Trang 1 Hình 1.1BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ – Ô TÔ KHOA CƠ ĐIỆN TỬ ------ BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU Xây dự
Tổng quan về hệ thống
Giới thiệu chung
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng cho các hệ thống ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hội như: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tựđộng…
Hiện nay ở nước ta hệ thống báo cháy ở nhiều nơi như các chung cư mini tự phát, những dãy trọ giá rẻ cho sinh viên hay đến những căn bếp nhà chúng ta còn lỏng lẻo hoặc là chưa có Gây ra sự nguy hiểm trong công tác phòng và chống cháy
Chính vì tồn tại những rủi ro nguy hiểm đó nên đề tài này là một trong những giải pháp đề phòng tránh đó là “Xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói để cảnh báo báo cháy” Hệ thống sẽ gồm bộ sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói đặt ở vị trí có nguy cơ cháy nổ để thu thập tình trạng, nhiệt độ ở nơi đó ví dụ như nhà bếp, tầng hầm, nhà gửi xe Khi có nguy hiểm sẽ gửi tín hiệu về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung tâm điều khiển báo động có nhiệt độhãy nồng độkhói vượt mức cho phép Nhờđó sẽcó biện pháp xử lí kịp thời Bên cạnh đó, hệ thống cảnh báo động trong toàn hệ thống cũng sẽbáo động và hiển thị nhiệt độ và nồng độkhói lên màn hình LCD
Với ý tưởng trên, đề tài này mong muốn góp phần bảo vệ những gia đình, công ty hay những căn chung cư thiếu an toàn trong phòng cháu chữa cháy được an toàn hơn tránh tai nạn đáng tiếc
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của hệ thống cảnh báo cháy là các thành phần cấu tạo nên hệ thống, bao gồm:
− Cảm biến: Thiết bị phát hiện cháy dựa trên các dấu hiệu của đám cháy, như khói, nhiệt độ, lửa,
− Mạch điện tử: Thiết bị xử lý tín hiệu từ cảm biến và đưa ra cảnh báo
− Thiết bị báo động: Thiết bị phát ra tín hiệu cảnh báo, như còi báo động, chuông báo động, đèn báo động,
M ục đích nghiên cứ u
Mục đích nghiên cứu của hệ thống cảnh báo cháy là:
− Xây dựng hệ thống có khả năng phát hiện cháy sớm và chính xác
− Tăng cường độ tin cậy và khả năng chống nhiễu của hệ thống
− Giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành hệ thống
− Tăng cường khả năng tích hợp với các hệ thống khác Đây đồng thời cũng có thể là đồ án môn mà chúng em nghiêm cứu và phát triển thêm ở các môn học, đồ án sau này.
Nhi ệ m v ụ nghiên c ứ u
Đềtài có những vấn đềchính sau đây:
− Tìm hiểu về vi điều khiển mà trọng tâm là Arduino UNO R3 phần cứng và tập lệnh
− Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khí gas MQ2
− Viết chương trình Arduino UNO R3; các cảm biến LM35, MQ2; màn hình LCD
− Tìm hiểu những phần mềm thiết kế mạch điện tử như Proteus…
Phương pháp nghiên cứu
− Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài
− Tìm hiểu cơ sở lý thuyết
− Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ
− Thiết kế và thi công bộ xửlí trung tâm.
