2.2.1 Khái niệm Bụi
Bụi là tên chung cho các hạt chất rắn có đường kính nhỏ cỡ vài micrômet đến nửa milimet, tự lắng xuống theo trọng lượng của chúng nhưng vẫn có thể lơ lửng trong không khí một thời gian sau.
Bụi đến từ đâu? Bụi có thể được tạo thành từ một số thứ như từ tế bào da chết, mẩu thức ăn, phấn hoa và thậm chí là các hạt đá không gian. Vị trí của bụi ở đâu thường quyết định thành phần của nó.
Bụi nhà có thể có nhiều tế bào da trong đó, trong khi bụi trong xe của bạn có thể chứa nhiều mảnh vụn đường. Rõ ràng, bụi trong nhà bao gồm các thành phần khác nhau so với bụi ngoài trời, nhưng tác động của cả hai thường giống nhau. Một số bụi ngoài trời đến từ ngoài vũ trụ - thổi khắp hành tinh. Trên thực tế, bụi có thể chứa bất kỳ số lượng hạt nào, bất kể nguồn gốc bí ẩn của nó
Nói một cách đơn giản, nó chứa bất cứ thứ gì có thể vỡ thành các hạt rất nhỏ có thể di chuyển được bằng dòng không khí. Và, vì các luồng không khí đủ mạnh có thể di chuyển các vật thể, nên bụi có thể sinh ra từ bất cứ đâu và xuất hiện mọi chỗ. Bụi mịn là một loại bụi đặc biệt nguy hiểm với sức khỏe con người. Bụi mịn là các loại hạt bụi có kích thước siêu nhỏ chỉ khoảng 2,5 micron. các hạt bụi này xam nhập vào cơ thể vào hệ hô hấp gây ra các bệnh nguy hiểm, ảnh hương đến sức khỏe con người.
2.2.2 Một số cảm biến bụi
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến bụi, sau đây là một số loại thông dụng:
• Module cảm biến bụi PPD42NS(SEEED)
Module cảm biến bụi PPD42NS dùng để đo chất lượng môi trường
trong môi trường bằng cách đo nồng độ bụi. Mức độ hạt vật chất (mức độ PM) trong không khí được đo bằng cách đếm thời gian xung thấp (thời gian LPO) trong một đơn vị thời gian nhất định. Thời gian LPO tỷ lệ thuận với nồng độ PM.
23
Hình 2.1. Module cảm biến bụi PPD42NS
Thông số kĩ thuật: - Điện áp hoạt động: 4,75-5,75V. - Kích thước 59x45x22mm. - Nhiệt độ hoạt động: 0-45°C. - Khối lượng: 28g. - Độ ẩm hoạt động: 0-96% RH.
- Phát hiện hạt bụi có đường kính tối thiểu; 1μm
- Dải nồng độ phát hiện được: 0 ~ 28.000 / 0 ~ 8000 chiếc / lít /chiếc / 0.01cf.
- Đầu ra PWM.
• Module cảm biến bụi SDS011
Cảm biến bụi quang học này có thể đo chất lượng môi trường rất chính xác bằng cách đo các hạt không khí hoặc bụi dựa trên phát hiện laser, có thể nhận được các hạt bụi trong khoảng từ 0,3 đến 10um trong không khí, nó kết nối với đầu ra kỹ thuật số và quạt tích hợp là ổn định và đáng tin cậy. Sự tán xạ ánh sáng có thể được gây ra khi các hạt đi qua khu vực phát hiện. Ánh sáng tán xạ được chuyển thành tín hiệu điện và các tín hiệu này sẽ được khuếch đại và xử lý. Số lượng và đường kính của các hạt có thể thu được bằng phân tích vì dạng sóng tín hiệu có mối quan hệ nhất định với đường kính hạt.
24
Hình 2.2. Module cảm biến bụi Laser PM2.5 SDS011
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp: 4.7 – 5.3V DC
- Công suất tiêu thụ: 70mA ± 10mA (khi hoạt động), <4mA (chế độ ngủ của laser và quạt)
- Phạm vi đo: 0.0-999.9 g/m3 - Đầu ra PM2.5 và PM10
- Tuổi thọ của Laser: lên tới 8000 giờ (hoạt động liên tục) - Dòng tối đa: 100mA
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -20 ~ 500C - Kích thước: 71x70x23 mm
• Module cảm biến bụi PMS7003M/G7
PMS7003 là một loại cảm biến nồng độ bụi kỹ thuật số mà có thể dùng
để đo nồng độ bụi trong không khí, PMS7003 sẽ đo nồng độ bụi và đưa ra đầu ra của mạch dưới dạng tín hiệu số (digital), sản phẩm sử dụng tán xạ của laser sau đó thu thập tán xạ của ánh sáng theo mức độ nhất định và có được sự thay đổi của tán xạ của ánh sánh, sau cùng số liệu được đưa vào vi xử lí để tính toán dựa theo lý thuyết MIE.
