ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH CẢNH BÁO CHÁY

Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến 4TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ -o0o - ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH CẢNH BÁO CHÁY GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến SVTH: Phạm Lê Minh Đinh Đức Thắng Đỗ Văn Quang Nguyễn Tiến Đạt Mai Thành Quang LỚP, KHÓA: Điện tử 04 – K16 MSSV: 2021603598 2021603088 2021603515 2021603944 2021603551 HÀ NỘI, THÁNG 12 NĂM 2021 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tri ân sâu sắc thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông “Trường Đại Học Công Ngiệp Hà Nội” đặc biệt giáo “Vũ Thị Hồng Yến” người giáo viên chăm chỉ, tận tụy việc giảng dạy học trò Chúng em trải qua bao ngày tháng học tập cô dẫn, dạy bảo tận tình để trau dồi kiến thức bổ ích làm hành trang cho chúng em tự tin mai sau làm, cống hiến cho xã hội đất nước Và chúng em, tân sinh viên Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội (HAUI) muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành đến thầy/cơ, anh chị nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt báo cáo Đây lần chúng em làm báo cáo nên nhiều điều bỡ ngỡ non nớt Vậy nên chúng em mong thơng cảm bỏ qua cho sai xót báo cáo chúng em Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2021 Sinh viên Phạm Lê Minh Đinh Đức Thắng Đỗ Văn Quang Nguyễn Tiến Đạt Mai Thành Quang Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến MỤC LỤC Lời cảm ơn………………………………………………………………………… Mục lục…………………………………………………………………………… Các từ viết tắt……………………………………………………………………… Mở đầu………………………………………………………………………………6 Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy……………………………………… 1.1 Quy định chung hệ thống báo cháy………………………………………….7 1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas)………………………8 1.3 Ý tưởng……………………………………………………………………… 10 1.4 Sơ đồ khối…………………………………………………………………… 11 1.5 Nguyên lý hoạt động………………………………………………………… 12 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến…………………………………………12 1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm………………………………… 12 1.6 Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………13 Chương 2: Giới thiệu linh kiện sử dụng đề tài ……………………… 17 2.1 Giới thiệu tổng quan nhiệt điện trở Thermistor…………………………… 17 2.1.1 Sơ đồ khối AT89S52…………………………………………….………17 2.1.2 Những đặc trưng AT89S52…………………………………………… 18 2.1.3 Sơ đồ chân chức AT89S52…………………………………… 18 2.2 Màn hình LCD HD44780…………………………………………………… 22 2.2.1 Hình dáng kích thước…………………………………………………… 22 2.2.2 Chức chân………………………………………………………….23 2.3 Cảm biến gas MQ-6……………………………………………………………24 2.4 Cảm biến nhiệt LM35………………………………………………………….26 2.5 LM358…………………………………………………………………………28 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến 2.6 PC817 (Opto)………………………………………………………………… 29 2.7 Module thu phát RF……………………………………………………………30 Chương 3: Sơ đồ mạch tính tốn ……………………………….…………… 31 3.1 Khối vi xử lý trung tâm………………………………………….…………… 31 3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF……………………….………….