Đồ án thiết bị báo cháy

Do đó, việctạo ra một thiết bị cảnh báo cháy sớm cho các chủ hộ gia đình là điều hết sức cầnthiết.Cần một hệ thống có chức năng tự động giám sát, phát hiện các đám cháy sớmnhất,

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC VIẾT TẮT 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4

1.1 Công nghệ báo cháy 4

1.2 Giới thiệu chung PIC 16F877A 5

CHƯƠNG II NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI……… 8

2.1 Nguyên tắc thiết kế 8

2.2 Chức năng, sơ đồ các khối 9

2.2.1 Cảm biến LM35 9

2.2.2 Cảm biến khí MQ2 11

2.2.3 Đèn và Còi 12

2.2.4 LCD dùng hiển thị 13

2.2.5 Khối tạo dao động của vi điều khiển PIC 14

2.2.6 Khối reset 14

2.3 Mạch nguyên lý, mạch in và mạch thật 15

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN 17 3.1 Lưu đồ thuật toán 17

3.2 Phần mềm sử dụng và code chương trình 18

3.3 Hướng phát triển của đồ án 18

PHỤ LỤC 20

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ chân PIC16F877A……… 6

Hình 1-2 Phần cứng PIC16F877A……… 7

Hình 2-1 Cảm biến LM35……….9

Hình 2-2 Cảm biến MQ2………11

Hình 2-3 Đèn và còi………12

Hình 2-4 LCD hiển thị………13

Hình 2-5 Khối dao động……….14

Hình 2-6 Khối reset………15

Hình2-7 Mạch nguyên lý………15

Hình 2-8 Mạch in………16

Hình 2-9 Mạch thật……….16

Hình 3-1 Lưu đồ thuật toán chương trình……… 17

DANH MỤC VIẾT TẮT

Vcc : Voltage common collector

GND: Ground

LCD: Liquid Crystal Display

AC: Alternating current

DC: Direct current

ADC: Analog Digital Converte

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay theo số liệu thống kế, trung bình mỗi năm, cả nước xảy ra trên 2.000

vụ cháy, làm hàng chục người chết, hàng trăm người bị thương và thiệt hại gây ra làhàng trăm tỷ đồng Các vụ cháy thường xảy ra cục bộ và không được phát hiện sớmnên đã nhanh chóng lan rộng và gây thiệt hại lớn về người và tài sản Do đó, việctạo ra một thiết bị cảnh báo cháy sớm cho các chủ hộ gia đình là điều hết sức cầnthiết.Cần một hệ thống có chức năng tự động giám sát, phát hiện các đám cháy sớmnhất, xử lý loại bỏ các cảnh báo sai và điều khiển các van xả khí chữa cháy theo địachỉ chính xác trong trường hợp xẩy ra cháy đồng thời đưa ra các cảnh báo cháybằng âm thanh hình ảnh Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự độngphát hiện và thông báo địa điểm cháy (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5738-2001) Hệ thống báo cháy tự động bao gồm: Trung tâm báo cháy, các đầu báo cháy,(tổ hợp chuông, đèn, nút ấn) và các thiết bị ngoại vi khác

Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời trong vùng

hệ thống đang bảo vệ Tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các tín hiệuđiều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy tự động nhằm thực hiện mộtnhiệm vụ cụ thể nào đó Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báocháy khói thì nó còn có nhiệm vụ quan trọng hơn là “cảnh báo”, tức là phát hiện vàthông báo sự sắp cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa Trong phạm vi của học phần

Đồ án I, nhóm sinh viên chỉ thiết kế và làm thiết bị báo cháy cơ bản dùng để pháthiện và cảnh báo khi có khả năng cháy và cháy xảy ra

Do trình độ kiến thức và kinh nghiệm có hạn, trong quá trình làm Đồ án này khôngtrảnh khỏi sai sót, cảm ơn giáo viên hướng dẫn đã chỉ bảo nhiệt tình, chu đáo vàmong các thầy cô góp ý thêm để Đồ án ngày càng hoàn thiện

CHƯƠNG I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 Công nghệ báo cháy

- Các công nghệ báo cháy sử dụng chủ yếu

 Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói: là hệ thống báo cháy tựđộng làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy khói Hệ thốngnày chủ yếu phát hiện ra sự gia tăng nồng độ khói ở trong khu vực bảo vệ

 Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy nhiệt: là hệ thống báo cháy

tự động làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy nhiệt Hệthống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi nhiệt độ ở trong khu vực bảo vệ

 Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy ánh sáng (lửa): làm việc dựavào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy lửa Hệ thống này chủ yếu phát hiện

ra nồng độ tăng cường ánh sáng của ngọn lửa trong khu vực bảo vệ

 Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy hỗn hợp: là hệ thống làmviệc dựa trên nguyên lý làm việc của đầu báo cháy hỗn hợp như: đầu báo cháynhiệt và khói; đầu báo cháy nhiệt và lửa Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sựthay đổi các yếu tố môi trường trong khu vực bảo vệ

- Công nghệ báo cháy tự động hiện nay bao gồm các bộ phận cơ bản:

Trung tâm báo cháy và điều khiển chữa cháy địa chỉ

 Các đầu báo cháy tự động

 Hộp nút xả khí và dừng xả khí

 Bộ đèn, còi báo xả khí

 Các bộ phận liên kết: Modul kết nối đầu vào và đầu ra cho các thiết bị ngoại vivà điều khiển các thiết bị liên quan khi chữa cháy

 Các loại dây tín hiệu và cáp tín hiệu là loại chống nhiễu

 Các hệ thống thiết bị liên kết

 Nguồn điện: nguồn điện lưới 220VAC - 50Hz và nguồn dự phòng 24VDC

 Hệ thống báo cháy và điều khiển chữa cháy có cấu hình tương thích với hệ thốngbáo cháy của toà nhà để có thể kết nối với hệ thống BMS, hệ BMS giám sát đượctrạng thái hoạt động của hệ thống thông qua cổng Bacnet của hệ thống báo cháytòa nhà.

 Tự động báo cháy sớm, bất kỳ sự cố cháy nào bắt đầu xảy ra trong các khu vựcbảo vệ khi có khói đạt đến mức độ cần thiết (0.5 ÷ 3.6%) Ngưỡng báo động tuỳchỉnh cho mỗi đầu dò lên tới 8 mức khác nhau Các đầu dò địa chỉ thông minh cókhả năng tự nhận biết trạng thái lỗi do bụi bẩn đưa ra thông tin yêu cầu bảo trìtheo hai mức: Báo bẩn và yêu cầu bảo trì khẩn cấp

 Bảo đảm chính xác địa chỉ báo cháy Điều này giúp cán bộ trực ban xác địnhnhanh và chính xác vị trí đang bị cháy, hoặc có nguy cơ cháy thông qua màn hìnhLCD ghi trên trung tâm

 Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những ngườixung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp

 Có khả năng chống nhiễu tốt

 Báo hiệu nhanh chóng, rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống

 Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác được lắp chung hoặc riêng rẽ

 Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra, trước khi phát hiện ra cháy

 Hệ thống báo cháy đồng bộ sản xuất tại Mỹ

 Hệ thống này đã được kiểm định thực tế tại Việt nam

1.2 Giới thiệu chung PIC 16F877A

PIC16F877A là loại vi điều khiển 8 bit tầm chung của hãng microchip

PIC16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC ( Reduced InstructionSetComputer) và chỉ 351 lệnh cơ bản

Tất cả các lệnh được thực hiện trong 1 chu kì lệnh ngoại trừ lệnh rẽ nhánh

Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớchương trình 8Kx14bit, bộ nhớ dữ liệu 368×8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROMvới dung lượng 256×8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

- Sơ đồ chân với chip loại cắm 40 chân:

Hình 1-1 Sơ đồ chân PIC16F877A

- Các chân chức năng cơ bản:

- Chân 11, 32 là chân nối nguồn 5v

- Chân 12, 31 là các chân nối đất

- Chân số 1 là chân reset lại vi điều khiển

- Các chân 40, 39 kết hợp với chân nguồn, chân đất tạo thành các chân nạpchương trình cho vi điều khiển

- Còn lại là các chân dữ liệu vào/ra, ngắt, chân ADC…

- Cấu trúc cơ bản phần cứng:

Hình 1-2 Phần cứng PIC16F877A

CHƯƠNG II NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI

2.1 Nguyên tắc thiết kế

1 Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ các yêu cầu, quy định của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan và phải được cơ quan phòng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận

2 Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra;

- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp;

- Có khả năng chống nhiễu tốt;

- Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống;

- Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác được lắp đặt chung hoặc riêng rẽ;

- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra cháy

3 Hệ thống báo cháy tự động phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống này phải thực hiện đầy đủ các chức năng đã được đề ra mà không xảy ra sai sót

4 Những tác động bên ngoài gây ra sự cố cho một bộ phận của hệ thống không được gây ra những sự cố tiếp theo trong hệ thống

5 Hệ thống báo cháy tự động bao gồm các bộ phận cơ bản:

- Các cảm biến nhiệt độ, cảm biến khí, cảm biến khói;

- Vi điều khiển để xử lí tín hiệu từ các cảm biến

- Đầu báo cháy tự động;

- Các bộ phận liên kết;

Chân 2 : Đầu ra Vout

Chân 3: GND

Khi một vụ cháy xảy ra thì ở vùng cháy nhiệt độ tăng lên rất cao Lợi dụng đặc tínhnày ta dùng bộ cảm biến nhiệt để nhận biết và báo cháy, ở đây ta dùng cảm biến nhiệtđộ LM35.Cảm biến nhiệt độ LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác caomà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius.Chúngcũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.Đặc điểm chính của cảm biến LM35

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C - 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau :

- Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV

- Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV

- Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150

Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35:

Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách:

LM35 - > ADC - > Vi điều khiển

Như vậy ta có: U= t.k

u là điện áp đầu ra

t là nhiệt độ môi trường đo k

là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/1 độ C

Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit

Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là 5/(2^10) = 5/1024

Giá trị ADC đo được thì điện áp đầu vào của LM35 là

(t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t

Vậy nhiệt độ ta đo được t = giá trị ADC/2048

- Sai số của LM35

+ Tại 0 độ C thì điện áp của LM35 là 10mV

+ Tại 150 độ C thì điện áp của LM35 là 1.5V

==> Giải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)

+ ADC 10 bit nên bước thay đổi của ADC là : n = 4.88mV

Vậy sai số của hệ thống đo là : Y = 0.00488/1.49 = 0.327 %

2.2.2 Cảm biến khí MQ2

Hình 2-2 Cảm biến MQ2

Trong các đám cháy có rất nhiều khí khác nhau thoát ra, vì vậy ta dùng cảm biếnMQ2 để phát hiện ra các loại khí với nồng độ khác nhau, kết hợp với cảm biến nhiệtđộ LM35 đưa ra tín hiệu cảnh báo.

MQ2 có 6 chân :

- 2 chân H là chân cấp nhiệt cho cảm biến MQ2; 1 chân nối với nguồn Vcc, 1chân nối với GND

- 4 chân để lấy tín hiệu:

+ 2 chân A-A nối với nguồn Vcc , để đảm bảo cho biến trở hoạt động ổn định

+ 2 chân B-B đưa tín hiệu ra Vout

MQ2 hoạt động theo nguyên lí biến từ độ nhạy của chất bán dẫn sang điện áp.RL làbiến trở, dùng để chỉnh mức cảnh báo của cảm biến trong các môi trường khácnhau.Cảm biến MQ2 có nồng độ ra trong khoảng 300ppm – 10000ppm, tương đươngvới điện áp ra 0,3V – 4,5V ( 1ppm = 1mg/kg).Điện áp đầu ra của MQ2 sẽ được đưavào chân ADC của vi điều khiển và nồng độ sẽ được hiển thị trên LCD

2.2.3 Đèn và Còi

Hình 2-3 Đèn và còi

Khi cảm biến LM35 và MQ2, nhận biết được nhiệt độ và nồng độ khí vượt quá mứccho phép, thông qua vi điều khiển, đưa ra tín hiệu cho còi và đèn, giúp báo động chomọi người xung quanh khu vực đó có thể biết được sắp xảy ra cháy nổ, cần tránh xakhu vực này và có những biện pháp chữa cháy cần thiết.Tín hiệu điện áp ra khỏi chân

vi điều khiển có giá trị là 5v.Còi có cấu tạo 2 chân: 1 chân nối với tín hiệu điện áp racủa vi điều khiển, 1 chân nối với GND.Đèn led chúng ta sử dụng điện áp định mứcnhỏ nên cần mắc nối tiếp them một điện trở R để đèn không bị cháy

