Báo cáo môn học Đồ Án thiết kế mạch Điện tử Đề tài mạch cảnh báo rò rỉ khí gas

Trong thực tế, nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas trong đời sống hằng ngày rất phổ biến, do đó sự cố xảy ra khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên yêu cầu cấp thiết hiện n

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Giới thiệu đề tài

Nhu cầu sử dụng khí gas trong cuộc sống hàng ngày ngày càng tăng, dẫn đến sự cố liên quan đến khí gas cũng gia tăng Để giảm thiểu các sự cố không đáng có, người dùng cần thực hiện các biện pháp an toàn như kiểm tra định kỳ dây dẫn gas, khóa van gas sau khi nấu ăn, và tránh sử dụng bếp gas cũ hoặc chất lượng kém Đặc biệt, việc lắp đặt hệ thống cảnh báo khí gas rò rỉ là rất quan trọng, vì thiết bị này có cấu trúc đơn giản, giá cả hợp lý và độ nhạy cao, giúp phát hiện kịp thời khí gas rò rỉ, từ đó bảo đảm an toàn cho người sử dụng.

Khi phát hiện khí gas rò rỉ, hệ thống sẽ tự động kích hoạt còi hú và đèn LED cảnh báo, giúp người trong nhà nhận biết kịp thời Điều này cho phép họ khắc phục sự cố và bật quạt hút để giảm thiểu rủi ro cháy nổ, đặc biệt trong những phòng kín không có người Hệ thống hoạt động thông qua việc đóng ngắt relay, đảm bảo an toàn cho không gian sống.

Lý do chọn đề tài

Khí Gas, hay còn gọi là LPG (Liquified Petroleum Gas), là một loại khí đốt hóa lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ, chủ yếu bao gồm hỗn hợp propan (C3H8) và butan (C4H10) Khí gas không màu, không mùi và không độc hại, nhưng thường được thêm vào chất Etylmecaptan để dễ phát hiện khi có rò rỉ Ở nhiệt độ phòng, khí gas bốc hơi nhanh chóng từ trạng thái lỏng sang khí Tỉ trọng của khí gas lỏng nhẹ hơn nước, với khối lượng riêng khoảng 0.51 - 0.575 Kg/lít, trong khi tỉ trọng khí gas hơi nặng hơn không khí từ 1.51 đến 2 lần.

Khí gas có đặc tính nguy hiểm khi rò rỉ ra môi trường, đặc biệt trong không gian kín Khi bị rò rỉ, khí gas sẽ lan truyền từ dưới lên do nặng hơn không khí, chiếm chỗ và đẩy không khí ra ngoài, dẫn đến tình trạng ngạt thở và giảm nồng độ oxy, có thể gây tử vong cho người sử dụng Hơn nữa, nếu khí gas rò rỉ gặp lửa hoặc tia lửa điện, nguy cơ cháy nổ sẽ rất cao, đe dọa an toàn cho mọi người.

Nhận thấy rằng ý tưởng này có tính thực tế rất lớn cho nên nhóm đã chọn đề tài

“Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas” cho đồ án môn học này.

Mục tiêu đề tài

Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas được thiết kế nhằm phát hiện và thông báo kịp thời khi có sự rò rỉ khí gas, giúp người dùng nhanh chóng khóa bình gas để tránh những sự cố nguy hiểm Sản phẩm này không chỉ dễ dàng nhận biết khí gas rò rỉ mà còn có cấu trúc đơn giản và giá thành hợp lý Đặc biệt, nhóm phát triển còn chú trọng đến tính thực tế của mạch, nhằm phổ biến trong các hộ gia đình, phòng trọ, và chung cư mini, nơi đã xảy ra nhiều vụ cháy thương tâm trong những năm gần đây.

Lịch sử vấn đề

Nghiên cứu về mạch cảnh báo rò rỉ khí gas đã thu hút sự quan tâm của nhiều tác giả trong và ngoài nước, với mục tiêu phát triển các hệ thống sử dụng cảm biến khí gas Tuy nhiên, thách thức lớn vẫn là khả năng phát hiện các loại khí gas khác nhau và đảm bảo độ chính xác của hệ thống Do đó, cần thiết phải nghiên cứu để phát triển các mạch cảnh báo có khả năng phát hiện đa dạng khí gas, không chỉ giới hạn ở một loại cụ thể Bên cạnh đó, việc tối ưu hóa thiết kế mạch để đảm bảo hiệu quả và chi phí hợp lý là rất quan trọng, cùng với việc thực hiện kiểm tra thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong điều kiện thực tế.

