dùng để phát thay đổi lớn lƣợng khí độc khí cháy a Loại màng dày (SnO2) Loại thƣờng đƣợc cấu tạo cách nung kết ơ-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 ơ-xít (SnO2) Loại có chế phát khí độc phức tạp Nó có kết hợp các phản ứng bề mặt cảm biến gồm hấp thụ khí Khi khơng đƣợc cấp nguồn, khí độc bám vào bề mặt dễ dàng hậu cảm biến phải nhiều thời gian để ổn định lại trạng thái ban đầu, 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 ơ-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ với nồng độ khí Tỉ lệ thay đổi điện trở khơng tuyến tính với nồng độ khí, cần phải đƣợc tuyến tính hố Cảm biến loại dễ bị ảnh hƣởng độ ẩm ô-xy Với lƣợng nhỏ độ ẩm ơ-xy gây ổn định cho cảm biến, chí dừng làm việc điều kiện làm việc bình thƣờng đƣợc phục hồi”trở lại b Loại màng mỏng (VO3) Loại đƣợc cấu tạo vật liệu không dẫn điện gắn với hai nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ơ-xít kim loại đƣợc gắn vào điện cực Các phận đƣợc nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Bề mặt lớp ơ-xít kim loại bình thƣờng hấp thụ ơ-xy tạo trƣờng điện từ đẩy electron khỏi bề mặt Khi có khí H2S, đẩy ô-xy (bằng cách chiếm chỗ phản ứng), từ giải phóng electron để dẫn điện, tức thay đổi độ dẫn điện chất bán dẫn Độ dẫn điện chất bán dẫn ơ-xít kim loại nguồn tín hiệu c Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến bán dẫn Có yếu tố ảnh hƣởng đến đặc tính cảm biến mà ngƣời sử dụng cần biết để lựa chọn đánh giá cảm biến bán dẫn xác : (1) ơ-xít kim loại Vật liệu bán dẫn nhân tố ảnh hƣởng đến tồn đặc tính cảm biến bán dẫn Thông thƣờng nhà sản xuất bổ sung thêm vật liệu phụ để gia tăng đặc tính chất bán dẫn, mục đích để ổn định nhiệt độ ơ-xít kim loại nhiệt độ làm việcntốt (2) nhiệt độ làm việc Nhiệt độ làm việc cảm biến bán dẫn ảnh hƣởng nhiều đến đƣờng đặc tính độ nhạy tín hiệu Chính mà nhà sản xuất ln mong muốn nhiệt độ làm việc cảm biến không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, từ đƣờng đặc tính tín hiệu đƣợc tuyến tính hố với độ xác cao (3) đặc tính hấp thụ khí Đặc tính hấp thụ khí ga ơ-xít bán dẫn yếu tố cần thiết để cảm biến loại đo đƣợc nồng độ khí.Với lƣợng nhỏ bị hấp thụ vật liệu xung quanh, vật liệu chế tạo cảm biến cần phải đƣợc lựa chọn kỹ Khả hấp thụ khí độc nƣớc mạnh, nƣớc ngƣng tụ bám vào lỗ phận chống lửa làm tác dụng cảm biến Biện pháp hữu hiệu cung cấp nguồn lƣợng đủ cho cảm biến làm việc để hạn chế ảnh hƣởng độ ẩm ngăn chặn nƣớc ngƣng tụ phận chống lửa cảm biến (4) độ”ẩm (5) nhiệt độ môi trƣờng (6) trình hoạt động cảm biến Nhiều cảm biến loại hoạt động khơng ổn định khơng đƣợc cấp nguồn mơi trƣờng có độ ẩm cao khoảng thời gian ngắn Các nhà sản xuất thƣờng khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 trƣớc cảm biến hoạt động thức hiệu chỉnh”cảm biến 