…31 3.1.2 Điều khiển chuông………………………………………………………… 32 3.1.3 Điều khiển Relay…………………………………………………………… 33 3.2 Khối cảm biến………………………………………………………………….34 3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo………………………………………… 35 3.2.2 Sơ đồ mạch so sánh điện áp………………………………………………….36 3.2.3 Mạch ghép quang với module phát RF………………………………………37 Chương 4: Xây dựng code ……………………………………………………….38 Kết luận hướng phát triển đề tài……………………………………………… 39 Phụ lục…………………………………………………………………………… 42 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến LỜI MỞ ĐẦU Trong sống đại, việc phòng cháy chữa cháy trở thành mối quan tâm hàng đầu quanh ta ln tồn khu vực dễ cháy, gây thiệt hại nặng nề người Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy chữa cháy có vai trị quan trọng, giúp ngăn chặn xử lý kịp thời đám cháy người chưa thể can thiệp Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng tơi chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo chữa cháy” Hệ thống giúp phát nguy gây cháy từ rò rỉ gas, khí dễ cháy từ thay đổi nhiệt độ thơng qua cảm biến, từ có hướng xử lý phát chng cảnh báo ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy Để thực nội dung này, đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy Chương 2: Giới thiệu linh kiện sử dụng đề tài Chương 3: Sơ đồ mạch tính toán Chương 4: Xây dựng code Phương pháp nghiên cứu sử dụng xuyên suốt đề tài xây dựng lưu đồ thuật tốn, tính tốn thiết kế mạch, viết code thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đắn phần thiết kế, code lưu đồ thuật toán vừa xây dựng Với hướng dẫn tận tình thầy Võ Tuấn Minh cùng kiến thức học từ thầy cô, học hỏi từ bạn bè và tự tìm tòi Internet, nhóm chúng tơi hồn thành hệ thống cảnh báo chữa cháy có vi xử lý giao tiếp RF với module cảm biến chế độ cảnh báo nhập từ bán phím, tự động ngắt điện kích hoạt hệ thống chữa cháy có cảnh báo nguy hiểm Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến 1.1 Quy định chung hệ thống báo cháy Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ yêu cầu, quy định tiêu chuẩn, quy phạm hành có liên quan phải quan phịng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng yêu cầu sau: - Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức đề - Chuyển tín hiệu phát cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để người xung quanh thực biện pháp thích hợp - Có khả chống nhiễu tốt - Báo hiệu nhanh chóng rõ ràng trường hợp cố hệ thống - Không bị ảnh hưởng hệ thống khác lắp đặt chung riêng rẽ - Khơng bị tê liệt phần hay tồn cháy gây trước phát cháy - Hệ thống báo cháy tự động phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống phải thực đầy đủ chức đề mà không xảy sai sót Những tác động bên ngồi gây cố cho phận hệ thống không gây cố hệ thống Hệ thống báo cháy tự động bao gồm phận bản: - Trung tâm báo cháy - Đầu báo cháy tự động - Hộp nút ấn báo cháy - Các phận liên kết - Nguồn điện Tùy theo yêu cầu hệ thống báo cháy có phận khác thiết bị truyền tín hiệu báo cháy, phận kiểm tra thiết bị phòng cháy, chữa cháy tự động Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến (Nguồn: TCVN 5738:2000) 1.2 Ý tưởng Dựa thông số thực tế tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm chúng tơi sử dụng cảm biến nhiệt phát sớm trường hợp gây hỏa hoạn từ module cảm biến, sau truyền tín hiệu sóng radio (RF) nguy cháy đến khối xử lý trung tâm Khối cảnh báo nguy cháy đến chủ nhà thực biện pháp chữa cháy lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng) 1.3 Nguyên lý hoạt động Ban đầu nhiệt độ phòng (10k ohm), cảm biến nhiệt Transitor BJT NPN dẫn dòng điện đến dây nối đất Khi xảy cháy, hỏa hoạn nhiệt độ tăng cao cảm biến nhiệt hoạt động dẫn dòng điện thơng qua diode 1N4007 biến dịng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện chiều (DC), lúc nhiệt điện trở thermistor giảm điện trở cho phép dịng điện thơng qua đến loa (Buzzer) cảnh báo cháy 1.4 Mục tiêu đồ án Ngày nay, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh, nhiều khu dân cư, tổ hợp nhà cao tầng xây dựng, nhiều loại vật liệu dễ cháy sử dụng để xây dựng công trình Điều đồng nghĩa với nguy cháy, cháy lớn, cháy gây thiệt hại nghiêm trọng ngày gia tăng Thực tế cho thấy, thời gian qua nước ta, với phát triển đa dạng kinh tế thị trường, tình hình cháy, nổ diễn biến phức tạp Song song với yếu tố tích cực tác động đến cơng tác phịng cháy, chữa cháy, xuất nhiều nguy làm an tồn phịng cháy, chữa cháy Chỉ tính 05 năm (2012 - 2016) toàn quốc xảy 11.461 vụ cháy, làm chết 360 người, bị thương 957 người, thiệt hại tài sản cháy gây ước tính trị giá 6.147 tỉ đồng, có 140 vụ cháy lớn, làm chết 03 người, bị thương 37 người, gây thiệt hại tài sản ước tính 4.776 tỉ đồng Trong 09 tháng đầu năm 2017, nước xảy 3.179 vụ Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến cháy, làm chết 73 người, bị thương 145 người, gây thiệt hại tài sản ước tính 1.658 tỉ đồng Trung bình năm xảy 2.230 vụ cháy, làm chết 72 người, bị thương 191 người, thiệt hại khoảng 1.229 tỉ đồng Trung bình ngày xảy vụ cháy gây thiệt hại tài sản khoảng 3,4 tỷ đồng; 05 ngày có 01 người chết, 02 ngày có 01 người bị thương cháy, nổ gây Giá trị thiệt hại cháy, nổ gây thành phố lớn tỉnh có khu cơng nghiệp, thị phát triển chiếm tới 70% tổng giá trị thiệt hại Nếu tính thiệt hại gián tiếp (ngừng sản xuất kinh doanh; đầu tư khơi phục sau cháy, nổ ) tổng thiệt hại tăng lên gấp nhiều lần Nhiều vụ cháy để lại hậu nặng nề cho người, tác động xấu đến môi trường, ảnh hưởng đến trật tự, an tồn xã hội Qua đó, đồ án đời nhằm cảnh báo phòng ngừa nguy hỏa hoạn, giúp bảo vệ tính mạng tài sản người dân cách hiệu 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Chương 2: Giới thiệu linh kiện sử dụng đề tài 2.1 Giới thiệu tổng quan nhiệt điện trở Thermistor 2.1.1 Định nghĩa Thermistor (biến trở nhiệt độ), trạng thái rắn, thiết bị điện để phát thay đổi nhiệt độ dựa điện trở vật liệu thay đổi, sử dụng nhiệt kế, điện trở nhiệt, chức điều khiển dòng,…Điện trở nhiệt điện trở nhạy cảm với nhiệt độ Trong cặp nhiệt điện đầu dò nhiệt độ linh hoạt PRTD ổn định nhất,từ ngữ tốt diên tả thermistor độ nhạy cảm Trong loại cảm biến, điện trở nhiệt có thay đổi nhiệt độ lớn 2.1.2 Cấu tạo Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến Thermistor cấu tạo từ hổn hợp bột ocid Các bột hòa trộn theo tỉ lệ khối lượng định sau nén chặt nung nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điện hổn hợp thay đổi nhiệt độ thay đổi Điện trở nhiệt nói chung tạo vật liệu bán dẫn Mặc dù hệ số nhiệt độ dương, điên trở nhiệt lại có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là, điện trở chúng giảm nhiệt độ tăng Khi tính tốn ngược lại độ bách phân, điện trở nhiệt nhận diện thay đổi nhiệt độ phút mà RTD hay cặp nhiệt điện phát hiên Sự phản ứng tính nhạy cảm khơng phải hàm tuyến tính.Điện trở nhiệt thiết bị phi tuyến với tham số trình lớn Do đó,các điển trở nhiệt khơng tiêu chuẩn hóa so với RTD Nhưng cặp nhiệt điện tiêu chuẩn hóa Đường cong điện trở nhiệt riêng biệt xấp xỉ qua phương trình Steinhart-Hart 1/T = A + B * lnR + C * (ln R)3 Trong đó:   T: Nhiệt độ Kelvin R: điện trở điện trở nhiệt  A, B, C: Hằng số điều chỉnh đường cong  A, B C tìm thấy cách chọn điểm đường cong liệu hệ phương trình ẩn Khi điểm liệu lựa chọn không 100 0C trongphạmvi nhiệt độ điện trở nhiệt,thì tạo đường cong phù hợp Việc tính tốn nhanh phương trình đơn giản hơn: T = B/(lnR – A) – C Trong A, B, C tìm thây việc lựa chọn tọa độ (R, T) giải ba phương trình đơng thời Phương trình phải áp dụng khoảng nhiệt độ hẹp để tiệm cận chinh xác phương trình Steinhart_Hart Các sáng chế liên quan đến chất bán dẫn oxide cho thermistors để sử dụng cảm biến chủ yếu phạm vi nhiệt độ 200 – 5000C, thân bao gồm loại nguyên tố kim loại 60 – 98.5% nguyên tử Mn, 0.1 – % nguyên tử Ni , 0.3 – % nguyên tử Cr, 0.2 – % nguyên tử Y 0.5 - 28% nguyên tử Zr, chất bán dẫn oxide cho nhiệt điện trở có tính tuyệt vời đặc trưng cảm biến nhiệt độ để sử dụng phạm vi nhiệt độ trung binh cao; là, đưa thay đổi điện trở nhỏ với thời gian ± 5% nhiệt độ từ 200 5000C, thích hợp cho ứng dụng đo nhiệt độ mà độ tin cậy cao cần thiết nhiệt độ cao Nhiệt điện trở tuyến tính khoảng nhiệt độ định 50 – 150D.C người ta dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, bác nhà ta thường gọi Tẹt – mít Cái Block lạnh có vài gắn chặt vào cuộn dây động 2.1.3 Phân loại 10 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Điện trở cơng suất giúp tiêu tán lượng lớn điện chuyển sang nhiệt hệ thống phân phối điện, điều khiển động Các điện trở thường có trở kháng cố định, bị thay đổi nhiệt độ điện áp hoạt động Biến trở loại điện trở thay đổi trở khang núm vặn điều chỉnh âm lượng Các loại cảm biến có điện trở biến thiên như: cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động phản ứng hóa học Điện trở đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện vật liệu Điện trở định nghĩa tỉ số hiệu điện đầu vật thể với cường độ dịng điện qua R=U/I Trong đó:  U: hiệu điện đầu vật dẫn điện, đo Vơn (V)  I: cường độ dịng điện qua vật dẫn điện, đo Ampe (A)  R: điện trở vật dẫn điện, đo Ohm (Ω) 2.4.2 Ký hiệu quy ước Tùy theo tiêu chuẩn quốc gia mà sơ đồ mạch điện điện trở ký hiệu khác  Điện trở có loại ký hiệu phổ biến là: kiểu điện trở kiểu Mỹ Ký hiệu điện trở theo kiểu (IEC) Khi đọc tài liệu nước ngoài, giá trị ghi điện trở thường quy ước bao gồm chữ xen kẽ với chữ số theo tiêu chuẩn IEC 6006 Nó giúp thuận tiện việc đọc ghi giá trị ngời ta phân cách số thập phân chữ Ví dụ 8k3 có nghĩa 8.3 kΩ 1R3 nghĩa 1.3 Ω, 15R có nghĩa 15Ω 2.4.3 Đơn vị điện trở Ohm (ký hiệu: Ω) đơn vị điện trở hệ SI, Ohm đặt theo tên Georg Simon Ohm Một ohm tương đương với vôn / ampere 15 Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Ngồi ohm điện trở cịn có nhiều giá trị khác nhau, nhỏ lớn gấp nhiều lần bao gồm: Đơn vị điện trở Ω (Ohm), mΩ (milliohm), KΩ (kilohm), MΩ (megaohm)  mΩ = 0.001 Ω  KΩ = 1000 Ω  MΩ = 1000 KΩ = 1.000.000 Ω 2.4.4 Bảng màu điện trở Trong thực tế, để đọc giá trí điện trở ngồi việc nhà sản xuất in trị số lên linh kiện chũng ta cịn dùng quy ước chung để đọc trị số điện trở tham số cần thiết khác Giá trị tính thành đơn vị Ohm 2.4.5 Cách đọc điện trở Trên sơ đồ nguyên lý, điện trở biểu thị hình nhật dài Trên thân có vạch để phân biệt cơng suất điện trở Cách đọc theo quy ước sau:  Hai vạch chéo (//) = 0.125w  Một vạch chéo (/) = 0.25w  Một vạch ngang (-) = 0.5w  Một vạch đứng (|) = 1.0w  Hai vạch đứng (||) = 2.0w  Hai vạch chéo vào (\/) = 5.0w  Còn (X) = 10.0w Bên cạnh ghi trị số điện trở Nhiều không ghi đơn vị Cách đọc theo quy ước sau: 16 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến Từ 1Ω tới 999Ω ghi 1K tới 999K Từ MΩ trở lên ghi 1,0; 2,0; 3,0, … 10,0…20,0… Điện trở thường ký hiệu vịng màu, điện trở xác ký hiệu vòng màu 2.5 Transitor BC547 2.5.1 BC547 BC547 transistor BJT NPN đa sử dụng dự án điện tử giáo dục Bên cạnh cơng dụng này, sử dụng mạch thương mại Nó đóng gói TO-92 dịng điện đầu tối đa mà transistor xử lý 100mA Transistor có độ lợi dòng điện chiều tốt độ nhiễu thấp lý tưởng để sử dụng giai đoạn khuếch đại tín hiệu Điện áp bão hòa 90 mV dấu hiệu tốt để sử dụng cơng tắc 2.5.2 Chức BC547 transistor sử dụng rộng rãi sử dụng ứng dụng mục đích chung Nó sử dụng để thay cho nhiều transistor, sử dụng nhiều loại mạch điện tử, ví dụ chuyển đổi tải nhỏ điện áp dòng đầu vào thấp khuếch đại âm nhỏ tín hiệu khác Tần số chuyển tiếp tối đa transistor 300MHz hoạt động tốt mạch RF tần số 300MHz 2.5.3 Thông số kỹ thuật Loại gói: TO-92 Loại transistor: NPN Dịng cực thu tối đa (IC): 100mA Điện áp cực thu - cực phát tối đa (VCE): 45V Điện áp cực thu - cực gốc tối đa (VCB): 50V Điện áp cực phát - cực gốc tối đa (VEBO): 6V Tiêu tán cực thu tối đa (Pc): 500 mW Tần số chuyển đổi tối đa (fT): 300 MHz Độ lợi dòng điện DC tối thiểu tối đa (hFE): 110 - 800 17 Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Nhiệt độ bảo quản hoạt động tối đa phải là: -65 đến +150 độ C 2.5.4 Ứng dụng   Mạch cảm biến Mạch tiền khuếch đại âm  Các giai đoạn khuếch đại âm  Chuyển đổi tải 100mA  Cặp transistor Darlington  Mạch tần số vô tuyến Chương 3: Sơ đồ mạch tính tốn 18 Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến 3.1 Khối vi xử lý trung tâm 3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF Hình 3.1: Ghép quang vi xử lý với module thu RF Chọn Iak = 30mA  R10 = R11 = R12 = R13 = (VCC - Vp) / Iak = (5V – 2V)/30mA = 100Ω  Chọn R10, R11, R12, R13 trở 100Ω Chọn IC = 0,5mA  R6 = R7 = R8 = R9 = (VCC - Vce)/IC = (5V - 0.2V)/0.5 mA = 9,8KΩ 19 Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến  Chọn R6, R7, R8, R9 trở 10KΩ 3.1.2 Điều khiển chuông Hình 3.2: Mạch điều khiển chng Trở kháng chng: 14.4 Ω Ics= (VCC -Vcesat)/R = (5V - 0.2V)/14.4 = 0.333A Ptt = Vce x IC = 0.333 x 0.2 = 0.067W = 67mW Chọn Q2 thỏa: Chọn Q2 BJT A1013, có β = 60 ÷ 320 Ibng = Ics/βmin = 333mA/60 = 5,5mA Chọn Ib = (2 ÷ 3) Ibng, chọn Ib = 10mA R5 = (VCC -Vec)/Ib = (5 - 0.7)/10 = 0.43KΩ = 430Ω Chọn R5 trở 470Ω 3.1.3 Điều khiển Relay 20 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Hình 3.3: Mạch điều khiển Relay Trở kháng cuộn dây relay: 69.4 Ω Ics = (VCC -Vcesat)/R = (5V - 0.2V)/69.4 = 0.069A = 69mA Ptt =Vce x IC = 69 x 0.2 = 13.8mW Chọn Q2 thỏa: Chọn Q2 BJT A1013, có: β = 60 ÷ 320 Ibng = Ics/βmin = 69mA/60 = 1.15mA Chọn Ib = (2 ÷ 3) Ibng, chọn Ib = 2mA R14 = R15 = (VCC -Vec)/Ib = (5V - 0.7V)/2mA = 2.15KΩ Chọn R14, R15 trở 2.2KΩ 3.2 Khối cảm biến 21 Đồ án môn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Hình 3.4: Sơ đồ khối cảm biến 3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo 22 Đồ án mơn học GVHD: Vũ Thị Hồng Yến Hình 3.5: Sơ đồ mạch khuếch đại khơng đảo Ta có: AV= Vout/Vin = (1 + R2/R1) Chọn AV = lần R2/R1 = - = Chọn dịng qua R2 thỏa: Iinput