25
Hình 2.3. Module cảm biến bụi PMS7003M/G7
Thông số kĩ thuật:
- Phạm vi đo: 0.3~1.0；1.0~2.5；2.5~10(μ m). - Tính hiệu quả: 50%0.3μ m ,98%>=0.5μ m. - Phạm vi hiệu quả: 0~500(μ g/m³).
- Khoảng cách tối đa: ≥1000 (μ g/m³). - Độ phân giải: 1 (μ g/m³). - Sai số: ±10%100~500μ g/m³ ±10μ g/m³0~100μ g/m³. - Thời gian đáp ứng: <1(s). - DC Power Supply: 4,5 – 5(V). - Dòng: <=100(mA). - Nhiệt độ hoạt động: -10 ~ +60(℃). - Kích thước: 48×37×12(mm).
• Module cảm biến bụi GP2Y1010AU0F
Module cảm biến bụi GP2Y1010AU0F được sản xuất bởi hãng SHARP, được
sử dụng để nhận biết nồng độ bụi trong không khí, nguyên lý hoạt động dựa trên LED phát hồng ngoại tích hợp bên trong cảm biến bụi, khi có bụi vào thì sẽ bị khúc xạ, làm giảm đi cường độ tia hồng ngoại ==> điện áp thay đổi.
26
Hình 2.4. Cấu tạo của cảm biến bụi GP2Y1010AU0F
Cảm biến được cấu tạo từ 3 thành phần chính: IR LED, Phototransistor và Amplifier. Nguyên lý hoạt động: Ở đây ta thấy sẽ có 02 bộ phận dùng để truyền và nhận hồng ngoại (IR LED và Phototransistor). 02 bộ phận này được đặt chệch gốc với nhau. Khi có bụi bay vào, tia hồng ngoại từ IR LED sẽ bị dội vào Phototransistor, lúc này điện áp từ phototransistor sẽ được đưa đến mạch khuếch đại (Amplifier) và xuất ra chân Vo.
Theo datasheet, một lần đo của cảm biến sẽ mất khoảng 10ms để đo. Trong 10ms sẽ có:
0.32ms: Trong khoảng thời gian này, IR LED sẽ được bật lên va chúng ta
tiến hành đọc giá trị. Tuy nhiên, chỉ được phép đọc giá trị sau 0.28ms. Vậy những việc chúng ta cần làm trong 0.32ms này đó là:
- Bật IR LED - Delay 0.28ms - Tắt IR LED - Delay 0.04ms
9.680ms: Thời gian này cảm biến sẽ nghỉ không làm gì cả.
Tài liệu mô tả cho biết, ta có thể tìm được nồng độ bụi trong không khí bằng quy đổi như sau: 0.5V/0.1mg/m3.
Nhưng khi sử dụng các chân Analog của Arduino đọc thì điện áp sẽ được chuyển thành giá trị digital (0-1023). Vì vậy chúng ta cần tìm giá trị vol của mỗi mức digital bằng cách đơn giản như sau vpd = vRef / 1024
Trong đó:
27
vRef: Giá trị điện áp cấp cho cảm biến (5.0 hoặc 3.3).
Sau khi đã có vpd, ta chỉ cần nhân với giá trị ADC đọc từ chân Vo của cảm biến là có thể tính ra được điện áp
Vậy là sau khi có điện áp, ta có thể dễ dàng tính ra được nồng bộ bụi trong không khí: dustDensity = (Vo*vpd)/0.5
Tuy nhiên, bằng những phép kiểm thử thực tế, người ta thấy rằng giá trị này không đúng như thực tế. Giá trị đo được không trùng với bảng tham chiếu mà nhà sản xuất đưa ra. Vì vậy người ta dùng phương pháp Linear equation để tìm ra được phương trình cho phép tham chiếu kết quả gần đúng như nhà sản xuất đưa ra.
dustDensity = 0.17 * (Vo * Vpd) - 0.1 Thông số kỹ thuật:
- Nguồn: 5VDC
- Dòng tiêu thụ: 10mA
- Ngõ ra: analog với tỉ lệ 0.5V ~ 0.1mg/m3 - Nhiệt độ hoạt động: -40 ~ 85 độ C
Đây cũng là cảm biến lựa chọn để tích hợp vào hệ thống vì nó phù hợp với yêu cầu hệ thống của em.
