Thiết kế thiết bị đo có khả năng đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên màn hình LCD, trao đổi tín hiện với máy tính, lƣu trữ trên máy tính

MỤC LỤC
Chƣơng 1. TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3 ......................... 4
1. Tổng quan về thiết bị đo nồng độ khí NH3 ........................................................ 5
1.1. Đặc điểm khí NH3 (ammoniac)....................................................................... 5
1.2. Các thiết bị đo khí .......................................................................................... 6
1.2.1. Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí............................................................... 6
1.2.2. Các loại cảm biến đo khí NH3 trong thực tế ............................................... 9
CHƢƠNG 2. LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO .................. 15
2.1. Yêu cầu công nghệ thiết bị đo và giám sát khí nồng độ khí NH3 .............. 15
2.2. Các khối chức năng ..................................................................................... 16
2.2.1. Cảm biến ................................................................................................... 16
2.2.2. Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực ........................................ 24
2.2.3. Khối lƣu trữ MMC .................................................................................... 24
2.2.4. Truyền thông máy tính .............................................................................. 25
2.2.5. Khối nguồn ổn áp ...................................................................................... 26
2.2.6. Khối xử lý trung tâm ................................................................................. 27
Chƣơng 3. TRIỂN KHAI THIẾT BỊ VÀ KẾT QUẢ ĐO .................................. 32
3.1. Triển khai thiết bị đo .................................................................................... 32
3.1.1. Khối hiển thị .............................................................................................. 32
3.1.2. Khối lƣu trữ MMC .................................................................................... 32
3.1.3. Truyền thông máy tính .............................................................................. 33
3.1.4. Khối đồng bộ thời gian (Realtime) ........................................................... 34
3.1.5. Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo ......................................................... 35
3.1.6. Lƣu đồ thuật toán ...................................................................................... 38
3.1.7. Sơ đồ mạch in ............................................................................................ 39
3.1.8. Thiết bị sau khi thi công và đóng hộp ....................................................... 40
3.2. Phần mềm trên PC để tải dữ liệu giám sát thông số nồng độ khí NH3 ........ 41
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................. Error! Bookmark not defined.
Phụ lục ................................................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................... Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2) ................................... 7
Hình 1.2. Cảm biến điện cực đo khí NH3 ............................................................ 10
Hình 1.3.Máy dò khí k60 series ........................................................................... 11
Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật máy dò khí k60: ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4. Cảm biến điện hóa Dragersensor EC ................................................. 12
Hình 1.5. Máy dò khí rò rỉ GA-170 ..................................................................... 12
Hình 1.6. Máy đo khí cầm tay ............................................................................. 13
Hình 1.7. Cảm biến đo và giám sát nồng độ khí. ................................................ 14
Hình 2.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo .................................................................... 15
Hình 2.2. Hình ảnh của cảm biến MQ135 đo nồng độ khí NH3 ......................... 17
Hình 2.3. Cấu trúc cảm biến MQ135 .................................................................. 18
Hình 2.4. Đặc tính độ nhạy của cảm biến MQ135 đối với một số khí ................ 20
Hình 2.5. Sự phụ thuộc của MQ135 vào nhiệt độ và độ ẩm ............................... 20
Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch MQ135 ............................................................. 21
Hình 2.7. Màn hình LCD Hitachi........................................................................ 24
Hình 2.8. Chíp DS1307 ....................................................................................... 24
Hình 2.9. Hình ảnh của thẻ nhớ MMC................................................................ 25
Hình 2.10 Chuấn USB ......................................................................................... 25
Bảng 2.2. Sơ đồ chân LM2576 ............................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2.11 Khối nguồn ổn áp dùng LM2576 ....................................................... 27
Hình 2.12 Vi xử lý trung tâm PSoC .................................................................... 28
Hình 2.13. Sơ cấu trúc của chíp PSoC1 và sơ đồ chân của chíp CY8C29566 ... 29
Hình 3.1. Sơ đồ nối màn hình LCD .................................................................... 32
Hình 3.2. Giao diện của thẻ MMC và mạch ghép nối giao tiếp thẻ MMC với
PSoC .................................................................................................................... 33
Hình 3.3. Khối USB ............................................................................................. 34
Hình 3.4. Khối thời gian thực ............................................................................. 35
Hình 3.5. Khối vi xử lý trung tâm PSoC ............................................................. 36

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết bị đo .............................................. 37


Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán ................................................................................. 38
Hình 3.8a Mặt trên của mạch in ......................................................................... 39
Hình 3.8b. Mặt dưới của mạch in ....................................................................... 40
Hình 3.9. Hình ảnh của thiết bị ........................................................................... 41
Hình 3.10. Hình ảnh giao diện phần mềm trên PC ............................................ 41
Hình 3.11. Khối chọn file cơ sở dữ liệu, định dạng Excel .................................. 41
Hình 3.12. Khối hiển thị online các thông số...................................................... 42
Hình 3.13. Khối kết nối với thẻ nhớ MMC của thiết bị ....................................... 42
Bảng 3.1: Kết quả nồng độ khí đo được ............................................................. 43