THIẾT KẾ MẠCH

Sơ đồ khối chung

Mạch được thiết kế với ba khối chính: khối nguồn, khối cảm biến và khối báo động Khối nguồn cung cấp điện áp 5V cho toàn bộ mạch và các khối còn lại Khối cảm biến có nhiệm vụ phát hiện khí gas trong không khí, đo lường và truyền thông tin đến khối xử lý Khối xử lý nhận thông tin từ khối cảm biến và phát tín hiệu điều khiển đến khối cảnh báo Cuối cùng, khối cảnh báo kích hoạt báo động khi nhận được thông tin, đạt được mục tiêu của nhóm.

Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý

Khối nguồn của mạch sử dụng adapter 5V, trong khi khối xử lý được thực hiện bởi IC so sánh LM311 với một opamp, có nhiệm vụ so sánh điện áp và đưa ra mức cao thấp theo yêu cầu Khối cảnh báo bao gồm đèn, còi, relay báo động và hệ thống khếch tán khí gas Điện áp từ chân B của cảm biến được kết nối với chân 3 (V-) của IC, và một điện áp tham chiếu được nối tới chân 2 (V+) Hai mức điện áp này được so sánh, và tín hiệu OUTPUT tại chân số 7 sẽ kết nối với khối cảnh báo.

Khối nguồn

Các linh kiện điện tử trong mạch hoạt động ổn định ở mức điện áp 5V, và vì mạch cần hoạt động liên tục 24/24, nhóm đã quyết định sử dụng nguồn Adapter để chuyển đổi từ 220V thành 5V cho mạch.

Adapter là một phần quan trọng trong việc xác định trạng thái hoạt động của mạch điện, góp phần vào quá trình sử dụng và bảo trì hiệu quả Nhóm đã chọn sử dụng LED 3mm để thể hiện trạng thái hoạt động của mạch với các thông số kỹ thuật cụ thể.

Với nguồn cấp 5V và dựa trên datasheet của LED 3mm, công suất tiêu thụ của LED khoảng 0,06W, từ đó chúng ta có thể tính toán dòng điện đi qua LED.

5 = 0,012 (A) Tiếp theo, ta tính được điện trở để bảo vệ đèn này R=v cc −v led

Để tính toán giá trị điện trở cho LED, chúng ta có công thức R = 5 - 2.2 / 0.012, kết quả là khoảng 233Ω Tuy nhiên, do không có sẵn điện trở 233Ω trên thị trường và nhằm tối ưu hóa hiệu suất hiển thị của đèn LED, nhóm quyết định chọn điện trở có giá trị 220Ω.

Khối cảm biến

Hình 2.4.1 Cảm biến khí gas MQ-2

Cảm biến khí gas MQ-2 là một cảm biến MOS (Metal Oxide Semiconductor) hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với khí Nhóm nghiên cứu đã chọn MQ-2 vì nó tối ưu chức năng nhất trong các loại cảm biến khí Cảm biến này được thiết kế đặc biệt để nhận biết propane (C3H8) và butan (C4H10), hai thành phần chính trong khí gas Với cấu trúc và các chất xúc tác độc đáo trong lõi cảm biến, MQ-2 nổi bật với độ nhạy cao, trở thành lựa chọn tối ưu cho việc phát hiện khí gas.

Như đã nói ở trên, cảm biến MQ-2 đo lường các biến đổi điện trở này và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Analog tại chân B.

Nồng độ khí gas được đo bằng đơn vị PPM (Parts Per Million), là một chỉ số quan trọng để xác định mật độ trong thể tích hoặc khối lượng rất nhỏ.

Công thức tính ppm như sau:

 Phạm vi phát hiện: 300 ~ 10000ppmm

 Độ nhạy: R trong không khí / khí đặc trưng của Rin ≥ 5

 Thời gian đáp ứng: ≤ 10 giây

 Thời gian khôi phục: ≤ 30 giây

 Công suất làm nóng: ≤ 900mW

Hình 2.4.2.1 Cấu tạo bên ngoài cảm biến MQ-2

Cảm biến MQ-2 được bảo vệ bởi hai lớp lưới thép không gỉ mịn, được gọi là "mạng chống nổ", giúp ngăn chặn nguy cơ nổ trong quá trình cảm nhận các khí dễ cháy Lớp lưới này không chỉ bảo vệ các bộ phận bên trong cảm biến mà còn có chức năng lọc bụi, đảm bảo hiệu suất hoạt động của thiết bị.

Một vòng kẹp (Clamp Ring) được mạ đồng cố định phần lưới vào phần còn lại của cảm biến.

Hình 2.4.2.2 Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2

Cảm biến có cấu trúc hình ngôi sao với sáu chân, trong đó hai chân (H) có chức năng làm nóng bộ phận cảm biến và được kết nối bằng dây Niken-Crom.

Bốn dây còn lại (A và B) có chức năng truyền tín hiệu và được kết nối bằng dây bạch kim Những dây này gắn liền với thân cảm biến, truyền tải tín hiệu khi có sự thay đổi dòng điện trong cảm biến.

Hình 2.4.2.3 Lõi ống bên trong cảm biến

Hình ống giữa của cảm biến, được làm từ gốm Oxit nhôm (AL2O3), giữ vai trò quan trọng trong việc duy trì quá trình làm nóng của lớp cảm biến Bên cạnh đó, lớp phủ Thiếc Dioxide (SnO2) là vật liệu nhạy cảm với khí dễ cháy, góp phần nâng cao hiệu suất của cảm biến Electrode line, hay còn gọi là chân kết nối, được chế tạo từ bạch kim để tối ưu hóa việc di chuyển của các electron, vì phần tử cảm biến hoạt động với dòng điện rất nhỏ.

Hình 2.4.3 Nguyên lý hoạt động của MQ-2

Cảm biến khí gas MQ-2 hoạt động dựa vào chemiresistor, một loại điện trở hóa trị, để dẫn dòng điện Trong đó, Thiếc Dioxit là vật liệu chemiresistor phổ biến được sử dụng.

SnO2 là một chất bán dẫn loại N, có chứa các điện tử tự do, thường được gọi là chất cho Trong không khí, nồng độ oxy thường cao hơn so với các chất dễ cháy, dẫn đến việc các phần tử oxy sẽ thu hút electron tự do trong SnO2 và đẩy chúng lên bề mặt Kết quả là, khi không còn electron tự do, dòng điện đầu ra trở về mức không Hình ảnh minh họa cho thấy các phần tử oxy (màu xanh lam) thu hút electron tự do (màu cam) bên trong SnO2, ngăn cản sự dẫn điện của nó.

Khi đặt cảm biến trong môi trường khí độc hoặc dễ cháy, khí khử màu tím phản ứng với oxy, phá vỡ liên kết hóa học và giải phóng điện tử tự do Sự dẫn điện tỷ lệ thuận với số lượng điện tử tự do trong SnO2; khí có tính đọc cao sẽ tạo ra nhiều điện tử tự do hơn Dựa vào nguyên lý này, nhóm đã chọn một IC so sánh để so sánh điện áp đầu ra của cảm biến (tương ứng với nồng độ khí) với điện áp tham chiếu nhằm đưa ra mức kích thích mong muốn.

Khối xử lý

Nhóm quyết định xử lý tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khối cảnh báo mà không sử dụng vi xử lý, phù hợp với yêu cầu của môn học.

IC bao gồm một opamp dùng để so sánh tín hiệu từ cảm biến với điện áp tham chiếu được cung cấp từ một biến trở, nhằm tạo ra tín hiệu đầu ra tại chân OUT theo yêu cầu.

Trên thị trường hiện có nhiều loại IC thích hợp cho mạch cảnh báo rò rỉ khí gas, nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy IC LM311 chỉ chứa một Op-amp thực hiện chức năng so sánh điện áp Điều này giúp LM311 tối ưu hơn so với các IC khác có hai Op-amp bên trong.

IC LM311 là bộ so sánh điện áp phổ biến trong các mạch điện tử, chuyển đổi tín hiệu đầu vào analog thành tín hiệu kỹ thuật số dựa trên mức độ tín hiệu Thiết bị này hoạt động với nhiều mức điện áp nguồn, từ ±15V cho bộ khuếch đại đến 5V cho hệ thống logic IC LM311 thường được ứng dụng trong các bộ điều khiển, mạch đèn LED, và mạch cảm biến, phù hợp cho cả so sánh đơn và so sánh nhiều.

IC LM311 yêu cầu dòng điện đầu vào thấp khi phân cực và bù, cho phép hoạt động với nguồn điện duy nhất Nó có khả năng hoạt động trong phạm vi điện áp rộng lên đến 36V, với nhiệt độ hoạt động tối đa là +70 độ C và phạm vi nhiệt độ lưu trữ từ -65 độ C đến +150 độ C.

IC thay thế và tương đương: LM111, LM211, LT111A: Đây là các IC so sánh điện áp khác có thể thay thế LM311 trong nhiều ứng dụng.

 Cách nối chân IC LM311:

Hình 2.5.1.3 Sơ đồ chân IC LM311 -Chân nguồn (VCC và GND):

 Chân VCC: thường được nối với nguồn điện dương.

