Mô hình báo động rò khí gas từ xa sử dụng mạch arduino

MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2019 – 2020 ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO MÃ SỐ: Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Thu Lý Tp Hồ Chí Minh, năm 2020 ỦY BAN NHÂN DÂN TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠNG NGHỆ THỦ ĐỨC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO MÃ SỐ: Chủ nhiệm đề tài: Trần Thị Thu Lý Tp Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 02 năm 2020 MỤC LỤC Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 01 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 01 1.2 Các kết nghiên cứu nước 01 1.3 Mục tiêu thực đề tài 02 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 02 1.5 Phương pháp nghiên cứu 02 1.6 Ý nghĩa thực phạm vi ứng dụng đề tài .02 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 03 2.1 Lý thuyết mạch Arduino 03 2.1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 .04 2.1.2 Các chân lượng mạch Arduino R3 05 2.1.3 Bộ nhớ Arduino Uno R3 .06 2.1.4 Cổng vào/ra Arduino Uno R3 .06 2.2 Lý thuyết cảm biến khí gas MQ2 09 2.3 Lý thuyết module sim 800L .11 2.3.1 Tổng quan mạng thông tin di động GSM 11 2.3.2 Giới thiệu module sim 800L .12 2.4 Lý thuyết contactor .14 Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 18 3.1 Xây dựng phần cứng mơ hình .18 3.1.1 Sơ đồ khối mô hình 18 3.1.2 Sơ đồ kết nối mơ hình .19 3.1.3 Mơ hình báo động rị khí gas .20 3.2 Xây dựng phần mềm điều khiển 21 3.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình cho mạch arduino 21 3.2.2 Chương trình mơ hình 23 3.3 Kết thực nghiệm 26 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Mạch Arduino UN0 R3 04 Hình 2.2: Cổng ra/vào arduino 07 Hình 2.3: Cảm biến khí gas MQ2 10 Hình 2.4: Module sim 800L 12 Hình 2.5: Sơ đồ chân module sim 800L 13 Hình 2.6: Hình ảnh khởi động từ (contactor) 14 Hình 2.7: Sơ đồ mặt cắt contactor 15 Hình 3.1: Sơ đồ khối mơ hình 18 Hình 3.2: Sơ đồ kết nối mơ hình 19 Hình 3.3: Mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino 20 Hình 3.4: Giao diện phần mềm viết code cho mạch arduino 21 Hình 3.5: Thư viện tích hợp phần lập trình arduino 24 Hình 3.6: Trạng thái chưa báo động 26 Hình 3.7: Trạng thái kh có Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học công nghệ, liên kết ngành kỹ thuật với cơng nghệ tự động phát triển nhanh chóng Và hầu hết lĩnh vực có liên kết Điều mang lại cho người nhiều tiện ích hơn, sống tiện nghi hơn, thoải mái hơn, an toàn Tự động điều khiển tự động từ xa, việc sử dụng nhiều hệ thống điều khiển cho thiết bị hoạt động máy móc, xử lý nhà máy, hệ thống tự động ứng dụng khác với người can thiệp tối thiểu giảm Tự động hóa thực phương tiện khác bao gồm khí, điện, điện tử máy tính… Lợi ích lớn tự động hóa tiết kiệm lao động, tiết kiệm chi phí… Bên cạnh đó, sử dụng để tiết kiệm lượng, nguyên vật liệu, đồng thời nâng cao chất lượng độ an tồn Mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino, cảm biến khí gas module sim 800L giúp phát rò khí gas để có hướng giải tốt đem lại an toàn cho sống 1.2 Các kết nghiên cứu ngồi nƣớc Có số tác giả nước nước nghiên cứu vấn đề chủ yếu sử dụng hệ thống báo cháy chổ, khơng có báo động qua điện thoại Sau số nhiều nhiều báo tác giả nước nghiên cứu lĩnh vực + M Abdul Hannan, A.S Mohd Zain, F Salehuddin, H Hazura, S.K Idris, A.R Hanim, AM AH, NSS Mohd Yusoff: Development of LPG Leakage Detector System using Arduino with Internet of Things (IoT) + Prof K.R.Katole, Vrushali Bagade, Bhagyashree Bangade