− Thiết kế và thi công mạch nguồn
− Viết code cho Arduino Uno R3
− Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ
− Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị
− Chạy thử nghiệm hệ thống
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài xây dựng hệ thống cảnh báo cháy là:
− Giảm thiểu thiệt hại do cháy nổ gây ra: Việc phát hiện và cảnh báo cháy sớm sẽ giúp người dân có thể kịp thời sơ tán khỏi đám cháy, hạn chế thương vong và thiệt hại về tài sản
− Tăng cường an toàn cho mọi người : Hệ thống cảnh báo cháy giúp người dân nâng cao ý thức phòng cháy chữa cháy, góp phần đảm bảo an toàn cho mọi người
− Tăng cường hiệu quả công tác chữa cháy: Hệ thống cảnh báo cháy giúp lực lượng chữa cháy tiếp cận hiện trường nhanh chóng, kịp thời dập tắt đám cháy, hạn chế thiệt hại về người và tài sản
Cụ thể, ý nghĩa thực tiễn của đề tài xây dựng hệ thống cảnh báo cháy được thể hiện qua các khía cạnh sau: a) Về mặt xã hội:
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp giảm thiểu thiệt hại do cháy nổgây ra, góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp nâng cao ý thức phòng cháy chữa cháy của người dân, góp phần xây dựng môi trường sống an toàn.
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp tăng cường hiệu quả công tác chữa cháy, góp phần bảo vệ an ninh trật tự xã hội b) Về mặt kinh tế:
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp giảm thiểu thiệt hại về kinh tế do cháy nổ gây ra
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp tăng cường hiệu quảsản xuất kinh doanh, góp phần phát triển kinh tế xã hội c) Về mặt kỹ thuật:
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp nâng cao khả năng phát hiện và cảnh báo cháy sớm, góp phần giảm thiểu thiệt hại do cháy nổ gây ra
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp tăng cường độ tin cậy và khảnăng chống nhiễu, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định
− Hệ thống cảnh báo cháy giúp giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành, góp phần nâng cao hiệu quảkinh tế
Với những ý nghĩa thực tiễn nêu trên, đề tài xây dựng hệ thống cảnh báo cháy có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản của con người, góp phần xây dựng môi trường sống an toàn và phát triển kinh tế xã hội.
Thiết kế hệ thống đo lường điều khiển
Thi ết kế sơ đồ khố i h ệ th ố ng
− Khối cảm biến khói: Sử dụng module cảm biến khói có nhiệm vụ phát hiện khói và đưa thông tin về khối xử lý
− Khối cảm biến nhiệt độ : sử dụng cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phát hiện nhiệt độ cao và đưa thông tin về khối xử lí
− Khối xử lý: Sử dụng bộ điều khiển dùng đểgiao tiếp với các khối cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói và đưa thông tin đến khối phát tín hiệu ra
− Khối phát tín hiệu: Sử dụng còi báo và đèn có nhiệm vụbáo động cho mọi người biết khi có cháy xảy ra
− Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện để cung cấp cho hoạt động của mạch.
Phân tích và lự a ch ọ n c ả m bi ế n
a) Giới thiệu vềcác loại cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong những thông số được đo phổ biến nhất trên thế giới Chúng được sử dụng trong các thiết bị gia dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy điều hòa, … cho đến các thiết bị được sử dụng trong công nghiệp
Cảm biến nhiệt độ về cơ bản đo nóng, đo lạnh tạo ra bởi một đối tượng mà nó được kết nối Cảm biến cung cấp một giá trị điện trở, dòng điện hoặc điện áp ở đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ cần đo, sau đó các đại lượng này được đo hoặc xử lý theo ứng dụng của chúng ta
