(Đồ án tốt nghiệp) nghiên cứu thiết kế và thi công máy lọc nước nhiễm mặn sang nước ngọt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY LỌC NƯỚC NHIỄM MẶN SANG NƯỚC NGỌT GVHD: NGUYỄN VĂN HIỆP SVTH: NGUYỄN TRỌNG TUYỂN MSSV: 14141358 SVTH: PHAN MẠNH CƯỜNG MSSV: 14141029 SKL007364 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Hệ đào tạo: Khóa: I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY LỌC NƯỚC NHIỄM MẶN SANG NƯỚC NGỌT AI NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Tình hình nước nhiễm mặn thực tế địa phương Tìm hiểu cơng nghệ lọc nước nhiễm mặn Chọn công nghệ RO làm phương pháp để thực đề tài - Module ESP32 vi điều khiển trung tâm, cảm biến tổng nồng độ chất rắn hòa tan nước (TDS), LCD, nút nhấn - Hiển thị liệu LCD ứng dụng điện thoại Nội dung thực hiện: NỘI DUNG 1: Chọn phương pháp lọc nước phù hợp với điều kiện đề NỘI DUNG 2: Thiết kế lắp ráp chi tiết khí hệ thống lọc theo phương pháp chọn NỘI DUNG 3: Thiết kế thi công hệ thống điều khiển NỘI DUNG 4: Xây dựng ứng dụng Android giao tiếp với hệ thống thông qua Wifi NỘI DUNG 5: Chọn phương thức lưu trữ truy xuất liệu NỘI DUNG 6: Thi cơng mơ hình tồn hệ thống NỘI DUNG 7: Chạy thử nghiệm hiệu chỉnh hệ thống NỘI DUNG 8: Viết báo cáo thực NỘI DUNG 9: Bảo vệ luận văn III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/03/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: 15/07/2020 ThS Nguyễn Văn Hiệp CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Trọng Tuyển Lớp: 14141DT1 Họ tên sinh viên 2: Phan Mạnh Cường Lớp: 14141DT2 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY LỌC NƯỚC NHIỄM MẶN SANG NƯỚC NGỌT Tuần/ngày Tuần (09/03- 15/03) Tuần (16/03- 22/03) Tuần (23/03- 29/03) Tuần (30/03- 05/04) Tuần (06/04- 12/04) Tuần (13/04- 19/04) Tuần (20/04- 26/04) Tuần (27/04- 03/05) Tuần (04/05- 10/05) Tuần 10 (11/05- 17/05) Tuần 11 (18/05- 24/05) Tuần 12 (25/05- 31/05) Tuần 13 (01/06- 07/06) Tuần 14 (08/06- 14/06) Tuần 15 (15/06- 21/06) Tuần 16 (22/06- 28/06) Tuần 17 (29/06- 05/07) Tuần 18 (06/7- 12/07) LỜI CAM ĐOAN Đề tài nhóm thực có tham khảo số tài liệu cơng trình nghiên cứu đính kèm tài liệu tham khảo không chép từ tài liệu hay công trình có trước Người thực đề tài Nguyễn Trọng Tuyển Phan Mạnh Cường LỜI CẢM ƠN Nhóm đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Hiệp - Giảng viên môn Điện tử cơng nghiệp - Y sinh tận tình trực tiếp hướng dẫn, bảo giúp đỡ tạo điều kiện để nhóm hồn thành tốt đề tài Nhóm xin gửi lời cảm ơn Thầy Cô Khoa Điện - Điện Tử môn Điện tử công nghiệp - Y sinh tạo điều kiện tốt để nhóm hồn thành đề tài Mặc dù cố gắng hồn thiện đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót q trình làm việc Do vốn kiến thức hạn hẹp, kinh nghiệm làm việc hạn chế nên làm ảnh hưởng đến Thầy Cô Cảm ơn đến cha mẹ, gia đình tạo điều kiện hết sức, động viên để nhóm hồn thành tốt đề tài Xin chân thành cảm ơn! Người thực đề tài Nguyễn Trọng Tuyển Phan Mạnh Cường MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4 GIỚI HẠN 1.5 BỐ CỤC Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC NƯỚC MẶN HIỆU QUẢ 2.1.1 Khái niệm nước nhiễm mặn 2.1.2 Các phương pháp xử lý mặn hiệu 2.2 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LỌC RO 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.3 GOOGLE FIREBASE 11 2.4 CHUẨN GIAO TIẾP I2C 12 Chương TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 13 3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 13 3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 13 3.2.1 Máy lọc 13 a Chọn màng