Trong một tế bào 4 cực, dòng điện đƣợc đặt vào các điện cực bên ngoài (1 và 4) sao cho sự khác biệt giữa các điện cực bên trong (2 và 3) đƣợc duy trì. 2 điện cực bên ngồi là các điện cực đặt dịng điện xoay chiều đƣợc điều khiển theo cách tƣơng tự nhƣ đo độ dẫn điện 2 điện cực. 2 điện cực đo bên trong đƣợc đặt trong điện trƣờng của điện cực ngoài, điện áp giữa 2 bản cực này đƣợc đo bởi thiết bị có trở kháng cao. Khi đo điện áp diễn ra với dịng điện khơng đáng kể, hai điện cực này không bị phân cực (R2 = R3 = 0). Nếu điện áp trên điện cực bên trong và dịng điện đƣợc biết thì có thể tính đƣợc điện trở và độ dẫn.Độ dẫn sẽ tỉ lệ thuận với dịng điện áp. Vị trí của tế bào dẫn trong bình đo hoặc thể tích mẫu đo khơng ảnh hƣởng đến phép đo [28].
Hình 29: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [28]
Ƣu điểm củatế bào dẫn 4 điện cực là độ chính xác cao, tuy nhiên phải sử dụng tới 4 điện cực và cần có một nguồn dịng ổn định, có khả năng bị ăn mịn nếu đặt trong các mơi trƣờng đo có tính acid.
Do những ƣu điểm của tế bào dẫn dùng 2 điện cực là đơn giản, dùng tín hiệu xoay chiều AC nên có thể đo đƣợc độ dẫn của dung dịch độ tinh khiết cao, giảm đƣợc hiện tƣợng điện phân dung dịch và ăn mịn điện cực, cấu trúc này đƣợc nhóm nghiên cứu sử dụng để chế tạo cảm biến đo độ dẫn của nƣớc.
2.5. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC)
ADC là mạch chuyển đổi tƣơng tự ra số (Analog -digital converter), là một linh kiện bán dẫn thực hiện chuyển đổi một đại lƣợng vật lý tƣơng tự liên tục (thƣờng là điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn của đại lƣợng đó [34].
Tín hiệu tƣơng tự đƣợc đƣa đến một mạch lấy mẫu, tín hiệu ra mạch lấy mẫu đƣợc đƣa đến mạch lƣợng tử hóa làm trịn với độ chính xác: ±𝑄2. Sau mạch lƣợng
tử hóa là mạch mã hóa. Trong mạch mã hóa, kết quả lƣợng tử hóa đƣợc sắp sếp lại theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào loại mã yêu cầu trên đầu ra bộ chuyển đổi.
Hình 30: Sơ khối của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC)
ADC là một trong những phần tử phổ biến, có mặt trong tất cả các thiết bị kỹ thuật số tiếp nhận thông tin từ các cảm biến analog.ADC cũng thƣờng đƣợc tích hợp với cảm biến và đặt ngay tại đầu thu, truyền dữ liệu dạng số về khối xử lý. Nó đảm bảo sự ƣu việt là dữ liệu trung thực, truyền đƣa dễ dàng và xử lý thuận tiện [29].
Để tín hiệu sau quá trình lấy mẫu (sample and hold) có thể khôi phục lại đƣợc, yêu cầu tần số lấy mẫu phải thỏa mãn điều kiện sau: 𝑓𝑆 ≥ 2𝑓𝑚𝑎𝑥 Tức là tần số lấy mẫu trong q trình trích và giữ mẫu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số lớn nhất có trong tín hiệu. Tần số giới hạn𝑓𝑆
2này đƣợc gọi là tần số Nyquist [26]. Các loại ADC nhƣ: ADC sóng bậc thang (Flash ADC), ADC xấp xỉ nối tiếp, ADC mã hóa delta, ADC sigma – deta, Ram - compare ADC,…
Trong luận văn này sử dụng bộ chuyển đổi ADC 10 bit của vi điều khiển Atmega 16 với chức năng để đọc tín hiệu của cảm biến trả về (nhƣ điện áp, tần số,…) để hiển thị giá trị đo đƣợc lên bộ hiển thị.
2.6. Lý thuyết vi điều khiển 2.6.1.Khái niệm vi điều khiển 2.6.1.Khái niệm vi điều khiển
Vi xử lý là một linh kiện điện tử đƣợc chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp đơn. Vi xử lý có các khối chức năng cần thiết để lấy dữ liệu, xử lý dữ liệu và xuất dữ liệu ra ngồi sau khi đã xử lý. Vi xử lý khơng có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi, chỉ có khả năng nhận và xử lý dữ liệu. Để vi xử lý hoạt động cần có chƣơng trình kèm theo, các chƣơng trình này điều khiển các mạch logic và từ đó vi xử lý xử lý các dữ liệu cần thiết theo yêu cầu [1].
