Thiết kế mô hình cảnh báo rò rỉ khí gas giới thiệu arduino ide proteus và mô phỏng hệ thống

CHƯƠNG I .TỔNG QUAN ĐỀ TÀI1.1 Đặt vấn đề Hiện nay trong đời sống sinh hoạt có rất nhiều gia đình có những thiết bị sự dụng gas phổ biến có thể kể đến như là bếp gas ,khò gas, lò sưởi ấm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CẢNH BÁO RÒ RỈ

KHÍ GAS

MỤC LỤC

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục Tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài 1

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2

2.1 Arduino UNO R3 (Thiết bị điều khiển) 2

2.1.1 Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3 3

2.1.2 Vi điều khiển 3

2.1.3.Các chân của Arduino 3

2.1.4 Lập trình cho Arduino 4

2.1.MODULE THU PHÁT WIFI 4

2.2 Cảm biến khí Gas MQ-5 6

2.3 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 8

2.5 Quạt thông gió 12V 11

2.6 Còi báo động 12

2.7 Màn hình LCD 20*4 13

2.8 Điện trở 220Ω và LED 14

2.9 Bộ nguồn nhiều ngõ ra 15

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU ARDUINO IDE & PROTEUS VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 16

3.1 Phần mềm mô phỏng Proteus 16

3.2 Thư viện Arduino trong Proteus 17

3.3 Arduino IDE và lập trình cho Arduino 18

3.4.Mô phỏng hệ thống 19

*Code trên Arduino của hệ thống 21

CHƯƠNG IIII: NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 25

4.1 Nhận xét 25

4.2 Kết luận 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

CHƯƠNG I TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay trong đời sống sinh hoạt có rất nhiều gia đình có những thiết bị sự dụng gas phổ biến có thể kể đến như là bếp gas ,khò gas, lò sưởi ấm chạy bằng gas vàonhững mùa đông,…Đặc biệt trong các nhà hàng quán ăn bây giờ đa số là sử dụng hầy hết bếp gas công nghiệp với công xuất lớn để chế biến thực phẩm ,nấu nướng các món

ăn cho thực khách.Trong các khu công nghiệp thì gas được sử dụng rộng rãi để cắt sắt thép bằng nhiệt, tôi thép để sản xuất sắt thép ,hay sử dụng trong nhiệt điện Gas và cách sản phẩm sử dụng gas được ưa chuộng vì giá thành hợp lý so với cách nguyên liệu khác ,thuận tiện ,dễ vận chuyển.Tuy nhiên đăng sau những lợi ích đó là những rủi

ro tìm ẩn,và những rủ ro đặc biệt nghiêm trọng như cháy nổ gây thiệt hại đến người và tài sản

Vì vậy chúng ta là những người sử dụng gas cần trang bị cho mình những kiến thức phòng chống cháy nổ để ứng phó với những trường hợp xấu nhất Ngoài ra chúng

ta cần có những dụng cụ phòng chống cháy nổ chuyên biệt để kịp thời phát hiện và ngăn ngừa đúng lúc Và thiết bị Cảnh Báo Và Rò Rỉ Khí Gas của chúng em là một trong những dụng cụ rất hữu hiệu để phát hiện sớm rò rỉ khí gas và nhanh chóng ngăn chạy nguy cơ tiềm ẩn xảy ra cháy nổ

1.2 Mục Tiêu và phạm vi nghiên cứu đề tài

Nếu có khí gas rò rỉ ,cảm biến khí Gas MQ5 sẽ nhận biết và đưa về khối sử lý trung tâm xử lý và đưa ra báo động Ở đây ta dùng Arduino Uno R3 để xử lý tín hiệu

từ cảm biến về và xuất tín hiệu đến hệ thống báo động

Hệ thống báo động bao gồm còi 5V và đèn LED Khi có hiện tượng khí gas bị rò rỉ,đèn LED sẽ sáng và còi báo động sẽ kêu cho người sử dụng biết và tìm cách khắc phục đồng thời và quạt thông gió sẽ chạy để hút lượng gas bị rò rỉ trong phòng ra ngoài để giảm mức cháy nổ xuống mức thấp nhất

Ngoài ra ,em còn sử dụng thêm cảm biết không khí DHT11 để theo dõi nhiệt độ ,

độ ẩm và chất lượng không khí để cho người dùng biết được và được hiển thị trên LCD một cách trực quan nhất.Và nếu khi nhiệt độ môi trường vuợt quá 33 độ thì quạt

sẽ tự động bật để hút hơi nóng ra bên ngoài

Với mô hình mạch đơn giản, chi phí thấp, dễ thiết kế nên có thể áp dụng rộng rãivào cuộc sống thực tế của chúng ta

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC LINH KIỆN TRONG

MẠCH

2.1 Arduino UNO R3 (Thiết bị điều khiển)

Arduino là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, mộtnền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P VớiArduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông quaphần mền và phần cứng hỗ trợ

