Báo cáo đồ án 1 đề tài thiết kế mạch cảm biến khói

Điện tr trong thở ực tế và trong các mạch điện tử- Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện tr là mở ột loại linh kiện điệ ửn t không phân cực, nó là một linh ki n vô cùng quan tr ng tro

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ THÔNG TIN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 1

Đề tài: Thi t k mạếếch c m bi n khói ảế Giảng viên hướng dẫn: Đặng Hoàng Anh

Nhóm sinh viên th c hi n: Nguy n Thành Nam Mã SV: 20A17010154 ự ệ ễ – Nguyễn Phương Nam – Mã SV: 20A17010056

XII: CẦU ĐẤ DOMINO KF301……… 18 U PHẦN II: THI T K C Ế Ế Ụ THỂ CHO ĐỀ TÀI……… 19

I: SƠ ĐỒ THIẾT KẾ Ệ THỐNG……… 19 H II: THIẾT KẾ M CH VÀ QUY TRÌNH THI T K HẠ Ế Ế Ệ THỐNG ……… ……… 20

1: Sơ đồ nguyên lí và mạch in……… 20

2: Nguyên lí hoạt động của từng khối……… 22

PHẦN III: ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI ……… 25

PHẦN IV: PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI……… ……… 26

PHẦN V: NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN……….27

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

LỜI MỞ ĐẦU

Trong đờ ối s ng hàng ngày, việc hút thuốc ảnh hưởng không nhỏ đến việc sinh hoạt của mọi gia đình Ai ai cũng biết là hút thuốc lá có hại cho sức khỏe, tuy nhiên, tỷ lệ người hút thuốc lá đang có xu hướng tăng lên, đặc biệt là ở các nước đang phát triển như Việt Nam chúng ta Có nhiều nguyên nhân khác nhau, nhưng đa số là do sự hiểu biết một cách cụ thể về tác hại của khói thu c lá còn h n ch , ki n thố ạ ế ế ức chưa đầy đủ ho c ặ đã biết tác hại nhưng vẫn ti p tế ục Điều đó xuất phát chủ yếu từ việc thi u các biện pháp tuyên truyền về tác hại của thuế ốc lá đối với sức khoẻ con người chúng ta Với sự phát tri n c a khoa hể ủ ọc, kỹ thuật và nhu cầu về điệ ửn t - tự động hóa đang tăng dầ lên như ngày nay, viện c sử d ng cụ ảm biến thông minh trong các thiết bị tiện ích ngày nay đang được chú trọng hơn bao giờ ết h

Từ thực tế đó, chúng em quyết định chọn đề tài “Mạch c m bi n khói - ả ế đặt nơi công cộng có người hút thuốc trong phòng thì chuông reo” làm đề tài của môn học “Đ án 1 – Thiết kế ồ mạch tương tự”

Chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ ủa thầy Đặng Hoàng Anh, khoa Điệ ử thông tin – Trườ c n t ng Đại học M Hà Nội cùng các bạn sinh viên trong lở ớp đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này Do thời gian thực hiện đề tài có hạn và lượng ki n thế ức của các thành viên trong nhóm v n ẫ đang còn hạn chế nên chắc chắn trong quá trình làm đề tài, chúng em vẫn còn đang thiếu sót về mặt nội dung cũng như cách trình bày nên chúng em kính mong thầy và các bạn trong lớp sẽ góp ý chân thành để sau này chúng em có thể vận dụng những ý kiến đó hoàn thành tốt các đề tài khác, hoặc quan trọng hơn là cho những công việc sau này c a chúng em ủ

M t l n nộ ầ ữa, chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 1 tháng 10 năm 2022

PHẦN I: GI I THIỚ ỆU MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN T TRONG MỬ ẠCHI: ĐIỆN TRỞ

1 Khái niệm

- Điện tr là m t linh ki n có tính c n tr dòng ở ộ ệ ả ở điện c a mủ ột v t dậ ẫn điện và có một số chức năng khác tùy vào vị trí của điện trở trong mạch, nếu có 1 vật dẫn điệ ố thì đi n n t ệ trở nhỏ và ngược lại cách điện có điện trở cực lớn

- Điện tr c a dây d n là s ph ở ủ ẫ ự ụ thuộc vào ch t li u và ti t di n c a dây d n ấ ệ ế ệ ủ ẫ được tính

2 Điện tr trong thở ực tế và trong các mạch điện tử

- Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện tr là mở ột loại linh kiện điệ ửn t không phân cực, nó là một linh ki n vô cùng quan tr ng trong các mệ ọ ạch điệ ử, chúng đượn t c làm t ừ hợp chất của cacbon và kim loại được pha theo tỷ l mà tệ ạo ra các con điện trở có điện dung khác nhau