Ankita soni: UtkarshaDevkar: Hazardous Gas Detection using ARDUINO April 2016 Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO 1.3 Mục tiêu thực đề tài Thiết kế mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino để điều khiển, cảm biến khí gas để báo động chổ qua điện thoại, đồng thời ngắt nguồn điện chổ nới xãy rị khí gas để tránh tượng cháy nổ 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài - Thiết kế sơ đồ kết nối mơ hình - Viết code cho mơ hình - Xây dựng mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino hồn chỉnh 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết board Arduino, lý thuyết cảm biến khí gas, lý thuyết module sim 800L… - Nghiên cứu thực nghiệm Thiết kế, thi cơng ứng dụng mạch Arduino cảm biến khí gas, module sim 800L để báo động rị khí gas qua điện thoại di động 1.6 Ý nghĩa thực tiễn phạm vi ứng dụng đề tài Mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino ứng dụng công nghệ báo động từ xa giúp cho người việc phát rị khí gas sớm nhằm có hướng giải tốt đem lại độ an toàn cao Mơ hình sử dụng mạch Arduino để điều khiển, sử dụng cảm biến khí gas để nhận biết khí gas bị rị, module sim 800L để báo động từ xa qua số điện thoại mong muốn Đề tài ứng dụng giảng dạy học tập môn học : Vi điều khiển, Vi điều khiển nâng cao… Dùng làm mơ hình để sinh viên tham khảo môn Cảm biến đo lường Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Lý thuyết mạch Arduino Arduino bo mạch vi điều khiển nhóm giáo sư sinh viên Ý thiết kế đưa vào năm 2005 Mạch Arduino sử dụng để cảm nhận điều khiển nhiều đối tượng khác Nó thực nhiều nhiệm vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngồi mạch cịn có khả liên kết với nhiều module khác module đọc thẻ từ, ethernet shield, cảm biến siêu âm … để tăng khả ứng dụng mạch Phần cứng bao gồm board mạch nguồn mở thiết kế tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, ARM, Atmel 32bit… Hiện nay, phần cứng Arduino có tất phiên Tuy nhiên phiên thường sử dụng nhiều Arduino Uno Arduino Mega Arduino Uno sử dụng rộng rãi giới, nhiều ví dụ youtube trang hướng dẫn Arduino sử dụng mạch Vì bạn học Arduino, việc chọn Arduino Uno giúp bạn tự học dễ dàng Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino phần mềm IDE Đây phần mềm mã nguồn mở, download từ trang web Arduino Hiện giới có nhiều kênh youtube nhiều trang web, nhân chuyên hướng dẫn chia miễn phí dự án Arduino Vì bạn có vốn tiếng Anh tự học từ internet, từ trang web nước ngồi Ở Việt Nam có nhiều trang web kênh youtube hướng dẫn tự học Arduino Bản thân tác giả có kênh youtube để chia sẻ code dự án Arduino Hiện Việt Nam giới có nhiều bo mạch vi điều khiển khác Tuy nhiên Arduino có số ưu điểm mà khiến trở nên tiếng sử dụng rộng rãi giới Những ưu điểm là: rẻ, tương thích với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng, dễ sử dụng, sử dụng mã nguồn mở kết hợp với nhiều module khác Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Hình 2.1: Mạch Arduino UN0 R3 2.1.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO 2.1.2 Các chân lƣợng mạch Arduino R3 - GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với - 5V: Cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA - 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND - IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn - RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Lƣu ý: - Arduino UNO bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do bạn phải cẩn thận, kiểm tra cực âm – dương nguồn trước cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào làm Arduino không sử dụng Trong thời gian đầu tìm hiểu tốt sử dụng nguồn cấp qua cổng USB - Các chân 3.3V 5V Arduino chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị khác, chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí làm hỏng board - Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp 6V làm hỏng board - Cấp điện áp 13V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển ATmega328 - Cường độ dòng điện vào/ra tất chân Digital Analog Arduino UNO vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO ngắt mạch điều khiển, từ trường nam châm điện biến mất, tiếp điểm trở trạng thái cũ nhờ tác động lị xo Thơng số contactor Dòng điện định mức : Là dòng điện dài hạn chảy qua hệ thống tiếp điểm contactor đóng mạch điện phụ tải Với giá trị dịng điện, mạch dẫn điện contactor khơng bị phát nóng q giới hạn cho phép Điện áp định mức: Là điện áp đặt hai cực mạch dẫn điện contactor Khả đóng ngắt contactor : Khả đóng contactor: Được đánh giá giá trị dịng điện mà contactor đóng thành cơng Thường giá trị từ đến lần giá trị dòng điện định mức Khả ngắt contactor: Được đánh giá giá trị dịng điện ngắt, mà giá trị đó, contactor tác động ngắt thành cơng khỏi mạch điện Thường giá trị từ đến 10 lần dòng điện định mức Độ bền cơ: Là số lần đóng ngắt khơng có dịng điện chảy qua hệ thống tiếp điểm contactor Vượt số lần đóng ngắt đó, tiếp điểm xem bị hư hỏng, khơng cịn sử dụng Các loại contactor thường có độ bền từ 10^6 đến 5.10^6 lần thao tác Độ bền điện: Là số lần đóng ngắt dịng điện định mức Contactor loại thường có độ bền điện vào khoảng ≤ 10^6 Phân loại contactor Có nhiều cách phân loại contactor Nguyên lý truyền động : Ta có contactor kiểu điện từ, kiểu ép, kiểu thủy lực … Thường ta gặp contactor kiểu điện từ Theo dạng dòng điện : Contactor điện chiều contactor điện xoay chiều Theo kết cấu : Người ta phân contactor dùng nơi hạn chế chiều cao ( bảng điện gầm xe ) nơi hạn chế chiều rộng ( ví dụ buồng tàu điện ) Phân loại tiếp điểm contactor Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 16 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Theo khả tải dịng : Tiếp điểm ( cho dòng điện lớn qua từ 10A đến 1600A hay 2250A ), tiếp điểm phụ ( cho dòng điện qua có giá trị từ 1A đến 5A ) Theo trạng thái hoạt động : Tiếp điểm thường đóng ( loại tiếp điểm trạng thái kín mạch cuộn dây nam châm contactor trạng thái nghỉ khơng có điện ), tiếp điểm thường mở ( tiếp điểm trạng thái hở mạch cuộn dây nam châm contactor trạng thái nghỉ khơng có điện ) Ứng dụng contactor Contactor: thiết bị điều khiển để đóng mở cung cấp nguồn cho thiết bị công suất tải lớn: Máy Lạnh lớn, động kéo tải lớn… Thường loại pha, nên thấy loại pha Khác với Relay nguồn điều khiển chiều điện áp thấp, Contactor nguồn điều khiển loại xoay chiều điện áp cao Trong công nghiệp Contactor sử dụng để điều khiển vận hành động hay thiết bị điện, để an toàn vận hành Đây giải pháp tự động hóa phương pháp điện Phương pháp khơng xử lý q trình phức tạp đơn giản ổn định cao dễ sửa chữa Trong ngành tự động hóa ngày địi hỏi xử lý cơng việc có tính chất phức tạp khó khăn, nên cần phải có can thiệp xử lý nên phương pháp điện tử đời để đáp ứng q trình: đóng gói sản phẩm, ép nhựa… Contactor thiết bị sử dụng nhiều ngành cơng nghiệp tự động hóa việc sản xuất Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 17 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Chƣơng 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Xây dựng phần cứng mô hình 3.1.1 Sơ đồ khối mơ hình NGUỒN 220VAC LOA BÁO CONTACTOR ĐỘNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG MODULE RELAY MẠCH ARDUINO UNO MODULE SIM CẢM BIẾN KHÍ GAS 800L MQ2 NGUỒN MỘT CHIỀU Hình 3.1: Sơ đồ khối mơ hình Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 18 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO 3.1.2 Sơ đồ kết nối mơ hình Hình 3.2: Sơ đồ kết nối mơ hình mơ hình Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 19 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO 3.1.3 Mơ hình báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino Hình 3.3: Mơ hình mạch báo động rị khí gas từ xa sử dụng mạch arduino Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 20 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO 3.2 Xây dựng phần mềm điều khiển 3.2.1 Giới thiệu phần mềm mạch arduino Arduino môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code tải lên bo mạch Môi trường phát triển viết Java dựa ngơn ngữ lập trình xử lý phần mềm mã nguồn mở khác Phần mềm sử dụng với bo mạch Arduino Kể từ tháng năm 2015, Arduino IDE (Integrated Development Editor - mơi trường phát triển tích hợp) tải xuống triệu lần Hiện tại, khơng sử dụng cho bo mạch Arduino Genuido mà cịn hàng trăm cơng ty giới sử dụng để lập trình thiết bị họ, bao gồm thiết bị tương đương, chí hàng giả Hình 3.4: Giao diện phần mềm viết code cho mạch Arduino Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 21 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Arduino mơi trường phát triển tích hợp đa tảng, làm việc với điều khiển Arduino để viết, biên dịch tải code lên bo mạch Phần mềm cung cấp hỗ trợ cho loạt bo mạch Arduino Arduino Uno, Nano, Mega, Esplora, Ethernet, Fio, Pro hay Pro Mini LilyPad Arduino Ngôn ngữ phổ quát cho Arduino C C++, phần mềm phù hợp cho lập trình viên quen thuộc với ngôn ngữ Các tính làm bật cú pháp, thụt đầu dịng tự động, làm cho trở thành thay đại cho IDE khác Bọc bên giao diện đồ họa xếp hợp lý, Arduino sở hữu chức để thu hút nhà phát triển Arduino, mở đường đến đầu thành công thông qua mô-đun gỡ lỗi Tất tính lưu trữ bên vài nút bấm, menu, giúp dễ dàng hiểu điều hướng, đặc biệt với lập trình viên chun nghiệp Ngồi ra, việc tích hợp sưu tập ví dụ mẫu giúp cho người lần đầu tiếp xúc với Arduino làm quen nắm bắt ứng dụng nhanh Trong điều kiện kết nối bo mạch Arduino với máy tính cài đặt driver cần thiết, bạn lựa chọn mơ hình để làm việc nhờ sử dụng menu Tools ứng dụng Sau đó, bắt đầu viết chương trình cách sử dụng mơi trường làm việc thoải mái mà Arduino cung cấp Chương trình bao gồm mảng thư viện phong phú EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT, WiFi, Tất nhiên, bạn thêm vào thư viện riêng Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 22 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO Hình 3.5: Thư viện tích hợp phần mềm lập trình Arduino Các thiết kế kiểm tra, biên dịch với ghi lỗi hiển thị phần giao diện người dùng, cho phép bạn xem lại code Nếu trình gỡ lỗi trả kết khơng có lỗi bắt đầu trình tải code lên bo mạch thử nghiệm thêm Tóm lại, Arduino giải pháp phát triển board mạch Arduino, cung cấp đầy đủ yếu tố cần thiết mà nhà phát triển Arduino cần để dễ dàng thực trình tạo thử nghiệm sản phẩm 3.2.2 Chƣơng trình điều khiển mơ hình #include SoftwareSerial sim(10, 11);// tx 10 rx 11 int _timeout; Chủ nhiệm đề tài: TRẦN THỊ THU LÝ Trang 23 MƠ HÌNH BÁO ĐỘNG RỊ KHÍ GAS TỪ XA SỬ DỤNG MẠCH ARDUINO String _buffer; int relay = 6;// RELAY int cbgas = 7; String number = "0909666414"; //Số điện thoại gọi tới int a; void setup() { pinMode(13,OUTPUT); for(int a=0; a