Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình

Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật tạo nhiều nguồn lượng lượng nguyên tử, lượng hóa thạch, dầu mỏ, khí đốt, khí gas… kèm với phát triển dạng lượng nguy hiểm từ dạng lượng gây cho có khí gas nguồn lượng dùng công nghiệp, nông nghiệp…và dạng lượng chủ yếu, phổ biến dùng sinh hoạt ngày, không đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn sử dụng khí gas nguy hiểm đến tính mạng cho người sử dụng Khí Gas hay gọi LPG (Liquified Petroleum Gas) khí đốt hoá lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ, có thành phần hỗn hợp khí : propan (C3H8) butan (C4H10) không màu, không mùi, không độc hại (nhưng pha thêm chất Etylmecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát có rò xì gas) Nhiệt độ sôi gas thấp (từ - 45 đến - oC) nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da bị lạnh điều kiện nhiệt độ môi trường gas bốc mãnh liệt, gas chuyển từ trạng thái lỏng sang thể tích tăng đến 250 lần Áp suất gas phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, nhiệt độ tăng áp suất gas tăng ngược lại Trong điều kiện nhiệt độ khu vực phía nam áp suất gas dao động khoảng từ - kg/cm2 Tỉ trọng gas lỏng nhẹ nước Vì đặc tính khí gas bị rò rỉ môi trường nguy hiểm cho người sử dụng, bình gas phòng kín, gas bị rò rỉ gas lan truyền, dâng từ lên (vì nặng không khí) chiếm chỗ, đẩy dần không khí ngoài, gây ngạt làm giảm nồng độ oxy không khí dẫn nạn nhân tử vong, khí gas bị rò rỉ môi trường gặp lửa tia lửa điện hay gây cháy nổ nguy hiểm cho người sử dụng Để khắc phục cố khí gas sử dụng, làm thiết bị cảnh báo khí gas bị rò rỉ, thiết bị giúp nhận biết khí gas bị rò rỉ cách dễ dàng có cố rò rỉ khí gas, thiết bị có kết cấu đơn giản, giá hợp lý, dùng phổ biến tòa nhà, hộ gia đình Rất mong nhận ý kiến đóng góp quý thầy cô bạn Chúng xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC NỘI DUNG PHẦN I: TỔNG QUAN Như người biết sống ngày khí gas sử dụng nhiều Ngay nhà máy xí nghiệp hay đơn giản môi chất nén dạng gas Chính điều lên việc đảm bảo an toàn trình sử dụng vận hành thiết bị vô quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực tế có nhiều giáo sư, tiến sỹ hay sinh viên … tiến hành nghiên cứu đề tài Nhằm nghiên cứu khắc phục tình trạng gây cháy nổ gây ra, tránh ảnh hưởng tới kinh tế việc ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng người Nhận thấy nghiêm trọng cấp thiết vấn đề trên, nhóm tìm hiểu nghiên cứu vấn đề rò rỉ khí gas, để giảm tối đa mối nguy hiểm khí gas gây ra, ảnh hưởng đến người tài sản chung Lý chọn đề tài Do nhu cầu sử dụng nguồn lượng khí gas ngày tăng, cố xảy sử dụng khí gas ngày nhiều nhu cầu cấp thiết sử dụng khí gas giảm cố không đáng có khí gas gây cho người sử dụng Để giải vấn đề nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas an toàn để hạn chế cố khí gas khóa van dùng xong, kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo có khí gas bị rò rỉ lắp đặt thiết bị cảnh báo có khí gas bị rò rỉ môi trường Trong việc lắp đặt, sử dụng hệ thống cảnh báo khí gas ưu tiên, đưa lên hàng đầu việc phát khí gas bị rò rỉ sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện giá hợp lý độ nhạy với khí gas thiết bị cảnh báo khí ga lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng thiết bị lắp đặt, phát rò rỉ sử dụng khí gas Nhận thấy nghiêm trọng cấp thiết việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas tòa nhà, khách sạn hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề tài nhằm tìm hiểu nghiên cứu sâu thiết bị cảnh báo khí gas để thiết kế sản phẩm làm giảm tối đa cố sử dụng khí gas gây toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình Mục đích nghiên cứu Đưa giải pháp an toàn sử dụng khí gas tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình bị rò rỉ sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản,dễ dùng, hợp lý tạo không gian an toàn cho người sử dụng phân tích hệ thống, nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo khí gas Đối tượng nghiên cứu Hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình Phạm vi nghiên cứu Được dùng để phục vụ an toàn cho toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình có cố khí gas rò rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu nguyên lý,cách hoạt động, cách lắp đặt hệ thống cảnh báo khí gas khí gas bị rò rỉ làm mô hình tạo sản phẩm đơn giản hệ thống cảnh báo khí gas phương pháp sử dụng mạch tương tự số Phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu phương pháp lý thuyết với thực nghiêm với mục đích tạo sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát cố rò rỉ khí gas cách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng an toàn PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Sơ đồ khối chung Khối nguồn LM7805 • • • • Dòng cực đại trì 1A Dòng đỉnh 2.2A Công suất tiêu tán cực đại không dùng tản nhiệt: 2W Công suất tiêu tán dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W Công suất tiêu tán ổn áp nối tiếp tính sau: Pd = (Ui - Uo) * I Trong đó: Ui: áp lối vào Uo: áp lối I: dòng sử dụng Nếu đặt Ui cao làm công suất tiêu tán IC lớn -> giảm hiệu suất Với 7805 cần có điện áp vào 7V • Công suất tiêu tán max 2W • Dòng max 1A • Chênh lệch áp vào tối thiểu 2V (Ui - Uo) = Pd / I = V Nguồn nuôi cung cấp cho mạch nguồn DC 9V Để tạo nguồn DC 9V có nhiều cách sử dụng mạch đổi nguồn dùng IC ổn áp, nguồn ắc quy pin Trong mạch ta sử dụng nguồn từ adapter 9V Khối cảm biến Sử dụng cảm biến MQ2 để cảm biến gas Hình ảnh thực tế: MQ2 cảm biến khí, dùng để phát khí gây cháy Ví dụ phát loại khí: • • • LPG ( Khí hóa lỏng) I-butane Propane Methane Alcohol Hydrogen Nó cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với không khí Nhưng môi trường có chất gây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy sang điện áp Khi môi trường điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 cao MQ2 hoạt động tốt môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp Thông số kỹ thuật • • • Sơ lược cảm biến thống số hoạt động Trong cảm biến có chân : Chân 1, A Chân 2, B Chân 4, C Trong mạch có chân đầu Aout Dout Trong đó: • Aout: điện áp tương tự Nó có giá 0.3 - 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2 trị từ • Dout: điện áp số, giá trị 0, phụ thuộc vào điện áp tham chiếu nồng độ khí mà MQ2 đo Việc có chân số Dout tiện cho ta mắc ứng dụng đơn giản mà không cần đến vi điều khiển Khi ta cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo thấp mức cho phép Dout = 1, đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo lớn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng Ta ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác Cách thức thực Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu Vout1 Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ ra, ta thấy giá trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo lớn cảnh báo Chỉnh chân biến trở để điện áp đo chân LM358 = Vout2 Vòng kiểm tra Bên cạnh mạch thử nghiệm cảm biến, cảm biến cần phải đặt điện áp, điện áp nóng VH điện áp kiểm tra VC VH dùng để cung cấp nhiệt độ làm việc cho cảm biến VC dùng để phát điện áp V RL điện trở tải RL cảm biến Cảm biến có phân cực ánh sáng VC cần lượng nguồn DC VC VH sử dụng công suất mạch phải đảm bảo hiệu suất cảm biến Để cảm biến hoạt động với hiệu suất cao giá trị RL phải đảm bảo công suất tổng thế: PS = VC2 * Đồ thị biểu diễn MQ2 • Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm: Mạch thiết kế để phát khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM Khi nồng độ khí Gas khu vực cao đầu OUT mô-đun mức cao Tín hiệu đến IC NE555, coi máy phát tần (nó tạo xung) chân Output IC nối với loa để đưa tín hiệu cảnh báo Một số ưu nhược điểm cảm biến • Nhược điểm Một điều khó khăn làm việc với MQ2 khó quy từ điện áp Aout giá trị nồng độ ppm Rồi từ hiển thị cảnh báo theo ppm Do giá trị điện áp trả loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nên việc thông báo nồng độ xác khó khăn • Ưu điểm MQ2 hoạt động tốt môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng rãi công nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp 1.2 Khối xử lý Sử dụng IC LM358 Sơ đồ khối Tương đương với op-amp điện áp vào theo analog điện áp theo digital Hình dáng Ký hiệu Sơ đồ chân cấu trúc bên trong: • Output A: Ngõ thứ • Inverting Input A: Ngõ vào đảo thứ • Non Inverting Input A: Ngõ vào không đảo thứ • V- : Nguồn cung cấp –Vcc • V+ : Nguồn cung cấp +Vcc • Output B: Ngõ thứ hai • Inverting Input B: Ngõ vào đảo thứ hai • Non Inverting Input B: Ngõ vào không đảo thứ hai Trong mạch báo động khí gas này, tín hiệu từ cảm biến khí gas có dạng analog chưa thực ổn định chưa thực chống nhiễu, sử dụng với mục đích thứ để khắc phục tình trạng nhiễu làm tăng tính ổn định ngõ cảm biến, mục đích thứ hai chuyển điện áp từ analog sang digital so sánh điện áp từ cảm biến khí gas với mức báo động, có thay đổi điện áp chân tín hiệu đầu vào LM358 thực so sánh với điện áp chuẩn chân để tạo biến đổi tín hiệu đầu chân : Khi điện áp ngưỡng báo động, điện áp mức Khi điện áp vượt ngưỡng báo động điện áp mức Sau điện áp tiếp vào mạch tạo dao động NE555 để thực trình xử lý • • Cấu tạo bên LM358: 10 Phạm vi hoạt động 11 1.3 Khối báo động Sử dụng mạch tạo dao động IC NE555, loa chip, đèn Led Sơ đồ 12 A1015 Các giá trị ngưỡng: 13 IC NE555 Mô tả Là mạch tạo thời gian xác có khả tạo thời gian trễ tạo dao động Trong thời gian delay chế độ đơn trạng thái, khoảng thời gian điều khiển điện trở tụ điện bên Trong chế độ không ổn định, tần số chu kì làm việc điều khiển dựa vào điện trở tụ điện nối Ngưỡng kích hoạt threshold trigger tương ứng với VCC Các mức thay đổi cực điều khiển điện áp Khi đầu vào Triger giảm ngưỡng Trigger, FlipFlop thiết lập đầu mức cao Nếu điện áp đầu vào Triger ngưỡng Trigger đầu vào Threshold ngưỡng Threshold FlipFlop reset điện áp đầu mức thấp Đầu vào Reset ghi đè lên tất đầu vào khác sử dụng để bắt đầu chu kì Khi chân Reset mức thấp, FlipFlop reset điện áp mức thấp Khi điện áp mức thấp, điện trở kháng thấp xả với đất Mạch đầu có khả cấp nguồn tới 200mA Hoạt động mức 5V-15V Với nguồn 5V, điện áp tương thích với đầu vào TTL 14 Tính • Thời gian từ micro giây tới vài • Không ổn định đơn trạng thái có điều khiển • Chu kì điều chỉnh • Tương thích với TTL, dòng lên tới 200mA • “Green” Molding Compound (No Br, Sb) • Lead Free Finish/ RoHS Compliant (Note 1) Ký hiệu chân Chân số (GND): cho