Cảm biến nhiệt độ là một thiết bịgiúp đo sự biến đổi về nhiệt độ của vật cần đo Khi nhiệt độ có sự thay đổi lớn thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu, từ đó các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành một con số cụ thể
Cảm biến nhiệt độ về cơ bản được phân thành hai loại là cảm biến không tiếp xúc và cảm biến tiếp xúc Cảm biến nhiệt độkhông tiếp xúc là các cảm biến nhiệt độnày sử dụng đối lưu và bức xạđể theo dõi nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc được chia thành ba loại:
− Cơ điện (Cặp nhiệt điện – Thermocouple)
− Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD – Resistance Temperature Detector)
− Dựa trên chất bán dẫn (LM35, DS1820, )
Mỗi loại cảm biến trên đều các thông số kỹ thuật khác nhau khác nhau Ta có bảng phân tích các thông số của từng loại như sau:
Thermistor (nhiệt điện trở) Chất bán dẫn
Dải đo 200℃ – 1750℃ –200℃ – 650℃ –100℃ – 350℃ –50℃ – 200℃ Độ chính xác 0,5℃ – 5℃ 0,1℃ – 1℃ 0,5℃ – 2,5℃ 0,25℃ – 2,5℃
Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhớt máy nén,…
Gia công vật liệu, hóa chất,…
Bảo vệ cuộn dây động cơ và mạch điện tử Đo nhiệt độ không khí, bảo vệ mạch điện tử,
(dưới 100k) Cao (trên 200k) Thấp (dưới 50k) Thấp
Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi
Nhiệt độ thay đổi thì điện trở giữa hai đầu kim loại cũng thay đổi
Sự thay đổi điện trở khhi nhiệt độ thay đổi
Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
B ả ng 2.1: Thông s ố các lo ạ i c ả m bi ế n nhi ệt độ ti ế p xúc
Mỗi loại cảm biến đều có các thông sốkỹ thuật khác nhau Do đó mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau
Loại cảm biến Ưu điểm Nhược điểm
(cặp nhiệt độ) − Độ nhạy cao
− Phạm vi nhiệt độ rộng
− Cần sử dụng nguồn điện
− Không cần sử dụng nguồn điện
− Phạm vi nhiệt độ hẹp hơn thermocouple
− Chi phí cao hơn thermocouple
− Phạm vi nhiệt độ rộng
− Cần sử dụng nguồn điện
Chất bán dẫn − Độ nhạy cao
− Không cần sử dụng nguồn điện
− Phạm vi nhiệt độ hẹp
− Chi phí cao hơn thermistor
B ả ng 2.2 : Ưu - nhược điể m các lo ạ i c ả m bi ế n nhi ệt độ ti ế p xúc Đề tài này chọn cảm biến LM35 thuộc loại bán dẫn để làm vì LM35 là loại cảm biến rẻ, phổ biến, phù hợp với yêu cầu đề tài lần này Vì cảm biến LM35 có nhiều ưu điểm như độ chính xác cao, độ phản hồi nhanh và dễ sử dụng Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược điểm như yêu cầu nguồn cấp đúng và nhạy cảm với nhiễu Việc sử dụng cảm biến LM35 vào đề tài lần này vì nó đáp ứng đủ các yêu cầu đặt ra b) Giới thiệu về cảm biến LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị, , cảm biến có kiểu chân TO-92 với chỉ 3 chân rất dễ giao tiếp và sử dụng
Hình 2.2: C ả m bi ế n LM35 Hình 2.3: S ở đồ kh ố i ch ức năng củ a LM35
Nguyên lý hoạt độ ng: Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trịđiện áp nhất định tại chân VOUT (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của cảm biến LM35 điện áp 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa, bạn sẽ có được nhiệt độ tương ứng với điện áp đo được Ưu điể m:
− Độ chính xác cao: Cảm biến LM35 có độ chính xác rất cao trong việc đo nhiệt độ Nó có thể đo nhiệt độ với độ chính xác đến mức ℃, giúp đảm bảo kết quả đo chính xác và tin cậy
− Độ phản hồi nhanh: LM35 có thời gian phản hồi nhanh, cho phép nhanh chóng đo và ghi nhận thay đổi nhiệt độ, điều này rất hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi đáp ứng nhanh
− Dễ sử dụng: Cảm biến LM35 có giao diện đơn giản và dễ sử dụng Nó chỉ yêu cầu một nguồn cấp 5V và có thểkết nối trực tiếp với các vi điều khiển và module khác.
− Khoảng đo nhiệt độ rộng: LM35 có thể đo nhiệt độ trong khoảng từ −55℃ đến 155℃ cho phép ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và môi trường khác nhau.
− Điện áp hoạt động: LM35 hoạt động với điện áp cấp 3 – 5 VDC, do đó cần nguồn cấp phù hợp để hoạt động Điều này có thể làm giới hạn ứng dụng của nó trong một số trường hợp
− Độ nhạy với nhiễu: Cảm biến LM35 có thể nhạy cảm với nhiễu điện từ và nhiễu môi trường khác Điều này có thểảnh hưởng đến độchính xác của kết quảđo nhiệt độ
− Giới hạn nhiệt độ lưu trữ: Mặc dù LM35 có thể đo nhiệt độ rộng, nhiệt độ lưu trữ của nó có giới hạn từ –65℃ đến 150℃ Vượt quá giới hạn này có thể gây hỏng cảm biến
− Độ bền: Đôi khi LM35 có thể bị hỏng khi tiếp xúc với các điều kiện môi trường khắc nghiệt, như độẩm cao, hóa chất hay va đập mạnh
− Điện áp hoạt động: 420VDC
− Công suất tiêu thụ: khoảng 60uA
− Điện áp tuyến tính theo nhiệt độ: 10mV/℃
Các d ạ ng m ạch đo nhiệt độ
LM35 có thể được sử dụng một trong hai cấu hình mạch như hình bên dưới Cả hai đều mang lại kết quảkhác nhau.
Hình 2.4: C ấu hình mạ ch c ủ a c ả m bi ế n LM35
Trong cấu hình mạch bên trái, cảm biến chỉ có thể đo nhiệt độ dương từ 2℃ đến 150℃ Theo cấu hình mạch này, chúng ta chỉ cần cấp nguồn cho LM35 và kết nối đầu ra trực tiếp với bộ chuyển đổi tương tự sang số
Trong cấu hình mạch bên phải, chúng ta có thể đo nhiệt độ toàn dải từ −55℃ đến 150℃ Cấu hình mạch này hơi phức tạp nhưng mang lại kết quả cao Trong trường hợp này, chúng ta phải kết nối một điện trở bên ngoài để chuyển mức điện áp âm lên dương Giá trị điện trở bên ngoài có thể được tính toán theo công thức ghi bên dưới cấu hình mạch Các thông số về độ chính xác cho cả hai cấu hình mạch là khác nhau Mức độ chính xác trung bình là ±1℃ cho cả hai cấu hình c) Giới thiệu vềcác loại cảm biến khí
Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
a) Giới thiệu về các vi điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xửlý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xửlý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các module thường được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài
Vi điều khiển thường được sử dụng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó cũng được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện hay dây chuyền sản xuất tự động,
Một số loại vi điều khiển thông dụng hiện nay: Vi điều khiển 8051; vi điều khiển PIC; vi điều khiển ARM; vi điều khiển AVR;…
Mỗi loại vi điều khiển trên đều các thông số kỹ thuật khác nhau khác nhau Ta có bảng phân tích các thông số của từng loại như sau:
Thông số 8051 PIC ARM AVR
Băng thông 8 bit 8/16/32 bit 32 bit 8/32 bit
UART, USART, SPI, I2C, LIN, CAN, Ethernet
UART, USART, SPI, I2C, LIN, CAN, USB, Ethernet, DSP, SAI, IrDA
SPI, I2C, CAN, USB, UART, USART, Ethernet
SRAM, FLASH, EEPROM Điện năng tiêu thụ Trung bình Thấp Thấp Thấp
Kết nối Lớn Rất tốt Lớn Rất tốt
Giá Rất thấp Trung bình Thấp Trung bình
Vi điều khiển phổ biến
PIC18fXX8, PIC16f88X, PIC32MXX
B ả ng 2.5: Thông s ố các lo ại vi điều khiể n
Mỗi loại vi điều khiển đều có từng thông số kỹ thuật khác nhau Do đó mỗi loại đều có ưu nhược điểm khác nhau Ta có bảng phân tích ưu nhước điểm của từng loại vi điều khiển trên
Vi điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
8051 − Giá thành rẻ, dễ tích hợp, thông dụng, đơn giản
− Cho phép người sử dụng lập trình theo ý muốn, việc điều khiển không còn bị chi phối vào mạch điện tử nữa, thay vào đó là các chương trình được lập trình cho vi điều khiển theo ý muốn
− Bộ nhớ chương trình không được nhiều, ít chức năng
− Hiện nay 8051 được ứng dụng ít bởi ngày càng có nhiều vi điều khiển mạnh mẽ, ưu việt hơn tích hợp ADC,SPI,TWI, …
PIC − Ổn định, tích hợp nhiều chức năng, điện năng tiêu thụ thấp
− Bộ nhớchương trình khá lớn
− Được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp bởi PIC được sản xuất hàng loạt, rất nhiều chủng loại để lựa chọn, sử dụng
ARM − Cấu hình cao mà giá thành lại
− rẻ Tốc độ xử lý nhanh
− Khó đối với người mới bởi hệ thống thư viện cho chip của ARM rất phức tạp
AVR − Sử dụng phổ biến cho sinh viên nghiên cứu học tập mà giá thành khá rẻ
− Arduino là 1 cái KIT hỗ trợđa chức năng, không cần xây dựng lại mạch cho nó.