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề ô nhiễm môi trƣờng hiện nay đang có xu hƣớng ngày càng nghiêm trọng
ở nƣớc ta cũng nhƣ trên toàn thế giới. Trong các khí có trong tự nhiên thì NH3
là một khí quan trọng có ảnh hƣởng nghiêm trọng đến môi trƣờng cũng nhƣ sức
khỏe con ngƣời nếu nhƣ nồng độ khí này vƣợt quá mức cho phép.
Hầu hết các thiết bị đo khí NH3 trên thị trƣờng hiện nay đều là các thiết bị nhập
ngoại có giá thành cao. Vì vậy việc thiết kế 1 thiết bị nhỏ gọn, giá thành rẻ phục
vụ cho nhu cầu đo khi NH3 cầm tay là thiết thực, có giá trị cao
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan các cảm biến đo khí, cảm biến MQ 135, nguyên lí hoạt
động và cấu tạo
Nghiên cứu các khối từ đó xây dựng mạch phần cứng
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sơ đồ, đặc tính của cảm biến MQ 135 từ đó dùng vi điều khiển
PSOC để thiết kế mạch đo

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Thiết kế thiết bị đo có khả năng đo nồng độ khí NH3 hiển thị lên màn hình
LCD, trao đổi tín hiện với máy tính, lƣu trữ trên máy tính
Có thể đo khí NH3 cầm tay, đo tại các trang trại gia súc, gia cầm, xí nghiệp có
khí thải


Chƣơng 1. TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3
1. Tổng quan về thiết bị đo nồng độ khí NH3
1.1. Đặc điểm khí NH3 (ammoniac)
Trong môi trƣờng làm việc và cuộc sống hàng ngày; con ngƣời chúng ta
có khả năng gặp phải với nhiều loại khí độc khác nhau, chúng có khả năng làm
tổn hại đến sức khỏe kể cả tính mạng con ngƣời; trong đó nhiễm độc khí
amoniac (NH3) ít khi đƣợc để ý và phòng tránh. Nếu nhƣ không đƣợc phát hiện
và xử lí đúng lúc, kịp thời, nạn nhân sẽ bị những di chứng và ảnh hƣởng nghiêm
trọng có khả thể tử vong nếu tiếp xúc với nồng độ vƣợt quá định mức cho phép.
Các nhà khoa học cho rằng nồng độ khí amoniac có trong không khí ở
môi trƣờng sống xung quanh đƣợc phép là 0,2 mg/m3, nếu vƣợt quá mực độ này
khí NH3 có khả năng làm cho con ngƣời bị nhiễm độc, rất nguy hiểm. Đặc thù
khí NH3 có khả năng tan dễ ở trong nƣớc thƣờng để thành dung dịch có đặc tính
kiềm mạnh đƣợc gọi là amoni hydroxit (NH4OH) có khả năng gây kích ứng,
bỏng. Khí này cũng có khả năng bị nén dễ dàng dƣới áp suất để tạo thành dung
dịch trong suốt, không màu. Ở nhiệt độ cao trong khoảng 450oC tới 500oC và ở
nhiệt độ thấp trong hoàn cảnh có sự hiện diện của các kim loại nhƣ sắt, niken,
kẽm thì NH3 dễ bị phân hủy tạo thành khí hydro và nitơ. Do vậy những thùng
chứa khí NH3 có khả năng bị nổ khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Trong công
nghiệp, các nhà khoa học đã ghi nhận là khoảng 80% lƣợng khí NH3 đƣợc dùng
để tạo ra phân bón. Song song với đó chúng còn đƣợc dùng để làm lạnh khí, tinh
khiết nƣớc; làm ra nhựa, thuốc nổ, vải, thuốc nhuộm màu và các loại hóa chất
khác. Bên cạnh đó, khí NH3 còn đƣợc phát hiện bên trong các loại dung dịch

dùng trong mục đích tẩy rửa làm sạch.
Để đo đạc và kiểm tra nồng độ khí amoniac này, hiện tại trên thị trƣờng
có rất nhiều loại cảm biến với những nguyên lý đo khí khác nhau. Tuy nhiên
cảm biến đo khí theo nguyên lý bán dẫn là đƣợc sử dụng rộng rãi hơn cả, bời độ
chính xác cao, giá thành rẻ và tính năng hiệu quả sử dụng có nhiều ƣu điểm hơn.


1.2. Các thiết bị đo khí
1.2.1. Cảm biến bán dẫn đo nồng độ khí
Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện khi màng bán dẫn hấp thụ khí độc ở nhiệt độ
150 – 500 độ C. Ở điều kiện ko khí sạch thì màng bán dẫn dẫn điện kém nhƣng
trong điều kiện có khi độc và nhiệt độ làm việc chuẩn thì tính dẫn điện của màng
bán dẫn tang. Chất lƣơng của loại cảm biến này phụ thuộc vào sản xuất.
Loại cảm biến này có tính chọn lựa thấp, độ nhạy, khả năng đáp ứng, độ chính
xác bị ảnh hƣởng nhiều bởi các yếu tố môi trƣờng nhƣ là nhiệt độ, độ ẩm, áp
suất. Khi bị sai số cần hiệu chỉnh lại. Thiết bị có thể hỏng hoàn toàn nếu làm
việc liên tục ở nhiệt độ cao.
Có 2 cảm biến loại này đƣợc sử dụng nhiều nhất (làm từ ô-xít kim loại):
Loại 1 là cảm biến màng mỏng đƣợc làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam), đƣợc dùng
chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua;
Loại 2 là màng dày làm từ ô-xít thiếc (SnO2), loại này không có tính chọn lọc và
thƣờng đƣợc dùng để phát hiện sự thay đổi lớn lƣợng khí độc và khí cháy.
a. Loại màng dày (SnO2)
Loại này thƣờng đƣợc cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một điện
cực bằng gốm.
Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại hoặc
ở dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem hình 1.1).


Hình 1.1. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)

Loại này có cơ chế phát hiện khí độc rất phức tạp. Nó có sự kết hợp các các
phản ứng trên bề mặt cảm biến gồm cả sự hấp thụ khí. Khi không đƣợc cấp
nguồn, khí độc bám vào bề mặt dễ dàng và hậu quả là cảm biến phải mất nhiều
thời gian để ổn định lại trạng thái ban đầu, điều này có thể xảy ra ngay cả khi
cảm biến bị mất cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn.
Khi cảm”biến phát hiện có khí ga, điện trở của lớp ô-xít thiếc giảm xuống tỉ lệ
với nồng độ khí. Tỉ lệ thay đổi của điện trở không tuyến tính với nồng độ khí, do
đó nó cần phải đƣợc tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ bị ảnh hƣởng bởi độ
ẩm và ô-xy. Với một lƣợng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định
cho cảm biến, thậm chí dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình
thƣờng đƣợc phục hồi”trở lại
b. Loại màng mỏng (VO3)
Loại này đƣợc cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với hai
hoặc nhiều điện cực dẫn điện. Vật liệu ô-xít kim loại đƣợc gắn vào giữa các điện
cực. Các bộ phận này đƣợc nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp.
Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thƣờng sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một
trƣờng điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy


(bằng cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn
điện, tức nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện của chất bán
dẫn ô-xít kim loại chính là nguồn tín hiệu.
c. Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến bán dẫn
Có 6 yếu tố chính ảnh hƣởng đến đặc tính cảm biến mà ngƣời sử dụng cần
biết để lựa chọn và đánh giá cảm biến bán dẫn chính xác :
(1) ô-xít kim loại
Vật liệu bán dẫn là một trong những nhân tố chính ảnh hƣởng đến toàn bộ đặc
tính của cảm biến bán dẫn. Thông thƣờng các nhà sản xuất bổ sung thêm các vật
liệu phụ để gia tăng đặc tính của chất bán dẫn, mục đích là để ổn định nhiệt độ
của ô-xít kim loại ở nhiệt độ làm việcntốt nhất.

(2) nhiệt độ làm việc
Nhiệt độ làm việc của cảm biến bán dẫn ảnh hƣởng rất nhiều đến đƣờng đặc tính
và độ nhạy của tín hiệu. Chính vì thế mà các nhà sản xuất luôn mong muốn nhiệt
độ làm việc của cảm biến luôn không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ môi
trƣờng xung quanh, từ đó đƣờng đặc tính tín hiệu mới đƣợc tuyến tính hoá với
độ chính xác cao.
(3) đặc tính hấp thụ khí
Đặc tính hấp thụ khí ga của ô-xít bán dẫn là yếu tố cần thiết để cảm biến loại
này đo đƣợc nồng độ khí.Với lƣợng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu
xung quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải đƣợc lựa chọn kỹ càng.
Khả năng hấp thụ khí độc của nƣớc là rất mạnh, nƣớc ngƣng tụ bám vào các lỗ
của bộ phận chống lửa sẽ làm mất tác dụng của cảm biến. Biện pháp hữu hiệu
nhất hiện giờ là cung cấp một nguồn năng lƣợng đủ cho cảm biến làm việc để
hạn chế ảnh hƣởng của độ ẩm và ngăn chặn nƣớc ngƣng tụ và bộ phận chống
lửa của cảm biến.
(4) độ”ẩm
(5) nhiệt độ môi trƣờng
(6) quá trình hoạt động của cảm biến.


Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu không
đƣợc cấp nguồn ở môi trƣờng có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn.
Các nhà sản xuất thƣờng khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48
giờ trƣớc khi cảm biến hoạt động chính thức hoặc hiệu chỉnh”cảm biến.
1.2.2. Các loại cảm biến đo khí NH3 trong thực tế


Hình 1.2. Cảm biến điện cực đo khí NH3
Điện cực đo khí amoniac NH 3 đƣợc dùng cho hệ thống phân tích chất lƣợng không
khí xung quanh - ETC 3000.

ETL 3000 là hệ thống thiết bị quan trắc môi trƣờng không khí
xung quanh dùng để đo các chất làm ô nhiễm không k hí ở dạng nồng độ phần tỷ
(ppb). Hệ thống này đƣợc dựa trên công nghệ mới về cảm biến màng rắn từ đó
cung cấp độ nhạy và độ chính xác cao.Kỹ thuật của cảm biến dựa vào các tế bào
điện hóa thông thƣờng. Thiết bị có khả năng đo: O 3, CO và NO2. Và các cảm biến
khác C6H6, CH4, SO2, H2S, NH3. Ngoài ra thiết bị còn có thể tích hợp để đo các chỉ
tiêu bụi tổng: TSP, PM10, PM2.5, PM1.0, tiếng ồn, và các thông số thời tiết nhƣ:
tốc độ gió, hƣớng gió, nhiệt độ, độ ẩm, lƣợng mƣa, áp suất, bức xạ...
Cảm biến công nghệ màng rắn là cảm biến dựa trên hiện tƣợng
dẫn điện xảy ra trên bề mặt chất bán dẫn nano oxid kim loại (có đƣờng kính
khoảng 30-50nm) tại khoảng nhiệt độ 200-400 C.
* Ƣu điểm:
- Hệ thống này đã tích hợp sẵn bộ datalogger (flash memory) đ ể lƣu
trữ dữ liệu và một modem GSM.
- Chi phí để bảo dƣỡng thấp, dễ dàng bảo trì và thay thế
- Khả năng tiêu thụ điện thấp, vì có thể sử dụng hoặc bình acqui hoặc
pin năng lƣợng mặt trời.

- Tuổi thọ cảm biến cao khoảng trung bình 5-10 năm
- Trọng lƣợng nhẹ, dễ dàng di chuyển.


Hình 1.3.Máy dò khí k60 series
*Ƣu điểm:
- Không thấm nƣớc và chống bụi thiết kế để làm việc bình
thƣờng trong môi trƣờng khắc nghiệt.
- Trọng lƣợng nhỏ thuận tiện cho sử dụng.
- Hoạt động đơn giản dễ dàng sử dụng.
- Tuổi thọ lâu.
Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật máy dò khí k60:

Cảm biến tuổi thọ:

2 yerars

điện áp hoạt động:

3V lithium pin

Hiển thị:

LCD hiển thị

Báo động buzzer:

75dB

Chế độ báo động:

âm quang báo động

Báo động lỗi:

& Le;& Plusmn; 3%

Vật liệu:

Abs, trƣợt silicone

Chống nổ lớp:

exdii CT3

Trọng lƣợng:

120g


Hình 1.4. Cảm biến điện hóa Dragersensor EC
*Ƣu điểm:
- Độ nhạy cao
- Độ chính xác cao.
- Tuổi thọ lớn.
- Các giới hạn phát hiện thấp.
- Chọn lọc tối ƣu.
- Đáp ứng nhanh.
- Phạm vi ứng dụng lớn

Hình 1.5. Máy dò khí rò rỉ GA-170
*Đặc điểm
- Tín hiệu báo nhận từ xa
- Có mật mã bảo vệ
- Có 4 cảm biến cho mỗi môđun điều khiển
- Giao diện than thiện với ngƣời dùng, dễ dàng cài đặt và vận hành


- Có thể dùng cho khí Cl2, SO2, NH3, H2S, O3, ClO2, H2, O2, NO, NO2, HCl
- Bao gồm 6 rơle báo động
- Màn hình LCD hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự
- Còi báo động 90dB và đèn LED cảnh báo nguy hiểm
- Pin dự bị tùy chọn, nguồn 12 giờ

Hình 1.6. Máy đo khí cầm tay
*Hãng sản xuất:
- Nhà sản xuất: BW-Honeywell
- Model: GasAlertMicro 5
- PN: M5-XWAY-R-P-D-Y-X-00
*Các khí đo đƣợc:
- O2; - COMBUSTIBLE GAS; - NH3; - CO, - H2S
*Dải đo:
- O2: 0-30% Vol
- LEL: 1-100%LEL
- NH3 :0-100ppm
- CO/H2S :0-500ppm


Hình 1.7. Cảm biến đo và giám sát nồng độ khí.


CHƢƠNG 2. LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO
2.1. Yêu cầu công nghệ thiết bị đo và giám sát khí nồng độ khí NH3
Theo yêu cầu thực tế và đặc điểm của nồng độ khí NH3, thì thiết bị đo
cần phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu sau:
- Dải đo: 1-100ppm NH3,
- Thiết bị phải có kích thƣớc nhỏ gọn, hiện thị trực tiếp nồng độ khí trên
LCD, ngoài ra có thể kết nối trực tiếp với máy tính để hiển thị và lƣu
trữ kết quả đo trên máy tính phục vụ cho công việc nghiên cứu
- Lƣu trữ , truyền và trao đổi số liệu với bộ nhớ của thiết bị và máy tính,
- Thiết bị có thể chạy nguồn điện lƣới hoặc pin.
Với các yêu cầu trên ta đƣa ra mô hình xây dựng thiết bị đo nhƣ hình 2.1:
Màn hình

LCD

Cảm biến

Chuẩn hóa
tín hiệu

Vi xử lý trung
tâm PSoC

Máy tính

Hình 2.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo
Cảm”biến khí MQ135 cảm nhận thông tin đo từ môi trƣờng đo, biến đại
lƣợng khí NH3 thành đại lƣợng điện, tín hiệu sau cảm biến đƣợc đƣa vào chuẩn
hóa tín hiệu (CHTH), các bộ CHTH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (thƣờng
là điện áp từ 0 đến 5V, hoặc dòng điện từ 4†20mA), . Tuy nhiên khi ta sử dụng
cảm biến MQ135 thì tín hiệu đầu ra của cảm biến đã đƣợc chuẩn hóa dƣới dạng
tín hiệu điện áp từ 0†5V, đƣa tín hiệu vào bộ vi xử lý trung tâm là PSOC. Bộ
ADC tích hợp sẵn trong vi xử lý trung tâm sẽ biến thành các tín hiệu số. Sau đó
tính toán xử lý tín hiệu và cho kết quả đo dƣới dạng nồng độ khí cần đo NH 3
(ppm). Kết quả đo này đƣợc đƣa hiển thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hay
ghi vào bộ”nhớ ngoài (SD).


Chức năng chính của thiết bị
- Cảm biến (Sensor): cần sử dụng cảm biến đo khí NH3.
- Về màn hình LCD: Cần hiển thị thời gian (giờ, ngày, tháng, năm) và giá trị
đo NH3 nên có thể sử dụng các màn hình đơn giản với 2x16 ký tự.
- Về khối lưu trữ: Để lƣu trữ số liệu đo và thời gian gian đo với tần số

1lần/phút ta cần dung lƣợng cho 1 lần ghi khoảng ~20 byte nên để lƣu trữ 1 năm số
liệu ta cần khoảng 10MB. Dung lƣợng này lớn hơn các bộ nhớ EEPROM thông
dụng nên ta có thể sử dụng các thẻ nhớ SD. Các thẻ này có khả năng lƣu trữ đƣợc
dữ liệu lớn (có thể dễ dàng tới 4GB), tốc độ truy cập cao… dùng để lƣu trữ dữ liệu
đo trong thời gian dài.
- Về máy tính: máy tính để đọc, lƣu trữ, giám sát dữ liệu đo thông qua giao
diện nên có thể sử dụng các máy tính cá nhân thông dụng.
- Khối đồng bộ thời gian: Chuyên dùng để đồng bộ các kết quả đo với hệ
thống, với các thiết bị khác với thời gian thực nên ta có thể sử dụng các IC thời
gian thực chuyên dụng.
- Vi xử lý trung tâm: Cũng do yêu cầu về tính nhỏ gọn, đa chức năng, kết nối
đƣợc với các ngoại vi đã nêu trên nên ta lựa chọn khối xử lý trung tâm là PSoC.
Dòng vi xử lý này có khả năng sử dụng các khối Analog và Digital với cấu hình
lập trình mềm linh hoạt trong tài nguyên của PSoC sẽ giúp giảm bớt gánh nặng
phần cứng phía bên ngoài vi xử lý. PSoC có thƣ viện hỗ trợ hầu hết các khối chức
năng quan trọng nhƣ ADC, giao tiếp SPI, giao tiếp UART, LCD...
- Khối nguồn cung cấp: từ 9-30VDC, 1A

2.2. Các khối chức năng
2.2.1. Cảm biến
Do MQ135 là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý của cảm biến
bán dẫn, có tính năng dễ sử dụng, giá thành rẻ, nên em đã chọn cảm biến này.


1. Cấu tạo cảm biến MQ135

Hình 2.2. Hình ảnh của cảm biến MQ135 đo nồng độ khí NH3
MQ135“là cảm biến khí do hãng Hanwei Sensor Đài Loan sản xuất,đƣợc
sử dụng để kiểm soát chất lƣợng không khí trong các tòa nhà, văn phòng, là loại
cảm biến dựa trên nguyên lý độ dẫn điện (cảm biến bán dẫn). Vật liệu của cảm

biến là thiếc oxit (SnO2) có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch. Khi khí cần
phát hiện là các khí dễ cháy tồn tại, độ dẫn điện của cảm biến tăng cùng với
nồng độ khí. Với mạch điện chuyển đổi đơn giản thực hiện việc chuyển đổi sự
thay đổi độ dẫn điện của cảm biến tƣơng ứng với nồng độ khí. Cảm biến khí
MQ135 có độ chính xác cao để phát hiện các khí”NH3, Nox, rƣợu, Benzen,
khói, CO2
- Đặc tính của cảm biến:
+ Khoảng đo rộng, phát hiện nhanh
+ Độ nhạy cao với NH3, Nox, benzen, khói và CO2
+ Tuổi thọ cao và chi phí thấp
+ Mạch điều khiển đơn giản
- Ứng dụng:
+ Phát hiện khí gas rò rỉ trong gia đình
+ Phát hiện các khí dễ cháy trong công nghiệp
+ Các máy phát hiện khí cầm tay


Hình 2.3. Cấu trúc cảm biến MQ135
1. Lớp nhạy khí vật liệu SnO2
2. Điện cực vật liệu Au
3. Dây điện cực vật liệu Pt
4. Cuộn gia nhiệt vật liệu hợp kim Ni-Cr
5. Ống gốm phủ Al2O3
6. Chống nổ bằng lƣới thép 100 không gỉ (SUS316)
7. Vòng kẹp bằng đồng mạ niken
8. Đế bằng nhựa bakelite
9. Chân nối bằng đồng mạ niken

Cấu trúc của cảm biến MQ135 đƣợc trình bày trên hình 2.2, cảm biến đƣợc tạo
bởi một lớp rất mỏng Al2O3 nhôm ô xít phủ trên ống gốm, lớp thiếc oxit nhạy

khí (SnO2), điện cực đo lƣờng và bộ gia nhiệt đƣợc cố định vào một lớp vỏ làm
bằng thép không gỉ và nhựa. Bộ gia nhiệt cung cấp điều kiện làm việc cần thiết
cho cảm biến. Cảm biến MQ-135 có 6 chân, trong đó 4 chân đƣợc dùng để lấy
tín hiệu, 2 chân còn lại sử dụng cho bộ sấy.
2. Thông số kỹ thuật và đặc tính của MQ 135


- Thông số làm việc tiêu chuẩn:
+ Điện áp mạch VC = 5V0.1 (AC hoặc DC)
+ Điện áp bộ gia nhiệt VH = 5V0.1 (AC hoặc DC)
+ Điện trở tải RL = 20K

+ Điện trở bộ gia nhiệt RH = 33 (điều kiện nhiệt độ phòng)
+ Công suất bộ gia nhiệt PH ≤ 800mW
- Điều kiện môi trƣờng:
+ Nhiệt độ sử dụng Tao từ -10C đến 45C
+ Nhiệt độ lƣu trữ Tas từ -20C đến 70C
+ Độ ẩm môi trƣờng nhỏ hơn 95%Rh
+ Nồng độ oxy là 21% (điều kiện chuẩn). Nồng độ oxy có thể ảnh hƣởng
đến độ nhạy của cảm biến.
- Đặc tính độ nhạy của cảm biến:
+ Điện trở cảm biến Rs từ 30K đến 200K (100ppm NH3)
+Độ dốc đặc tính  (200ppm/50ppm NH3) ≤ 0.65
+ Điều kiện tiêu chuẩn của cảm biến: nhiệt độ 20C  2C, độ ẩm 65% 
5%, điện áp VC=5V  0.1, điện áp VH=5V  0.1
+ Phát hiện các khí NH3, rƣợu trong phạm vi 10 đến 300ppm, benzen trong
phạm vi 10 đến 1000ppm.
+ Thời gian gia nhiệt 24h

- Các đƣờng đặc tính của MQ135:

Hình 2.4 cho ta thấy đặc tính độ nhạy điển hình của cảm biến MQ-135,
trục tung thể hiện tỷ số (Rs/R0) của cảm biến, hoành độ là nồng độ của các khí.
Rs là điện trở đối với các khí khác nhau, R0 là điện trở của cảm biến ở nồng độ
100ppm khí NH3. Tất cả các thử nghiệm đều ở điều kiện thử nghiệm: nhiệt độ
20C, độ ẩm 65%RH, nồng độ oxy 21%, RL =20K.


