Nghiên cứu sơ đồ, đặc tính của cảm biến MQ 135 từ đó dùng vi điều khiển PSOC để thiết kế mạch đo

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................2
Chương 1. TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3...5
a. Loại màng dày (SnO2)...................................................................6
b. Loại màng mỏng (VO3).................................................................7
1.2.2. Các loại cảm biến đo khí NH3 trong thực tế..........................9
CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO.................15

2.2. Các khối chức năng...................................................................17
2.2.1. Cảm biến.................................................................................17
2.2.2. Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực..................25
2.2.3. Khối lưu trữ MMC.................................................................26
2.2.4. Truyền thông máy tính...........................................................27
2.2.5. Khối nguồn ổn áp...................................................................28
2.2.6. Khối xử lý trung tâm..............................................................29
1. Sơ lược về công nghệ PSoC.........................................................30
2. Một số đặc tính nổi bật của vi điều khiển PSoC........................30
3. Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập..................................30
3.1.1. Khối hiển thị...........................................................................34
3.1.2. Khối lưu trữ MMC.................................................................34
3.1.3. Truyền thông máy tính...........................................................35


USB (Universal Serial Bus) là là một chuẩn kết nối có dây trong máy tính.
USB sử dụng với mục đích là để kết nối các thiết bị (điện thoại, máy tính bảng,
máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính..........................35

3.1.4. Khối đồng bộ thời gian (Realtime)........................................37
3.1.5. Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo....................................38
3.1.6. Lưu đồ thuật toán...................................................................41

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................2
Chương 1. TỔNG QUAN THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ NH3...5
a. Loại màng dày (SnO2)...................................................................6
b. Loại màng mỏng (VO3).................................................................7
1.2.2. Các loại cảm biến đo khí NH3 trong thực tế..........................9
CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN LINH KIỆN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO.................15

2.2. Các khối chức năng...................................................................17
2.2.1. Cảm biến.................................................................................17
2.2.2. Khối hiển thị kết quả và bộ định thời gian thực..................25
2.2.3. Khối lưu trữ MMC.................................................................26
2.2.4. Truyền thông máy tính...........................................................27
2.2.5. Khối nguồn ổn áp...................................................................28
2.2.6. Khối xử lý trung tâm..............................................................29
1. Sơ lược về công nghệ PSoC.........................................................30
2. Một số đặc tính nổi bật của vi điều khiển PSoC........................30


3. Các khối lập trình cho phép bạn thiết lập..................................30
3.1.1. Khối hiển thị...........................................................................34
3.1.2. Khối lưu trữ MMC.................................................................34
3.1.3. Truyền thông máy tính...........................................................35
USB (Universal Serial Bus) là là một chuẩn kết nối có dây trong máy tính.
USB sử dụng với mục đích là để kết nối các thiết bị (điện thoại, máy tính bảng,
máy chụp ảnh, máy quay phim, máy nghe nhạc) với máy tính..........................35

3.1.4. Khối đồng bộ thời gian (Realtime)........................................37
3.1.5. Khối xử lý trung tâm của thiết bị đo....................................38

3.1.6. Lưu đồ thuật toán...................................................................41


LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay đang có xu hướng ngày càng nghiêm trọng
ở nước ta cũng như trên toàn thế giới. Trong các khí có trong tự nhiên thì NH3 là
một khí quan trọng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường cũng như sức
khỏe con người nếu như nồng độ khí này vượt quá mức cho phép.
Hầu hết các thiết bị đo khí NH3 trên thị trường 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 tượng 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. Phương 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, lưu 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


Chương 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 trường làm việc và cuộc sống hàng ngày; con người 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 người; trong đó nhiễm độc khí
amoniac (NH3) ít khi được để ý và phòng tránh. Nếu như không được phát hiện
và xử lí đúng lúc, kịp thời, nạn nhân sẽ bị những di chứng và ảnh hưởng nghiêm
trọng có khả thể tử vong nếu tiếp xúc với nồng độ vượt quá định mức cho phép.
Các nhà khoa học cho rằng nồng độ khí amoniac có trong không khí ở
môi trường sống xung quanh được phép là 0,2 mg/m 3, nếu vượt quá mực độ này
khí NH3 có khả năng làm cho con người bị nhiễm độc, rất nguy hiểm. Đặc thù
khí NH3 có khả năng tan dễ ở trong nước thường để thành dung dịch có đặc tính
kiềm mạnh được gọi là amoni hydroxit (NH 4OH) có khả năng gây kích ứng,
bỏng. Khí này cũng có khả năng bị nén dễ dàng dưới áp suất để tạo thành dung
dịch trong suốt, không màu. Ở nhiệt độ cao trong khoảng 450 oC tới 500oC và ở
nhiệt độ thấp trong hoàn cảnh có sự hiện diện của các kim loại như 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% lượng khí NH 3 được dùng
để tạo ra phân bón. Song song với đó chúng còn được dùng để làm lạnh khí, tinh
khiết nước; làm ra nhựa, thuốc nổ, vải, thuốc nhuộm màu và các loại hóa chất
khác. Bên cạnh đó, khí NH3 còn được 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 trường
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 được sử dụng rộng rãi hơn cả, bời độ
chính xác cao, giá thành rẻ và tính năng hiệu quả sử dụng có nhiều ưu 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 nhưng
trong điều kiện có khi độc và nhiệt độ làm việc chuẩn thì tính dẫn điện của màng
bán dẫn tang. Chất lương 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 hưởng nhiều bởi các yếu tố môi trường như 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 được sử dụng nhiều nhất (làm từ ô-xít kim loại):
Loại 1 là cảm biến màng mỏng được làm từ VO 3 (Tri-ô-xít Vonfam), được 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
thường được dùng để phát hiện sự thay đổi lớn lượng khí độc và khí cháy.
a. Loại màng dày (SnO2)
Loại này thường được 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 được 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 được tuyến tính hoá. Cảm biến loại này dễ bị ảnh hưởng bởi độ

