Bộ cảnh báo rò rỉ khí gas dùng cảm biến MQ2

BAN CƠ YẾU CHÍNH PHỦ HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG  BÁO CÁO MÔN HỌC KĨ THUẬT CẢM BIẾN THIẾT KẾ BỘ CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS DÙNG CẢM BIẾN MQ 2 Giảng viên hướng dẫn Sinh viên tham gia Khoá DT3 Báo cáo môn Kỹ thuật cảm biến GVHD KS Đặng Văn Hải Hà Nội, 2022 NHẬN XÉT MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Ngày nay do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí Gas ngày một tăng Do đó sự cố xảy ra khi sử dụng khí Gas cũng ngày càng nhiều , nên nhu cầu thiết yếu hiện nay khi sử dụng khí Gas là làm sao.

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ -VIỄN THÔNG



BÁO CÁO MÔN HỌC KĨ THUẬT CẢM BIẾN

THIẾT KẾ BỘ CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS

DÙNG CẢM BIẾN MQ-2

Giảng viên hướng dẫn : ………

Sinh viên tham gia : ………

Khoá : DT3

Hà Nội, 2022

NHẬN XÉT

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Ngày nay do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí Gas ngày một tăng Do đó sự cố xảy ra khi sử dụng khí Gas cũng ngày càng nhiều , nên nhu cầu thiết yếu hiện nay khi sử dụng khí Gas là làm sao giảm thiểu sự

cố tai nạn xảy ra khi sử dụng khí Gas Thấy được sự cấp thiết của thiết bị cảnh báo rò rỉ khí Gas , nên nhóm chúng em chọn đề tài này nhằm tìm

hiểu và nghiên cứu để thiết kế ra một sản phẩm cảnh báo an toàn khi sử dụng khí Gas

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và thiết kế bộ cảnh báo rò rỉ khí Gas

3 Ứng dụng của sản phẩm

Được sử dụng ở nhưng nơi có nguy cơ rò rỉ khí Gas

Ví dụ: Bếp ăn của các nhà hàng hoặc hộ gia đình,

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

DANH MỤC HÌNH V

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1 Giới thiệu về cảm biến khí 1