− KIT này đã có sẵn các lỗ cắm, tích hợp sẵn mạch nạp
− Hỗ trợ một hệ thống thư viện cực kì mở, cực kỳ phong phú và mạnh mẽ
− Tốc độ xử lý chậm
− Khả năng xử lý đa luồng hạn
− chế Không hỗ trợ các tính năng mở rộng nâng cao
B ả ng 2.6 : Ưu nhược điể m c ủ a các lo ại vi điều khiể n
Chúng ta có thể sử dụng IC ổn áp hoặc PIC để điều khiển Tuy nhiên để thuận tiện cho việc áp dụng, đề tài lần này chọn Arduino để điều khiển hệ thống bởi Arduino có thể sử dụng ngay b) Giới thiệu về vi điều khiển Arduino
Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm Chúng ta không cần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào khác Chỉ cần cắm nó vào cổng USB của máy tính.Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog,
14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài.Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kếkiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tửngoại vi một cách trực quan
Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C và C++ được sử dụng trong IDE Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch Có một sốchân I / O Digitalvà analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA
Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
− Đèn led được mắc cực dương cắm ở chân Digital 13, cực âm nối với GND của Arduino
− Còi được mắc Cực dương nối với chân 5V Arduino, Cực âm nối với GND của Arduino, chân I/O nói với Digital 5
− Cảm biến nhiệt độ LM35 có 3 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân Vout nối với analog A2 Arduino
− Cảm biến khói MQ2 có 4 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân Vout nối với analog A0 Arduino, chân Dout không sử dụng
− LCD tich hợp I2C có 4 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân SDA nối với analog A4 Arduino, chân SCL nối với analog A5 Arduino. b) Xử lý tín hiệu
Cách đo nhiệt độ của cảm biến LM35 và chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang độ F
− Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị điện áp nhất định tại chân
VOUT ứng với mỗi mức nhiệt độ
− Công thức để chuyển đổi điện áp sang nhiệt độđộC cho LM35 là:
− Nhiệt độ đo được ( o C) = Điện áp được đọc bởi bộ ADC/10 mV
− Cách chuyển độ C sang độ F: Độ C* 9
5+32 = Độ F Cách đo nồng độ tạp chất khí của cảm biến MQ-2
− Cảm biến khí gas MQ2 đưa ra chân A0 điện áp từ0V đến 5V tương ứng với nồng độ chất gây cháy trong không khí
− Chỉ số của MQ-2 hiện trên LCD = (Tỉ lệđiện áp / Tỉ lệđiện áp tham chiếu) * 100
Chỉ số: Chỉsố nồng độ khí gas trên LCD của cảm biến MQ-2 Từ 30 đến 1000
(Chỉ số đo được có khoảng từ 30 đến 1000 vì phạm vi phát hiện của cảm biến MQ-2 là từ 300ppmm đến 10000ppmm Tương ứng với 3ppm đến 100ppm, Quy đổi ra điện áp ta được 0,15V đến 5V)
Tỉ lệđiện áp: Tỉ lệđiện áp giữa điện áp đầu ra của cảm biến và điện áp tham chiếu
Tỉ lệ điện áp tham chiếu: Tỉ lệ điện áp được đo khi không có khí gas trong môi trường Tỉ lệ điện áp tham chiếu của cảm biến MQ-2 thường được khuyến nghị là 0,5 Điều này có nghĩa là khi không có khí gas trong môi trường, tỉ lệ điện áp giữa điện áp đầu ra của cảm biến và điện áp tham chiếu là 0,5.
Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
Proteus là một phần mềm mô phỏng mạch điện tử phổ biến, được sử dụng bởi các kỹ sư điện tử, kỹ sư phần mềm và các nhà nghiên cứu
Phần mềm này cung cấp một môi trường trực quan để tạo và mô phỏng các mạch điện tử, bao gồm mạch analog, mạch số và mạch vi xửlý.
Chọn proteus để mô phỏng hệ thống báo cháy của đề tài này vì phần mềm proteus đã được học trong chương trình giảng dạy của bộ môn kỹ thuật vi xử lý Và phần mềm proteus chứa đầy đủ các cảm biến, bộ điều khiển cần thiết
Các bước mô phỏng hệ thống trên proteus
Bước 1: Chuẩn bị các module và mạch điều khiển để mô hình hóa hệ thống bao gồm:, màn hình LCD LM016L, BUZZER, LED, LM35, MQ-2 GAS SENSOR, ARDUINO UNO, PCF8574
Hình 2.8 : Bướ c 1 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Bước 2: Nối mạch cho LCD Đối với LCD việc kết nối thông thường với vi xử lý arduino sẽ gặp một số khó khăn do số dây cần nối tới arduino lớn vì vậy để dễdàng hơn cho việc thiết kếvà kết nối giữa arduino và LCD ta sẽ sử dụng giao tiếp I2C cho quá trình kết nối này
SDA (Serial Data) – đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu
SCL (Serial Clock) – đường mang tín hiệu xung nhịp
Hai chân SDA và SCL truyền dẫn tín hiệu analog được nối với 2 chân A4 và A5 của arduino
Hình 2.9: Bướ c 2 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Bước 3: Nối cảm biến LM35
Chân số 1 nối power, chân số 2 nối với chân Analog A2, chân số 3 nối với ground
Hình 2.10: Bướ c 3 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Bước 4: Nối MQ-2 gas sensor
Chân VCC nối với power, chân OUT nối với chân Analog A0, chân GND nối với ground, chân Testpin không nối
Hình 2.11: Bướ c 4 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Một chân nối với ground, chân còn lại nối với chân digital 3
Hình 2.12: Bướ c 5 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Một chân nối với ground, chân còn lại nối với chân digital 2
Hình 2.13: Bướ c 6 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Bước 7: Mô hình khi hoàn thiện
Hình 2.14: Bướ c 7 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Hình 2.15: Bướ c 8 mô ph ỏ ng h ệ th ống trên proteus
Lưu đồ thu ật toán
Hình 2.16 : Lưu đồ thuậ t toán
Ta gán A0 là cảm biến khói MQ-2, gán A1 là cảm biến nhiệt độ LM35 Tiếp tục chương trình ta xét điều kiện của cảm biến khói MQ-2 và cảm biến nhiệt độ LM35:
Trường hợp 1: A0=0 và A1=0 chương trình kết thúc
− A0=0 là chỉ số khí cảm biến MQ-2 đo được nhỏ hơn 100
− A1=0 là nhiệt độ cảm biến LM35 đo được nhỏ hơn 65℃ hoặc 100° F
Trường hợp 2: A0=1 hoặc A1=1 chương trình tiếp tục đưa dữ hiệu về xử lý
− A0=1 là chỉ số khí cảm biến MQ-2 đo được lớn hơn hoặc bằng 100
− A1=1 là nhiệt độ cảm biến LM35 đo được lớn hơn hoặc bằng 65℃ hoặc 100 ° F
Khi nhận được dữ hiệu từ khối lúc này bộ xử lý sẽ phát tín hiệu cho đèn báo động Và đồng thời chuông báo động sẽkêu lên Sau đó chương trình kết thúc và lặp lại chu kì mới