tiền xử lý 14 b Tính tốn chọn lõi lọc RO 15 c Tính tốn chọn máy bơm 16 d Tính tốn điện tiêu thụ 18 e Chọn van điện từ 19 f Chọn áp kế 19 g Chọn bình chứa nước 20 h Thiết kế tổng thể 21 3.2.2 Thiết kế mạch giám sát điều khiển 22 a Thiết kế khối xử lý trung tâm 23 b Thiết kế khối cảm biến 24 c Thiết kế khối điều khiển hiển thị 30 d Thiết kế khối động lực 34 e Thiết kế khối nguồn 36 3.2.3 Xây dựng ứng dụng điện thoại 41 Chương THI CÔNG HỆ THỐNG 42 4.1 GIỚI THIỆU 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.1 Thi công máy lọc 4.2.2 Thi công mạch 4.2.3 Xây dựng ứng dụng điệ 4.3 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, T 4.3.1 Tài liệu hướng dẫn sử d 4.3.2 Tài liệu hướng dẫn sử d Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 5.1 KẾT QUẢ 5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Hình Phương pháp chưng cất Hình 2 Phương pháp trao đổi ion Hình Sơ đồ tổng quát phương pháp lọc RO Hình Lọc nước qua màng RO Hình Nguyên lý hoạt động lõi RO Hình Dàn màng lọc RO .10 Hình Các thành phần khác hệ thống 10 Hình Tổng quan Google Firebase 11 Hình Xác thực người dùng 11 Hình 10 Giao tiếp I2C 12 Hình Sơ đồ hệ thống lọc nước .14 Hình Bộ màng tiền lọc 15 Hình 3 Lõi RO TW30-1812-50HR 16 Hình Bơm cao áp TF-8379 17 Hình Tác động độ mặn lưu lượng thấm 18 Hình Van điện từ 19 Hình Áp kế 20 Hình Ảnh tham khảo ống PVC D110 20 Hình Tổng quan thiết kế 21 Hình 10 Mặt bên máy .21 Hình 11 Sơ đồ khối hệ thống mạch điều khiển .22 Hình 12 Module ESP32 23 Hình 13 Sơ đồ kết nối ESP32 24 Hình 14 Cảm biến TDS 25 Hình 15 Module đọc giá trị TDS 25 Hình 16 Kết nối module TDS 25 Hình 17 Cảm biến ToF laser 27 Hình 18 Nguyên lý đo khoảng cách 28 Hình 19 Kết nối cảm biến ToF laser .28 Hình 20 Bình chứa 28 Hình 21 Tính tốn bình chứa 29 CHƯƠNG THI CƠNG HỆ THỐNG Hình 12 Thanh cơng cụ nạp chương trình Sau nạp thành công ứng dụng xuống điện thoại Mở ứng dụng cài đặt giao diện hình Hình 13 Giao diện ứng dụng điện thoại Giao diện ứng dụng điện thoại thể số, chất lượng nước sau lọc trạng thái hoạt động máy lọc 4.3 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 4.3.1 Tài liệu hướng dẫn sử dụng điều khiển trực tiếp Bước 1: Cấp nguồn cho hệ thống, hệ thống sử dụng nguồn 220VAC /3A, cấp nguồn mở cơng tắc nguồn đèn báo hiệu có điện sáng lên Bước 2: Bấm nút để thay đổi trạng thái lọc dừng bình chứa chưa đầy nước Bước 3: Quan sát thông số nước LCD trạng thái hoạt máy LED Bước 4: Mở van lấy nước lọc để sử dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 CHƯƠNG THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3.2 Tài liệu hướng dẫn sử dụng điều khiển qua ứng dụng Bước 1: Truy cập access point ESP32 để cấu hình Wifi cho ESP32 Bước 2: Mở ứng dụng Desalination Monitor cài đặt điện thoại Bước 3: Kiểm tra trạng thái online điện thoại máy lọc Bước 4: Nếu điện thoại online mà máy lọc offline giám sát thông số cũ trước máy lọc offline Nếu hai online giám sát thời gian thực thơng số Đồng thời, điều khiển máy lọc từ xa cách bấm nút LỌC/ DỪNG BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Chương KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 5.1 KẾT QUẢ Sau thi cơng hồn thiện đề tài, nhóm đạt kết sau: Máy lọc: Khung máy chắn, vỏ máy làm từ mica bền đẹp Mặt bên máy có thiết kế cánh cửa để tiện cho việc thay lõi lọc chỉnh sửa mạch bên Bình chứa tốt, khơng bị rị rỉ Van mở nước hoạt động tốt nhiên lực chảy khơng mạnh Hình Máy hồn chỉnh Hình Các phận bên máy Sau chạy kiểm thử suốt nhiều liên tục, nhóm tác giả thống kê số liệu cho biểu đồ bên