HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN MÔN HỌC : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ NHÀ TỰ ĐỘNG CẢNH BÁO KHÍ GAS VÀ TỰ THOÁT KHÍ CHO GIA ĐÌNH... LỜI CẢM ƠN ??? Sau một thời gian tìm hiểu và thự
TỔNG QUAN CHUNG
Các tai nạn rò rỉ khí gas thực tế - vì thiếu hệ thống giám sát và cảnh báo tưu động
Vụ thứ nhất : Nổ khí gas tại TP.Thủ Đức
Vào khoảng 4 giờ sáng ngày 18/10/2024, một vụ nổ khí gas nghiêm trọng đã xảy ra tại một phòng trọ nằm trong hẻm 676 đường Tô Ngọc Vân, phường Tam Bình, TP Thủ Đức, gây ra cái chết thương tâm của một thai phụ.
Theo thông tin từ công an Phường Tô Ngọc Vân, vụ nổ có khả năng xảy ra do sự rò rỉ khí từ hầm biogas dưới nền phòng trọ Khi khí tích tụ lâu ngày trong phòng gặp lửa, đã dẫn đến vụ nổ.
Vụ nổ đã khiến chị C bị bỏng nặng, với 95% diện tích cơ thể bị bỏng độ 2-3 và 40% bị bỏng độ 3 toàn thân Nạn nhân được người dân nhanh chóng đưa vào Bệnh viện Chợ Rẫy để cấp cứu trong tình trạng sốc nhiễm khuẩn, mạch và huyết áp không đo được.
Vào trưa ngày 25/10, anh P.M.K., chồng của chị C., đã yêu cầu bệnh viện cho vợ về quê ở huyện Càng Long, Trà Vinh Tuy nhiên, khi xe cứu thương chở chị C gần đến nhà, chị đã không qua khỏi.
Hình 1 : Người thân đưa nạn nhân bị bỏng về quê
Vụ thứ 2 : Nổ khí gas ở Vĩnh Phúc
Vào ngày 16/7/2024, một nhóm thợ đang sửa chữa shophouse làm quán lẩu nướng ở TP Vĩnh Yên, bất ngờ khí gas rò rỉ phát nổ làm 8 người bị thương
Khoảng 3-4 thợ ở gần vị trí phát ra tiếng nổ bị cháy hết quần áo, da bong tróc
Một người bị mảnh vỡ găm vào, chảy máu khắp lưng, trong khi một người khác ngồi trong ôtô tải trước cửa ngôi nhà cũng bị thương do mảnh vỡ văng vào.
Công an TP Vĩnh Yên thông báo rằng có 8 nạn nhân trong vụ tai nạn, bao gồm 6 người Việt Nam và 2 người Hàn Quốc Tất cả các nạn nhân đã được đưa đến Bệnh viện Đa khoa tỉnh Vĩnh Phúc, trong đó những người bị bỏng nặng đã được chuyển tiếp lên Bệnh viện Bỏng quốc gia tại Hà Nội.
Tại hiện trường, kính mặt trước của 3 tầng shophouse bị thổi bay hơn 35 mét, văng sang bên kia đường Nguyễn Tất Thành Bên trong nhà, các cấu kiện bị bung ra và đổ vỡ, trong khi trên vỉa hè, bàn ghế và xe máy nằm ngổn ngang.
Hình 2 : Hiện trường vụ nổ khí gas tại Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc
Nhà tự động có hệ thống cảnh báo khí gas và tự động mở cửa và quạt thoát khí 4 CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Trong bối cảnh gia tăng các vụ tai nạn nghiêm trọng do rò rỉ khí gas, việc lắp đặt hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas là cần thiết để bảo vệ an toàn cho con người và tài sản.
Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas tự động phát hiện nồng độ khí gas vượt mức cho phép Khi phát hiện rò rỉ, hệ thống sẽ khóa van gas, kích hoạt quạt thông gió và quạt hút mùi, đồng thời mở cửa và cảnh báo người dùng qua còi hoặc điện thoại Chỉ khi nồng độ khí gas trở về mức an toàn, hệ thống mới ngừng cảnh báo, đóng cửa và tắt quạt hút.
