đồ án mạch cảnh báo khí gas

Mạch cảnh báo có khí gas LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay,với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật tạo nhiều nguồn lượng lượng nguyên tử,năng 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 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 hố lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ,có thành phần hỗn hợp khí : propan (C3H8 ) butan (C4H10 ) Không màu , không mùi , không độc hại ( pha thêm chất Etylmecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát có rò xì gas ) Nhiệt độ sôi gas thấp ( từ - 45 đến - 2oC ) 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 gasphụ 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 mơi trường nguy hiểm cho người sử dụng, bình gas phòng kín,khi gas bị rò rỉ ngồi gas lan truyền, dâng từ lên (vì nặng khơng khí) chiếm chỗ, đẩy dần khơng khí ngoài, gây ngạt làm giảm nồng độ oxy khơng khí dẫn nạn nhân tử vong,nếu khí gas bị rò rỉ mơi trườnggặp 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 q thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! Mạch cảnh báo có khí gas LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án 1, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Hữu Phúc, giảng viên Khoa Điện tử Viễn thông trường Đại học Sài Gòn người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Sài Gòn nói chung, thầy khoa Điện Tử Viễn Thơng nói riêng dạy dỗ cho em kiến thức môn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập Em xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em suốt trình học tập hồn thành đồ án Trong q trình thực đề tài này, em cố gắng, xong khơng tránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận góp ý, phê bình, dẫn q thầy cô bạn sinh viên Mạch cảnh báo có khí gas NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Mạch cảnh báo có khí gas LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân N ội dung kết nghiên cứu trung thực chưa công bố cơng trình khác Nếu khơng với nêu trên, tơi xin hồn tồn ch ịu trách nhiệm với đề tài Người cam đoan Đặng Duy Tuân DANH MỤC BẢNG BIỂU STT 10 11 12 13 14 Nội dung hình ảnh Hình 2.1: Sơ đồ khối chung mạch Hình 2.2: Sơ đơng ngun lý tồn mạch Hình 2.3: Cảm biến MQ2 Hình 2.4: Thơng số kỹ thuật cảm biến Hình 2.5: Sơ đồ mắc nối cảm biến Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩmlên MQ2 Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn độ nhạy MQ2 với số chất Hình 2.8: số hình ảnh opamp LM358 Hình 2.9: Sơ đồ chân cấu trúc bên opamp LM358 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch delay Hình 2.11: đồ thị thời gian nạp tụ điện Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dao động dùng IC NE555 Hình 2.13: Mạch in sản phẩm Hình 2.14: Sản phẩm hoàn thiện Trang 5 10 11 11 12 13 13 13 MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu đề tài 1.1 Tổng quan Như người biết sống ngày khí gas sử dụng nhiều Ngay nhà máy xí nghiệp hay đơn giản mơi chất nén dạng gas Chính điều lên việc đảm bảo an tồn q trình sử dụng vận hành thiết bị vô quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực tế có nhiều giáo sư, tiễn sỹ hay sinh viên … tiến hành nghiên cứu đề tài Nhằm nghiên cứu khắc phục tình trạng gây cháy nổ gây , tránh ảnh hưởng tới kinh tế việc ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng người Nhận thấy nghiêm trọng cấp thiết vấn đề , nhóm chúng em 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 1.2 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 khơng đáng có khí gas gây cho người sử dụng Để giải vấn đề nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas an tồn 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 mơi trường 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 tồn nhà,khách sạn,hộ gia đình 1.3 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 khơng gian an tồn cho người sử dụng phân tích hệ thống, nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo khí gas 1.4 Đối tượng nghiên cứu Hệ thống cảnh báo khí gas tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình 1.5 Phạm vi nghiên cứu Được dùng để phục vụ an tồn cho tồn nhà, khách sạn, hộ gia đình có cố khí gas rò rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng Hình 1.1: Một số khu vực điển hình 1.6 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 mơ hình tạo sản phẩm đơn giản hệ thống cảnh báo khí gas phương pháp sử dụng mạch tương tự số 1.7 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 Chương 2: Nguyên lý hoạt động, tổng quan sơ đồ, tính tốn số liệu 2.1 Sơ đồ khối chung Cảm biến Xử lý Cảnh báo Hình 2.1: Sơ đồ khối chung mạch 2.2 Sơ đồ ngun lý Hình 2.2: Sơ đơng ngun lý toàn mạch 2.3 Nguyên lý làm việc mạch - Trong mơi trường khơng khí sạch, đầu cảm biến MQ2 xuất dòng điện nhỏ xấp xỉ 0.3v, điện áp vào chân số LM358 chưa đủ ngưỡng so sánh nên chân output opamp LM358 xuất giá trị - Khi có khí gas rò rỉ, đầu cảm biến xuất dòng điện có giá trị >0.3V Lúc điện áp ngõ vào opamp vượt ngưỡng so sánh nên chân output opamp LM358 xuất điện áp mức (5V), sau chia làm nhánh + nhánh khuyêch loa đèn led để cảnh báo cho người dùng biết có khí gas rò rỉ + Nhánh sau khuếch đại Q1 Q2 nạp cho tụ C1 thơng qua điện trở R17 Nếu khí tiếp tục rò rỉ, sau khoản thời gian 5s diot zenner dẫn, thyristor Q7 (scr 2p4m) kích dẫn cấp dòng điện cho mạch tạo xung NE555 để cảnh báo 2.4 Khối cảm biến sử dụng cảm biến MQ2 2.4.1 Hình ảnh thực tế thơng số kỹ thuật: - 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 khơng khí sạch.Nhưng mơi trường có chất gây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn gian 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 cơng nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp 10 * Thơng số kỹ thuật : Hình 2.3: Cảm biến MQ2 Hình 2.4: Thơng số kỹ thuật cảm biến 2.4.2 Sơ lược cảm biến nguyên lý hoạt động - Trong cảm biến có chân : + Chân 1,3 A + Chân 2,5 B + Chân 4,6 C - Trong mạch có chân đầu Aout Dout Trong đó: + Aout: điện áp tương tự Nó chạy từ 0.3 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2 Hình 2.5: Sơ đồ mắc nối cảm biến + Dout: điện áp số, giá trị 0,1 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, khơng cầnHình đến2.4: vi điều khiển Khi ta cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta số thông số kĩ thuật cảm biến MQ2 muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo thấp mức cho phép Dout = Đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo lớn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng 11 + Ta ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác 2.4.3 Cách thức thực Đầu tiên đo trạng thái khơng khí sạch, giá trị thu Vout1 Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ 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 ta cảnh báo Chỉnh chân biến trở để điện áp đo chân LM358 = Vout2 2.4.4 Đồ thị biểu diễn MQ2 *Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm: Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩmlên MQ2 12 Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn độ nhạy MQ2 với số chất * Đồ thị biểu diễn độ nhạy MQ2 với số chất : Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn độ nhạy MQ2 với số chất Mạch thiết kế để phát khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM Khi nồng độ khí Gas khu vực cao đầu OUT mơ-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 2.4.5 Một số ưu nhược điểm cảm biến 2.4.5.1 Nhược điểm sử dụng cảm biến 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 - Mạch cần 5-7s để hoạt động ổn định sau cấp nguồn 2.4.5.2 Ưu điểm 13 MQ2 hoạt động tốt mơi 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 2.4.6 14 2.5 Khối xử lý Sử dụng opamp LM358 2.5.1 Sơ đồ opamp LM358 Tương đương với op amp điện áp vào theo Analog điện áp theo digital Hình 2.8: số hình ảnh opamp LM358 2.5.2 Sơ đồ chân cấu trúc bên opamp LM358 OUTPUT A: Ngõ thứ INVERTING INPUT A: Ngõ vào đảo thứ NON INVERTING INPUT A: Ngõ vào không đảo thứ hai V- : Nguồn cung cấp –Vcc V+: Nguồn cung cấp +Vcc OUTPUT B: Ngõ thứ hai INVERTING INPUT B: Ngõ vào đảo thứ NON INVERTING INPUT B: Ngõ vào khơng Hình 2.9: Sơ đồ chân cấu trúc bên đảo thứ hai opamp LM358 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 delay để thực trình xử lý - 15 2.6 Mạch delay 2.6.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch delay 2.6.2 Nguyên lý hoạt động Khi có dòng điện Dout, tụ C1 nap từ từ, thời gian nạp phụ thuộc vào điện trở R17, Khi điện áp đầu tụ điện đạt ngưỡng 3v6 diot zenner dẫn, cho dòng điện chạy qua => kích dẫn thyristor Q7 ( ta chọn 2p4m) sau điện áp tiếp vào mạch tạo xung NE555 để thực trình 2.6.3 Tính tốn delay - Khi xuất dòng điện Dout, tụ C1 nạp theo hàm mũ (1) - Theo yêu cầu thiết kế, để mạch delay 5s ta có thơng số sau: =3.6V , =5V, t = 5s, C=1000uF (2) Từ (1) (2) ta tính ≈ 4S Mà = R.C => R ≈ 4kΩ Vậy ta xoay biến trở R17 giá trị 4KΩ đê giá trị delay 5s Hình 2.11: đồ thị thời gian nạp tụ điện 16 2.7 Khối báo động sử dụng mạch tạo dao động NE555, loa chip, đèn Led 2.7.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dao động dùng IC NE555 Ứng dụng tạo xung vuông mạch để chuyển tín hiệu điện thành âm phát loa với tần số dao động xung ổn định xác Tần số dao động xung điều chỉnh cách thay đổi giá trị , Xung lấy chân có dạng cưa,khi chân lên nguồn,thì tụ nạp điện nguồn, dòng nạp qua , , mức áp chân 2,6 tăng dần lên mức áp chân xuống mass,lúc tụsẽ cho xả điện dòng xả qua.Vậy cơng dụng hạn chế khơng để dòng xả lớn làm hư IC555,và mức áp chân 2,6 xuống chân lại lên nguồn, tụ lại chuyển qua thời kỳ nạp điện 17 2.8 Thi cơng mạch 2.8.1 Mạch in Hình 2.13: Mạch in sản phẩm 2.8.2 Sản phẩm hoàn thiện Hình 2.14: Sản phẩm hồn thiện 18 Chương 3: Chạy thử nghiệm, kết xu hướng phát triển 3.1 Chạy thử nghiệm kết Chương 4: Mạch hoạt động tốt xác 4.1 Xu hướng phát triển Chương 5: Ứng dụng thiết bị cảnh báo khí gas phương hướng phát triển Chương 6: Thiết bị cảnh báo khí gas sử dụng rộng rãi công nghiệp đặc biệt dùng dân dụng,hộ gia đình mạch đơn giản chi phí thấp Thiết bị cảnh báo khí gas khơng dùng để phát cảnh báo khí gas mà dùng để phát khí khác H2, CH4,C3H8,C4H10, khói thuốc… giúp chủ động việc xử lý khí giúp môi trường Chương 7: Thiết bị cảnh báo khí gas ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác để giúp ta chủ động việc điều chỉnh bật-tắt thiết bị có cố Chương 8: Chương 9: Hiện thị trường có nhiều loại thiết bị cảm biến khí gas có độ nhạy cao thiết bị cảnh báo gas Taka TK-CB01B, thiết bị lắp đặt cảm ứng gas tiên tiến với vi xử lý có độ nhạy cao Khi gas bị rò rỉ chuông báo động kêu đồng thời đồng hồ hiển thị tín hiệu có rò gas nhằm tránh tổn hại khơng đáng có người tài sản cháy nổ khí gas Và đặc biệt thị trường xuất thiết bị cảnh báo khí gas thơng minh có đặc điểm đạt tới ngưỡng cảnh báo, thiết bị cảnh báo còi hú, đèn nháy tự động gọi đến hai số điện thoại người sử dụng cài đặt sẵn để cảnh báo nguy cháy nổ Nhờ vào ưu điểm cảnh báo từ xa, người sử dụng n tâm đâu biết tình trạng an tồn thiết bị gas gia đình họ làHome Gas Alarm Mobile Gas Alarm, thiết bị an tồn việc phát cảnh báo khí gas có rò rỉ, tính an tồn nó, thiết bị giúp phát khí gas bị rò rỉ nơi đâu, lúc Chương 10: 19 Chương 11: Chương 12: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quốc Đán (2015), Giáo trình Điện tử tương tự,Trường Đại Học Sài Gòn Chương 13: [2] alldatasheet.com Chương 14: Chương 15: Chương 16: Chương 17: Chương 18: Chương 19: Chương 20: 20 Chương 21: 21 ... kế để phát khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM Khi nồng độ khí Gas khu vực cao đầu OUT mơ-đun mức cao. Tín hiệu đến IC NE555, coi máy phát tần (nó tạo xung) chân Output IC nối với loa... nhiều loại thiết bị cảm biến khí gas có độ nhạy cao thiết bị cảnh báo gas Taka TK-CB01B, thiết bị lắp đặt cảm ứng gas tiên tiến với vi xử lý có độ nhạy cao Khi gas bị rò rỉ chng báo động kêu đồng... 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 mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng