Nghiên cứu và thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas phòng chống cháy nổ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẢNH BÁO KHÍ GAS & PHỊNG CHỐNG CHÁY NỔ Người hướng dẫn: Ths Đinh Văn Tuấn Người thực hiện: Nhóm – Lớp D10-DTVT1 Các thành viên : Hoàng Đức Thanh Nguyễn Thế Mạnh Nguyễn Thanh Nhật Hà Nội, tháng 12 năm 2017 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học công nghệ phát triển cách mạnh mẽ, việc ứng dụng thiết bị điện tử vào đời sống ngày phổ biến hơn, với thời đại mà hệ thống nhúng lên Từ ứng dụng đơn đồng hồ kĩ thuật số, máy nghe nhạc…đến ứng dụng cho xã hội đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy, cửa tự động…cho đến ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhân… Với kiến thức học tìm hiểu từ trường học khoa học công nghệ sống đại, em có mong muốn góp thêm phần phát triển xã hội cách học hỏi đưa sản phẩm có ích cho sống Em xin giới thiệu sản phẩm thiết thực cho sống chúng ta: “ Thiết bị cảm biến khí gas phòng chống cháy nổ ” 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 phát rị rỉ khí Gas cảnh báo cho biết có khí gas bị rị rỉ khỏi bình chứa ống dẫn để tránh tai nạn đánh tiếc xảy LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực Đồ án điện tử chúng e tìm hiểu bổ xung học hỏi nhiều kiến thức kinh nghiệm việc thiết kế thực thi công thiết bị “ Cảnh báo gas phòng chống cháy nổ “ Do điều kiện thời gian kiến thức hạn chế nên đề tài chúng em dừng lại mức nghiên cứu, thiết kế mô mơ hình Trong thời gian thực đồ án, chúng em tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn, tìm hiểu tài liệu hỗ trợ góp ý từ giảng viên bạn bè anh chị trước Tuy nhiên kiến thức cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót, chúng em mong nhận góp ý quý thầy cô bạn để đồ án chúng em hoàn thiện hơn, tạo lập cho chúng em có sở nhìn nhận khả năng, kiến thức, từ có hướng phấn tốt cho đồ án Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Điện Lực dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt q trình học tập, thầy giúp đỡ tạo điều kiện cho chúng em trình thực Đồ án điện tử Đặc biệt , chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo Ths Đinh Văn Tuấn – Giảng viên trường Đại học Điện Lực trực tiếp hỗ trợ, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ bổ sung kiến thức cho chúng em q trình thực hồn thiện đồ án Trong trình thực đồ án khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy bạn Một lần chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn ! NHẬN XÉT (Của giảng viên hướng dẫn) ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……… Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Giảng viên hướng dẫn (ký, ghi rõ họ tên) PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ STT Mã SV Họ đệm Tên Lớp Chức vụ Nhiệm vụ 1581510139 Hoàng Đức Thanh D10-ĐTVT1 Nhóm trưởng D10-ĐTVT1 Thành viên Mạnh D10-ĐTVT1 Thành viên 1581510130 Nguyễn Thanh Nhật 1581510125 Nguyễn Thế Xây dựng sơ đồ khối chức Thiết kế mạch sản phẩm, lập trình Lựa chọn module linh kiện Làm vỏ hộp, viết báo cáo Vẽ mạch test,lập trình, gia công mạch lắp giáp thiết bị MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN .2 NHẬN XÉT MỤC LỤC BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC .5 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC VIẾT TẮT .7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI .8 1.2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI .8 1.3.MỤC TIÊU ĐỒ ÁN .9 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 10 2.1 CHỨC NĂNG BỘ THIẾT BỊ 10 2.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 10 2.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG 10 2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ Board Arduino mega 2560 11 2.2.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN & MODULE 15 2.2.4 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 21 2.2.5 THIẾT KẾ MẠCH IN .22 2.2.6 THIẾT KẾ VỎ HỘP 23 2.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM .24 2.3.1VIẾT MÃ NGUỒN 24 2.4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 28 2.4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 28 2.4.2 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Sơ đồ khối chức thiết bị Hình 2.2.2.1 Board Arduino mega2560 14 Hình 2.2.3.1 Module cảm biến khí gas 15 Hình 2.2.3.2 Module cảm biến nhiệt độ 17 Hình 2.2.3.3 Module relay kênh 18 Hình 2.2.3.4 Màn hình LCD 16*2 19 Hình 2.2.3.5 Module I2C 21 Hình 2.2.4.1 Khối nút bấm điều khiển 21 Hình 2.2.4.2 Khối cịi báo 22 Hình 2.2.4.3 Khối cung cấp nguồn cho module 22 Hình2.2.5.1 Măt trước sau mạch in 23 Hình 2.2.6.1 Hộp sản phẩm .23 Hình 2.4.1.1 Thiết bị lắp ráp hoàn chỉnh .29 Hình 2.4.1.2 Demo sản phẩm 29 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều AVR Automatic Voltage Regulator Tự động điều chỉnh điện áp DC Direct Current Dòng điện chiều IC Integrated Circuit Vi mạch GND Ground LCD Liquid Crystal Display LED Light Emitting Diode VĐK Đất Diode phát quang Vi điều khiển IDE Integrated Development Mơi trường phát triển tích hợp Environment SRAM Static Random Memory Bộ nhớ ngẫu nhiên tĩnh EEPROM Electrically Erasable Bộ nhớ đọc có Programmable Read-Only thể lập trình, xóa Memory tín hiệu điện Integrated Development Mơi trường phát triển Environment hợp Serial Peripheral Interface Chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp IDE SPI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Lý lựa chọn đề tài Ngày với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực thực tế để phục vụ nhu cầu : chăm sóc sức khỏe, bảo vệ tính mạng tài sản cho người Khi đời sống người cải thiện việc sử dụng bếp gas hay sản phẩn gas làm nhiên liệu đun nấu phổ biến Bên cạnh việc tiện lợi gas, vấn đề khác gas quan tâm : an toàn sử dụng gas Khi người tiếp xúc trực tiếp với khí gas (vượt nộng độ cho phép định) thời gian dài dễ bị ngộ độc gas gây tử vong Khơng khí gas rị rỉ vào khơng khí dễ dàng bắt lửa gây cháy nổ, ảnh hưởng nghiêm trọng tới an toàn người sử dụng người xung quanh Vì vậy, vấn đề phát xử lý cố rò gas việc cần thiết với người thường xuyên sử dụng gas Đặc biệt bạn sinh viên thường sử dụng cácbình gas mini khơng đảm bảo chất lượng, rị rỉ gas Xuất phát từ ý tưởng tình hình thực tế em thấy đề tài hay, có tính ứng dụng cao phát triển nên em chọn đề tài nàylàm đề tài đồ án mơn học Để khắc phục cố khí gas sử dụng chúng em làm thiết bị cảnh báo rị rỉ khí gas, thiết bị giúp dễ dàng nhận biết khí gas bị rị rỉ, sử dụng tịa nhà hộ gia đình 1.2 Giớ thiệu đề tài Như thầy cô người biết sống xã hội đại ngày vấn đề sử dụng khí đốt ( nói đến khí Gas ) việc lấu ăn hàng ngày hay sử dụng khí đốt cho ngành cơng nghiệp phổ biết Như khoảng 15 năm trước có thành phố sử dụng khí đốt cho nấu ăn hay cho ngành cơng nghiệp cịn nơng thơn thường sử dụng bếp rạ củi cho việc đun lấu gần từ q lên phố 99% sử dụng khí đốt cho bếp lúc đun lấu nên khí gas bị rị rỉ ngồi khả cháy nổ cao cần có tia nửa điện từ ổ cắm hay thiết bị điện hay đoạn dây bị hở sỉnh tia lửa điện khả hỏa hoạn cho ngồi nhà cao ảnh hưởng đến tài sản tính mạng người Đề tài nghiên cứu chúng em nhằm phần việc phát hiện khí gas ngăn chặn hỏa hoạn cho cho người tài sản Với nội dung đề phát có khí gas thiết bị bật cịi báo cho người nhà biết khí gas bị rò rỉ đểkhắc phục bật quạt thơng gió thơng qua việc đóng ngắt relay phát có gas phịng có cháy thường nhiệt độ khơng khí phịng tăng nhanh độ ẩm giảm xuống ngưỡng cho phép setup trước thiết bị bật máy bơm nước làm phun quang phòng để hạn nhiệt độ phòng chữa cháy 1.3 Mục tiêu đồ án  Mục tiêu đồ án chúng em đặt sau hoàn thành xong là:  Mục tiêu cá nhân: - Nắm bắt cấu trúc phần cứng, sơ đồ khối, nguyên lý làm việc mạch điều khiển - Tìm hiểu lập trình Arduino - Biết cách làm đồ án hoàn chỉnh phục vụ cho việc làm đồ án tốt nghiệp sau  Mục tiêu sản phẩm: - Sản phẩm hoạt động ổn định với đầy đủ chức cần thiết cho việc “ cảnh báo khí gas phịng chống cháy nổ “ - Sản phẩm nhỏ, gọn, mang tính thẩm mỹ cao - Giá thành sản phẩm phù hợp với người tiêu dùng CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 2.1 CHỨC NĂNG THIẾT BỊ Sau hoàn thiện thiết bị cảnh báo khí ga phịng chống cháy nổ có chức sau : 10 + + + + Chân DOUT : digital output Chân AOUT : analog output Chân GND: đất chung Chân VCC: kết nối nguồn 2.5 V ~ 5V -Nguyên lí hoạt động : 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 Và có khí gas đèn LED module phát sáng  Cảm Biến Nhiệt Độ DTH11 - DHT11 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp 1-wire ( giao tiếp digital 1-wire truyền liệu nhất) Cảm biến tích hợp tiền xử lý tín hiệu giúp liệu nhận xác mà khơng cần phải qua tính tốn 17 Hình 2.2.3.2 Module cảm biến nhiệt độ Thơng số sản phẩm: + Điện áp hoạt động: 3V-5V (DC) + Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5% RH + Dải nhiệt độ hoạt động: 0˚C ~ 50˚C, sai số ±2˚C + Khoảng cách truyền tối đa: 20m - Cách điều khiển : + DHT11 gửi nhận liệu với dây tín hiệu DATA, với chuẩn liệu truyền dây này, phải đảm bảo cho chế độ chờ (idle) dây DATA có giá trị mức cao, nên mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải mắc với trở kéo bên ngồi(thơng thường giá trị 4.7kΩ).) + Dữ liệu truyền DHT11 gồm 40bit liệu theo thứ tự: bit biểu thị phần nguyên độ ẩm + bit biểu thị phần thập phân độ ẩm + bit biểu thị phần nguyên nhiệt độ + bit biểu thị phần thập phân nhiệt độ + bit check sum Ví dụ: ta nhận 40 bit liệu sau: 0011 0101 0000 0000 0001 1000 0000 0000 0100 1101 Tính tốn: bit checksum 18 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000 + 0000 0000 = 0100 1101 Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% (ở phần thập phân có giá trị 0000 0000,nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân) Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở phần thập phân có giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân)  Module RELAY Mạch Relay 1-2-4-8 Kênh gồm Relay hoạt động điện áp 5VDC, chịu hiệu điện lên đến 250VAC 10A Có opto transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an tồn với board mạch chính, mạch sử dụng để đóng ngắt nguồn điện cơng suất cao AC DC Module relay thiết kế chắn, khả cách điện tốt Trên module có sẵn mạch kích relay sử dụng transistor IC cách ly quang giúp cách ly hoàn toàn mạch điều khiển (vi điều khiển) với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định Có sẵn header tiện dụng kết nối với vi điều khiển Hình 2.2.3.3 Module relay kênh THÔNG SỐ KỸ THUẬT Đầu vào: - Điện áp ni : 5VDC - Tín hiệu vào điều khiển: 0V + Tín hiệu 0: Relay đóng + Tín hiệu : Relay mở Đầu ra: + Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm , điện áp ra) + NC : Thường đóng + NO: Thường mở 19 + COM: Chân chung Ký hiệu nguồn: + VCC, GND nguồn ni Relay + In chân tín hiệu điều khiển  LCD 16*2 Module chuyển đổi I2C cho LCD 16*2  LCD 16*2 LCD text 1602 sản phẩm quen thuộc với người học muốn thực dự án điện tử, lập trình Với khả hiển thị dịng với dịng 16 ký tự, đồng thời có nhiều ví dụ mẫu cộng đồng Arduino xây dựng sẵn giúp người sử dụng làm quen nhanh tiết kiệm thời gian việc phát triển ứng dụng Hình 2.2.3.4 Màn hình LCD 16*2 Thơng số kỹ thuật • Điện áp hoạt động: 5V • Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm • Chữ trắng, xanh • Khoảng cách hai chân kết nối 0.1 inch tiện dụng kết nối với Breadboard • Đèn led dùng biến trở PWM điều chình độ sáng thích hợp • Có thể điều khiển với dây tín hiệu • VSS: cực âm nguồn cho LCD - GND: 0V 20