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thì trường thế giới trong nhiều năm quavới số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thôngđến bậc đại học

Arduino UNO R3 là một trong những mạch Arduino được sữ dụng phổ biếnnhất Hiện nay, dòng mạch này đã phát triển đến thế hệ thứ 3 (R3)

Hình 1: Hình dáng bên ngoài Arduino UNO R3

2.1.1 Các thông số cơ bản của Arduino UNO R3

Hình 2: Thông số cơ bản của Arduino

2.1.2 Vi điều khiển.

 Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sửdụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có 14 ngỏ ra/vàođược đánh số từ 0 đến 13 Song song đó, ta có thêm 6 ngỏ nhậ tín hiệu analog được đánh

ký hiệu từ A0 đến A5

 Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thôngqua ắc-quy nguồn

2.1.3.Các chân của Arduino.

 Các chân năng lượng: GND (Ground), 5V, 3.3V, Vin (Voltage Input), IOREF,RESET

 Các cổng ra/vào: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tínhiệu và 6 chân analog (A0 - A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit, để đọc giá trịđiện áp trong khoảng 0V - 5V

2.1.4 Lập trình cho Arduino.

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngônngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung và Wiringlại là một biến thể của C/C++ Có người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là

C hay C/C++ và tên gọi phổ biến nhất là ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduinobắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học và từ việc lập trình ta cóthể thiết kế mạch theo ý muốn của mình và vận hành một cách hiệu quả và tối ưunhất

2.1.Modun thu phát WiFi (ESP8266)

Để có thể truy cập dữ liê •u trên internet và đẩy dữ liê •u lên cơ sở dữ liê •u trực

tuyến, ta có thể sử dụng các module thu phát wifi như: mạch thu phát Wifi ESP8266 Uart ESP-01, kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102, kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua V3 CH340,…

Hình:Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102

Hình:Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01

2.1.Những ưu điểm của Esp8266

 Bằng wifi: Với tính năng tiện lợi, không vướng đường dây mạng

 Bằng mạng dây: Đảm bảo tốc độ truyền tín hiệu nhanh chóng, chính xác

 Bằng local

Hệ thống điều khiển thiết bị qua esp8266 có những ưu điểm gì?

 Có thể tích hợp, điều khiển cùng lúc nhiều thiết bị, có thể tới hàng trăm thiết

bị mà vẫn đảm bảo tính chính xác, an toàn

 Tiết giảm thời gian nhân công vận hành, tắt, mở, điều chỉnh, đặc biệt ở trong các dây chuyền sản xuất hàng loạt

 Giảm nhân công lao động

 Tiết kiệm chi phí thuê nhân công, chi phí mua các thiết bị điều khiển

 Có thể điều khiển ở mọi nơi, mọi lúc

2.2.Nguyên lý hoạt động của Esp8266

Với nguyên lý hoạt động rất đơn giản, người điều khiển thông qua hệ thống máy tính thực hiện các thao tác như tắt, mở, tăng giảm, khóa ….các thiết bị sẽ chuyển tín hiệu qua mạng internet tới các thiết bị cần điều khiển bằng lệnh được mã hóa

Hình :Sơ đồ chân Esp 8266

2.2 Cảm biến khí Gas MQ-5

2.2.1 Tính năng

- Module cảm biến khí GAS MQ5 được sử dụng để phát hiện các loại khí rò rỉ như khí hóa lỏng, khí Gas, khí Mê Tan, Butan, Propane, khí tự nhiên Mức độ cảm biến nồng độ khí sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu để kết nối đến mạch xử lý như Arduino,

Vi điều khiển hoặc trực tiếp kết nối với Module chuyển mạch rơle

- Vật liệu cảm nhận độ nhạy của module cảm biến khí Gas MQ-5 là SnO2, Có độ dẫn thấp hơn trong không khí sạch Khi phát hiện các loại khí như khí hóa lỏng, khí Gas, Mêtan, Butan, Propane và khí tự nhiên Độ dẫn của cảm biến cao hơn cùng với nồng độ khí tăng Cảm biến sẽ chuyển đổi sự thay đổi thành tín hiệu đầu ra tương ứng mức độ của nồng độ khí phát hiện

- Tín hiệu đầu ra dễ dàng kết nối với Arduino Uno R3, Arduino nano, Arduino Mega2560, Vi điều khiển AVR, ARV, PI hoặc kết nối với Module relay

- Cảm biến khí MQ-05 có độ nhạy cao với LPG, khí Mê tan, Butan, Propane, khí

tự nhiên, Khí dễ cháy trong phạm vi rộng

- Cảm biến MQ5 có độ nhạy thấp với hơi cồn và khói thuốc lá

- Được sử dụng lắp đặt trong môi trường hay rò rỉ khí như nhà máy, xí nghiệp và trong gia đình Nhằm giúp phát hiện thông qua hệ thống cảnh báo để có phương án xử lý

