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[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ – ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CƠ SỞ MẠCH CẢNH BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS DÙNG CẢM BIẾN MQ2 Ngành : ĐIỆN CÔNG NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng cho hệ thống nhúng ngày trở nên phổ biến vào đời sống, từ ứng dụng đơn giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến ứng dụng cho xã hội như: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động… ứng dụng lớn Robot… Các hệ thống tự động trước sử dụng nhiều công nghệ khác hệ thống tự động hoạt động nguyên lý khí nén, thủy lực, relay điện, mạch điện tử số, thiết bị máy móc tự động cam chốt khí Với kiến thức học tìm hiểu từ trường học khoa học cơng nghệ sống đại, em muốn góp thêm phần phát triển xã hội cách học hỏi đưa sản phẩn có ích cho sống Em xin giới thiệu sản phẩm thiết thực cho sống chúng ta: “Mạch báo rị rỉ khí Gas dùng cảm biến MQ2” Với ý tưởng em mong muốn góp phần bảo vệ cho gia đình, tập thể hay cơng ty có sử dụng khí Gas an tồn Mạch báo rị rỉ khí Gas cảnh báo cho biết có khí Gas bị rị rỉ khỏi bình chứa ống dẫn để tránh tai nạn đáng tiếc xảy nhằm góp phần xây dựng sống an toàn tiện lợi đại văn minh LỜI CẢM ƠN eee Lời em xin chân thành cám ơn thầy HOÀNG VĂN VINH bạn giúp đỡ dạy giúp đỡ em tận tình thời gian em làm đồ án môn học vừa qua,đồng thời biết ơn thầy HOÀNG VĂN VINH tạo nhiều điều kiện giúp đỡ dạy để em hoàn thành tốt đồ án thiết kế thi cơng mạch cảm biến rị rỉ khí gas dùng MQ2 Trong trình thực đồ án với kiến thức thời gian có hạn nên khơng tránh khỏi nhiều sai sót Em mong nhận giúp đỡ bạn thầy cô để có thêm kinh nghiệm cho đồ án sau tốt Em xin chân thành cám ơn MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .2 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI : 1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: .3 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU : .3 1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN : CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU LINH KIỆN .4 2.1 ĐIỆN TRỞ 2.1.1 Khái niệm 2.1.2 Hình dáng ký hiệu 2.1.3 Đơn vị điện trở .4 2.1.4 Cách ghi trị số điện trở 2.1.5 Phân loại điện trở 2.1.6 Công suất điện trở 2.2 TỤ ĐIỆN 2.2.1 Định nghĩa 2.2.2 Cấu tạo tụ điện 2.2.3 Ký hiệu .6 2.2.4 Cách đọc trị số ghi tụ 2.2.4.1 Với tụ hoá 2.2.4.2 Tụ giấy, tụ gốm 2.3 IC 555 2.3.1 : Hình dáng thực tế 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 TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 11 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI: 11 3.1.1Sơ đồ khối tổng thể : 11 3.1.2 Nhiệm vụ 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 3.2.5 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 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 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Xã hội ngày phát triển, sống ngày đại , theo nhu cầu người xã hội tăng dần theo đại Những thiết bị, cơng cụ phục vụ cho người ngày nhiều, mục đích phục vụ sống Kéo theo vấn đề an tồn sử dụng, thực thi cơng cụ phục vụ người ta khơng ngừng phát triển cơng cụ bảo vệ, cảnh báo để tránh rủi ro đáng tiếc cố, tính bất cẩn người gây người, cải vật chất thiệt hại cho xã hội Và vấn đề an toàn sử dụng nhiên liệu ngày trọng, cảnh báo cháy, nổ rò rỉ thường xun xuất vấn đề truyền thơng, có Khí Gas 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI: Với đề tài mạch cảnh báo rị rỉ khí Gas dùng MQ2 Tơi mong muốn góp phần giúp giảm thiểu tối đa cố rị rỉ khí Gas sống, gia đình tồn xã hội Tránh tai nạn đáng tiếc không mong muốn Chỉ cần chút khí Gas bị rị rỉ mơi trường, từ bình Gas, dù lớn hay nhỏ, từ đường ống , từ nhà máy, khu công nghiệp lớn tới gia đình cá nhân sử dụng nhiên liệu Gas cảnh báo kịp thời giúp yên tâm hơn, an toàn âm cảnh báo, tín hiệu ánh sáng đèn Đó điều tơi mong muốn tìm hiểu thực đề tài 1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI : Trên thị trường xuất nhiều sản phẩm cảnh báo rị rỉ khí gas cho với nhiều phương pháp thể thực thi Tôi muốn dùng kiến thức học tập, giảng dạy quý thầy cô để thiết kế thi cơng mạch cảnh báo rị rỉ khí gas dùng cảm biến khí gas MQ2 , điều khiển IC 555 LM 358 biến trở điều chỉnh 103, cảnh báo diode phát quang còi báo động âm 1.4 YÊU CẦU ĐỀ TÀI: - Khi có tín hiệu vào khối cảm biến từ khí Gas làm thay đổi tín hiệu đầu đèn còi hú báo động Cấu tạo đơn giản, dễ dàng lắp ráp, linh kiện dễ tìm thơng dụng Nguồn đưa vào 5-9v DC 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU : Trong đề tài tơi có sử dụng phần mềm proteus để vẽ mô mạch, bên cạnh có giúp đỡ thầy HỒNG VĂN VINH thầy cô khoa Cơ Điện –Điện Tử trường HUTECH trình thiết kế thi cơng mạch Ngồi tơi cịn tham khảo thêm sản phẩm có sẵn thị trường số mơ hình có sẵn trước 1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN : Đồ án chia thành chương với nội dung cụ thể sau : CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHƯƠNG 4: THI CÔNG MẠCH CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU LINH KIỆN 2.1 ĐIỆN TRỞ 2.1.1 Khái niệm - Điện trở cản trở dòng điện vật dẫn điện, vật dẫn điện tốt điện trở nhỏ, vật dẫn điện điện trở lớn, vật cách điện điện trở vô lớn - Điện trở dây dẫn : Điện trở dây dẫn phụ vào chất liệu, độ dài tiết diện dây Được tính theo công thức sau: R = ρ.L / S + Trong :ρ điện trở xuất phụ thuộc vào chất liệu :L chiều dài dây dẫn :S tiết diện dây dẫn :R điện trở, đơn vị Ohm 2.1.2 Hình dáng ký hiệu - Trong thiết bị điện tử, điện trở linh kiện quan trọng, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo loại điện trở có trị số khác Hình 2.1: Hình dáng kí hiệu điện trở 2.1.3 Đơn vị điện trở - Đơn vị điện trở Ω (Ohm) , KΩ , MΩ … 2.1.4 Cách ghi trị số điện trở - Các điện trở có kích thước nhỏ ghi trị số vạch màu theo quy ước chung giới - Các điện trở có kích thước lớn từ 2W trở lên thường ghi trị số trực tiếp thân Điện trở thường ký hiệu vòng màu, điện trở xác ký hiệu vịng màu 2.1.5 Phân loại điện trở - Điện trở thường: Điện trở thường điện trở có cơng xuất nhỏ từ 0,125W đến 0,5W - Điện trở công suất : Là điện trở có cơng xuất lớn từ 1W, 2W, 5W, 10W… - Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác điện trở cơng xuất, điện trở có vỏ bọc sứ, hoạt động chúng toả nhiệt - Ngoài điện trở bình thường cịn có số loại điện trở điều chỉnh gọi Biến Trở có ký hiệu VR Hình 2.2 :ký hiệu hình ảnh thực tế biến trở Hình 2.4: Hình tụ hóa - Tụ hố ghi điện dung 1000 μF / F / 50 V 2.2.4.2 Tụ giấy, tụ gốm Tụ giấy tụ gốm có trị số ghi ký hiệu Hình 2.5: Hình tụ gốm Cách đọc : Lấy hai chữ số đầu nhân với 10(Mũ số thứ 3) - Phân loại tụ điện : + Tụ hố ( Tụ phân cực ) tụ có phân cực âm dương , có trị số lớn giá trị từ 0,47Μf trở lên.f trở lên + Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica (Tụ không phân cực ) Các loại tụ không phân biệt âm dương thường có điện dung nhỏ từ 0,47 μF / F trở xuống, tụ thường sử dụng mạch điện có tần số cao mạch lọc nhiễu Hình 2.6: Tụ gốm khơng phân cực 2.3 IC 555 2.3.1 : Hình dáng thực tế cấu tạo IC 555 loại linh kiện phổ biến với việc dễ dàng tạo xung vng thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế độ rộng xung Nó ứng dụng hầu hết vào mạch tạo xung đóng cắt mạch dao động khác Đây linh kiện hãng CMOS sản xuất Hình 2.7 : hình dáng IC555 thực tế Các thơng số IC 555 có thị trường : + Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy loại 555 : LM555, NE555, NE7555 ) + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA + Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V + Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V + Công suất lớn : 600mW * Các chức 555: + Là thiết bị tạo xung xác + Máy phát xung + Điều chế độ rộng xung (PWM) + Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng thu phát hồng ngoại) Sơ đồ chân IC555: Hình 2.8 : Sơ đồ chân IC 555 Chân (GND): Chân cho nối masse để lấy dòng Chân (Trigger): Chân so áp với mức áp chuẩn 1/3 mức nguồn nuôi Chân (Output): Chân ngả ra, tín hiệu chân c1 dạng xung, khơng mức áp thấp mức áp cao Chân (Reset): Chân xác lập trạng thái nghĩ với mức áp chân mức thấp, hay hoạt động Chân (Control Voltage): Chân làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 Chân (Threshold): Chân so áp với mức áp chuẩn 2/3 mức nguồn ni Chân (Discharge): Chân có khóa điện đóng masse, thường dùng cho tụ xả điện Chân (VCC): Chân nối vào đường nguồn V+ IC 555 làm việc với mức nguồn từ đến 15V 2.3.2 Cơng thức tính tần số điều chế độ rộng xung Hình 2.9: Sơ đồ: quan hệ điện trở, tụ điện với tần số, độ rộng xung Nhìn vào sơ đồ mạch ta có cơng thức tính tần số , độ rộng xung + Tần số tín hiệu đầu :f = 1/(ln2.C.(R1 + 2R2)) + Chu kì tín hiệu đầu ra: t = 1/f + Thời gian xung mức H (1) chu kì: t1 = ln2 (R1 + R2).C + Thời gian xung mức L (0) chu kì: t2 = ln2.R2.C 2.4 : IC LM258 : IC LM358 khuếch đại thuật tốn kép cơng suất thấp, khuếch đại có ưu điểm so với khuếch đại thuật toán chuẩn ứng dụng dùng nguồn đơn Điện áp: 3-32V với nguồn đơn, 1.5-16V với nguồn đôi Dải nhiệt độ hoạt động: ~ 70oC Độ lợi khuếch đại DC 100dB Điện áp ngõ ra: 0V đến VCC(+)-1.5V Hình 2.10 : Sơ đồ chân hình dáng thực tế IC LM358 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH 3.1 SƠ ĐỒ KHỐI: 3.1.1 Sơ đồ khối tổng thể : Hình 3.1 Sơ đồ khối tổng thể mạch cảnh báo khí gas 3.1.2 Nhiệm vụ khối : 3.1.2.1 Khối nguồn : -Là khối cấp nguồn tác động cho toàn mạch, cấp nguồn 5-9v DC trì cho mạch làm việc 3.1.2.2 Khối cảm biến: - Là khối nhận biết tín hiệu khí GAS đủ để khối cảm nhận -Linh kiện làm việc : cảm biến khí GAS MQ2 3.1.2.3 Khối so sánh : - Chức : Khối so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đầu vào với tín hiệu chuẩn ban đầu mạch - Lựa chọn linh kiện cho mạch : ta sử dụng IC LM358 để thực phép so sánh 3.1.2.4 Khối điều khiển :- Chức : xử lý tín hiệu đưa vào từ khối so sánh xuất tín hiệu định cho khối cảnh báo - Linh kiện sử dụng khối :IC 555 Cấu tạo IC 555 gồm OP-amp so sánh điện áp Cấu tạo IC đơn giản hoạt động tốt Bên gồm điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành phần Cấu tạo tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương Op-amp điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm Opamp Khi điện áp chân nhỏ 1/3 VCC, chân S = [1] FF kích Khi điện áp chân lớn 2/3 VCC, chân R FF = [1] FF reset 3.1.2.5 Khối tải - Chức : Tín hiệu đầu vào làm thay đỏi trạng thái linh kiện có mạch, cụ thể thay đổi trạng thái hoạt động LED Speaker - Linh kiện sử dụng khối : LED Speaker 3.2 Thiết kế mạch nguyên lý : 3.2.1 Khối Nguồn : 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 khối tải (khối cảnh báo ) để mạch hoạt động Nguồn DC 5-9v Khối cảm biến Tín hiệu vào Tín hiệu Hình 3.1.1 Khối nguồn - Đầu vào : Lấy nguồn 5-9v từ nguồn lượng PINCell biến áp nguồn - Đầu : Nguồn từ khối nguồn đưa tới tất khối lại khối cảm biến, khối so sánh, khối điều khiển, khối cảnh báo 3.2.2 Khối 2: Khối cảm biến: 3.2.2.1 Thiết kế mạch : Tín hiệu vào khí gas khối so sánh Tín hiệu Hình 3.1.3: Khối cảm biến - Linh kiện sử dụng khối : Cảm biến khí gas MQ2, R2 R5 - Đầu vào : nhận nguồn 5-9v từ khối nguồn tín hiệu rị rỉ gas từ cảm biến MQ2 - Đầu : tín hiệu từ khối cảm biến chuyển tới khối so sánh 3.2.2.2 Nguyên lý hoạt động : -Khối cảm biến có chức lấy tín hiệu nhận khí gas bị rị rỉ thơng qua cảm biến khí gas MQ2 Khi cảm biến hoạt động truyền tín hiệu từ chân DOUT AOUT vi điều khiển - Tín hiệu DOUT: + Tín hiệu thấp : có khí gas + Tín hiệu cao : khơng có khí gas - Tín hiệu AOUT: cho tín hiệu tương tự - Dòng điện qua R1, C18185 đến chân số Reset IC555, nối lên mức cao, IC bắt đầu hoạt động 3.2.3 Khối 3: Khối so sánh : 3.2.3.1 Thiết kế mạch : Tín hiệu từ khối Cảm biến khối điều khiển Tín hiệu Hình 3.1.4: Khối so sánh - Linh kiện sử dụng khối : IC LM358 - Đầu vào : Tín hiệu lấy từ khối cảm biến , Vcc đưa vào chân số để IC hoạt động - Đầu : Sau xử lý tín hiệu từ khối cảm biến , tần số xử lý đưa tới khối 3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động điều khiển qua chân số - Khi có tín hiệu đầu vào từ chân tín hiệu DOUT AOUT cảm biến khí Gas khối xử lý dùng IC LM 358 thực so sánh vin theo hai ngưỡng VH VL Khi điện áp vin vượt qua VH giá trị vout 0V vin thấp VL vout +Vcc (nghĩa có đảo pha) - Lúc vin so sánh với tín hiệu ngõ vào v+ điện mạch phân áp R4-R2, nên theo biến thiên hai mức điện áp vout, mạch Schmitt Trigger có hai ngưỡng so sánh VH VL 3.2.4 Khối 4: Khối điều khiển : 3.2.4.1 Thiết kế mạch : Khối cảnh báo Tín hiệu Khối so sánh Tín hiệu vào Hình 3.1.5: Khối điều khiển - Linh kiện sơ đồ : R6, R7, R8, LED, IC 555, C4, C5, C6 - Đầu vào : Tín hiệu từ khối so sánh đưa vào chân số IC 555 nguồn 5v đưa vào chân chân - Đầu : Tần số cảnh báo kích hoạt đưa từ chân số IC 555 đưa tới khối Tải 3.2.4.2 Nguyên lý hoạt động : Khi tụ C nạp, Op-amp có V+ lớn V- = 2/3 VCC, R = [1] nên Q = [0] QB= [1] Ngõ IC mức Vì QB= [1], transistor mở dẫn, Op-amp2 có V+ = [0] bé V-, ngõ Op-amp mức Vì Q QB không đổi giá trị, tụ C xả điện thơng qua transistor Khi có tác động: Vì điện áp chân (V-) nhỏ V1(V+), ngõ Op-amp mức nên S = [1], Q = [1] QB= [0] Ngõ IC mức Khi QB= [0], transistor tắt, tụ C tiếp tục nạp qua R, điện áp tụ tăng Khi nhấn cơng tắc lần Op-amp có V- = [1] lớn V+ nên ngõ Op-amp mức 0, S = [0], Q QB không đổi Trong điện áp tụ C nhỏ V2, FF giữ nguyên trạng thái 3.2.5 Khối Tải ( Khối cảnh báo ) 3.2.5.1 Thiết kế mạch : Khối điều khiển