Từ những phân tích về các cảm biến, vi điều khiển và những linh kiện liên quan của hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến báo khói và cảm biến nhiệt độ trong chương 2
Với mục đích thiết kế hệ thống sẽ gồm bộsử dụng cảm biến khói MQ-2 và cảm biến nhiệt độ LM35 đặt ở vị trí có nguy cơ dễ xảy ra cháy nổ để thu thập tình trạng nhiệt độ và khói ở nơi đó Khi có nguy hiểm sẽ gửi tín hiệu về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung tâm điều khiển báo động có nhiệt độ hay nồng độ khói vượt tiêu chuẩn Nhờ đó sẽcó biện pháp xử lí kịp thời Để thiết kế một hệ thống hoàn chỉnh với yêu cầu đó, hệ thống cẩn những linh kiện sau: Cảm biến khí gas MQ-2, cảm biến nhiệt độ LM35, vi điều khiển Arduino Uno R3, còi báo, màn hình LCD 16x2, đèn Led
Chế t ạo và thử nghi ệ m h ệ th ố ng
Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống
Tên thiết bị,vật tư Số lượng Thông sốkĩ thuật Mục đích sử dụng
Bộđiều khiển trung tâm sensorMQ2 1
Cảm biến phát hiện khí gas
Phát hiện và kiểm soát nhiệt độ
Còi báo hiệu Đèn led 1
Cảnh báo khi có khí gas
Dẫn điện từ nguồn tới các bộ phận
Lắp ghép và hoàn thiện mô hình
Bước 1: Chuẩn bị đủ thiết bị vật tư
Hình 3.8 : Chuẩ n b ị thi ế t b ị v ật tư
Bước 2: LCD tích hợp I2C có 4 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân SDA nối với analog A4 Arduino, chân SCL nối với analog A5 Arduino
Hình 3.9: L ắp màn hình LCD
Bước 3: Cảm biến nhiệt độ LM35 có 3 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân Vout nối với analog A2 Arduino
Bước 4: Cảm biến khói MQ2 có 4 chân: VCC của cảm biến nối với chân 5V Arduino, GND của cảm biến nối với chân GND Arduino, chân Vout nối với analog A0 Arduino, chân Dout không sử dụng
Bước 5: Còi được mắc Cực dương nối với chân 5V Arduino, Cực âm nối với GND của Arduino, chân I/O nói với Digital 5
Bước 6: Đèn led được mắc cực dương cắm ở chân Digital 13, cực âm nối với GND của Arduino
Bước 7: Cấp nguồn cho hệ thống
Hình 3.14: C ắp nguồ n cho h ệ th ố ng b) Hoàn thiện mô hình
Hình 3.15 : Bên ngoài hộ p Hình 3.16 : Bên trong hộ p
Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Thử nghiệm hệ thống bằng cách dùng bật lửa làm nóng cảm biến LM35 và dùng bật lửa phun khí gas vào cảm biến MQ-2 với các mức khoảng cách ta nhận lại được một giá trị thời gian cảm biến nhận được tín hiệu tương ứng ở các bảng bên dưới
Ghi chú:Đề tài làm về cảnh báo khi nhận được khói Tuy nhiên cảm biến MQ-2 có thểđo được nồng độ khói và cả nồng độ khí gas vì tương tự nhau nên thử nghiệm và chạy mô hình để thuận tiện thì sẽ dùng khí gas ở bật lửa để dễ dàng thực hiện a) Trong môi trường kín gió
Khoảng cách Thời gian nhận tín hiệu đến khi phát ra cảnh báo Cảm biến MQ-2 Thời gian nhận tín hiệu đến khi phát ra cảnh báo Cảm biến LM35
B ả ng 3.1: B ả ng th ử nghi ệ m h ệ th ống trong môi trườ ng kín gió b) Trong môi trường có gió
Khoảng cách Thời gian nhận tín hiệu đến khi phát ra cảnh báo Cảm biến MQ-2
Thời gian nhận tín hiệu đến khi phát ra cảnh báo Cảm biến LM35
B ả ng 3.2: B ả ng th ử nghi ệ m h ệ th ống trong môi trườ ng có gió c) Nhận xét và đánh giá hệ thống
Hệ thống chạy khá ổn định Tuy nhiên cần đặt cảm biến ở nơi kín gió để dễ dàng phát hiện nhiệt độ cao bất thường, hoặc khi có khói, khí gas cảm biến sẽ dễ dàng nhận được tín hiệu để phát ra cảnh báo Trong điều kiện kín gió, thời gian cảm biến nhận tín hiệu sẽnhanh hơn trong điều kiện cógió Khoảng cách càng gần thì thời gian cảm biến nhận tín hiệu sẽ càng nhanh Hệ thống chạy ổn định, không bị lỗi
Báo cáo đề tài "Xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói để cảnh báo báo cháy" là một nỗ lực quan trọng trong việc nâng cao an toàn và phòng cháy chữa cháy
Mục tiêu: Đềtài đã đạt được mục tiêu xây dựng một hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói để cảnh báo báo cháy Hệ thống được thiết kế để phát hiện sự tăng nhiệt đột ngột và sự có mặt của khói, giúp người dùng nhận biết và phản ứng kịp thời trong trường hợp có nguy cơ cháy.
Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để giám sát sự tăng nhiệt trong môi trường Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo báo cháy Cảm biến nhiệt độ cần được đặt và hiệu chuẩn một cách chính xác để đảm bảo độ tin cậy Cảm biến báo khói: Cảm biến báo khói được sử dụng để phát hiện sự có mặt của khói, một dấu hiệu sớm của cháy Khi cảm biến phát hiện khói, hệ thống sẽ kích hoạt cảnh báo báo cháy, cung cấp cảnh báo sớm cho người dùng
Tính tin cậy: Hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói cần có độ tin cậy cao để đảm bảo sự phát hiện chính xác và kịp thời của nguy cơ cháy Cảm biến cần được hiệu chuẩn định kỳ và bảo trì để đảm bảo hoạt động ổn định
Hiệu quả: Hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói là một công cụ hiệu quảtrong việc phòng cháy chữa cháy Sựkết hợp của hai cảm biến này cung cấp thông tin đa chiều về nguy cơ cháy, giúp tăng cường khả năng phát hiện và phản ứng sớm
Hướng phát triển: Để nâng cao hiệu quả của hệ thống, có thể xem xét việc tích hợp các cảm biến khác như cảm biến gas để phát hiện khí gas có nguy cơ cháy Nghiên cứu và áp dụng công nghệ thông tin để gửi cảnh báo tự động đến cơ quan chức năng hoặc người dùng cũng là một hướng phát triển tiềm năng.
Tổng kết lại, đề tài "Xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói để cảnh báo báo cháy" đề cập đến việc xây dựng một hệ thống quan trọng trong xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến nhiệt độ và cảm biến báo khói để cảnh báo báo cháy Hệ thống này có thể giúp phát hiện và cảnh báo sớm về nguy cơ cháy, đồng thời cung cấp thông tin đa chiều đểngười dùng có thể phản ứng kịp thời Tuy nhiên, đểđảm bảo hiệu quả của hệ thống, cần đảm bảo độ tin cậy cao của cảm biến và thực hiện hiệu chuẩn định kỳ và bảo trì Các cảm biến khác như cảm biến gas cũng có thể được tích hợp để mở rộng khả năng phát hiện nguy cơ cháy Nghiên cứu và áp dụng công nghệ thông tin để gửi cảnh báo tự động cũng là một hướng phát triển tiềm năng cho hệ thống này.