thiết kế hệ thống cảnh báo khí gas

MỞ ĐẦU Trong xã hội hiện đại, khi nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng thì những sự cố không đáng có do sử dụng loại năng lượng này ngày một tăng lên. Theo đó, điều cấp thiết là phải xây dựng những hệ thống tối tân nhằm đảm bảo việc sử dụng khí gas an toàn hơn. Đồ án cảm biến khí gas theo đó là một trong những trọng tâm của sinh viên nhằm thiết kế ra sản phẩm làm giảm tối đa sự cố khi sử dụng khí gas trong cuộc sống thường nhật. Với những kiến thức đã được học ở trường và từ khoa học công nghệ từ cuộc sống hiện đại, em cũng muốn góp một phần nào vào sự phát triển của xã hội bằng cách học hỏi và tạo ra các sản phẩm có ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống đó là mạch cảm biến khí gas. Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo, cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Tổng quan thiết kế Ta cần thiết kế ba khối chính cho mạch: khối nguồn, khối cảm biến khí ga và khối báo động. Mạch này thiết kế để phát hienj khí gas từ 200PPM đến 10000PPM. Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta sử dụng modul cảm biến MQ2 đặt gần bình gas khoảng 15cm. Sử dụng loa 12v để phát còi báo động và LED phát sáng khi có khí gas rò rỉ. 1.2. Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế 1.2.1. Cảm biến MQ2 MQ2 về cơ bản là một cảm biến khí đa năng (tương tự MQ5), MQ2 có thể cảm nhận được một loạt các loại khí như LPG (khí dầu mỏ hoá lỏng hay còn gọi là khí gas), Butane, Methane (CH4), Hidro và ngoài ra các khí này MQ2 thì cũng nhận biết cả khói. Sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện. Cảm biến khí gas MQ2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mêtan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở. Thông số kỹ thuật Nguồn hoạt động: 5V Loại dữ liệu: Analog Phạm vi phát hiện rộng Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao Mạch đơn giản Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

HUỲNH THỊ BẢO TRÂN 3118500057

NHÓM: 2004

ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN

DÙNG MÁY TÍNH

NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2021

ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN

HUỲNH THỊ BẢO TRÂN 3118500057

NHÓM: 2004

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN CẢNH BÁO KHÍ

ĐỘC HẠI

ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN

DÙNG MÁY TÍNH

NGÀNH: KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: THS NGUYỄN HỮU PHÚC

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 9 NĂM 2021

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.1 Tổng quan thiết kế 1

1.2 Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế 1

1.2.1 Cảm biến MQ2 1

1.2.2 I2C PCF8574 3

1.2.3 LCD 1602 4

1.2.4 Arduino Uno R3 SMD 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG 7

2.1 Sơ đồ khối: 7

2.2 Lập trình mô phỏng sử dụng proteus 7

2.3 Code của mạch cảm biến sử dụng khí gas dùng trên Arduino 8

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 11

3.1 Ưu điểm 11

3.2 Nhược điểm 11

Tài liệu tham khảo 12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

Trong xã hội hiện đại, khi nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng thì những sự cố không đáng có do sử dụng loại năng lượng này ngày một tăng lên Theo đó, điều cấp thiết là phải xây dựng những hệ thống tối tân nhằm đảm bảo việc sử dụng khí gas an toàn hơn Đồ án cảm biến khí gas theo đó là một trong những trọng tâm của sinh viên nhằm thiết kế ra sản phẩm làm giảm tối đa sự cố khi sử dụng

Với những kiến thức đã được học ở trường và từ khoa học công nghệ từ cuộc sống hiện đại, em cũng muốn góp một phần nào vào sự phát triển của xã hội bằng cách học hỏi và tạo ra các sản phẩm có ích cho cuộc sống Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống đó là mạch cảm biến khí gas

Do kiến thức và trình độ năng lực hạn hẹp nên việc thực hiện đề tài này không thể tránh được thiếu sót, kính mong nhận được sự thông cảm và góp ý của thầy giáo,

cô giáo và các bạn để đồ án này hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn

1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan thiết kế

khối báo động Mạch này thiết kế để phát hienj khí gas từ 200PPM đến 10000PPM

Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta sử dụng modul cảm biến MQ2 đặt gần bình gas khoảng 15cm Sử dụng loa 12v để phát còi báo động và LED phát sáng khi có khí gas

rò rỉ

1.2 Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế

1.2.1 Cảm biến MQ2

MQ2 về cơ bản là một cảm biến khí đa năng (tương tự MQ5), MQ2 có thể cảm nhận được một loạt các loại khí như LPG (khí dầu mỏ hoá lỏng hay còn gọi

là khí gas), Butane, Methane (CH4), Hidro và ngoài ra các khí này MQ2 thì cũng nhận biết cả khói

Sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí

dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì

độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện

Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở

Thông số kỹ thuật

- Nguồn hoạt động: 5V

- Loại dữ liệu: Analog

- Phạm vi phát hiện rộng

- Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao

- Mạch đơn giản

- Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài

2

Trong mạch có hai chân đầu ra Aout vad Dout

- Aout là đầu ra điện áp tương tự chạy từ 0.3 đến 4.5v tùy nồng độ khí xung

quanh MQ2

- Dout là đầu ra điện áp số với giá trị 0.1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu

và nông độ khí MQ2 đo được

- Việc có chân Dout rất tiện cho ta lắp các mạch đơn giản không cần đến vi điều khiển Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout =1 đèn tắt ngược lại nồng độ khí đo được vượt mức cho phép thì Dout =0 đèn tín hiệu báo sáng Trong thiết bị này để đo mức cảnh báo ta làm như sau

- Đầu tiên đo mức không khí sạch đặt làm Vout1

Hình 1.1 Module cảm biến khí gas MQ2

Hình 1.2 Sơ đồ chân của MQ2

3

- Cho khí gas từ bật lửa tăng lên đạt đến mức cảnh báo nguy hiểm ta lưu lại giá trị Vout2 Làm giá trị cảnh báo khi đo vượt ngưỡng còi sẽ hú báo động

1.2.2 I2C PCF8574

Khi giao tiếp các sản phẩm cần nhiều chân tín hiệu như bàn phím, led,… thì sẽ cần nhiều dây nhiều chân kết nối gây khó khăn trong quá trình làm việc Board mở rộng I2C WaveShare PCF8574 sẽ giải quyết được sẽ giải quyết được vấn đề trên thông qua chuẩn giao tiếp I2C

Chỉ cần 2 chân SCL và SDA có thể điều khiển được 8 chân tín hiệu

Ngoài ra có thể kết nối song song lên đến 8 board, lên đến 64 chân tín hiệu Mạch mở rộng chân I/O Expander PCF8574 được sử dụng để mở rộng chân giao tiếp I/O của Vi điều khiển qua giao tiếp I2C, mạch có khả năng mở rộng 8 I/O giúp bạn giao tiếp được với nhiều thiết bị chỉ qua một vài bước thiết đặt đơn giản, mạch tích hợp DIP Switch giúp dễ dàng thay đổi địa chỉ I2C

Thông số kỹ thuật:

- IC chính: PCF8574

- Điện áp hoạt động : 2.5~6VDC

- Giao tiếp : I2C, thiết lập địa chỉ bằng DIP Switch

- Số chân giao tiếp mở rộng: 8 I/O

- Tần số : 100kHz maximum

Hình 1.3 Sơ đồ mắc MQ2

4

- Kích thước : 37.5 x 16.7 mm

1.2.3 LCD 1602

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng

trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ,…

Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:

- Điện áp MAX : 7V

- Điện áp MIN : - 0,3V

- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V

- Điện áp ra mức cao : > 2.4

- Điện áp ra mức thấp : <0.4V

- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA

- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C

Chức năng của từng chân LCD 1602:

- Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển

Hình 1.4 I2C PCF8574

5

- Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển

- Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế

độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc

- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau:

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

1.2.4 Arduino Uno R3 SMD

Mạch Arduino Uno R3 SMD có cách sử dụng hoàn toàn giống với Arduino Uno R3 DIP, chỉ có điểm khác là Arduino Uno R3 sử dụng chíp dán (SMD) tương

tự Arduino Uno bản chân cắm (DIP), chỉ khác là bản SMD sử dụng chíp nạp CH340 nên tiết kiệm chi phí và rẻ hơn nhiều

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

6

Thông số kỹ thuật

xung)

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MÔ PHỎNG

2.1 Sơ đồ khối:

2.2 Lập trình mô phỏng sử dụng proteus

Hình 2.1 Sơ đồ khối hoạt động của mạch cảm biến khí gas

Hình 2.2 Mô phỏng mạch cảm biến khí gas dùng proteus

8

2.3 Code của mạch cảm biến sử dụng khí gas dùng trên Arduino

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // khai bao thu vien lcd sử dụng i2c LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);

#define sensor A0 // chân sử sủng cảm biến ga

int led = 13; // led chân số 13

int speaker = 12; // loa chân số 12

Hình 2.4 Mạch đang hoạt động

Hình 2.3 Các linh kiện trong mạch

9

void setup()

{

lcd.init(); // khoi tạo lcd

lcd.backlight(); // bật đèn lcd

pinMode(sensor,INPUT); // input tại chân số 2

pinMode(led,OUTPUT);

pinMode(speaker, OUTPUT);

lcd.setCursor(0,0); // đưa con trỏ tới hàng 0 cột 0

lcd.print("thanhloc"); // in ra màn hình chữ thành lộc

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("cam bien khi ga");

delay(1000);

lcd.clear();

}

void loop()

{

if(digitalRead(sensor) ==HIGH ) // nếu chân số 2 có mức cao , cảm biến phát hiện có khí ga

{

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Canh bao"); // in cảnh báo

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("ro ri ga");

digitalWrite(led,HIGH); // led sáng

digitalWrite(speaker,HIGH); // loa kêu

}

else

{

lcd.clear();

10

lcd.setCursor(0,0); // nếu không có khí ga thì led tắt và loa tắt lcd.print(" ");

digitalWrite(led,LOW);

digitalWrite(speaker,LOW);

}

delay(1000);

lcd.clear();

}

11

CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 3.1 Ưu điểm

Sử dụng được trên thực tế Trong trường hợp thiết bị báo rò rỉ gas, người dùng cần nhanh chóng khóa van bình gas lại, chi phí thực hiện thấp tiện lợi và mang lại nhiều ứng dụng

3.2 Nhược điểm

Thiết bị báo động rò rỉ gas không hoàn toàn kiểm soát được độ an toàn tuyệt đối cho người sử dụng bởi nó chỉ có tác dụng thông báo chứ không ngăn chặn được tình trạng khí gas rò rỉ Những yếu điểm khác của thiết bị báo động rò rỉ gas như không phát hiện được nồng độ nhỏ khí gas khi mới rò rỉ mà phải đến khi gas thoát ra nồng nặc nên độ an toàn giảm xuống đáng kể

Thêm nữa, thiết bị có thể hư hỏng trong khi sử dụng nếu không có tín hiệu báo và người dùng thường không tự kiểm tra được nên có thể chủ quan và có những nguy

cơ lớn hơn gặp phải hậu quả nghiêm trọng

Do đó, để đảm bảo an toàn gas thì quan trọng nhất vẫn là người dùng phải tuân thủ những quy tắc sử dụng gas an toàn như: lắp đặt, thay thế van gas, dây dẫn gas của những thương hiệu có uy tín trên thị trường Bên cạnh đó, bạn có thể sử dụng bếp cảm ứng nhiệt để tự ngắt gas khi gặp sự cố

12

TÀI LIỆU THAM KHẢO