Luận văn Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trường nước

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2017
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- VI VĂN HOÀNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ ĐO ĐẠC VÀ CẢNH BÁO Ô NHIỄM MÔI TRƢỜNG NƢỚC Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 60440105 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM VĂN THÀNH HÀ NỘI - 2017
3. LỜI CẢM ƠN Luận văn này đƣợc hoàn thành tại Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử - Khoa Vật lý –Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội trong chƣơng tình đào tạo thạc sĩ khoa học của nhà trƣờng, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học trực tiếp của TS. Phạm Văn Thành. Trƣớc hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.Phạm Văn Thành, ngƣời thầy đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô trong Bộ môn Vật lý Vô tuyến và Điện tử cũng nhƣ các thầy cô trong Khoa Vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình rèn luyện và học tập tại Khoa Vật lý. Tôi xin cảm ơn các bạn cùng lớp, các bạn sinh viên cùng khoa đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và ngƣời thân đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Nghiên cứu này đƣợc tài trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội trong đề tài mã số QG.18.17 Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Vi Văn Hoàng i
4. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................. i DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .................................................................. iv BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT ................................................................................. vii LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................................... 2 1.1. Nƣớc và tầm quan trọng của nƣớc ........................................................................ 2 1.2. Các thông số đánh giá chất lƣợng nƣớc ................................................................ 3 1.2.1. Thông số độ đục của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 3 1.2.2. Thông số pH của môi trƣờng nƣớc ................................................................ 5 1.2.3. Thông số nhiệt độ của môi trƣờng nƣớc và các thang đo nhiệt độ ................ 5 1.2.4. Thông số độ dẫn của môi trƣờng nƣớc .......................................................... 6 1.3. Giới thiệu cảm biến ............................................................................................... 8 1.4. Các phƣơng pháp đo các thông số trong môi trƣờng nƣớc ................................... 9 1.4.1. Các mẫu thiết kế cảm biến đo độ đục ............................................................ 9 1.4.2. Đo pH bằng phƣơng pháp điện cực màng thủy tinh .................................... 10 1.4.3. Cảm biến đo nhiệt độ ................................................................................... 10 1.4.4. Phƣơng pháp đo độ dẫn điện bằng điện cực tiếp xúc .................................. 14 CHƢƠNG 2. NGUYÊN LÝ ĐO CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ VI XỬ LÝ ATMEGA 16 ................................................................................................................ 16 2.1. Cảm biến độ đục .................................................................................................. 16 2.1.1. Lý thuyết tán xạ ánh sáng ............................................................................ 16 2.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo độ đục ............................................. 17 2.2. Cảm biến pH ....................................................................................................... 19 2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH .................................................................... 19 2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH ................................................... 20 2.3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến DS18B20 .................................................... 21 2.4. Cảm biến độ dẫn .................................................................................................. 24 2.4.1. Hằng số tế bào .............................................................................................. 25 2.4.2. Tế bào dẫn 2 điện cực. ................................................................................. 25 2.4.3. Tế bào dẫn 4 điện cực .................................................................................. 26 2.5. Bộ chuyển đổi Tƣơng tự - Số (ADC) .................................................................. 26 ii
5. 2.6. Lý thuyết vi điều khiển ....................................................................................... 27 2.6.1. Khái niệm vi điều khiển ............................................................................... 27 2.6.2. Họ vi điều khiển AVR ................................................................................. 28 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ............................................ 32 3.1. Hệ thống tích hợp đo 4 thông số môi trƣờng nƣớc (độ dẫn, độ đục, pH, nhiệt độ ). ............................................................................................................................. 32 3.2. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ đục ............................................................. 34 3.2.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 34 3.2.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 36 3.2.3. Kết quả thực nghiệm căn chỉnh hệ đo .......................................................... 38 3.3. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo pH ................................................................... 39 3.3.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 39 3.3.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 39 3.3.