ẩm và ô-xy. Với một lượng 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
thường được phục hồi”trở lại
b. Loại màng mỏng (VO3)
Loại này được 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 được gắn vào giữa các điện
cực. Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp.
Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một
trường điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí H 2S, 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 hưởng tới cảm biến bán dẫn
Có 6 yếu tố chính ảnh hưởng đến đặc tính cảm biến mà người 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 hưởng đến toàn bộ đặc
tính của cảm biến bán dẫn. Thông thường 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 hưởng rất nhiều đến đường 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
trường xung quanh, từ đó đường đặc tính tín hiệu mới được 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 được nồng độ khí.Với lượng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu
xung quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải được lựa chọn kỹ càng.
Khả năng hấp thụ khí độc của nước là rất mạnh, nước ngưng 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 lượng đủ cho cảm biến làm việc để
hạn chế ảnh hưởng của độ ẩm và ngăn chặn nước ngưng tụ và bộ phận chống
lửa của cảm biến.
(4) độ”ẩm
(5) nhiệt độ môi trường
(6) quá trình hoạt động của cảm biến.


Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu không
được cấp nguồn ở môi trường có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn.
Các nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48
giờ trước 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


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

Hình 1.3.Máy dò khí k60 series


Hình 1.4. Cảm biến điện hóa Dragersensor EC

Hình 1.5. Máy dò khí rò rỉ GA-170


Hình 1.6. Máy đo khí cầm tay


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


CHƯƠNG 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 NH 3, thì thiết bị đo
cần phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Dải đo: 1-100ppm NH3,
- Thiết bị phải có kích thước 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
lưu trữ kết quả đo trên máy tính phục vụ cho công việc nghiên cứu
- Lưu trữ , truyền và trao đổi số liệu với bộ nhớ của thiết bị và máy
tính,
- Thiết bị có thể chạy nguồn điện lưới hoặc pin.
Với các yêu cầu trên ta đưa ra mô hình xây dựng thiết bị đo như hình 2.1:

Hình 2.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo
Cảm”biến khí MQ135 cảm nhận thông tin đo từ môi trường đo, biến đại
lượng khí NH3 thành đại lượng điện, tín hiệu sau cảm biến được đưa vào chuẩn
hóa tín hiệu (CHTH), các bộ CHTH làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn (thường
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 được chuẩn hóa dưới dạng
tín hiệu điện áp từ 0÷5V, đưa 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 dưới dạng nồng độ khí cần đo NH 3
(ppm). Kết quả đo này được đưa hiển thị trực tiếp trên LCD, truyền lên PC, hay
ghi vào bộ”nhớ ngoài (SD).



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,được
sử dụng để kiểm soát chất lượng 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 tương ứng với nồng độ khí. Cảm biến khí
MQ135 có độ chính xác cao để phát hiện các khí”NH3, Nox, rượu, Benzen,
khói, CO2


Hình 2.3. Cấu trúc cảm biến MQ135

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

khí (SnO2), điện cực đo lường và bộ gia nhiệt được 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 được 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


- Các đường 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, R 0 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 =20KΩ.


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
trường. Rs là điện trở của cảm biến ở 100 ppm khí NH 3 dưới 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 được 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 V C 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 20KΩ (dải điều chỉnh
từ 10KΩ đến 47KΩ)
Công suất của cảm biến: Ps=(VC)2 x Rs/(Rs+RL)2
Vì đặc tính của nhà sản xuất thiết bị cho R s/Ro = f (ppm) dưới dạng log, vì
vậy ta phải tính toán và vẽ lại đường đặc tính dưới dạng đường cong Vout = f
(ppm), khi không xét đến sự ảnh hưởng 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 ÷ = a × log10 ( ppm ) + b
 Ro 

(2.2)

⇔

Rs
a
a
= ( ppm ) ×10b = k × ( ppm )
Ro

⇔ Rs = k × Ro × ( ppm )

a

(2.3)
(2.4)


Bằng phương pháp: Từ đường đặc tính Rs/R0 =f(ppm) của cảm biến trên
hình gióng trục ta có tọa độ tương ứng như 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 phương trình

y = −0, 406 × x + 1, 406

(2.5)

⇒ a = -0,406 ; b = 1,406

Thay a, b vào phương 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


÷+ 1 = −0, 406 × log10 ( ppm ) − 1 + 1, 406


R
⇒ log10  s
 Ro


÷ = −0, 406 × log10 ( ppm ) + 0,812


⇒

(2.7)

(2.8)

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 )
Có Vcc nt Rs nt RL

(2.9)
(2.10)


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 phương trình đặc tính:
Vout =

100
20 + 6, 486 × Ro × ppm −0,486

4. Những điều cần chú ý khi sử dụng cảm biến MQ135

(2.16)


như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, độ rung và chấn động lớn. Khi lưu 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 thường nên em lựa chọn màn hình LCD 16x2 của hãng Hitachi.