Cấu trúc khung dữ liệu truyền
Chức năng byte Start byte Instruction byte ….. …… Stop byte
Byte thứ B0 B1 Bn
Giải thích: Cấu trúc chuẩn cho tất cả khung truyền luôn có gồm
Byte_start: nhằm báo cho máy tính và MCU biết đang bắt đầu một khung truyền mới; và byte kế tiếp sẽ là byte lệnh để yêu cầu máy tính hay MCU thực hiện chức năng gì đó.
Byte_stop: Nhằm báo cho máy tính hoặc MCU đã kết thúc khung truyền và chuyển sang xử lý lệnh và dữ liệu mà máy tính hay MCU truyền xuống.
Do các số 255; 254 không xuất hiện trong dữ liệu nên ta chọn những số trên là byte_start và byte_stop
Start byte: 254 Stop byte: 255
Instruction Byte: (MCU PC) 2n+1 [1—253] Instruction Byte: (MCU PC) 2n [2—252]
Trường hợp 1: Khung truyền máy tính ra lệnh thực hiện chiếu xạ với thời gian 10 phút, công suất chiếu 60% 254 2 0 10 30 60 255 Start Instruction “Thực hiện” Ngàn tgian (phút) ChucTgian (Phút) Tgian (Giây) % CongSuat Stop
Byte lệnh cho chức năng thực hiện chiếu xạ theo công suất và thời gian nhập từ máy tính; tiếp theo của byte lệnh sẽ là byte hàng ngàn của thời gian chiếu; hàng chục thời gian chiếu; thời gian chiếu sẽ bằng Ngantgian*100+Chuctgian; kế đó là byte giây; giá trị của phần trăm công suất; cuối cùng là byte_stop.
Trường hợp 2: Khung truyền máy tính ra lệnh dừng chiếu xạ
Khung này nhằm ra lệnh cho thiết bị ngừng chiếu xạ nên nó không có các thông số đi kèm chỉ gồm byte_star, byte lệnh Dừng(4) và byte_stop kết thúc khung
Trường hợp 3: Khung truyền gửi thông số từ MCU nên hiển thị trên màn hình máy tính (Ví dụ: với thời gian còn 12 phút 35 giây, nhiệt LED 34oC, Áp Led 3,8V) khung lệnh sẽ là: 254 1 0 12 35 34 34 38 255 Start Instruction “Giám Sát bằng PC” Ngàn tgian (phút) Chục Tgian (Phút) Tgian (Giây) Nhiệt độ LED % Công Suất Điện áp UVLED Stop
Số 1 ở vị trí sau byte start được qui ước là byte lệnh báo cho máy tính biết MCU sẽ gởi những thông số từ thiết bị lên máy tính để hiện thị và giám sát; byte kế tiếp là giá trị “ngàn phút” và “trăm giây” còn lại đang thực hiện chiếu, thời
254 4 255 Start Instruction
“Dừng”
gian còn lại sẽ được tính là: NgànTgian*100+ChụcTgian; TgianGiay dùng để
hiển thị đếm ngược; Kế tiếp là nhiệt độ LED; công suất đang thực hiện; Điện áp của các LED để hiện lên các bảng tương ứng
Trường hợp 4: Khung truyền gởi thống kê lịch sử chiếu xạ trên PC
254 3 Data 0 Data 1 Data 2 Data 3 Data … Data n 255 Start Instruction
“Gởi History”
Stop
Giải thích : Số 3 ở sau byte Start được qui ước là byte báo cho máy tính biết MCU sẽ gởi dữ liệu lịch sử chiếu xạ lên máy tính. Các dữ liệu sau đó sẽ là dữ
liệu về thời gian và cường độ chiếu xạ
Giao diện trên máy tính
Hình 3. 18: Giao diện điều khiển công suất và giám sát hoạt động của mạch chiếu xạ UVLED trên máy tính.
Giải thích ký hiệu và cách sử dụng:
Đểđiều khiển thiết bị hoạt động, đầu tiên thiết bị phải được kết nối với máy tính và để ở chếđộ kết nối máy tính
Ta nhập thời gian vào ô thời gian chiếu và công suất ở ô công suất chiếu. Riêng công suất ta có thể dùng chuột kéo ở thanh cuộn “phần trăm công suất” bên cạnh. Sau khi nhập thông số xong, ta nhấn Apply để thiết bị thực hiện chiếu xạ. Nếu muốn thay đổi thông số ta chỉ cần thay đổi giá trị và nhấn lại Apply. Khi muốn dừng hệ thống ta nhấn Stop.
Trong quá trình chiếu xạ các giá trị điện áp các LED nhiệt độ hệ thống và thời gian còn lại được hiển thị trên giao diện điều khiển
Giải thuật cho máy tính, giải thuật vi xử lý và lưu trữ dữ liệu được lệt kê trong phần Phụ Lục 2.
3.6. Đánh giá độổn định và độ bền thiết bị
Do thiết bị làm việc trong môi trường có tia UV cường độ cao nên các yêu cầu chống nhiễu cho mạch điều khiển là rất khắt khe.
Mặt khác UVLED hoạt động ở cường độ đòng điện cao, đòi hỏi độ chính xác dòng điện cao, mọi thay đổi ngoài giá trị danh định đều có thể làm hỏng UVLED.
Xác định được độ phức tạp của hệ thống tác giảđã thực hiện những phương pháp sau để khắc phục những vấn đề nêu trên.
Thực hiện bảo vệ MCU chống lại tia UV bằng mạch điện hai lớp đổ đồng mặt dưới (Buttom) để bao bọc MCU và các linh kiện khác, các đường tín hiệu
được ưu tiên đi trên mặt trên (TOP). Mặt trên của mạch điều khiển còn được đổ đồng phần điện áp dương để kết hợp với mặt dưới tạo hai bản cực tụ chống nhiễu tần số cao cho mạch.
Ngoài ra khi thiết bị được hoàn thiện đưa sang sản xuất thương mại vỏ của sản phẩm phải được bọc kim loại để bảo vệ mạch điều khiển.
Đểđảm bảo tính an toàn cho các UVLED trong quá trình hoạt động tác giả
thực hiện việc giám sát các thông số chính của UVLED như nhiệt độ hệ thống,
điện áp trên từng LED để đảm bảo khi hoạt động LED không bị vượt thông số
danh định: việc đo nhiệt độ của hệ thống được thực hiện thông qua cảm biến nhiệt DS18B20, MCU được cài đặt sẽ dừng hệ thống khi nhiệt độ trên UVLED vượt quá 600C (Nhiệt max cho phép 850C). Các UVLED được giám sát điện áp bằng bộ chuyển đổi ADC của MCU hoạt động qua chếđộ đo vi sai trên hai đầu UAK của UVLED. Hệ thống sẽ ngừng hoạt động khi điện áp trên UVLED vượt quá 4.2V (điện áp lớn nhất cho phép là 4.4V).
Do hệ thống được thiết kếđể chống lại hầu hết các tác nhân gây ra sự mất
ổn định và độ mất an toàn cho thiết bị nên độ ổn định và độ bền của thiết bị là
đáng tin cậy.
Tuy nhiên, do tác giả không có chuyên môn sâu về thiết kế cơ khí, nên việc kiểm soát và thiết kế những bộ phận chống lại những tác nhân gây bởi cơ học làm giảm độ bền, độ thẩm mỹ và độ ổn định của hệ thống là không cao. Để khắc phục vấn đề này tác giả sẽ cộng tác với các tác giả khác có chuyên môn về cơ khí tìm các giải pháp tối ưu bảo vệ hệ thống khỏi những tác nhân gây ra bởi cơ học.
Chương 4.
KHẢO SÁT KHẢ NĂNG KHỬ VI KHUẨN
CỦA THIẾT BỊ CHẾ TẠO 4.1. Khử vi khuẩn trong nước sinh hoạt bằng thiết bị chế tạo: 4.1.1. Qui trình
Căn cứ vào tiêu chuẩn qui trình xét nghiệm khử khuẩn trong nước sinh hoạt đã trình bày chi tiết ở mục 2.4 của chương 2, trong phần này, chúng tôi giới thiệu qui trình khử khuẩn mà đề tài này đã thực hiện :
Hình 4. 1: Qui trình thí nghiệm khử khuẩn dùng thiết bị chế tạo phát ra bước sóng cực tím.
(a) (b)
(c)
(e) (d)
Hình 4. 2. Thiết bịđang chiếu tia UV vào mẫu nước : (a) Ống nghiệm thực hiện pha loãng vi khuẩn ; (b) Các khay chứa mẫu đem đi chiếu ; (c) (d)(e) Thiết bị
(a) (b) (c)
Hình 4. 3. Thiết bị xét nghiệm:(a) Máy ủ khống chế nhiệt độđể nuôi cấy vi khuẩn; (b) máy tạo nước cất dùng trong pha loãng mẫu chiếu; (c) Máy đếm
khuẩn lạc.
4.1.2. Các kết quả ban đầu khảo sát
Như trình bày ở chương 2, tỉ lệ diệt khuẩn được định nghĩa là tỉ số của số lượng vi khuẩn chết sau khi chiếu xạ UV chia cho số lượng vi khuẩn trước khi chiếu UV: 100 . 1 (%) 0 − = N N IR
Trong đó: N: Số lượng vùng vi khuẩn sau khi chiếu; No: Số lượng vùng vi khuẩn trước khi chiếu
Trong một số trường hợp nếu tỉ lệ vi khuẩn trước và sau chiếu xạ chênh lệch nhau qua lớn thì người ta dùng công thức sau:
0 ) log( N N tio SurvivalRa = t
Trong đó: Nt: số vùng đốm của mẫu sau khi chiếu xạ; No: số vùng đốm của mẫu trước khi chiếu xạ
Ở đây, do những giới hạn về số lượng UVLED mua được nên công suất chiếu xạ để diệt khuẩn không cao, để thuận lợi cho việc so sánh với các nghiên cứu trước đó chúng tôi xin đề xuất thêm một vài công thức:
Công thức tính hiệu suất diệt khuẩn trên một đơn vị công suất:
P IR IRP = (%)
Trong đó: IRp(%/WO): Tỉ lệ diệt khuẩn trên một đơn vị công suất chiếu xạ; IR(%): Tỉ lệ diệt khuẩn; P: Công suất chiếu xạ (w).
Năng lượng bức xạ:
t P
A = . [4.2] Trong đó: A: Năng lượng của bức xạ (J); P: công suất bức xạ của UVLED(w) ; t: thời gian chiếu(s)
Công thức tính công suất tia UV trên một cm2
Do khi bố trí LED tác giả đã thực hiện sắp xếp các LED sao cho cường độ
tia UV đồng đều và gần bằng với điểm có góc phát bằng 0; Như vậy với LED
đang sử dụng có công suất là 200mW và đường kính phát là 1cm. Như vậy công suất chiếu của 1 LED trên 1 cm sẽ là:
) / ( 8 , 254 5 , 0 . 14 , 3 200 . 200 2 2 2 mw cm r S P P Led S = = = = π [4.3] Ngoài ra khi chiếu thì sẽ có khoảng cách l giữa UVLED và bề mặt mẫu chiếu. Công suất khi đến bề mặt mẫu chiếu tuân theo công thức quang học
2 cos . l P PSl = s α [4.4] Do ta suy ra từđịnh luật tỉ lệ nghịch bình phương trong quang học 310H[05]
2
l I
E= [4.4] PSl: Công suất trên đơn vị diện tích cách nguồn khoảng cách l (mW)
PS: Công suất trên đơn vị diện tích tại nguồn phát (mW)
l: khoảng cách từ nguồn đến bề mặt chiếu (mm do công suất tính là mw)
Như vậy trong đề tài khoảng cách giữa đèn chiếu và bề mặt chiếu là 1cm ta có thể tính công suất trên một đơn vị diện tích trên bề mặt mẫu chiếu là:
2 2 1 _ 2,548 / 10 8 , 254 cm mW PS cm = =
Trong thí nghiệm kiểm nghiệm khả năng diệt khuẩn chúng tôi hướng vào hai loại vi khuẩn hết sức phổ biến là Coliform và E.coli. Đây là 2 loại vi khuẩn gây ra các bệnh về tiêu hóa cho con người nếu tồn tại quá mức tiêu chuẩn trong thức ăn hay trong đường ruột.
