Thiết kế và chế tạo thiết bị cảnh báo phòng chống chữa cháy, nổ đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ LỜI CÁM ƠN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN Cách nhận biết báo cháy Các thành phần hệ thống báo cháy tự động 2.1 Trung tâm báo cháy 10 2.2 Thiết bị đầu vào 10 2.3 Thiết bị đầu 13 Nguyên lý hoạt động hệ thống báo cháy 13 Phân loại hệ thống báo cháy 13 Yêu cầu thiết kế hệ thống báo cháy tự động 14 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ THIẾT BỊ BÁO CHÁY 15 Cảm biến 15 1.1 Cảm biến nhiệt LM35 15 1.2 Cảm biến khói MQ2 16 Thiết bị báo động 19 CHƯƠNG III : TỔNG QUAN VỀ PIC 20 1.Các dòng PIC 20 Ưu PIC 21 Ngôn ngữ lập trình 21 Mạch nạp Pic 22 Khái quát vi điều khiển Pic PIC16F877A 22 5.5.1 Một vài thông số PIC 16F877A 22 5.2 Sơ đồ chân 23 5.3 Tổ chức nhớ 25 Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 5.5 Các timer vi điều khiển Pic 16F877A 29 5.6 OSC1 OSC2 – Dao động thạch anh cho vi điều khiển PIC 29 Nhiệm vụ, nguyên nhân sử dụng Pic 16F877A 30 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN 31 Sơ đồ khối 31 Thiết kế mạch 31 2.1 Bộ cảm biến nhiệt: 31 2.2 Bộ cảm biến khói: 33 Thiết kế mạch in: 34 Lập trình cho PIC: 36 Sản phẩm mơ hình đề tài: 37 KẾT LUẬN 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PHỤ LỤC 41 Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống báo cháy Hình 1.2 Đầu báo khói ion SIJ-24 11 Hình 1.3 Đầu báo khói Beam Hochiki SPC-24 11 Hình 2.1 Cảm biến nhiệt LM35 15 Hình 2.2 Cảm biến khói MQ2 18 Hình 2.3 Sơ đồ nối chân cảm biến khói 19 Hình 3.1 biểu đồ phát triển PIC 20 Hình 3.9 Sơ đồ chân hình dạng vi điều khiển Pic 16F877A 23 Hình 3.10 Cấu trúc bên vi điều khiển Pic 16F877A 24 Hình 3.11 Bộ nhớ chương trình vi điều khiển Pic 16F877A 25 Hình 3.12 Bộ nhớ liệu Pic 16F877A 27 Hình 4.2 Giao diện làm việc Altium 34 Hình 4.3 Mạch nguyên lý 35 Hình 4.4 Sơ đồ mạch in 36 Hình 4.5 Biên dịch chương trình 36 Hình 4.6 Sản phẩm mô 3D 37 Hình 4.7 Hình sản phẩm 37 Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN LỜI CÁM ƠN Lời chúng em xin chân thành cảm ơn tất thầy cô nhà trường, thầy mơn Cơ Khí thầy Lê Lăng Vân, thầy người đưa gợi ý đề tài nghiên cứu cho chúng em người định hướng, đưa gợi mở phương hướng giúp chúng em định hình thực đề tài cách hiệu Xin cám ơn tất bạn đóng góp ý kiến giúp đỡ lúc thực đề tài Do thời gian hiểu biết có hạn, chắn q trình làm khơng tránh sai xót mong thầy bạn giúp đỡ Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN LỜI NÓI ĐẦU Trong sống tồn khu vực dễ gây cháy nổ, nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy nổ có tầm quan trọng lớn lao Nó giúp phát nhanh chóng, chữa cháy kịp thời nhằm mục đích bảo vệ người tài sản nhân dân nhà máy Đất nước ta đường cơng nghiệp hóa, đại hóa Các nhà máy, trung tâm mọc lên nhiều, nhu cầu sống người dân ngày cao Vấn đề an toàn ngày quan tâm lên hàng đầu Cùng với phát triển nhanh chóng thiết bị điện tử việc cảnh báo cháy, nổ mạch nhận biết dấu hiệu cháy nổ dựa vào cảm biến khói cảm biến nhiệt độ Xuất phát từ ý tưởng nhóm chúng em chọn đề tài nhóm “Thiết kế chế tạo hệ thống cảnh báo phòng chống cháy, nổ” Đề tài “Thiết kế chế tạo thiết bị cảnh báo phòng chống cháy, nổ” nhằm tìm hiểu số vấn đề sau:  Trình bày hệ thống báo cháy tự động: Các thành phần hệ thống báo cháy tự động, nguyên lý hoạt động hệ thống báo cháy  Thiết kế thiết bị báo cháy tự động: trình bày phần tử mơ hình báo cháy tự động, bao gồm cấu tạo, chức nguyên lý hoạt động  Thiết kế mạch nguyên lý, viết chương trình hoạt động cho Pic chế tạo mơ hình báo cháy Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT CS II THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị cảnh báo phòng chống cháy, nổ - Sinh viên thực hiện: Trịnh Thị Minh Ngọc Nguyễn Hoài Sơn Võ Đăng Thuận - Lớp: Cơ điện tử K53 - Bộ Mơn: Cơ Khí Năm thứ: 3/4 - Người hướng dẫn: TS Lê Lăng Vân Mục tiêu đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị cảnh báo phòng chống chữa cháy, nổ Kết nghiên cứu: Đánh giá hệ thống báo cháy tự động Công bố khoa học sinh viên kết nghiên cứu đề tài (nếu có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có) Ngày 11 tháng 05 năm 2015 Sinh viên chịu trách nhiệm thực hiên đề tài (ký, họ tên) Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học sinh viên thực đề tài: Ngày 11 tháng 05 năm 2015 Người hướng dẫn (ký, họ tên) Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT CS II THƠNG TIN VỀ SINH VIÊN CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI I SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN Họ tên: Trịnh Thị Minh Ngọc Sinh ngày: 20 tháng 08 năm 1994 Nơi sinh: Hải Dương Lớp: Cơ Điện Tử K53 Bộ Mơn: Cơ Khí Khóa 53 Địa liên hệ: Phòng 208 KTX Trường Đại học giao thông Vận tải CS II, Hẻm 448, Lê Văn Việt, P.Tăng Nhơn Phú A, Quận Điện thoại: 0169 437 6678 Email: minhngoc2094@gmail.com II QUÁ TRÌNH HỌC TẬP  Năm thứ 1: Ngành học: Cơ Điện Tử K53 Khóa 53 Sơ lược thành tích:  Năm thứ 2: Ngành học: Cơ Điện Tử K53 Khóa 53  Năm thứ 3: Ngành học: Cơ Điện Tử K53 Khóa 53 Ngày 11 tháng 05 năm 2015 Sinh viên chịu trách nhiệm thực hiên đề tài (ký, họ tên) Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY VÀ ĐIỀU KHIỂN Cách nhận biết báo cháy Khi có cháy xảy ra, vùng cháy thường có dấu hiệu sau:     Lửa, khói, vật liệu chỗ cháy bị phá hủy Nhiệt độ vùng cháy tăng lên cao Khơng khí bị oxi hóa mạnh Có mùi khét Để đề phòng cháy dựa vào dấu hiệu đễ đặt hệ thống cảm biến làm thiết bị báo cháy Kịp thời khống chế đám cháy giai đoạn đầu Thiết bị báo cháy tự động giúp liên tục theo dõi để hạn chế vụ cháy tai hại, tăng cường độ an toàn cho người tài sản Các thành phần hệ thống báo cháy tự động Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống báo cháy Trong đó: Bình chữa cháy Hệ thống ống dẫn Vịi phun Màn hình hiển thị Chng báo Bộ phận kích hoạt hệ thống tay Đồng hồ thị chế độ hoạt động Đầu dò, đầu báo Màn chắn lửa 10 Tủ trung tâm Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Một hệ thống báo cháy tự động tiêu biểu có thành phần sau:  Trung tâm báo cháy: Được thiết kế dạng tủ, bao gồm thiết bị chính: mạch, biến thế, pin  Thiết bị đầu vào: - Đầu báo: báo khói, báo nhiệt, báo gas, báo lửa - Công tắc khẩn (nút nhấn khẩn)  Thiết bị đầu ra: - Chuông báo động, còi báo động - Đèn báo đèn exit - Bộ quay số điện thoại tự động 2.1 Trung tâm báo cháy Đây thiết bị qua trọng hệ thống định chất lượng hệ thống Là thiết bị cung cấp lượng cho đầu báo cháy tự động Có khả nhận xử lý tín hiệu báo cháy từ đầu báo cháy tự động tín hiệu cố kỹ thuật, hiển thị thông tin hệ thống phát lệnh báo động, thị nơi xảy cháy Trong trường hợp cần thiết truyền tín hiệu đến nơi nhận tin báo cháy Có khả tự kiểm tra hoạt động bình thường hệ thống, thị cố hệ thống đứt dây, chập mạch 2.2 Thiết bị đầu vào Là thiết bị nhạy cảm với tượng cháy (sự tăng nhiệt, tỏa khói, phát sáng, phát lửa), có nhiệm vụ nhận thông tin nơi xảy cháy truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy a Cảm biến Đầu báo khói thiết bị giám sát trực tiếp, phát dấu hiệu khói để chuyển tín hiệu khói trung tâm xử lý Thời gian đầu báo khói nhận Trang 10 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối KHỐI DÒ BÁO ĐỘNG TẠI CHỖ CẢM BIẾN KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM CPU Chức khối:  Hệ thống cảm biến : thiết bị đầu vào hệ thống gồm có cảm biết nhiệt khói để báo cố  Khối báo chỗ: tạo tiếng còi để báo động  Khối xử lý: điều khiển toàn hoạt động hệ thống Thiết kế mạch 2.1 Bộ cảm biến nhiệt: LM35 có chân: chân cấp nguồn chân xuất điện áp tùy theo nhiệt độ đo Nhiệt độ tăng 10C điện áp xuất chân out LM35 tăng 10mV Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường sử dụng cách LM35 ADC Vi điều khiển Trang 31 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN  Tính tốn nhiệt độ: Ta có hàm truyền: Từ hàm truyền ta có : U = t K  Với: K điện áp đầu LM35 : K = 10mV/ C t nhiệt độ môi trường [K] Sử dụng ADC 10 bit ta có: Dải đo : A = [0 – 4,98] V Bước thay đổi: n = 4,98 /1023 = 4.868mV Giá trị ADC đo từ giá trị điện áp đầu vào: ADC_giatri = U/n = (t * 10mV) /4.868mV Giá trị nhiệt độ đo được: t = ADC_giatri * 4.868/10 (0C) Trang 32 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2.2 Bộ cảm biến khói: Sử dụng modun cảm biến khói MQ2: Trong mạch có chân đầu A out D out Trong đó:  A out: điện áp tương tự Nó chạy từ 0.3A 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quanh MQ2  D out: điện áp số giá trị 0, phụ thuộc vào điện áp tham chiếu nồng độ khí mà MQ2 đo  Việc có chân số D out tiện cho ta mắc ứng dụng đơn giản, khơng cần đến vi điều khiển Khi ta cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo thấp mức cho phép D out = Đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo lớn nồng độ khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng  Ta ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác Trang 33 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Thiết kế mạch in: Hiện nay, thị trường có nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế mạch điện tử, kể đến như: Eagle, Altium Designet, OrCAD Đặc điểm chung phần mềm sản xuất thiết kế sẵn thư viện linh kiện chân cắm tùy theo thiết kế mà người sử dụng vào thư viện lấy linh kiện chân cắm phù hợp Phần mềm Altium Designer phận mềm protel hãng Altium Nó phần mềm có giao diện thân thiện, sử dụng đơn giản Chúng ta tạo sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in, mô phỏng, thiết kế hệ thống FPGA phần mềm Bộ thư viện phần mềm Antium bổ xung đầy đủ hãng tiếng TL, ST, Microchip Điểm mạnh Altium chỉnh sửa file thiết kế từ phần mềm khác Orcad, Eagle, Proteus…sử dụng công cụ import làm cho Altium mạnh tiện dụng  Giao diện sẵn sàng làm việc: Hình 4.2 Giao diện làm việc Altium Trang 34 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN  Tạo project thiết kế mạch Tại giao diện phần mềm chọn: File -> New -> Project -> PCB  Mạch nguyên lý Hình 4.3 Mạch nguyên lý  Mạch nguyên lý bao gồm khối sau : - Mạch nguồn: gồm IC LM7805 để tạo nguồn 5V cung cấp cho mạch hoạt động - Khối báo động: còi để phát tín hiệu âm - Khối cảm biến nhiệt : cảm biến LM35 - Khối cảm biến ga: cảm biến MQ2 Trang 35 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN  Thiết kế mạch in: Hình 4.4 Sơ đồ mạch in Lập trình cho PIC: Sử dụng phần mềm CCS trình biên dịch dùng ngơn ngữ C lập trình cho vi điều khiển Đây ngơn ngữ lập trình đầy sức mạnh, nhanh chóng việc viết chương trình Mã lệnh tối ưu biên dịch Hình 4.5 Biên dịch chương trình Trang 36 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN Sản phẩm mơ hình đề tài: Hình 4.6 Sản phẩm mơ 3D Hình 4.7 Hình sản phẩm Trang 37 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN KẾT LUẬN Tự đánh giá Sau thời gian thực đề tài, với hướng dẫn giúp đỡ giáo viên hướng dẫn đóng góp tận tình Các thầy mơn Cơ Khí Trường đại học giao thơng vận tải sở II Thì đề tài nghiên cứu chúng em hoàn thành vời ứng dụng vi điều khiển, sử dụng vi điều khiển 16F877A mạch báo cháy Tuy chưa tận dụng hết tính vi điều khiển phần ứng dụng giải yêu cầu đề tài đưa Kết luận Ưu điểm mơ hình gồm:  Mơ hình hoạt động tương đối ổn định, đạt yêu cầu ban đầu đề  Mơ hình đơn giản, gọn gàng, linh kiện dễ mua thị trường  Mức giá không cao, phù hợp với sinh viên  Các bước hoạt động mô tả rõ ràng, giúp người đọc thực theo  Có khả kết nối tốt với thiết bị từ xa Tuy nhiên mơ hình cịn có số nhược điểm:  Khối cấp nguồn phải đảm bảo với u cầu lập trình, nguồn cấp có trục trặc không dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định, cảm biến nhiệt báo động sai Hướng phát triển:  Từ sản phẩm thực phát triển thành hệ thống báo cháy đầy đủ tính : phát đám cháy sớm, kích hoạt thiết bị tự động chữa cháy đồng thời phát tín hiệu thơng báo cho người xung quanh biết Hoặc tự động gọi điện, gửi tin nhắn tới cho chủ nhà, cứu hỏa, trung tâm an ninh khu vực Trang 38 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN  Thiết bị phản ứng nhanh nhạy phát xác vị trí đám cháy gửi thông báo thật nhanh giúp chủ nhà kịp thời đưa phương án cứu hộ  Thiết bị ứng dụng vào thực tế Trang 39 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS NGUYỄN TRƯỜNG GIANG (2012), Kỹ thuật vi xử lý, NXB Đại học GTVT [2] Tài liệu Vi điều khiển PIC16F877A – Nguyễn Văn Tình, Trường Sĩ quan CHKT Thông Tin [3] PIC 16F877A Data Sheet – Microchip Technology Incorporated in the U.S.A [4] Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà, Nhà xuất khoa học công nghệ Trang 40 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN PHỤ LỤC #INCLUDE #DEVICE ADC=10 #FUSES NOWDT #FUSES HS //No Watch Dog Timer //High speed Osc #FUSES NOPUT //No Power Up Timer #FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #FUSES NOLVP //No low voltage prgming #FUSES NOCPD //No EE protection #FUSES NOWRT //Program memory not write protected #FUSES NODEBUG #FUSES NOPROTECT //No Debug mode for ICD //Code not protected from reading #USE DELAY(CLOCK=20000000) #DEFINE WAR PIN_C0 #DEFINE GRE PIN_B4 #DEFINE RED PIN_B5 #DEFINE REL PIN_B1 Trang 41 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN #DEFINE SPE PIN_D2 #DEFINE SMOKE PIN_A1 INT16 ADC,ADC1; FLOAT TEMP; VOID SAF() { OUTPUT_BIT(GRE,1); OUTPUT_BIT(RED,0); OUTPUT_BIT(REL,0); OUTPUT_BIT(SPE,0); } VOID WARN() { OUTPUT_BIT(GRE,0); OUTPUT_BIT(RED,1); OUTPUT_BIT(REL,1); OUTPUT_BIT(SPE,1); } Trang 42 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN VOID MAIN() { SAF(); SETUP_ADC_PORTS( AN0 ); SETUP_ADC(ADC_CLOCK_INTERNAL ); SET_ADC_CHANNEL( ); DELAY_MS(1); WHILE(TRUE) { ADC=READ_ADC(); DELAY_US(10); TEMP = ADC*498/1023; IF (TEMP >= 40) { WARN(); } ELSE { IF(INPUT(SMOKE)==0) { WARN(); Trang 43 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN } ELSE { IF(INPUT(WAR)==0) { WARN(); } ELSE { SAF(); } } } } } Trang 44 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 9,11,15,18-20,23-24,31-37 1-8,10,12-14,16-17,21-22,25-30,38-44 Trang 45