THIẾT kế hệ THỐNG NHÚNG đề tài thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG Đề tài: Thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas Nhóm sinh viên: Lê Văn Bắc Phong Ngọc Lộc Đỗ Thị Mơ Cao Đình Thiện Giảng viên mơn: Dương Phúc Phần Hà Nội – 2022 download by : skknchat@gmail.com Mục lục I Giải pháp thiết kế 1.1 Sơ đồ khối giải pháp 1.2 Phân tích chức khối II Thiết kế hệ thống 2.1 Thiết kế phần cứng 2.1.1 Giới thiệu STM32F103C8T6 .4 2.1.1.1 Thông số kĩ thuật 2.1.1.2 Sơ đồ chân 2.1.2 Cảm biến khí gas MQ2 10 2.1.2.1 Thông số kĩ thuật 11 2.1.2.2 Sơ đồ chân .12 2.1.2.3 Ứng dụng .12 2.1.3 Giới thiệu hình hiển thị LCD 16x2 13 2.1.3.1 Thông số kĩ thuật 13 2.1.3.2 Sơ đồ chân 14 2.1.4 Mạch nguyên lý 16 2.1.5 Mạch phần cứng 16 download by : skknchat@gmail.com 2.2 Thiết kế phần mềm 16 I Giải pháp thiết kế I.1 Sơ đồ khối giải pháp I.2 Phân tích chức khối - Cảm biến khí gas MQ2: Dùng để phát rị rỉ khí gas - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ thống download by : skknchat@gmail.com - Khối điều khiển trung tâm: Gồm STM32 ESP8266: Nhận tín hiệu từ cảm biến khí gas, phát cịi gửi thơng số cho khối hiển thị - Khối cảnh báo: Gồm loa phát cảnh báo nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm - Khối hiển thị: Gồm hình LCD 16x2, hiển thị thơng số nhận từ khối điều khiển trung tâm download by : skknchat@gmail.com II Thiết kế hệ thống II.1 Thiết kế phần cứng II.1.1.Giới thiệu STM32F103C8T6 STM32F103C8T6 vi điều khiển tầm trung thuộc họ STM32F103x8 theo kiến trúc vi mạch RISC Bo mạch Blue Pill có chi phí thấp thay cho bo mạch STM khác hãng STMicroelectronics Giá Blue Pill khoảng 2-3 $ download by : skknchat@gmail.com Bộ vi điều khiển STM32F103C8T6 có chân GPIO, xử lý, nhớ, cổng USB, chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital thiết bị ngoại vi khác Một lõi ARM Cortex với tốc độ đáng kinh ngạc 72 MHz hiệu suất lượng tương đối Bo mạch STM32F103C8T6 blue-pill có lõi ARM 32-bit Cortex-M3 RISC với dao động bên -16 MHz Nó chip cơng nghệ flash CMOS Chip có 37 chân GPIO 10 chân Analog Nó có số giao thức giao tiếp đại CAN USB Các thiết bị ngoại vi cung cấp khả điều khiển vượt trội bo mạch hoạt động với điện áp thấp, phù hợp cho ứng dụng cơng suất thấp Nó có watchdog window watchdog timer để bo mạch vận hành xác dịng lệnh II.1.1.1 Thơng số kĩ thuật Đặc tính thiết bị ngoại vi khả dụng Kiến trúc vi mạch RISC Số lượng chân 47 SRAM 20 kiloBytes Debug đường truyền liệu nối tiếp download by : skknchat@gmail.com Bộ nhớ flash 64/128 KiloBytes Tốc độ CPU 72 MHz (tối đa) Cổng kết nối USB Micro ADC Số hẹn Giao tiếp truyền thông Module USB Có I2C SPI Nhiệt độ hoạt động -40 0 C – 105 0 C Dòng điện sink/source mA Điện áp hoạt động 2.0V – 3.6V download by : skknchat@gmail.com Module USART Bộ tạo dao động bên 4-16 MHz Bộ hẹn watchdog (WWDT) Có Debug JTAG  Một số đặc tính:  Kiểm tra theo chu kỳ (CRC) để đảm bảo độ xác liệu liệu  Có ba tùy chọn boot khác (thông qua flash nhớ hệ thống SRAM) để reset nhớ flash qua USART1  timer khác để có tốc độ lấy mẫu giá trị analog khác  Một giao thức nối tiếp JTAG (Joint Test Action Group) để gỡ lỗi kiểm tra vi điều khiển  Xung nhịp PLL để tạo ổn định cách xử lý tín hiệu đầu đầu vào  Bộ timer Watchdog để quan sát lỗi trình nhận truyền tín hiệu download by : skknchat@gmail.com II.1.1.2 Sơ đồ chân Kiểu chân Tên chân Mô tả Power – 3,3V Điện áp hoạt động đầu – 5V Chân cấp nguồn cổng USB – GND nguồn 5V bên 3. Chân nối đất Chân Analog PA0-PA7, PB0-PB1 Chân ADC độ phân giải 10, 12- download by : skknchat@gmail.com bit Chân I / O PA0-PA15, PB0-PB15, PC13- 37 chân I / O đa chức PC15 Ngắt PA0-PA15, PB0-PB15, PC13- Chân ngắt PC15 PWM PA0-PA3, PA6-PA10, PB0- 15 chân điều chế độ rộng xung PB1, PB6-PB9 Giao tiếp liệu nối TX1, RX1, TX2, RX2, TX3, tiếp ( UART ) RX3 SPI MISO0, MOSI0, SCK0, Chân RTS, CTS USART chân SPI MISO1, MOSI1, SCK1, CS0 CAN CAN0TX, CAN0RX Chân Bus mạng CAN I2C