đồ án mạch cảnh báo khí gas

đi kèm với sự phát triển của các dạng năng lượng là sự nguy hiểm từ các dạng năng lượng này gây ra cho chúng ta trong đó có khí gas là nguồn năng lượng được dùng trong công nghiệp,nông n

M ch c nh báo khi có khí gasạch cảnh báo khi có khí gas ảnh báo khi có khí gas 2018

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay,với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã tạo ra rất nhiều nguồn năng lượng như năng lượng nguyên tử,năng lượng hóa thạch, dầu mỏ, khí đốt, khí gas… đi kèm với sự phát triển của các dạng năng lượng là sự nguy hiểm

từ các dạng năng lượng này gây ra cho chúng ta trong đó có khí gas là nguồn năng lượng được dùng trong công nghiệp,nông nghiệp…và là dạng năng lượng chủ yếu, phổ biến được dùng trong sinh hoạt nếu không đảm bảo điều kiện tiêu chuẩn khi sửdụng khí gas sẽ rất nguy hiểm đến tính mạng cho người sử dụng

Khí Gas hay còn gọi LPG ( Liquified Petroleum Gas ) là khí đốt hoá lỏng có nguồn gốc từ dầu mỏ,có thành phần chính là hỗn hợp của khí : propan (C3H8 ) và

butan (C4H10 ) Không màu , không mùi , không độc hại ( nhưng được pha thêm chất Etylmecaptan có mùi đặc trưng để dễ phát hiện khi có rò xì gas ) Nhiệt độ sôicủa gas thấp ( từ - 45 đến - 2oC ) nên để gas lỏng tiếp xúc trực tiếp với da sẽ bị phỏng lạnh trong điều kiện nhiệt độ môi trường gas bốc hơi rất mãnh liệt , khi gas chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi thì thể tích tăng đến 250 lần Áp suất của gasphụ thuộc vào nhiệt độ môi trường , khi nhiệt độ tăng thì áp suất gas sẽ tăng và ngược lại Trong điều kiện nhiệt độ khu vực phía nam thì áp suất gas dao động trong khoảng từ 4 - 7 kg/cm2.Tỉ trọng của gas lỏng nhẹ hơn nước

Vì các đặc tính trên của khí gas cho nên khi bị rò rỉ ra môi trường sẽ rất nguy hiểm cho người sử dụng, nếu bình gas trong phòng kín,khi gas bị rò rỉ ra ngoài hơi gas lan truyền, dâng từ dưới lên trên (vì nặng hơn không khí) chiếm chỗ, đẩy dần không khí ra ngoài, gây ngạt và làm giảm nồng độ oxy trong không khí dẫn nạn nhân tử vong,nếu khí gas bị rò rỉ ra môi trườnggặp lửa tia lửa điện hay gây cháy nổrất nguy hiểm cho người sử dụng

Để khắc phục các sự cố của khí gas khi sử dụng chúng ta đã làm ra các thiết bị cảnh báo khí gas khi bị rò rỉ, thiết bị này giúp chúng ta nhận biết khí gas bị rò rỉ một cách dễ dàng khi có sự cố rò rỉ khí gas, thiết bị này có kết cấu đơn giản,giá cả hợp lý, được dùng phổ biến trong các tòa nhà, hộ gia đình

Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn!

i

M ch c nh báo khi có khí gasạch cảnh báo khi có khí gas ảnh báo khi có khí gas 2018LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án 1, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ýkiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Hữu Phúc, giảng viên KhoaĐiện tử Viễn thông trường Đại học Sài Gòn người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo

em trong suốt quá trình làm đồ án 1

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Sài Gòn nóichung, các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông nói riêng đã dạy dỗ cho emkiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được

cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Em cũng xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quantâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án 1.Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù em đã cố gắng, xong sẽ khôngtránh khỏi thiếu xót Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình, chỉ dẫn của quý thầy

cô và các bạn sinh viên

ii

M ch c nh báo khi có khí gasạch cảnh báo khi có khí gas ảnh báo khi có khí gas 2018