Hình 2.4. Đặc tính độ nhạy của cảm biến MQ135 đối với một số khí
Hình 2.5 cho thấy sự phụ thuộc của MQ-135 vào nhiệt độ và độ ẩm. Trục
tung thể hiện tỷ số (Rs/R0) của cảm biến, trục hoành thể hiện nhiệt độ môi
trƣờng. Rs là điện trở của cảm biến ở 100 ppm khí NH3 dƣới nhiệt độ và độ ẩm
khác nhau. R0 là điện trở của cảm biến trong không khí ở nồng độ 100ppm NH3,
nhiệt độ 20C, độ ẩm 33%RH.

Hình 2.5. Sự phụ thuộc của MQ135 vào nhiệt độ và độ ẩm


3. Mạch ứng dụng của MQ135

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch MQ135
Hình mạch nguyên lý cơ bản của cảm biến.”Cảm biến cần phải đƣợc cấp
2 điện áp, điện áp bộ sấy (VH) và điện áp cung cấp (VC). VH sử dụng để cung
cấp nhiệt độ làm việc của cảm biến, trong khi VC sử dụng để tạo điện áp (Vout)
trên điện trở tải (RL) khi nối tiếp với cảm biến. VC và VH có thể sử dụng cùng
một mạch nguồn để đảm bảo hiệu suất của cảm biến. Để sử dụng cảm biến với
hiệu suất tốt nhất, giá trị RL cần lựa chọn phù hợp nên chọn là 20K (dải điều
chỉnh từ 10K đến 47K)
Công suất của cảm biến: Ps=(VC)2 x Rs/(Rs+RL)2
Vì đặc tính của nhà sản xuất thiết bị cho Rs/Ro = f (ppm) dƣới dạng log, vì
vậy ta phải tính toán và vẽ lại đƣờng đặc tính dƣới dạng đƣờng cong Vout = f

(ppm), khi không xét đến sự ảnh hƣởng của các yếu tố nhiệt độ và độ ẩm, từ
hình 2.4, 2.5”ta có:

y  a x b

(2.1)

R
log10  s
 Ro

(2.2)




  a  log10  ppm   b


Rs
a
a
  ppm  10b  k   ppm 
Ro

 Rs  k  Ro   ppm 

a

(2.3)

(2.4)


Bằng phƣơng pháp: Từ đƣờng đặc tính Rs/R0 =f(ppm) của cảm biến trên
hình gióng trục ta có tọa độ tƣơng ứng nhƣ sau:
10 264,992
1183,687
0,1 102,342
Có 2 điểm A(0; 1,406); B(1; 1)
Từ 2 điểm ta có phƣơng trình

y  0, 406  x  1, 406

(2.5)

 a = -0,406 ; b = 1,406

Thay a, b vào phƣơng trình (2) ta có:
R 
log10  s   0, 406  log10  ppm   1, 406
 Ro 

(2.6)

Ta có:


 ppm 
y  log10 
  log10  ppm   1

 10 
 0.1 

 ppm 
x  log10 
  log10  ppm   1
 10 

R
 log10  s
 Ro

(2.7)
(2.8)


  1  0, 406  log10  ppm   1  1, 406


R 
 log10  s   0, 406  log10  ppm   0,812
 Ro 


Rs
0,406log10  ppm   0,812
 10
 ppm0,486  6, 486
Ro

 Rs  6, 486  Ro  ppm0,486

Ta có: Vout  f  Rs 

(2.9)
(2.10)

Có Vcc nt Rs nt RL
Vcc  U RL  U RS  I   RL  RS 

(2.11)

Vout  I  RL

(2.12)


Vcc   RL  RS  
 Vout 


Vout
RL

Vcc  RL
5  20

RL  RS 20  RS

100

100

20  RS 20  6, 486  Ro  ppm0,486

(2.13)
(2.14)

(2.15)

Ta có phƣơng trình đặc tính:
Vout 

100
20  6, 486  Ro  ppm0,486

(2.16)