1.2.2 Các loại cảm biến đo khí NH3 thực tế Hình 1.2 Cảm biến điện cực đo khí NH3 Điện cực đo khí amoniac NH đƣợc dùng cho hệ thống phân tích chất lƣợng khơng khí xung quanh - ETC 3000 ETL 3000 hệ thống thiết bị quan trắc mơi trƣờng khơng khí xung quanh dùng để đo chất làm nhiễm khơng k hí dạng nồng độ phần tỷ (ppb) Hệ thống đƣợc dựa công nghệ cảm biến màng rắn từ cung cấp độ nhạy độ xác cao.Kỹ thuật cảm biến dựa vào tế bào điện hóa thơng thƣờng Thiết bị có khả đo: O 3, CO NO2 Và cảm biến khác C6H6, CH4, SO2, H2S, NH3 Ngồi thiết bị cịn tích hợp để đo tiêu bụi tổng: TSP, PM10, PM2.5, PM1.0, tiếng ồn, thông số thời tiết nhƣ: tốc độ gió, hƣớng gió, nhiệt độ, độ ẩm, lƣợng mƣa, áp suất, xạ Cảm biến công nghệ màng rắn cảm biến dựa tƣợng dẫn điện xảy bề mặt chất bán dẫn nano oxid kim loại (có đƣờng kính khoảng 30-50nm) khoảng nhiệt độ 200-400 C * Ƣu điểm: - Hệ thống tích hợp sẵn datalogger (flash memory) đ ể lƣu trữ liệu modem GSM - Chi phí để bảo dƣỡng thấp, dễ dàng bảo trì thay - Khả tiêu thụ điện thấp, sử dụng bình acqui pin lƣợng mặt trời - Tuổi thọ cảm biến cao khoảng trung bình 5-10 năm - Trọng lƣợng nhẹ, dễ dàng di chuyển - ADC độ phân giải tối đa 14 bit - DAC độ phân giải tối đa bit - Khuếch đại điện áp - Các lọc so sánh - Các định thời đếm 8-16-32 bit - Khối tạo mã CRC mã giả ngẫu nhiên - Hai khối UART - Các thiết bị SPI - Tất chân đầu - Các khối chức - Lập trình vùng nhớ xác định ghi có bảo vệ - Các chân I/O có chế độ Pull up, Pull down, High Z, Strong, Open pin state - I2C Slaver Master Multi-Master có tốc độ lên tới 400kHz - Mạch giám sát tích hợp - Khối tạo điện áp tham chiếu chuẩn xác Hình 2.13 Sơ cấu trúc chíp PSoC1 sơ đồ chân chip CY8C29566 Các vi xử lí PSoC1, PSoC3 dựa cấu trúc CISC 8-bit, hệ đời cao nhƣ PSoC5 mạnh nhiều dựa lõi vi xử lý ARM 32 bit Cấu trúc chung chúng bao gồm khối dƣới đây: - Khối CPU: trung tâm vi xử lí có chức thực lệnh điều khiển chu trình hoạt động (workflow) khối chức khác - Khối tạo tần số dao động: nơi tạo tần số thích hợp cung cấp cho CPU hoạt động cung cấp tập hợp tần số khác cho khối có chức lập trình đƣợc Các tần số đƣợc tạo dựa sở tần số tham chiếu bên PSoC đƣợc cung cấp từ bên ngồi vi xử lí - Khối điều khiển Reset: tác dụng kích hoạt cho vi xử lí hoạt động nhƣ giúp phục hồi trạng thái hoạt động bình thƣờng vi xử lí xảy cố - Bộ định thời Watch-Dog: tác dụng để phát vịng lặp vơ hạn chƣơng trình - Bộ định thời Sleep: có khả kích hoạt vi xử lí theo chu kì để khỏi chế độ tiết kiệm cơng suất Cịn có tác dụng nhƣ định thời thông thƣờng - Các chân vào/ra: tác dụng giúp cho việc giao tiếp CPU khối chức số/tƣơng tự lập trình đƣợc nhƣ giao tiếp với ngoại vi - Khối chức số: có khả lập trình đƣợc cho phép ngƣời dùng tự cấu hình thành phần số tùy biến - Khối chức tương tự: có khả lập trình đƣợc cho phép ngƣời dùng tự cấu hình thành phần tƣơng tự nhƣ các lọc, đảo, thu nhận mã đa tần rời rạc DTMF, chuyển đổi liệu AD/DA, khuếch đại thuật toán OA - Khối điều khiển ngắt: có tác dụng xử lý yêu cầu ngắt trường hợp cần thiết - Khối điều khiển I2C: tác dụng giúp cho vxl PSoC giao tiếp với phần cứng khác theo chuẩn I2C - Khối tạo điện áp tham chiếu: cần thiết cho thành phần analog nằm bên khối tƣơng tự, có khả lập trình đƣợc - Bộ nhân tổng MAC: tác dụng thực phép nhân có dấu - Hệ thống SMP: đƣợc sử dụng nhƣ phần chuyển đổi điện áp Ví dụ, cung cấp cơng suất cho vi điều khiển hoạt động pin 1,5V Chƣơng TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO 3.1 Triển khai thiết bị đo Dựa vào linh kiện chọn ta triển khai thiết kế thiết bị nhƣ sau: 3.1.1 Khối hiển thị K A D D D D D D D D E R/W R 0 1 1 P P P D N 4 _ _ LCD LCD HINH MAN D N G VCC ON V V R R K 1 VCC _ D _ _ _ G N _ P P 4 G P V P VCC D D S V V VSS LCD LCD16x2 D C L Kết đo đƣợc hiển thị hình LCD thiết bị đo Hình 3.1 Sơ đồ nối hình LCD 3.1.2 Khối lưu trữ MMC Do PSoC hỗ trợ chuẩn giao tiếp với thẻ nhớ MMC nên vấn đề đƣợc thực dễ dàng Dữ liệu lƣu vào thẻ nhớ dƣới dạng FAT32 hồn tồn truy xuất thiết bị khác hỗ trợ chuẩn FAT32 Chức chống ghi (Write Protect) phát thẻ (Card Detect) đƣợc PSoC hỗ trợ cách đầy đủ D N G C10 C M MMC NHO THE Header CS1 SCK1 MOSI1 MISO1 M D N G VCC VCC Hình 3.2 Giao diện thẻ MMC mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với PSoC 3.1.3 Truyền thơng máy tính Chuẩn truyền thơng thiết bị máy tính đƣợc lựa chọn chuẩn USB 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 Thiết bị sử dụng IC driver PL2302 để đồng chuẩn UART đƣợc tích hợp vi xử lý PSoC với chuẩn USB Hình 3.3 Khối USB Đặc tính PL2303HX: - On-chip USB 1.1 thu phát điều chỉnh 3.3V - 5V - Hỗ trợ giao diện nối tiếp RS-232 với tốc độ truyền Programmable từ 75 bps đến 12 Mbps (Rev D) - Hỗ trợ RS422 / RS485 (Rev D) - Tích hợp chip Clock Generator (Rev D) - On-chip OTP (One Time Programming) ROM cho cấu hình thiết bị khởi động nhƣ chuỗi sản phẩm chuỗi số nối tiếp (Rev D) - Cơ chế kiểm sốt dịng chảy rộng lớn nhƣ mức điểu chỉnh cao / thấp, phần cứng phần mềm kiểm soát tự động, phát lỗi tràn đệm liệu vào - Cấu hình 256-byte đệm outbound 256-byte đệm nội; 128-byte outbound đệm 384-byte đệm inbound - Hỗ trợ từ xa đánh thức từ tín hiệu đầu vào MODEM - Hỗ trợ lên đến chân GPIO (Rev D) 3.1.4 Khối đồng thời gian (Realtime) Thiết bị sử dụng chip đồng hồ thời gian thực (RTC - Real-time clock) IC DS1307 Chip có ghi 8-bit chứa thời gian là: giây, phút, giờ, thứ (trong D N G VCC VBAT VCC T Battery3.3V SQW/OUT X N G D N G D N thuc gian thoi Khoi D N G G DS1307 D K CX2 B X CX1 SDA SDA_I2C SCL U R SCL_I2C 4K7 4K7 R VCC VCC C tuần), ngày, tháng, năm Hình 3.4 Khối thời gian thực 3.1.5 Khối xử lý trung tâm thiết bị đo Từ chức thiết bị đo nên vi xử lý trung tâm cần có chuẩn truyền thơng để ghép nối với thiết bị ngoại vi (bộ nhớ ngoài, PC, phím điều khiển…) IC PSoC (Programmable System on Chip) có khả tích hợp chức ghép nối nên có tính mở, tính linh hoạt, khả kết nối với thiết bị ngoại vi Sử dụng IC PSoC tạo đƣợc thiết bị đo nhỏ gọn, đầy đủ chức cần thiết, thuận tiện cho ngƣời sử dụng Do IC PSoC hồn tồn thích hợp làm vi xử lý trung tâm cho thiết bị đo Trong đồ án sử dụng PSoC CY8C29566 hãng Cypress PSoC (Programmable System -on-chips) chip mà tích hợp vi điều khiển thành phần tƣơng tự thành phần số xung quanh vi điều khiển nhúng vào hệ thống Khối số gồm có nhiều khối khả trình nhỏ đƣợc cấu hình cho ứng dụng khác Khối tƣơng tự đƣợc sử dụng cho công cụ Analog nhƣ lọc, so sánh tín hiệu tƣơng tự, khuyếch đại đảo, không đảo nhƣ AD, DA V C C I V V I I N N N S D C A C Y C 6 - A X K T U A 4 C C V V P ( ) P ( ) 2 2 1 I N K C C R X D V P P P P 0 0 P S E P R P P X P ( ) P ( ) K d 0 X R E S d ( ( ( ( ( ( ( ( P ( ) / X T A L o P ( ) / X T A L i P ( ) P ( ) P ( ) / E P ( ) / S u t / S P ( ) P ( ) D A P ( ) P ( ) P ( ) P ( ) P ( ) K T n / S C L I N S O _ P S O C S I N N 2 K _ P S O C 1 X T C L K P D A P ( ) P ( _ ( ) / S C L _ _ P ( ) P ( ) P ( ) P ( ) P P _ P _ N P ) P G P _ 4 _ D D V s s ( ( ) ) ) ) ) 2 ( 2 ( P P ( P P 2 P P P N P G D ( ( ( ) ) ) / / E E 3 3 X X 4 T T V A R G E N C S M M L F C S D S S O E K I D C S R S D E P K L D C N X I G E ) D ) C O ) S / M P E 1 _ ) I P ) L S C C C O ) S M ) A M ) D S S R D O L A I _ _ I I R P V C C C C G N D X R E S S C S D L G N D A P K H O I V I X U L Y T R U N G T A r o g r a m m i n g M Hình 3.5 Khối vi xử lý trung tâm PSoC I Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể thiết bị đo TAM TRUNG LY XU VI KHOI CAP CUNG NGUON Programming SDA D N G SCL XRES D N G VCC P R D E L D R D N G D N G E SDA_I2C SCL_I2C M - Header L MISO1 MOSI1 CS1 SCK1 R M VCC R 4 3 3 C D V 2 D N G P2(7) VREF P2(6)/EXT P2(5) AGND P2(4)/EXT P2(3) P2(2) P2(1) P2(0) P4(1) P4_1 P4(6) Vss P4(3) P1(7)/SCL P4_6 P4_3 P4(4) P4_4 1 K D N G D N G P4(5) P1(6) P4_5 IN5 D N G P4(2) P1(5)/SDA P4_2 CSN_PSOC P4(7) P1(4)/EXTCLK IN6 P4(0) P1(3) 4 P4_0 MISO_PSOC P1(2) C17 C18 MOSI_PSOC P3(7) P1(1)/XTALin/SCL A F u F u 1 D C11 100mH K C12 TXD P3(5) P3(6) P1(0)/XTALout/SDA K SCL SDA (dan) cam Cuon ON/OFF D N G P3(4) SMP T U O RE/DE N I P3(3) XRES L V K 1 XRES P0(7) P0(6) P0(5) P0(4) P0(3) P0(2) P0(1) P0(0) P3(2) FEEDBACK Vdd RXD VCC VCC VCC P3(1) K 1 T P3(0) LM2576_(dan) IN4 2 4 4 3 U CY8C29566-24AXI SCK DATA IN1 IN2 IN3 V V VCC LCD HINH MAN USB KHèI D N G D N G VCC 4Hien Header USB+ USB- D N G LCD ON VCC_PC USB_COM V V R F u F u Tantalum Tu Tantalum Tu C R D N G VCC_PC K C C VCC _ _ _ _ D PL2303HX 4 _ 4 _ D N G N _ P P R USBDP EE_DATA P P R P P P V 4 G VCC P D R USBDM EE_CLK 1K5 M D R VO_33 SHTD_N V33 R D N G CTS_N D N G 1 4 C N DCD_N 1 1 1 1 VCC DSR_N D VCC_PC 0 D S D N G C D N G G D N GP0 D N G C N K A D D D D D D D D E R/W R V V VSS 2 D N G GP1 RI_N C C N RXD TXD p 2 p 2 D N G A VCCIO D N G VCC C C PLL_TEST RST_N D N G LCD OSC1 DTR_N 2 OSC2 TXD Y RXD D N G 12MHz U LCD16x2 D C L thuc gian thoi Khoi MMC NHO THE Sensor D N G Header D N G D N G DS1307 D N G D 8 SQW/OUT X K 3 MOSI1 N Header SCK1 G CS1 Battery3.3V CX2 T B X MISO1 IN6 CX1 VCC VBAT SDA IN5 SDA_I2C VCC SCL IN4 SCL_I2C C M M IN3 VCC U 4K7 4K7 D N G IN2 R R IN1 1 D N G VCC D N G VCC IN_SS VCC VCC C C10 3.1.6 Lưu đồ thuật toán Begin Ngắt UART? - Khởi tạo khối chức -TH=1 - Dọc STT từ MMC - Khởi tạo ADC Y Xư lý tín hiệu ngắt, nhập giá trị biến TH? N TH=1? Y Đọc giá trị hiển thị kết lên LCD Thời gian = phút? N Y TH=2? RESET MMC: - STT=1 - TH=1 Y Lưu liệu vào MMC N TH=3? Y Hiển thị liệu lên PC N TH=4? Y - Đọc liệu từ thẻ nhớ MMC lên PC N Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn - Bắt đầu”ta khởi tạo khối chức năng: Khối sensor, khối thời gian thực, khối thẻ nhớ MMC, khối truyền thông thiết bị máy tính, khối vi xử lý trung tâm, khối hình LCD Tiếp lúc ta cho trƣờng hợp (TH) = 1, với khởi tạo khối ADC vi xử lý để chuyển tín hiệu sau chuẩn hóa thành tín hiệu số Và đọc liệu từ thẻ nhớ MMC - Lúc bật máy (tức cấp nguồn cho thiết bị) ta mặc định cho TH=1, thiết bị đọc giá trị nồng độ đo đƣợc khí NH3 đƣa kết lên hình LCD - Ta cài đặt thời gian lặp lại phút phút đọc lại giá trị hiển thị lên LCD lần đồng thời lƣu kết vào thẻ nhớ SD Nếu sai sau lại ban đầu kiểm tra xem TH = không? - Khi báo ngắt UART đƣợc báo cho CPU để tạm dừng chƣơng trình hoạt động xử lý ngắt lúc máy tính kiểm tra giá trị biến TH tƣơng ứng lệnh với lệnh điều khiển - Với Trƣờng hợp TH = t reset lại thẻ nhớ MMC, STT =1 lúc TH =1 (Ở ta chia thẻ nhớ ngăn nhổ STT, sau chạy ta lƣu dữu liệu vào STT+1) - Nếu sai lúc kiểm tra biến TH = khơng? Nếu chƣơng trình cho hiển thị liệu lên PC - Cuối kiểm tra trƣờng hợp TH = 4, ta đọc liệu từ thẻ nhớ MMC lên PC để giám sát Nếu sai tiếp tục quay lại ban đầu kiểm tra”TH 3.1.7 Sơ đồ mạch in Hình 3.8a Mặt mạch in Hình 3.8b Mặt mạch in 3.1.8 Thiết bị sau thi cơng đóng hộp Các thiết kế đƣợc thử nghiệm hoàn chỉnh phần mềm mô phỏng, sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch cứng đƣợc hoàn thiện Thiết bị nhỏ gọn, có kích thƣớc 10,5 x 7,5 x (cm) Ngun lí hoạt động: Sensor MQ-135 lấy thơng tin từ đối tƣợng cần đo (khí NH3) mơi trƣờng Trong trƣờng hợp MQ-135 đƣợc chuẩn hóa tín hiệu dƣới dạng điện áp từ 0-5V Từ tín hiệu điện áp đƣợc chuẩn hóa đƣa vào vi xử lý PSoC biến đổi tín hiệu tƣơng tự thành tín hiệu số xử lý đƣa kết hiển thị lên hình LCD với nhờ khối thẻ nhớ SD giúp ta lƣu trữ thông tin lớn thời gian dài để tiện cho q trình giám sát Bên cạnh PSoC đƣa tín hiệu lên máy tính thơng qua khối truyền thông sử dụng chuẩn USB để giám sát thiết bị Trên PC ta xem lại giây, phút, giờ, ngày, tháng, năm lần đo thông qua khối thời gian thực Hình 3.9 Hình ảnh thiết bị 3.2 Phần mềm PC để tải liệu giám sát thơng số nồng độ khí NH3 Giao diện kết nối máy tính với thiết bị thơng qua chuẩn USB Toàn thao tác phần mềm giao diện hình 3.9, thể hình 3.10 dƣới Hình 3.10 Hình ảnh giao diện phần mềm PC Giao diện chia làm khối sau: - Khối I: Khối chọn file sở liệu, định dạng Excel, thao tác vận hành nhƣ sau: o Bƣớc 1: Chọn đƣờng dẫn tên file ô I.1 o Bƣớc 2: Chọn sheet file excel ô I.2 o Bƣớc 3: Click chuột vào nút “Khởi tạo file” để xác nhận Ví dụ: Hình 3.11 Khối chọn file sở liệu, định dạng Excel - Khối II: Khối hiển thị thông báo qua trình vận hành - Khối III: Khối hiển thị online thông số: ngày tháng, thời gian, nồng độ NH3 Sau click chuột vào nút “Connect” khối V, kết nối với thiết bị yêu cầu gửi liệu Hình 3.12 Khối hiển thị online thông số - Khối IV: Khối kết nối với thẻ nhớ MMC thiết bị Chức đọc liệu từ thẻ nhớ để ghi vào file sở liệu Giới thiệu: IV.1 IV.2 IV.3 IV.4 Hình 3.13 Khối kết nối với thẻ nhớ MMC thiết bị Trong đó: - IV.1: Hiển thị % dung lƣợng liệu đọc xong - IV.2: Nhập số thứ tự (STT) điểm đầu – đọc liệu từ MMC từ điểm đầu đến điểm cuối (tƣơng đƣơng với số giá trị cần đọc từ MMC) - IV.3: Nhập số thứ tự (STT) điểm cuối - IV.4: Nút “Doc MMC”- lệnh bắt đầu đọc liệu từ thẻ nhớ o Thao tác vận hành:  Bƣớc 1: Đầu tiên nhập số giá trị cần đọc từ MMC (nhập thông số vào IV.2 IV.3)  Bƣớc 2: Click chuột vào nút “Doc MMC” để bắt đầu đọc liệu từ thẻ nhớ - Khối V: Khối điều khiển - V.1: Nút Connect- lệnh kêt nối với thiết bị qua cổng USB - V.2: Nút Exit- Thoát khỏi giao diện - V.3: Nút STT=1- Reset MMC Kết đọc liệu từ thiết bị lên máy tính dƣới dạng file Microsoft Excel nhƣ bảng 3.1 Bảng 3.1: Kết nồng độ khí đo Kết đo đƣợc đƣợc hiển thị bảng liệu Excel (Bảng 3.1) bao gồm: Số thứ tự lần đo, ngày, tháng, năm, đo nồng độ khí NH3 (ppm) ... tiễn Thiết kế thiết bị đo có khả đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên hình LCD, trao đổi tín với máy tính, lƣu trữ máy tính Có thể đo khí NH3 cầm tay, đo trang trại gia súc, gia cầm, xí nghiệp có khí. .. để hiển thị lƣu trữ kết đo máy tính phục vụ cho công việc nghiên cứu - Lƣu trữ , truyền trao đổi số liệu với nhớ thiết bị máy tính, - Thiết bị chạy nguồn điện lƣới pin Với yêu cầu ta đƣa mơ hình. .. điểm nồng độ khí NH3, thiết bị đo cần phải đáp ứng đƣợc yêu cầu sau: - Dải đo: 1-100ppm NH3, - Thiết bị phải có kích thƣớc nhỏ gọn, thị trực tiếp nồng độ khí LCD, ngồi kết nối trực tiếp với máy tính