Nghiên cứu thiết kế phần mềm bo mạch điện tử đo nhanh COD bằng phư ng pháp phổ hấp thụ UV

56 
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ PHẦN MỀM BO MẠCH ĐIỆN TỬ ĐO NHANH 
COD BẰNG PHƯ NG PHÁP PHỔ HẤP THỤ UV 
Đến tòa soạn 28 - 11 - 2013 
 Nguyễn Thị Phương Thảo, Nguyễn Quang Trung 
Viện Công nghệ Môi trường- Viện HLKHVN 
Âu Duy Tuấn, Hoàng Minh Hải, Vũ Quốc Tuấn, Lê Thanh Khiết, 
Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học – Viện HLKHVN 
 Chu Thị Thủy,Vũ Ngân Huyền, Nguyễn Thị Ngọc Lan, Trịnh Thị Huế 
 Viện Khoa học Môi trường và Sức khỏe Cộng đồng 
SUMMARY 
System of electric main is designed to response the matematic expression of the optical 
absorbant according to the Lambeer – Beer law by the transfer light through the 
solution (Tx) of sources light 254nm UV(I0). The optical absorbant depends on the 
property solution transfered. The paper presents the results of the study on system of 
electric main, which was designed for quickly measurement COD using spectrometric 
methods by ultraviolet wavelength UV- 254nm.The specific optical absorbant can be 
between 10
-1
 to 10
-4
.The concentration conversion koeficient K can be 10.000mg/L. The 
COD concentration of waster water can be 20.000mg/L. Time respond of measuring 
result are 2-3 minutes. The average value of 10-20 measured numbers have been 
calculated. Thes specified invalid of COD determination about 10%. The repeats of 
measuring is 95%. The erroneous of four UV-COD devices is less than 6% for 
measuring parallel. 
Systems device is designed for COD measurement continuous and transmits the 
measuring signals online in maximum distance 1.3km, appropriate for environmental 
monitoring continuous and online in the industrial zones in Việt nam . 
Keyword: Amplifier, COD, Coeficient K, Respond real-time, PADC - DAC, UV. 
I. GIỚI THIỆU 
Nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical 
Oxygen Demand- COD) là một trong 
nhưng thông số quan trọng nhất để đánh 
giá chất lượng môi trường nước. Đã có 
rất nhiều phương pháp xác định hàm 
lượng COD, ví dụ theo tiêu chuẩn Việt 
Nam[4], các phương pháp mới được công 
Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 19, Số 1/2014 
57 
bố [5,6,7,8,9,10], Đặc biệt phương pháp 
đo quang dựa trên nguyên tắc của định 
luật Lamber- Beer được áp dụng cho giải 
phổ UV= 254nm nhằm xác định nhanh 
hàm lượng COD trong mẫu nước đã có 
nhiều công bố và hoàn thiện thành thiết 
bị đo nhanh, phục vụ quan trắc môi 
trường. Định luật Lambert-Beer được 
biểu thị sự phụ thuộc của độ hấp thụ 
quang A của mẫu nước, lên hệ số hấp thụ 
quang riêng ε, chiều dài L là độ dầy lớp 
dung dịch mà ánh sáng nguồn (I0) xuyên 
qua và bị hấp thụ (Ix) bằng công thức 
toán học: 
Nếu Ix= Từ 1 đến 100, I0 = 100, thì độ 
truyền qua là: T = 1-100%, Độ hấp thụ 
quang A có giá trị từ 2- 0 (không có đơn 
vị). Trong đó nếu hệ số ε và chiều dài l là 
cố định thì độ hấp thụ quang A phụ thuộc 
chủ yếu vào Ix tức là nồng độ COD của 
mẫu cần xác định. 
Nếu độ hấp thụ quang A thụ thuộc vào 
nồng độ chất C cần xác định có trong 
mẫu theo phương trình đường thẳng, hàm 
số thuận thì ta cũng có thể biểu thị sự phụ 
thuộc nồng độ chất C lên độ hấp thụ 
quang A theo phương trình y = ax, trong 
đó y là nồng độ COD (mg/L) và là độ 
hấp thụ quang A tương đương, như vậy a 
là hệ số góc của phương trình đường 
thẳng trên, bằng tg α, kí hiệu là K, có thể 
biểu diễn như sau: 
COD(mg/L) = K(mg/L).A (2) 
 Dựa trên hai phương trình (1) và (2), 
phần mềm chế tạo bo mạch sẽ thiết kế để 
số liệu đầu vào được cài đặt trên máy chỉ 
là hệ số K. Độ hấp thụ quang A sẽ được 
hiển thị trên máy đo (hình 1). 
