Báo cáo đồ án chuyên ngành điện tử viễn thông thiết kế hệ thống đo, cảnh báo cháy trong nhà

Mục tiêu chính của đồ án là giảm thiểu rủi ro cháy nổ vàbảo vệ tính mạng và tài sản của con người.Trong quá trình nghiên cứu, đồ án tập trung vào cácthành phần cốt lõi của hệ thống báo c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Tên đồ án: Thiết kế hệ thống đo, cảnh báo cháy trong

nhà

GVHD: Nguyễn Văn Tùng NHÓM THỰC HIỆN: 6

Hà nội 12/2023

Lời Cảm Ơn

Trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đếnquý thầy cô trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội nói chung vàquý thầy cô ở khoa Điện tử và chuyên ngành Điện tử - Viễnthông nói riêng đã tận tình truyền đạt những kiến thức quýgiá trong khoảng thời gian em học tập tại trường

Em xin được gửi lời cảm ơn đến thầy Tùng, đã hướng dẫn

và giúp đỡ tận tình bọn em nghiên cứu và hoàn thành đồ ánnày Những lời nhận xét, góp ý và hướng dẫn của thầy đã giúp

em có định hướng đúng đắn trong quá trình thực hiện đề tài,giúp em nhìn ra được ưu khuyết điểm của đề tài và từng bướckhắc phục để có được kết quả tốt nhất Xin gửi đến thầy lờichúc sức khỏe và ngày càng thành công trên trên mục giảng

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/Cô đãdành thời gian quý báu để nhận xét và chấm đề tài Đây sẽ lànhưng đóng góp rất quý giá cho chúng em để hoàn thiện vàphát triển đề tài ngày một tốt hơn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án "Thiết kế hệ thống đo, cảnh báo cháy trong nhà"tập trung vào nghiên cứu và phát triển một hệ thống báocháy đáng tin cậy và hiệu quả trong môi trường sống và làmviệc Mục tiêu chính của đồ án là giảm thiểu rủi ro cháy nổ vàbảo vệ tính mạng và tài sản của con người

Trong quá trình nghiên cứu, đồ án tập trung vào cácthành phần cốt lõi của hệ thống báo cháy như cảm biến khói,cảm biến nhiệt độ, trung tâm điều khiển và hệ thống cảnhbáo âm thanh và ánh sáng Các yếu tố này được tích hợp mộtcách thông minh để phát hiện sớm sự cháy, cung cấp cảnhbáo kịp thời

Nhóm em đã được sử dụng các kiến thức đã học trongthời gian học tập và làm việc tại trường để hoàn thiện đồ án.Với việc áp dụng kiến thức về an toàn cháy nổ và côngnghệ hiện đại, đồ án "Thiết kế hệ thống do, cảnh báo cháytrong nhà" đóng góp vào việc tăng cường an toàn cho ngườidùng và giảm thiểu tổn thất do cháy nổ Hệ thống báo cháynày có thể được triển khai trong nhiều loại công trình xâydựng, từ gia đình cá nhân cho đến tòa nhà thương mại vàcông nghiệp

Mục Lục

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan

1.2 Nhiệm vụ đề tài

1.3 Phân chia công việc trong nhóm

PHẦN 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về cấu trúc ARM và vi xử lí lõi ARM Cortex-M3

2.1.1 Tổng quan về cấu trúc ARM

2.1.2 Tổng quan về vi xử lí lõi ARM Cortex-M3

2.2 Tổng quan về vi điều khiển STM32 và STM32F103C8T6

2.2.1 Vì điều khiển STM32

2.2.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6

2.3 Lập trình cho STM32

2.4 Tổng quan về cảm biến LM35 và báo khói MQ2

2.4.1 Cảm biến LM35

2.4.2 Báo khói MQ2

2.5 LCD 1602

2.6 Module I2C LM1602

PHẦN 3 PHÂN TÍCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Mô tả hoạt động của hệ thống