2.3. Cảm biến nồng độ khí CO 2.3.1 Khí CO
Cacbon monoxit, công thức hóa học là CO, là một chất khí không màu,
không mùi, bắt cháy và có độc tính cao. Nó là sản phẩm chính trong sự cháy không hoàn toàn của cacbon và các hợp chất chứa cacbon.
Có nhiều nguồn sinh ra cacbon monoxit. Khí thải của động cơ đốt trong tạo ra sau khi đốt các nhiên liệu gốc cacbon có chứa cacbon monoxit, đặc biệt với nồng độ cao khi nhiệt độ quá thấp để có thể thực hiện việc ôxi hóa trọn vẹn các hydrocacbon trong nhiên liệu thành nước (dạng hơi) và cacbon dioxit, do thời gian có thể tồn tại trong buồng đốt là quá ngắn và cũng có thể là do không đủ lượng oxy cần thiết. Thông thường, việc thiết kế và vận hành buồng đốt sao cho có thể giảm lượng CO là khó khăn hơn rất nhiều so với việc thiết kế để làm giảm lượng hydrocacbon chưa cháy hết. Cacbon monoxit cũng tồn tại với một lượng đáng kể trong khói thuốc lá. Trong gia đình, khí CO được tạo ra khi các nguồn nhiên liệu như xăng, hơi đốt, dầu hay gỗ không cháy hết trong các thiết bị dùng chúng làm
28 nhiên liệu như xe máy, xe ô tô, lò sưởi và bếp lò v.v. Khí cacbon monoxit có thể thấm qua bê tông hàng giờ sau khi xe cộ đã rời khỏi ga-ra.
Cacbon monoxit là cực kỳ nguy hiểm, do việc hít thở phải một lượng quá lớn CO sẽ dẫn tới thương tổn do giảm oxy trong máu hay tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong. Nồng độ chỉ khoảng 0,01% cacbon monoxit trong không khí cũng có thể là nguy hiểm đến tính mạng.
2.3.2 Một số cảm biến khí CO
Một số loại cảm biến trên thị trường:
2.3.2.1. Cảm biến CO MQ-7(DFROBOT)
CẢM BIẾN KHÍ CO MQ7 (DFROBOT) là cảm biến bán dẫn có khả
năng phát hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 20 đến 2000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Cảm biến có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital.
Hình 2.5. Cảm biến khí CO MQ-7(DFROBOT)
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp cung cấp: 3 ~ 5V DC.
- Sử dụng chip so sánh LM393 và MQ-7. - Hai dạng tín hiệu đầu ra (digital và analog). - Tín hiệu analog từ 0~5V.
- Dải phát hiện từ 20 đến 2000ppm. - Công suất tiêu thụ: khoảng 350mW. - Nhiệt độ hoạt động: -20 đến 50 độ C. - Độ ẩm hoạt động: dưới 95%RH. - Kích thước: 33 x 20 x 16mm. - Phản ứng nhanh.
29
2.3.2.2. Cảm biến CO MQ-7
Cảm biến khí CO MQ-7 là cảm biến bán dẫn có giá rẻ có khả năng phát
hiện khí carbon monoxide có nồng độ từ 10 đến 1000 ppm. Vật liệu tạo ra cảm biến là từ chất SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Có độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Có 2 dạng tín hiệu ngõ ra là analog và digital. Cảm biến có thể hoạt động được ở nhiệt độ từ: -20 độ C đến 50 độ C và tiêu thụ dòng khoảng 150mA tại 5V. Tuổi thọ cao, chi phí thấp.
Hình 2.6. Cảm biến CO MQ-7
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp cung cấp: 3 ~ 5V DC.
- Sử dụng chip so sánh LM393 và MQ-7. - Hai dạng tín hiệu đầu ra (digital và analog). - Tín hiệu analog từ 0~5V.
- Dải phát hiện từ 10 đến 1000ppm. - Công suất tiêu thụ: khoảng 350mW. - Nhiệt độ hoạt động: -10C đến 50C. - Kích thước: 33 x 20 x 16mm.
Nguyên tắc hoạt động:
Cảm biến MQ07 phát hiện và đo khí CO chuyển thành điện áp đưa ra chân AOUT.
Biến trở trên Module có chức năng điều chỉnh điện áp tham chiếu, khi cảm biến MQ07 phát hiện khí CO đến ngưỡng thì chân DOUT sẽ đảo trạng thái.
30
Đây cũng là cảm biến mà em lựa chọn để tích hợp vào hệ thống vì nó phù hợp với yêu cầu hệ thống của em.
2.4. Cảm biến nhiệt độ 2.4.1. Nhiệt độ
Nhiệt độ là tính chất vật lý của vật chất hiểu nôm na là thang đo độ "nóng"
và "lạnh". Nó là biểu hiện của nhiệt năng, có trong mọi vật chất, là nguồn gốc của sự xuất hiện nhiệt, một dòng năng lượng, khi một vật thể tiếp xúc với vật khác lạnh hơn.
Nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế. Nhiệt kế được hiệu chuẩn trong các thang đo nhiệt khác nhau mà trước đây đã sử dụng các điểm chuẩn và chất đo nhiệt khác nhau để định nghĩa. Thang đo nhiệt độ phổ biến nhất là thang đo Celsíu (trước đây gọi là C, ký hiệu là °C), các thang đo Fahrenheit (ký hiệu là °F), và thang đo Kelvin (ký hiệu là K). Thang đo Kelvin chủ yếu sử dụng cho các mục đích khoa học của công ước của Hệ đơn vị quốc tế (SI).
Nhiệt độ lý thuyết thấp nhất là độ không tuyệt đối, tại đó không thể rút thêm nhiệt năng từ một vật thể. Bằng thực nghiệm, người ta thấy con người chỉ có thể tiếp cận đến rất gần, nhưng không thể đạt tới nhiệt độ này. Điều này được công nhận trong định luật thứ ba của nhiệt động học. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong tất cả các lĩnh vực khoa học tự nhiên, bao gồm vật lý, hóa, khoa học Trái Đất, thiên văn học, y học, sinh học, sinh thái và đia lý cũng như hầu hết các khía cạnh của cuộc sống hàng ngày.
Phương pháp đo nhiệt độ: 1. Phương pháp đo trực tiếp:
Tính chất vật lý chung của nhiệt độ là luôn truyền từ vật nóng hơn sang lạnh hơn. Lợi dụng tính chất này cho tiếp xúc nhiệt kế vào vật cần đo, nhiệt độ từ vật sẽ truyền sang nhiệt kế cho tới khi đạt trạng thái cân bằng nhiệt thì chỉ số của nhiệt kế chính là chỉ số nhiệt độ của vật.
2. Phương pháp đo nhiệt độ gián tiếp:
Có nhiều cách đo nhiệt độ gián tiếp, một trong những cách đó là phương pháp đo gián tiếp thông qua quang phố của vật phát ra. Phương pháp đo nhiệt độ
31 nhờ quang phổ, căn cứ vào màu sắc ánh sáng do vật phát ra có thể xác định được nhiệt độ của vật.
2.4.2. Cảm biến nhiệt độ
Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau được sử dụng trên thị trường hiện nay bao gồm đầu dò nhiệt độ điện trở (RTD), cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, cảm biến hồng ngoại và cảm biến bán dẫn. Những cảm biến này có nhiều loại khác nhau, nhưng có một điểm chung: tất cả chúng đều đo nhiệt độ bằng cách cảm nhận sự thay đổi trong đặc tính vật lý. Vậy cảm biến nhiệt độ là gì? Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị, thường là RTD (đầu dò nhiệt độ điện trở) hoặc cặp nhiệt điện, thu thập dữ liệu về nhiệt độ từ một nguồn cụ thể và chuyển đổi dữ liệu thành dạng dễ hiểu cho thiết bị hoặc người quan sát. Có nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau có khả năng cảm biến tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của chúng. Các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau như sau:
• Cặp nhiệt điện
• Đầu dò nhiệt độ điện trở • Bình giữ nhiệt • Cảm biến hồng ngoại • Chất bán dẫn • Nhiệt kế 2.5. Cảm biến độ ẩm 2.5.1. Độ ẩm
Độ ẩm là lượng hơi nước có trong không khí, hơi nước chính là dạng khí
của nước và vô hình với mắt người. Độ ẩm là thước đo cho thấy được khả năng về lượng mưa hoặc sương mù. Độ ẩm càng cao thì việc đổ mồ hôi làm mát cơ thể của chúng ta càng kém hiệu quả, đó là lí do vì sao đôi khi mùa mè nóng nực không làm ta khó chịu bằng những ngày thu nóng ẩm với độ ẩm cao. Độ ẩm có 3 khái niệm là: độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối và độ ẩm cụ thể. Các nhà dự báo thời tiết thường sử dụng các từ “độ ẩm tuyệt đối” và “độ ẩm tương đối” trong các bản tin của họ.
Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối là thuật ngữ được dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại
32 tính độ ẩm tuyệt đối là gam trên mét khối (g/m³), tuy nhiên không có nghĩa là ta không thể thay thế đơn vị này bằng các đơn vị đo khối lượng hoặc đo thể tích