Nguồn đèn phát ra chùm ánh sáng UV ở 
bước sóng tử ngoại sẽ bị hấp thu bởi các 
chất hữu cơ có trong mẫu đo. Một cảm 
biến quang học sẽ thu nhận cường độ 
sáng khi đi qua mẫu đo Ix. Phần mềm dựa 
trên tín hiệu A hiển thị trên màn hình nhỏ 
LCD của thiết bị. Tín hiệu này được nhân 
với hệ số chuyển đổi nồng độ K cài đặt 
sẵn, cho ngay kết quả đo COD của mẫu, 
Đèn 
UV 
Io I
x 
 1a. Bộ phận truyền quang 1 b. Bộ phận cảm ứng, khuếch đại và truyền dữ liệu 
Hình 1a, 1b: Sơ đồ khối chế tạo thiết bị đo nhanh UV-COD 
Đèn 
UV 
Io Ix 
 Ix 
A = ε .l. C = - log ------- (1) 
 I0 
58 
nó được hiển thị trực tiếp trên màn hình 
nhỏ LCD. 
Hệ số chuyển đổi nồng độ K(mg/L) được 
xác định bằng thực nghiệm, là tỉ lệ giữa 
hàm lượng COD của mẫu được xác định 
bằng phương pháp TCVN 4691:1999 và 
độ hấp thụ quang của chính mẫu đó ở 
bước sóng đo (cụ thể bước sóng đo 254 
nm). 
2. THỰC NGHIỆM . 
2.1.Hóa chất và dụng cụ 
Hóa chất. Các hóa chất cần thiết theo 
TCVN 4691:1999 để xác định COD bằng 
phương pháp kali dicromat. Chất chuẩn 
kali hydrophtalat, nồng độ 500mg/L, 
Nước thải chứa hồ tinh bột với nồng độ 
1%, nước thải nhuộm có độ hấp thụ 
quang A từ 1-1,5. 
Phụ kiện bộ phận truyền quang: Đèn Hg 
(UV=254nm), Cuvet thạch anh, chiều 
dầy 1cm, có đường dẫn mẫu vào và ra, 
bơm chất lỏng mini MFG-NO.LB04458 
CM-15,12V, gương phản quang hình 
tròn, d=1cm. 
Phụ kiện điện tử: Tụ điện 4700, 1, 
330µF; Bộ ADC 12 bít, bộ vi điều khiển 
họ PIC 18F2423, LCD (16x2: dài 
85±0.5mm, rộng: 30±0.5mm), Bộ thu 
phát DR F7020D20 (20dBm, ISM RF, 
Transceiver Module ) 
Dụng cụ. Thiết bị phân hủy mẫu COD - 
Hach với nhiệt độ 200- 300oC, máy đo 
quang UV-VIS 2450, Shimadzu, Nhật 
Bản. 
2.2.Thực nghiệm 
2.2.1. Lắp đặt hệ truyền quang của thiết 
bị gồm: Đèn Hg; cuvet thạch anh, chiều 
dài L =1cm có đường dẫn mẫu đầu vào, 
đầu ra bằng bơm mini 12V. Hệ thống 
gương quang học đưa tín hiệu vào bộ 
phận cảm biến quang học (hình 1a) 
2.2.2. Thiết kế, ghép nối bản mạch điện 
tử của bộ phận cảm biến quang học, 
khuếch đại, chuyển đổi tín hiệu quang 
sang tín hiệu điện và số hóa các tín hiệu 
thu được (hình 1b). 
2.2.3. Áp dụng thử nghiệm: Trên mẫu 
chuẩn, mẫu nước thải chứa hỗn hợp tinh 
bột và các chất hữu cơ khác, nước thải 
nhuộm, nước thải giấy. Tính sai số và độ 
lặp lại, độ ổn định của 4 thiết bị đồng 
thời. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Thiết kế phần mềm. 
Phần mềm “Delphi” và Altium Designer 
Summer 09 [1] được sử dụng để thiết kế, 
chế tạo bo mạch điện tử cho hệ thiết bị đo 
nhanh UV-COD. Hình 2 là sơ đồ nguyên 
tắc bản mạch đo và khuếch đại tín hiệu 
quang, trong đó tín hiệu quang là nguồn 
ánh sáng (I0) xuyên qua cuvet thạch anh 
chứa dung dịch mẫu. Dung dich này 
được bơm vào buồng đo chuyên, điều 
khiển bơm là một chip vi điều khiển 
PIC18F452 [2.3], hệ số chuyển đổi nồng 
độ K được cài đặt sẵn, có kết nối với nút 
tăng, giảm khi cần thiết và nút tính ghi lại 
giá trị trung bình. 
59 
 Hình 2: Sơ đồ nguyên lý bản mạch đo và khuếch đại 
tín hiệu quang 
3.2. Lắp ráp các bản mạch điện tử [4]. 
Sơ đồ nguyên lý ở hình 2 được thiết kế 
và lắp ráp thành mạch PCB như hình 3a, 
3b. Các linh kiện được hàn trên bản mạch 
điện tử PCB đã được phủ lớp epoxy để 
chống rỉ. 
 3a 3b 3c 
Hình 3: 3a-Bản mạch điện tử được lắp ráp theo bản vẽ, 3b- lắp ráp blog các chíp điện tử và 
3c- Bộ thu phát DR F7020D20 
Bộ phận truyền quang từ nguồn đèn UV, 
buồng tối chứa cuvet thạch anh, bơm 
mini, đã được nghiên cứu lắp ráp trước 
đây nên trong báo cáo này bộ phận 
truyền quang được xem như đã có sẵn. 
Theo hình 1 và 2 tín hiệu quang thu 
được, được đưa vào bộ chuyển đổi tín 
hiệu quang sang tín hiệu điện, sau đó tín 
hiệu điện tiếp tục được đưa vào bộ ADC 
12 bít nhằm số hóa tín hiệu điện đo được. 
Chíp PIC 18F2423 được sử dụng để điều 
khiển và hiển thị kết quả đo trên màn 
60 
hình LCD (16x2) với các thông số A theo 
phương trình (1), nồng độ COD theo 
phương trình (2), với hệ số K xác định 
bằng thực nghiệm và cài sẵn trên máy. 
Khối ghi số liệu, truyền số liệu bằng 
modul RF sẽ truyền tín hiệu đo được sau 
khi đã xử lý thông qua bộ thu phát 
DRF7020D20 có khoảng cách thu phát 
tối đa là 1,3 km. 
Hình 4. Cấu tạo bên trong của thiết bị-phần cứng 
Hình 4 là cấu tạo bên trong thiết bị gồm 
buồng tối chứa cuvet thạch anh có đường 
dẫn mẫu đầu ra, đầu vào được nối với 
bơm mini là bộ phận trọng tâm nhất của 
máy. 
3.3. Áp dụng thực tế. 
Sử dụng dung dịch kali hydrophtalat làm 
dung dịch chuẩn, các mẫu nước thải 
nhuộm, nước thải giấy và nước thải chứa 
hỗn hợp tinh bột và các chất hữu cơ khác 
là đối tượng khảo sát. Áp dụng phương 
pháp tiêu chuẩn qui định, TCVN 
6491:1999 (ISO 6060:1989) sử dụng kali 
dicromat để xác định COD của dung dịch 
chuẩn 100; 200mg/L. Xác định COD của 
các mẫu nước thải chứa tinh bột, nước 
thải nhuộm, nước thải giấy. Xác định độ 
hấp thụ quang của các dung dịch chuẩn 
và mẫu nước thải ở trên tại bước sóng 
254nm. 
Hệ số chuyển đổi nồng độ K của kali 
hydrophtalat là 165mg/L, nước thải 
nhuộm là 707mg/L, nước thải giấy 268 
mg/L và nước thải chứa tinh bột và một 
số chất hữu cơ không xác định là 
9500mg/L. Các hệ số K này được cài vào 
sẵn thiết bị COD. 
