1 mạch báo cháy dùng arduino nano có đầu vào cảm biến gas MQ2, cảm biến lửa, nhiệt độ DS18B20 , và đầu ra là led , còi hú và hiển thị lên LCD, có quạt tản nhiệt để thổi khí và motor để hút nước chữa cháy. Có thêm 1 con relay nối với nguồn khi có sự cố cháy thì tự động ngắt nguồn. Nếu phát hiện khí gas thì sẽ bật quạt hút , LCD hiện thông báo và còi thông bao Nếu phát hiện cháy thông qua cb nhiệt độ và cb lửa thì hệ thống sẽ bật bơm nước để chữa cháy và bật còi hú thông báo Khi có sự cố cháy thì relay sẽ ngắt để ngắt nguồn điện tổng tạm thời Có pin lưu trữ để mất điện hệ thống vẫn hoạt động. ( cái này có thể bỏ để giảm chi phí ) Video review : https:youtu.beevE8AJIoJZU
GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay, cùng với những hiểm họa có thể xảy ra với con người thì hỏa hoạn cũng là một trong những mối nguy hiểm mà con người cần đề phòng nhất. Hậu quả mà nó gây ra là rất lớn, rất khó có thể lường được, do đó mà chúng ta cần có cảnh giác cao về phòng cháy, chữa cháy Chúng ta cần trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy chữa cháy để kịp thời xử lý nhanh khi có sự cố xảy ra Để hạn chế những vụ cháy xảy ra cấn có những hệ thống báo cháy, chữa cháy được thiết kế đúng đắn, đầy đủ chức năng, ổn định và đạt tiêu chuẩn mới có thể đảm bảo cho cao ốc, nhà xưởng, căn hộ, ngôi nhà… một cách chắc chắn khỏi những rủi ro do hỏa hoạn gây ra Trong chương 1, em trình bày về một số thành phần cơ bản của hệ thống báo cháy tự động được sử dụng và định hướng phát triển của đề tài.
NHIỆM VỤ CỦA MẠCH BÁO CHÁY
Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang bảo vệ Tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy tự động nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói thì nó còn có nhiệm vụ quan trọng hơn là “cảnh báo”, tức là phát hiện và thông báo sự sắp cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa.
PHÂN LOẠI HỆ THỐNG BÁO CHÁY
* Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy có:
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói: là hệ thống báo cháy tự động làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy khói Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự gia tăng nồng độ khói ở trong khu vực bảo vệ
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy nhiệt: là hệ thống báo cháy tự động làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy nhiệt Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi nhiệt độ ở trong khu vực bảo vệ.
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy ánh sáng (lửa): làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy lửa Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra nồng độ tăng cường ánh sáng của ngọn lửa, hay sự chập điện gây ra các tia lửa điện trong khu vực bảo vệ
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy hỗn hợp: là hệ thống làm việc dựa trên nguyên lý làm việc của đầu báo cháy hỗn hợp như: đầu báo cháy nhiệt và khói, đầu báo cháy nhiệt và lửa Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi các yếu tố môi trường trong khu vực bảo vệ
* Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo đặc điểm kỹ thuật của hệ thống báo cháy.
- Hệ thống báo cháy tự động theo vùng (hệ thống báo cháy tự động thường): là hệ thống báo cháy tự động có chức năng báo cháy tới một khu vực, một địa điểm (có thể có một hoặc nhiều đầu báo cháy) Diện tích bảo vệ của một khu vực có thể từ vài chục đến 2000 𝑚2 (tuỳ thuộc đặc điểm khu vực đó)
- Hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ: là hệ thống báo cháy tự động có khả năng báo cháy chính xác đến từng vị trí từng đầu báo riêng biệt (từng địa chỉ cụ thể) Diện tích bảo vệ của một địa chỉ báo cháy chỉ giới hạn trong khoảng vài chục mét vuông (tuỳ thuộc vào từng loại đầu báo cháy) Hệ thống báo cháy tự động thông minh Với sự phát triển khoa học công nghệ, hệ thống báo cháy tự động theo địa chỉ đã phát triển thành hệ thống báo cháy thông minh Đây là hệ thống báo cháy tự động ngoài chức năng báo cháy thông thường theo địa chỉ, nó còn có thể đo được một số thông số về môi trường của khu vực nơi lắp đặt đầu báo cháy như nhiệt độ,nồng độ khói,… và có thể thay đổi được ngưỡng tác động của đầu báo cháy theo yêu cầu của nhà thiết kế và lắp đặt
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG BÁO CHÁY
Trung tâm xử lý
Tủ trung tâm, trung tâm điều khiển (Control Panel): Đây là thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống và quyết định chất lượng của hệ thống Là thiết bị cung cấp năng lượng cho các đầu báo cháy tự động Có khả năng nhận và xử lý các tín hiệu báo cháy từ các đầu báo cháy tự động hoặc các tín hiệu sự cố kỹ thuật, hiển thị các thông tin về hệ thống và phát lệnh báo động, chỉ thị nơi xảy ra cháy Trong trường hợp cần thiết có thể truyền tín hiệu đến nơi nhận tin báo cháy Có khả năng tự kiểm tra hoạt động bình thường của hệ thống, chỉ thị sự cố của hệ thống như đứt dây, chập mạch.