Thí nghiệm đầu tiên chúng tôi thực hiện đó là thay đổi năng lượng bức xạ
bằng cách thay đổi thời gian chiếu xạ của UVLED. Các thông số như tổng công suất chiếu xạ tại nguồn là 0.8(w), Công suất chiếu trên một cm2 bề mặt mẫu chiếu là 2,548mW/cm2, dòng điện cấp cho UVLED là 700mA không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm này.
4.1.2.1. Sự phụ thuộc thời gian chiếu xạ và tỉ lệ diệt khuẩn
Kết quả xét nghiệm theo phương pháp nuôi cấy vi khuẩn trên đĩa Petrifilm như trình bày tại chương 3 được thực hiện tại phòng xét nghiệm công nghệ môi trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật tp. Hồ Chí Minh cho các mẫu nước sinh hoạt ký hiệu N1 và N2 theo thời gian chiếu 60 phút, 150 phút và 180 phút như hình 4.7 và 4.8. Cường độ dòng điện cấp cho các UVLED là 700 mA.
Bảng 4. 1: Kết quả xét nghiệm mẫu nước sinh hoạt ký hiệu N1 và N2 được liệt kê các nội dung chính.
Coliform Lượng vi khuẩn trước sau chiếu (CFU/ml) Thời gian chiếu 60 phút 120 phút 180 phút
Trước chiếu 55 35 23
Sau chiếu 51 21 0
Tỉ lệ diệt khuẩn IR(%) 7,3 40 100
Hiệu suất diệt khuẩn IRp(%/w) 9,1 50 125 Ecoli Lượng vi khuẩn trước sau chiếu (CFU/ml) Thời gian chiếu 60 phút 120 phút 180 phút
Trước chiếu 2 85 46
Sau chiếu 2 62 32
Tỉ lệ diệt khuẩn IR(%) 0 27,06 67,39 Hiệu suất diệt khuẩn IRp(%/w) 0 33,83 84,24
Hình 4.4:Đĩa Petrifilm trước sau chiếu với thời gian chiếu là 60 phút.
Hình 4. 5: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu với thời gian chiếu là 180 phút. Khi thời gian chiếu xạ là 60 phút thì coliform và Ecoli không bị diệt do sức nóng UV không đủ phá cấu trúc ADN của vi khuẩn. Khi tăng thời gian lên 120 phút thì tỉ lệ diệt coliform là 40% và tỉ lệ trên một đơn vị công suất bức xạ là 50%, tỉ lệ diệc E.Coli thấp hơn chỉ khoảng 27,06%, còn khi tăng thời gian lên 180 phút thì ta thấy lượng Coliform bị diệt là 100% và Ecoli cũng tăng lên 67,39% chúng tôi thấy rằng, kết quả xét nghiệm cho thấy 2 loại vi khuẩn này bị
Hình 4. 6: Quan hệ tỉ lệ diệt khuẩn và thời gian chiếu.
4.1.2.2. Khả năng diệt vi khuẩn với mật độ vi khuẩn
Trong phần này, chúng tôi khảo sát mật độ tới hạn mà thiết bị có thể diệt
được vi khuẩn. Tức là xác định độ lớn của bức xạ cực tím là bao nhiêu để diệt
được vi khuẩn với một tỉ lệ nào đó. Qua đó, chúng tôi tiếp tục tăng mật độ bố trí led hoặc tăng công suất của UVLED dùng trong thiết bị để giảm thời gian chiếu xạ.
Bảng 4. 2:Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 2/10/2010 công suất chiếu 0,8W.
Coliform Số lượng vi khuẩn sau chiếu với thời gian chiếu 180 phút. Mật độ vi khuẩn ban đầu 168x102CFU/ml. Công suất chiếu 0.8W
Độ pha loãng 1/5 1/10
Sau chiếu 97x102 18x102 Tỉ lệ diệt khuẩn IR(%) 42,26 89,3
Hiệu suất diệt khuẩn
(a) (b) (c)
Hình 4. 7: Đĩa Petrifilm mẫu vi khuẩn chiếu với thời gian 180 phút với mật độ
pha loãng khác nhau (a) Mẫu ban đầu chưa chiếu (b) mẫu sau chiếu xạ với độ
pha loãng 1/5 ban đầu; (c) Mẫu sau chiếu xạ với độ pha loãng 1/10 ban đầu.