1.2 Các loại cảm biến khí khác nhau 2

1.3 Cấu tạo cảm biến khí 3

1.4 Nguyên lý hoạt động 5

1.5 Cách sử dụng một cảm biến khí Gas? 6

1.6 Danh sách các loại cảm biến khí và công dụng 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LINH KIỆN 10

2.1 Sơ đồ khối chung 10

2.2 Khối nguồn 10

2.3 Khối cảm biến 11

2.3.1 Cảm biến khí MQ-2 11

2.4 Khối xử lý 14

2.4.1 KIT ESP32 15

2.5 Khối cảnh báo 16

2.5.1 Còi chip 5V 16

2.5.2 Màn hình LCD 1602 và Module I2C 18

2.5.3 Cảnh báo dựa vào kết nối Internet 20

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ SẢN PHẨM 21

3.1 Mô phỏng: 21

3.2 Sản phẩm thực tế: 21

3.3 Kết luận 22

3.3.1 Ưu điểm 22

3.3.2 Nhược điểm 22

PHỤ LỤC 23

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 Các dạng cảm biến khí 1

Hình 1.1 Cảm biến MQ – 2 2

Hình 1.3a Cấu trúc bên ngoài của cảm biến khí 3

Hình 1.3b Cấu trúc bên trong của cảm biến khí 3

Hình 1.3c Hình minh hoạ các bộ phận có trong cảm biến khí oxit kim loại 4

Hình 1.4 Cách hoạt động của các electron trong SnO2 6

Hình 1.5a Sơ đồ chân cảm biến khí MQ-4 7

Hình 1.5b Sơ đồ mạch cơ bản của cảm biến khí trong mô-đun cảm biến khí 8

Hình 2.1 Sơ đồ khối chung 10

Hình 2.2 Nguồn pin 9V 10

Hình 2.3.1a Cảm biến MQ-2 11

Hình 2.3.1b Hình ảnh thực Cảm biến MQ-2 và Module cảm biến MQ-2 12

Hình 2.3.1c Sơ đồ chân của cảm biến MQ-2 13

Hình 2.3.1d Sơ đồ module MQ-2 14

Hình 2.4.1a Hình ảnh thực ESP32 16

Hình 2.4.1b Thông tin các chân của ESP32 16

Hình 2.5.1 Hình ảnh thực của còi chip 5v 17

Hình 2.5.2a Hình ảnh thực của module I2C 18

Hình 2.5.2b Sơ đồ chân màn hình LCD 1602 Xanh lá 19

Hình 2.5.2c Hình đấu nối giao tiếp IC2 với LCD 16×2 19

Hình 2.5.3 Giao diện của Blynk 20

Hình 3.1 Mạch mô phỏng bộ cảnh báo rò rỉ khí Gas 21

Hình 3.2a Bộ cảm biến khí Gas + Blynk App khi không có rò rỉ Gas 21

Hình 3.2b Bộ cảm biến khí Gas + Blynk App khi có rò rỉ Gas 22

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 1 Các dạng cảm biến khí.

Một chiếc mũi của con người điển hình có 400 loại thụ thể mùi hương chophép chúng ta ngửi khoảng 1 nghìn tỷ mùi khác nhau Nhưng vẫn còn nhiềungười trong chúng ta không có khả năng xác định các loại hoặc nồng độ khí cótrong bầu khí quyển của chúng ta Đây là nơi Bộ cảm biến xuất hiện, cónhiều loại cảm biến để đo các thông số khác nhau và cảm biến Khí là một loạicảm biến rất tiện dụng trong các ứng dụng - nơi chúng ta cần phát hiện sự thayđổi nồng độ của khí độc để duy trì hệ thống an toàn và thận trọng với bất kỳ mối

đe dọa bất ngờ nào Có nhiều cảm biến khí khác nhau để phát hiện các loại khínhư oxy, Carbon Dioxide, Nitrogen, methane, v.v Chúng cũng có thể được tìmthấy trong các thiết bị được sử dụng để phát hiện sự rò rỉ của khí độc hại, giámsát chất lượng không khí trong các ngành công nghiệp và văn phòng, v.v…

1.1 Giới thiệu về cảm biến khí

Cảm biến khí là một thiết bị phát hiện sự hiện diện hoặc nồng độ của cácchất khí trong khí quyển Dựa trên nồng độ của khí, cảm biến tạo ra hiệu điệnthế tương ứng bằng cách thay đổi điện trở của vật liệu bên trong cảm biến, cóthể được đo dưới dạng điện áp đầu ra Dựa trên giá trị điện áp này, loại và nồng

độ của khí có thể được ước tính

Hình 1.1 Cảm biến MQ – 2

Loại khí mà cảm biến có thể phát hiện phụ thuộc vào vật liệu cảm biến cóbên trong cảm biến Thông thường các cảm biến này có sẵn dưới dạng mô-đunvới bộ so sánh như hình trên Các bộ so sánh này có thể được đặt cho một giá trịngưỡng cụ thể của nồng độ khí Khi nồng độ của khí vượt quá ngưỡng này, chân

kỹ thuật số sẽ tăng cao Chân tương tự có thể được sử dụng để đo nồng độ củakhí

1.2 Các loại cảm biến khí khác nhau

Cảm biến khí thường được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trênloại phần tử cảm biến mà nó được chế tạo Dưới đây là phân loại các loại cảmbiến khí khác nhau dựa trên phần tử cảm biến thường được sử dụng trong cácứng dụng khác nhau:

Cảm biến khí dựa trên Oxit kim loại.

Cảm biến khí quang.

Cảm biến khí điện hóa.

Cảm biến khí dựa trên điện dung.

Cảm biến khí nhiệt lượng.

Cảm biến khí dựa trên âm thanh.

1.3 Cấu tạo cảm biến khí

Trong tất cả các loại được liệt kê ở trên, cảm biến khí được sử dụng phổbiến nhất là cảm biến khí dựa trên chất bán dẫn oxit kim loại

-Cảm biến được bao bọc trong hai lớp lưới thép không gỉ được gọi làLưới chống cháy nổ Nó đảm bảo rằng bộ phận cuộn dây làm nóng bên trongcảm biến sẽ không gây nổ khi tiếp xúc với khí cháy

Hình 1.3a Cấu trúc bên ngoài của cảm biến khí

-Bên trong lưới che chắn sẽ có 2 thành phần:

Hình 1.3b Cấu trúc bên trong của cảm biến khí

-Tất cả các cảm biến khí sẽ bao gồm một phần tử cảm biến bao gồm các bộphận sau đây:

1. Lớp cảm biến khí (Gas sensing layer)

2. Cuộn dây sưởi (Heater Coil)

3. Dòng điện cực (Electrode line)

4. Gốm hình ống (Tubular ceramic)

Vòng kẹp

Lưới chống cháy nổ

Các chân kết nối

Phần tử cảm biến

5. Điện cực (Electrode)