Thiết bị đầu vào
Thiết bị đầu vào được định nghĩa là thiết bị nhạy cảm với các hiện tượng của sự cháy (sự tăng nhiệt, tỏa khói, phát sáng, phát lửa), và có nhiệm vụ nhận thông tin nơi xảy ra sự cháy và truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy Là thiết bị giám sát trực tiếp, phát hiện ra dấu hiệu khói để chuyển các tín hiệu khói về trung tâm xử lý. Thời gian các đầu báo khói nhận và truyền thông tin đến trung tâm báo cháy không quá 30s Mật độ môi trường từ 15% đến 20% Nếu nồng độ của khói trong môi trường tại khu vực vượt qua ngưỡng cho phép (10% -20%) thì thiết bị sẽ phát tín hiệu báo động về trung tâm để xử lý Các đầu báo khói thường được bố trí tại các phòng làm việc, hội trường, các kho quỹ, các khu vực có mật độ không gian kín và các chất gây cháy thường tạo khói trước Đầu báo khói được chia làm 2 loại chính như sau: Đầu báo khói dạng điểm:
• Thường được lắp đặt ở những khu vực có diện tích nhỏ, trần nhà thấp (kho chứa, phòng kỹ thuật….)
• Ưu điểm: giá thành rẻ, phát hiện và cảnh báo cháy nhanh do phạm vi nhỏ, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa
• Hạn chế: Bị tác động bởi điều kiện môi trường (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm), không phù hợp cho không gian rộng lớn
• Đầu khói báo dạng điểm có 2 dòng chính: a Đầu báo khói Ion :Thiết bị tạo ra các dòng ion dương và ion âm chuyển động, khi có khói, khói sẽ làm cản trở chuyển động của các ion dương và ion âm, từ đó thiết bị sẽ gởi tín hiệu báo cháy về trung tâm xử lý. b Đầu báo khói Quang: Thiết bị bao gồm một cặp đầu báo (một đầu phát tín hiệu, một đầu thu tín hiệu) bố trí đối nhau, khi có khói xen giữa 2 đầu báo, khói sẽ làm cản trở đường truyền tín hiệu giữa 2 đầu báo, từ đó đầu báo sẽ gởi tín hiệu báo cháy về trung tâm xử lý.
Hình 1.1 Đầu báo khói dạng điểm Đầu báo khói dạng Beam:
• Nguyên tắc hoạt động của đầu báo dạng beam là dựa trên sự chặn ánh sáng.
• Cặp thiết bị được lắp ở 2 đầu của khu vực quan trọng (thường là ở bờ tường) Thiết bị sẽ chiếu ra những tia hồng ngoại tới thiết bị kia tạo thành vùng hồng ngoại
• Khi xảy ra cháy, khói bay lên và cắt ngang đường hồng ngoại làm giảm cường độ của chùm sáng Khi đạt đến độ mờ nhất định, đầu báo phát tín hiệu báo cháy
• Ưu điểm: có thể lắp cho các phạm vi rộng lớn, thời gian lắp đặt nhanh chóng, thao tác đơn giản; có thể kết hợp với nhiều trung tâm báo cháy khác nhau từ hệ báo cháy địa chỉ, báo cháy hệ thường
• Khuyết điểm: chỉ phát hiện khi cháy lớn, khói nhiều gây nguy hiểm đến tính mạng và tài sản; không chịu được ánh sáng trực tiếp, mưa gió… có thể làm sai lệch cảm biến.