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ................................................................ 40 3.4. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo nhiệt độ ........................................................... 41 3.4.1. Chuẩn bị mẫu ............................................................................................... 41 3.4.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 42 3.4.3. Kết quả và nhận xét ..................................................................................... 43 3.5. Nghiên cứu thiết kế hệ thống đo độ dẫn ............................................................. 44 3.5.1. Chuẩn bị mẫu đo .......................................................................................... 44 3.5.2. Sơ đồ thiết lập hệ đo .................................................................................... 44 3.5.3. Kết quả thực nghiệm và nhận xét ................................................................ 45 3.6. Đo mẫu chất lỏng trong thực tế ........................................................................... 46 3.7. Chức năng cảnh báo khi có thông số vƣợt chuẩn. .............................................. 48 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 51 iii
6. DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU HÌNH VẼ Hình 1: Nguồn nƣớc trên trái đất ................................................................................... 3 Hình 2: Hình ảnh minh họa cho độ đục của dung dịch .................................................. 4 Hình 3: Thang đo pH từ 0 đến 14 [8]. ............................................................................ 5 Hình 4: Các mẫu thiết kế đục kế phổ biến: (a) một chùm tia; (b) tỷ lệ; (c) điều chế 4 chùm tia. ......................................................................................................................... 9 Hình 5: Điện cực màng thủy tinh [27] Hình 6: Điện cực chuẩn [27] ....................... 10 Hình 7: Cảm biến kép (điện cực kết hợp) [27] ............................................................. 10 Hình 8: Hình ảnh minh họa cho cảm biến nhiệt bán dẫn ............................................. 11 Hình 9: Tiếp giáp P – N ................................................................................................ 11 Hình 10: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch bán dẫn ........................................... 11 Hình 11: Cảm biến nhiệt DS18B20 dùng để đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ....... 12 Hình 12: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt DS18B20 ..................................................... 13 Hình 13: Sơ đồ kết nối 1 cảm biến nhiệt DS18B20 và vi xử lý ................................... 13 Hình 14: Sơ đồ kết nối DS18B20, vi xử lý với các thiết bị 1- wire khác. ................... 14 Hình 15: Sự dịch chuyển của ion trong dung dịch ....................................................... 14 Hình 16: Kích thƣớc lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0 [10]. .................... 15 Hình 17: Kích thƣớc hạt nhỏ 1/10 bƣớc sóng ánh sáng ............................................... 16 Hình 18: Kích thƣớc hạt gần bằng 1/4 bƣớc sóng ánh sáng ........................................ 16 Hình 19: Kích thƣớc hạt lớn hơn bƣớc sóng ánh sáng ................................................. 17 Hình 20: Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 18 Hình 21: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [27] ............................................. 19 Hình 22: Điện cực pH [33] ........................................................................................... 21 Hình 23: Hàm chuyển đổi của điện cực pH [33].Hình 24: Thang pH và giá trị điện thế [33]. ......................................................................................................................... 21 Hình 25: Bộ ghép nối nhiều cảm biến DS18B20 ......................................................... 22 Hình 26: Nguyên lý hoạt động của chuẩn giao tiếp 1 dây (1-wire) ............................. 23 Hình 27: Hằng số tế bào [28] ....................................................................................... 25 Hình 28: Sơ đồ của tế bào dẫn 2 điện cực [28] ............................................................ 25 Hình 29: Sơ đồ đơn giản của tế bào dẫn 4 điện cực [28] ............................................. 26 Hình 30: Sơ khối của bộ chuyển đổi tƣơng tự - số (ADC) .......................................... 27 Hình 31: Hình ảnh thực tế của bộ KIT AVR V4 ......................................................... 29 Hình 32: Hình ảnh thực tế Module Sim800c ............................................................... 31 Hình 33: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục, pH, nhiệt độ, độ dẫn ............................ 32 Hình 34: Hình ảnh thực tế của hệ thống đo đa thông số môi trƣờng nƣớc .................. 33 Hình 35: Hình ảnh các loại cảm biến ........................................................................... 34 Hình 36: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 10 NTU (0; 1; 2; 4; 6; 8; 10 NTU) ......... 35 iv