Hình 1: Điện trở và ký hiệu điện tr ở

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

*Hướng dẫn đọc tr số ị điện tr trong thực tế ở Đọc theo màu s c ắ

Hình 2: B ng màu cảủa điện tr ở

Với điện trở 4 vạch màu:

- Vạch màu thứ nhất: Là giá trị hàng chục trong giá trị điện trở - Vạch màu thứ hai: Là giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ ba: Là hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở - Vạch màu thứ tư: Là giá trị sai số của điện trở Vòng thứ tư là vòng ở cuối luôn luôn có

màu nhũ vàng hay nhũ bạc, khi đọc ta bỏ qua trị số của vòng này Với điện trở 5 vạch màu:

- Vạch màu thứ nhất: là giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở - Vạch màu thứ hai: là giá trị hàng chục trong giá trị điện trở - Vạch màu thứ ba: là giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

- Vạch màu thứ tư: là hệ số nhân với giá trị số mũ của 10 dùng nhân với giá trị điện trở - Vạch màu thứ năm: là giá trị sai số của điện trở

- Giá trị điện trở = (vạch 1)(vạch 2)(vạch 3) x 10(mũ vạch 4) + vạch 5

II: TỤ ĐIỆN 1 Khái niệm

- Tụ điện là một linh kiện điện tử mà ở đó 2 cực thụ động lưu trữ năng lượng điện Hay tích tụ điện tích bởi 2 bề mặt dẫn điện trong cùng một điện trường Hai bề mặt của dây dẫn của tụ điện được ngăn cách bởi điện môi là chất không dẫn điện như: Giấy tẩm hóa chất, gốm, mica,…

- Đây là một linh kiện điện tử thụ động rất quan trọng và không thể thiếu trong hầu hết các mạch điện

- Tụ điện thường được chia làm hai loại chính: phân cực và không phân cực Loại phân cực thường có giá trị lớn hơn loại không phân cực, trên hai chân của loại phân cực có phân biệt chân nối âm, nối dương rõ rang, khi gắn tụ có phân cực vào mạch điện, nếu gắn ngược chiều âm dương tự có thể bị hỏng và hoạt động sai

Hình 3: Các dạng biểu diễn của tụ điện trên mạch

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

- Tụ g m 104 ố được tạo thành t vừ ật liệu g m không có cu n dây bên trong chố ộ ỉ đóng vai trò như điện môi Có các giá trị nhỏ như micro, milli, nano, pico farads 2 chân cắm của linh kiện được mạ thiếc T g m 104 là t không phân c c có giá tr nh ụ ố ụ ự ị ỏ thường được dùng trong t n s vô tuy n và t n s âm thanhầ ố ế ầ ố

-

Hình 5: Hình ảnh thực tế của tụ gốm 103

IV: LED 1 Khái niệm

- LED là từ viết tắt của Light Emitting Diode – có nghĩa là đi ốt phát sang hoặc đi ốt phát quang, là các diode có khả năng phát ra ánh sang hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng như diode, cấu tạo của LED gồm hai lớp bán dẫn N P ghép với nhau qua lớp tiếp xúc công

-nghệ

- Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng phát ra khác nhau tức là màu sắc của LED sẽ khác nhau Mức năng lượng hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc

năng lượng của các nguyên tử bán dẫn

- LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn đi ốt thông thường, trong khoảng 1,5V 2 Cấu tạo, kí hiệu của LED

Hình 5: Cấu tạo và kí hiệu của LED

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

V: IC ỔN ÁP NGUỒN 1 Khái niệm

- 78xx là dòng IC dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện luôn lớn hơn đầu ra

3V Tùy loại mà IC ổn áp đầu ra là bao nhiêu

+ Là IC ổn áp điện áp dương, có chức năng tạo ra điện áp 5V ổn định để cấp cho các

linh kiện trong mạch hoạt động

VI: TRANSISTOR 1 Khái niệm

- Transistor là một loại linh kiện bán dẫn chủ động Thường được sử dụng như một phần tử khuếch đại hay khóa điện tử Với khả năng đáp ứng nhanh chính xác nên transistor được sử dụng nhiều trong ứng dụng tương tự như: mạch khuếch đại, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu,…

-

Hình 7: Hình ảnh thực tế các loại Transistor 2 Ký hiệu, cấu tạo, phân loại

- Transistor sẽ có 2 loại cơ bản là Transistor PNP và Transistor NPN

Hình 8: Cấu tạo Transistor PNP và Transistor NP

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

*Trong mạch chúng em sử dụng Transistor A1015 + Dòng điện cực thu: -0.15A

+ Hệ số khuếch đại dòng một chiều (hfe) – 70 đến 400 + Tần số chuyển tiếp: -80Mhz