Hình 1.2 Đầu báo khói dạng BEAM Đầu báo nhiệt: Đầu báo nhiệt là loại dùng để dò nhiệt độ của môi trường trong phạm vi bảo vệ, khi nhiệt độ của môi trường không thỏa mãn những quy định của các đầu báo nhiệt do nhà sản xuất quy định, thì nó sẽ phát tín hiệu báo động gởi về trung tâm xử lý
Các đầu báo nhiệt được lắp đặt ở những nơi không thể lắp được đầu báo khói (nơi chứa thiết bị máy móc, Garage, các buồng điện động lực, nhà máy,nhà bếp,…) Đầu báo nhiệt cố định:
Là loại đầu báo bị kích hoạt và phát tín hiệu báo động khi cảm ứng nhiệt độ trong bầu không khí chung quanh đầu báo tăng lên ở mức độ nhà sản xuất quy định (57o , 70o , 100o…). Đầu báo nhiệt gia tăng: Là loại đầu báo bị kích hoạt và phát tín hiệu báo động khi cảm ứng hiện tượng bầu không khí chung quanh đầu báo gia tăng nhiệt độ đột ngột khoảng 9 𝐨C /phút
Hình 1.3 Đầu báo nhiệt Đầu báo gas: Là thiết bị trực tiếp giám sát, phát hiện dấu hiệu có gas khi tỉ lệ gas tập trung vượt quá mức 0.503% (Propane/ Butane) và gởi tín hiệu báo động về trung tâm xử lý
Các đầu báo gas thường được bố trí trong khoảng gần nơi có gas như các phòng vô gas hay các kho chứa gas Các đầu báo gas được lắp trên tường, cách sàn nhà từ 10- 16cm, tuyệt đối không được phép lắp đặt dưới sàn nhà
Hình 1.4 Đầu báo gas Đầu báo lửa: Là thiết bị cảm ứng các tia cực tím phát ra từ ngọn lửa, nhận tín hiệu, rồi gởi tín hiệu báo động về trung tâm xử lý khi phát hiện lửa Được sử dụng chủ yếu ở các nơi xét thấy có sự nguy hiểm cao độ, những nơi mà ánh sáng của ngọn lửa là dấu hiệu tiêu biểu cho sự cháy (ví dụ như kho chứa chất lỏng dễ cháy) Đầu báo lửa rất nhạy cảm đối với các tia cực tím và đã được nghiên cứu tỉ mỉ để tránh tình trạng báo giả Đầu dò chỉ phát tín hiệu báo động về trung tâm báo cháy khi có 2 xung cảm ứng tia cực tím sau 2 khoảng thời gian, mỗi thời kỳ là 5s.
Công tắc khẩn: Được lắp đặt tại những nơi dễ thấy của hành lang các cầu thang để sử dụng khi cần thiết Thiết bị này cho phép người sử dụng chủ động truyền thông tin báo cháy bằng cách nhấn hoặc kéo vào công tắc khẩn, báo động khẩn cấp cho mọi người đang hiện diện trong khu vực đó được biết để có biện pháp xử lý hỏa hoạn và di chuyển ra khỏi khu vực nguy hiểm bằng các lối thoát hiểm. Gồm có các loại công tắc khẩn như sau:
Thiết bị đầu ra
Nhận tín hiệu từ trung tâm báo cháy truyền đến và có tính năng phát đi các thông tin bằng âm thanh (chuông, còi), bằng tín hiệu phát sáng (đèn) giúp mọi người nhận biết đang có hiện tượng cháy xảy ra
Bảng hiện thị phụ: Hiển thị thông tin các khu vực xảy ra sự cố từ trung tâm báo cháy truyền đến, giúp nhận biết tình trạng nơi xảy ra sự cố để xử lý kịp thời
Chuông báo cháy: Được lắp đặt tại phòng bảo vệ, các phòng có nhân viên trực ban, hành lang, cầu thang hoặc những nơi đông người qua lại nhằm thông báo cho những người xung quanh có thể biết được sự cố đang xảy ra để có phương án xử lý, di tản kịp thời.
