Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN THÀNH HÀ NỘI - 2017 LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc hồn thành Bộ mơn Vật lý Vô tuyến Điện tử Khoa Vật lý –Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội chƣơng tình đào tạo thạc sĩ khoa học nhà trƣờng, dƣới hƣớng dẫn khoa học trực tiếp TS Phạm Văn Thành Trƣớc hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Phạm Văn Thành, ngƣời thầy trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử nhƣ thầy cô Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình rèn luyện học tập Khoa Vật lý Tôi xin cảm ơn bạn lớp, bạn sinh viên khoa giúp đỡ nhiều q trình làm luận văn Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè ngƣời thân tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn Nghiên cứu đƣợc tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.18.17 Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Vi Văn Hoàng i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU iv BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT vii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nƣớc tầm quan trọng nƣớc 1.2 Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc 1.2.1 Thông số độ đục môi trƣờng nƣớc 1.2.2 Thông số pH môi trƣờng nƣớc 1.2.3 Thông số nhiệt độ môi trƣờng nƣớc thang đo nhiệt độ 1.2.4 Thông số độ dẫn môi trƣờng nƣớc 1.3 Giới thiệu cảm biến 1.4 Các phƣơng pháp đo thông số môi trƣờng nƣớc 1.4.1 Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục 1.4.2 Đo pH phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh 10 1.4.3 Cảm biến đo nhiệt độ 10 1.4.4 Phƣơng pháp đo độ dẫn điện điện cực tiếp xúc 14 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ ATMEGA 16 16 2.1 Cảm biến độ đục 16 2.1.1 Lý thuyết tán xạ ánh sáng 16 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống đo độ đục 17 2.2 Cảm biến pH .19 2.2.1 Nguyên lý đo cảm biến pH 19 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống đo pH 20 2.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến DS18B20 21 2.4 Cảm biến độ dẫn 24 2.4.1 Hằng số tế bào 25 2.4.2 Tế bào dẫn điện cực 25 2.4.3 Tế bào dẫn điện cực 26 2.5 Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC) 26 ii 2.6 Lý thuyết vi điều khiển .27 2.6.1 Khái niệm vi điều khiển 27 2.6.2 Họ vi điều khiển AVR 28 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 32 3.1 Hệ thống tích hợp đo thơng số môi trƣờng nƣớc (độ dẫn, độ đục, pH, nhiệt độ ) 32 3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục .34 3.2.1 Chuẩn bị mẫu 34 3.2.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 36 3.2.3 Kết thực nghiệm chỉnh hệ đo 38 3.3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH 39 3.3.1 Chuẩn bị mẫu 39 3.3.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 39 3.3.3 Kết thực nghiệm nhận xét 40 3.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ 41 3.4.1 Chuẩn bị mẫu 41 3.4.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 42 3.4.3 Kết nhận xét 43 3.5 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn .44 3.5.1 Chuẩn bị mẫu đo 44 3.5.