3.2 Yêu cầu hệ thống

3.2.1 Yêu cầu chung

3.2.2 Yêu cầu đối với module cảm biến LM35

3.2.3 Yêu cầu với LCD 1602

PHẦN 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 25 4.1 Sơ đồ khối của hệ thống

4.2 Những linh kiện sử dụng

4.3 Lưu đồ thuật toán

4.4 Sơ đồ thiết kế mạch

4.5 Viết chương trình code cho vi điều khiển STM32F103C8T6

PHẦN 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN

PHẦN 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 Kết Luận

6.2 Hướng phát triển

PHẦN 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN 8 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu Trúc Vi Xử Lý ARM Cortex M3

Hình 2.2 The Cortex - M3 processor

Hình 2.3 Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access

Hình 2.4 Kit phát triển STM32F103C8T6

Hình 2.5 Sơ đồ chân kit STM32F103C8T6

Hình 2.6 Cấu hình trên CubeMX

Hình 2.7 Lập trình trên KeilC

Hình 2.8 Cảm biến LM35

Hình 2.9 Các chân của cảm biến LM35

Hình 2.10 Báo khói MQ2

Hình 2.11 LCD 1602 xanh lá và các chân

Hình 2.12 Module I2C LM1602

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán

Hình 4.3 Sơ đồ thiết kế mạch

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.1 Bảng phân chia nhiệm vụ Bảng 4.1 Các linh kiện sử dụng

PHẦN 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan

Đồ án "Thiết kế hệ thống báo cháy trong nhà" là mộtnghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực an toàn cháy nổ Vớimục tiêu giảm thiểu rủi ro cháy nổ và bảo vệ tính mạng và tàisản của con người, đồ án tập trung vào việc phát triển một hệthống báo cháy hiệu quả, đáng tin cậy và dễ sử dụng trongmôi trường sống và làm việc

Hệ thống báo cháy trong nhà được thiết kế dựa trên cácnguyên tắc cơ bản của an toàn cháy nổ, bao gồm việc pháthiện sớm sự cháy, cung cấp cảnh báo kịp thời và kích hoạtcác biện pháp xử lý sự cố cháy Đồ án tập trung vào sự pháttriển và tích hợp các thành phần chính như cảm biến khói,cảm biến nhiệt độ, trung tâm điều khiển và hệ thống cảnhbáo âm thanh và ánh sáng

Các lợi ích của đồ án này là cung cấp một hệ thống báocháy chất lượng cao, giúp ngăn chặn sự lan rộng của đámcháy, đảm bảo an toàn cho người dùng trong nhà và giảmthiểu tổn thất về tài sản

Nội dung 4: Kết quả thực hiện và mạch chạy thực tế

Nội dung 5: Tổng kết đề tài

1.3 Phân chia công việc trong nhóm

- Lập danh sách nhiệm vụ: Các nhiệm vụ được liệt kêmột cách chi tiết dựa trên yêu cầu của đồ án Các công việcbao gồm nghiên cứu về nguyên lý máy chấm công bằng vântay, tìm hiểu về cảm biến và vi xử lý, thiết kế bộ điều khiển,

và triển khai giải thuật nhận dạng vân tay

- Xác định kỹ năng cá nhân: Mỗi thành viên đều đượcyêu cầu chia sẻ kỹ năng và kinh nghiệm cá nhân để có thểphân công công việc phù hợp

Bảng 1.1 Bảng phân chia nhiệm vụ

đầu

Ngày kết thúc

Người thực hiện

PHẦN 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về cấu trúc ARM và vi xử lí lõi ARM Cortex-M3

ARM (tử viết tắt của Advanced RISC Machine) là một họkiến trúc dạng RISC cho các vi xử lý máy tính, dược cấu hìnhcho các môi trưởng khác nhau Am Holdings phát triển kiếntrúc và cấp phép nó cho các công ty khác, nơi mà sẽ thiết kếcác sản phẩm của riêng họ dễ thực hiện một trong những kiếntrúc đó bao gồm các SoC và các module hệ thống (SoM) kếthợp với các thành phần khác nhau như bộ nhớ, giao diện,radio Họ cũng thiết kế các lõi thực hiện tập lệnh này và cấpphép cho các thiết kế này cho các công ty dối tác dễ thiết kếsản phẩm của riêng họ dựa trên các lõi này

Các bộ xử lý có kiến trúc RISC thưởng yêu cầu ít bỏng bándẫn hơn các bộ xử lý có kiến trúc diện toán tập lệnh phức tạp(CISC) (như bộ xử lý x86 có trong hầu hết các máy tính cánhân), giúp cải thiện chi phí, tiêu thụ điện năng và tản nhiệt.Những đặc điểm này là mong muốn đối với các thiết bị nhẹ, diđộng, chạy bằng pin bao gồm cả điện thoại thông minh, máytính xách tay và máy tính bảng và các hệ thống nhúng khác.Đối với các siêu máy tính tiêu thụ một lượng diện lớn, ARMcũng có thể là một giải pháp tiết kiệm năng lượng

ARM Holdings định kỳ phát hành bản cập nhật cho kiếntrúc Các phiên bản kiến trúc ARMv3 dễn ARMv7 hỗ trợ khônggian dịu chỉ 32 bit (chip tiền ARMv3, được tạo trước khi ARMHoldings được hình thành, như dược sử dụng trong AcornArchimedes, có không gian địa chỉ 26 bit) và số học 32 bit;hầu hết các kiến trúc đều có các hướng dẫn có độ dài cổ dịnh

32 bit Phiên bản Thumb hỗ trợ một tập lệnh có độ dài thaydổi, cung cấp cả hai lệnh 32 và 16 bit để cải thiện mật độ mã.Một số lõi cũ hơn cũng có thể cung cấp thực thi phần cứngcho mã byte Java Được phát hành vào năm 2011, kiến trúcARMv8-A đã thêm hỗ trợ cho không gian địa chỉ 64 bit và sốhọc 64 bit với tập lệnh có độ dài cố định 32 bit mới

2.1.2 Tổng quan về vi xử lí lõi ARM Cortex-M3

Vi xử lý lõi ARM Cortex dựa trên 3 cấu hình của kiến trúcARMv7:

-Cấu hình A: cho các ứng dụng Application, yêu cầu caochạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp như Linux,Android

-Cấu hình R: cho các ứng dụng thời gian thực Real Time

-Cấu hình M: cho các ứng dụng vi điều khiểnMicrocontroller

Bộ vi xử lý ARM Cortex-M3 dựa trên kiến trúc ARMv7-M cócấu trúc thứ bậc Nó tích hợp lõi xử lý trung tâm, với các thiết

bị ngoại vi hệ thống tiên tiến để tạo ra các khả năng như kiểmsoát ngắt, bảo vệ bộ nhớ, gỡ lỗi và theo vết hệ thống ARMCortex M3 dựa trên cấu trúc Havard, được đặc trưng bằng sựtách biệt giữa vùng nhớ dữ liệu và chương trình Vì có thể dọccùng lúc lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, bộ vi xử lý ARM Cortex-M3

có thể thực hiện nhiều hoạt động song song, tăng tốc thực thiứng dụng

Hình 2.1 Cấu Trúc Vi Xử Lý ARM Cortex M3

Lõi ARM Cortex có cấu trúc dường ống gồm 3 tầng:Instruction Fetch, Instruction Decode và Instruction Execute.Khi gặp một lệnh nhánh, tầng decode chứa một chỉ thị nạp

lệnh suy đoán có thể dẫn đến việc thực thi nhanh hơn Bộ xử

lý nạp lệnh dự định rẽ nhánh trong giai đoạn giải mã Sau đó,trong giai đoạn thực thi, việc rẽ nhánh được giải quyết và bộ

vi xử lý sẽ phân tích xem đâu là lệnh thực thi kể tiếp Nếu việc

rẽ nhánh không được chọn thì lệnh tiếp theo đã sẵn sàng Cònnếu việc rẽ nhánh được chọn thì lệnh rẽ nhánh đó cũng dãsẵn sàng ngay lập tức, hạn chế thời gian rỗi chỉ còn một chukỳ

