Đề tài thiết kế hệ thống cảnh báo khi có rò rỉ khí gas ra đời nhằm cung cấp một giải pháp hiệu quả, sử dụng các công nghệ hiện đại như vi điều khiển và cảm biến thông minh, để đảm bảo an
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HOC KỸ THUẬT - CÔNG NGHÊ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
- -THỰC TẬP - -THỰC TẾ: ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS
ThS Võ Thị Phương Loan Đặng Minh Triết – 2101483
Cần Thơ, Tháng 11 năm 2024
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HOC KỸ THUẬT - CÔNG NGHÊ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
- -THỰC TẬP - -THỰC TẾ: ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS
ThS Võ Thị Phương Loan Đặng Minh Triết – 2101483
Cần Thơ, Tháng 11 năm 2024
Trang 3MỤC LỤC
Trang 41 Giới thiệu
1.1 Lý do chọn đề tài:
Rò rỉ khí gas là một vấn đề nghiêm trọng trong đời sống hiện đại, đặc biệt khi khí gas được sử dụng rộng rãi trong các hộ gia đình, nhà hàng, và các ngành công nghiệp Các sự cố liên quan đến rò rỉ khí gas không chỉ gây tổn thất lớn về tài sản mà còn đe dọa nghiêm trọng đến tính mạng con người Khí gas như LPG, metan hoặc butan là những chất
dễ cháy, và khi rò rỉ, chúng có thể tạo thành hỗn hợp nguy hiểm với không khí, chỉ cần một tia lửa nhỏ cũng có thể gây ra cháy nổ Ngoài ra, việc hít phải khí gas trong thời gian dài có thể dẫn đến ngạt thở hoặc ảnh hưởng xấu đến sức khỏe Trong thực tế, nhiều hộ gia đình và cơ sở kinh doanh chưa được trang bị các thiết bị phát hiện rò rỉ khí gas kịp thời, dẫn đến việc chỉ nhận ra vấn đề khi sự cố nghiêm trọng xảy ra Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của một hệ thống cảnh báo tự động, giúp phát hiện sớm và phản ứng nhanh để giảm thiểu nguy cơ Đề tài thiết kế hệ thống cảnh báo khi có rò rỉ khí gas ra đời nhằm cung cấp một giải pháp hiệu quả, sử dụng các công nghệ hiện đại như vi điều khiển và cảm biến thông minh, để đảm bảo an toàn cho người sử dụng và giảm thiểu thiệt hại
2 Phân tích và lựa chọn linh kiện
2.1 Maker UNO
Maker UNO là một dòng vi điều khiển do Cytron phát triển, hoàn toàn tương thích
với Arduino Uno, sử dụng chung một bộ thư viện và code Dưới đây là những lý do
chi tiết vì sao Maker UNO là lựa chọn phù hợp cho dự án cảnh báo rò rỉ khí gas:
Lý do lựa chọn Maker UNO:
1 Tương thích với Arduino:
o Maker UNO hoàn toàn tương thích với Arduino Uno, điều này có nghĩa là
người dùng có thể sử dụng tất cả các thư viện và mã nguồn đã có cho Arduino mà không gặp phải sự cố tương thích Điều này giúp tiết kiệm thời
Trang 5gian trong việc lập trình và dễ dàng tích hợp vào các dự án đã được phát triển với Arduino trước đó.
2 Tích hợp các linh kiện tiện lợi:
o Maker UNO được trang bị 12 LED, 1 còi và 1 nút nhấn có thể lập trình Các
linh kiện này có thể được sử dụng ngay lập tức trong các ứng dụng như hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas mà không cần phải thêm các linh kiện ngoại vi khác Việc tích hợp sẵn các linh kiện giúp đơn giản hóa việc thiết kế mạch và tiết kiệm chi phí.
3 Cổng USB micro B thay vì jack cắm nguồn:
o Cổng USB micro B giúp đơn giản hóa quá trình cấp nguồn cho vi điều khiển
Thay vì sử dụng jack cắm nguồn, người dùng chỉ cần kết nối vi điều khiển với máy tính hoặc nguồn điện qua cổng USB micro B Điều này giúp dễ dàng lập trình và cấp nguồn cho Maker UNO mà không cần phải có thêm nguồn cấp bên ngoài.
4 Chip CH340 thay vì ATmega16u2:
o Thay vì sử dụng ATmega16u2, Maker UNO sử dụng chip CH340 để giảm
thiểu chi phí Chip CH340 này đảm bảo khả năng giao tiếp với máy tính qua cổng USB và vẫn duy trì khả năng lập trình, tuy nhiên với chi phí thấp hơn, giúp giảm chi phí sản xuất mà vẫn đảm bảo hiệu suất và khả năng sử dụng như một Arduino Uno.
5 Chi phí thấp và dễ tiếp cận:
o Maker UNO có mức giá hợp lý và là lựa chọn tiết kiệm cho những người muốn xây dựng các dự án IoT hoặc các hệ thống giám sát như cảnh báo khí gas mà không cần phải chi trả cho các vi điều khiển đắt tiền Nhờ vậy, Maker UNO phù hợp với các dự án học tập, nghiên cứu hoặc phát triển sản phẩm prototyping với chi phí thấp nhưng hiệu quả cao.
6 Khả năng mở rộng và linh hoạt:
o Maker UNO có 14 chân digital, 6 chân analog, tương tự như Arduino Uno, cho phép kết nối các cảm biến và thiết bị ngoại vi khác nhau Bạn có thể dễ dàng mở rộng hệ thống để kết nối thêm các cảm biến khí gas, màn hình LCD, động cơ servo, và các thiết bị khác mà không gặp phải bất kỳ hạn chế nào.