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 44 3.5.3 Kết thực nghiệm nhận xét 45 3.6 Đo mẫu chất lỏng thực tế 46 3.7 Chức cảnh báo có thơng số vƣợt chuẩn 48 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 iii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1: Nguồn nƣớc trái đất Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục dung dịch Hình 3: Thang đo pH từ đến 14 [8] Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế chùm tia Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27] Hình 6: Điện cực chuẩn [27] 10 Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27] 10 Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn 11 Hình 9: Tiếp giáp P – N 11 Hình 10: Mạch nguyên lý cảm biến vi mạch bán dẫn 11 Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ mơi trƣờng nƣớc 12 Hình 12: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt DS18B20 13 Hình 13: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20 vi xử lý 13 Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với thiết bị 1- wire khác 14 Hình 15: Sự dịch chuyển ion dung dịch 14 Hình 16: Kích thƣớc lý thuyết cảm biến có số tế bào 1.0 [10] 15 Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng 16 Hình 18: Kích thƣớc hạt gần 1/4 bƣớc sóng ánh sáng 16 Hình 19: Kích thƣớc hạt lớn bƣớc sóng ánh sáng 17 Hình 20: Nguyên lý hoạt động 18 Hình 21: Nguyên lý đo pH điện cực thủy tinh [27] 19 Hình 22: Điện cực pH [33] 21 Hình 23: Hàm chuyển đổi điện cực pH [33].Hình 24: Thang pH giá trị điện [33] 21 Hình 25: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 22 Hình 26: Nguyên lý hoạt động chuẩn giao tiếp dây (1-wire) 23 Hình 27: Hằng số tế bào [28] 25 Hình 28: Sơ đồ tế bào dẫn điện cực [28] 25 Hình 29: Sơ đồ đơn giản tế bào dẫn điện cực [28] 26 Hình 30: Sơ khối chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) 27 Hình 31: Hình ảnh thực tế KIT AVR V4 29 Hình 32: Hình ảnh thực tế Module Sim800c 31 Hình 33: Sơ đồ khối hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ, độ dẫn 32 Hình 34: Hình ảnh thực tế hệ thống đo đa thông số môi trƣờng nƣớc 33 Hình 35: Hình ảnh loại cảm biến 34 Hình 36: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – 10 NTU (0; 1; 2; 4; 6; 8; 10 NTU) 35 iv Hình 37: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – 100 NTU (0; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) 35 Hình 38: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – 1000 NTU (0; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) 35 Hình 39: Sơ đồ khối hệ thống đo độ đục 36 Hình 40: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo độ đục 36 Hình 41: Quang phổ IR-LED [36] 37 Hình 42: Sơ đồ khối chức cảm biến màu TCS 3200 [39] 37 Hình 43: Đồ thị phụ thuộc tần số đầu vào độ đục dung dịch: (a) – 10 NTU; (b) 10 – 100 NTU; (c) 100 – 100 NTU 38 Hình 44: Dung dịch chuẩn pH 39 Hình 45: Sơ đồ khối hệ thống đo pH 40 Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH 40 Hình 47: Đồ thị phụ thuộc điện áp vào giá trị pH dung dịch 41 Hình 48: Sơ đồ khối hệ đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc 42 Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 42 Hình 50: Nhiệt độ đo đƣợc trình tăng nhiệt độ nƣớc 43 Hình 51: Nhiệt độ đo đƣợc trình giảm nhiệt độ nƣớc 43 Hình 52: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ – 80 ppm (0; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60; 80 ppm) 44 Hình 53: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 – 2000 ppm (100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 ppm) 44 Hình 54: Sơ đồ khối hệ thống đo TDS 44 Hình 55: Đồ thị biểu diễn gá trị độ dẫn hệ đo đƣợc so với dung dịch có nồng độ chuẩn 45 Hình 56: Hệ cảm biến đo nƣớc chứa ống PVC 46 Hình 57: Số liệu đo đạc đƣợc tải lên trang web thingspeak.com 46 Hình 58: Khu vực lấy mẫu chất lỏng Sông Tô Lịch Hồ linh Đàm 47 Hình 59: Mẫu chất lỏng lấy khu vực Sông Tô Lịch Hồ linh Đàm 47 Hình 60: Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động nhiều thông số vƣợt chuẩn 49 v BẢNG BIỂU Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (0; 2; 4; 8; 10) 39 Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (30; 50; 70; 80; 100) 39 Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (300; 600; 700; 800; 900) 39 Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn giá trị pH hệ chế tạo đo đƣợc hiển thị lên hiển thị LCD 41 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị dung dịch có nồng độ chuẩn độ dẫn hiển thị 45 Bảng 4: Bảng số liệu đo độ đục, độ dẫn, pH 48 vi BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT AC: Alternating Current ADC: Analog-to-digital converter ALU: Arithmetic Logic Unit AWWA: American Water Works Association BOD: Biochemical Oxygen Demand CISC: Complex Intruction Set Computer COD: Chemical Oxygen Demand CPU: Central Processing Unit CRC: cyclic redundancy check DC: Direct Current; DO: Dissolved Oxygen DS: Dissolved Solids EC: Electrical Conductivity I/O: Input/Output LCD: Liquid Crystal Display LSB: Least Significant Bit MSB: Most Si Significant Bit NTU: Nephelometric Turbidity Units PC: Counter process RISC: Reduced Intructionset Computer SMS: Short Message Services SRAM: Static Random Acess Memory SS: Suspended Solids TDS: Total Dissolved Solids TSS: Total Suspened Soids TS: Total Solids vii LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc nguồn tài nguyên thiên nhiên vô quan trọng ngƣời,sinh vật Ngồi ứng dụng đời sống sinh hoạt thƣờng ngày, nƣớccịn có ý nghĩa to lớn nhiều lĩnh vực khác nhƣ: giao thông, xây dựng, y tế, sản xuất … Theo hiến chƣơng châu Âu nƣớc định nghĩa: "Ơ nhiễm nƣớc biến đổi nói chung ngƣời chất lƣợng nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc gây nguy hiểm cho ngƣời, cho công nghiệp, nơng nghiệp, cho động vật ni lồi hoang dã" Hiện ô nhiễm nguồn nƣớc vấn đề cấp bách mà ngƣời phải đối mặt Do việc tìm nguyên nhân biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm nguồn nƣớc đƣợc nhiều quốc gia giới quan tâm Đã có nhiều cơng trìnhnghiên cứu dựán ứng dụng khoa học giải vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc xử lý nƣớc thải đời Trong đó, đề tài nghiên cứu hệ đo đạc thơng số môi trƣờng nƣớc bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ dẫn, nhiệt độ,…nhằm mục đíchtheo dõi, đánh giá kiểm soát chất lƣợng nƣớc đề tài quan trọng việc đánh giá bảo vệ nguồn nƣớc Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ Luận văn tập trung nghiên cứu thông số nƣớc nhƣ: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ.Sau tìm hiểu nghiên cứu chế tạo hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền liệu lên Internet.Đặc biệt hệ thống có khả gửi tin nhắn cảnh báo tới số điện thoại có nhiều thơng số vƣợt chuẩn Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Nguyên lý đo loại cảm biến vi xử lý ATmega 16 Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo đạc khảo sát hệ thống 3.2.3 Kết thực nghiệm chỉnh hệ đo Hình 43 biểu diễn phụ thuộc tần số đầu phụ thuộc vào độ đục dung dịch thay đổi khoảng: – 10 NTU; 10 – 100 NTU; 100 – 100 NTU Hình 43: Đồ thị phụ thuộc tần số đầu vào độ đục dung dịch: (a) – 10 NTU; (b) 10 – 100 NTU; (c) 100 – 100 NTU Kết thực nghiệm cho thấy độ nhạy cảm biến độ đục có độ nhạy cao khoảng từ – 10 NTU Trong khoảng từ 10 – 100 NTU 100 – 1000 NTU số vẩn đục polymer kết tinh lại với gây sai số phép đo, ảnh hƣởng tới độ tuyến tính cảm biến Bảng 1a, 1b, 1c biểu diễn giá trị độ đục chuẩn giá trị hệ thống đo đƣợc dựa đƣờng chuẩn thể Hình 43 38 Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (0; 2; 4; 8; 10) Độ đục chuẩn (NTU) Giá trị đo đƣợc (NTU) 10 0.093±0.09 2.07±0.07 5.94±0.05 8.21±0.21 9.94±0.05 Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (30; 50; 70; 80; 100) Độ đục chuẩn (NTU) Giá trị đo đƣợc (NTU) 30 50 70 80 100 29.92±0.073 49.55±0.44 69.16±0.83 80.54±0.54 99.66±0.34 Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn giá trị đo đƣợc (300; 600; 700; 800; 900) Độ đục chuẩn (NTU) Giá trị đo đƣợc (NTU) 300 600 700 800 900 299.1±0.87 598.9±1.07 698.9±1.06 798.6±1.30 880.3±19.6 3.3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH 3.3.1 Chuẩn bị mẫu Mẫu đo dung dịch đƣợc pha sẵn đóng chai theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ gồm loại là: pH = 0.1; pH = 1.68; pH = 4.01; pH = 7.00; pH = 10.01; pH = 13.88 (Hình 44) Hình 44: Dung dịch chuẩn pH 3.3.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo Hệ đo pH hoạt động dựa nguyên lý hoạt động điện cực thủy tinh Suất điện động đƣợc tạo trao đổi ion Hidro lớp màng thủy tinh mỏng đầu điện cực pH dung dịch mẫu Từ giá trị điện áp đo đƣợc điện cực biết đƣợc pH dụng dịch cần đo Do điện cực thủy tinh có điện trở đầu lớn 39 (>100MΩ) nên cần phải có khuếch phối hợp trở kháng với chuyển đổi ADC Atmega 16, nhằm giảm sai số đo giá trị điện áp đầu điện cực pH.Do đó, khuếch đại thuật tốn TL082 đƣợc sử dụng để thiết kế khuếch đại (Hình 46) Hệ đo sử dụng chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC)10 bit ATmega 16 để chuyển tín hiệu điện áp lối cảm biến sang dạng số hiển thị hình LCD 16x2 Hình 45: Sơ đồ khối hệ thống đo pH Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH 3.3.3 Kết thực nghiệm nhận xét Hình 47 biểu diễn phụ thuộc điện áp đo đƣợc từ điện cực pH Hana 1110B vào giá trị pH dung dịch chuẩn nhiệt độ phòng (~25℃) Kết cho thấy điện áp đầu khuếch đại phụ thuộc tuyến tính cao vào giá trị pH dung dịch (R2=0.9997) 40 Hình 47: Đồ thị phụ thuộc điện áp vào giá trị pH dung dịch Từ phƣơng trình đƣờng hồi quy tuyến tính (fit linear): y = 0.0993x + 0.1253, ta có độ nhạy cảm biến pH (điện cực pH )là: S = 99.3mV/pH.Dựa phƣơng trình này, giá trị pH đƣợc tính hiển thị lên LCD thể nhƣ Bảng Số liệu cho thấy độ xác cao hệ đo hiển thị giá trị pH đo đƣợc dung dịch chuẩn Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn giá trị pH hệ chế tạo đo đƣợc hiển thị lên hiển thị LCD pH (chuẩn) 0.1 1.68 4.01 7.00 10.01 13.88 pH (hiển thị) 0.25 ±0.14 1.61 ±0.07 3.96 ±0.05 6.97 ±0.02 9.94 ±0.07 13.76 ±0.12 Nhận xét: Hệ đo pH chế tạo đáp ứng đƣợc yêu cầu hệ thống đo pH môi trƣờng nƣớc Qua kết thu đƣợc cho thấy hệ đo có sai số nhỏ trung bình khoảng: 0.08 pH 3.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ 3.4.1 Chuẩn bị mẫu Dung dịch dùng để đo nhiệt độ mẫu nƣớc thông thƣờng Chuẩn bị mẫu nƣớc đun sơi mẫu nƣớc có nhiệt độ 100℃ Chuẩn bị mẫu nƣớc đá mẫu đo có nhiệt độ 0℃ 41 3.4.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo Hệ đo gồm cảm biến nhiệt DS18B20, vi điều khiển Atmega 16, hình hiển thị LCD 16x2 thu phát không dây Module Sim800C Nhiệt độ nƣớc đƣợc cảm biến DS18B20 thu lại, sau liệu nhiệt độ đƣợc gửi đến vi điều khiển Atmega 16 để xử lý hiển thị kết lên LCD kết nối với Module Sim800C thu phát không dây để truyền liệu lên Internet Đểvi điều khiển hoạt động, ta dùng chƣơng trình AVR Studio trình biên dịch GCC để lập trình cho Driver Hình 48: Sơ đồ khối hệ đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc Khảo sát hệ đo cách cho cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ đo nhiệt độ nƣớc cân nhiệt với nhiệt kế lấy làm chuẩn (thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005) Quá trình khảo sát chia làm giai đoạn: Giai đoạn 1: Đo nhiệt độ cốc nƣớc đá tan, nhiệt độ cốc nƣớc tăng dần nhiệt độ môi trƣờng (khoảng 24℃) Ghi số liệu khoảng nhiệt độ tăng Giai đoạn 2: Đo nhiệt độ cốc nƣớc nóng, để nhiệt độ nƣớc nóng nguội dần nhiệt độ môi trƣờng ghi số liệu trình nhiệt độ giảm Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 42 3.4.3 Kết nhận xét Hình 50biểu diễn giá trị nhiệt độ đo hệ đo (DS18B20) thiết bị đo nhiệt độ chuẩn FOX 2005 Nhiệt độ tăng từ ℃ đến 24℃ Khoảng thời gian phút ghi số liệu đo lần Hình 50: Nhiệt độ đo đƣợc trình tăng nhiệt độ nƣớc Từ kết đo ta có độ lệch trung bình phép đo khoảng 0.32℃ Thiết bị đo (cảm biến DS18B20) có sai số khoảng 0.5℃.Hệ đo nhiệt độ sai số khoảng 0.82℃ nằm dải nhiệt độ tăng dần (0℃ - 24℃) Hình 51 biểu diễn giá trị nhiệt độ đo hệ đo (DS18B20) thiết bị đo nhiệt độ chuẩn FOX 2005 Nhiệt độ giảm từ 85℃ xuống tới 30℃ Khoảng thời gian phút ghi số liệu đo lần Hình 51: Nhiệt độ đo đƣợc trình giảm nhiệt độ nƣớc Từ kết đo ta có độ lệch trung bình phép đo DS18B20 với thiết bị đo nhiệt độ chuẩn FOX 2005 khoảng 0.22℃ Thiết bị đo (cảm biến DS18B20) có sai số khoảng 0.5℃ Hệ đo nhiệt độ sai số khoảng 0.72℃ nằm dải nhiệt độ giảm dần (85℃ - 30℃) 43 Nhận xét: Hệ thống thiết kế đo nhiệt độ cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 dải nhiệt độ đo 0℃ - 85℃ có sai số nhỏ (khoảng 0.82℃), hệđo đáp ứng đƣợc độ xác cao hệ thống xác định nhiệt độ môi trƣờng nƣớc 3.5 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn 3.5.1 Chuẩn bị mẫu đo Sử dụng dung dịch Nacl có nồng độ từ đến 2000ppm làm dung dịch chuẩn Hình 52: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ – 80 ppm (0; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60; 80 ppm) Hình 53: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 – 2000 ppm (100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 ppm) 3.5.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo Hệ đo gồm cảm biến độ dẫn điện cực, máy phát sóng sin ICL8038, chuyển đổi AC-DC, vi điều khiển Atmega16, hình hiển thị LCD, Module Sim800C thể nhƣ Hình 54 Hình 54: Sơ đồ khối hệ thống đo TDS Tín hiệu xoay chiều đầu vào Vac đƣợc phát mạch tạo dao động sử dụng mạch tích hợp ICL8038, biên độ tần số Vac đƣợc chọn 2Vp-p 10 44 kHz.Biên độ tín hiệu đầu xoay chiều cảm biến V2-ac phụ thuộc vào độ dẫn tƣơng ứng với giá trị TDS dung dịch Bộ chuyển đổi xoay chiều thành chiều (AC-DC) xác đƣợc sử dụng để chuyển đổi VAC V2-AC thành tín hiệu chiều tƣơng ứng VDC V2-DC (Hình 54) VDC V2-DC sau đƣợc đọc vi xử lý Atmega 16 thông qua ADC 10 bit với điện áp tham chiếu nội 2.56V Kết lên LCD truyền tín hiệu lên Internet thơng qua truyền phát không dây Module Sim800C 3.5.3 Kết thực nghiệm nhận xét Hình 55 biểu diễn giá trị dung dịch có nồng độ chuẩn giá trị dung dịch có độ dẫn mà hệ chế tạo đo đƣợc kết đƣợc hiển thị lên hiển thị LCD Hình 55: Đồ thị biểu diễn gá trị độ dẫn hệ đo đƣợc so với dung dịch có nồng độ chuẩn Bảng 3: Bảng so sánh giá trị dung dịch có nồng độ chuẩnvà độ dẫn hiển thị Độ dẫn chuẩn (ppm) 10 20 40 60 80 Độ dẫn hiển thị (ppm) 0.033± 0.02 1.330±0.33 2.490±0.49 4.346±0.346 5.686±0.313 8.386±0.386 12.903±2.903 21.920±1.92 42.610±2.61 61.063±1.063 79.100±0.9 Độ dẫn chuẩn (ppm) 100 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 45 Độ dẫn hiển thị (ppm) 97.45±2.54 190.19±9.80 423.87±23.87 613.32±13.32 827.70±27.70 1044.26±44.26 1253.39±53.39 1424.33±24.33 1550.14±49.85 1733.70±66.3 1953.68±46.32 Số liệu cho thấy độ xác cao hệ đo hiển thị giá trị độ dẫn đo đƣợc dung dịch chuẩn Nhận xét: Hệ đo độ dẫn chế tạo đo đƣợc dung dịch có độ dẫn khoảng – 2000 ppm nhiệt độ phòng 3.6 Đo mẫu chất lỏng thực tế 3.6.1 Đo online thông số nước 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Hệ thống chế tạo đƣợc sử dụng để đo thông số online gồm nhiệt độ, pH, độ dẫn độ đục nƣớc máy 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Để đo online, cảm biến đƣợc gắn vào ống PVC đƣờng kính 21mm Nƣớc vào ống đƣợc điều khiển van điện, sau phút van điện mở 20 giây với mục đích thay nƣớc ống thành nƣớc Hình 56: Hệ cảm biến đo nƣớc chứa ống PVC Hình 57: Số liệu đo đạc đƣợc tải lên trang web thingspeak.com Hệ thống đo thông số gửi lên trang web thingspeak.com để lƣu trữ trực tuyến với chu kì phút/lần (Channel ID: 376238) Trang web thingspeak.com có chức xử lý sơ tín hiệu nhƣ vẽ đồ thị thơng số phụ thuộc vào thời gian đo, hiển thị số lƣợng điểm đo, lấy giá trị trung bình,… 46 Hình 56 Hình 57thể hệ cảm biến đo nƣớc ống PVC kết đo đƣợc upload lên trang web thingspeak.com nƣớc máy, thời gian 11 ngày Kết cho thấy giá trị pH khoảng từ 7.59 đến 7.92, nhiệt độ thay đổi từ 19.06 ℃đến 21.81 ℃ Tổng lƣợng chất rắn hịa tan thơng thƣờng từ 80.14 đến 93.65 ppm Độ đục thông thƣờng nhỏ NTU Những kết cho thấy thông số nƣớc máy khoảng cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam nƣớc sinh hoạt (QCVN 02: 2009/BYT) 3.6.2 Đo giá trị nước sông Tô Lịch hồ Linh Đàm Hệ thống đƣợc chế tạo đƣợc sử dụng để đo thử nghiệm nƣớc sơng Tơ Lịch đoạn qua quận Hồng Mai hồ Linh Đàm Hà Nội Bảng thể kết đo cho mẫu nƣớc với ngày lấy mẫu khác Hình 58: Khu vực lấy mẫu chất lỏng Sông Tô Lịch Hồ linh Đàm Hình 59: Mẫu chất lỏng lấy khu vực Sơng Tô Lịch Hồ linh Đàm 47 Bảng4: Bảng số liệu đo độ đục, độ dẫn, pH Ngày lấy mẫu 12/10/2017 14/10/2017 17/10/2017 19/10/2017 24/10/2017 19/11/2017 22/11/2017 17/12/2017 18/12/2017 19/12/2017 20/12/2017 Hồ Linh Đàm Độ Đục (NTU) 3,63 2,85 1,63 10,17 7,02 5,73 4,59 11.47 11.1 8.81 8.09 TDS (ppm) pH 232,76 216,95 223,43 229,99 293,42 302,7 305,76 301.55 305.47 309.8 309.16 6,47 6,26 5,65 6,17 6,85 6,82 6,77 7.45 7.35 7.3 7.67 Sông Tô Lịch Độ Đục (NTU) 3,72 53,41 9,94 41,76 4,48 4,11 3,76 21.24 22.17 23.51 25.21 TDS (ppm) pH 831,13 807,75 788,97 761,63 798,89 720,57 817,7 732.97 708.12 770.84 608.06 6,31 6,29 6,44 6,49 6,95 6,97 6,95 7.08 7.13 7.2 7.23 Từ bảng số liệu cho thấy giá trị trung bình số liệu đo khu vực là: Tại Hồ Linh Đàm độ đụclà 6.83 NTU, độ dẫn 275.54 ppm pH = 6.79 Tại Sông TôLịch độ đụclà 19.39 NTU, độ dẫn 758.78 pH = 6.82 Dựa kết đo thấy độ đục sơng Tơ Lịch cao so với hồ Linh Đàm, đặc biệt TDS sông Tô Lịch cao từ 1.9 đến 3.5 lần so với hồ Linh Đàm, giá trị pH khu vực giống 3.7 Chức cảnh báo có thơng số vƣợt chuẩn Dựa theo tiêu chuẩn nƣớc thải sinh hoạt (QCVN 14:2008/BTNMT) nƣớc thải công nghiệp (QCVN 40:2011/BTNMT), hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo sớm tới số điện thoại di động xác định trƣờng hợp sau xảy ra: - pH< pH > - Tổng lƣợng chất rắn hòa tan TDS > 500 - Nhiệt độ T > 40 ℃ - Độ đục > 5NTU (QCVN 02: 2009/BYT chất lƣợng nƣớc máy) Hình 60 thể tin nhắn đƣợc gửi thành công nhiều thông số vƣợt chuẩn.Kết cho thấy chức cảnh báo qua tin nhắn hệ thống hoạt động tốt 48 Hình 60: Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động nhiều thông số vƣợt chuẩn 49 KẾT LUẬN Luận văn cung cấp lý thuyết số loại cảm biến, cảm biến đo độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc nhƣ độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ lý thuyết vi điều khiển, nguyên lý thiết bị nguyên lý hoạt động thiết bị đo Luận văn trình bày nghiên cứu thiết kế hệ thống đo đơn lẻ dựa vi điều khiển Atmega 16 bao gồm: độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ mơi trƣờng nƣớc Trong đó, hệ đo độ đục môi trƣờng nƣớc sử dụng cảm biến màu TCS3200 thực khoảng đo từ0 đến 1000 NTU Hệ đo pH môi trƣờng nƣớc sử dụng điện cực màng thủy tinh Hanna 1110B có khả đo pH khoảng từ đến 14 với điểm chuẩn 0.1, 1.68, 4.01, 7.00, 10.01 13.88 Hệ đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc sử dụng cảm biến DS18B20 thực đo nhiệt độ nƣớc dải đo từ - 85℃ Hệ đo độ dẫn môi trƣờng nƣớc sử dụng cảm biến đo độ dẫn điện cực, thực đo khoảng đến 2000 ppm Các kết thu đƣợc cho thấy hệ thống đo hoạt động tốt độ xác cao Sau trình thiết kế độc lập hệ đo, hệ thống tích hợp đƣợc chế tạo thành công dựa KIT AVR V4 sử dụng vi điều khiển ATmega 16 Hệ thống có khẳng đo đồng thời thông số môi trƣờng nƣớc gồm độ đục, pH, nhiệt độ độ dẫn Hệ thống kết nối thành công với thiết bị truyền phát không dây Module Sim800C để gửi liệu cảnh báo lên Internet.Đặc biệt, có thơng số vƣợt chuẩn, hệ thống có khả gửi tin nhắn cảnh báo đến số điện thoại xác định Hệ thống đƣợc thiết kế đảm bảo đƣợc tiêu chí đơn giản, dễ sử dụng giá thành thấp Hệ đo có độ xác cao, nhỏ gọn, dễ vận chuyển lắp đặt, phù hợp với yêu cầu đặt hệ thống đánh giá cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc Trong luận văn này, hệ thống chế tạo cịn giới hạn đo khn khổ phịng thí nghiệm Định hƣớng tƣơng lai cho hệ thống đƣợc chế tạo luận văn đo đạc đƣợctrực tiếp môi trƣờng chất lỏng tự nhiên, nhƣ phục vụ cho đời sống kinh tế xã hội 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ cơng thƣơng (2013), Giáo trình Vi xử lý –Vi điều khiển, Đại học Sao Đỏ [2] Hồng Minh Cơng (2004), Giáo trình cảm biến cơng nghiệp, Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [3] Đo lƣờng Việt Nam (2014), “Phƣơng tiện đo độ đục nƣớc quy trình kiểm định”, ĐLVN 275:2014 [4] Phạm Thị Tuyết Nhung, (2016), “Nhiên cứu chế tạo thiết bị đo số thông số môi trường nước”, luận văn Thạc sĩ khoa học, Đại hoc Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN [5] http://adi-jsc.com.vn/tin-tuc/cam-bien-nhiet.html [6] http://banlinhkien.vn/goods-1866-module-cam-bien-mau-tcs230-tcs3200chong-nhieu-.html [7] http://codientu.org/threads/5207/ [8] https://matran.edu.vn/hoa-hoc/su-dien-li-cua-nuoc-ph-chat-chi-thi-axit-bazo40.html [9] http://hachvietnam.blogspot.com/2009/10/mot-so-van-e-lien-quan-en-iencuc-o-ph.html [10] http://hachvietnam.blogspot.com/2009/10/phuong-phap-o-o-dan-ien-bangien-cuc.html [11] https://vatlypt.com/threads/nhiet-do-la-gi-cach-xac-dinh-nhiet-do-cua-motvat.58.html [12] https://vi.wikipedia.org/wiki/Dẫn_điện [13] https://vi.wikipedia.org/wiki/Nhiệt_độ [14] https://vi.wikipedia.org/wiki/Nƣớc [15] https://vi.wikipedia.org/wiki/PH [16] https://vi.wikipedia.org/wiki/Vi_điều_khiển [17] http://www.ytuongnhanh.vn/chi-tiet/chuan-giao-tiep-1-wire-156.html [18] www.dks.edu.vn, Giáo trình vi điều khiển AVR Tiếng Anh [19] Bockris, J O'M.; Reddy, A.K.N; Gamboa-Aldeco, M (1998) Modern Electrochemistry(2nd ed.) Springer ISBN 0-306-45555-2 Retrieved 10 May 2009 [20] Igor Shiklomanov’s chapter “World fresh water resources” in Peter H Gleick (editor), (1993),Water in Crisis: A Guide to the World’s Fresh Water Resources [21] Eva R., Freire B., and De M., (2007), “Micropumping multicommutation turbidimetric analysis of waters,” vol 73, pp 742–747 51 [22] Federation W E., (1999), “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater Part 1000 Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater” [23] Gentile F., Bisantino T., Corbino R., Milillo F., Romano G., and Liuzzi G T., (2010), “Monitoring and analysis of suspended sediment transport dynamics in the Carapelle torrent (Southern Italy),” Catena, vol 80, no 1, pp 1–8, Jan [24] Jethra R., (Dec 1993), “Turbidity measurement,” ISA Trans, vol 32, no 4, pp 397–405 [25] No August, (1993), "Method 180.1 determination of turbidity by nephelometry", pp 1-10 [26] Paulo Sergio Ramirez Diniz, Eduardo A B Da Silva, Sergio L Netto (2002), Digital Signal Processing: System Analysis and Design, Cambridge University Press, ISBN 0521781752 [27] Prasenjit Mitra, “pH and its measurement”, 142892 [28] Radiometer Analytical SAS, ( 2004), “Conductivity Theory and Practice” [29] Rudy J van de Plassche (2003), CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters, 2nd edition, Kluwer Academic, Boston, ISBN 1-4020-7500-6 [30] Shenoy A., Harshini P., Pradhan U U., and Pradeep N (2015), "Sensing Performance of EGFET pH Sensors with Zinc Oxide (ZnO) Nanowires," vol 6, no 1, pp 85-92 [31] Supplies W., Water quality and treatment, A Handbook of Community [32] Surface I E and Provisions T., (1999), “No Title,” no 4607 [33] Texas instruments, (2013), “AN-1852 Designing With pH Electrodes”, application report, SNOA529A [34] Walden R H., (1999), “Analog-to-digital converter survey and analysis”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 17 (4), p 539–550 doi:10.1109/49.761034 [35] Wang Chengwo, Haijiang Tai, Daoliang Li, Cong Wang, Qisheng Ding,(2012), “Design and characterization of a smart turbidity transducer for distributed measurement system”, Sensors and Actuators A: Physical [36] O.O Semiconductors, "Infrared Emitter (850 nm) Version 1.6 SFH 4550", Avaiable from: www.osram.com [37] www.alldatasheet.com , Atmega16 datasheet [38] http://www.smart-fertilizer.com/articles/electrical-conductivity [39] http://www.electroschematics.com/11934/get-better-with-tcs3200-colorsensor-module/ [40] http://www.greenfacts.org/en/water-resources/index.htm#2 52 ... ? ?Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ Luận văn tập trung nghiên cứu thơng số nƣớc nhƣ: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ.Sau tìm hiểu nghiên. .. Nhận xét: Hệ đo pH chế tạo đáp ứng đƣợc yêu cầu hệ thống đo pH môi trƣờng nƣớc Qua kết thu đƣợc cho thấy hệ đo có sai số nhỏ trung bình khoảng: 0.08 pH 3.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt... tìm hiểu nghiên cứu chế tạo hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền liệu lên Internet.Đặc biệt hệ thống có khả gửi tin nhắn cảnh báo tới số điện