dưới: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Kết đo Ta tiến hành đặt tên cho đại lượng để dễ dàng biểu thị: Fl: Lưu lượng thấm lý thuyết Ft: Lưu lượng thấm thực tế Vs: Thể tích nước tinh khiết Vp: Thể tích nước ngõ vào Vt: Thể tích nước thải Chỉ số TDS (ppm) Vp ln trì mức L Thời gian (phút) Hình Sự thay đổi số TDS nước cấp nước lọc theo thời gian Đánh giá: Máy đáp ứng khả lọc nước nhiễm mặn từ 2⁰/₀₀ đề ra, nước sau lọc đạt quy chuẩn nước ăn uống QCVN 01:2009 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 55 75 77.5 92 95 97 105 Áp suất bơm trung bình (psi) TDS F F Hình Tác động áp suất bơm độ mặn nước cấp tới lưu lượng thấm Đánh giá: Máy bơm đạt 105/125 psi áp suất định mức Lưu lượng thấm tỷ lệ thuận với áp suất bơm tỷ lệ nghịch với độ mặn nước cấp Đảm bảo công suất 10 L/h yêu cầu độ mặn nước cấp 2,01 ppt áp suất bơm 100 psi Với lưu lượng thấm 13,2 L/h áp suất bơm 105 psi số TDS 2010 ppm (độ mặn 2,01⁰/₀₀), tiếng để lọc 40L nước tinh khiết, đạt yêu cầu thời gian đề Tuy nhiên, đạt 20,7 L/h tính tốn trước hết máy bơm không đạt mức 125 psi thông số sản xuất Sử dụng số liệu TDS áp suất bơm hình 5.4, quan sát biểu đồ bên dưới: Chỉ số TDS (ppm) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Áp suất bơm trung bình (psi) Hình 5 Sai số lưu lượng thấm thực tế lý thuyết BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Đánh giá: Có sai lệch lưu lượng thấm lý thuyết thực tế, tỉ lệ trung bình 0,85 Có nhiều nguyên nhân dẫn đến khác biệt Đầu tiên kể đến hệ số thấm K thực bị ảnh hưởng đặc tính lõi lọc diện tích tiếp xúc, nhiệt độ nước, thất áp suất số thấm màng Nhóm tác giả dựa viết chuyên gia đơn giản hóa cơng thức tính tốn dẫn đến sai số lớn lưu lượng thấm lý thuyết thực tế Tiếp đến sai số dụng cụ đo, nhóm tác giả sử dụng cơng cụ áp kế có giới hạn đo l50 psi, độ chia nhỏ psi, q trình đo áp suất khơng ổn định, phải ước lượng chủ quan nên dẫn đến sai số áp suất bơm Tiếp theo biểu đồ thể hiệu suất lọc máy: Chỉ số TDS (ppm) 0.4 0.2 Áp suất bơm trung bình (psi) Hình Tương quan thể tích nước lọc nước ngõ vào Đánh giá: Hệ số hồi phục trung bình khoảng 33%, tức L nước nhiễm mặn ngõ vào hồi phục gần L nước tinh khiết L lại nước thải Như vậy, để lọc 40 L nước tinh khiết yêu cầu, cần khoảng 121 L nước nhiễm mặn ngõ vào Để cải thiện hệ số tránh lãng phí nước, áp dụng biện pháp lọc nhiều giai đoạn, ngõ lõi RO thứ ngõ vào lõi RO thứ Lưu ý, thể tích nước ngõ vào tầng bị giảm 33% so với thể tích nước ngõ vào tầng trước hay độ mặn tăng thêm 1−0,33 = 1,5 lần, ví dụ đề tài từ 2⁰/₀₀ lên 3⁰/₀₀ Như vậy, cần thiết phải tính tốn lại để chọn máy bơm lõi lọc áp suất thẩm thấu tăng lên theo công thức Ps(i+1) = 1,5 Ps(i) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Mạch điều khiển: Kết đo đạc từ cảm biến trạng thái máy mạch xử lý hiển thị lên LCD led RGB - Lúc máy lọc: LCD hiển thị số đo đạc theo giao diện hình Trạng thái (STT) RUN, led RGB màu xanh Hình Hiển thị LCD lúc máy lọc - Lúc máy ngưng lọc: LCD hiển thị số đo đạc Trạng thái STT STOP, led RGB màu đỏ Hình LCD hiển thị lúc máy dừng - Lúc máy đầy nước: LCD hiển thị số đo đạc Bơm van bị ngắt, nút nhấn máy điện thoại bị vơ hiệu hóa Trạng thái STT chuyển thành FULL, led RGB màu xanh dương Hình LCD hiển thị lúc máy đầy nước Ứng dụng Android Ứng dụng Android hoạt động tốt ổn định với điện thoại dùng hệ điều hành 4.4 Kit Kat trở sau Có thể dùng nhiều dịng điện thoại khác khơng bị sử dụng Màu sắc nét chữ giao diện ứng dụng có chút khác biệt hệ Android khác không ảnh hưởng đến chức ứng dụng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ - Lúc máy lọc: Trạng thái máy hiển thị LỌC, nút nhấn hiển thị DỪNG để báo trạng thái nhấn nút Hình 10 Giao diện ứng dụng lúc máy lọc - Lúc máy ngưng lọc: Trạng thái máy hiển thị DỪNG, nút nhấn hiển thị LỌC Hình 11 Giao diện ứng dụng lúc máy dừng - Lúc máy đầy nước: Trạng thái máy hiển thị ĐẦY, nút nhấn hiển thị LỌC điều khiển máy nút nhấn bị vơ hiệu hóa Khi nước bình vơi xuống khỏi ngưỡng đầy trạng thái trở DỪNG, người dùng tiếp tục ấn nút lọc điều khiển máy bình thường BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƯƠNG KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Hình 12 Giao diện ứng dụng lúc máy đầy nước Sau hoàn thành đề tài, thành viên nhóm tích lũy thêm kiến thức, hiểu biết về: - Nguyên nhân dẫn đến nước nhiễm mặn, thông số đánh giá chất lượng nước - Công nghệ thẩm thấu ngược RO đặc tính màng lọc nước khác - Module ESP32 ứng dụng - Lập trình ứng dụng di động sử dụng ngơn ngữ C# tảng Xamarin 5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ - Hệ thống hoạt động lọc nước thời gian dài, ổn định Hệ thống lọc cho nguồn nước đạt tiêu chuẩn nước cấp - Màn hình LCD hiển thị xác giá trị trạng thái máy thay đổi điều khiển Led trạng thái hiển thị trạng thái máy - Độ xác ổn định cảm biến chưa cao Nút nhấn điều khiển đơi lúc cịn bị dội - Giao diện ứng dụng Android dễ sử dụng Thời gian đáp ứng máy điều khiển qua Wifi nhanh BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu, thiết kế thi cơng đề tài “Nghiên cứu thiết kế thi công máy lọc nước nhiễm mặn sang nước ngọt” nhóm đề tài hoàn thành nội dung sau: - Mơ hình hoạt động được, lọc nước nhiễm mặn ppt Máy làm việc liên tục ổn định thời gian dài - Các lọc thực chức - Điều khiển lọc nước tốt nút nhấn máy nút nhấn ứng dụng điện thoại - Relay đóng cắt máy bơm tốt Máy bơm chạy êm, không gây tiếng ồn lớn - Van điện từ hoạt động tốt - Vỏ máy đẹp, nhỏ gọn với nhu cầu hộ gia đình Khung máy chắn, chịu lực tốt Bình chứa nước khớp nối ống không bị rỉ nước - Giao diện ứng dụng điện thoại dễ sử dụng, hỗ trợ Tiếng Việt - Điều khiển giám sát từ xa tiện lợi, hệ thống đáp ứng gần tức thời 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Với thiết kế trau chuốt hoàn thiện đưa sản xuất đại trà để phục vụ nhu cầu người dân chịu ảnh hưởng nguồn nước bị nhiễm mặn Nghiên cứu cải tiến phương pháp lọc nước có độ mặn cao hơn, phù hợp với nhiều nguồn nước đầu vào khác Theo dõi kiểm tra nhiều số nước để đảm bảo chất lượng nước đầu tốt Xây dựng ứng dụng di động có nhiều chức hơn, bảo mật tốt cho người dùng BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Điêu đứng xâm nhập mặn, Tổng cục khí tượng thủy văn- Bộ tài nguyên môi trường,03-02-2020, [2] Claude E Boyd, Water Quality, 98 - 104, Springer Publisher, Third edition, 2020 [3] Uri Lachish, Optimizing the Efficiency of Reverse Osmosis Seawater Desalination, May 2002 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ... ? ?Nghiên cứu thi? ??t kế thi công hệ thống lọc nước nhiễm mặn thành nước ngọt? ?? Hệ thống giúp lọc nước bị nhiễm mặn sang nước điều khiển, giám sát máy lọc từ xa 1.2 MỤC TIÊU - Thi? ??t kế thi công máy. .. TÀI: NGHIÊN CỨU THI? ??T KẾ VÀ THI CÔNG MÁY LỌC NƯỚC NHIỄM MẶN SANG NƯỚC NGỌT AI NHIỆM VỤ Các số liệu ban đầu: - Tình hình nước nhiễm mặn thực tế địa phương Tìm hiểu cơng nghệ lọc nước nhiễm mặn. .. tài ? ?Nghiên cứu thi? ??t kế thi công hệ thống lọc nước nhiễm mặn sang nước ngọt? ?? với yêu cầu cụ thể là: - Máy lọc: Yêu cầu kích thước nhỏ gọn phù hợp với khơng gian gia đình, điều khiển máy lọc hay