Thiết kế thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy

Thiết kế, chế tạo thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy. Môn đồ án điện tử trường đại học Điện Lực. Với sự kết hợp mạnh mẽ của mạch điện tử với lập trình. Ngày nay, các thiết bị điện tử đã trở lên cực kỳ phát triển và đa dạng cũng như được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực. Một trong số đó không thể không kể đến lĩnh vực cảnh báo. Chính vì vậy, bằng những kiến thức đã học cũng như sự tìm hiểu về những nguy cơ cháy nổ, khả năng ứng dụng, em đã nảy ra ý tưởng và quyết định xây dựng đề tài : Thiết kế thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO MÔN HỌC

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ

Đề tài : Thiết kế thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo

rò rỉ khí gas, khói, cháy

Người hướng dẫn: Ths Trần Trọng Thắng SVTH: Lê Văn Tiến

MỤC LỤC

Trang LỜI MỞ ĐẦU 1

NHẬN XÉT 2

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

1.1 Lý do chọn đề tài 4

1.2 Mục tiêu của đồ án 4

1.3 Cách thức thực hiện 5

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 6

2.1 Mô tả hoạt động và chức năng chính của thiết bị 6

2.2 Lựa chọn linh kiện, module phù hợp với sản phẩm 6

2.2.1 Board mạch Arduino UNO R3 6

2.2.2 Màn hình LCD 16x2 và giao tiếp I2C 8

2.2.3 Cảm biến MQ2 9

2.2.4 Cảm biến DHT11 10

2.2.5 Mắt thu hồng ngoại 11

2.3 Xây dựng sơ đồ khối chức năng 12

2.4 Thiết kế mô phỏng mạch nguyên lý trên phần mềm Proteus 13

2.5 Xây dựng chương trình nhúng cho sản phẩm 14

2.5.1 Lưu đồ thuật toán 14

2.5.2 Viết chương trình 15

2.6 Thiết kế vỏ hộp và lắp ráp sản phẩm thật 17

2.7 Kết quả đạt được và đánh giá, hướng phát triển sản phẩm 18

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

LỜI MỞ ĐẦU

Như chúng ta đã biết, trong thời đại phát triển của công nghệ ngày nay Việc ứng dụng các công nghệ điện tử vào hầu hết các lĩnh vực đều luôn đem lại những hiệu quả tối ưu về mọi mặt Trong đó tất nhiên không thể thiếu ngành Công nghệ

Kỹ thuật Điện Tử Viễn Thông

Trong ngành Điện Tử Viễn Thông nói chung và chuyên ngành kỹ thuật điện tử của em nói riêng Việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng phổ biến hơn Từ những ứng dụng đơn như đồng hồ số, đài radio…đến những ứng dụng cho xã hội như đèn giao thông, các thiết bị theo dõi trong công nghiệp, các thiết bị về an ninh, cảnh báo…cho đến những ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như robot, vệ tinh, tên lửa…

Không chỉ dừng lại ở những mạch điện tử đơn thuần bởi những linh kiện điện

tử được nối lại với nhau, ngày nay lập trình nhúng cũng đang là một xu hướng phát triển rất mạnh mẽ và nổi bật những năm gần đây

Với sự kết hợp mạnh mẽ của mạch điện tử với lập trình Ngày nay, các thiết bị điện tử đã trở lên cực kỳ phát triển và đa dạng cũng như được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực Một trong số đó không thể không kể đến lĩnh vực cảnh báo Chính vì vậy, bằng những kiến thức đã học cũng như sự tìm hiểu về những nguy

cơ cháy nổ, khả năng ứng dụng, em đã nảy ra ý tưởng và quyết định xây dựng đề

tài : Thiết kế thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy

NHẬN XÉT (Của giảng viên )

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Giảng viên

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Thông số của Arduino UNO R3……….7

Hình 2.1 Hình ảnh Arduino Uno R3……… ………7

Hình 2.2 Hình ảnh LCD 16x2………8

Hình 2.3 Hình ảnh cảm biến MQ2………10

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến DHT11………11

Hình 2.5 Hình ảnh cảm biến lửa bằng mắt thu hồng ngoại……… 12

Hình 2.6 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị……… ………… 13

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý mô phỏng trên Proteus……… 13

Hình 2.8 Lưu đồ thuật toán phần mềm của thiết bị……… 14

Hình 2.9 Quy trình lắp ráp sản phẩm……… …… 18

Hình 2.10 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện ở trạng thái bình thường …… 19

Hình 2.11 Hình ảnh sản phẩm hoạt động cảnh báo……… 20

Hình 2.12 Hình ảnh mặt sau của sản phẩm……… 21

Hình 2.13 Hình ảnh bên trong của sản phẩm……… ………22

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, lĩnh vực điện tử đã được ứng dụng và phổ biến ở rất nhiều lĩnh vực trong thực tế để phục vụ nhu cầu của con người như cảnh báo, theo dõi và chăm sóc sức khỏe, giao thông, liên lạc, quốc phòng,…

Khi đời sống của con người được cải thiện, việc đảm bảo an ninh, an toàn cũng ngày càng được nâng cao hơn Chúng ta vẫn thường thấy trong các tòa nhà lớn như trường học, công ty, chung cư đều luôn luôn được lắp đặt các thiết bị cảnh báo cháy bên ngoài hành lang Điều đó cho thấy tính thực tế và tầm quan trọng của cảnh báo cháy nổ

Tuy nhiên, tại các nhà dân nhỏ lẻ, các khu tập thể, phòng trọ hay những ngôi nhà ở vùng quê Việc lắp đặt các hệ thống cảnh báo cháy là rất hiếm khi thấy Mặc

dù đây chính là những nơi dễ xảy ra cháy và khi xảy ra cháy thường để lại những hậu quả rất nghiêm trọng cho tài sản và tính mạng con người

Xuất phát tình hình thực tế đó, cũng như sự tìm hiểu về xã hội của em mà em

đã quyết định lựa chọn lĩnh vực cảnh báo cháy để làm cho đề tài cho sản phẩm môn học của mình

➢ Mục tiêu sản phẩm :

- Sản phẩm có thể hoạt động được ổn định chức năng cần thiết cho việc cảnh báo cháy

- Sản phẩm nhỏ gọn, mang tính thẩm mỹ cao, có tính hoàn thiện cao

- Sản phẩm có tính linh hoạt, có thể tháo ra chỉnh sửa, thay thế, nâng cấp thêm các chức năng

- Xây dựng mô hình mạch nguyên lý mô phỏng trên ứng dụng Proteus

- Xây dựng chương trình nhúng cho sản phẩm

- Xây dựng và lắp đặt mạch thật, điều chỉnh các thông số cho phù hợp

- Kiểm tra hoạt động của sản phẩm và hoàn thiện

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI

2.1 Mô tả hoạt động và chức năng chính của thiết bị

Thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy sau khi hoàn thiện sẽ có chức năng sau:

✓ Theo dõi và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên màn hình LCD

✓ Hiển thị trạng thái của môi trường trên màn hình LCD

✓ Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy và còi kêu khi phát hiện có lửa, khói hoặc khí gas

2.2 Lựa chọn linh kiện, module phù hợp với sản phẩm

Sau khi tìm hiểu, em đã lựa chọn được những linh kiện, module chính để làm thiết bị gồm :

2.2.1 Board mạch Arduino UNO R3

Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng

vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật

số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3) Arduino được dùng như trung tâm xử lý dữ liệu và điều khiển cho thiết bị

Hình 2.1 Hình ảnh Arduino Uno R3

Thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

2.2.2 Màn hình LCD 16x2 và giao tiếp I2C

Màn hình LCD 16×2 là một linh kiện được sử dụng rộng rãi trong trong các

dự án điện tử và lập trình

Hình 2.2 Hình ảnh LCD 16x2

Thông số kỹ thuật LCD 16×2

+ LCD 16×2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

+ LCD 16×2 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 16×2

+ 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 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm

Module I2C Arduino

LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong quá trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển

Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì qua module IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối

Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16×2, LCD 20×4, …) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay

+ 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

2.2.3 Cảm biến MQ2

MQ2 là 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 nó thay đổi ngay Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch để biến 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 ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

Để đo nhiệt độ, cảm biến này sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, làm giảm giá trị điện trở của nó khi nhiệt độ tăng Để có được giá trị điện trở lớn hơn ngay cả đối với sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến này thường được làm bằng gốm bán dẫn hoặc polymer

Hình 2.4 Hình ảnh cảm biến DHT11

Thông số kỹ thuật

- Nguồn: 3 -> 5 VDC

- Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)

- Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%

- Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C

- Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)

Hình 2.5 Hình ảnh cảm biến lửa bằng mắt thu hồng ngoại

Hình 2.6 Sơ đồ khối chức năng của thiết bị

2.4 Thiết kế mô phỏng mạch nguyên lý trên phần mềm Proteus

Hình 2.7 Sơ đồ mạch nguyên lý mô phỏng trên Proteus

2.5 Xây dựng chương trình nhúng cho sản phẩm

2.5.1 Lưu đồ thuật toán

Hình 2.8 Lưu đồ thuật toán phần mềm của thiết bị

const int DHTPIN = 2;

const int DHTTYPE = DHT11;

float h = dht.readHumidity(); // Đọc giá trị độ ẩm

float t = dht.readTemperature(); // Đọc giá trị nhiệt độ

if (isnan(t) || isnan(h)) { // Kiểm tra xem thử việc đọc giá trị có bị thất bại hay không

Để thiết kế vỏ hộp, em sử dụng bìa fomex với ưu điểm là phổ biến, giá thành

rẻ và dễ dàng cắt dán thành mô hình Quy trình lắp ráp sản phẩm thật của em như sau :

Hình 2.9 Quy trình lắp ráp sản phẩm

2.7 Kết quả đạt được và đánh giá, hướng phát triển sản phẩm

Sản phẩm sau khi hoàn thiện đạt được đúng những mục tiêu chức năng đề ra:

✓ Theo dõi và hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên màn hình LCD

✓ Hiển thị trạng thái của môi trường trên màn hình LCD

✓ Đưa ra tín hiệu cảnh báo bằng đèn nhấp nháy và còi kêu khi phát hiện có lửa, khói hoặc khí gas

Hình 2.10 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện ở trạng thái bình thường

Hình 2.11 Hình ảnh sản phẩm hoạt động cảnh báo

Sản phẩm hoạt động tốt, ổn định Với ưu điểm dù là sản phẩm mô hình, nhưng

em đã thiết kế để hoàn toàn có thể tháo ra và nâng cấp thêm các tính năng phát triển thêm sau này

Hình 2.12 Hình ảnh mặt sau của sản phẩm

Hình 2.13 Hình ảnh bên trong của sản phẩm

Đánh giá: Ở mức độ bài làm cá nhân với môn học đồ án đầu tiên làm sản phẩm

thật, em đánh giá sản phẩm của mình ở mức độ tương đối tốt, có tính thực tế, ứng dụng cao Sản phẩm em làm hướng tới sự linh hoạt, có tính hoàn thiện cao khi có thể tháo lắp dễ dàng để nâng cấp bổ sung phát triển thêm các tính năng Cùng với

đó là việc em có thêm những kiến thức, kinh nghiệm và nắm bắt rõ và hiểu rõ các linh kiện cũng như lập trình và chi tiết về sản phẩm của mình Đó cũng là tiền đề cho việc dễ dàng phát triển thêm tính năng và những sản phẩm phức tạp hơn sau này

Hướng phát triển: Cũng như em đã nói ở trên, đối với sản phẩm này, em có thể

dễ dàng tháo ra lắp vào và bổ sung phát triển thêm các tính năng cho sau này Em cũng đưa ra thêm một vài phương hướng phát triển sản phẩm của mình để có thể

hoàn thiện, hiệu quả hơn nữa với nhiều chức năng hơn Một vài ý tưởng phát triển thêm của em như :

➢ Phát triển thêm các cổng IO bên ngoài để có thể dễ dàng điều khiển kết nối thêm với các hệ thống khác để tăng thêm tính hiệu quả cho việc cảnh báo cháy như phun nước dập lửa, bật quạt thông gió,… để tăng sự linh hoạt, tùy biến chức năng của sản phẩm

➢ Phát triển thêm hệ thống gửi tin nhắn đến điện thoại di động để cảnh báo trong trường hợp không có người ở nhà

➢ Phát triển thêm hệ thống ngắt điện căn phòng tự động, sử dụng nguồn dự phòng(pin) cho thiết bị cảnh báo để đảm bảo an toàn chập điện trong phòng,…

KẾT LUẬN

Qua thời gian thực hiện đề tài môn học Đồ án điện tử dưới sự hướng dẫn

và gợi ý của Thầy giáo Ths.Trần Trọng Thắng đã giúp em bổ sung và học hỏi thêm được rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm thiết kế sản phẩm thực tế Từ đó đã giúp

em hoàn thành được đề tài thiết kế thiết bị thu thập nhiệt độ, độ ẩm liên tục kết hợp cảnh báo rò rỉ khí gas, khói, cháy

Qua môn học đồ án đầu tiên này, em cũng đã đạt được những mục tiêu đề ra

về mặt cá nhân và sản phẩm

Do điều kiện về thời gian cũng như kiến thức còn hạn chế, lần đầu làm một môn đồ án sản phẩm thật nên sản phẩm của em làm ra vẫn còn ở mức sơ bộ, mô hình Bài làm của em cũng vì thế không tránh khỏi những sai sót, chưa được hoàn hảo, em rất mong nhận được những ý kiến, nhận xét, đóng góp, góp ý của Thầy/Cô

và các bạn để em có thêm được những kinh nghiệm, cơ sở kiến thức, tạo lập tiền

đề giúp em có thể hoàn thành tốt hơn ở những sản phẩm tiếp theo Đó cũng là tiền

đề để em có thêm kinh nghiệm cho việc đi làm sau này

Em xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô trong Khoa Điện Tử Viễn Thông trường Đại học Điện Lực đã dạy dỗ em, giúp em có những kiến thức căn bản, tổng quan nhất để em có nền tảng kiến thức thực hiện sản phẩm này cũng như áp dụng cho sau này đi làm

Bài báo cáo của em đến đây là hết Một lần nữa em xin chân thành cảm

ơn các thầy cô và các bạn !

TÀI LIỆU THAM KHẢO