Hình 1.3c Hình minh hoạ các bộ phận có trong cảm biến khí oxit kim loại

 Mục đích của mỗi phần tử này như sau:

- Lớp cảm biến khí: Là thành phần chính trong cảm biến có thể được sử

dụng để cảm nhận sự thay đổi nồng độ của các chất khí và tạo ra sự thay đổi vềđiện trở Lớp cảm biến khí về cơ bản là một điện trở hóa trị thay đổi giá trị điệntrở của nó dựa trên nồng độ của khí cụ thể trong môi trường Ở đây, phần tử cảmbiến được tạo thành từ một Thiếc Dioxit (SnO2) Vì vậy, bất cứ khi nào khí độcđược phát hiện, điện trở của phần tử thay đổi và dòng điện chạy qua nó thay đổi,điều này thể hiện sự thay đổi nồng độ của khí

- Cuộn dây sưởi: Mục đích của cuộn dây nóng là đốt cháy phần tử cảm

biến để độ nhạy và hiệu quả của phần tử cảm biến tăng lên Nó được làm bằng

Niken-Crom có nhiệt độ nóng chảy cao để nó có thể nóng lên mà không bị nóngchảy.

- Dòng điện cực: Vì phần tử cảm biến tạo ra dòng điện rất nhỏ khi khí

được phát hiện nên điều quan trọng hơn là phải duy trì hiệu suất mang dòng điệnnhỏ đó Vì vậy, dây bạch kim (Platinum wires) phát huy tác dụng ở chỗ nó giúp

di chuyển các electron một cách hiệu quả

- Điện cực: Nó là một điểm nối nơi đầu ra của lớp cảm biến được kết nối

với đường điện cực Sao cho dòng điện đầu ra có thể chạy đến thiết bị đầu cuốicần thiết Một điện cực ở đây được làm bằng Vàng (Au –Aurum) - là chất dẫnđiện rất tốt

- Gốm hình ống: Ở giữa cuộn dây sưởi và lớp cảm biến khí, tồn tại loại

gốm hình ống được làm bằng nhôm oxit (Al2O3) Vì nó có điểm nóng chảy cao,

nó giúp duy trì quá trình đốt cháy (làm nóng sơ bộ) của lớp cảm biến, mang lại

độ nhạy cao cho lớp cảm biến để có được dòng điện đầu ra hiệu quả

- Lưới che phần tử cảm biến: Để bảo vệ các phần tử cảm biến và thiết lập,

một lưới kim loại được sử dụng trên nó, lưới này cũng được sử dụng để tránh /giữ các hạt bụi xâm nhập vào lưới và ngăn chặn làm hỏng lớp cảm biến khí docác hạt ăn mòn

1.4 Nguyên lý hoạt động

Khả năng phát hiện khí của cảm biến Gas phụ thuộc vào chemiresistor đểdẫn dòng điện Chemiresistor được sử dụng phổ biến nhất là Thiếc Dioxit(SnO2), là một chất bán dẫn loại n có các điện tử tự do (còn được gọi là chấtcho) Thông thường bầu khí quyển sẽ chứa nhiều oxy hơn các khí dễ cháy Cácphần tử oxy thu hút các điện tử tự do có trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặtcủa SnO2 Vì không có electron tự do nên dòng điện đầu ra sẽ bằng không Ảnhdưới đây cho thấy các phân tử oxy (màu xanh lam) thu hút các điện tử tự do(màu đen) bên trong SnO2 và ngăn không cho nó có các điện tử tự do để dẫndòng điện

Hình 1.4 Cách hoạt động của các electron trong SnO2

Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử này (màu

da cam) phản ứng với các phần tử oxy bị hấp phụ và phá vỡ liên kết hóa họcgiữa oxy và các điện tử tự do, do đó giải phóng các điện tử tự do Khi các điện

tử tự do trở lại vị trí ban đầu, chúng có thể dẫn dòng điện, sự dẫn điện này sẽ tỷ

lệ thuận với số lượng điện tử tự do có sẵn trong SnO2, nếu khí có độc tính caothì sẽ có nhiều điện tử tự do hơn

Hình 1.5a Sơ đồ chân cảm biến khí MQ-4

Các cảm biến này thường có sẵn dưới dạng mô-đun (hình bên phải), cácmô-đun này bao gồm cảm biến khí và IC so sánh Bây giờ chúng ta hãy xem mô

tả chân của mô-đun cảm biến khí mà chúng ta thường sử dụng với Arduino đun cảm biến khí về cơ bản bao gồm 4 thiết bị đầu cuối:

Mô-Vcc - Nguồn điện

GND – Chân Ground

Đầu ra kỹ thuật số (D0) - Chân này cho đầu ra ở mức logic cao hoặc

logic thấp (0 hoặc 1) có nghĩa là nó hiển thị sự hiện diện của bất kỳ khíđộc hoặc dễ cháy nào gần cảm biến

Đầu ra tương tự (A0) - Chân này cung cấp điện áp đầu ra liên tục thay

đổi dựa trên nồng độ khí được đưa vào cảm biến khí

Như đã thảo luận trước đó, chỉ riêng đầu ra điện áp của cảm biến khí sẽ rấtnhỏ (tính bằng mV) vì vậy phải sử dụng mạch bên ngoài để có được đầu ra kỹthuật số cao thấp từ cảm biến Với mục đích này, một bộ so sánh( LM393 ), chiết áp có thể điều chỉnh , một số điện trở và tụ điện được sử dụng.Mục đích của LM393 là lấy đầu ra từ cảm biến, so sánh nó với điện áptham chiếu và hiển thị đầu ra có cao về mặt logic hay không Trong khi mụcđích của chiết áp là đặt giá trị ngưỡng yêu cầu của khí mà trên đó chân đầu ra kỹthuật số phải tăng cao

Hình 1.5b Sơ đồ mạch cơ bản của cảm biến khí trong mô-đun cảm biến khí

Ở đây A và B là các cực đầu vào và đầu ra (chúng có thể đảo ngược - cónghĩa là bất kỳ thiết bị đầu cuối ghép nối nào có thể được sử dụng làm đầu vàohoặc đầu ra) và H là đầu cuối của cuộn dây Lò sưởi Mục đích của biến trở làđiều chỉnh điện áp đầu ra và duy trì độ nhạy cao

Nếu không có điện áp đầu vào nào được áp dụng cho cuộn dây nóng, thìdòng điện đầu ra sẽ rất nhỏ (không đáng kể hoặc xấp xỉ 0) Khi đủ điện áp đượcđặt vào cực đầu vào và cuộn dây nóng, lớp cảm biến sẽ thức dậy và sẵn sàngcảm nhận bất kỳ khí dễ cháy nào gần nó Ban đầu, giả sử rằng không có khí độcgần cảm biến, do đó điện trở của lớp không thay đổi và dòng điện đầu ra và điện

áp cũng không thay đổi và không đáng kể (xấp xỉ 0)

Bây giờ hãy giả sử rằng có một số khí độc gần đó Khi cuộn dây nóng đượclàm nóng trước, bây giờ có thể dễ dàng phát hiện ra bất kỳ khí dễ cháy nào Khilớp cảm ứng tương tác với các chất khí, điện trở của vật liệu thay đổi và dòngđiện chạy qua mạch cũng thay đổi Sau đó có thể quan sát thấy sự thay đổi biếnthiên này ở điện trở tải (RL)

Giá trị của điện trở tải (RL) có thể nằm trong khoảng từ 10KΩ đến47KΩ Giá trị chính xác của điện trở tải có thể được chọn bằng cách hiệu chuẩnvới nồng độ đã biết của khí Nếu chọn điện trở tải thấp thì mạch có độ nhạy kémhơn và nếu chọn điện trở tải cao thì mạch có độ nhạy cao

1.6 Danh sách các loại cảm biến khí và công dụng

Tên cảm

biến

Khí để đo

MQ-2 Mêtan, Butan, LPG, Khói

MQ-3 Rượu, Ethanol, Khói thuốc

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LINH KIỆN 2.1 Sơ đồ khối chung

Hình 2.1 Sơ đồ khối chung

Ở khối cảm biến MQ-2 cảm nhận được khí gas rò rỉ , truyền tín hiệu đến khối xử lý, ở khối xử lý ESP32 sẽ xử lý tín hiệu sau đó gửi tín hiệu đến khối

cảnh báo , khi nhận được tín hiệu chấp hành từ khối xử lý, còi chip sẽ báo động, led đỏ nháy sáng và màn hình LCD sẽ hiển thị nội dung cảnh báo

2.2 Khối nguồn

- Chức năng: Khối nguồn ổn định 9V , cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động..

Hình 2.2 Nguồn pin 9V

2.3 Khối cảm biến

2.3.1 Cảm biến khí MQ-2

Sau phần tổng quan lý thuyết về cảm biến khí ở Chương 1 phía trên, ởmục 2.3.1 này sẽ nói cụ thể hơn về cảm biến khí MQ-2 (được sử dụng trong đềtài) Nguyên lý hoạt động cụ thể cũng đã được nói ở mục trên

- Chức năng: Nhận biết được sự xuất hiện của khí Gas bị rò rỉ và đưa tínhiệu thông báo đến khối xử lý

- Linh kiện chính của khối này là: MQ-2 ( dùng để cảm biến khí GAS )

Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với

không khí sạch Nhưng khi trong môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nóthay đổi ngay Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản đểbiến đổi từ độ nhạy này sang điện áp

- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu racàng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao

Hình 2.3.1b Hình ảnh thực Cảm biến MQ-2 và Module cảm biến MQ-2

Thông số kỹ thuật của MQ-2:

- Sơ lược về cảm biến và nguyên lý hoạt động:

Trong cảm biến có 6 chân:

+ Chân 1,2 là A: Các chân A và chân B có thể đổi cho nhau Các chân này sẽ nối vào nguồn Vcc

+ Chân 4,5 là B: Các chân A và chân B có thể đổi cho nhau Một chân sẽhoạt động như đầu ra Aout và chân còn lại sẽ nối GND

+ Chân 3,6 là H: 1 chân được kết nối với nguồn Vcc và chân còn lại nối với GND

Hình 2.3.1c Sơ đồ chân của cảm biến MQ-2

Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:

+ Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 - 4.5V, phụ thuộc vào nồng

+ Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặcthiết bị cảnh báo khác

- Cách thức thực hiện của MQ-2:

Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1 Cho khí ga

từ bật lửa rò rỉ ra Ta thấy giá trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí ga từbật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trịVout2 Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo được lớnhơn ta sẽ cảnh báo

Hình 2.3.1d Sơ đồ module MQ-2

- Ưu điểm của MQ-2:

MQ-2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hoá lỏng LPG, H2, và cácchất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong dân dụng và mô phỏng

do mạch đơn giản và chi phí thấp

- Nhược điểm của MQ-2:

Khi làm việc với MQ-2 chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trịnồng độ ppm Rồi từ đó hiện thị và cảnh báo theo ppm Do giá trị điện áp trả vềtừng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa nên việc thôngbáo nồng độ chính xác là khá khó khăn

2.4.1 KIT ESP32

- Tổng quan: ESP32 là một hệ thống vi điều khiển trên chip (SoC) giá rẻcủa Espressif Systems, nhà phát triển của ESP8266 SoC Nó là sự kế thừa củaSoC ESP8266 và có cả hai biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bitXtensa LX6 của Tensilica với Wi-Fi và Bluetooth tích hợp

Điểm tốt về ESP32, giống như ESP8266 là các thành phần RF tích hợp của

nó như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại nhận tiếng ồn thấp, công tắc ten, bộ lọc và Balun RF Điều này làm cho việc thiết kế phần cứng xung quanhESP32 rất dễ dàng vì bạn cần rất ít thành phần bên ngoài

ăng-Một điều quan trọng khác cần biết về ESP32 là nó được sản xuất bằng côngnghệ 40 nm công suất cực thấp của TSMC Vì vậy, việc thiết kế các ứng dụnghoạt động bằng pin như thiết bị đeo, thiết bị âm thanh, đồng hồ thông minh, sửdụng ESP32 sẽ rất dễ dàng

Thông số chính ESP32:

 Bộ vi xử lý LX6 32-bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240MHz

 520 KB SRAM, 448 KB ROM và 16 KB SRAM RTC

 Hỗ trợ kết nối Wi-Fi 802.11 b/g/n với tốc độ lên đến 150 Mbps

 Hỗ trợ cho cả thông số kỹ thuật Bluetooth v4.2 và BLE cổ điển

 34 GPIO có thể lập trình

 18 kênh SAR ADC 12 bit và 2 kênh DAC 8 bit

 Kết nối nối tiếp bao gồm 4 x SPI, 2 x I2C, 2 x I2S, 3 x UART

 Ethernet MAC cho giao tiếp mạng LAN vật lý (yêu cầu PHY bênngoài)

 1 bộ điều khiển host cho SD / SDIO / MMC và 1 bộ điều khiển slave choSDIO / SPI

 Động cơ PWM và 16 kênh LED PWM

 Khởi động an toàn và mã hóa Flash