Hình 2.2 The Cortex - M3 processor

Bộ vi xử lý Cortex-M3 là một bộ vi xử lý 32-bit, với độ rộngcủa đường dẫn dù liệu 32 bit, các dải thanh ghi và giao tiếp

bộ nhớ Có 13 thanh ghi đa dụng, hai con trỏngăn xếp, mộtthanh ghi liên kết, một bộ đểm chương trình và một số thanhghi đặc biệt trong đó có một thanh ghi trạng thái chươngtrình

2.2 Tổng quan về vi điều khiển STM32 và STM32F103C8T6

ST đã đưa ra thị trường 4 dòng vi điều khiển dựa trênARM7 và ARM9, nhưng STM32 là một bước tiễn quan trọngtrên đường cong chi phi và hiệu suất (price/performance), giáchỉ gần I Euro với số lượng lớn, STM32 là sự thách thức thật sựvới các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống STM32 đầu tiêngồm 14 biển thể khác nhau, được phân thành hai dòng: dòngPerformance có tần số hoạt động của CPU lên tới 72Mhz vàdòng Access có tần số hoạt động lên tới 36Mhz Các biến thểSTM32 trong hai nhóm này tương thích hoàn toàn về cách bốtrí chân (pin) và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớFLASH ROM có thể lên tới 512K và 64K SRAM

Hình 2.3 Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access

Nhánh Performance hoạt động với xung nhịp lên đến72Mhz và có đầy đủ các ngoại vi, nhánh Access hoạt động vớixung nhịp tối đa 36Mhz và có ít ngoại vi hơn so với nhánhPerformance

- Cấu trúc kết vi điều khiển STM32F103C8T6

Hình 2.4 Kit phát triển STM32F103C8T6

Cấu trúc của kit STM32F103C8T6 bao gồm:

-1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng nhưdebug

-2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình

-Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCUI –

Có chân Ouput đầy đủ cho các chân MCU2

-Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sửdụng nguồn từ USB

-Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup

-Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader

-Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 ledbảo nguồn cho MCU2

- Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6

ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz

Bộ nhớ 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình) và20kbytes SRAM

Clock, reset và quản lý nguồn

-Điện áp hoạt động 2.0V - 3.6V

-Power on reset(POR), Power down reset(PDR) vàprogrammable voltage detector (PVD)

-Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz ~ 20Mhz

-Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc40khz

-Sử dụng thạch anh ngoài 32.768 khz được sử dụng choRTC

Trong trường hợp điện áp thấp:

- Có các mode :ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạtđộng ở chế độ chờ

- Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộRTC và sử dụng lưu trữ data khi mất nguồn cấpchính

2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ:

- Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V

- Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh

- Có cảm biến nhiệt độ nội

DMA bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không

có sự can thiệp quá sâu của CPU:

- 7 kênh DMA

- Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART

7 timer:

- 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM

- 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với cácmode bảo vệ như ngất input, dead-time

- 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi

- I sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho cácứng dụng như hàm Delay Hỗ trợ 9 kênh giaotiếp bao gồm:

- 2 bộ I2C(SMBus/PMBus)

- 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDAcapability, modem control)

- 2 SPIs (18 Mbit/s)

- 1 bộ CAN interface (2.0B Active)

- USB 2.0 full-speed interface

- Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID

- Thông số kỹ thuật

Hình 2.5 Sơ đồ chân kit STM32F103C8T6

Các thông số kĩ thuật của kit STM32F103C8T6:

Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB sẽ được chuyểnđổi thành 3.3VDC qua IC nguồn và cấp cho Vi điều khiểnchính

- Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz

- Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các ứng dụngRTC

- Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN,I2C, SPI, UART, USB,

lắng về việc code hóa cho các trình điều khiển và thiết bịngoại vi cơ bản Hơn nữa code được tạo này có thể được sửdụng trong Keil uVision để chỉnh sửa theo yêu cầu Và cuốicùng, code được ghi vào STM32 bằng lập trình ST-Link từSTMicroelectronics.

Công cụ STM32CubeMX là một phần củaSTMicroelectronics STMCube Công cụ phần mềm này giúpcho việc phát triển dễ dàng bằng cách giảm giai đoạn pháttriển, thời gian và chi phi STM32Cube bao gồmSTM32CubeMX là một công cụ cấu hình phần mềm đồ họacho phép tạo code C bằng cách sử dụng trình hướng dẫn đồhọa Code đó có thể được sử dụng trong các môi trường pháttriển khác nhau như keilu Vision, GCC, JAR, v.v Bạn có thể tảixuống công cụ này từ liên kết sau

STM32CubeMX có các tính năng sau:

Keil C là phần mềm hỗ trợ người dung trong việc lập trìnhcác dòng vi điều khiển khác nhau Keil C giúp người dungsoạn thảo và biên dịch chương trình C hay Assembly thànhngôn ngữ máy để nạp vào vi điều khiển giúp tương tác giữa viđiều khiển và người lập trình

Quy trình sẽ là cấu hình cơ bản trên CubeMX:

Hình 2.6 Cấu hình trên CubeMX

Sau đó lập trình nâng cao trên KeilC:

trong các ứng dụng điện tử Dưới đây là một tổng quan vềcảm biến LM35:

- LM35 sử dụng nguyên tắc đo điện áp đầu ra tuyếntính với nhiệt độ Mỗi độ C tăng lên sẽ tương ứngvới một sự tăng lên xác định trong giá trị điện ápđầu ra

Hình 2.8 Cảm biến LM35

Đặc điểm kỹ thuật:

Dải đo nhiệt độ: Thường từ -55 độ C đến +150 độ C

Độ nhạy: Khoảng 10 mV cho mỗi độ C

Điện áp hoạt động: Thường từ 4V đến 30V

Dòng tiêu thụ thấp: Dòng tiêu thụ của LM35 rất nhỏ,điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiếtkiệm năng lượng

Hình 2.9 Các chân của cảm biến LM35

Nhận xét cảm biến LM35, cần kiểm tra đúng chiều cắm vàđảm bảo rằng nó được cấp điện đúng theo yêu cầu của nó đểđảm bảo độ chính xác trong đo lường nhiệt độ

Cảm biến khói MQ-2 là một loại cảm biến khí đa năngđược thiết kế để phát hiện nồng độ khói, khí LPG, khí metan,khí CO, và khí hóa lỏng khác trong môi trường Dưới đây làmột tổng quan về cảm biến MQ-2:

- Cảm biến MQ-2 sử dụng một biểu đồ cơ khí họcchứa một lớp chất nhạy Khi có sự thay đổi nồng

độ các khí như khói xâm nhập vào không khí, điệntrở của chất nhạy thay đổi, làm thay đổi giá trịđiện áp đầu ra của cảm biến

Đặc điểm kỹ thuật:

- Dải đo: Tùy thuộc vào loại khí, nhưng thường làtrong khoảng 200 ppm đến 10,000 ppm

- Điện áp hoạt động: Thường là 5V DC

- Đầu ra: Có thể có cả đầu ra analog và kỹ thuật số

Hình 2.10 Báo khói MQ2

2.5 LCD 1602

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid CrystalDisplay) được sử dụng trong

rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều

ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị

kí tự đa dạng (chữ, số, ki tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạchứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốnrất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ

Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:

Hình 2.11 LCD 1602 xanh lá và các chân

Chức năng của từng chân LCD 1602:

- Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC-5V củamạch điều khiển

- Chân số 3 – VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nổi vớilogic "0" hoặc logic "I": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nổi với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ

“ghi” - write) hoặc nổi với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read)

+ Logic “I”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi

dữ liệu DR bên trong LCD

- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi

(Read/Write), được nối với logic “để ghi hoặc nổi với logic “I” đọc

- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DBO- DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau: