Nhiệm vụ thiết kế Cảnh báo khi có cháy Hiển thị các thông số tương ứng khi chạy lên màn hình LCD Cảnh báo về điện thoại Yêu cầu Chương 1 Đặt vẫn đề và nhiệm vụ thư Chương 2 Tổng quan về hệ thống báo cháy Chương 3 Thiết kế phần cứng Chương 4 Thiết kế phần mềm Chương 5 Kết luận và phương hướng phát triển Thời gian làm đồ án 8 tuần Mục Lục 1 1 Đặt vấn đề 1 1 2 Nhiệm vụ của đồ án môn học 1 Chương 2 Tổng quan về hệ thống báo cháy 2 2 1 Tổng quan về hệ thống báo cháy 2 2 2 Các thành phần chính của hệ.
Nhiệm vụ của đồ án môn học
Mạch báo cháy có chức năng chuyển đổi khí ga và nhiệt độ thành tín hiệu âm thanh để thông báo qua loa và gửi tin nhắn SMS đến điện thoại của người quản lý, giúp cảnh báo nguy cơ cháy trong khu vực Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực có người sinh sống và các khu công nghiệp, nơi mà hệ thống báo cháy là yếu tố thiết yếu để bảo vệ an toàn cho con người trước những hiểm họa cháy nổ.
Tổng quan về hệ thống báo cháy
Tổng quan về hệ thống báo cháy
Hệ thống báo động cháy là tập hợp các thiết bị có chức năng phát hiện và cảnh báo hỏa hoạn Các tín hiệu báo cháy có thể được kích hoạt tự động qua đầu dò lửa, khói, nhiệt hoặc bằng tay thông qua nút nhấn khẩn cấp Quan trọng là hệ thống này phải hoạt động liên tục 24/24 giờ, ngay cả khi mất điện.
Hệ thống báo động, báo cháy có thể cung cấp các chức năng chính như sau:
- Cung cấp phương tiện để phát hiện đám cháy đang bùng phát theo phương pháp thủ công hoặc tự động.
- Cảnh báo cho người trong tòa nhà biết có cháy và thông tin sơ tán.
- Truyền tín hiệu thông báo cháy cho cơ quan PCCC hoặc các đơn vị để ứng phó khẩn cấp khác.
Hệ thống báo cháy cung cấp tín hiệu điều khiển cho các thiết bị ngoại vi như ngắt nguồn điện, hệ thống không khí, thang máy, cửa thoát nạn và cửa ngăn cháy Bên cạnh đó, nó còn có khả năng điều khiển các thiết bị chữa cháy, đảm bảo an toàn cho người và tài sản.
Các thành phần chính của hệ thống báo cháy tự động
Một hệ thống báo cháy tự động tiêu biểu sẽ có 3 thành phần:
– Trung tâm báo cháy: Được thiết kế dạng tủ, bao gồm các thiết bị chính: bo mạch xử lý thông tin, bộ nguồn, ác quy dự phòng.
– Thiết bị đầu vào (thiết bị giám sát): Đầu báo: báo khói, báo nhiệt, khói nhiệt kết hợp, báo gas, báo lửa, đầu báo Beam…
Công tắc khẩn (nút nhấn khẩn)
Module giám sát (hệ địa chỉ)
Chuông báo động, còi báo động, đèn báo động,…
Bộ quay số điện thoại tự động.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy
Hệ thống báo động cháy hoạt động theo quy trình khép kín, bắt đầu khi các thiết bị đầu vào như đầu báo và công tắc khẩn phát hiện dấu hiệu cháy như nhiệt độ tăng đột ngột, khói hoặc tia lửa Các thiết bị này sẽ truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy, nơi thông tin được xử lý và vị trí xảy ra cháy được xác định qua các zone Sau đó, trung tâm sẽ gửi thông tin đến các thiết bị đầu ra như bảng hiển thị phụ, chuông, còi và đèn, phát tín hiệu âm thanh và ánh sáng để cảnh báo mọi người về khu vực cháy, giúp họ có thể xử lý kịp thời.
Phân loại hệ thống báo cháy
Hệ báo cháy thông thường (quy ước) – Conventional Fire Alarm System Đặc điểm chính:
Hệ thống báo cháy zone có hai loại chính là 12VDC và 24VDC Mặc dù cả hai loại đều có tính năng kỹ thuật và công dụng tương tự, hệ thống 24VDC được coi là chuyên nghiệp hơn so với hệ thống 12VDC Đặc biệt, hệ thống 12VDC yêu cầu sử dụng đầu báo riêng biệt, điều này làm giảm tính linh hoạt và hiệu quả trong việc phát hiện cháy.
Hệ thống báo trộm sử dụng 4 dây kết hợp với bàn phím lập trình, trong khi hệ thống báo cháy 24V là một giải pháp chuyên dụng với khả năng truyền tín hiệu xa hơn Hệ thống báo cháy này thường sử dụng đầu báo 2 dây và không yêu cầu bàn phím lập trình.
Tuy nhiên, trung tâm báo cháy hệ 12V có giá thành thấp hơn so với trung tâm báo cháy hệ 24V.
Giám sát báo cháy, báo lỗi theo khu vực (zone)
Các zone bao gồm 1 hoặc nhiều thiết bị giám sát: đầu báo, cảm biến, nút nhấn,…
Các thiết bị trên 1 zone được lắp tại nhiều vị trí khác nhau trên cùng một tầng/ khu vực rộng.
Tủ báo cháy zone hoạt động độc lập.
Mỗi zone cần một đường dây tín hiệu riêng nên rất tốn dây nếu hệ thống nhiều zone.
Khi thiết bị báo cháy/ báo lỗi không thể biết chính xác thiết bị/ vị trí nào đang báo động.
Giá thành rẻ, phù hợp lắp đặt những công trình nhỏ.
Hệ báo cháy địa chỉ – Addressable Fire Alarm System: Đặc điểm chính:
Hệ báo cháy địa chỉ – Addressable Fire Alarm System có 2 loại (về phương thức hoạt động)
-Hệ thống báo cháy địa chỉ (Addressable Fire Alarm System
- Hệ thống báo cháy địa chỉ loại Analog (Analog Addressable Fire Alarm System).
Tất cả các thiết bị (địa chỉ) đều mang một địa chỉ riêng được thiết lập bằng tay hoặc tự động.
Khi báo cháy/ báo lỗi sẽ thể hiện chính xác thiết bị/ vị trí thiết bị.
Khả năng kết hợp thiết bị báo cháy thường thông qua module.
Các trung tâm có thể liên kết với nhau tạo thành một hệ thống lớn nhiều trung tâm, có thể quản lý tập trung.
Mỗi mạch loop có thể kết nối rất nhiều thiết bị (hơn 100 địa chỉ mỗi loop), giúp tiết kiệm dây dẫn.
Mỗi mạch loop cung cấp điện, thông tin liên lạc và giám sát tất cả các thiết bị kết nối với nó.
Lập trình điều khiển linh hoạt (Cause and Effect).
Có thể giám sát trực quang trên máy tính.
Nhiều chủng loại thiết bị giúp linh hoạt trong việc sử dụng.
Thiết kế phần cứng của hệ thống
Các chức năng của hệ thống
+ Sử dụng nguyên tắc ion hóa.
+Sử dụng các linh kiện thu phát quang.
Phân tích bài toán
Phương pháp giải quyết các vấn đề nêu ra:
Sử dụng nguyên tắc ion hóa:
Bộ cảm biến sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để ion hóa không khí, tạo ra dòng điện giữa hai cực nạp điện Khi khói xâm nhập vào khu vực ion hóa, điện trở trong buồng cảm nhận tăng lên, dẫn đến giảm luồng điện giữa hai cực Khi luồng điện giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, bộ cảm biến sẽ phát hiện và gửi tín hiệu báo động.
Sử dụng linh kiện thu phát quang:
Sử dụng linh kiện phát quang như LED và LED hồng ngoại, ánh sáng được chiếu qua vùng bảo vệ vào linh kiện thu quang như photodiode, quang trở hoặc phototransistor Khi xảy ra cháy hoặc có khói trong phòng, khói sẽ xuất hiện với mật độ cao và che chắn ánh sáng chiếu vào linh kiện thu Khi cường độ ánh sáng giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, bộ cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi này và gửi tín hiệu báo động.
Trong hai phương pháp được đề cập, phương pháp thứ nhất có độ nhạy và hiệu quả cao hơn, mặc dù giá linh kiện khá cao Ngược lại, phương pháp thứ hai ít nhạy hơn nhưng linh kiện lại dễ tìm hơn Tuy nhiên, để đảm bảo độ nhạy của khói, nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn phương pháp thứ nhất cho đề tài này.
- Sơ đồ khối của hệ thống:
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch báo cháy bằng cảm biến khói
Chức năng từng khối
- Nguồn: Điện áp 9V (Trong bài sử dụng Adapter dòng ra 9V)
Ổn áp là các mạch có chức năng duy trì điện áp ra hoặc dòng điện ra của thiết bị ở mức ổn định, bất chấp sự biến đổi của điện áp vào, tải hoặc nhiệt độ.