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

iii

M ch c nh báo khi có khí gasạch cảnh báo khi có khí gas ảnh báo khi có khí gas 2018LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a cá nhân tôi N i dung vàứu của cá nhân tôi Nội dung và ủa cá nhân tôi Nội dung và ội dung và

k t qu nghiên c u là trung th c và ch a công b b t c công trình nàoảnh báo khi có khí gas ứu của cá nhân tôi Nội dung và ực và chưa công bố ở bất cứ công trình nào ưa công bố ở bất cứ công trình nào ố ở bất cứ công trình nào ở bất cứ công trình nào ất cứ công trình nào ứu của cá nhân tôi Nội dung vàkhác N u không đúng v i nh ng gì đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn ch u tráchới những gì đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách ững gì đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách ịu tráchnhi m v i đ tài c a mình.ệm với đề tài của mình ới những gì đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách ề tài của mình ủa cá nhân tôi Nội dung và

Ngưa công bố ở bất cứ công trình nàoời cam đoani cam đoan

Đ ng Duy Tuânặng Duy Tuân

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

7 Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn độ nhạy của MQ2 với một số chất 9

12 Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dao động dùng IC NE555 13

v

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

Chương 1: Giới thiệu về đề tài 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Lý do chọn đề tài : 1

1.3 Mục đích nghiên cứu 2

1.4 Đối tượng nghiên cứu 2

1.5 Phạm vi nghiên cứu 2

1.6 Nội dung nghiên cứu 2

1.7 Phương pháp nghiên cứu 2

Chương 2: Nguyên lý hoạt động, tổng quan sơ đồ, tính toán số liệu 3

2.1 Sơ đồ khối chung 3

3

2.2 Sơ đồ nguyên lý 3

2.3 Nguyên lý làm việc của mạch 4

2.4 Khối cảm biến sử dụng cảm biến MQ2 4

2.4.1 Hình ảnh thực tế và thông số kỹ thuật: 4

2.4.2 Sơ lược về cảm biến và nguyên lý hoạt động 5

2.4.3 Cách thức thực hiện 6

2.4.4 Đồ thị biểu diễn của MQ2 6

2.4.5 Một số ưu nhược điểm của cảm biến 7

2.4.5.1 Nhược điểm khi sử dụng cảm biến 7

2.4.5.2 Ưu điểm 7

2.5 Khối xử lý Sử dụng opamp LM358 8

2.5.1 Sơ đồ opamp LM358 8

2.5.2 Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong opamp LM358 8

2.6 Mạch delay 9

2.6.1 Sơ đồ nguyên lý 9

2.6.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.6.3 Tính toán delay 9

2.7 Khối báo động sử dụng mạch tạo dao động NE555, loa chip, đèn Led 10

2.7.1 Sơ đồ nguyên lý 10

10

2.8 Thi công mạch 11

2.8.1 Mạch in 11

2.8.2 Sản phẩm hoàn thiện 11

11

Chương 3: Chạy thử nghiệm, kết quả và xu hướng phát triển 12

3.1 Chạy thử nghiệm và kết quả 12

3.2 Xu hướng phát triển 12

Chương 1: Giới thiệu về đề tài

1.1 Tổng quan

Như mọi người đã biết hiện nay trong cuộc sống hằng ngày khí gas được sử dụng rất là nhiều Ngay cả trong các nhà máy các xí nghiệp hay đơn giản hơn là các môi chất đều được nén dưới dạng gas Chính vì điều đó lên việc đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng cũng như vận hành các thiết bị đó là vô cùng quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó đã có rất nhiều các giáo sư, tiễn sỹ hay sinh viên … đã tiến hành nghiên cứu về đề tài này Nhằm nghiên cứu và khắc phục tình trạng gây cháy nổ gây ra , tránh ảnh hưởng tới kinh tế hay chính là việc ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng của con người

Nhận thấy sự nghiêm trọng và cấp thiết về vấn đề trên , nhóm chúng em đã tìm hiểu và nghiên cứu về vấn đề rò rỉ khí gas, để giảm tối đa mối nguy hiểm do khí gas gây ra, ảnh hưởng đến con người và tài sản chung

1.2 Lý do chọn đề tài :

Do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng, do đó sự cố xảy

ra khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên nhu cầu cấp thiết hiện nay khi

sử dụng khí gas hiện nay là làm sao giảm được các sự cố không đáng có của khí gas gây ra cho người sử dụng

Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas an toàn để hạn chế sự cố khí gas như khóa van khi dùng xong, kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo khi có khí gas bị rò rỉ và lắp đặt thiết bị cảnh báo khi có khí gas

bị rò rỉ ra môi trường trong đó việc lắp đặt, sử dụng hệ thống cảnh báo khí gas được ưu tiên, đưa lên hàng đầu trong việc phát hiện ra khí gas bị rò rỉ khi sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện giá cả hợp lý độ nhạy với khí gas thì thiết

bị cảnh báo khí ga là sự lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng về các thiết bị lắp đặt,phát hiện rò rỉ khi sử dụng khí gas

Nhận thấy sự nghiêm trọng và cấp thiết của việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas trong các tòa nhà,khách sạn và hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề tài này nhằm tìm hiểu và nghiên cứu sâu về thiết bị cảnh báo khí gas để thiết kế ra một sảnphẩm làm giảm tối đa các sự cố khi sử dụng khí gas gây ra trong các toàn

nhà,khách sạn,hộ gia đình

1.3 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra các giải pháp an toàn khi sử dụng khí gas trong các tòa nhà, khách sạn, hộ gia đình khi bị rò rỉ trong đó sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản,dễ dùng, hợp lý tạo ra không gian an toàn cho người sử dụng và phân tích hệ thống,

nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo khí gas

1.4 Đối tượng nghiên cứu

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

1.5 Phạm vi nghiên cứu

Được dùng để phục vụ an toàn cho các toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình khi có sự

cố khí gas rò rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng

1.6 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu nguyên lý,cách hoạt động, cách lắp đặt của hệ thống cảnh báo khí gaskhi khí gas bị rò rỉ và làm mô hình hoặc tạo ra sản phẩm đơn giản về hệ thống cảnhbáo khí gas bằng phương pháp sử dụng mạch tương tự và số

1.7 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết với thực nghiêm với mục đíchtạo ra một sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát hiện sự cố do rò rỉ khí gas một cách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng an toàn

Hình 1.1: Một số khu vực điển hình

Chương 2: Nguyên lý hoạt động, tổng quan sơ đồ, tính toán số liệu 2.1 Sơ đồ khối chung

2.2 Sơ đồ nguyên lý

Cảm biến

Hình 2.1: Sơ đồ khối chung của mạch

Hình 2.2: Sơ đông nguyên lý toàn mạch

2.3 Nguyên lý làm việc của mạch

- Trong môi trường không khí sạch, đầu ra của cảm biến MQ2 sẽ xuất ra 1 dòng điện nhỏ xấp xỉ 0.3v, khi đó điện áp vào chân số 3 của LM358 chưa đủ ngưỡng so sánh nên chân output của opamp LM358 sẽ xuất ra giá trị 0

- Khi có khí gas rò rỉ, đầu ra của cảm biến sẽ xuất ra dòng điện có giá trị >0.3V Lúc này điện áp ngõ vào của opamp sẽ vượt ngưỡng so sánh nên chân output của opamp LM358 sẽ xuất ra điện áp ở mức 1 (5V), sau đó sẽ được chia làm 2 nhánh+ nhánh 1 sẽ được khuyêch đại để ra loa và đèn led để cảnh báo cho người dùng biết có khí gas rò rỉ

+ Nhánh 2 sau khi được khuếch đại ở Q1 và Q2 sẽ nạp cho tụ C1 thông qua điện trở R17 Nếu khí ra tiếp tục rò rỉ, thì sau khoản thời gian 5s thì diot zenner sẽ dẫn, thyristor Q7 (scr 2p4m) sẽ được kích dẫn và cấp dòng điện cho mạch tạo xung NE555 để cảnh báo

2.4 Khối cảm biến sử dụng cảm biến MQ2

Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này

có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch.Nhưng khi 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 gian 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 quang 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

* Thông số kỹ thuật :

Hình 2.3: Cảm biến MQ2

Hình 2.4: Thông số kỹ thuật cảm biến

MQ2

2.4.2 Sơ lược về cảm biến và nguyên lý hoạt động

- Trong cảm biến có 6 chân :

+ Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 - 4.5V,

phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang 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 khí cho phép, Dout =0, đèn

Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được 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 rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lạigiá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo đượclớn hơn ta sẽ cảnh báo

Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của LM358 = Vout2

2.4.4 Đồ thị biểu diễn của MQ2

*Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm:

Hình 2.6: Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩmlên MQ2

* Đồ thị biểu diễn độ nhạy của MQ2 với một số chất :

Mạch trên 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

ra ở mức cao.Tín hiệu này sẽ đến IC NE555, đây được coi như một máy phát tần (nó tạo ra xung) và chân Output của IC được nối với loa để đưa ra tín hiệu cảnh báo

2.4.5 Một số ưu nhược điểm của cảm biến

2.4.5.1 Nhược điểm khi sử dụng cảm biến

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

- Mạch cần 5-7s để hoạt động ổn định sau khi cấp nguồn

2.4.5.2 Ưu điểm

Hình 2.7: Đồ thị biểu diễn độ nhạy của MQ2 với một số chất

MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gâycháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.

2.4.6

INVERTING INPUT A: Ngõ vào đảo thứ nhất

NON INVERTING INPUT A: Ngõ vào không

đảo thứ hai

V- : Nguồn cung cấp –Vcc

V+: Nguồn cung cấp +Vcc

OUTPUT B: Ngõ ra thứ hai

INVERTING INPUT B: Ngõ vào đảo thứ nhất

NON INVERTING INPUT B: Ngõ vào không

đảo thứ hai

Trong mạch báo động khí gas này, tín hiệu đi ra từ cảm biến khí gas có dạng analog nhưng chưa thực sự ổn định và chưa thực sự chống được nhiễu, vì thế chúng ta sử dụng với mục đích thứ nhất là để khắc phục tình trạng nhiễu và làm tăng tính ổn định của ngõ ra cảm biến, mục đích thứ hai là chuyển điện áp từ analog sang digital và so sánh điện áp ra từ cảm biến khí gas với mức báo động, mỗi khi có sự thay đổi điện áp tại chân 3 tín hiệu đầu vào của LM358 thì nó thực hiện so sánh với điện áp chuẩn chân

8 để tạo ra sự biến đổi tín hiệu đầu ra tại chân 1 :

- Khi điện áp dưới ngưỡng báo động, điện áp ra sẽ ở mức 0

- Khi điện áp vượt ngưỡng báo động điện áp ra ở mức 1

Sau đó điện áp đi tiếp vào mạch delay để thực hiện quá trình xử lý tiếp theo.

Hình 2.8: 1 số hình ảnh của opamp LM358

Hình 2.9: Sơ đồ chân và cấu trúc bên trong

opamp LM358

- Theo yêu cầu thiết kế, để mạch delay 5s

ta có các thông số như sau:

U c =3.6V , U cc=5V, t = 5s, C=1000uF (2)

Từ (1) và (2) ta tính được τ ≈ 4S

Mà τ = R.C => R ≈ 4kΩ Vậy ta xoay biến

trở R17 về giá trị 4KΩ đê được giá trị

delay là 5s.

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch delay

Hình 2.11: đồ thị thời gian nạp tụ điện

2.7 Khối báo động sử dụng mạch tạo dao động NE555, loa chip, đèn Led 2.7.1 Sơ đồ nguyên lý

Ứng dụng tạo xung vuông trong mạch này là để chuyển tín hiệu điện thành âmthanh phát ra loa với tần số dao động xung ổn định và chính xác

Tần số dao động xung có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi giá trị R14, R15,C2

Xung lấy ra trên chân 2 và 6 có dạng răng cưa,khi chân 7 lên nguồn,thì tụ C2sẽ nạp điện nguồn, dòng nạp qua R14, R15, mức áp trên chân 2,6 tăng dần lên khi mức áp này bằng 23V CC thì chân 7 sẽ xuống mass,lúc này tụC2sẽ cho xả điện dòng xả quaR14

.Vậy công dụng của R14là hạn chế không để dòng xả quá lớn sẽ làm hư IC555,và khi mức áp trên chân 2,6 xuống bằng 13V CC thì chân 7 lại lên nguồn, tụ lại chuyển qua thời kỳ nạp điện

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung dao động dùng IC NE555