Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo một số thông số môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ THÔNG SỐ MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - PHẠM THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO MỘT SỐ THÔNG SỐ MƠI TRƢỜNG NƢỚC Chun ngành: Vật lý vơ tuyến điện tử Mã số : 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM VĂN THÀNH HÀ NỘI - 2016 Phạm Thị Tuyết Nhung LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử - Khoa Vật lý - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội chƣơng trình đào tạo thạc sĩ khoa học nhà trƣờng, dƣới hƣớng dẫn khoa học trực tiếp TS Phạm Văn Thành Trƣớc hết, xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới TS Phạm Văn Thành, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn tận tình 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 tạo điều kiện giúp đỡ suốt khoảng thời gian học tập môn Tôi xin cảm ơn bạn lớp, em khoa giúp đỡ tơi nhiều q trình làm luận văn Sau cùng, xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đặc biệt thầy cô Bộ môn Vật lý Vô tuyến Điện tử cung cấp cho kiến thức quý báu thời gian rèn luyện, học tập, nghiên cứu khoa Vật lý Đặc biệt, xin cảm ơn quan tâm, chăm sóc, động viên bố mẹ, em trai, ngƣời thân bạn bè suốt trình học tập thực luận văn thạc sĩ Nghiên cứu đƣợc tài trợ Đại học Quốc gia Hà Nội đề tài mã số QG.15.11 Hà Nội, tháng 12 năm 2016 Phạm Thị Tuyết Nhung i Phạm Thị Tuyết Nhung MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vi BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU .1 CHƢƠNG TỔNG QUAN .3 1.1 Nƣớc tầm quan trọng nƣớc 1.2 Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc 1.2.1 Các thông số vật lý .4 1.2.1.1 Thông số độ đục môi trƣờng nƣớc 1.2.1.2 Thông số pH môi trƣờng nƣớc 1.2.1.3 Thông số nhiệt độ môi trƣờng nƣớc thang đo nhiệt độ [10] 1.2.2 Các thơng số hóa học 1.3 Giới thiệu cảm biến 1.4 Các phƣơng pháp đo thông số môi trƣờng nƣớc 1.4.1 Các phƣơng pháp đo độ đục .9 1.4.2 Các phƣơng pháp đo pH 10 1.4.3 Các loại cảm biến đo nhiệt độ [5] 12 CHƢƠNG LÝ THUYẾT VÀ NGUYÊN LÝ .20 2.1 Cảm biến độ đục .20 2.1.1 Lý thuyết tán xạ ánh sáng [24] 20 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống đo độ đục 21 2.2 Cảm biến pH 23 2.2.1 Nguyên lý đo cảm biến pH 23 2.2.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống đo pH 25 2.3 Cảm biến nhiệt độ 27 2.3.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến DS18B20 27 ii Phạm Thị Tuyết Nhung 2.4 Lý thuyết ADC .30 2.4.1 Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC) .30 2.4.1.1 Khái niệm 30 2.4.1.2 Phân loại ADC nguyên lý hoạt động 30 2.5 Lý thuyết vi điều khiển 31 2.5.1 Các khái niệm quan trọng 31 2.5.2 Giới thiệu họ vi điều khiển AVR .33 2.5.2.1 Tổng quan AVR sơ lƣợc KIT AVR V4 33 2.5.2.2 Vi điều khiển Atmega 16 [40] 34 2.6 Lý thuyết LCD [30] 42 2.6.1 Khái niệm 42 2.6.2 Nguyên lý hiển thị hình tinh thể lỏng 42 CHƢƠNG THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG 44 3.1 Hệ thống tích hợp đo thông số môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ) 44 3.2 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục 46 3.2.1 Chuẩn bị mẫu 46 3.2.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 48 3.2.3 Khảo sát độ nhạy cảm biến đo độ đục .50 3.3 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH .53 3.3.1 Chuẩn bị mẫu 53 3.3.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 54 3.3.3 Kết thực nghiệm nhận xét .55 3.4 Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ .57 3.4.1 Chuẩn bị mẫu 57 3.4.2 Sơ đồ thiết lập hệ đo 57 3.4.3 Kết thực nghiệm nhận xét .58 KẾT LUẬN .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 64 iii Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Thành phần nguồn nƣớc trái đất .3 Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục dung dịch .5 Hình 3: Thang chia pH từ đến 14 Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế chùm tia Các thành phần: nguồn ánh sáng (hình thang), mẫu lỏng (hình trịn), máy phát hiện-detector (hình chữ nhật), ánh sáng truyền qua (mũi tên lớn), ánh sáng tán xạ (mũi tên nhỏ) .9 Hình 5: Hình ảnh minh họa cho thiết bị đo độ đục (đục kế cầm tay) .10 Hình 6: Điện cực màng thủy tinh [31] 10 Hình 7: Điện cực chuẩn [31] .10 Hình 8: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [31] 11 Hình 9: Cấu trúc ISFET 12 Hình 10: Hình ảnh minh họa cho cặp nhiệt điện .13 Hình 11: Cấu tạo cặp nhiệt điện 13 Hình 12: Hình ảnh minh họa cho nhiệt điện trở kim loại 14 Hình 13: Hình ảnh minh họa cho điện trở oxit kim loại 15 Hình 14: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn 15 Hình 15: Tiếp giáp P-N .16 Hình 16: Mạch nguyên lý cảm biến vi mạch bán dẫn 16 Hình 17: Hình ảnh minh họa cho nhiệt kế xạ 17 Hình 18: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc 18 Hình 19: Sơ đồ chân cảm biến nhiệt DS18B20 18 Hình 20: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20 Vi xử lý .19 Hình 21: Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt DS18B20, Vi xử lý với thiết bị 1-wire khác .19 Hình 22: Kích thƣớc hạt nhỏ 10 bƣớc sóng ánh sáng 21 Hình 23: Kích thƣớc hạt gần bƣớc sóng ánh sáng .21 Hình 24: Kích thƣớc hạt lớn bƣớc sóng ánh sáng 21 Hình 25: Nguyên lý hoạt động 22 Hình 26: Nguyên lý đo pH điện cực thủy tinh [31] 24 Hình 27: Điện cực màng thủy tinh 24 Hình 28: Điện cực pH .26 Hình 29: Hàm chuyển đổi điện cực pH 26 Hình 30: Thang pH giá trị điện 27 Hình 31: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 27 Hình 32: Nguyên lý hoạt động chuẩn giao tiếp dây (1-wire) 28 Hình 33: Sơ đồ khối chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) 30 Hình 34: Hình ảnh thực tế KIT AVR V4 34 Hình 35: Hình ảnh thực AVR Atmega 16 34 iv Phạm Thị Tuyết Nhung Hình 36: Sơ đồ khối Atmega 16 36 Hình 37: Sơ đồ chân Atmega 16 .38 Hình 38: Sơ đồ cấu trúc Atmega 16 39 Hình 39: Sơ đồ nhớ chƣơng trình .40 Hình 40: Chu kỳ truy xuất SRAM 41 Hình 41: Sơ đồ nhớ liệu 41 Hình 42: Màn hiển thị LCD 16x2 .42 Hình 43: Ánh sáng qua lớp lọc đơn cực 43 Hình 44: Ánh sáng qua lớp lọc đơn cực 43 Hình 45: Sơ đồ khối hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ 44 Hình 46: Hình ảnh thực hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ .45 Hình 47: Các cảm biến đo độ đục, pH, nhiệt độ hệ thống 45 Hình 48: Hình ảnh thực board mạch giá trị hiển thị LCD 46 Hình 49: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – NTU (0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8; NTU) 47 Hình 50: Dung dịch có độ đục chuẩn từ – 10 NTU (0; 2; 4; 6; 8; 10 NTU) 47 Hình 51: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 10 – 100 NTU (10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) 48 Hình 52: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 100 – 1000 NTU (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) 48 Hình 53: Sơ đồ khối hệ thống đo độ đục 49 Hình 54: (a) Sơ đồ nguyên lý (b) mạch chế tạo cảm biến độ đục 49 Hình 55: Quang phổ IR-LED .49 Hình 56: Sự phụ thuộc công suất IR-LED vào cƣờng độ dịng điện 49 Hình 57: Sơ đồ khối chức cảm biến TCS 3200 [9] .50 Hình 58: Sự phụ thuộc tần số đầu (output) vào độ đục khoảng từ 01000 NTU với cƣờng độ dòng điện qua IR-LED : (a) mA; (b) 10 mA; (c) 20 mA; (d) 30 mA; (e) 40 mA 51 Hình 59: Đồ thị độ nhạy cảm biến độ đục 52 Hình 60: Đồ thị phụ thuộc tần số đầu vào độ đục dung dịch 53 Hình 61: Dung dịch chuẩn pH 53 Hình 62: Sơ đồ khối hệ thống đo pH 54 Hình 63: Mạch khuếch đại tín hiệu điện cực pH 55 Hình 64: Mạch thiết kế hệ đo pH 55 Hình 65: Đồ thị phụ thuộc điện áp vào giá trị pH dung dịch 56 Hình 66: Sơ đồ khối hệ đo nhiệt độ môi trƣờng nƣớc 57 Hình 67: Giá trị nhiệt độ, pH, độ đục hiển thị lên LCD 57 Hình 68: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 58 Hình 69: Nhiệt độ đo đƣợc trình giảm nhiệt độ nƣớc 58 Hình 70: Nhiệt độ đo đƣợc trình tăng nhiệt độ nƣớc 59 v Phạm Thị Tuyết Nhung DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các ký tự hiển thị lên LCD .43 Bảng 2: Bảng độ nhạy cảm biến độ đục cƣờng độ dòng điện (I), 52 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị pH chuẩn pH hiển thị .56 vi Phạm Thị Tuyết Nhung BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog-to-Digital Converter ALU: Arithmetic Logic Unit BOD: Biochemical Oxygen Demand CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor COD: Chemical Oxygen Demand; CPU: Central Processing Unit CRC: Cyclic Redundancy Check DO: Dissolved Oxygen; DS: Dissolved Solids EEPRAM: Electrically Erasable Programmable Random Access Memory EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory EGFET: Extended-Gate Field-Effect Transistor FET: Field-Effect Transistor IC: Integrated Circuit ISFET: Ion Sensitive Field – Effect Transistor I/O: Input/Output LCD: Liquid Crystal Display LSB: Least Significant Bit MSB: Most Significant Bit MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor NTU: Nephelometric Turbidity Units RISC: Reduced Intruction Computer SPI: Serial Peripheral Interface SRAM: Static Random Access Memory SS: Suspended Solids TS: Total Solids; TSS: Total Suspended Solids VĐK: Vi Điều Khiển VS: Volatile Solids vii Phạm Thị Tuyết Nhung MỞ ĐẦU Nƣớc nhân tố vô quan trọng sống Nƣớc không phục vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt đơn mà cịn đóng vai trị trọng yếu để tạo lƣợng hỗ trợ kinh tế, phát triển nông nghiệp - công nghiệp, trì dịch vụ sinh thái yếu tố khác xã hội Ô nhiễm nƣớc thay đổi theo chiều xấu tính chất vật lý - hoá học - sinh học nƣớc, với xuất chất lạ thể lỏng, rắn làm cho nguồn nƣớc trở nên độc hại với ngƣời sinh vật, đồng thời làm giảm độ đa dạng sinh vật nƣớc Hiện nay, với tốc độ lan truyền nhanh quy mô ảnh hƣởng rộng nhiễm nƣớc vấn đề đáng lo ngại không nƣớc ta mà trạng chung quốc gia toàn giới Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học quy mơ phịng thí nghiệm dự án ứng dụng thực tế xoay quanh vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc, xử lý nƣớc thải sinh hoạt công nghiệp đời Trong đó, đề tài thiết kế hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc (độ đục, pH, nhiệt độ, độ cứng, độ màu, độ dẫn ) nhằm mục đích đánh giá chất lƣợng nƣớc đề tài mang tính thời cấp thiết Vì vậy, tơi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo số thông số môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ Luận văn tập trung nghiên cứu thông số nƣớc nhƣ độ đục, pH, nhiệt độ Sau nghiên cứu, tìm hiểu chế tạo hệ đo thông số môi trƣờng nƣớc Về khả ứng dụng thực tiễn, ứng dụng hệ đo luận văn để đo thông số môi trƣờng nƣớc độ đục, pH, nhiệt độ loại chất lỏng khác nhƣ: nƣớc sông, nƣớc biển, nƣớc sinh hoạt, nƣớc uống, nƣớc thải sinh hoat cơng nghiệp, Có thể áp dụng quy trình đo đạc xử lý nƣớc thải kiểm định chất lƣợng nƣớc Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Lý thuyết nguyên lý Chƣơng 3: Thiết kế khảo sát hệ thống Phạm Thị Tuyết Nhung “Study on extended gate field effect transistor with tin oxide sensing membrane,” Mater Chem Phys., vol 63, no 1, pp 19–23 [21] Eva R., Freire B., and De M., (2007), “Micropumping multicommutation turbidimetric analysis of waters,” vol 73, pp 742–747 [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] Le Thi Quynh Nhu (2016), “Design and characteristics of pH and turbidity sensors” [26] Lee C S., Kyu Kim S., and Kim M (2009), “Ion-sensitive field-effect transistor for biological sensing,” Sensors, vol 9, no 9, pp 7111–7131 [27] Li H H., Yang C E., Kei C C., Su C Y., Dai W S., Tseng J K., Yang P Y., Chou J C., and Cheng H C., (2013), “Coaxial-structured ZnO/silicon nanowires extended-gate field-effect transistor as pH sensor,” Thin Solid Films, vol 529, pp 173–176 [28] No August, (1993), "Method 180.1 determination of turbidity by nephelometry", pp 1-10 [29] 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 [30] PCtechguide, (2011), “Liquid Crystal Light Polarisation in LCD Monitors” [31] Prasenjit Mitra, “pH and its measurement”, 142892 [32] Rudy J van de Plassche (2003), CMOS integrated analog-to-digital and digital-to-analog converters, 2nd edition, Kluwer Academic, Boston, ISBN 62 Phạm Thị Tuyết Nhung 1-4020-7500-6 [33] 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 [34] Shimomura T., (1990), "Stabilization of an FET Glucose Sensor with the Themophilic," pp 504-507 [35] Supplies W., Water quality and treatment, A Handbook of Community [36] Surface I E and Provisions T., (1999), “No Title,” no 4607 [37] Texas instruments, (2013), “AN-1852 Designing With pH Electrodes”, application report, SNOA529A [38] 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 [39] 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, [40] www.alldatasheet.com , Atmega16 datasheet 63 Phạm Thị Tuyết Nhung PHỤ LỤC Code lập trình đọc ADC Atmega 16 void Init_ADC(); /* Ham chon xung nhip cho bo ADC, prescaler la he so chia tan, mac dinh la 32 tan_so_lay_mau_ADC = tan_so_chip/prescaler */ void ADC_Prescaler(unsigned char prescaler) { switch(prescaler) { case 2: ADCSRA |= (1