7. Hình 37: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 100 NTU (0; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100 NTU) ...................................................................................................................... 35 Hình 38: Dung dịch có độ đục chuẩn từ 0 – 1000 NTU (0; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 NTU) ........................................................................................... 35 Hình 39: Sơ đồ khối của hệ thống đo độ đục ............................................................... 36 Hình 40: Sơ đồ nguyên lý của cảm biến đo độ đục ...................................................... 36 Hình 41: Quang phổ của IR-LED [36] ......................................................................... 37 Hình 42: Sơ đồ khối chức năng của cảm biến màu TCS 3200 [39] ............................. 37 Hình 43: Đồ thị sự phụ thuộc của tần số đầu ra vào độ đục của dung dịch: (a) 0 – 10 NTU; (b) 10 – 100 NTU; (c) 100 – 100 NTU .............................................................. 38 Hình 44: Dung dịch chuẩn pH ...................................................................................... 39 Hình 45: Sơ đồ khối của hệ thống đo pH ..................................................................... 40 Hình 46: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại điện cực pH ............................................ 40 Hình 47: Đồ thị sự phụ thuộc của điện áp vào giá trị pH của dung dịch ..................... 41 Hình 48: Sơ đồ khối của hệ đo nhiệt độ trong môi trƣờng nƣớc ................................. 42 Hình 49: Thiết bị đo nhiệt độ Fox 2005 ....................................................................... 42 Hình 50: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình tăng nhiệt độ của nƣớc ............................ 43 Hình 51: Nhiệt độ đo đƣợc trong quá trình giảm nhiệt độ của nƣớc ........................... 43 Hình 52: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 0 – 80 ppm (0; 2; 4; 6; 8; 10; 20; 40; 60; 80 ppm). ........................................................................................................................ 44 Hình 53: Dung dịch có nồng độ chuẩn từ 100 – 2000 ppm (100; 200; 400; 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000 ppm). ......................................................... 44 Hình 54: Sơ đồ khối của hệ thống đo TDS .................................................................. 44 Hình 55: Đồ thị biểu diễn gá trị độ dẫn hệ đo đƣợc so với dung dịch có nồng độ chuẩn. ............................................................................................................................ 45 Hình 56: Hệ cảm biến đo nƣớc chứa trong ống PVC .................................................. 46 Hình 57: Số liệu đo đạc đƣợc tải lên trang web thingspeak.com. ................................ 46 Hình 58: Khu vực lấy mẫu chất lỏng tại Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm..................... 47 Hình 59: Mẫu chất lỏng lấy tại khu vực Sông Tô Lịch và Hồ linh Đàm ..................... 47 Hình 60: Tin nhắn cảnh báo gửi tới số điện thoại di động khi một hoặc nhiều thông số vƣợt chuẩn. ............................................................................................................... 49 v
8. BẢNG BIỂU Bảng 1a: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (0; 2; 4; 8; 10) ........... 39 Bảng 1b: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (30; 50; 70; 80; 100) . 39 Bảng 1c: Bảng so sánh giá trị độ đục chuẩn và giá trị đo đƣợc (300; 600; 700; 800; 900) ............................................................................................................................... 39 Bảng 2: Biểu diễn giá trị pH chuẩn và giá trị pH hệ chế tạo đo đƣợc và hiển thị lên màn hiển thị LCD. ........................................................................................................ 41 Bảng 3: Bảng so sánh giá trị dung dịch có nồng độ chuẩn và độ dẫn hiển thị ........... 45 Bảng 4: Bảng số liệu đo độ đục, độ dẫn, pH ................................................................ 48 vi
9. BẢNG CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT AC: Alternating Current ADC: Analog-to-digital converter ALU: Arithmetic Logic Unit AWWA: American Water Works Association BOD: Biochemical Oxygen Demand CISC: Complex Intruction Set Computer COD: Chemical Oxygen Demand CPU: Central Processing Unit CRC: cyclic redundancy check DC: Direct Current; DO: Dissolved Oxygen DS: Dissolved Solids EC: Electrical Conductivity I/O: Input/Output LCD: Liquid Crystal Display LSB: Least Significant Bit MSB: Most Si Significant Bit NTU: Nephelometric Turbidity Units PC: Counter process RISC: Reduced Intructionset Computer SMS: Short Message Services SRAM: Static Random Acess Memory SS: Suspended Solids TDS: Total Dissolved Solids TSS: Total Suspened Soids TS: Total Solids vii
10. LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc là một nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quan trọng đối với con ngƣời,sinh vật. Ngoài những ứng dụng của nó trong đời sống sinh hoạt thƣờng ngày, nƣớccòn có ý nghĩa rất to lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: giao thông, xây dựng, y tế, sản xuất Theo hiến chƣơng châu Âu về nƣớc đã định nghĩa: "Ô nhiễm nƣớc là sự biến đổi nói chung do con ngƣời đối với chất lƣợng nƣớc, làm nhiễm bẩn nƣớc và gây nguy hiểm cho con ngƣời, cho công nghiệp, nông nghiệp, cho động vật nuôi và các loài hoang dã". Hiện nay ô nhiễm nguồn nƣớc là một vấn đề rất cấp bách mà con ngƣời đang phải đối mặt. Do vậy việc tìm ra nguyên nhân và biện pháp ngăn chặn việc ô nhiễm nguồn nƣớc đang đƣợc rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Đã có rất nhiều công trìnhnghiên cứu và các dựán ứng dụng khoa học giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nƣớc và xử lý nƣớc thải ra đời. Trong đó, đề tài nghiên cứu hệ đo đạc các thông số của môi trƣờng nƣớc bao gồm độ đục, độ màu, pH, độ dẫn, nhiệt độ, nhằm mục đíchtheo dõi, đánh giá và kiểm soát chất lƣợng nƣớc là một đề tài quan trọng trong việc đánh giá và bảo vệ nguồn nƣớc. Vì vậy, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo hệ đo đạc và cảnh báo ô nhiễm môi trƣờng nƣớc” làm đề tài bảo vệ luận văn thạc sĩ của mình. Luận văn tập trung nghiên cứu về các thông số của nƣớc nhƣ: Độ đục, độ dẫn, pH, nhiệt độ.Sau đó tìm hiểu nghiên cứu chế tạo các hệ đo các thông số này trong môi trƣờng nƣớc và kết nối với Module truyền thông (Module Sim800c) để truyền dữ liệu lên Internet.Đặc biệt hệ thống có khả năng gửi tin nhắn cảnh báo tới một số điện thoại khi có một hoặc nhiều thông số vƣợt chuẩn. Nội dung chính của luận văn gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Nguyên lý đo các loại cảm biến và vi xử lý ATmega 16 Chƣơng 3: Thiết kế hệ đo đạc và khảo sát hệ thống 1