- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Thiết kế thiết bị đo nồng độ NH3 cho các trang trại chăn nuôi sử dụng vi điều khiển AVR
Xem mẫu
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Thiết kế thiết bị đo nồng độ NH3 cho các trang trại
chăn nuôi sử dụng vi điều khiển AVR
Designing the AVR control - using NH3 - level measuring devices
for livestock facilities
Phạm Đức Khẩn1, Vũ Thị Lương1, Nguyễn Huy Hoàn2
Email: phamduckhan@gmail.com
Trường Đại học Sao Đỏ
1
2
Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp - Giáo dục thường xuyên Tứ Kỳ, Hải Dương
Ngày nhận bài: 7/12/2020
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 19/3/2020
Ngày chấp nhận đăng: 30/3/2020
Tóm tắt
Trong quá trình chăn nuôi gia súc và gia cầm, quá trình lưu trữ và sử dụng chất thải tạo nên nhiều chất
độc như là SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, NO3-, NO2-, indole, schatole, mecaptan, phenole... và các vi sinh vật
có hại như Enterobacteriacea, E.coli, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella... hay các ký sinh trùng có
khả năng lây bệnh cho người. Các yếu tố này có thể làm ô nhiễm khí quyển, nguồn nước, thông qua các
quá trình lan truyền độc tố và nguồn gây bệnh hay quá trình sử dụng các sản phẩm chăn nuôi.
Mục đích của bài báo này là thiết kế thiết bị đo nồng độ NH3 cho các trang trại chăn nuôi sử dụng vi điều
khiển AVR. Thông qua các kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị đo nồng độ khí NH3 dùng cảm biến
MQ135 hoạt động ổn định, có khả năng hiển thị kết quả trên LCD và trên máy tính.
Từ khóa: Nồng độ khí NH3; cảm biến MQ135; phát thải khí nhà kính; Matlab/simulink; nông trại.
Abstract
In the process of raising cattle and poultry, the storage and usage of their waste creates many toxins such as
SO2, NH3, CO2, H2S, CH4, NO3-, NO2-, indole, schatole, mecaptan, phenole... and harmful microorganisms
such as Enterobacteriacea, E.coli, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella... or parasites that can infect
humans. These factors can contaminate the atmosphere, water sources, through the process of spreading
toxins and pathogens or the use of livestock products.
The purpose of this paper is to design the AVR microcontroller-using NH3 concentration meter for livestock
farms. The experimental results show that the NH3 gas concentration meter using the MQ135 sensor
works stably, capable of displaying the results on the LCD and on the computer.
Keywords: NH3 gas concentration meter; MQ135 sensor; greenhouse gas emissions; Matlab/simulink; farm.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ người [1, 2], [7 - 9]. Do vậy, việc khử mùi cho các
trang trại chăn nuôi là rất cần thiết. Phương pháp
Hiện nay chăn nuôi truyền thống đang phải đối mặt
phun sương dung dịch chất oxy hóa SOS (Super
với một vấn đề rất nan giải đó là sự gây ra ô nhiễm
Oxidized Solution) là một trong các biện pháp để xử
nghiêm trọng môi trường nước và không khí. Sự ô
lý NH3 trong không khí chuồng nuôi lợn [7]. Tài liệu
nhiễm đã tạo ra mùi hôi và khí độc ảnh hưởng đến
[9] đã nghiên cứu đặc tính của cảm biến MQ135 và
sức khỏe của gia cầm và đặc biệt là con người.
ứng dụng mô phỏng trên Matlab đặc tính của cảm
Do xử lý chất thải không tốt, bởi không có dụng cụ
biến MQ135, xây dựng mạch đo lựa chọn vi xử lý
đo kiểm soát môi trường khí thường xuyên, nên
trung tâm và sử dụng công nghệ ARM (viết tắt từ
khí NH3 và H2S, độc phát tán, gây bệnh đường hô
tên gốc là Acorn RISC Machine) là STM32F101.
hấp cho vật nuôi đặc biệt là gây nguy hiểm cho con
Cấu trúc ARM là một loại cấu trúc vi xử lý 32-bit.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Thân Ngọc Hoàn Trong bài báo này tác giả trình bày nguyên lý chung
2. TS. Nguyễn Trọng Các của các phương pháp đo nồng độ khí và tìm hiểu
18 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
được cấu trúc các thông số cơ bản một số loại cảm - Điện áp của bộ nung: 5V ± 0,1AC/DC;
biến đo nồng độ khí trong thực tế như CTX 300 đo
- Điện trở tải: Thay đổi được (2 kΩ - 47 kΩ);
khí NO2 và CO; MQ6 đo khí mê tan, MQ7 đo khí CO
trong gia đình, trong công nghiệp hoặc trên xe ôtô; - Điện trở của bộ nung: 33 Ω ± 5%;
MQ135 đo khí độc như: NOx, NH3, CO,... - Khoảng phát hiện đến 300 ppm NH3.
Khí NH3 do các chất thải của vật nuôi gây ra là một Sơ đồ kết nối làm việc của cảm biến được thể hiện
trong những tác nhân chính gây mùi và ô nhiễm trong hình 2.
trong khu vực chuồng trại. Một số bệnh mà con
vật có thể mắc phải khi nồng độ khí NH3 quá cao
trong không khí như bệnh viêm phổi… Vì vậy, để đo
đạc được nồng độ khí NH3 trong khu vực chuồng
trại. Tác giả sẽ chọn cảm biến MQ135 để thiết kế
hệ thống xử lý mùi trong trang trại thông minh với
những ưu điểm:
- Cảm biến này có khả năng cảm biến được các
loại khí như NH3, benzen, alcohol, trong đó, dải đo Hình 2. Sơ đồ kết nối của cảm biến MQ135
nồng độ khí NH3 từ 10 - 300 ppm.
Cảm biến cần phải được cấp 2 nguồn điện áp: điện
- Độ nhạy tốt đối với các khí độc hại trong dải rộng. áp bộ nung (VH) và điện áp cung cấp (VC). Nguồn
- Độ nhạy cao với khí amoniac, khí sunfua và khí VH sử dụng để cung cấp nhiệt độ làm việc của cảm
benzen. biến, trong khi nguồn VC sử dụng để tạo điện áp
- Độ bền cao và chi phí thấp. (Vout) trên điện trở tải (RL) khi nối tiếp với cảm biến.
Hai nguồn VC và VH có thể sử dụng cùng một mạch
- Mạch điện điều khiển đơn giản. nguồn để đảm bảo hiệu suất của cảm biến. Để sử
dụng cảm biến với hiệu suất tốt nhất, giá trị RL cần
2. THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NH3
lựa chọn phù hợp nên chọn là 20 kΩ (dải điều chỉnh
2.1 Cảm biến MQ135 từ 10 ÷ 47 kΩ) [9].
MQ135 là cảm biến khí do hãng Hanwei Sensor Công suất của cảm biến:
Đài Loan (Trung Quốc) sản xuất là loại cảm biến $!
𝑃𝑃! = 𝑉𝑉"# (1)
dựa trên nguyên lý độ dẫn điện (cảm biến bán dẫn). ($! &$" )#
Vật liệu của cảm biến là thiếc oxit (SnO2) có độ dẫn Điện trở của cảm biến:
điện thấp trong không khí sạch. Cảm biến có hình
𝑉𝑉" (2)
dạng như hình 1. 𝑅𝑅! = # − 1' ∙ 𝑅𝑅&
𝑉𝑉#$%
Đặc tính đầu ra Vout = f(ppm) của cảm biến mô phỏng
được như hình 3 [9].
Hình 1. Sensor MQ135
Cảm biến MQ135 có 6 chân trong đó có 4 chân
là tín hiệu và 2 chân là sợi đốt. Khi cảm biến phát
hiện có khí, điện trở của lớp oxit thiếc giảm xuống
tỉ lệ với nồng độ khí. Loại cảm biến này chủ yếu sử
dụng đo khí độc như: NO2, NH3, CO,... Cảm biến
Hình 3. Đặc tính đầu ra Vout = f(ppm)
này chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm nên khi
của cảm biến MQ135
khảo sát, với mỗi giá trị đo được phải xác định nhiệt
độ và độ ẩm của môi trường tương ứng. Ở điều Bài toán áp dụng trong nghiên cứu này là hệ thống
kiện nhiệt độ, độ ẩm khác nhau điện trở của cảm quạt thông gió đặt ở cuối trang trại và được đánh
biến cũng nhận giá trị khác nhau. số lần lượt. Trong trang trại luôn có 5 quạt hoạt
động, hệ thống đo nồng độ khí đo và hiển thị nồng
Thông số kỹ thuật của MQ135 [9]: độ khí lên màn hình LCD. Nếu nồng độ khí NH3 lớn
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 19
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
hơn giá trị cho phép là 10 ppm, quạt thông gió
thứ 6 sẽ được bật và nếu nồng độ NH3 vẫn tiếp
tục tăng thì quạt thông gió tiếp theo sẽ được bật.
Nếu nồng độ NH3 giảm thì quạt sẽ được tắt để
tiết kiệm năng lượng.
Trang trại được thiết kế theo kiểu chuồng kín
với diện tích lớn, có khả năng nuôi được khoảng
20.000 con gà.
Hình 6. Sơ đồ mạch hiển thị LCD
Để đo nồng độ khí NH3 trong các trang trại thông d. Mạch công suất
thường người ta đo ở các vị trí: 4 góc và giữa
chuồng đối với chuồng hở và đo ở 4 điểm thoát khí
và giữa chuồng đối với chuồng kín. Mỗi tháng đo 3
đợt, mỗi đợt đo 3 ngày liên tiếp, thời điểm đo: 6h,
12h, 18h, 23h [3-6].
2.2. Thiết kế thiết bị đo NH3 dùng MQ135
a. Khối senser
Cảm biến MQ135 là loại cảm biến khí có độ nhạy
cao với khí NH3 nên được dùng để phát hiện khí Hình 7. Sơ đồ mạch công suất
NH3. Cảm biến có hình dạng như hình 1. e. Khối xử lý trung tâm và các thiết bị
Mạch điều khiển trung tâm được thực hiện bởi IC
Atemega AVR.
Các bộ vi điều khiển 8 bit hoạt động đơn giản, rất
phổ biến, khả năng đơn giản hóa một mạch kỹ
thuật số, chi phí thấp so với các tính năng được
cung cấp, thêm vào nhiều tính năng mới trong một
IC duy nhất, gần như chúng ta không cần mắc
thêm bất kỳ một linh kiện phụ nào khi sử dụng AVR,
thậm chí không cần nguồn tạo xung clock cho chip
Hình 4. Sơ đồ chân module cảm biến MQ135
(thường là khối thạch anh), thiết bị lập trình (mạch
b. Mạch nguồn nạp) cho AVR rất đơn giản. Một số chip còn hỗ trợ
lập trình on-chip bằng bootloader không cần mạch
Nguồn 1 chiều sau chỉnh lưu được ổn áp bởi IC7805 nạp. Bên cạnh lập trình bằng ASM, cấu trúc AVR
tạo thành nguồn 5 V 1 A. C1 phóng nạp nâng cao được thiết kế tương thích với ngôn ngữ C. Nguồn
chất lượng điện áp sau ổn áp. C2 lọc các thành tài nguyên source code, tài liệu trên internet rất lớn.
phần nhiễu. R2, LED0 tạo thành mạch báo nguồn. Họ vi điều khiển AVR gồm nhiều bộ điều khiển với
các tài nguyên khác nhau về bộ phận ngoại vi, bộ
nhớ chương trình và kiểu đóng vỏ...[10].
Để duy trì độ sạch cho không khí trong chăn nuôi
lợn, một trong những phương pháp ổn định và
hiệu quả nhất đó là sử dụng quạt thông gió cho
chuồng nuôi.
Hình 5. Sơ đồ mạch nguồn
c. Mạch hiển thị LCD
Hiển thị kết quả đo nồng độ khí NH3 thông qua màn
hình LCD. Để LCD hoạt động phải cấp nguồn VCC
vào chân 15 của LCD. Chân 3 và chân 2 được lắp
với biến trở VR = 1K để điều chỉnh độ sáng tối của
màn hình LCD. Dữ liệu hiển thị được gửi từ vi điều
khiển đến LCD thông qua các chân D4, D5, D6, D7.