4. Những điều cần chú ý khi sử dụng cảm biến MQ135
- Không đƣợc tiếp xúc với hơi silicon hữu cơ: hơi này làm cho cảm biến ngƣng
hoạt động, cảm biến phải tránh tiếp xúc với các chất kết dính silicon, cao su silic,
nhựa có chứa silicon.
- Không tiếp xúc với các khí ăn mòn cao: nếu cảm biến tiếp xúc với các khí
ăn mòn nồng độ cao nhƣ H2S, SOx, Cl2, HCl…dẫn đến ăn mòn cấu trúc của cảm
biến, nó cũng gây ra sự suy giảm độ nhạy
- Hiệu suất của cảm biến sẽ bị thay đổi nếu tiếp xúc với muối của các kiềm
loại kiềm hoặc tiếp xúc với các halogen nhƣ flo.
- Độ nhạy của cảm biến sẽ bị giảm khi bị phun hay nhúng nƣớc.
- Tránh đóng băng bề mặt của cảm biến, nếu không sẽ mất độ nhạy của cảm
biến
- Điện áp cung cấp cho cảm biến không đƣợc cao hơn giá trị quy định, nếu

không sẽ gây giảm hay hỏng bộ gia nhiệt và thay đổi xấu đặc tính độ nhạy của cảm
biến.
- Cấp điện áp sai: đối với 6 chân của cảm biến nếu điện áp cấp trên chân 1-3
hoặc 4-6 nó sẽ bị hỏng và không có tín hiệu khi cấp vào chân 2-4.
- Điều kiện trong nhà, ngƣng tụ nƣớc nhẹ sẽ ảnh hƣởng nhỏ đến hiệu suất của
cảm biến. Tuy nhiên nếu nƣớc ngƣng tụ trên bề mặt cảm biến một khoảng thời gian
nhất định độ nhạy cảm biến sẽ giảm.
- Nếu đặt cảm biến thời gian dài trong nồng độ khí quá cao sẽ ảnh hƣởng đến đặc
tính của cảm biến. Không tiếp xúc thời gian dài với môi trƣờng bất lợi


nhƣ nhiệt độ cao, độ ẩm cao, độ rung và chấn động lớn. Khi lƣu trữ và bảo quản
phải đúng cách. Hàn cảm biến tốt nhất là hàn bằng tay và nhiệt độ hàn tốc độ
hàn phải đạt yêu cầu: chất hàn chứa ít clo, tốc độ hàn 1-2 m/phút, nhiệt độ mối
hàn 25010C
2.2.2. Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực
Do trong phạm vi đồ án lần này yêu cầu của đề bài chỉ là hiện thị văn bản
thông thƣờng nên em lựa chọn màn hình LCD 16x2 của hãng Hitachi.

Hình 2.7. Màn hình LCD Hitachi
Bộ định thời gian thực có nhiệm vụ tạo cho thiết bị có khả năng lƣu trữ dữ
liệu theo thời gian thực, tác dụng hỗ trợ chẩn đoán và bảo trì thiết bị theo thời
gian sử dụng. Đồ án sử dụng chíp đồng hồ thời gian thực thông dụng DS1307,
giao tiếp đƣợc với vi xử lí qua chuẩn truyền thông I2C.

Hình 2.8. Chíp DS1307
2.2.3. Khối lƣu trữ MMC
Vi điều khiển PSoC có hỗ trợ chuẩn giao tiếp với thẻ nhớ MMC vì vậy vấn
đề kết nối có khả năng thực hiện dễ dàng. Dữ liệu đƣợc lƣu vào trong thẻ nhớ
MMC dƣới dạng FAT32 nên hoàn toàn có thể truy xuất dữ liệu bằng các thiết bị

khác hỗ trợ chuẩn FAT32.


Hình 2.9. Hình ảnh của thẻ nhớ MMC
2.2.4. Truyền thông máy tính
Chuẩn giao”tiếp truyền thông giữa thiết bị đo và máy tính đƣợc lựa chọn là
chuẩn giao tiếp USB.
Chuẩn USB có đặc điểm sử dụng 4 đƣờng tín hiệu trong đó có 2 đƣờng cấp
nguồn DC (VBUS -5V và GND), 2 đƣờng còn lại là một cặp tín hiệu vi sai (D +
và D -) cho phép truyền dữ liệu. Cặp dây tín hiệu này đƣợc nối xoắn ở bên trong
nên có khả năng chống nhiễu tốt.
Lƣu ý: cổng USB trên máy tính cho phép cấp nguồn nuôi ra bên ngoài với
dòng lên tới 500mA. Nhƣ vậy, các thiết bị sử dụng ít điện năng nhƣ chuột, thẻ
nhớ USB... đều có thể lấy trực tiếp nguồn từ cổng USB của máy tính mà không
cần dùng thêm”nguồn ngoài

Hình 2.10 Chuấn USB
Thiết bị”sẽ sử dụng một IC driver PL2302 để đồng bộ chuẩn UART đã
đƣợc tích hợp trên vi xử lý PSoC với chuẩn USB.
Đặc tính của PL2303HX:
- On-chip USB 1.1 thu phát và điều chỉnh 3.3V - 5V
- Hỗ trợ giao diện nối tiếp RS-232 với tốc độ truyền Programmable từ 75
bps đến 12 Mbps (Rev D)
- Hỗ trợ RS422 / RS485 (Rev D)