Khi xảy ra sự cố hỏa hoạn, chuông báo động sẽ phát tín hiệu báo động giúp cho nhân viên bảo vệ nhận biết và thông qua thiết bị theo dõi sự cố hỏa hoạn (bảng hiển thị phụ) sẽ biết khu vực nào xảy ra hỏa hoạn, từ đó thông báo kịp thời đến các nhân viên có trách nhiệm phòng cháy chữa cháy khắc phục sự cố hoặc có biện pháp xử lý thích hợp
Còi báo cháy: Có tính năng và vị trí lắp đặt giống như chuông báo cháy, tuy nhiên còi được sử dụng khi khoảng cách giữa nơi phát thông báo đến nơi cần nhận thông báo, báo động quá xa Đèn báo: Có công dụng phát tín hiệu báo động, mỗi lọai đèn có chức năng khác nhau và được lắp đặt ở tại các vị trí thích hợp để phát huy tối đa tính năng của thiết bị này Gồm có các lọai đèn: Đèn chỉ lối thoát hiểm: Được đặt gần các cầu thang của mỗi tầng lầu, để chỉ lối thoát hiểm trong trường hợp có cháy tự động chiếu sáng trong trường hợp mất nguồn AC Đèn báo cháy: Được đặt bên trên công tắc khẩn của mỗi tầng Đèn báo cháy sẽ sáng lên mỗi khi công tắc khẩn hoạt động, đồng thời đây cũng là đèn báo khẩn cấp cho những người hiện diện trong tòa nhà được biết Điều này có ý nghĩa quan trọng, vì trong lúc bối rối do sự cố cháy, thì người sử dụng cần phân biệt rõ ràng công tác khẩn nào còn hiệu lực được kích hoạt máy bơm chữa cháy. Đèn báo phòng: Được lắp đặt trước cửa mỗi phòng giúp nhận biết phòng nào có sự cố một cách dễ dàng và nhanh chóng. Đèn chiếu sáng trong trường hợp khẩn: Khi có báo cháy, thao tác đầu tiên là phải cúp điện Bây giờ đèn chiếu sáng này sẽ tự động bật sáng (nhờ có bình điện dự phòng), nó giúp cho mọi người dễ dàng tìm đường thoát hiểm, hoặc giúp cho các nhân viên có trách nhiệm nhanh chóng thi hành phận sự Hoặc trong trường hợp mất điện đột ngột do có sự cố về điện.
Hình 1.7 Các loại đèn báo cháy
Bơm nước: Máy bơm phòng cháy chữa cháy chủ yếu là dòng bơm ly tâm có chức năng chính là bơm nước chữa cháy Hiện nay trên thị trường có hai loại máy bơm chữa cháy đó là:
Loại bơm nhỏ gọn, có tính di động cao, có thể vận chuyển đi nhiều nơi để sử dụng Ví dụ: Các máy bơm lắp trên xe chữa cháy Hoặc máy bơm chữa cháy dạng xách tay…
trạm bơm cố định với cột áp và lưu lượng rất cao Ví dụ: Hệ thống vòi phun nước, hệ thống phun nước chữa cháy, hệ thống bơm chữa cháy cho tòa nhà, công trình…
Hiện nay, đa số các loại máy bơm nước phòng cháy chữa cháy sử dụng hai loại động cơ xăng hoặc động cơ dầu diesel cho máy bơm dự phòng Và chạy điện 3 pha cho máy bơm chính.
Hình 1.8 Máy bơm nước chữa cháy
THIẾT KẾ VÀ TRIỂN KHAI HỆ THỐNG
THIẾT KẾ TỔNG QUÁT
Hệ thống báo cháy và cảnh báo rò rỉ khí gas phải dáp ứng những yêu cầu sau:
Các giá trị của cảm biến sẽ hiển thị lên LCD 16x2
Khi hệ thống phát hiện khí gas sẽ cảnh báo bằng led, còi sau đó mở quạt hút khói và bơm nước để chữa cháy
Ngắt điện áp tổng khi có sự cố
Mô hình phải đạt tính chính xác cao và phù hợp vời điều kiện kinh tế
Hệ thống chỉ phù hợp ở những phòng nhỏ như bếp, phòng khách.
2.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Khối xử lí trung tâm: Khối xử lí trung tâm sử dụng Arduino Nano có hiệu năng cao,dùng để điều khiển các linh kiện khác trong hệ thống
Hình 2 1 Khối xử lý trung tâm
Khối cảm biến: Bao gồm cảm biến lửa, cảm biến khí gas dùng để phát hiện có lửa hoặc khí gas bị rò rỉ, từ đó đưa tín hiệu về khối xử lí trung tâm
Khối LCD: Khối hiển thị sử dụng màn hình LCD 16x2 dùng để hiển thị số đọc từ cảm biến
Khối nguồn: Là nơi cung cấp điện cho toàn hệ thống.Vì vậy cần tính toán hợp lý để mạch điện được ổn định.
Hình 2 4 Khối nguồn của hệ thống
Khối thực thi: Sử dụng đèn led, còi có chức năng đưa ra cảnh báo cho người dùng khi có tín hiệu từ khối xử lí Quạt có chức năng hút khói ra bên ngoài khi có tín hiệu cảnh báo Chạy máy bơm hút nước vào phòng
2.1.3 Lưu đồ thuật toán hệ thống
Hình 2 6 Lưu đồ thuật toán hệ thống
THIẾT KẾ CHI TIẾT
Arduino nano làm khối xử lý trung tâm
Cảm biến khí ga MQ2 Phát hiện các loại khí như LPG, Metan, Hydrogen.
Cảm biến nhiệt dộ DS18B20
Cảm biến lửa flame sensor
2.2.2 Nguyên tắc hoạt động của linh kiện
Arduino Nano có 14 chân digital input/output (IO), 8 chân analog input, 16 MHz bộ xung clock, 32 KB bộ nhớ flash cho lưu trữ chương trình và 2 KB bộ nhớ SRAM để lưu trữ dữ liệu trong quá trình chạy chương trình Nó cũng có thể được cấu hình để hoạt động như một bộ chuyển đổi USB-to-serial để giao tiếp với máy tính thông qua cổng USB Arduino Nano có thể được lập trình bằng IDE Arduino thông qua cổng USB hoặc kết nối với các module khác thông qua các chân IO Nó có thể được sử dụng trong nhiều dự án khác nhau, bao gồm điều khiển động cơ, cảm biến, mạch điều khiển đèn LED, hệ thống đo lường, và nhiều ứng dụng khác. Với kích thước nhỏ và tính linh hoạt, Arduino Nano là một board lý tưởng cho các dự án nhỏ và tùy chỉnh, đặc biệt là trong các ứng dụng cần thiết kế nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng.
Hình 2 7 Arduino nano và cấu trúc bo mạch
Chân AREF: Đây là chân tham chiếu áp điện áp analog Nếu muốn sử dụng tham chiếu áp khác thay vì điện áp 5V mặc định, bạn có thể kết nối đến chân này
Chân GND: Đây là chân mát đất
Chân Vin: Đây là chân cung cấp điện áp vào, có thể từ 7-12V.
Chân 5V: Đây là chân cung cấp điện áp 5V.
Chân 3.3V: Đây là chân cung cấp điện áp 3.3V
Chân RESET: Đây là chân sử dụng để reset board.
Chân Digital IO (D2-D13): Các chân digital IO này có thể được sử dụng cho đầu vào và đầu ra kỹ thuật số Các chân D3, D5, D6, D9, D10 và D11 cũng có thể được sử dụng cho đầu ra PWM.
Chân Analog input (A0-A7): Các chân này có thể được sử dụng để đọc giá trị tín hiệu analog.
Chân SCL: Đây là chân Clock tín hiệu I2C.
Chân SDA: Đây là chân dữ liệu tín hiệu I2C.
Chân MOSI: Đây là chân dữ liệu tín hiệu SPI MOSI.
Chân MISO: Đây là chân dữ liệu tín hiệu SPI MISO
Chân SCK: Đây là chân Clock tín hiệu SPI.
2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
Bộ nhớ flash 32KB: Với 2KB dùng bởi bootloader
Thông số kỹ thuật Arduino nano
Vi điều khiển Atmega 328 (8bit)
IC nạp và giao tiếp UART CH340 Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số dao động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC (cấp qua cổng mini USB) Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 ( 6 chân PWM)
Số chân Analog 8 (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40mA
Bộ nhớ Flash 32KB (Atmega328) 2KB dùng bới bootloader
Lập trình cho Arduino nano
Arduino IDE là một phần mềm với một mã nguồn mở, được sử dụng chủ yếu để viết và biên dịch mã vào module Arduino Nó bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng chứa đến 300,000 board mạch được thiết kế sẵn với các cảm biến, linh kiện Phần mềm giúp bạn có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của Arduino một cách linh hoạt phù hợp với mục đích sử dụng
Hình 2 8 Arduino IDE lập trình arduino
2.2.2.2 Tổng quan LCD 16x2 và giao tiếp I2C a Màn hình LCD16x2
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ.
Vss: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển
VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển
VEE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
RS: Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write)
E: Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E
D0 – D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với vi xử lý
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD. b Module I2C Arduino
I2C là một loại bus nối tiếp hai chiều với hai dây tín hiệu được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips cho quá trình giao tiếp giữa các IC Truyền thông với bus I2C là quá trình truyền thông đồng bộ nối tiếp, hỗ trợ nhiều master và slave trên đường truyền I2C phù hợp với các ngoại vi mà sự ưu tiên về kết nối đơn giản và chi phí sản xuất thấp quan trọng hơn là yêu cầu về tốc độ truyền.
I2C kết hợp các tính năng tốt nhất của SPI và UART Với I2C, bạn có thể kết nối nhiều slave với một master duy nhất (như SPI) và bạn có thể có nhiều master điều khiển một hoặc nhiều slave Điều này thực sự hữu ích khi bạn muốn có nhiều hơn một vi điều khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển thị văn bản trên một màn hình LCD.