Tính phù hợp trong dự án:
Maker UNO là lựa chọn lý tưởng cho hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas vì khả năng tương thích với Arduino, việc tích hợp sẵn các linh kiện cần thiết (như LED, còi, nút nhấn) và khả năng lập trình dễ dàng Với mức giá hợp lý và các tính năng mở rộng, Maker UNO giúp giảm thiểu chi phí và thời gian phát triển, đồng thời đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.
Trang 6##### **2.2 Cảm biến khí gas MQ-2:**
- Được chọn vì khả năng phát hiện khí gas (LPG, butan, metan) với độ nhạy cao và phản hồi nhanh
- Phù hợp cho các ứng dụng giám sát môi trường và thiết bị an toàn
##### **2.3 Màn hình LCD I2C:**
- Dễ dàng hiển thị thông tin về mức khí gas và trạng thái hệ thống
- Giao tiếp I2C giảm số chân kết nối, giúp đơn giản hóa thiết kế mạch
##### **2.4 Còi chip 5V (buzzer):**
- Được chọn để phát cảnh báo âm thanh khi phát hiện rò rỉ khí gas
- Tiêu thụ năng lượng thấp và dễ điều khiển bằng Arduino
##### **2.5 Động cơ servo:**
- Sử dụng để điều khiển van khóa tự động trong trường hợp phát hiện khí gas vượt ngưỡng
- Đảm bảo thao tác nhanh và chính xác, giúp ngăn chặn nguy cơ cháy nổ
Trang 7##### **2.6 Quạt 5V:**
- Kích hoạt để phân tán khí gas khi có rò rỉ, giúp giảm nồng độ khí độc trong không gian
##### **2.7 Module delay (relay):**
- Dùng để điều khiển quạt hoặc các thiết bị khác khi cần phản ứng ngay lập tức
-#### **3 Lưu đồ thuật toán**
```plaintext
Bắt đầu
|
Đọc giá trị từ cảm biến MQ-2
|
Trang 8Lọc tín hiệu bằng bộ lọc Kalman |
Hiển thị giá trị trên màn hình LCD |
Kiểm tra giá trị khí gas:
├── Nếu vượt ngưỡng:
│ - Kích hoạt còi báo động
│ - Kích hoạt relay
│ - Quay động cơ servo khóa van │ - Hiển thị cảnh báo trên LCD └── Nếu không vượt ngưỡng:
- Tắt còi
- Tắt relay
- Đưa servo về vị trí ban đầu |
Lặp lại quá trình
```
Trang 9-#### **4 Giải thích code**
##### **4.1 Khởi tạo thư viện và đối tượng:**
- **Thư viện Servo.h, SimpleKalmanFilter.h, LiquidCrystal_I2C.h:**
- Hỗ trợ điều khiển động cơ servo, xử lý tín hiệu cảm biến, và giao tiếp với màn hình LCD
- **Đối tượng Kalman Filter:**
- Dùng để giảm nhiễu trong dữ liệu đầu ra từ cảm biến MQ-2, đảm bảo
độ chính xác cao hơn
- **Đối tượng LCD:**
- Hiển thị trạng thái và mức khí gas theo thời gian thực
##### **4.2 Thiết lập trong hàm `setup()`:**
- Cấu hình chân tín hiệu:
- **mq2Pin:** Nhận tín hiệu analog từ cảm biến MQ-2
Trang 10- **buzzerPin, relayPin:** Điều khiển còi báo động và relay.
- **servo1Pin:** Kết nối động cơ servo
- Đặt giá trị ban đầu:
- Động cơ servo ở vị trí mở van (180 độ)
- LCD hiển thị trạng thái "An toàn"
##### **4.3 Vòng lặp chính (`loop()`):**
1 **Đọc giá trị cảm biến:**
- Dùng `analogRead()` để lấy giá trị tín hiệu từ MQ-2
- Lọc tín hiệu bằng Kalman Filter để giảm nhiễu
2 **Hiển thị thông tin:**
- Hiển thị mức khí gas lên màn hình LCD
3 **Xử lý điều kiện:**
- Nếu giá trị khí gas vượt ngưỡng:
- **Kích hoạt còi báo động:** Bật chân `buzzerPin`
- **Kích hoạt relay:** Điều khiển quạt thông gió
- **Quay động cơ servo:** Đưa về góc 90 để khóa van gas
Trang 11- **Hiển thị cảnh báo trên LCD.**
- Nếu giá trị dưới ngưỡng:
- Tắt còi, relay, và đưa động cơ servo về vị trí ban đầu
-#### **5 Kết luận và đánh giá**
- **Ưu điểm:**
- Hệ thống đơn giản, hiệu quả và chi phí thấp
- Có khả năng phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas nhanh chóng
- Tích hợp nhiều chức năng (còi báo động, quạt, khóa van) giúp tăng cường an toàn
- **Nhược điểm:**
- Chỉ phát hiện các loại khí gas cụ thể mà cảm biến MQ-2 hỗ trợ
- Cần cải thiện độ nhạy và độ chính xác trong môi trường nhiều nhiễu
Trang 12- **Hướng phát triển:**
- Tích hợp kết nối IoT để gửi cảnh báo từ xa qua điện thoại
- Sử dụng cảm biến hiện đại hơn để phát hiện nhiều loại khí độc khác
-### **6 Phụ lục: Dòng code hoàn chỉnh**
(Đã được trình bày ở trên)
Bạn cần bổ sung gì thêm không? 😊