Chân RW, E, RS… Hình 8. Các loại quạt cho trang trại chăn nuôi
20 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Khi nồng độ khí NH3 đạt 10 ppm, thì chỉ có 5 quạt
thông gió hoạt động.
Khi nồng độ NH3 đạt 12 ppm (vượt quá giá trị cho
phép), hệ thống sẽ tự động điều khiển bật quạt gió.
Hình 9. Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo nồng độ NH3
2.2. Lập trình điều khiển hệ thống
Lưu đồ thuật toán đo nồng độ khí được trình bày
trên hình 10.
Hình 12. Một số kết quả mô phỏng
Khi hệ thống quạt gió tiếp theo được bật, nồng độ
khí NH3 giảm, quạt thông gió tự động tắt.
Hình 10. Lưu đồ thuật toán đo nồng độ khí NH3
Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống xử lý mùi
trong trường hợp nồng độ khí NH3 vượt ngưỡng
(hình 11).
Hình 13. Kết quả mô phỏng khi nồng độ NH3
vượt quá giới hạn cho phép được xử lý mùi bằng
điều khiển quạt gió [11]
4. KẾT LUẬN
Nội dung bài báo đã phân tích và xây dựng cấu trúc
của hệ thống khử mùi tự động từ đó lựa chọn được
các thiết bị cho hệ thống, thiết lập lưu đồ thuật toán
và viết chương trình điều khiển.Từ việc mô phỏng
hệ thống đo nồng độ khí NH3 trên Matlab, đã xây
Hình 11. Lưu đồ thuật toán điều khiển dựng được hệ thống xử lý mùi tự động thông qua
khi nồng độ khí NH3 vượt ngưỡng việc đo nồng độ NH3 và điều khiển tự động khi nồng
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 21
- NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
độ khí NH3 vượt quá giá trị cho phép bằng cách [11] Nguyễn Huy Hoan (2020), Thiết kế hệ thống
điều khiển quạt gió hoạt động. xử lý mùi tự động cho trang trại thông minh.
Qua phần thực nghiệm và phần mô phỏng của hệ http://saodo.edu.vn/uploads/news/2019_01/
luan-van-ch-_-nguyen-huy-hoan.pdf,cập
thống. Ta thấy, hệ thống đạt kết quả yêu cầu đặt
nhật ngày 20/02/2020.
ra. Chế tạo được thiết bị đo nồng độ khí NH3 dùng
cảm biến MQ135 thiết bị chạy ổn định, có khả năng
hiển thị kết quả trên LCD của thiết bị và trên máy
tính. Thiết bị có thể được ứng dụng để đo nồng độ PHỤ LỤC
khí NH3 trong các trang trại nuôi gà công nghiệp,
để từ đó các chủ trang trại có những biện pháp xử Bảng 1. Yêu cầu vệ sinh môi trường không khí
lý khi nồng độ khí này vượt quá ngưỡng cho phép chuồng nuôi
đảm bảo an toàn về môi trường và sức khỏe cho TT Tên tiêu chí Đơn vị Giới hạn max
con người. 1 Nhiệt độ O
C 10 - 32
2 Độ ẩm % 80
3 Tốc độ gió m/s 2,5
TÀI LIỆU THAM KHẢO 4 Độ bụi Mg/m3 0,3
5 Độ ồn dB 75
[1] Trần Hữu Tùng (2013), Nghiên cứu thực 6 Độ nhiễm khuẩn không khí Vk/m3 4×103
trạng môi trường, sức khỏe của người chăn
7 NH3 ppm 10
nuôi gia cầm và giải pháp can thiệp, Luận án
TS, Hà Nội. 8 H2S ppm 5
[2] Tiêu chuẩn QCVN 01 - 99: 2012/ BNNPTNT. Bảng 2. Hiện trạng xử lý chất thải tại các trang trại
[3] Lê Văn Doanh và các đồng tác giả (2004), chăn nuôi
Các bộ cảm biến trong đo lường và điều TT Hình thức Tỷ lệ % Trang trại
khiển, NXB Khoa học và Kỹ thuật. Số trang trại thực hiện báo cáo
1 14,3 2.113
[4] Phạm Thượng Hàn và các đồng tác giả đánh giá tác động môi trường
(2003), Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật Số trang trại có kế hoạch bảo
2 51,2 7.682
lý tập 1,2, NXB Giáo dục, 2003. vệ môi trường
Số trang trại được chứng nhận
[5] Mai Văn Trịnh, Lương Hữu Thành, Cao 3
an toàn dịch bệnh
7,8 1.131
Hương Giang - Viện Môi trường nông nghiệp,
Số trang trại được chứng nhận
Vấn đề môi trường trong quản lý và xử lý chất 4
an toàn sinh học
2,2 346
thải chăn nuôi.
Số trang trại được chứng nhận
[6] MQ135, datasheet. 5 21,3 3.310
VietGAP và các hình
[7] Trần Mạnh Hải, Trần Đức Dự, Nguyễn Hải Số trang trạo chưa áp dụng các
6 3,2 486
Châu (2015), Nghiên cứu xử lý NH3 trong biện pháp xử lý chất thải
không khí chuồng chăn nuôi lợn bằng dung Tổng 100 15.068
dịch siêu oxy hóa.
Bảng 3. Hiện trạng xử lý chất thải và hình thức áp
[8] L. H. Hiếu (2010), Ảnh hưởng của mùa vụ dụng xử lý chất thải tại các nông hộ chăn nuôi
đến khí hậu chuồng nuôi tại một số trang trại
chăn nuôi lợn ở huyện Văn Giang - tỉnh Hưng Tỷ lệ Số lượng
TT Chỉ tiêu
Yên, Tạp chí Khoa học và Phát triển. % (Triệu hộ)
Số hộ áp dụng các biện pháp xử
[9] Trần Thị Phương Thảo (2020), Nghiên cứu, 1
lý chất thải
53 2.2
thiết kế, chế tạo thiết bị đo nồng độ khí NH3
Số hộ chưa áp dụng các biện
cho các trại gà công nghiệp, http://www.khcn. 2
pháp xử lý chất thải
47 1.9
vimaru.edu.vn/sites/khcn.vimaru.edu.vn/
3 Số hộ chăn nuôi có chuồng trại 85 3.5
files/nghien_cuu_thiet_ke_che_tao_thiet_
bi_do_nong_do_khi_nh4_cho_cac_trai_ga_ 4 Không chuồng trại 15 0.6
cong_nghiep.pdf, cập nhật ngày 20/02/2020. Tổng 8.2
[10] Giới thiệu vi điều khiển AVR (Atmega32),
https://dientutuonglai.com/gi oi-thieu-vi-dieu-
khien-avr-atmega32.html, cập nhật ngày
23/02/2020.
22 Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020
- LIÊN NGÀNH ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - TỰ ĐỘNG HÓA
THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ
Phạm Đức Khẩn
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 1995: Tốt nghiệp Đại học ngành Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
+ Năm 2005: Tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Tự động hóa, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên khoa Điện, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Tự động hóa, hệ thống điện, kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
- Email: phamduckhan@gmail.com
- Điện thoại: 0912112157
Vũ Thị Lương
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2001: Tốt nghiệp Đại học chuyên ngành Tiếng Anh, Trường Đại học Ngoại ngữ, Đại
học Quốc gia Hà Nội
+ Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Tiếng Anh, Trường Đại học Ngoại ngữ, Đại học quốc
gia Hà Nội
- Tóm tắt công việc hiện tại (chức vụ, cơ quan): Phó Trưởng khoa, khoa Du lịch và
Ngoại ngữ, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Tiếng Anh, tiếng Anh chuyên ngành Điện, điện tử, hệ thống điện
- Email: luongnn78@gmail.com
- Điện thoại: 0989670521
Nguyễn Huy Hoan
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2014: Tốt nghiệp Đại học ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử, Trường Đại học
Sao Đỏ
+ Năm 2018: Tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Trường Đại học Sao Đỏ
- Tóm tắt công việc hiện tại: Giáo viên Trung tâm GDNN - GDTX Tứ Kỳ, Hải Dương
- Lĩnh vực quan tâm: Kỹ thuật điện, điện tử và các ứng dụng điện tử
- Email: huyhoan74@gmail.com
- Điện thoại: 0984359439
Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190, Số 1 (68) 2020 23
nguon tai.lieu . vn