Hình 9: Hình ảnh thực tế Transistor A1015

VII: IC LM358 1 Khái niệm

- LM358 là một IC 8 chân opamp có nhiều gói khác nhau Một trong những gói được sử dụng nhiều nhất là gói nhúng 8 chân IC này gồm hai opamp riêng biệt trong một gói duy nhất Cả hai opamp bên trong đều có độ lợi cao và có thể sử dụng nguồn điện đơn hoặc kép Một trong những tính năng chính của vi mạch này là mức tiêu thụ dòng điện thấp, lý tưởng để sử dụng với các mạch hoặc thiết bị hoạt động bằng pin Nó có thể hoạt động với nhiều nguồn điện từ 3V đến 32V DC do đó có thể sử dụng với các thiết bị

logic điện áp thấp và vi điều khiển 2 Đặc điểm và sơ đồ của LM358

- Hai opamp có độ lợi cao trong một gói duy nhất, cả hai opamp có thể vận hành từ một nguồn điện duy nhất

- Độ lợi DC của IC là 100dB

- Có thể vận hành dễ dàng với nguồn điện rộng từ 3V đến 30V - Cũng có thể hoạt động với nguồn điện kép, từ ± 1,5V đến ± 15V - Dòng hoạt động rất thấp cũng chỉ khoảng 500µA

- Băng thông 1Mhz đủ rộng cho loại vi mạch này - Dễ dàng kết hợp với các bộ vi điều khiển và thiết bị logic - Bảo vệ ngắn mạch bên trong

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

- MQ2 là một cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy MQ2 sử dụng phần tử SnO2 với 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 thích chuyển đổi thành mức tín hiệu điện

- MQ2 là cảm biến có độ nhạy cao với LPQ, Prpane và Hydrogen, Metan (CH4) và dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau

- Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu Analog và Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở

2 Cấu tạo và sơ đồ

Hình 10: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế cảm biến MQ2

IX: DIODE 1N4007 1 Khái niệm

- Diode 1N4007 là một linh kiện điện tử bán dẫn Là linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện qua nó theo 1 chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất của bán dẫn

- Nguyên lí cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

2 Tính chất

- Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt sang ca tốt Theo nguyên lí dòng điện đi từ -nơi có điện thế cao đến -nơi có điện thế thấp, muốn có điện qua diode theo chiều từ -nơi có điện thế cao đến nơi có vị trí thấp, cần phải đặt ở a-nốt một hiệu điện cao hơn cả ở ca-tốt, khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (UTX) Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK > UTX Khi đó một phần điện áp UAK dùng để cân bằng điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode

- Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua đi-ốt là dòng điện thuận Dòng điện thuận có chiều từ a-nốt sang ca-tốt

- Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì đi ốt trở nên dẫn điện tốt hơn, tức là -điện trở của đi ốt lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm) Do vậy phần -điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với UTX Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với UTX cần khoảng 0,6V đến 1,1V Ngưỡng 0,6V là ngưỡng đi ốt bắt đầu dẫn và - khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Hình 11: Diode 1N4007

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

- Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược ca-tốt sang a-nốt Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ µA) và bình thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp Mọi đi ốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì diode bị đánh thủng, dòng điện qua đi ốt tăng nhanh và đốt cháy Diode Vì vậy, khi sử dụng cần tuân thủ hai -điều kiện sau:

+ Dòng điện thuận qua diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do NSX cung cấp, có thể tra cứu trong tài liệu của hang sản xuất để xác định)

+ Điện áp phân cực ngược (UKA) không được lớn VBR (ngưỡng đánh thủng của Diode, cũng do NSX cung cấp

3 Cấu tạo của 1N4007

Hình 12: Cấu tạo kỹ thuật và bên trong của 1N4007

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

XII: CẦU ĐẤU DOMINO

- Domino điện hay còn được gọi là cầu đấu dây điện, thiết bị này được sử dụng để kết nối dây điện với các thiết bị điều khiển hoặc động lực Ngoài ra còn giúp nối liền mạch điện bên trong hệ thống điện hay t bủ ảng điện.