4 RS: có mức logic 0/1.Trong đó: 0: nhập lệnh; 1: nhập dữ liệu từ vi điều khiển.

5 R/W: có mức logic 0/1 Trong đó: 0: ghi dữ liệu; 1: đọc dữ liệu

6 E: tín hiệu cho phép

7 D0 – D7: là các bus dữ liệu

Trong trường hợp này chúng ta chỉ dùng từ D4 đến D7 Các bus dữ liệu của LCDđược nối vào PORTD của vi điều khiển PIC16F877A PORTD của PIC có chức nănginput và output các tín hiệu tương tự của vi điều khiển đưa ra tín hiệu số

2.2.5 Khối tạo dao động của vi điều khiển PIC.

Hình 2-5 Khối dao độngPIC 16F877A có một bộ dao động trên chip nhưng vẫn cần có một bộ dao động ngoài

để kích hoạt Bộ dao động thạch anh ngoài được nối với chân OSC1 ( chân 13) vàOSC2 (chân 14) Khi mắc dao động thạc anh, phải có hai tụ điện 33pF, một đầu nối

tụ với OSC1 và OSC2, còn đầu kia nối đất như hình 5 Thạch anh dùng cho PIC cótần số là 20MHz

2.2.6 Khối reset

Reset PIC 16F877A ta dùng khối reset giống như hình 6, khối này được nối vào chânMCLR ( chân 1) mức tích cực cao, bình thường ở mức thấp Khi có xung cao đặt vàochân này thì bộ vi điều khiển sẽ kết thúc hoạt động hiện tại và tiến hành khởi động

lại Quá trình xảy ra hoàn toàn tương tự như khi bật nguồn Khi reset mọi hooạtđộngtrên thanh ghi sẽ bị xóa.

Hình 2-6 Khối resetReset PIC 16F877A ta dùng khối reset giống như hình 6, khối này được nối vào chânMCLR ( chân 1) mức tích cực cao, bình thường ở mức thấp Khi có xung cao đặt vàochân này thì bộ vi điều khiển sẽ kết thúc hoạt động hiện tại và tiến hành khởi độnglại Quá trình xảy ra hoàn toàn tương tự như khi bật nguồn

2.3 Mạch nguyên lý, mạch in và mạch thật

2.3.1 Mạch nguyên lý

Hình 2-7 Mạch nguyên lý

2.3.2 Mạch in

Hình 2-8 Mạch in

2.3.3 Mạch thật

- Chương trình so sánh: Vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu đọc vào và so sánh với cácngưỡng đặt trước Cụ thể, nhiệt độ > 50oC và nồng độ khí > 1500ppm Khi cả

hai điều kiện trên được thỏa mãn thì đưa ra tín hiệu là “Đúng”, khi một trong hai điều kiện không được thỏa mãn thì tín hiệu là “Sai”.

- Chương trình hiển thị: Vi điều khiển xuất dữ liệu ra các chân D4, D5, D6, D7của LCD để hiển thị lên màn hình nhiệt độ và nồng độ khí hiện tại

- Chương trình hiển thị và báo cháy: Lúc này, vi điều khiển sẽ xuất dữ liệu hiểnthị lên LCD là “CHÁY” đồng thời báo tín hiệu ra hai chân BO và B1 cho đènsáng và còi kêu

Hiển thị

Kết thúc

- Sau đó vi điều khiển lại tiếp tục đọc giá trị nhận được từ hai cảm biến và quátrình lại lặp lại như trên.

3.2 Phần mềm sử dụng và code chương trình

- Sử dụng MPLAB IDE v8.56 kết hợp sử dụng trình dịch của phần mềm PIC CCompiler

- Sử dụng Proteus8.0 để mô phỏng

- Sử dụng Altium designer 9.0 để vẽ mạch nguyên lý và mạch in

- Code chương trình: Phụ lục 1

3.3 Hướng phát triển của đồ án

- Đồ án hiện tại mới chỉ là những ứng dụng rất cơ bản để báo cháy, chưa có tương tácvới người dùng, chưa có được ứng dụng thực tế hơn

 Người dùng có thể thay đổi các ngưỡng đặt báo cháy, để phù hợp với điềukiện thực tế từng khu vực

PHỤ LỤC

- Code chương trình

#include <16F877A.h> // Khai bao thu vien

#include <def_877a.h>

#device *=16 adc=10 // Khoi tao che do ADC

#FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT,NOLVP, NOCPD, NOWRT

#use delay(clock=20000000)

#include <LCD4bit.h> // Thu vien ham cho LCD

unsigned int tram,chuc,donvi,nghin; // Cac bien

float value,value1; // Khai bao bien