Bảng 4. 3:Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 6/10/2010 công suất chiếu 0,8W.
Coliform Số lượng vi khuẩn sau chiếu với thời gian chiếu 180 phút. Mật độ vi khuẩn ban đầu 50x102CFU/ml. Công
suất chiếu 0.8W Độ pha loãng 1/10 1/100 1/1000 Sau chiếu 0 0 0 Tỉ lệ diệt khuẩn IR(%) 100 100 100 Hiệu suất diệt khuẩn IRp(%/w) 125 125 125 (a) (b) (c) (d)
Hình 4. 8: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/10 ban đầu (c) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) Mẫu chiếu
Bảng 4. 4. Tổng hợp tỉ lệ diệt khuẩn các kết quả chiếu xạ với mật độ ban đầu khác nhau:
Coliform Quan hệ mật độ và tỉ lệ diệt khuẩn
Công suất chiếu 0.8W – thời gian chiếu 180phút Mật độ vi khuẩn (CFU/ml) 3360 1680 500 50 5
Tỉ lệ diệ khuẩn IR(%) 42.26 89.3 100 100 100
Hình 4. 9. So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform với mật độ vi khuẫn với công suất chiếu 0.8w và thời gian chiếu là 180phút mẫu nước từ nguồn nước tù đọng sau
mưa.
Nhận thấy rằng với mẫu nước mưa tù đọng thì mật độ vi khuẩn tương đối thấp khi mật độ vi khuẩn khoảng 500CFU/ml thì tỉ lệ diệt khuẩn đạt 100% với công suất chiếu là 0.8w (2,54mw/cm2) thời gian chiếu là 180 phút
Bảng 4. 5: Bảng thống kê kết quả các mẫu thể hiện quan hệ lượng vi khuẩn trước sau chiếu với mật độ vi khuẩn khác nhau thực hiện ngày 11/10/2010 công suất chiếu 0,8W.
Coliform/Ecoli Số lượng vi khuẩn sau chiếu với thời gian chiếu 180 phút.Mật
độ vi khuẩn ban đầu E.Coli 151x103 CFU/ml; Coliform 465x103CFU/ml. Công suất chiếu 0.8W
Độ pha loãng 1/10 1/100 1/1000 Sau chiếu 309x103/79x103 293x103/54x103 190 x103/31x103 Tỉ lệ diệt khuẩn IR(%) 33,55/47,86 36,99/64,24 59,14/79,47 Hiệu suất diệt khuẩn IRp(%/w) 41,94/59,83 46,24/80,3 73,93/99,34
(a) (b) (c) (d)
Hình 4. 10: Đĩa Petrifilm trước sau chiếu xạ với mật độ vi khuẩn ban đầu khác nhau. (a) Mẫu ban dầu không chiếu UV; (b) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/10 ban đầu; (c) Mẫu chiếu UV với độ pha loãng 1/100 ban đầu; (d) Mẫu chiếu
UV với độ pha loãng 1/1000 ban đầu.
Bảng 4. 6: Tổng hợp tỉ lệ diệt khuẩn các kết quả chiếu xạ với mật độ ban đầu khác nhau:
Coliform/E.coli Quan hệ mật độ và tỉ lệ diệt khuẩn Công suất chiếu 0.8W – thời gian chiếu
180phút
Tỉ lệ so với mẫu ban đầu 1/10 1/100 1/1000 Mật độ vi khuẩn (CFU/ml) 46500 4650 4650
Tỉ lệ diệ khuẩn IR(%) 33,55/47,86 36,99/64,24 59,14/79,47
Hình 4. 11: So sánh tỉ lệ diệt khuẩn coliform và E.Coli với mật độ vi khuẩn với công suất chiếu 0.8w và thời gian chiếu là 180 phút mẫu nước từ nguồn nước thải