 Bảng 1: Kết quả xác định COD trong mẫu chuẩn và nước thải 
STT Mẫu 
Hệ số 
K 
(mg/L) 
(n=3) 
Mật 
độ 
quang 
A(n=10) 
Nồng độ 
(mg/L) 
COD UV 
(n=10) 
Nồng độ 
(mg/L) 
CODTCVN 
Sai số 
Độ sai 
lệch của 4 
thiết bị 
(%) 
1 Mẫu chuẩn 165 0.615 104 99 ± (3 -7)% ± (2-3)% 
2 Nước thải giấy 268 89 93 ± (3 -7)% ± (2 -3)% 
3 
Nước thải 
nhuộm 
707 1.118 790 782 ± (5-10)% ± (3 -4)% 
4 
Nước thải 
chứa hỗn hợp 
tinh bột và các 
chất khác 
9500 1.552 14.750 15.400 ± (5-10)% ± (5 -6)% 
61 
Từ kết quả bảng 1 cho thấy hệ số K lên 
đến 9500mg/L, hàm lượng COD xác định 
được lên đến 14.750mg/L, với sai số 
khoảng 10 %. Vì vậy thiết bị được cài đặt 
với hệ số K lớn nhất là 10.000mg/L. Hàm 
lượng COD cao nhất là 20.000mg/L. Xác 
định đồng thời 4 thiết bị được lắp hoàn 
chỉnh, độ sai lệch của các thiết bị nằm 
trong khoảng 6%. Với kết quả trên, thiết 
bị xác định nhanh UV-COD này có thể 
hoàn chỉnh và đưa đi áp dụng thử nghiệm 
để tiến tới hoàn thiện hơn. 
KẾT LUẬN 
Đã thiết kế và lắp đặt thành công bo 
mạch điện tử dùng cho thiết bị đo nhanh 
UV-COD trong nước thải với hàm lượng 
COD có thể xác định được lên đến 
15.000mg/L, hệ số chuyển đổi nồng độ K 
được xác định bằng thực nghiệm và cài 
sẵn trong thiết bị có thế lên đến 
10.000mg/L. Sai số khoảng 10% và 4 
thiết bị lắp đặt đầu tiên có độ ổn định và 
độ đồng đều cao, sai lệch giữa các thiết bị 
dưới 6%. 
Thiết bị này đã được đưa đi khảo sát thực 
tế một số nhà máy cho kết quả tốt, phù 
hợp với nhu cầu quan trắc môi trường 
liên tục và trực tuyến hiện nay. 
Bài báo này được thực hiện trong khuôn 
khổ đề tài mã số 01C-09/03-2012- 2 của 
Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội năm 
2012-2013. Tập thể tác giả xin trân trọng 
cám ơn sự giúp đỡ của Sở KHCN Hà 
Nội. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. The ART of electronics Paul Horowitz 
-Harvard university and Winfield Hill - 
Sea data corporation, Newton, 
Massachusetts,”, Cambridge University 
Press 1980 ; 
2.Microchip.com/downloads/en/devicedo
c/39755a.pdf 
3.Microchip.com/downloads/en/DeviceD
oc/39564C.pdf ; 
4.www.egr.msu.edu/.../GettingStartedWit
hPCBDesignUsingAltium.pdf ; 
5. TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989): 
chất lượng nước- xác định nhu cầu 
oxyhoá hoá học COD) 
 6. Ayrton F.martin, Daniel R.Arsand, 
carta B.brenner, Luciane Mineeto.COD- 
Evaluation of hospital Effluent by means 
of UV-Spectral deconvolution. 
Clean.2008,36 (10-11) p.875-878. 
7. K.Fujimori, W,ma, T. Moriuchi- 
kawakami, Y.Shibutani, N.takenaka, H. 
Bandow, and Yasuaki Maeda: 
Chemiluminiscence method with 
potassium permanganate for the 
determination of organic pollutant in 
Seawater. Anal. Sci., 2001, vol.17,p 975. 
8. Chen Wenchun.UV spectro 
photometry determination of COD in 
water applications. Water treatment 
technology (1998), vol.24(6), p333-335. 
9. N. Q. Trung; N. T. Thảo; L. M. Tuấn; 
N. T. Phố, N.T.P.Thảo: Đề tài cấp Viện 
KHCN Việt nam, năm 2009: Nghiên cứu 
(xem tiếp tr.79)