 Chân GND: thường được nối với nguồn điện âm hoặc là một nguồn

- Chân Đầu Vào (Inverting Input và Non-Inverting Input):

 Chân Inverting Input (V-): thường được nối với tín hiệu đầu vào mà bạn muốn so sánh.

 Chân Non-Inverting Input (V+): thường được kết nối với nguồn tham chiếu hoặc tín hiệu đầu vào khác.

 Chân Output (OUT): là chân cung cấp tín hiệu đầu ra kỹ thuật số dựa trên so sánh giữa hai đầu vào

 Nguyên lý hoạt động các chân của IC LM311:

IC nhận hai nguồn vào từ chân 2 và 3, một từ cảm biến và một từ biến trở Khi điện áp ở chân V- lớn hơn điện áp ở chân V+, đầu ra sẽ ở mức thấp Ngược lại, nếu điện áp ở chân V- nhỏ hơn điện áp ở chân V+, đầu ra sẽ ở mức cao Nhờ vào nguyên lý hoạt động của opamp, nhóm có thể tùy chỉnh mức OUT theo nhu cầu.

Hình 2.5.1.4 Thông số kỹ thuật của IC LM311 [4]

Sau khi IC đưa ra mức thấp tại chân OUT, nhóm đã sử dụng BJT PNP để kích hoạt khối báo động, vì nếu không có 1 hoặc 2 BJT kích, dòng điện sẽ không đủ và gây sụt áp Có nhiều loại transistor PNP như 2N3906, A1015, 2N4403, với các thông số kỹ thuật tương đương Tuy nhiên, 2N3906 nổi bật với những ưu điểm trong datasheet, phù hợp cho các ứng dụng công tắc khác nhau, do đó nhóm đã chọn 3906 cho nhiệm vụ kích mạch báo động.

Thông số kỹ thuật transistor 3906:

 Độ lợi dòng điện DC (hFE) tối đa là 300

 Dòng cực góp liên tục (IC) là 200mA

 Điện áp cực gốc cực phát (VBE) là 5V

 Dòng cực gốc (IB) tối đa 5mA

 Điện áp cực góp cực phát (VCE) là 40V

 Điện áp cực góp cực gốc (VCB) là 40V

 Công suất tiêu thụ là 600mW

Khi cấp điện áp thấp cho chân gốc, transistor sẽ bị phân cực nghịch và hoạt động Ngược lại, nếu tăng điện áp cho chân gốc, transistor sẽ ngừng dẫn dòng giữa cực phát và cực góp, dẫn đến trạng thái tắt Để bảo vệ transistor, cần mắc một điện trở nối tiếp với chân gốc Giá trị của điện trở này có thể được xác định bằng công thức phù hợp.

Trong mạch điện, điện áp VBE cho transistor được xác định là 5V Dựa vào datasheet, dòng điện tối đa cho cực gốc không vượt quá 200mA, từ đó ta tính được giá trị điện trở RB là 250Ω nhằm hạn chế dòng điện vào chân gốc của transistor.

2.5.3 Biến trở Để xác định được mức điện áp tham chiếu, cũng như nhằm mục đích điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, ta dùng một con biến trở 3362 Trong bài báo cáo này, nhóm sẽ đưa một vài chi tiết về Biến Trở Vuông 3362P, từ thông số kỹ thuật cơ bản đến cách nó hoạt động và lợi ích của việc sử dụng nó.

Bảng 2.5.3 Biến trở vuông 3362 Thông số kĩ thuật:

 Model: 3362P Thể Loại: Chiết Áp, Điện Trở Biến

 Hệ Số Nhiệt Độ: ± 100ppm/°C

 Độ Tinh Chỉnh: 1% hoặc 2Ohms

 Kích Thước: 7mm x 7mm x 4.8mm

Biến trở Vuông 3362P cho phép điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi giá trị điện trở, thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay như điều khiển từ xa, máy tính xách tay và điện thoại di động Sản phẩm này là lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng điện tử hiện đại.

Khối cảnh báo

Khối cảnh báo nhận tín hiệu từ khối xử lý và phát cảnh báo ra khối báo động.

Khối cảnh báo là một thiết bị mạch dao động đa hài, có khả năng phát ra cảnh báo thông qua ánh sáng và âm thanh Thiết bị này kết hợp đèn LED với buzzer, tạo ra hiệu ứng cảnh báo rõ ràng và hiệu quả.

2.6.1 Mạch đa hài Đầu tiên, ta nghiên cứu nguyên lý hoạt động của mạch đa hài.

Khi nguồn được cấp, cả hai tụ C2 và C3 đều được nạp điện Một trong hai transistor Q1 hoặc Q2 sẽ hoạt động trước, giả sử Q1 nhạy hơn, dẫn đến U BE của Q1 đạt 0.7V Khi đó, dòng điện từ chân C xuống chân E sẽ làm LED3 sáng, trong khi tụ C2 không được nạp điện do dòng điện chủ yếu chạy về mass Đồng thời, Q2 không hoạt động, khiến LED2 không sáng và tụ C2 chỉ được nạp một ít điện Khi Q1 hoạt động, chân B nối với chân E xuống mass, làm điện áp tại B giảm từ 0.7V về 0V, dẫn đến việc tụ C2 xả điện Khi điện áp tại chân B giảm hết, Q1 ngưng dẫn và LED3 tắt.

Q1 ngưng dẫn, cực âm tụ C3 được nạp điện áp thông qua dòng điện đi qua điện trở

Khi giá trị điện áp tại R1 đạt 0.7V, transistor Q2 bắt đầu dẫn, kết nối chân C của Q2 với chân E xuống mass, làm cho đèn LED2 sáng lên Lúc này, cực dương của tụ C2 xả điện, trong khi tụ C3 được nạp điện do Q1 không dẫn Nguyên lý hoạt động tương tự như giai đoạn 1, với cực âm của tụ C3 xả điện áp xuống mass nhờ chân B của Q2 nối thông với chân E Khi điện áp xả giảm từ 0.7V về 0V, quá trình hoạt động tiếp tục diễn ra.

Q2 ngưng dẫn, LED2 tắt, sau đó cực âm tụ C2 lại được nạp điện làm điện áp tại chân B của Q1 tăng dần lên 0.7V, điện áp này bằng 0.7V thì Q1 lại dẫn.

Trong mạch đa hài này ta sử dụng transistor NPN tên là C1815 có sơ đồ chân như sau:

Transistor NPN hoạt động khi điện áp tại cực B lớn hơn tại cực E và vượt qua ngưỡng tối thiểu khoảng 0,6V (hoặc 0,3V tùy loại) Khi điện áp VBE lớn hơn 0,6V, dòng điện có thể di chuyển từ cực C xuống cực E, nhưng không thể theo chiều ngược lại Nếu VBE nhỏ hơn 0,6V, hai cực C và E sẽ không nối thông, khiến dòng điện không thể lưu thông giữa chúng.

R4= (UCC– ULED2) / ILED2 = (5 – 3)/0.02= 100 (R7 tương tự)

Transistor hoạt động khi UBE ≥ 0.7V, vì vậy cần chọn điện trở R để dòng điện qua transistor là nhỏ nhất, thường là gấp 10 lần RLED, do đó R5 và R6 được chọn là 10KΩ Thời gian nháy đèn phụ thuộc vào thời gian chớp tắt của hai đèn, được tính bằng T = t1 + t2 Thời gian chớp tắt của đèn phụ thuộc vào độ rộng của xung và tụ điện, với công thức t1 = 0.7 * C3 * R6 và t2 = 0.7 * C2 * R5 Độ rộng xung của hai đèn sử dụng tụ điện có giá trị 22uF.

 Chu kỳ xung T = t1+t2 = 0,308s Tần suất nhấp nháy của mạch đa hài được tính như sau: f=1

Ngoài ra, mạch còn sử dụng 1 còi báo động và led với thông số kỹ thuật như sau:

 Cường độ điện áp: ≤30mA

 Độ lớn âm thanh phát ra: ≥85dB

 Tần số cộng hưởng: 2300 ± 300Hz

 Nhiệt độ hoạt động: -25 °C đến +80°C

 Nhiệt độ bảo quản: -30°C đến +85°C

 Giá trị áp dụng ở điện áp định mức là DC

Mạch điều khiển sử dụng một relay để khếch tán khí gas, giảm nồng độ khí gas trong khu vực bị rò rỉ, từ đó giảm thiểu nguy cơ cháy nổ Relay hoạt động như một công tắc điện, chuyển đổi các kích thích điện nhỏ thành dòng điện lớn hơn Khi điện ở đầu vào kích hoạt nam châm điện, mạch điện sẽ được đóng hoặc ngắt Bằng cách này, các đầu vào yếu có thể kích hoạt quạt thông gió 220V để hút khí gas ra ngoài Relay được chọn là loại hoạt động ở điện áp 5VDC, có khả năng chịu được hiệu điện thế lên đến 250VAC và 10A.

 Kích thước: 43mm x 17.3mm x 17mm (dài x rộng x cao)

Cấu trúc cơ bản của relay bao gồm một cuộn dây kim loại, thường là đồng hoặc nhôm, quấn quanh lõi sắt từ Relay có hai phần chính: phần tĩnh gọi là ách từ (Yoke) và phần động gọi là phần cứng (Armature) Cuộn dây có chức năng hút thanh tiếp điểm, tạo ra trạng thái NO (Normally Open) và NC (Normally Closed) Mạch tiếp điểm, hay mạch lực, có nhiệm vụ đóng cắt các thiết bị tải với dòng điện nhỏ và được cách ly bởi cuộn hút.

Hình 2.6.4 Cấu tạo bên trong Relay

Hình 2.6.5 Sơ đồ nguyên lí Relay

Khi khóa K được đóng, cuộn dây trong relay sẽ hút tiếp điểm Ngược lại, khi khóa K mở và ngắt điện, từ trường trong cuộn dây sẽ giảm đột ngột do dòng điện ngừng chảy.

Theo định luật Len-xơ, khi từ trường trong cuộn dây giảm đột ngột, sẽ xuất hiện dòng điện cảm ứng có chiều ngược lại với nguyên nhân gây ra nó Điều này dẫn đến việc cuộn dây sinh ra dòng điện tự cảm, dòng điện này có thể chạy xuống chân E của transistor PNP, gây ra hiện tượng đánh thủng transistor và có thể làm hỏng nó Quá trình này cũng tương tự đối với transistor NPN, như minh họa trong hình phía dưới.

Hình 2.6.6 Mô tả quá trình dòng điện tự cảm chạy qua Diode BJT NPN

Khi relay được kích hoạt, nó sẽ nối hai đầu dương của quạt hút 220V, khiến quạt hoạt động và khuếch tán một phần khí gas ra ngoài Do việc sử dụng nguồn điện 220V trong mô phỏng có thể gây nguy hiểm, nhóm đã quyết định sử dụng quạt 5V và nguồn pin 5V để mô phỏng quá trình kích hoạt relay tương tự như quạt hút mùi sử dụng nguồn 220V.

MÔ PHỎNG, THI CÔNG & KẾT QUẢ

Giới thiệu các phần mềm mô phỏng và thiết kế mạch in

3.1.1 Phần mềm Protues Ở phần mô phỏng này, nhóm nhóm chọn phần Protues để mô phỏng mạch trước khi lắp trên testboard và làm mạch in xem có xảy có ra lỗi và mạch chạy có đúng yêu cầu của nhóm không Do phần mềm đã được học ở trước đó và có những ưu điểm vượt trội hơn những phần mềm khác nên nên nhóm nhóm quyết định chọn phần mềm này.

Proteus software, developed by Labcenter Electronics Ltd, is a powerful Electronic Design Automation (EDA) tool that specializes in simulating electronic circuits and embedded systems Widely used in the design and simulation of electronic microcircuits, printed circuit boards (PCBs), and embedded systems, Proteus offers a comprehensive environment for engineers and designers to create and test their projects effectively.

Proteus là công cụ được ưa chuộng trong cộng đồng kỹ sư điện tử và phát triển hệ thống nhúng, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình phát triển sản phẩm Nó đảm bảo tính ổn định của vi mạch và hệ thống trước khi bước vào giai đoạn sản xuất và triển khai.

Proteus là phần mềm mô phỏng vi mạch điện tử và hệ thống nhúng nổi bật, được ưa chuộng bởi các kỹ sư điện tử và nhà phát triển nhờ vào những ưu điểm vượt trội Một số lợi ích chính của Proteus bao gồm khả năng mô phỏng chính xác, giao diện thân thiện với người dùng và hỗ trợ đa dạng các loại vi mạch, giúp tối ưu hóa quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm.

 Hỗ trợ mô phỏng vi xử lý

 Hỗ trợ đa nền tảng

3.1.2 Phần mềm Altium Designer Ở phần thiết kế mạch in, nhóm chúng chọn phần mềm Altium Designer (vì vừa được học ở môn Thực hành cơ sở) mặc dù phần mềm Protues cũng có chức năng thiết kế mạch in nhưng phần mềm Altium Designer lại mạnh hơn về phần này.

Altium Designer là phần mềm thiết kế PCB toàn diện dựa trên đám mây, cho phép người dùng tạo sơ đồ, mô hình 3D, bản vẽ lắp ráp và mô phỏng Với Altium, nhà thiết kế PCB có thể dễ dàng chia sẻ thiết kế và nhận phản hồi từ khách hàng theo thời gian thực, nâng cao hiệu quả làm việc.

Altium Designer là một phần mềm hỗ trợ công nghệ cao đã trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp bo mạch điện tử.

Altium cung cấp chức năng hiệu suất cao và tính năng nâng cao, giúp quá trình thiết kế PCB trực tuyến trở nên dễ dàng hơn Các nhà phát triển Altium liên tục nâng cấp và bổ sung tính năng mới, dẫn đến sự ra đời của nhiều phiên bản khác nhau Phiên bản mới nhất không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn rút ngắn thời gian thiết kế Một trong những tính năng nổi bật của Altium là hỗ trợ mẫu nâng cao.

Các tính năng chính của phần mềm Altium Designer:

 Công cụ trực quan hóa 3D nâng cao

 Trình kiểm tra quy tắc thiết kế nâng cao

 Quản lý thư viện thống nhất

 Thiết kế phân cấp và đa kênh

 Giao diện công cụ tập trung

Mạch mô phỏng

3.2.1 Mạch khi không có khí gas

Hình 3.2.1 Mạch khi không có khí gas

Khi chưa phát hiện khí gas, cảm biến giữ nguyên trạng thái ban đầu với chân B cho ra điện áp thấp hơn điện áp tham chiếu Cảm biến không nhận biết nồng độ khí dưới 300 ppm, vẫn duy trì trở kháng nhiệt khoảng 31Ω ± 3Ω Với trở kháng này, điện áp đầu ra tại chân B vào chân số 3 IC khoảng 0.62V, thấp hơn điện áp tham chiếu tại chân 2 IC, dẫn đến V (-) < V (+) Do đó, IC xuất ra mức Digital cao tại chân số 1, không kích hoạt transistor PNP, khiến mạch không hoạt động.

3.2.2 Mạch khi phát hiện có khí gas

Hình 3.2.2 Mạch khi phát hiện có khí gas

Khi cảm biến phát hiện khí gas với nồng độ >300ppm, phản ứng hóa học giữa C3H8 và C4H10 với bề mặt SnO2 diễn ra, giải phóng electron và tạo thành vùng nghèo Sự gia tăng nồng độ khí gas sẽ làm tăng điện áp tại chân B của cảm biến lên >4V, vượt qua điện áp tham chiếu 1.7V Kết quả là, điện áp tại chân số 3 (V-) lớn hơn điện áp tại chân số 2 (V+), dẫn đến mức Digital tại chân OUT số 7 của cảm biến là mức thấp.

Ta tính điện áp tham chiếu dựa vào cấu tạo của biến trở 3362 như hình dưới:

Hình 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý biến trở

R1 là điện trở cố định theo yêu cầu, trong khi R2 là điện trở được sử dụng để xác định điện áp Vout Với hệ số điều chỉnh là 0.6, điện trở biến trở tại mức vặn này được tính toán như sau:

Điện trở mặc định (Rb) là giá trị điện trở khi biến trở ở vị trí ban đầu và chưa được điều chỉnh Điện trở tối đa (Rmax) là giá trị lớn nhất mà biến trở có thể đạt được, trong khi điện trở tối thiểu (Rmin) là giá trị nhỏ nhất mà biến trở có thể đạt được.

Ta chọn R1= 400Ω, suy ra R2 = 610 - 400 = 210 Ω Từ giá trị R1, R2 với nguồn

Ta có được điện áp tham chiếu tại chân 2 biến trở là khoảng 1.7V.

Chân số 7 của mạch kích hoạt transistor PNP, kết nối chân E và chân C, cho phép khối cảnh báo và relay hoạt động khi nối mass Khi relay được kích, quạt hút 220V sẽ hoạt động, giúp loại bỏ khí gas trong không gian kín như phòng trọ hay kho chứa Điều này làm giảm nguy cơ khí gas tích tụ và gây cháy do tia lửa điện Để đảm bảo an toàn, nhóm đã lựa chọn một quạt tản nhiệt và nguồn 5V để mô phỏng quạt hút sử dụng nguồn điện xoay chiều.

Thi công

Sau khi hoàn tất việc tính toán và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho mạch, chúng tôi tiến hành thi công phần cứng, bao gồm việc vẽ PCB và ghi lại một số hình ảnh minh họa cho quá trình thi công mạch.

Sau khi vẽ sơ đồ nguyên lý cho mạch, tiến hành vẽ sơ đồ nối dây cho mạch

Hình 3.3.2.1 Mặt trước của mạch

Hình 3.3.2.2 Mặt sau của mạch

 Các bước tiến hành in mạch điện:

 Bước 1: In mạch vào giấy in chuyên dụng, đo kích thước board đồng vừa với mạch in.

 Bước 2: Lau board đồng với cồn, chà sơ lên bề mặt đồng giúp in mạch dễ dàng (có thể sử dụng giấy nhám hoặc cước).

 Bước 3: Dùng bàn ủi in đều mạch lên bo, lưu ý các đường dây nhỏ và các góc.

 Bước 4: Sau khi in cẩn thận, để board nguội rồi đem đi ngâm với dung dịch bột sắt cho đến khi board mạch chỉ còn lại mạch in.

 Bước 5: Rửa sạch lại board, kiểm tra thông mạch bằng VOM, cuối cùng phủ một lớp nhựa thông giúp board đồng ít bị oxi hóa.

 Bước 6: Tiến hành khoan và hàn mạch.

 Bước 7: Gắn linh kiện và kiểm tra đường dây điện.

Hình 3.3.2.3 Mạch sau khi in

Hình 3.3.2.4 Mạch sau khi đã lắp linh kiện

Sử dụng giấy Fomex vì nó nhẹ, dễ cắt ghép, chịu nhiệt tốt, giá rẻ và dễ thực hiện, bề dày 3mm làm khung cho mô hình.

Hình 3.3.3.2 Súng bắn keo nến

Dùng để dán những miếng bìa Formex lại thành mô hình hoàn chỉnh.

Hình 3.3.3.3 Mô hình đề tài

Sau khi hoàn tất việc đo kích thước và cắt dán bìa Formex, tiến hành khoan 4 lỗ để gắn vít lắp mạch vào mô hình và lắp quạt thông gió Mô hình mạch hoàn thiện có kích thước 20x15x8cm.

Kết quả đạt được

Sau 7 tuần nghiên cứu và thi công dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Quang Thuận, nhóm đã hoàn thành đề tài "Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas" Bài viết này trình bày kết quả mà nhóm đã đạt được và đưa ra nhận xét, đánh giá về đề tài sau khi hoàn tất Dưới đây là hình ảnh của mạch sau khi đã hoàn thiện.

Hình 3.4.1 Mạch thực tế khi chưa phát hiện khí gas

Hình 3.4.2 Mạch thực tế khi phát hiện có khí gas

Sau khi xác định mạch thực tế, chúng ta sử dụng VOM để kiểm tra xem các linh kiện có bị dính vào nhau hay không Nếu không có hiện tượng chập, ta sẽ cấp nguồn cho mạch để kiểm tra chức năng hoạt động của các linh kiện Như hình minh họa, tất cả các linh kiện đều được cấp nguồn và hoạt động bình thường, khối báo động bao gồm mạch đa hài, buzzer và relay đều được kích hoạt theo thiết kế như mong muốn.

Kết luận

Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas được thiết kế nhằm ngăn ngừa cháy nổ và sự cố liên quan đến khí gas, từ đó giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản Nhóm đã đạt được 95% mục tiêu ban đầu, cho thấy sự hiệu quả của hệ thống này Dưới đây là những ưu điểm nổi bật của mạch cảnh báo.

 Giải quyết được các vấn đề đặt ra của đề tài.

 Sản phẩm chạy ổn định.

 Hệ thống tiêu thụ điện năng thấp.

 Dễ quan sát và sử dụng.

 Phát hiện được khí gas nhanh chóng.

 Khoảng cách nhận biết được khí gas không xa.

 Có sai số so với mô phỏng.

 Rủi ro khi bị lỗi : các phần tử trong mạch có khả năng bị lỗi thậm chí mất điện.

 Độ phức tạp : mạch còn nhiều hạn chế về độ phức tạp cũng như khả năng đáp ứng đủ về yêu cầu kỹ thuật với từng linh kiện.

Hướng khắc phục: Nghiên cứu sâu vào từng linh kiện, sử dụng thêm các linh kiện bảo vệ như điện trở hạn dòng, tụ điện,…

Hướng phát triển đề tài

Đồ án này cho phép tích hợp chức năng của mạch vào quạt hút mùi trong nhà bếp, giúp quạt không chỉ hút mùi khi nấu ăn mà còn tự động kích hoạt khi phát hiện rò rỉ khí gas để khuếch tán ra ngoài Vi xử lý được sử dụng làm bộ não của mạch, cho phép tùy chỉnh các chức năng theo nhu cầu Với "Mạch cảnh báo rò rỉ khí gas", có thể tích hợp thêm module SIM để gửi thông báo qua tin nhắn đến điện thoại của chủ nhà khi phát hiện rò rỉ, giúp họ kịp thời xử lý tình huống Ý tưởng này cũng mở ra cơ hội phát triển thành dự án "nhà thông minh dùng ESP32", kết hợp với các cảm biến khác để tạo ra một sản phẩm đồ án lớn hơn.