Việc ổn định điện áp là cần thiết, đặc biệt khi nguồn điện lưới có sự biến đổi lớn về điện áp Phương pháp ổn áp bằng điện tử thường được áp dụng khi yêu cầu công suất tải ra không quá lớn.
Các loại ổn áp thường dùng: ổn áp kiểu tham số (dùng điốt Zenner), ổn áp bù tuyến tính(mạch ổn áp có hồi tiếp) và ổn áp xung
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá về IC ổn áp KA7805, một trong những loại IC phổ biến Các IC ổn áp thường cung cấp dòng điện từ 100mA đến 1.5A, và hiện nay đã có nhiều loại IC có khả năng cung cấp dòng ra lên đến 10A Những dòng IC ổn áp thường được sử dụng bao gồm họ 78xx và 79xx.
Hình 3.2 Cấu tạo của họ IC ổn áp 78xx, 79xx
- Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu khói thành tín hiệu điện.
Khối cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý ion hóa không khí, tạo ra dòng điện giữa hai cực đã được nạp điện Khi khói xâm nhập vào khu vực cảm nhận, điện trở trong buồng cảm nhận tăng lên, dẫn đến giảm luồng điện giữa hai cực Khi luồng điện giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, bộ cảm biến sẽ phát hiện và kích hoạt tín hiệu báo động.
- Trong đề tài này ta sử dụng IC MQ135 và IC MQ2 chuyên dụng để làm cảm biến khói.
3.3.3 Khối khuếch đại thuật toán.
Khối khuếch đại thuật toán, hay còn gọi là OP-AMP (Operational-Amplifier), được thiết kế để thực hiện các phép toán cơ bản như cộng, trừ, nhân, chia, vi phân và tích phân trong các máy tính tương tự Qua thời gian, OP-AMP đã phát triển với nhiều ứng dụng đa dạng và trở thành linh kiện quan trọng nhất trong các mạch khuếch đại AC và các mạch khuếch đại khác.
DC, mạch so sánh, mạch dao động, mạch tạo xung, mạch đo.
Các đầu vào đảo và không đảo của Op-Amp cho phép khuếch đại các tín hiệu đối xứng, thường gặp ở những nguồn phát tín hiệu biến thiên chậm như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm và mực chất lỏng.
- Trong đề tài ta sử dụng Chíp ATmega16 nhằm tạo xung và khuếch đại tín hiệu phát ra loa
- Loa: Tạo ra âm thanh báo động.
Các linh kiện được sử dụng
Hình 3.3 Hình ảnh thực tế và sơ đồ nguyên lý IC KA7805
IC 7805 là một linh kiện ổn áp quan trọng trong các mạch ổn áp và mạch nguồn trong kỹ thuật điện tử Mặc dù điôt Zenner cũng được sử dụng để ổn áp, nhưng nó có nhược điểm là chỉ cho dòng điện nhỏ (≤ 20mA) Do đó, IC ổn áp họ 78xx đã được phát triển để khắc phục hạn chế này.
- IC 7805 thuộc họ 78xx cho ổn định điện áp đầu ra là dương Cấu tạo gồm 3 chân:
Chân nguồn đầu vào (Input) của 7805 cung cấp điện năng cần thiết để mạch hoạt động, với điện áp tối đa cho phép là 40V Để đảm bảo mạch ổn áp hoạt động hiệu quả, điện áp đầu vào cần nằm trong khoảng 8V đến 40V; nếu thấp hơn 8V, mạch sẽ không còn khả năng ổn định điện áp.
+ Chân 3: Điện áp ra ổn định 5v (Output) (4,75v – 5.25v).
Hình 3.4 Hình ảnh thực tế Adapter 9V
Hình 3.5 Hình ảnh thực tế IC MQ135
IC MQ135 được thiết kế với ống gốm Al2O3, bên trong chứa lớp cảm biến làm từ chất bán dẫn SnO2 Lớp cảm biến này được cố định trong một lớp nhựa và lưới thép không gỉ, đảm bảo độ bền và hiệu suất trong việc phát hiện khí.
SnO2 có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch, nhưng độ dẫn của nó sẽ thay đổi ngay khi tiếp xúc với khí hoặc chất dễ cháy Nhờ đặc điểm này, người ta có thể tích hợp SnO2 vào mạch đơn giản để chuyển đổi độ nhạy thành điện áp.
Khi môi trường sạch, điện áp đầu ra của cảm biến MQ135 ở mức thấp Tuy nhiên, giá trị điện áp này sẽ tăng lên khi nồng độ khí gây cháy xung quanh cảm biến tăng cao.
- MQ135 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác.
Cảm biến MQ135 thường được sử dụng trong các thiết bị kiểm tra chất lượng không khí trong các cao ốc văn phòng, giúp phát hiện các chất độc hại như NH3, NOx, ancol, benzen, khói và CO2.
Điện áp của heater: 5V±0.1 AC/DC
Điện trở tải: thay đổi được (2kΩ-47kΩ)
Công suất tiêu thụ của heater: ít hơn 800mW
Khoảng phát hiện: 10 - 300 ppm NH3, 10 - 1000 ppm Benzene, 10 - 300 Alcol
Hình 3.6 Hình ảnh thực tế IC MQ2
MQ2 là cảm biến khí gas được chế tạo từ chất bán dẫn SnO2, có độ nhạy thấp với không khí sạch Khi có mặt chất dễ cháy, độ dẫn của cảm biến này sẽ thay đổi đáng kể Nhờ vào đặc điểm này, người ta đã thiết kế mạch đơn giản để chuyển đổi độ nhạy thành điện áp.
Trong môi trường sạch, điện áp đầu ra của cảm biến MQ2 thường thấp Tuy nhiên, khi nồng độ khí gây cháy xung quanh tăng lên, giá trị điện áp đầu ra của cảm biến này sẽ tăng theo.
- MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác.
- IC MQ2 có thể phát hiện các loại khí:
- Phạm vi phát hiện: 300 10000ppmm
- Đặc điểm của khí: 1000ppmm isobutan
- Độ nhạy sáng: R in air/Rin typical gas≥5
- Dòng tiêu thụ khi nóng: ≤ 180mA
- Năng lượng khi nóng: ≤ 900mW
+ Hàm lượng oxy môi trường: 21%
Hình 3.7 Hình ảnh thực tế IC LM35
- Chân 1: Chân nguồn đầu vào Vcc
- Chân 2: Chân đầu ra Vout
Cảm biến LM35 là một thiết bị cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Đặc biệt, cảm biến này không cần phải hiệu chỉnh bên ngoài vì đã được hiệu chỉnh sẵn.
+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C
+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải
- Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau:
+ Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV
+ Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV
+ Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV
Điện áp hoạt động: 4~20VDC
Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/°C
Hình 3.8 Hình ảnh thực tế của chip ATmega16
- ATmega16 là một lọai Vi điều khiển có nhìều tính năng đặc biệt thích hợp cho việc giải quyết những bài tóan điều khiển trên nền vi xử lý.
+Các lọai vi điều khiển AVR rất phổ biến trên thị trừơng Việt Nam nên không khó khăn trong việc thay thế và sửa chữa hệ thống lúc cần.
+Giá thành của dòng Vi Điều Khiển này khá phải chăng.
Các phần mềm lập trình và mã nguồn mở dễ dàng tìm thấy trên mạng, với nhiều thiết kế demo phong phú, mang đến nhiều gợi ý hữu ích cho người thiết kế hệ thống.
ATmega16 là vi điều khiển 8bit dựa trên kiến trúc RISC, cho phép thực hiện mỗi lệnh trong một chu kỳ xung clock Nhờ vào khả năng này, ATmega16 có thể đạt tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz, tương đương với 1 triệu lệnh/s/MHz, giúp xử lý lệnh nhanh chóng và tiêu thụ năng lượng thấp.
- Atmega16 có cấu trúc RISC với:
131 lệnh,hầu hết được thực thi trong 1 chu kì xung nhịp.
Tốc độ làm việc 16MPIS,với thạch anh 16MHz.
Trong chip có 2 chức năng hỗ trợ gỡ rối và lập trình chương trình.
16 KB ISP Flash với khả năng 10.000lần ghi/xóa.
Khả năng quét toàn diện theo chuẩn JTAG.
Hỗ trợ khả năng go roi.
Hỗ trợ lập trình Flash,EEROM,fuse…
Lock bit qua giao tiếp JTAG.
2 timer/counter 8 bit với các mode: so sánh và chia tần số.
timer/counter 16 bit với các mode: so sánh, chia tần số, capture, PWM.
1 timer thời gian thực(Real time clock) với bộ dao động riêng biệt.
4 kênh PWM(họăc nhiều hơn trong các VĐK khác thuộc họ này).
8 kênh biến đổi ADC 10bit.
Bộ giao giao tiếp nối tiếp lập trình được USART.
Watch_dog timer với bộ dao động on-chip riêng biệt.
- Những thuộc tính đặc biệt:
Power On reset và Brown-out detection.
chế độ hiệu chỉnh bộ sai số cho bộ dao động RC On-chipCác chế độ ngắt ngòai và trong đa dạng.
6 mode sleep: Idle, ADC noise reduction, tiết kiệm năng lượng, power-down, standby, extended standby.
- LED : Dùng để báo khi có nguồn một chiều, và báo động khi có khói
- Loa : Dùng để báo động khi có khói.
Hình 3.10 Hình ảnh thực tế loa
Biến trở là một loại điện trở có khả năng thay đổi trị số, với các loại phổ biến như 1K Ohm, 10K Ohm và 100K Ohm Chúng được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch, giúp tối ưu hóa hiệu suất và chức năng của thiết bị điện.
Điện trở của thiết bị có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chiều dài dây dẫn điện hoặc thông qua các yếu tố khác như nhiệt độ.
%87t_%C4%91%E1%BB%99 thay đổi, ánh sánghttps://vi.wikipedia.org/wiki/%C3%81nh_s
%C3%A1ng hoặc bức xạ điện từhttps://vi.wikipedia.org/wiki/B%E1%BB%A9c_x%E1%BA%A1_%C4%91i
Hình 3.11 Hình ảnh thực tế biến trở
+ Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dòng điện và làm một số chức năng khác tùy vào vị trí điện trở trong mạch điện
Điện trở được làm từ các vật liệu có điện trở suất cao như than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại và dây quấn Để thể hiện giá trị điện trở, người ta sử dụng các vòng màu.
Hình 3.12 Ký hiệu của điện trở
Hình 3.13 Hình ảnh thực tế của điện trở
Để đọc trị số điện trở 4 vòng màu, bạn cần hiểu rằng các vạch màu trên thân điện trở đại diện cho các con số cụ thể Mỗi màu tương ứng với một giá trị: màu đen là 0, màu nâu là 1, màu đỏ là 2, màu cam là 3, màu vàng là 4, màu lục là 5, màu lam là 6, màu tím là 7, màu xám là 8 và màu trắng là 9.
Hình 2.14 Hình ảnh và cách đọc trị số điện trở
Xây dựng sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý mạch báo cháy
3.5.2 Tính toán sơ đồ nguyên lý.
- Mạch sử dụng nguồn 5V-12V, do IC KA7805 hoạt động trong khoảng 8V-40V nên ta chọn nguồn 9V-850mA.
- Do LED chỉ chịu được dòng vài mA ta chọn:I1LEDmin = 1mA ta có:
- Khi có khói trở của MQ135 giảm nhanh xuống khoảng 2kΩ.
- Do Tranzitor C1815 và loa chịu được dòng yếu, khoảng vài mA nên ta chọn:
Linh kiện Thông số Số lượng
IC cảm biến khói MQ135 1
Bảng 3.1 Các linh kiện được sử dụng
Mô phỏng trên protues
Hình 3.23: Mô phỏng mạch báo cháy trong proteus
Thi công mạch
Hình 3.24: Mặt sau mạch in
Hình 3.25: Mặt trước mạch in
Kinh nghiệm lắp ráp sửa chữa
- Nắm rõ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện trong mạch.
- Phải nối đúng cực cho LED nếu không LED sẽ không sáng và tính toán điện trở hạn dòng cho led không bị quá tải.
- Nối các chân linh kiện phải chính xác tránh nối sai sơ đồ nguyên lý dẫn đến mạch không hoạt động.
Để tối ưu hóa việc đi dây trong mạch điện, cần hạn chế các đường dây bắt chéo nhau Việc này giúp người nhìn dễ dàng nhận biết cách các linh kiện được kết nối, từ đó cải thiện khả năng theo dõi và sửa chữa mạch.
- Đi dây cần kiểm tra cẩn thận các mối nối tránh tình trạng mạch không thông suốt gây ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
Thiết kế mạch điều khiển
Lưu đồ thuật toán
4.2 Chương trình code sử dụng Keil uVision4
Trong phần viết chương trình điều khiển, nhóm em xin phép được sử dụng phần mềmKeil uVision4 để viết chương trình Chương trình điều khiển như sau:
The code snippet defines several variables and settings for a relay system, including the initialization of relay states for various checks such as "bit_check_khoi," "bit_check_gas," and "bit_check_nhiet_do," all set to 'off.' It also declares a character variable 'data,' an integer 'adc_data,' a character 'tem,' and an integer 'i,' along with a buffer array 'buff' of size 16 Additionally, an interrupt service routine (ISR) for USART reception is defined, allowing for the handling of incoming serial data.
// Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)
ADMUXc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10);
// Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0);
/***Chuong trinh gui du lieu qua TX***/ void send1(unsigned char udata){//Ham gui 1 ky tu ASCII while(!(UCSRA & (1
