BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ 1 MẠCH CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS DÙNG CẢM BIẾN MQ2 Ngành ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khi khoa[.]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Trang 2LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụngcho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụngđơn giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xãhội như: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động… cho đếnnhững ứng dụng lớn như Robot… Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều côngnghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực,relay cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơkhí
Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học côngnghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng muốn góp thêm phần phát triển xã hội bằngcách học hỏi và đưa ra những sản phẩn có ích cho cuộc sống Em xin giới thiệu một
sản phẩm thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “Mạch báo rò rỉ khí Gas dùng cảm biến MQ2”.
Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tậpthể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn Mạch báo rò rỉ khí Gas sẽ cảnhbáo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránhđược những tai nạn đáng tiếc xảy ra nhằm góp phần xây dựng cuộc sống an toàn tiệnlợi và hiện đại văn minh hơn
Trang 3
LỜI CẢM ƠN
eee
Lời đầu tiên em xin chân thành cám ơn thầy HOÀNG VĂN VINH và các bạn
đã giúp đỡ và chỉ dạy và giúp đỡ em hết sức tận tình trong thời gian em làm đồ án mônhọc vừa qua,đồng thời cũng biết ơn thầy HOÀNG VĂN VINH đã tạo nhiều điều kiệngiúp đỡ chỉ dạy để em hoàn thành tốt đồ án thiết kế và thi công mạch cảm biến rò rỉkhí gas dùng MQ2
Trong quá trình thực hiện đồ án với kiến thức và thời gian có hạn nên khôngtránh khỏi nhiều sai sót Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các bạn và thầy cô để
có thêm kinh nghiệm cho những đồ án sau tốt hơn
Em xin chân thành cám ơn
Trang 4
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
LỜI CẢM ƠN
BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: 2
1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI : 2
1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: 3
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU : 3
1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN : 3
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU LINH KIỆN 4
2.1 ĐIỆN TRỞ 4
2.1.1 Khái niệm 4
2.1.2 Hình dáng và ký hiệu 4
2.1.3 Đơn vị của điện trở 4
2.1.4 Cách ghi trị số của điện trở 4
2.1.5 Phân loại điện trở 5
2.1.6 Công suất của điện trở 6
2.2 TỤ ĐIỆN 6
2.2.1 Định nghĩa 6
2.2.2 Cấu tạo của tụ điện 6
2.2.3 Ký hiệu 6
Trang 52.2.4 Cách đọc trị số ghi trên tụ 6
2.2.4.1 Với tụ hoá 6
2.2.4.2 Tụ giấy, tụ gốm 7
2.3 IC 555 8
2.3.1 : Hình dáng thực tế và cấu tạo 8
2.3.2 Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung 10
2.4 : IC LM258 : 10
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 11
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI: 11
3.1.1Sơ đồ khối tổng thể : 11
3.1.2 Nhiệm vụ các khối : 11
3.1.2.1 Khối nguồn : 11
3.1.2.2 Khối cảm biến: 11
3.1.2.3 Khối so sánh : 11
3.1.2.4 Khối điều khiển 12
3.1.2.5 Khối tải 12
3.2 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 12
3.2.1 Khối Nguồn 12
3.2.1.1 Thiết kế mạch 12
3.2.2 Khối 2: Khối cảm biến: 13
3.2.2.1 Thiết kế mạch 13
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động : 13
3.2.3 Khối 3: Khối so sánh 14
3.2.3.1 Thiết kế mạch 14
3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động 14
3.2.4 Khối 4: Khối điều khiển 15
3.2.4.1 Thiết kế mạch 15
3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động 15
Trang 63.2.5 Khối Tải ( Khối cảnh báo ) 16
3.2.5.1 Thiết kế mạch 16
3.2.5.2 Nguyên lý hoạt động 17
3.3 SƠ ĐỒ TỒNG QUÁT TOÀN MẠCH : 17
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của toan mạch : 17
CHƯƠNG IV: THI CÔNG MẠCH 19
4.1 SƠ ĐỒ MẠCH IN 19
4.1.1 Phương pháp làm mạch 19
4.2 SƠ ĐỒ LINH KIỆN 19
4.2: MẠCH HOÀN THIỆN : 19
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN 21
5.1.KẾT LUẬN 21
5.2.HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 21
TÀI LIỆU THAM KHẢO 22
Trang 7CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội ngày càng phát triển, cuộc sống ngày càng hiện đại hơn , theo đó nhu cầu của con người trong xã hội cũng tăng dần theo sự hiện đại đó Những thiết bị, những công cụ phục vụ cho con người ngày càng nhiều, cũng vì mục đích phục vụ cuộc sống Kéo theo những vấn đề về an toàn sử dụng, thực thi những công cụ phục vụ
đó người ta không ngừng phát triển những công cụ bảo vệ, cảnh báo để tránh những rủi ro đáng tiếc do sự cố, do tính bất cẩn của con người gây ra về người, của cải vật chất và thiệt hại cho xã hội
Và vấn đề an toàn khi sử dụng nhiên liệu ngày càng được chú trọng, những cảnh báo về cháy, nổ và rò rỉ thường xuyên xuất hiện trên vấn đề truyền thông, trong
đó có Khí Gas
1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:
Với đề tài mạch cảnh báo rò rỉ khí Gas dùng MQ2 Tôi mong muốn sẽ góp phầngiúp giảm thiểu tối đa sự cố về rò rỉ khí Gas trong cuộc sống, trong mỗi gia đình vàtoàn xã hội Tránh được những tai nạn đáng tiếc không mong muốn
Chỉ cần một chút khí Gas bị rò rỉ ra môi trường, từ bình Gas, dù lớn hay nhỏ, từđường ống , từ nhà máy, khu công nghiệp lớn tới những gia đình và cá nhân sử dụngnhiên liệu Gas sẽ được cảnh báo kịp thời giúp chúng ta yên tâm hơn, an toàn hơn bằng
âm thanh cảnh báo, bằng tín hiệu ánh sáng của đèn
Đó là điều tôi mong muốn khi tìm hiểu và thực hiện đề tài này
1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI :
Trên thị trường hiện nay đã xuất hiện nhiều sản phẩm cảnh báo rò rỉ khí gas chochúng ta với nhiều phương pháp thể hiện và thực thi
Tôi muốn dùng những kiến thức đã học tập, đã được giảng dạy của quý thầy cô
để thiết kế và thi công mạch cảnh báo rò rỉ khí gas dùng cảm biến khí gas MQ2 , điềukhiển bằng IC 555 và LM 358 cùng biến trở điều chỉnh 103, cảnh báo bằng diode phátquang và còi báo động âm thanh
Trang 81.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI:
- Khi có tín hiệu vào khối cảm biến là từ khí Gas sẽ làm thay đổi tín hiệu đầu ra là đèn
và còi hú báo động
Cấu tạo đơn giản, dễ dàng lắp ráp, linh kiện dễ tìm thông dụng
Nguồn đưa vào là 5-9v DC
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU :
Trong đề tài này tôi có sử dụng phần mềm proteus để vẽ và mô phỏng mạch,bên cạnh đó có sự giúp đỡ của thầy HOÀNG VĂN VINH cũng như của các thầy côtrong khoa Cơ Điện –Điện Tử của trường HUTECH trong quá trình thiết kế và thicông mạch Ngoài ra tôi còn tham khảo thêm những sản phẩm có sẵn trên thị trường vàmột số mô hình đã có sẵn trước đó
1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN :
Đồ án được chia thành 4 chương với nội dung cụ thể sau :
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH
CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
Trang 9CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU LINH KIỆN
2.1 ĐIỆN TRỞ
2.1.1 Khái niệm
- Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện, nếu một vật dẫn điện tốt thìđiện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùnglớn
- Điện trở của dây dẫn : Điện trở của dây dẫn phụ thộc vào chất liệu, độ dài và tiết diệncủa dây Được tính theo công thức sau: R = ρ.L / S
+ Trong đó :ρ là điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu
:L là chiều dài dây dẫn :S là tiết diện dây dẫn :R là điện trở, đơn vị là Ohm
2.1.2 Hình dáng và ký hiệu
- Trong thiết bị điện tử, điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợpchất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điệntrở có trị số khác nhau
Hình 2.1 : Hình dáng và kí hiệu của điện trở.
2.1.3 Đơn vị của điện trở
- Đơn vị điện trở là Ω (Ohm) , KΩ , MΩ …
2.1.4 Cách ghi trị số của điện trở
- Các điện trở có kích thước nhỏ được ghi trị số bằng các vạch màu theo một quy ướcchung của thế giới
Trang 10- Các điện trở có kích thước lớn hơn từ 2W trở lên thường được ghi trị số trực tiếp trênthân Điện trở thường được ký hiệu bằng 4 vòng màu, điện trở chính xác thì ký hiệubằng 5 vòng màu.
2.1.5 Phân loại điện trở.
- Điện trở thường: Điện trở thường là các điện trở có công xuất nhỏ từ0,125W đến 0,5W
- Điện trở công suất : Là các điện trở có công xuất lớn hơn từ 1W, 2W,5W, 10W…
- Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công xuất,
điện trở này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt
- Ngoài những điện trở bình thường còn có một số loại điện trở có thể
điều chỉnh được và được gọi là Biến Trở có ký hiệu là VR
Hình 2.2 :ký hiệu và hình ảnh thực tế của biến trở
Trang 112.1.6 Công suất của điện trở
- Khi mắc điện trở vào một đoạn mạch, bản thân điện trở tiêu thụ mộtcông suất P tính được theo công thức P = U I
- Công suất tiêu thụ của điện trở phụ thuộc vào dòng điện đi qua điện trởhoặc phụ thuộc vào điện áp trên hai đầu điện trở
- Thông thường người ta lắp điện trở vào mạch có công xuất danh định >
= 2 lần công suất mà nó tiêu thụ
2.2 TỤ ĐIỆN
2.2.1 Định nghĩa
- Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong cácmạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyềntín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động
2.2.2 Cấu tạo của tụ điện
- Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cáchđiện gọi là điện môi Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làmchất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi nàynhư: tụ giấy, tụ gốm, tụ hoá
2.2.3 Ký hiệu
- Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor)
Hình 2.3: Ký hiệu của tụ điện trên sơ đồ
2.2.4 Cách đọc trị số ghi trên tụ.
2.2.4.1 Với tụ hoá
Giá trị điện dung của tụ hoá được ghi trực tiếp trên thân tụ
=> Tụ hoá là tụ có phân cực (-) , (+) và luôn luôn có hình trụ Trên thân có ghidấu (-) dọc theo thân tụ đó là cực âm của tụ hóa
Trang 12Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3)
- Phân loại tụ điện :
+ Tụ hoá ( Tụ phân cực ) là tụ có phân cực âm dương , có trị số lớn hơn và giátrị từ 0,47Μf trở lên.f trở lên
+ Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica (Tụ không phân cực )
Các loại tụ này không phân biệt âm dương và thường có điện dung nhỏ từ0,47 μF / F trở xuống, các tụ này thường được sử dụng trong các mạch điện có tần
số cao hoặc mạch lọc nhiễu
Trang 13Hình 2.6: Tụ gốm không phân cực.
2.3 IC 555
2.3.1 : Hình dáng thực tế và cấu tạo
IC 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung
vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác Đây là linh kiện của hãng CMOS sản xuất
Hình 2.7 : hình dáng IC555 thực tế Các thông số cơ bản của IC 555 có trên thị trường :
+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
Trang 14+ Máy phát xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
Sơ đồ chân IC555:
Hình 2.8 : Sơ đồ chân IC 555
Chân 1 (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng.
Chân 2 (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn là 1/3 mức nguồn nuôi.
Chân 3 (Output): Chân ngả ra, tín hiệu trên chân 3 c1 dạng xung, không ở mức áp
thấp thì ở mức áp cao
Chân 4 (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp trên chân 3 ở mức thấp, hay
hoạt động
Chân 5 (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn trong IC 555.
Chân 6 (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn là 2/3 mức nguồn nuôi.
Chân 7 (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện Chân 8 (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ 3
đến 15V
2.3.2 Công thức tính tần số điều chế độ rộng xung
Hình 2.9: Sơ đồ: quan hệ giữa điện trở, tụ điện với tần số, độ rộng xung
Trang 15Nhìn vào sơ đồ mạch trên ta có công thức tính tần số , độ rộng xung.
+ Tần số của tín hiệu đầu ra là :f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2))
+ Chu kì của tín hiệu đầu ra: t = 1/f
+ Thời gian xung ở mức H (1) trong một chu kì: t1 = ln2 (R1 + R2).C
+ Thời gian xung ở mức L (0) trong 1 chu kì: t2 = ln2.R2.C
2.4 : IC LM258 :
IC LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, bộ khuếch đại này có ưu
điểm hơn so với bộ khuếch đại thuật toán chuẩn trong các ứng dụng dùng nguồn đơn
Điện áp: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi
Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC
Độ lợi khuếch đại DC 100dB
Điện áp ngõ ra: 0V đến VCC(+)-1.5V
Hình 2.10 : Sơ đồ chân và hình dáng thực tế của IC LM358
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI:
3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể :
Trang 16Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng thể mạch cảnh báo khí gas.
- Là khối nhận biết tín hiệu khí GAS đủ để khối cảm nhận được
-Linh kiện làm việc : cảm biến khí GAS MQ2
3.1.2.4 Khối điều khiển :- Chức năng : xử lý tín hiệu đưa vào từ khối so sánh rồi xuất
ra tín hiệu quyết định cho khối cảnh báo
- Linh kiện sử dụng trong khối :IC 555 Cấu tạo của IC 555 gồm OP-amp so sánh điện
áp Cấu tạo của IC đơn giản nhưng hoạt động tốt Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối
Trang 17tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện
áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset
3.2.1.1 Thiết kế mạch : Nguồn từ 5V- 9V cấp cho mạch.
- Khối nguồn cung cấp nguồn cho khối cảm biến, Khối điều khiển và khối tải (khối cảnh báo ) để mạch hoạt động
Nguồn DC 5-9v Khối cảm biến
Hình 3.1.1 Khối nguồn
- Đầu vào : Lấy nguồn 5-9v từ nguồn năng lượng PINCell hoặc biến áp nguồn.
- Đầu ra : Nguồn từ khối nguồn được đưa tới tất cả các khối còn lại như khối cảm
biến, khối so sánh, khối điều khiển, và khối cảnh báo
3.2.2 Khối 2: Khối cảm biến:
3.2.2.1 Thiết kế mạch :
Tín hiệu vào khí gas
Trang 18khối so sánh
Tín hiệu ra
Hình 3.1.3: Khối cảm biến
- Linh kiện sử dụng trong khối : Cảm biến khí gas MQ2, R2 và R5
- Đầu vào : nhận nguồn 5-9v từ khối nguồn và tín hiệu rò rỉ gas từ cảm biến MQ2
- Đầu ra : tín hiệu từ khối cảm biến sẽ được chuyển tới khối so sánh.
3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động :
-Khối cảm biến có chức năng lấy tín hiệu khi nhận được khí gas bị rò rỉ thông qua cảmbiến khí gas MQ2 Khi cảm biến hoạt động nó sẽ truyền tín hiệu từ các chân DOUT vàAOUT của mình về vi điều khiển
- Tín hiệu DOUT:
+ Tín hiệu thấp : có khí gas
+ Tín hiệu cao : không có khí gas
- Tín hiệu AOUT: cho tín hiệu tương tự
- Dòng điện qua R1, C18185 đến chân số 4 Reset của IC555, được nối lên mức cao,
Trang 19
Hình 3.1.4: Khối so sánh
- Linh kiện sử dụng trong khối : IC LM358
- Đầu vào : Tín hiệu được lấy từ khối cảm biến , Vcc được đưa vào chân số 8 để IC
hoạt động
- Đầu ra : Sau khi xử lý tín hiệu từ khối cảm biến , tần số xử lý sẽ được đưa tới khối
3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động
điều khiển qua chân số 7
- Khi có tín hiệu đầu vào từ chân tín hiệu DOUT và AOUT của cảm biến khí Gas khối
xử lý dùng IC LM 358 sẽ thực hiện so sánh vin theo hai ngưỡng VH và VL Khi điện
áp vin vượt qua VH thì giá trị của vout là 0V và khi vin thấp hơn VL thì vout sẽ ở+Vcc (nghĩa là có sự đảo pha)
- Lúc này do vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ là điện thế trên mạch phân áp R4-R2, nên theo sự biến thiên giữa hai mức điện áp của vout, mạch Schmitt Trigger cũng có hai ngưỡng so sánh là VH và VL
3.2.4 Khối 4: Khối điều khiển :
3.2.4.1 Thiết kế mạch :
Khối cảnh báo Tín hiệu ra Khối so sánh
Tín hiệu vào
Trang 20Hình 3.1.5: Khối điều khiển
- Linh kiện trong sơ đồ : R6, R7, R8, LED, IC 555, C4, C5, C6
- Đầu vào : Tín hiệu từ khối so sánh được đưa vào chân số 2 của IC 555 và nguồn 5v
được đưa vào chân 8 và chân 4
- Đầu ra : Tần số cảnh báo được kích hoạt đưa ra từ chân số 3 của IC 555 sẽ được đưa
tới khối Tải
3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động :
Khi tụ C nạp, Op-amp 2 có V+ lớn hơn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0] và QB=[1] Ngõ ra của IC ở mức 0
Vì QB= [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé hơn V-, ngõ ra của Op-amp 2
ở mức 0 Vì vậy Q và QB không đổi giá trị, tụ C xả điện thông qua transistor