Trong phạm vi đồ án này, nhóm em sẽ sử dụng mạch Arduino kết hợp các cảm biến và phần cứng để làm ra một nhà mô hình :
Hình 3 : Thiết kế nhà mô hình với diện tích của mô hình là 20x15x15cm bao gồm 2 cửa sổ
Cửa sổ 1: với diện tích là 76 x 46 x 50 mm ( vật liệu xốp)
Cửa sổ 2: với diện tích là 76 x 66 x 50 mm ( vật liệu xốp)
=> Trọng lượng P = 0,0001748 x 20 = 0,0035 kg = 3,5 g ( với 20 là khối lượng riêng của xốp )
=> Trọng lượng P = 0,00025 x 20 = 0,005 kg = 5 g ( với 20 là khối lượng riêng của xốp )
Hình 4.1 – 4.3 : Nhà mô hình thực tế
CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU LINH KIỆN VÀ CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
Bo mạch Arduino R3
Arduino UNO R3 là một giải pháp tiết kiệm và ổn định cho các nhà thiết kế mạch điện tử, cho phép thực hiện các tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, và xây dựng trạm đo nhiệt độ - độ ẩm với màn hình LCD.
Trong đồ án này, nhóm chúng tôi sẽ sử dụng cảm biến khí gas, vì vậy chúng tôi sẽ kết nối với các chân của Arduino R3 để đọc tín hiệu đầu ra dạng Analog từ cảm biến.
● Vi điều khiển: ATmega328P họ 8 bit
● Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ sử dụng nguồn cấp qua cổng USB)
● Tần số hoạt động: 16 MHz
● Dòng điện tiêu thụ: khoảng 30mA
● Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7-12V DC (nên dùng 9V)
● Số chân Digital I/O: 14(6 chân hardware PWM)
● Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10 bit)
● Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30mA
● Dòng ra tối đa (nguồn 5V): 500mA
● Dòng ra tối đa (nguồn 3,3V): 50mA
● Bộ nhớ Flash: 32KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
GND (Ground) là cực âm của nguồn điện cung cấp cho Arduino UNO Khi sử dụng các thiết bị có nguồn điện riêng biệt, các chân GND này cần phải được kết nối với nhau để đảm bảo hoạt động ổn định.
● 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
● 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA
● Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, cần nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND
Trên Arduino UNO, chân IOREF cho phép đo điện áp hoạt động của vi điều khiển, luôn duy trì ở mức 5V Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không nên sử dụng chân này để lấy nguồn 5V, vì chức năng chính của nó không phải là cấp nguồn.
● RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ
Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V Mỗi chân có dòng vào/ra tối đa là 40mA và được trang bị các điện trở pull-up từ, mặc dù các điện trở này không được kết nối mặc định trong vi điều khiển ATmega328.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
Chân Serial 0 (RX) và 1 (TX) trên Arduino Uno được sử dụng để truyền (TX) và nhận (RX) dữ liệu TTL Serial, cho phép giao tiếp với các thiết bị khác Kết nối Bluetooth thường thấy chính là một dạng kết nối Serial không dây Nếu không cần thiết phải giao tiếp Serial, nên tránh sử dụng hai chân này.
Chân PWM (~) 3, 5, 6, 9, 10, và 11 cho phép xuất ra xung PWM với độ phân giải 8 bit, tương ứng với giá trị từ 0 đến 255, giúp điều chỉnh điện áp ra từ 0V đến 5V Điều này khác biệt so với các chân khác, chỉ có mức điện áp cố định 0V và 5V, mang lại khả năng linh hoạt hơn trong việc điều khiển điện áp.
Chân giao tiếp SPI bao gồm các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) và 13 (SCK) Bên cạnh các chức năng thông thường, những chân này còn có khả năng truyền phát dữ liệu thông qua giao thức SPI với các thiết bị khác.
Trên Arduino UNO, có một đèn LED màu cam (ký hiệu chữ L) được kết nối với chân số 13 Khi bấm nút Reset, đèn LED này sẽ nhấp nháy để báo hiệu Khi người dùng sử dụng chân số 13, đèn LED sẽ sáng lên.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0
Arduino UNO cho phép người dùng đọc giá trị điện áp trong khoảng từ 0V đến 5V thông qua chân A0 đến A5 Với chân AREF, người dùng có thể cung cấp điện áp tham chiếu, ví dụ như 2.5V, để đo điện áp trong khoảng từ 0V đến 2.5V với độ phân giải 10 bit Ngoài ra, Arduino UNO còn có hai chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
● 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển
SRAM (Static Random Access Memory) có dung lượng 2KB, nơi lưu trữ giá trị các biến do người dùng khai báo trong quá trình lập trình Tuy nhiên, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất khi có sự cố mất điện.
EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc lập trình có thể xóa điện) với dung lượng 1KB hoạt động như một ổ cứng mini, cho phép người dùng đọc và ghi dữ liệu mà không lo mất mát khi mất điện, khác với dữ liệu trên SRAM.
Module cảm biến khí gas MQ2
Có nhiều loại cảm biến khí khác nhau, được phân loại dựa trên loại khí (như khí dễ cháy, khí độc, oxy), phương pháp sử dụng (cầm tay hoặc cố định) và phương pháp lấy mẫu (cảm biến khuếch tán, cảm biến bơm) Việc lựa chọn cảm biến phù hợp rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong việc phát hiện khí.
Trong phạm vi đồ án này, nhóm em lựa chọn cảm biến khí gas MQ2
Cảm biến khí MQ2 được thiết kế để phát hiện các khí có khả năng gây cháy, với cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy thấp trong không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó sẽ thay đổi ngay lập tức Cảm biến MQ2 cung cấp điện áp từ 0V đến 5V tại chân A0, tương ứng với nồng độ của chất gây cháy trong không khí.
Hình 6 : Cảm biến khí gas MQ2 Ưu điểm: cấu trúc đơn giản, giá rẻ, độ nhạy phát hiện cao, tốc độ phản ứng nhanh, v.v
Cảm biến khí có nhược điểm là phạm vi tuyến tính đo nhỏ và dễ bị can thiệp bởi các khí khác trong không khí cũng như nhiệt độ môi trường Mặc dù vậy, đây là loại cảm biến phổ biến nhất, thường được sử dụng để phát hiện rò rỉ khí dễ cháy trong các hộ gia đình và nhà máy Nó đặc biệt thích hợp cho việc phát hiện khí mê-tan (CH4), khí hóa lỏng và hydro (H2).
-Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo gas
-IC so sánh : LM393 , VCC: 3.3V-5V , GND: 0V
-DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
-AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Khi cảm biến phát hiện có khí gas, chân D0 đưa ra mức 1 kích hoạt IC555 hoạt đông do đó sẽ có xung trên chân 3 và còi chip hoạt động.
Quạt hút
+ Lưu lượng gió: 5 CFM ( feed khối/phút ) = 5 x 0.02832 = 0.1416 m³/phút
Đối với nhà mô hình ( thể tích V = 0,0045 m³ ), sẽ cần không tới nửa phút để hút hết khí gas ra khỏi nhà
Hình 8 : Chuyển đổi đơn vị lưu lượng gió
Mạch Relay
Relay là thiết bị chuyển mạch điện, hoạt động nhờ dòng điện nhỏ để điều khiển dòng điện lớn hơn Nó hoạt động như một công tắc điện từ, với bản chất là nam châm điện Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, nó tạo ra từ trường hút lõi sắt non, làm thay đổi trạng thái công tắc Relay có khả năng bật hoặc tắt dòng điện qua cuộn dây, cho phép chuyển đổi giữa hai vị trí khác nhau.
Relay là thiết bị quan trọng trong các bo mạch điều khiển, giúp đóng cắt các thiết bị tiêu thụ điện lớn mà hệ thống không thể can thiệp trực tiếp Với nhiều hình dáng, kích thước và chân cắm khác nhau, relay có hai trạng thái: đóng mạch (ON) và hở mạch (OFF) Tình trạng ON hay OFF của relay phụ thuộc vào việc có dòng điện đi qua nó hay không, đáp ứng nhu cầu điều khiển linh hoạt.
Module relay là một thành phần quan trọng trong tự động hóa, thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và mực nước Chúng thường được tích hợp vào các ngõ ra của màn hình hiển thị, công tắc báo mức và thiết bị chuyển đổi tín hiệu Relay hoạt động bằng cách sử dụng tín hiệu có hiệu điện áp nhỏ từ cảm biến để kích hoạt các thiết bị có điện áp cao hơn.
Trong đồ án này, Relay đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố như quá dòng, quá áp và ngắn mạch Relay có khả năng ngắt mạch nhanh chóng khi phát hiện các điều kiện không an toàn, đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Tìm hiểu về Động cơ Servo 180°
Động cơ servo là một loại động cơ điện cho phép điều khiển chính xác vị trí, vận tốc và gia tốc thông qua nguyên lý hồi tiếp vòng kín Thiết bị này hoạt động khép kín, giúp di chuyển các bộ phận máy với hiệu suất và độ chính xác cao, điều mà các động cơ thông thường không thể đạt được.
Trong phạm vi đồ án này, động cơ Servo 180° dùng để đóng mở cửa tự động khi hệ thống phát hiện khí gas
Hình 10 : Động cơ điện Servo
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
- Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây ( n = 100 vòng/phút )
Lực sinh ra từ động cơ trong 1s : F ≈ 1,6 kg/cm
Lực kéo cần có để kéo cửa 1 trong 1s :
- Cửa 2 nặng 3,2g ( nhẹ hơn cửa 1 )
Động cơ hoàn toàn đủ khả năng kéo cửa khi xảy ra sự cố
Loa
Tần số cộng hưởng: 1.70MHz
SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI DÂY VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Sơ đồ đấu nối dây
Hình 12 : Sơ đồ đấu nối dây chi tiết
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến MQ2 được sử dụng để giám sát nồng độ khí gas trong không khí, giúp phát hiện sự rò rỉ của các loại khí như metan, khí cồn và LPG Khi phát hiện khí gas, cảm biến sẽ so sánh nồng độ với ngưỡng an toàn đã được cài đặt trong mã code, ghi nhận sự thay đổi và gửi tín hiệu đến mạch điều khiển.
Mạch Arduino nhận tín hiệu từ cảm biến MQ2 và khi nồng độ khí gas vượt ngưỡng an toàn, nó sẽ kích hoạt các thiết bị bảo vệ Arduino có thể được lập trình để phản ứng linh hoạt với nhiều tình huống khác nhau, như mở cửa, kích hoạt còi cảnh báo và quạt thoát khí.
Khi hệ thống phát hiện khí gas rò rỉ, còi cảnh báo sẽ phát ra âm thanh lớn để cảnh báo người trong khu vực và yêu cầu họ rời khỏi nơi nguy hiểm Đồng thời, quạt hút sẽ được bật để thoát khí gas, giảm nguy cơ nổ và các hậu quả nghiêm trọng Động cơ servo sẽ kích hoạt cơ cấu cửa tự động, mở cửa để tạo lối thoát khí và giảm bớt sự tập trung khí gas Cửa sẽ tự động đóng lại, và quạt cùng còi sẽ tắt khi khí gas không còn được phát hiện hoặc khi hệ thống trở lại trạng thái an toàn.
Lưu đồ giải thuật
Hình 13 : Lưu đồ giải thuật
Code chạy chương trình
// Khai báo các chân kết nối const int mq2Pin = A0;
19 const int buzzerPin = 9; const int servo1Pin = 10; const int servo2Pin = 11; const int relayPin = 12;
// Giá trị ngưỡng cho mức khí độc int smokeThreshold = 300;
// Khởi tạo đối tượng động cơ servo
// Khởi tạo chân kết nối cho các thiết bị pinMode(mq2Pin, INPUT); pinMode(buzzerPin, OUTPUT); pinMode(relayPin, OUTPUT); servo1.attach(servo1Pin); servo2.attach(servo2Pin);
// Đưa động cơ servo về vị trí ban đầu servo1.write(180); servo2.write(90);
// Đọc giá trị từ cảm biến MQ2 int smoke = analogRead(mq2Pin); smoke = bo_loc.updateEstimate(smoke); // In giá trị lên Serial Monitor để theo dõi
Kiểm tra nồng độ khí độc, nếu vượt ngưỡng cho phép, còi sẽ được kích hoạt và quạt cùng động cơ servo sẽ hoạt động để xử lý tình huống Ngược lại, khi nồng độ khí độc bình thường, còi và quạt sẽ tắt, đồng thời các động cơ servo sẽ trở về vị trí ban đầu.