Đồ Án: Mạch cảm biến khí gas

Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra.. 1.2: Mục tiêu đề tài

LỜI CẢM ƠN

ời đầu tin em xin chân thành cảm ơn tất cả quí thầy/cô giáo đã hướng dẫn và chỉ bảo hết sức tận tình trong thời gian em làm Đồ án Môn Học 1 vừa qua, đặc biệt là khoa Cơ - Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho em hòan thành đồ án này Em cũng vô cùng biết ơn Thầy Lê Quốc Đán là người trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo hết sức tận tình cho em hòan thành Đồ án Mạch Cảm Biến Khí Gas này

L

Vì lần đầu làm đồ án và thiết kế thi công mạch với kiến thức và thời gian hạn chế nên sẽ không tránh khỏi nhiều sai sót

Với ước mong học hỏi, em rất mong nhận được sự góp ý của quí thầy, cô giáo chỉ bảo, hướng dẫn thêm để em rút kinh nghiệm cho những đồ án tiếp theo được tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2016

Sinh viên thực hiện

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn, nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi Từ những ứng dụng đơn như đồng hồ kĩ thuật số , máy chơi nhạc MP3… đến những ứng dụng cho xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động … cho đến những ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận…

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần nào vào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm

có ích cho cuộc sống Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống của chúng ta:” Mạch cảm biến khí gas“.

Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn Mạch phát hiện

sự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra.

Phần trình bày chi tiết về cảm biến khí gas gồm hai phần, p hần thứ nhất là phần giới thiệu chung, mô tả những chuẩn trên đường Line và các hướng, phương pháp dùng để thiết kế mạch cảm biến khí gas Phần thứ hai là phần quan trọng nhất, phần này mô tả các hoạt động và nguyên lý thiết kế mạch dựa trên những chuẩn của đường Line, đặc biệt ở đây ta dùng cảm biến MQ2.

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1.1: Lý do chọn đề tài

- Hằng năm đất nước ta gánh chịu rất nhiều hậu quả thương tâm từ các

vụ nổ bình gas, đã có biết bao nạn nhân xấu số, biết bao giọt nước mắt rơi xuống khi chứng kiến người thân mình ra đi,chưa dừng lại ở đó, hậu quả ấy vẫn mãi dai dẳng bám lấy những người may mắn sống xót với những thương tật, nỗi đau về thể xác , tinh thần đang từng ngày từng ngày dày vò

họ Nhiều công ty từ những tập đoàn danh tiếng, có máu mặt trên thị trường, bỗng phút chốc trở thành đám tro tàn,công sức, tài sản, con người

bị vùi lấp trong khói lửa Chứng kiến nỗi đâu ấ y, lại là một người học điện

tử và sẽ trở thành kĩ sư trong tương lai, càng thôi thúc em phải có trách nhiệm đẩy lùi vụ nổ khí gas đến mức thấp nhất có thể Và mạch cảm biến khí gas của em ra đời từ đó.

1.2: Mục tiêu đề tài

- Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp,

mạch cảm biến khí gas sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùng khi phát hiện có sự

rò rỉ khí gas ra ngoài, giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại, đề phòng những chuyện không mong muốn xảy ra Đối với những công ty lớn sẽ tránh được những tổn thất không đáng có

- Chỉ với một khoản kinh phí nhỏ, nhưng đảm bảo an toàn cho mọi gia đình hay

các công ty xí nghiệp đều có thể sử dụng, tránh rủi ro trong quá trình làm việc Và không phải lo ngại đến giá thành sản phẩm

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1: Tổng quan thiết kế

- Ta cần thiết kế ba khối chính cho mạch: khối nguồn, khối cảm biến khí gas và

khối báo động

- Mạch này được thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến

10.000PPM Khi nồng độ khí gas ở trong khu vực cao thì đầu OUT của mô-đun sẽ ở mức cao Tín hiệu này sẽ đến IC 555, đây được coi như một máy phát âm tần( nó tạo

ra xung) và chân Output của IC được nối với loa đưa ra tín hiệu cảnh báo

- Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta dùng module cảm biến khí gas MQ2 đặt gần

chỗ đặt bình gas khoảng 15cm

- Sử dụng loa 12v để hú báo động và LED phát sáng khi có rò rỉ khí gas.