Hình 3: Cảm biến MQ-5 và sơ đồ chân

– Chân DOUT : digital output

– Chân AOUT : analog output

-DHT11 là một cảm biến độ ẩm tương đối Để đo không khí xung quanh, cảm biến này sử dụng một điện trở nhiệt và một cảm biến độ ẩm điện dung

Hình 4: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11

2.3.1 Cấu tạo cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở nhiệt để cảm nhận nhiệt độ Tụ điện cảm biến độ ẩm có hai điện cực với chất nền giữ

ẩm làm chất điện môi giữa chúng Thay đổi giá trị điện dung xảy ra với sự thay đổi củacác mức độ ẩm IC đo, xử lý các giá trị điện trở đã thay đổi này và chuyển chúng thànhdạng kỹ thuật số

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 gốmbán dẫn hoặc polymer

Hình 5: Sơ đồ chân của DHT11

2.3.2 Thông số kĩ thuật của DHT11

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V DC

- Dòng điện tiêu thụ: 2.5mA

- Phạm vi cảm biến độ ẩm: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

- Phạm vi cảm biến nhiệt độ: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

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

- Kích thước: 23 * 12 * 5 mm

2.4.Module relay 5VDC

2.4.1.Relay là gì ?

Relay là một công tắc điện từ được vận hành bởi một dòng điện tương đối nhỏ có thể bật hoặc tắt một dòng điện lớn hơn nhiều Trái tim của relay là một nam châm điện(một cuộn dây trở thành một nam châm tạm thời khi dòng điện chạy qua nó) Bạn có thể nghĩ về relay như một loại đòn bẩy điện: Khi bật nó bằng một dòng điện nhỏ và nóbật (“đòn bẩy”) một thiết bị khác sử dụng dòng điện lớn hơn nhiều

Như tên cho thấy, nhiều cảm biến là những thiết bị điện tử cực kỳ nhạy cảm và chỉ tạo ra dòng điện nhỏ Nhưng thường thì chúng ta cần chúng để điều khiển những bộ máy lớn hơn sử dụng dòng điện lớn hơn Relay thu hẹp khoảng cách, tạo điều kiện chodòng điện nhỏ kích hoạt dòng điện lớn hơn Điều đó có nghĩa là relay có thể hoạt độngnhư công tắc (bật và tắt) hoặc là bộ khuếch đại (chuyển đổi dòng điện nhỏ thành dòng lớn hơn)

Hình 6: Module relay 5VDC 1 kênh

2.4.2 Cấu tạo, thông số kĩ thuật và nguyên lý hoạt động của Relay

*Về cấu tạo của relay bao gồm một cuộn dây kim loại làm bằng đồng hoặc nhôm được quấn quanh một lõi sắt từ Bộ phận này có phần tĩnh gọi là ách từ (Yoke) Còn phần động được gọi là phần cứng (Armature) Phần cứng của relay sẽ được kết nối vớimột tiếp điểm động Cuộn dây có tác dụng hút thanh tiếp điểm lại để từ đó tạo thành trạng thái NO và NC Nhiệm vụ của mạch tiếp điểm (mạch lực) là đóng cắt các thiết bịtải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi một cuộn hút

Cấu tạo relay trung gian có 2 mạch độc lập nhau khi hoạt động.

 Một mạch điều khiển cuộn dây: Để cho dòng chạy qua cuộn dây hay là không cho chạy qua (có nghĩa là thiết lập điều khiển relay ở trạng thái ON hay OFF)

 Mạch còn lại điều khiển dòng điện người dùng sẽ kiểm soát có qua được relay không sẽ dựa vào trạng thái nút chức năng của rơle trung gian ON hay OFF của relay

2.5 Quạt thông gió 12V

Quạt thông gió với chức năng: thông gió, hút mùi, hút nhiệt, hút ẩm, loại bỏ bụi bẩn, chất độc hại từ bên trong phòng ra ngoài

Cấu tạo của một chiếc quạt thông gió bao gồm: mặt gió, cánh quạt, động cơ,ống gió

- Ngắt điện công quạt tắt -> động cơ ngừng hoạt động, cánh quạt ngừng quay, bụi bẩn còn trong ống quay trở lại không gian.

Cấu tạo, hoạt động đơn giản đến vậy nhưng nó đã góp phần làm sạch không khí, hút mùi, bụi bẩn đảm bảo bạn có được một không gian sạch sẽ và thoáng mát, nó thật

sự cần thiết, là giải pháp hữu hiệu tối ưu khi ô nhiễm không khí, môi trường sống đangngày càng trở nên nghiêm trọng hơn

2.6 Còi báo động

Còi báo động là một bộ phận thuộc hệ thống báo động thông minh đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay Khi tài sản cá nhân có nguy cơ bị mất hay dùng để cảm báo

có vật gì đang bị nguy hiểm , còi sẽ vang lên âm thanh báo động để bạn có thể kịp thời

để mọi người thức và biện pháp bảo vệ tài sản và tìm cách sửa chữa Với sự hỗn loạn

và mất an ninh trật tự, và nhiều vụ cháy do sự cố thiết bị như hiện nay thì việc lắp đặt còi báo động trong nhà ,cho những vật dụng nguy hiểm , cho xe máy, ô tô là một hành động cần thiết

Hầu hết các loại còi hú báo động hiện nay đều hoạt động chung một cơ chế và gồm

- Chữ trắng nền xanh dương/chữ đen nền xanh lá

- Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối vớiBreadboard

- Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn LCD hỗ trợ việc kết nối, đi dâyđiện

- Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chỉnh độ sáng để sửdụng ít điện năng hơn

- Có thể điều khiển được với 6 dây tín hiệu

2.8 Điện trở 220Ω và LED

+ Điện trở 220Ω

Phần mềm bao gồm 2 chương trình: ISIS cho phép mô phỏng mạch và ARES dùng để

vẽ mạch in Proteus là phần mềm mô phỏng cho các loại vi điều khiển khá tốt, hỗ trợ các dòng vi điều khiển PIC, 8051, dsPIC, AVR, HC11, các giao tiếp I2C, SPI, CAN,

USB, Ethenet, ngoài ra còn mô phỏng các mạch số, mạch tương tự một cách hiệu quả

Hình 12: Giao diện phần mềm Proteus 8.9

3.2 Thư viện Arduino trong Proteus

Thư viện Arduino là một bổ sung rất hay cho phần mềm Proteus, nó giúp cho việc mô phỏng Arduino được thuận tiện và dễ dàng hơn thay vì chỉ mô phỏng được chip Atmega328 (nhân của Arduino), thư viện này được phát triển bởi các kỹ sư Cesar,Osaka, Daniel Cezar, Roberto Bauer và được đăng tải trên blog tiếng Bồ Đào Nha http://blogembarcado.blogspot.de/

Thư viện bao gồm các linh kiện sau:

- Arduino UNO (Phiên bản chip Atmega328 chân DIP)

- Arduino UNO (Phiên bản chip Atmega328 chân SMD)

Hình 13:Các linh kiện trong thư viện Arduino cho Proteus

3.3 Arduino IDE và lập trình cho Arduino

Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình Wiring dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật Và quan trọng hơn là số lượng thư viện code được viết sẵn và chia sẽ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn

Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Môi trường lập trình cho Arduino là IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX là Linux Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miển phí và có thể mở rộng bởi người dùng có kinh nghiệm

Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++ Và ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng của ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thê code viết bằng AVR vào chương trình nếu muốn Hiện tại, Arduino IDE có thể download từ trang chủ http://arduino.cc/

Hình 14: Giao diện phần mềm Arduino IDE

3.4.Mô phỏng hệ thống

3.4.1.Vẽ sơ đồ khối

Hình 15:Sơ đồ khối mạch rò rỉ khí Gas

Trang 1

3.3.2 Mô phỏng mạch nguyên lý trên Proteus

Hình 16:Mô phỏng mạch rò rỉ khí Gas trên Proteus

3.3.3.Nguyên lý hoạt động

Khi cảm biến khí Gas MQ5 phát hiện được khí Gas bị rò rỉ trong không khí, thì sẽ truyền một tín hiệu Digital về khối vi điều kiển Arduino UNO R3 Thì bộ điều kiển Arduino sẽ đưa tín hiệu đóng cho Relay ,quạt thông gió hoạt động ngay lập tức để hút khí gas trong phòng ra ngoài ,đèn báo hiệu tự động bật sang màu đỏ ,còi báo hiệu kêu ,

và hiển thị cảnh báo nguy hiểm trên màn hình LCD

Khi cảm biến khí Gas MQ 5 không phát hiện được khí gas trong phòng thì đèn báomày xanh và hiển thị trên LCD là không khí tốt cho sức khỏe

-Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 sẽ truyền một tín hiệu Analog về cho khối viđiều kiển Arduino UNO R3 Bộ điều khiển sẽ giả mã tín hiệu và hiển thị nhiệt độ và độ

ẩm lên LCD một cách chính xác nhất để cho người dùng có thể xem một cách tiện lợi

-Nếu nhiệt độ trong phòng >33℃ thì bộ điều kiển Arduino sẽ đưa tín hiệu đóng cho Relay ,quạt thông gió hoạt động ngay lập tức để làm mát trong phòng, và hiển thị lên LCD “Quạt đang làm mát” để cho người dùng biết

3.3.4 Lưu đồ thuật toán