nối GND để lấy dòng cấp cho IC hay chân gọi chân chung • Chân số (TRIGGER): Đây chân đầu vào thấp điện áp so sánh dùng chân chốt hay ngõ vào tần so áp Mạch so sánh dùng transitor PNP với mức điện áp chuẩn 2/3Vcc • Chân số (OUTPUT): Chân chân dùng để lấy tín hiệu logic Trạng thái tín hiệu xác định theo mức 1 mức cao tương • 15 • • • • • ứng với gần Vcc (PWM=100%) mức tương đương với 0V mà thực tế mức ko 0V mà khoảng từ (0.35 ->0.75V) Chân số (RESET): Dùng lập định mức trạng thái Khi chân số nối masse ngõ mức thấp Còn chân nối vào mức áp cao trạng thái ngõ tùy theo mức áp chân 6.Nhưng mà mạch để tạo dao động thường hay nối chân lên VCC Chân số (CONTROL VOLTAGE): Dùng làm thay đổi mức áp chuẩn IC 555 theo mức biến áp hay dùng điện trở cho nối GND Chân không nối mà để giảm trừ nhiễu người ta thường nối chân số xuống GND thông qua tụ điện từ 0.01uF đến 0.1uF tụ lọc nhiễu giữ cho điện áp chuẩn ổn định Chân số (THRESHOLD): chân đầu vào so sánh điện áp khác dùng chân chốt Chân số (DISCHAGER): xem chân khóa điện tử chịu điều khiển bỡi tầng logic chân Khi chân mức áp thấp khóa đóng lại.ngược lại mở Chân tự nạp xả điện cho mạch R-C lúc IC 555 dùng tầng dao động Chân số (Vcc): Chân cung cấp áp dòng cho IC hoạt động Không có chân coi IC chết Nó cấp điện áp từ 2V >18V Sơ đồ khối Nguyên lý hoạt động 16 Ở mạch H: mức cao gần Vcc; L mức thấp 0V Sử dụng FF Q Q – RS Khi S = [1] Q = [1] = = [0] Sau đó, S = [0] Q = [1] = = [0] Khi R = [1] = [1] Q = [0] Khi S = [1] Q = [1] R = [1] Q = [0] Q = [1], transistor mở dẫn, cực C nối đất Cho nên điện áp không nạp vào tụ C, điện áp chân không vượt V2 Do ngõ Op-amp mức 0, FF không reset Khi đóng mạch, tụ C nạp qua Ra, Rb, với thời (Ra+Rb)C * Tụ C nạp từ điện Áp 0V -> Vcc/3: - Lúc V+1(V+ Op-amp1) > V-1 Do O1 (ngõ Op-amp1) có mức logic 1(H) - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do O2 = 0(L) Q - R = 0, S = > Q = 1, - Q = > Ngõ = (Q đảo) = Q - = > Transistor hồi tiếp không dẫn * Tụ C tiếp tụ nạp từ điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 Do O2 = Q Q - R = 0, S = > Q, giứ trạng thái trước (Q=1, - Transistor không dẫn * Tụ C nạp qua ngưỡng 2Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 > V-2 Do O2 = Q - R = 1, S = > Q=0, = - Q = > Ngõ đảo trạng thái = 17 =0) Q - = > Transistor dẫn, điện áp chân xuống 0V - Tụ C xả qua Rb Với thời Rb.C - Điện áp tụ C giảm xuống tụ C xả, làm cho điện áp tụ C nhảy xuống 2Vcc/3 * Tụ C tiếp tục xả từ điện áp 2Vcc/3 > Vcc/3: - Lúc này, V+1 < V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 Do O2 = Q Q - R = 0, S = > Q, giữ trạng thái trước (Q=0, - Transistor dẫn * Tụ C xả qua ngưỡng Vcc/3: - Lúc V+1 > V-1 Do O1 = - V+2 < V-2 (V-2 = 2Vcc/3) Do O2 = =1) Q - R = 0, S = > Q = 1, - Q = > Ngõ = (Q đảo) = Q - = > Transistor không dẫn -> chân không = 0V tụ C lại nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3 Tóm lại: Trong trình hoạt động bình thường 555, điện áp tụ C dao động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 - Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu Vcc/3, kết thúc nạp thời điểm điện áp C 2Vcc/3.Nạp điện với thời (Ra+Rb)C - Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu 2Vcc/3, kết thúc xả thời điểm điện áp C Vcc/3 Xả điện với thời Rb.C - Thời gian mức ngõ thời gian nạp điện, mức xả điện Phần phát tín hiệu Phần có tác dụng phát tín hiệu từ mạch để cảnh báo Loa sử dụng mạch loại loa chip V Nguyên lý hoạt động chung Ở trạng thái bình thường khí gas, điện áp A OUT