Đề tài Hệ thống báo cháy sửa dụng cảm biến báo khói + cảm biến nhiệt độ và cảm biến hồng ngoại Đồ án 9 đ Đề tài Hệ thống báo cháy sửa dụng cảm biến báo khói + cảm biến nhiệt độ và cảm biến hồng ngoại Đồ án 9 đ Đề tài Hệ thống báo cháy sửa dụng cảm biến báo khói + cảm biến nhiệt độ và cảm biến hồng ngoại Đồ án 9 đ
Tổng quan về hệ thống
Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động
1.1.1 Khái niệm hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy tự động là tập hợp các thiết bị chuyên dụng có chức năng phát hiện và cảnh báo khi xảy ra cháy Hệ thống này có khả năng nhận diện tín hiệu cháy một cách tự động hoặc thông qua sự can thiệp của con người, và phải hoạt động liên tục 24/24 giờ để đảm bảo an toàn.
1.1.2 Các thành phần của hệ thống báo cháy tự động
Một hệ thống báo cháy tự động cơ bản gồm có 3 thành phần chính nhƣ sau:
- Trung tâm báo cháy: Đƣợc thiết kế dạng tủ, bao gồm các thiết bị chính nhƣ: Bo mạch, biến thế, pin/ắcqui
- Thiết bị đầu vào: Đầu báo cháy, bao gồm các loại cơ bản nhƣ: đầu báo khói, đầu báo nhiệt, đầu báo gas, đầu báo lửa
Công tắc khẩn (nút nhấn khẩn cấp)
+ Đèn báo cháy, bộ quay số điện thoại tự động
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy hoạt động theo quy trình khép kín, bắt đầu khi có dấu hiệu cháy như nhiệt độ tăng đột ngột, khói hoặc tia lửa Các thiết bị đầu vào như đầu báo cháy và công tắc khẩn sẽ nhận tín hiệu và gửi thông tin về Trung tâm báo cháy Tại đây, thông tin được xử lý để xác định vị trí cháy thông qua các zone hoặc loop, sau đó truyền thông tin đến các thiết bị đầu ra.
Bảng hiển thị phụ, chuông, còi và đèn là những thiết bị quan trọng giúp phát tín hiệu âm thanh và ánh sáng, nhằm cảnh báo mọi người nhận biết khu vực đang xảy ra cháy Việc nhận biết kịp thời sẽ giúp mọi người có biện pháp xử lý hiệu quả và an toàn trong tình huống khẩn cấp.
1.1.4 Phân loại hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy sử dụng 2 loại điện thế khác nhau: 12V và 24V
Hệ thống báo cháy 24V và 12V đều có tính năng kỹ thuật tương tự, nhưng hệ thống 12V không chuyên nghiệp và thường được sử dụng trong hệ thống báo trộm, yêu cầu có bàn phím lập trình Ngược lại, hệ thống 24V là hệ thống báo cháy chuyên nghiệp, có khả năng truyền tín hiệu xa hơn và không cần bàn phím lập trình.
Hệ thống báo cháy đƣợc chia làm 2 hệ chính, gồm:
- Hệ thống báo cháy thông thường
Hệ thống báo cháy thông thường, với tính năng đơn giản và giá thành hợp lý, phù hợp lắp đặt cho các công trình có diện tích vừa và nhỏ (khoảng vài ngàn m2) và số lượng phòng ban không nhiều (vài chục phòng) Các thiết bị trong hệ thống được kết nối nối tiếp với Trung tâm báo cháy, dẫn đến việc trung tâm chỉ có thể nhận biết khái quát và hiển thị toàn bộ khu vực (zone) mà không xác định chính xác vị trí từng đầu báo hoặc địa điểm xảy ra cháy Điều này hạn chế khả năng xử lý của nhân viên giám sát trong các tình huống khẩn cấp.
Hệ thống báo cháy thông thường đã tồn tại lâu dài và mặc dù ít thay đổi cơ bản trong thời đại kỹ thuật, nhưng thiết kế và độ tin cậy của nó đã được cải tiến đáng kể theo thời gian Hệ thống này đã chứng minh vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tài sản và sinh mạng con người, đặc biệt trong hàng triệu trường hợp hỏa hoạn trên toàn thế giới.
Hệ Thống Báo cháy thông thường là lựa chọn tự nhiên của những công trình nhỏ hoặc những nơi mà ngân sách có giới hạn
Trong hệ thống báo cháy thông thường, tính năng 'thông minh' chủ yếu tập trung vào tủ điều khiển, nơi nhận tín hiệu từ các đầu báo cháy và công tắc khẩn, sau đó truyền tín hiệu đến các thiết bị báo động khác Các đầu báo cháy thường được kết nối với tủ điều khiển qua các mạch dây, mỗi mạch bảo vệ cho một khu vực riêng biệt Đầu báo cháy hoạt động với hai trạng thái chính: trạng thái bình thường và trạng thái báo động.
Các yêu cầu cơ bản
Mô tả kỹ thuật a Mô tả nhiệm vụ công nghệ
Hệ thống có khả năng:
- Cảnh báo cháy bằng đèn và còi
- Hiển thị vị trí cháy trên màn hình LCD với số vùng cảnh bảo >=3
- Giả lập tín hiệu điều khiển van phun nước dập lửa tự động bằng tín hiệu đèn b Cấu trúc thiết bị
Thiết bị Loại sử dụng
Cảm biến Cảm biến báo cháy
Bộ điều khiển Vi điều khiển
Tín hiệu cảnh báo Đèn và còi
Ý nghĩa thực tiễn
Hiện nay, các vụ cháy xảy ra thường xuyên và để lại hậu quả nghiêm trọng, do đó, hệ thống báo khói và báo cháy tự động trở nên cực kỳ cần thiết Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong mọi tòa nhà, công ty, trường học và cơ quan Nó bao gồm nhiều thiết bị chuyên nghiệp với chức năng và nhiệm vụ khác nhau, mỗi thiết bị đảm nhận một giai đoạn trong việc phát hiện và cảnh báo khi có cháy xảy ra.
Hệ thống phát hiện cháy tự động là rất quan trọng cho các tòa nhà đông người, giúp nhận diện nhanh chóng các dấu hiệu nguy hiểm như nhiệt độ tăng cao, khói và lửa thông qua các thiết bị thông minh.
Và các hệ thống này đƣợc cài đặt hoạt động liên tục trong 24/24 giờ
Nhờ có chúng mà con người có thể tránh được những mối nguy hiểm do hỏa hoạn có thể gây ra hoặc các thiệt hại về vật chất.
Xây dựng mô hình hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống
a, Sơ đồ khối b, Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối
Khối nguồn Sử dụng nguồn điện DC có điện áp 9V để cung cấp cho hoạt động của mạch
Khối cảm biến cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phát hiện nhiệt độ cao và đƣa thông tin về khối xử lí
cảm biến khói : Sử dụng module cảm biến khói có nhiệm vụ phát hiện khói và đƣa thông tin về khối xử lí
Cảm biến tia lửa: Nhận biết sự xuất hiện của tia lửa điện và đƣa thông tin về khối xử lí
Khối xử lý Sử dụng bộ điều khiển dùng để giao tiếp với các khối cảm biến nhiệt độ
Khối cảnh báo Nhận tín hiệu chấp hành từ khối xử lí và phát cảnh báo ra loa.
Phân tích và lựa chọn cảm biến
a Cảm biến tia lửa điện ( Flame Sensor)
Hình 2.1: Module LED Thu Hồng Ngoại ML-R940
- Có thể phát hiện ngọn lửa hoặc bước sóng ở dải 760 nm đến 1100 nm của nguồn sáng
Hình 2.2: Thông số cảm biến
Khoảng cách phát hiện 80 cm
Góc phát hiện 60 0 Điều chỉnh độ nhạy Chiết áp Điện áp 3.5 – 5 V Đầu vào Analog Đầu ra Digital
Kích thước 3.2 1.4 cm b Cảm biến khói
Sử dụng cảm biến MQ-02
Hình 2.4 Cảm biến MQ-02 Nguyên lý hoạt động :
Cảm biến MQ-2 hoạt động dựa trên phần tử SnO2, có độ dẫn điện thấp trong không khí sạch Khi có mặt khí dễ cháy, độ dẫn điện của cảm biến tăng lên, và nồng độ khí càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 càng lớn, từ đó tạo ra tín hiệu điện tương ứng.
Thông số kĩ thuật : Điện áp hoạt động 5V
Phạm vi phát hiện 300- 10000ppm
Thời gian phục hồi ≤ 30s Đầu vào analog Điều kiện làm việc Nhiệt độ: -20 ℃ ~ 55 ℃ c Cảm biến nhiệt độ LM35
Hình 2.5 Cảm biến LM35 Thông số kỹ thuật Điện áp hoạt động 4-20VDC
Cụng suất tiờu thụ 60àA
Khoảng đo -55⁰C đến 150⁰C Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ 10mV/⁰C
Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
Arduino Uno R3 SMD (Số lƣợng 1)
Arduino Uno R3 SMD là phiên bản rút gọn của Arduino Uno R3 chip cắm, với đầy đủ chức năng và chân ngoại vi tương tự Board này sử dụng linh kiện giá rẻ, dẫn đến độ bền thấp hơn Nếu bạn cần một giải pháp tiết kiệm chi phí cho các dự án không yêu cầu giao tiếp UART nhiều với máy tính, Arduino Uno R3 SMD là sự lựa chọn hợp lý.
Bảng 2.1:Một vài thông số của Arduino UNO R3
STT Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
1 Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
2 Tần số hoạt động 16 MHz
3 Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
4 Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
5 Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
6 Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
7 Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
8 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
9 Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
10 Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
11 Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
Sơ đồ ra chân (Pinout):
Hình 2.4 Sơ đồ ra chân (Pinout)
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
Chân IOREF trên Arduino UNO cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, luôn duy trì ở mức 5V Tuy nhiên, không nên sử dụng chân này để cấp nguồn 5V, vì chức năng chính của nó không phải là cung cấp điện.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET đƣợc nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Arduino UNO không có chức năng bảo vệ nguồn cắm ngược, do đó cần kiểm tra kỹ các cực âm và dương trước khi cấp nguồn Việc cấp nguồn sai có thể làm hỏng board mạch, khiến nó không còn hoạt động Vì vậy, nên sử dụng nguồn từ cổng USB để đảm bảo an toàn cho Arduino UNO.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino được thiết kế để cung cấp nguồn cho các thiết bị khác, không phải để nhận nguồn vào Cấp nguồn sai vị trí có thể gây hỏng board, điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vƣợt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển
Cường độ dòng điện tối đa cho phép qua chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO là 40mA; vượt quá mức này sẽ gây hỏng vi điều khiển Do đó, nếu không sử dụng để truyền nhận dữ liệu, cần phải mắc một điện trở hạn dòng để bảo vệ thiết bị.
Khi nói rằng bạn "có thể làm hỏng" linh kiện điện tử, điều này không có nghĩa là hỏng ngay lập tức, vì các thông số kỹ thuật của chúng thường có sự tương đối nhất định Để tránh phải mua một board Arduino UNO thứ hai, hãy tuân thủ các thông số kỹ thuật mà nhà sản xuất đã cung cấp.
Do đó hãy cứ tuân thủ theo những thông số kĩ thuật của nhà sản xuất nếu bạn không muốn phải mua một board Arduino UNO thứ 2
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
Bộ nhớ Flash 32KB trên vi điều khiển cho phép lưu trữ các đoạn lệnh lập trình, trong đó khoảng vài KB thường được sử dụng cho bootloader Tuy nhiên, bạn không cần lo lắng vì thường thì bạn hiếm khi cần quá 20KB bộ nhớ này.
SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ các biến mà bạn khai báo trong quá trình lập trình Số lượng biến càng nhiều thì yêu cầu về bộ nhớ RAM cũng tăng lên Tuy nhiên, bộ nhớ RAM thường không phải là mối bận tâm lớn trong lập trình Lưu ý rằng dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi có sự cố mất điện.
EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình và xóa điện tử) hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép bạn đọc và ghi dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM Arduino UNO có 14 chân digital để đọc và xuất tín hiệu, với hai mức điện áp 0V và 5V, và dòng vào/ra tối đa 40mA trên mỗi chân Mỗi chân được trang bị các điện trở pull-up được cài đặt trong vi điều khiển ATmega328, mặc dù các điện trở này không được kết nối mặc định.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt nhƣ sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
Arduino Uno có khả năng giao tiếp với các thiết bị khác thông qua hai chân nhận dữ liệu TTL Serial (RX) Kết nối Bluetooth thường được coi là một hình thức kết nối Serial không dây Nếu không cần thiết phải giao tiếp Serial, người dùng không nên sử dụng hai chân này.
Chân PWM (3, 5, 6, 9, 10, và 11) cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, tạo ra điện áp từ 0V đến 5V Điều này có nghĩa là bạn có thể điều chỉnh điện áp ra ở các chân này, thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như các chân khác, thông qua hàm analogWrite().
Chân giao tiếp SPI bao gồm 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Ngoài chức năng thông thường, các chân này còn hỗ trợ truyền dữ liệu qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó đƣợc nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) với độ phân giải tín hiệu 10bit, cho phép đọc giá trị điện áp từ 0V đến 5V Chân AREF trên board cho phép cấp điện áp tham chiếu, ví dụ, nếu cấp 2.5V vào chân này, các chân analog sẽ đo điện áp trong khoảng 0V đến 2.5V với độ phân giải 10bit Ngoài ra, Arduino UNO còn có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Một số linh kiện khác
Thông số kỹ thuật LCD 16x2
LCD 16x2 đƣợc sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số
LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều khiển (RS, RW, EN)
5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2
Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu
Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi
LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm b Module I2C LCD 16x2
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển
Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối
Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16x2, LCD 20x4, ) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay
Tiết kiệm chân cho vi điều khiển
Dễ dàng kết nối với LCD
Thông số kĩ thuật Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC
Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)
Giao tiếp: I2C Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)
Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD c Đèn LED cảnh báo màu đỏ
Hình 2.7 Đèn LED Đường kính: 5mm
Bước sóng: 640 mm Điện áp chuyển tiếp 1,8-2,2V, ở dòng điện 20Ma
1500 MCD độ sáng điển hình
Dòng điện liên tục tối đa: 30mA d Còi báo
Hình 2.8 Còi báo Điện áp: 3.5-5.5V
Dây bus 21cm câu mạch 2 đầu đực cái
Dây dùng để nối các Jump trên mạch in thủ công, nối các chân linh kiện điện tử với nhau
Dây có độ bền cao, tiếp xúc điểm rất tôt, độ dài hợp lý 21Cm
Chức năng và ứng dụng:
Dây dùng để nối các Jump trên mạch in thủ công, nối các chân linh kiện điện tử với nhau
Thích hợp dùng với Breadboard hoặc kết nối các ngoại vi với bo vi điều khiển, nhúng
Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
- Mạch mô phỏng trên Proteus
Hình 2.10:Mạch đo của hệ thống
Mô phỏng trên phần mềm
1 Mạch mô phỏng trên Proteus
Hình 2.13 Mô phỏng mạch báo cháy trên Proteus
Do tín hiệu đầu vào của cảm biến khói là tín hiệu analog, việc mô phỏng trên phần mềm Proteus không khả thi Vì vậy, nhóm sẽ thực hiện thí nghiệm trong mô hình thực tế để thu được kết quả.
3 Mô phỏng báo tia lửa điện
- Trường hợp 1: Mạch khi chưa có tín hiệu tia lửa
Màn LCD hiển thị trạng thái bình thường Đèn tắt
Hình 2.14 Mạch báo cháy ở trạng thái bình thường
- Trường hợp 2: Khi nhận ra tín hiệu có xuất hiện tia lửa điện
Cảm biến nhận tín hiệu có tia lửa => đèn báo sáng, còi cảnh báo kêu
Hình 2.15 Mô phỏng mạch báo cháy khi có tia lửa
Có tia lửa Đèn cảnh báo sáng
Kết quả
1 Mô hình mạch báo cháy
Hình 2.16 Mô hình mạch báo cháy
- Cảm biến khí gas MQ02 : 1
- Cảm biến tia lửa (Module LED Thu Hồng Ngoại ML-R940): 1
2 Hoạt động cảm biến báo khói
Trạng thái trước khi có tín hiệu khói
Màn LCD : Aout của MQ-2 khoảng 120, nhiệt độ thực là khoảng 17 độ
Hình 2.17 Mô hình mạch báo cháy ở trạng thái bình thường
Khi có khói và nhiệt độ cao quá 60⁰C
đèn báo sáng, còi kêu
Trạng thái: BAO DONG_WARNING
3 Hoạt động cảm biến tia lửa
Trạng thái trước khi có tia lửa
Báo trạng thái : BINH THUONG
Hình 2.19 Mô hình mạch báo cháy ở trạng thái bình thường
Màn LCD hiển thị : BAO DONG_WARNING Đèn báo sáng, còi báo kêu
Hình 2.20 Mô hình mạch báo cháy khi có tia lửa