SCL1, SCL2, SDA1, SD2 Chân liệu I2C chân xung nhịp Đèn LED tích hợp PC13 Đèn LED thị download by : skknchat@gmail.com  Ngắt ngoài: Ngắt phần cứng thực thi phát thay đổi tín hiệu bên  PWM: Tổng cộng 15 chân điều chế độ rộng xung để tạo tín hiệu điện áp tương tự analog từ đầu PWM digital  RTS / CTS: Request-to-Send / Clear-to-Send giao thức đảm bảo kiểm soát việc truyền nhận liệu  SPI : giao thức để giao tiếp vi điều khiển thiết bị ngoại vi  CAN: đường bus truyền liệu theo hai hướng  I2C : Một giao thức truyền liệu nối tiếp khác để truyền liệu đồng II.1.2 Cảm biến khí gas MQ2 MQ2 là là cảm biến khí, dùng để phát khí gây cháy Nó cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với khơng khí Nhưng mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy sang điện áp download by : skknchat@gmail.com Khi môi trường điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 cao MQ2 hoạt động tốt mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp II.1.2.1 Thơng số kĩ thuật  Điện áp hoạt động: 3.3V-5V  Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm  Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo gas  IC so sánh : LM393  VCC: 3.3V-5V  GND: 0V download by : skknchat@gmail.com  DO: Đầu tín hiệu số (0 1)  AO: Đầu Analog (Tín hiệu tương tự)  Cấu tạo từ chất dẫn Sno2  Có  2 dạng tín hiệu: Analog( AO)  và Digital (DO)                      - Dạng tín hiệu : TTL đầu 100mA ( Có thể sử dụng trực tiếp Relay, Cịi cơng suất nhỏ )  - Điều chỉnh độ nhạy biến trở - Sử dụng LM393 để chuyển AO > DO       download by : skknchat@gmail.com II.1.2.2 Sơ đồ chân Sơ đồ chân MQ2 download by : skknchat@gmail.com - Trong đó: o Chân 1,3 A o Chân 2,5 B o Chân 4,6 C download by : skknchat@gmail.com   II.1.2.3 Ứng dụng Được sử dụng để phát cácloại khí : + LPG : hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, thể khí LPG dân dụng cơng nghiệp chủ yếu có thành phần gồm Propane + Iso Butan ( C4H10 ) + Propan : C3H8 + Mêtan : CH4 + Rượu : ROH download by : skknchat@gmail.com + Hydrogen + Khói II.1.2.4 Ưu điểm nhược điêm  Ưu điểm:  Việc có chân số Dout tiện để mắc ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển Khi ta cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo thấp mức cho phép Dout = Đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo lớn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng  Ta ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác  Nhựơc điểm:  Một điều khó khăn làm việc với MQ2 ta khó quy từ điện áp Aout giá trị nồng độ ppm Rồi từ hiển thị cảnh báo theo ppm Do giá trị điện áp trả loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm  Trong thiết, để xác định điểm cảnh báo phải thực thủ cơng Đầu tiên đo trạng thái khơng khí sạch, giá trị thu Vout1 Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ Ta thấy giá trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo lớn thiết bị xuất tín hiệu cảnh báo II.1.3.Giới thiệu hình hiển thị LCD 16x2 Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng VĐK LCD 1602 có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác như: khả hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều download by : skknchat@gmail.com giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ,… 2.1.3.1 Thông số kĩ thuật - Điện áp MAX : 7V - Điện áp MIN : - 0,3V - Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V - Điện áp mức cao : > 2.4 - Điện áp mức thấp : Serial Monitor download by : skknchat@gmail.com ... Thiết kế phần mềm 16 I Giải pháp thiết kế I.1 Sơ đồ khối giải pháp I.2 Phân tích chức khối - Cảm biến khí gas MQ2: Dùng để phát rị rỉ khí gas - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn hệ. ..Mục lục I Giải pháp thiết kế 1.1 Sơ đồ khối giải pháp 1.2 Phân tích chức khối II Thiết kế hệ thống 2.1 Thiết kế phần cứng 2.1.1 Giới... cách khí ga từ bật lửa hợp lý tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo lớn thiết bị xuất tín hiệu cảnh báo