Nhờ sự phát triển vƣợt bậc của cơng nghệ tích hợp, các ngoại vi cũng đƣợc tích hợp vào bên trong IC và ngƣời ta gọi các vi xử lý đã đƣợc tích hợp thêm các
Hầu hết các vi điều khiển ngày nay đƣợc xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng. Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chƣơng trình (thơng thƣờng là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các mơi trƣờng bên ngồi - tất cả các khối này đƣợc thiết kế trong một vi mạch tích hợp [1].
Các vi điều khiển thông dụng bao gồm các loại sau: Họ vi điều khiển AMCC; Họ vi điều khiển Atmel; Họ vi điều khiển Cypress MicroSystems; Họ vi điều khiển Freescale Semiconductor; Họ vi điều khiển Fujitsu; Họ vi điều khiển Intel; Họ vi điều khiển Microchip,…[16].
Trong bài luận văn này, sử dụng vi điều khiển AVR Atmega 16 thuộc họ vi điều khiển Atmel, để xử lý tín hiệu độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ đo đƣợc từ môi trƣờng nƣớc để hiển thị lên màn hiển thị LCDvà kết hợp với Module Sim800c để truyền phát tín hiệu đo đƣợc lên Internet.
2.6.2. Họ vi điều khiển AVR
2.6.2.1. Tổng quan AVR và sơ lƣợc về bộ KIT AVR V4
AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rấtmạnhđƣợc tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, vi điều khiển này mạnhngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác nhƣ PIC, PSoC. Họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu củangƣời sử dụng [18].
Các tính năng mới của họ AVR: [18] + Giao diện SPI đồng bộ.
+ Các đƣờng dẫn vào/ra (I/O) lập trình đƣợc. + Giao tiếp I2C.
+ Bộ biến đổi ADC 10 bit. + Các kênh băm xung PWM.
+ Các chế độ tiết kiệm năng lƣợng nhƣ sleep, stand by..vv. + Một bộ định thời Watchdog.
+ 3 bộ Timer/Counter 8 bit. + 1 bộ Timer/Counter 16 bit. + 1 bộ so sánh analog.
+ Giao tiếp USART..vv.
Vi điều khiển AVR có rất nhiều dịng khác nhau nhƣ: Dòng Tiny AVR (nhƣ AT tiny 13, AT tiny 22…), dòng AVR (chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515,…), dòng Mega (nhƣ ATmega32, ATmega128, Atmega 16,…),
Sơ lƣợc về KIT AVR V4
KIT AVR V4 là phiên bản nâng cấp của KIT AVR V3. Phiên bản V4 nâng cấp và hỗtrợ thêm nhiều tính năng nhƣ: LED MATRIX, PL2303, MAX485, NRF24L01, SI4431…
Phiên bản phù hợp cho trƣờng dậy nghề và trung tâm dậy học. - KIT sử dụng Vi Điều Khiển ATMEGA16 DIP40
- KIT sử dụng điện áp: + 5V: Qua dây USB-Mini + 9V: Adapter DC9V
- Kích thƣớc KIT: 150x105MM
Hình 31: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4
2.6.2.2. Vi điều khiển ATmega 16
ATmega 16 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúc RSIC (Reduced Intruction Set Computer). Vào ra Analog – Digital và ngƣợc lại. Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên dây ở tần số 1MHz [37].
Atmega 16 có tập lệnh phong phú về số lƣợng với 32 thanh ghi làm việc đa năng. Toàn bộ 32 thanh ghi đều đƣợc nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic
đạt đƣợc có tốc độ xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC (Complex Intruction Set Computer) thơng thƣờng [37].
Có rất nhiều phần mềm đƣợc dùng để lập trình khi sử dụng vi điều khiển Atmega 16: Trình dịch Assembly nhƣ AVR studio của Atmel, Trình dịch C nhƣ win AVR, Code VisionAVR C,…
Trong luận văn này, để lập trình cho vi điều khiển Atmega 16, tơi sử dụng trình dịch C và phần mềm AVR Studio GCC.
Các đặc trƣng của Atmega 16: [37]
- Đƣợc chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp. - Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kỳ xung nhịp. - Bộ nhân 2 chu kì.
- 32x8 thanh ghi làm việc đa dụng. - Hoạt động tĩnh.
- 16MIPS với thông lƣợng 16 MHz
- 8KB Flash ROM lập trình đƣợc ngay trên hệ thống - Giao diện nối tiếp SPI có thể lập trình ngay trên hệ thống - Cho phép 1000 lần ghi/xóa
- Bộ EEPROM 512 byte, cho phép 100.000 ghi/xóa
- 16 Kbyte bộ nhớ chƣơng trình in-System Self-programmable Flash - Chu kì ghi/xóa (Write/Erase): 10.000 Flash/100.000 EEPROM - Độ bền dữ liệu 20 năm ở 85℃ và 100 năm ở 25℃
- Bộ nhớ SRAM 512 byte.
- Bộ biến đổi ADC 8 kênh, 10 bit - 32 ngõ I/O lập trình đƣợc
- Bộ truyền nối tiếp bất đồng bộ vạn năng UART - Vcc=2.7V đến 5.5V
- Tốc độ làm việc: 8MHz đối với Atmega 16L, 16MHz đối với Atmega 16 tối đa.
- Tốc độ xử lý lệnh đến 8MIPS ở 8 MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên dây. - Bộ định thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt. - 2 bộ Timer 8 bit và bộ Timer 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách
biệt và chế độ bắt mẫu.
- 4 kênh điều chế độ xung PWM - Có đến 13 interrupt ngồi và trong - Bộ so sánh Analog
- Bộ lập trình Watch dog timer
- Giao tiếp nối tiếp Master/slave SP
2.7. Module Sim800C
Module Sim800C là module GSM/GPRS hoạt động ở 4 băng tần 850/900/1800/1900 MHz, đƣợc xây dựng dựa trên Sim800C của hãng SIMCOM, có thể truyền nhận SMS, Data với mức tiêu thụ năng lƣợng thấp.
Đây là một phiên bản nâng cấp module Sim900A. Với kích thƣớc nhỏ17,6× 15,7 ×2,3mm, SIM800c có thể đáp ứng hầu nhƣ tất cả các yêu cầu về không gian trong các ứng dụng khác nhau.
Hình 32: Hình ảnh thực tế Module Sim800c
Thơng số kỹ thuật:
- Nguồn cung cấp: 3.8 – 4.2VDC.
- Dòng cung cấp: 1A trở lên để đảm bảo trong quá trình khởi động cũng nhƣ thực hiện gọi điện hay gửi SMS.
- Dòng ở chế độ chờ: 10mA – rất tiết kiệm.
- Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến ở Việt Nam, sim mạng nào dùng cũng đƣợc. - Khe cắm sim: chuẩn Micro sim ( sim IP4)
Chức năng các chân:
- Chân NET: lắp anten, có thể dùng anten đi kèm hoặc anten mở rộng. - Chân VCC- GND: cấp nguồn dƣơng- âm.
- RST: chân reset: sử dụng khi cần khởi động lại module sim. - RXD – TXD: giao tiếp chuẩn serial đặc trƣng của module sim. - RING: đổ chng khi có cuộc gọi đến
- DTR: Chân UART DTR
- SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh.
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG
3.1. Hệ thống tích hợp đo 4 thơng số môi trƣờng nƣớc (độ dẫn, độ đục, pH, nhiệt độ ). nhiệt độ ).
Hình 33: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ, độ dẫn
Một hệ thống đo đồng thời 4 thông số môi trƣờng nƣớc bao gồm độ dẫn, độ đục, pH và nhiệt độ sẽ đƣợc nghiên cứu thiết kế. Hình 33thể hiện sơ đồ khối của hệ thống đo đa thông số môi trƣờng nƣớc. Khối nguồn lƣỡng cực 1 chiều ±12V và ±5V đƣợc sử dụng để cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống. Khối cảm biến bao
Cảm biến nhiệt độ DS18B20 Cảm biến pH Hanna HI1110B Cảm biến độ đục Cảm biến TDS K Đ Máy phát sin ICL8038 2Vp-p, 10kHz Bộ chuyển đổi AC-DC VAC V2-AC VDC
Giao tiếp 1 dây (1-wire)
V2-DC
Khối cảm biến Khối xử lý tín hiệu tƣơng tự
Module Sim 800C (GPRS) LCD Điều khiển van điện, bơm Nguồn 1 chiều DC ±12V, ±5V Kit AVR V4
Atmega16 Khối ngoại vi
PA3 (ADC3) PA1 (ADC1) PA0 (ADC0) PD6 (ICP1) PD1 (TXD) PB0 PD7
gồm các cảm biến: Cảm biến đo pH Hanna1110B, cảm biến đo nhiệt độ sử dụng IC DS18B20 giao tiếp 1 giây, Cảm biến đo độ đục đƣợc nghiên cứu chế tạo sử dụng LED hồng ngoại làm nguồn phát và cảm biến màu TCS3200 thu ánh sáng tán xạ tại góc 90°và cảm biến TDS sử dụng 2 điện cực platinum. Khối xử lý trung tâm xử dụng KIT AVR V4 với vi xử lý Atmega 16 đƣợc cài đặt sẵn. Khối ngoại vi gồm Module Sim800C, màn hình hiển thị LCD, bộ phận điều khiển van hoặc bơm nƣớc; trong đó Module Sim800C đƣợc sử dụng để gửi dữ liệu thu thập đƣợc lên trang web lƣu trữ trực tuyến thingspeak.com và gửi tin cảnh báo tới một số điện thoại khi có thơng số vƣợt chuẩn; màn hình LCD hiển thị kết quả đo đạc. Cảm biến DS18B20 là cảm biến đầu ra tín hiệu số kết nối với với vi xử lý trung tâm Atmega 16 thông qua giao tiếp 1 dây (1-wire) tại chân PD7. Cảm biến độ đục có tín hiệu ra xung vuông, tần số của tín hiệu ra này đƣợc đọc bởi bộ ngắt ICP1 (PD6) của Atmega 16. Cảm biến pH Hanna HI1110B có đầu ra tín hiệu tƣơng tự đƣợc khuếch đại bởi bộ khuếch đại thuật toán (KĐ) và đọc tại bộ chuyển đổi tƣơng tự số 10 bit ADC0(PA0). Cảm biến TDS có 2 tín hiệu ra xoay chiều VACvà V2-AC sẽ đƣợc
chuyển đổi thành tín hiếu một chiều tƣơng ứng VDC và V2-DC thơng qua bộ chuyển
đổi AC-DC.Các giá trị VDC và V2-DCđƣợc đọc bởi bộ ADC3 (PA3) và ADC1 (PA1).Hình ảnh thực tế của hệ đo đƣợc thể hiện nhƣ Hình 34, các loại cảm biến sử dụng đƣợc thể hiện nhƣ Hình 35.
Hình 35: Hình ảnh các loại cảm biến
3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục 3.2.1. Chuẩn bị mẫu 3.2.1. Chuẩn bị mẫu
3.2.1.1. Chuẩn bị dung dịch tiêu chuẩn Formazin polymer với độ đục 400 NTU [4].
Bƣớc 1: Hòa tan 1.000g hydrazine sulfate (𝑁2𝐻4. 𝐻2𝑆𝑂4 99%) trong 100 ml
nƣớc khử ion.
Bƣớc 2: Hòa tan 10.000g hexamethylenetetramine (𝐶6𝐻12𝑁4 98.5%) trong
100 ml nƣớc khử ion.
Bƣớc 3: Hòa tan 2 dung dịch này với nhau ở cùng thể tích vào trong một chiếc bình sạch, khơ và khuấy đều trong khoảng 10 phút. Sau đó để hỗn hợp này ở nhiệt độ 25℃ ± 1℃ trong khoảng 48 giờ.
Mẫu dung dịch chuẩn formazin polymer có độ đục là 4000 NTU. Dung dịch có màu trắng đục, dạng huyền phù. Yêu cầu bảo quản dung dịch trong khoảng nhiệt độ 5℃ ÷ 25℃ và lắc đều trƣớc khi sử dụng.
3.2.1.2. Cơng thức tính độ đục chuẩn [4]
Dung dịch độ đục chuẩn đƣợc tính bởi cơng thức: 𝑃×𝐷
𝑆 = 𝑅 (13)
Trong đó: P là thể tích của dung dịch cần phải chuẩn bị, D là giá trị NTU muốn có, S là mẫu NTU chuẩn (hay cịn gọi là huyền phù tiêu chuẩn), R là thể tích dung dịch cần phải có để pha từ mẫu NTU chuẩn.
Ví dụ: Để chuẩn bị 100 mL có độ đục 4 NTU, từ huyền phù tiêu chuẩn 4000
NTU, áp dụng công thức (13) ta cần một lƣợng thể tích dung dịch 4000 NTU nhất định và lƣợng thể tích đó sẽ đƣợc tính nhƣ sau:
100(𝑚𝐿) × 4(𝑁𝑇𝑈)
4000(𝑁𝑇𝑈) = 0.1(𝑚𝐿)
Nhƣ vậy, muốn pha 100mL dung dịch 4 NTU từ mẫu 4000 NTU ta phải lấy 0.1 mL dung dịch 4000 NTU hòa tan với 99.9 mL nƣớc khử ion.
Tƣơng tự, ta cũng sử dụng phƣơng pháp pha loãng này để áp dụng với 10 NTU, 100 NTU và 1000 NTU.
Hình 36: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 1; 2; 4; 6; 8; 10 NTU)
Hình 37: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 100 NTU (0; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) 100 NTU)
Hình 38: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1000 NTU (0; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU)
3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo
Hình 39 thể hiện sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục của nƣớc. Cảm biến độ đục đƣợc chế tạo dựa trên LED hồng ngoại có bƣớc sóng 860 nm làm nguồn phát và cảm biến màu TCS 3200 làm cảm biến đo cƣờng độ ánh sáng tán xạ (Hình 40).