*Trong mạch chúng em sử dụng Domino KF301-2P

Hình 18: Hình dạng thực tế Domino KF301-2P

PHẦN II: THIẾT KẾ CỤ THỂ CHO ĐỀ TÀI I: SƠ ĐỒ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

II: THIẾT KẾ MẠCH VÀ QUY TRÌNH THIẾT KỆ HỆ THỐNG 1 Sơ đồ nguyên lí

A Sơ đồ khối nguyên lí của mạch

Hình 19: Sơ đồ khối B Sơ đồ mạch in cho thiết kế

- Thiết kế và vẽ mạch dựa trên phần mềm vẽ mạch Proteus

Hình 20: Sơ đồ mạch in

C Sơ đồ mạch mô phỏng

D Bản để in mạch ra

E Kết quả thực tế

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

2 Nguyên lí hoạt động từng khối A Khối nguồn

- Ở khối nguồn chúng em sử dụng 2 bộ nguồn cho mạch thiết kế đó là: + Mạch nguồn nuôi cho vi mạch điều khiển với nguồn nuôi là 5V-DC + Mạch nguồn nuôi cho hệ thống khối relay là 5V-DC

- Sử dụng IC LM7805 ổn áp dùng để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu ra luôn luôn lớn hơn đầu ra 5V

Hình 21: Sơ đồ nguyên lí mạch nguồn ổn áp LM7805

C Khối cảm biến MQ2

Hình 23: Sơ đồ khối cảm biến MQ2

- Chân 4 và 6: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0,3 và 4,5V, phụ thuộc vào nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2

- Khi có khí dưới tác dụng hóa học bên trong khi đó điện áp được dẫn từ chân số 1 và chân số 3 sang chân số 4 và chân số 6 và được dẫn tới chân số 2 của IC LM358 để so sánh điện áp

D Khối so sánh điện áp

Hình 24: Sơ đồ khối so sánh điện áp

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

- IC LM358 so sánh điện áp giữa hai chân số 2 và số 3

+ Khi chưa có khói thuốc thì chưa có điện áp đến chân số 2 khi đó điện áp chân số 3 lớn hơn điện áp chân số 2, thì chân số 1 cho điện áp ra là mức 1 (5V) khi đó led không sang + Khi có khói thuốc tác động vào cảm biến chân số 2 sẽ có điện áp khi đó có sự so sánh điện áp giữa hai chân của LM358 nếu điện áp chân số 2 lớn hơn điện áp chân số 3 thì ở chân số 1 sẽ có điện áp với mức ra là (0V) khi đó đèn sẽ sang và còi báo

+ Biến trở dùng để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến khi có sự so sánh điện áp

E Khối báo động

Hình 25: Sơ đồ khối báo động

- Khi có điện áp ở chân 1 của LM358 chạy qua R2 và tới Bazơ của Transistor A1015 làm cho Transistor hoạt động nếu điện áp tới chân bazơ là 0V thì Transistor đóng và có dòng 5V chạy vào chân của loa, làm loa hoạt động

- Khi có dòng lớn hơn 0V thì Transistor mở loa sẽ không hoạt động

PHẦN III: ĐÁNH GIÁ ĐỀ TÀI I: ƯU ĐIỂM

- Mạch đơn giản, dễ thực hiện

- Các linh kiện đều có sẵn trên thị trường - Có độ nhạy cao và tuyến tính II: NHƯỢC ĐIỂM

- Mạch báo động có thể bị sai nếu vùng bảo vệ bị xâm nhập bởi bụi

- Do cảm biến nhạy nên nhiều lúc sẽ có những báo động không cần thiết trong khi hoạt

động

- Do kiến thức còn nhiều thiếu sót nên vẫn còn một số khuyết điểm như vật liệu chưa

được tốt, sán phẩm nhìn vẫn còn sơ sài

Nguyễn Thành Nam 20A17010154 –

PHẦN IV: PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

- Đề tài cảm biến báo cháy, khói sử dụng cảm biến MQ2 ngày nay được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống sinh hoạt thường ngày cũng như trong hoạt động sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác,… Được ứng dụng trong các thiết bị dân dụng như: điều khiển,

tivi, và nhiều thiết bị hữu dụng khác

- Thuốc là luôn là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và nó gây nhiều bệnh cho người hút lẫn người hít phải khói thuốc, với việc lắm cảm biến báo khói thuốc ở nơi công cộng nhằm ngăn chặn kịp thời những người kém ý thức khi hút thuốc nơi đông người, đó

cũng là một cách để bảo vệ sức khỏe cộng đồng

- Ta cũng có thể kết hợp với những vi xử lí tạo ra những mạch điện thông minh như cảm biến nhiệt để hoàn thành mạch cảm biến với nhiều ứng dụng hoặc có thể kết nối thêm phần cứng như mạch báo động bằng điện thoại để thông tin đến người đang hút thuốc,

từ đó đem lại hiệu quả cao cho đề tài