Hình 2 9 Giao tiếp I2C Giống như giao tiếp UART, I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị: + SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu + SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit dọc theo một đường duy nhất (đường SDA) Giống như SPI, I2C là đồng bộ, do đó đầu ra của các bit được đồng bộ hóa với việc lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp được chia sẻ giữa master và slave Tín hiệu xung nhịp luôn được điều khiển bởi master.
Tiết kiệm chân Input/ Output cho vi điều khiển
Đơn giản hóa việc điều chỉnh màn hình LCD
Kích thước: 41,5mm x19mm x15,3mm
Jump chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
Biến trở xoay độ tương phản cho LCD
Hình 2 10 Sơ đồ đấu nối với Arduino
2.2.2.3 Cảm biến phát hiện lửa (Flame Sensor)
Cảm biến phát hiện lửa flame sensor thường được sử dụng cho các ứng dụng phát hiện lửa như: xe robot chữa cháy, cảm biến lửa,… Tầm phát hiện trong khoảng 80cm, góc quét là 60 độ, có thể phát hiện lửa tốt nhất là loại có bước sóng từ 760nm – 1100nm Cảm biến phát hiện lửa (flame sensor) có hai ngõ ra tín hiệu là Digital và Analog rất dễ dử dụng.
Hình 2 11 Cảm biến lửa flame sensor Thông số kỹ thuật:
Khoảng cách phát hiện: 80cm
Tín hiệu đầu ra: Digital 3.3 – 5DVC tùy nguồn cấp hoặc Analog
Kích thước: 3.0 cm x 1.5 cm x 0.5 cm
Khả năng phát hiện lửa hoặc nguồn sáng có bước sóng tương tự.
Sử dụng cảm biến hồng ngoại YG1006 với tốc độ đáp ứng nhanh và độ nhạy cao.
Tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC, tạo 2 ngõ ra cả số và tương tự, rất linh động trong việc sử dụng.
Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy cảm biến.
Có thể ứng dụng trong các hệ thống báo cháy, robot chữa cháy,…
Sơ đồ chân của cảm biến
Hình 2 12 Sơ đồ nguyên lý flame sensor
2.2.2.4 Cảm biến đo nhiệt độ
Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 được tích hợp trong ống thép không rỉ, độ nhạy cao cho phép bạn đo chính xác nhiệt độ trong môi trường ẩm ướt, cảm biến nên được dùng ở nhiệt độ 100 ° C (có thể dùng lên đến 125° C) Cảm biến không nhận được bất kỳ sự suy giảm tín hiệu nào trên một khoảng cách dài DS18B20 cung cấp các số đọc độ phân giải 9 đến 12 bit qua giao diện 1 dây, do đó chỉ cần kết nối một dây từ bộ vi xử lý trung tâm
Hình 2 13 Cảm biến flame sensor
Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F)
Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C
Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits
Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây )
Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data.
Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms ( khi chọn độ phân giải 12bit )
Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây
Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm
Đường kính đầu dò: 6mm
Cảm biến khí gas MQ2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện.
Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và
Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở.
Hình 2 14 Cảm biến khí gas MQ2 Thông số kỹ thuật:
Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo gas
DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Cấu tạo từ chất bản dẫn Sno2
Hình 2 15 Sơ đồ đấu nối MQ2 với arduino
Buzzer là một thiết bị tạo ra tiếng còi hoặc tiếng bíp Có nhiều loại nhưng cơ bản nhất là buzzer áp điện, là một miếng phẳng của vật liệu áp điện với hai điện cực Loại buzzer này đòi hỏi phải có các bộ dao động (hoặc vi điều khiển) để điều khiển nó Nếu bạn sử dụng điện áp một chiều, nó chỉ kêu lách cách Chúng được sử dụng ở những vị trí cần phát ra âm thanh nhưng không quan tâm đến việc tái tạo âm thanh trung thực, như lò vi sóng, báo cháy và đồ chơi điện tử Chúng rẻ và kêu to mà không cần sử dụng nhiều năng lượng
Hình 2 16 buzzer thực tế Thông số kỹ thuật:
Dòng điện tiêu thụ: 80 dB
Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C
Kích thước : Đường kính 12mm, cao 9,7mm
Hình 2 17 Sơ đồ đấu nối buzzer với arduino nano
2.2.2.7 Máy bơm mini Động cơ bơm nước R385 Water Pump 12VDC có kích thước nhỏ gọn, áp lực mạnh, được sử dụng để bơm nước, dung dịch với khả năng bơm tối đa lên đến 1~2L/1 phút, thích hợp với các thiết kế sử dụng máy bơm nhỏ: bơm hồ cá, tưới nước cho cây, gắn với đầu phun để làm máy rửa tay hoặc các ứng dụng phun, xịt, ,
Hình 2 18 Động cơ bơm 385 12V Thông số kỹ thuật:
Áp suất đầu ra 1-2.5kg
Độ sâu hút đạt được: 1-2,5m
Hình 2 19 Điện trở Điện trở( Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với 2 tiếp điểm nối.Chức năng nó dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch Dùng để chia điện áp,kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor, tiếp điểm cuối đường truyền điện đồng thời có trong ứng dụng khác.
Dòng điện: 1,8-3V, dòng 10 đến 20mA
XÂY DỰNG PHẦN MỀM
2.3.1 Phần mềm lập trình Arduimo IDE
Arduino IDE là một phần mềm với một mã nguồn mở, được sử dụng chủ yếu để viết và biên dịch mã vào module Arduino Nó bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng chứa đến 300,000 board mạch được thiết kế sẵn với các cảm biến, linh kiện Phần mềm giúp bạn có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của Arduino một cách linh hoạt phù hợp với mục đích sử dụng.
Hình 2 25 Phần mềm Arduino IDE IDE trong Arduino IDE là phần có nghĩa là mã nguồn mở Nghĩa là phần mềm này miễn phí cả về phần tải về lẫn phần bản quyền Người dùng có quyền sửa đổi, cải tiến, phát triển, nâng cấp theo một số nguyên tắc chung được nhà phát hành cho phép mà không cần xin phép ai, điều mà họ không được phép làm đối với các phần mềm nguồn đóng Tuy là phần mềm mã nguồn mở nhưng khả năng bảo mật thông tin của Arduino IDE là vô cùng tuyệt vời, khi phát hiện lỗi nhà phát hành sẽ vá nó và cập nhật rất nhanh khiến thông tin của người dùng không bị mất hoặc rò rỉ ra bên ngoài
Arduino IDE sử dụng ngôn ngữ lập trình C/C++ rất phổ biến trong giới lập trình Bất kỳ đoạn code nào của C/C++ thì Arduino IDE đều có thể nhận dạng, giúp các lập trình viên thuận tiện trong việc thiết kế chương trình lập cho các bo mạch Arduino.
Hình 2 26 Giao diện lập trình Arduino IDE Một số ưu điểm nổi bật
Hỗ trợ lập trình tốt cho bo mạch Arduino: Arduino có một module quản lý bo mạch, nơi người dùng có thể chọn bo mạch mà họ muốn làm việc cùng và có thể thay đổi bo mạch thông qua Menu Quá trình sửa đổi lựa chọn cũng liên tục tự động cập nhật để các dữ liệu có sẵn trong bo mạch và dữ liệu sửa đổi đồng nhất với nhau.
Thư viện hỗ trợ phong phú: Arduino IDE tích hợp với hơn 700 thư viện, được viết và chia sẻ bởi nhà phát hành Arduino Software và thành viên trong cộng đồng Arduino Mọi người có thể tận dụng chúng cho dự án của riêng mình mà không cần phải bỏ ra bất kỳ chi phí nào
Giao diện đơn giản, dễ sử dụng: Arduino IDE có một giao diện đơn giản, dễ sử dụng giúp người dùng thuận tiện hơn trong thao tác + Hỗ trợ đa nền tảng như Windows, MacOS, Linux
Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.
2.3.2 Phần mềm thiết kế mạch Altium Design
Altium Designer trước kia có tên gọi quen thuộc là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay Được phát triển bởi hãng Altium Limited Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử.
Hình 2 27 phần mềm Altium Design 17 Việc thiết kế mạch điện tử trên phần mềm altium designer có thể được tóm tắt gồm các bước như sau:
Đặt ra các yêu cầu bài toán.
Thiết kế mạch nguyên lý.
Lựa chọn các chân linh kiện để chuyển sang mạch in Update mạch nguyên lý sang mạch in.
Lựa chọn kích thước mạch in Sắp sếp các vị trí các loại linh kiện như điện trở , tụ điện, IC
Đặt kích thước các loại dây nối.
Kiểm tra toàn mạch. Ưu điểm của Altium Designer:
Giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng.
Hỗ trợ thiết kế mạch đa lớp và phức tạp.
Cung cấp thư viện linh kiện đa dạng và chất lượng cao.
Hỗ trợ mô phỏng mạch và phân tích hiệu năng trước khi sản xuất.
Nhược điểm của Altium Designer:
Yêu cầu cấu hình máy tính mạnh để đáp ứng các yêu cầu của phần mềm.
2.3.3 Sơ đồ nguyên lý trên phần mềm Altium Designer
Hình 2 28 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi cảm biến không có tín hiệu gì thì sẽ báo thông số hiện tại cho mọi người trên màn hình hiển thị
Khi cảm biến khí ga nhận được tín hiệu sẽ kích hoạt còi thông báo và bật quạt gió Thông tin được hiển thị lên LCD
Khi cảm biến lửa nhận tín hiệu và đồng thời cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ vượt quá ngưỡng cho phép thì còi báo sẽ kêu và kích hoạt relay bật bơm
Khi đồng thời cả 3 cảm biến khí gas, lửa, nhiệt độ đều kích hoạt thì hiển thị thông tin lên LCD và bật toàn bộ quạt gió, còi báo, bơm nước
Giữ sw1 5 giây để chuyển qua chế độ thủ công điều khiển quạt gió và máy bơm
THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
MÔ HÌNH SẢN PHẨM
Hình 3 1 Mô hình sản phẩm
THỬ NGHIỆM
Bật công tắc khởi động hệ thống, màn hình LCD hiện thị, đèn cảm biến sáng.
Hệ thống hoàn thành khởi động trong 10 giây
Hình 3 1 Hệ thống khởi động
Hệ thống có 2 chế độ tự động và thủ công Màn hình chuyển đổi mỗi 2 giây để thông báo về trạng thái
Hình 3 2 Màn hình hiển thị tại chế độ tự động
Khi màn hình ở chế độ tự động cảm biến tự động thu nhận tín hiệu và báo lại lên màn hình Khi ở chế độ thủ công người dùng buộc phải sử dụng nút để kích hoạt quạt gió và máy bơm
Hình 3 3 Màn hình hiển thị chế độ thủ công
Dùng bật lửa để tạo khí gas vào cảm biến khí gas Có thể thấy chỉ số khí gas trên màn hình LCD thay đổi Khi nồng độ khí gas tăng vọt qua ngưỡng 500 màn hình sẽ cảnh báo, đèn LED của mạch sẽ sáng, đồng thời kích hoạt quạt gió để hút khí gas ra ngoài
Hình 3 4 Cảnh báo khí gas
Sử dụng bật lửa để hơ nóng cảm biến nhiệt độ vượt ngưỡng 35 độ, đồng thời tạo tia lửa trong vùng của cảm biến flame Đèn LED của mạch sẽ sáng, hiển thị thông tin lên LCD, kích hoạt còi, máy bơm để dập lửa
3.2.4 Cảnh báo cháy đồng thời có khí gas
Sử dụng bật lửa để kích hoạt toàn bộ cảm biến thì LED trong mạch sáng toàn bộ, quạt gió, còi, máy bơm đều được kích hoạt Hiển thị thông số lên LCD
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
Hệ thống đã đáp ứng được các yêu cầu đề ra
Nhận diện được khí gas, nhiệt độ, tia lửa trong không khí
Hiển thị thông tin lên màn hình LCD
Khởi động được các hệ thống quạt gió, còi báo, máy bơm Đồ án hiện tại chỉ dừng ở mức độ mô hình, chưa có nhiều chức năng và tối ưu để đạt được hiệu quả cao
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Qua quá trình thực hiện đề tài hệ thống báo cháy và chữa cháy tự động em đã hoàn thành việc thiết kế và thi công với độ đáp ứng các yêu cầu đề ra và đã thu được những kết quả nhất định
Tìm hiểu được về các hệ thống cảnh báo cháy trên thị trường
Tăng thêm kỹ năng và kiến thức về Arduino và các phần mềm thiết kế mạch
Trau dồi thêm kiến thức về ngành Điện- Điện tử
4.2 NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ CỦA HỆ THỐNG Ưu điểm
Hệ thống đơn giản, dễ sử dụng và lắp đặt
LCD giúp người dùng đọc các thông số đảm bảo dễ tiếp cận sử dụng
Có hệ thống pin dự phòng trong trường hợp xảy ra sự cố về điện
Mức độ chính xác chưa được cao dễ bị ảnh hưởng bởi những tác nhân xung quanh
Chưa có hệ thống cảnh báo từ xa cho người dùng thông qua App, điện thoại
4.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để hệ thống có thể hoạt động tối ưu hơn em có đề xuất một số cải tiến có thể thực hiện được
Sủ dụng tích hợp camera nhận diện nhằm tăng chuẩn xác
Đo khoảng cách, định vị vị trí cháy trong vùng kiểm soát
Điều chỉnh hướng nước của máy bơm đến đúng vị trí gây ra cháy
Chuyển dữ liệu thu được thời gian thực lên hệ thống mạng Web, App