2.2: Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế

*Cảm biến MQ2

1 Giới thiệu:

- MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được cấu

tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch Nhưng trong môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp

- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra

càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao

- MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí

gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

Hình 2.2.1 : hình dáng của MQ2

- Trong đó :

+ Chân 1,3 là chân A

+ Chân 2,5 là chân B

+ Chân 4,6 là chân C

- Sơ đồ mắc MQ2

Hình 2.2.2: Sơ đồ mắc MQ2

- Trong mạch có hai chân đầu ra là Aout và Dout, trong đó:

- Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V , phụ thuộc vào nồng độ khí

xung quanh MQ2

- Dout: điện áp ra số, giá trị 0.1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí

mà MQ2 đo được

- Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần

đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout=1, đèn LED tắt Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng độ khí cho phép, Dout =0, đèn LED sáng

- Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị

cảnh báo khác

- Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm Do giá trị điện

áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa

- Trong thiết bị này, để xác định điểm cảnh báo em làm như sau:

+ Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1

+ Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ra Ta tháy giá trị Aout tăng lên, khi đạt khoảng các khí gas từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout 2 Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo được lớn hơn còi hú sẽ rú lên cảnh báo

+ Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2

*IC 555

Hình 2.2.3: Hình dáng IC555

- 555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được

xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ rộng xung Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là : 600mW

* Các chức năng của 555:

+ Là thiết bị tạo xung chính xác

+ Máy phát xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

 Các dạng hình dáng chân của 555 trong thực tế:

Hình 2.2.4 : Hình dáng IC555 trong thực tế

Hình 2.2.5: cấu tạo bên trong của IC555

Cấu tạo bên trong của IC555

2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):

+ 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp

+ Transistor để xả điện

+ Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2 Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset

Nguyên lý hoạt động của IC 555:

- Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao

động quanh điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)

- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng là Rb.C

- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện

- LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, hoạt động ở nguồn

điện áp thấp 3V hoặc điện áp cao 32V, với dòng tĩnh khoảng 1/5 dòng tĩnh của LM741

1 Công suất cực máng thấp

2 Có 2 bộ khuếch đại thuật toán bên trong IC, độ lợi rất cao

3 Tương thích với nhiều loại mạch logic

1 Bảo vệ quá áp lối ra

2 Tăng khuếch đại vi sai lối vào

3 Dòng cung cấp lối vào thấp

4 Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm

5 Hoạt động với nguồn đơn ( 3V - 32V).

 Sơ đồ chân LM358

Hình 2.2.7: Sơ đồ chân của LM358

Các thông số kỹ thuật của LM358

Hình 2.2.8 : Bảng datasheet của LM358

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

3.1 : Sơ đồ khối

+ 12V Các linh kiện cần dùng cho khối nguồn :

+ Điện trở thường 1kOhm đến

+ Tụ điện 100nF, 10nF

+ Đèn led

này nhận biết được lượng khí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo hay chưa, rồi phát tín các tín hiệu báo về khối xử lý Khối cảm biến khí gas gồm:

+ Module cảm biến MQ2 ( nguồn 5V, AOUT đầu ra ADC và DOUT đầu

ra Digital)

động của tàn bộ hệ thống Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khối cảnh báo chấp hành hoạt động khi có rò rì khí gas

có :

+ Đèn led

+ Loa

3.2 : Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến khí gas

Analog Out

1 3 J1

Module Cam bien Khi Gas 1

J2

CONN-H2

D1 LED

R1 1k

R4 10k

LS1

SPEAKER

R2 220

D2 LED

C1 100nF

C2 10nF C3

10nF

3 RV1 10k 3 2 1

U1:A

LM358

R 4

DC 7

Q 3

TR

2 TH 6

CV 5

U2

555

R3 10k

KHỐI BÁO ĐỘNG

KHỐI

XỬ LÝ

KHỐI CẢM BIẾN KHÍ GAS

KHỐI NGUỒN

Kéo Khung Ra Có Sơ Đồ Bên Trong :D

3.2.1: Tính toán các thông số cho khối nguồn

- Led hoạt động ở mức 1.8V đến 3V dòng từ 10 đến 20mA Nếu muốn led hoạt

động bình thường ở nguồn 5V thì : Gía trị điện trở nhỏ nhất : (5V-3V)/20mA = 0.1 k

ôm = 100 ôm

- Gía trị lớn nhất : (5V-1.8V)/10mA = 0.32 k ôm = 320 ôm.

- Do đó ta chọn điện trở trong khoảng 100 ôm đến 320 ômở mạch này em chọn

điện trở 220 ôm

- Tụ C1 gắn với led nhằm ổn định dòng làm cho dòng chảy ổn định dẫn đến led

sáng ổn định và không bị chập chờn

3.2.2: Tính toán các thông số cho khối cảm biến khí gas

- Ở đây nguồn vào em sử dụng nguồn 5V mà module cảm biến MQ2thì chỉ

chịu được điện áp chạy qua nó không được vượt quá 5V nên ở đây em gắn thêm điện trở R1 = 1k để làm giảm dòng qua nó, tránh hư hỏng Mặc khác trong quá trình sử dụng khi đo nồng độ khí gas thì MQ2 sẽ nóng dần lên, trường hợp không gắn R1 thì

nó sẽ rất nóng , làm giảm tuổi thọ của MQ2 xuống

3.2.3: Tính toán thông số cho khối xử lý

- Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng chỉnh độ nhạy của LM358, làm thay đổi

điện áp của mạch điện

- Nếu mắc 2 đầu vào nguồn 5VDC thì không sao, nhưng nếu mắc một chân

giữa C (chân biến đổi) vào một cực và đầu kia mắc vào cực còn lại mà vặn vẹo thì biến trở sẽ hỏng

- Dùng biến trở mà điều chỉnh trực tiếp loa thì bị bóc khét chắc, do đó ta mới

gắn biến trở vào LM358 nhằm mục đích khuếch đại điện áp của mạch

- Đối với IC555, chân số 5 được nối với đất qua một tụ lọc C3=10nf nhằm ổn

định điện áp của các mức ngưỡng loại bỏ bất kì tiếng ồn và ngăn cản xung quay trở lại nguồn cung cấp Mặc khác ta cũng có thể gắn chân 5 vào tụ 0,01uf hay các tụ khác nõ cũng đóng vai trò như trên, nhưng vì ở khối báo động em cũng sử dụng đến tụ 10nf, nên em làm vậy để tiết kiệm chi phí và tiện sử dụng

- Sử dụng công thức :

T = 0.7 x (R1+2R2) x C1 và f = 1.4/ [(R1+2R2) x C1]

T : thời gian của một chu kì toàn phần tính bằng (s)

f : Tần số dao động tính bằng (Hz)

R1: Điện trở tính bằng ohm

R2: Điện trở tính bằng ohm

C1: Tụ điện tính bằng Fara(F)

T = Tm + Ts

T : chu kì toàn phần

Tm = 0.7 x (R1+R2) x C1

Tm: thời gian điện mức cao

Ts = 0.7 x R2 x C1

Ts : thời gian điện mức thấp

Áp dụng công thức ta có : Tm = 0.7 x (10k + 10k) x 10nf = 1.4x10^ -4 (s)

Ts = 0.7 x 10k x 10nf = 7x10^-11 (s) Vậy tần số f = 1/( Tm + Ts ) = 1/ (1.4x10^ -4 (s) + 7x10^-11 (s) )= 7.14 ( kHz)

- Mà loa thì kêu ở tần số 50 Hz đến 15 KHz do đó thỏa : nên em chọn R3= 10k,

R4 = 10k, C2 = 10nf

- Lm358 dùng trong mạch có chức năng so sánh điện áp, điện áp ra từ cảm biến

khí gas sẽ được so sánh với mức báo động (ta dùng biến trở để chỉnh chân 3 của LM358 bằng với điện áp ra VOUT2 khi có khí gas rò rỉ: để làm ngưỡng cảnh báo) Khi điện áp dưới ngưỡng này thì điện áp ra sẽ ở mức1 Nếu điện áp vượt ngưỡng báo động thì điện áp ra =0 , dẫn đến loa sẽ hú còi báo có khí ra rò rỉ tới người sử dụng

3.3: Nguyên lý hoạt động của mạch

- Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động Ở trạng thái bình

thường không có khí gas ( nồng độ khí gas mà MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép),

Dout = 1, led tắt, khối báo động không hoạt động Khi phát hiện có khí gas rò rỉ (nồng

độ khí gas đo được lớn hơn mức cho phép ), Dout =0 , led sáng, tín hiệu này sẽ đến

IC555, đây được coi như một máy phát tần (vì nó tạo xung) và chân OUT PUT (chân

3) được nối với loa để đưa tín hiệu ra ngoài dẫn đến khối báo động hoạt động , đèn led sáng và loa kêu báo hiệu cho người dùng biết có khí gas rò rỉ

3.4: Sơ đồ mạch thi công

3.5 : Sơ đồ mạch in

- Khi cấpnguồn 5v vào , nếu hoạt động thì module cảm biến Mq2 led xanh sáng

, sau đó ta dùng VOM để kiểm tra chân Aout (chân 2 ) của module cảm biến MQ2, và chỉnh chân 3 của biến trở để làm ngưỡng báo cho MQ2

- Xả khí gas vào, dùng thang đo 2.5V để đo chân Aout của module MQ2, nhận

thấy điện áp tăng từ 0.5V đến 250V ( tức là trong khoảng này khí gas sẽ kêu) Sau đó ,

ta chỉnh chân 3 của biến trở về 1V, để với nồng độ khí gas thấp (ở đây ta dùng khí gas

từ hột quẹt) thì module cảm biến khí gas cũng có thể cảm nhận được và loa kêu Còn nếu muốn đo khí gas có nồng độ lớn thì chỉnh chân 3 của biến trở về gần giá trị 250V

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN

4.1: Kiểm nghiệm quá trình hoạt động của mạch

- Sau quá trình đo đạc và kiểm tra, khi cấp nguồn vào mạch hoạt động tốt, module MQ2 có độ nhạy cao, khi có khí gas rò rỉ thì cả đèn led sáng và loa lập tức hú còi báo tới người sử dụng có khí gas rò rỉ

4.2: Ưu, khuyết điểm của mạch

- Ưu điểm :

+ Có tính ứng dụng cao

+ Dễ thi công và sử dụng

+ Chi phí thi công thấp

- Khuyết điểm :

+ Trong quá trình sử dụng, khi nấu ăn cũng có một lượng khí gas thoát ra

ngoài và loa cũng kêu, mạch này vẫn chưa đo được thông số chính xác ở ngưỡng nguy hiểm của khí gas đối với người sử dụng mà báo còi, mà chỉ cẩn có khí gas rò rỉ thì nó vẫn kêu Nên không tạo được độ chính xác cao

+ Mạch hàn còn xấu, do đi hơi sát nên khiến một số linh kiện bị chạm vào

nhau

TÀI LIỆU THAM KHẢO

5 Điện tử 1-Ths Nguyễn Thị Ngọc Anh – ĐH Công Nghệ TPHCM

6 Điện tử 2 – TS Võ Đình Tùng- ĐH Công Nghệ TPHCM

7 Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu về IC 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó