MÔ HÌNH BÁO CHÁY BẰNG CẢM BIẾN KHÓI VÀ NHIỆT DÙNG LM358 VÀ IC555

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG NGUYỄN NGỌC THẮNG MƠ HÌNH BÁO CHÁY BẰNG CẢM BIẾN KHĨI VÀ NHIỆT DÙNG LM358 VÀ IC555 NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Th.S: NGUYẾN HỮU PHÚC Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng Năm 2018 LỜI NÓI ĐẦU Trong sống đại ngày nay, ngành điện tử ngành quan trọng góp phần vào phát triển đất nước Nhu cầu người ngày cao điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử không ngừng phát minh sản phẩm có tính ứng dụng cao, sản phẩm có tính năng, có độ bền độ ổn định ngày cao Hiện nay, tình trạng cháy nổ ngày tăng đến mức báo động chẳng hạn như: cháy rừng, cháy nổ bình ga, cháy nổ chập điện nhiều nguyên nhân khác Nhằm để giảm tránh nguyên nhân đáng tiếc ấy, thiết bị mạch điện tử báo cháy đời Thật nói, mạch báo cháy sản phẩm tạo tảng phát triển bước ngoặc lớn ngành Điện tử phục vụ cho nhu cầu sử dụng người Với mục đích nhằm hiểu rõ linh kiện điện tử khai thác ứng dụng sống, để gắn liền lý thuyết với thực tế em tìm hiểu đề tài: “ Mạch báo cháy cảm biến nhiệt khói dùng LM358 IC555” Trong q trình thực em có nhiều sai sót Em mong mong thầy bạn góp ý bổ sung để đồ án em hoàn thiện Nguyễn Ngọc Thắng LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Hữu Phúc, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện – điện tử trường Đại học Sài Gòn người tận tình hướng dẫn, bảo em suốt trình làm đồ án Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô khoa Điện Tử Viễn Thông dạy dỗ, truyền đạt cho em nhữngkiến thức hữu ích mơn đại cương mơn chun ngành, giúp em có sở lý thuyết vững vàng tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập, đồng thời quan tâm, động viên em suốt em hoàn thành đồ án Nguyễn Ngọc Thắng MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU I LỜI CÁM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH V CHƯƠNG 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Phạm vi nghiên cứu Nguyễn Ngọc Thắng 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu 1.7 Yêu cầu CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH MẠCH BÁO CHÁY CẢM BIẾN NHIỆT VÀ KHÓI 2.1 Sơ đồ khối 2.2 Sơ đồ nguyên lí 2.2.1 Khối nguồn 2.2.2 Khối cảm biến khói 2.2.2.1 Led thu phát hồng ngoại 2.2.2.2 Ic thuật toán op-am Lm358 Nguyễn Ngọc Thắng 2.2.2.3 Transistor c1815 2.2.2.4 Tính tốn cho khối cảm biến khói 2.2.2.5 Hoạt động khối cảm biến nhiệt 2.2.3 Khối cảm biến nhiệt……………………… .9 2.2.3.1 Tính tốn khối cảm biến nhiệt 2.2.3.2 Hoạt động khối biến nhiệt 10 2.2.4 Khối chuông báo……………………………… .11 2.2.4.1 IC555 …………………………………………… .12 2.2.4.2 Transistor A1815…………………… 12 2.2.4.3 Tính tốn khối chng báo 12-13 2.2.4.4 Hoạt động khối chuông báo .13 2.3 Thi công mạch…………………………………………… 14 2.3.1 Mạch in để lắp linh kiện……………… 14 2.3.2 Sản phẩm……………………………………………… 14 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 15 Nguyễn Ngọc Thắng 3.1 Kết luận.………………………………………………………… 15 3.2 Hướng phát triển……………………………………… 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………… 16 DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH STT Tên sơ đồ Trang Hình 2.1: Sơ đồ khối Hình 2.2: Sơ đồ ngun lí Hình 2.3: Khối nguồn 4 Hình 2.4: Khối cảm biến khói 5 Hình 2.5: Led phát led thu hồng ngoại Hình 2.6: LM358 Hình 2.7: Transistor C1815 Hình 2.8: Khối cảm biến khói 9 Hình 2.9: Bảng đồ nhiệt Thermistor(R7) 10 10 Hình 2.10: Khối chng báo 11 11 Hình 2.11: IC555 12 12 Hình 2.12: Transistor A1015 12 13 Hình 2.13: Mạch in 14 14 Hình 2.14: Sản phẩm mơ hình báo cháy cảm biến nhiệt khói 14 Nguyễn Ngọc Thắng Nguyễn Ngọc Thắng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, với sống tấp nập, bận rộn người việc cháy nổ xảy lúc nơi đâu Bởi lẽ, cháy nổ không gây thiệt hại cho cá nhân, gia đình mà gây ảnh hưởng đến trật tự an tồn xã hội, khơng mà gây thiệt hại chất tính mạng người Vì vậy, cần phải có thiết bị phát khói, cháy kịp thời để giảm bớt thiệt hại người đồng thời mặt sở vật chất để giảm mối âu lo xã hội Với IC555 LM358 sử dụng cho yêu cầu thông dụng thị trường với giá thành hợp lý, phù hợp với việc nghiên cứu sinh viên 1.2 Tính cấp thiết đề tài Với sử dụng mạch báo cháy ngày trở nên thông dụng rộng khắp nước với nhiều giải pháp ứng dụng.Ngày nay, số bạn sinh viên kỹ thuật trường đại học nghiên cứu để tạo sản phẩm nhằm đáp ứng yêu cầu sống xã hội Đã có nhiều đề tài nghiên cứu mạch báo cháy như: “Thiết kế mạch báo cháy tự động sinh viên Phạm Thanh Tùng’’, “Thiết bị báo cháy tự động sinh viên Nguyễn Đức Hoàn – Dương Văn Luân – Đặng Văn Thắng – Kiều Bảo Long” 1.3 Mục tiêu đề tài − Ứng dụng kiến thức học chế tạo thiết bị có giá thành hợp lý, ứng dụng − vào thực tế Chế tạo sản phẩm phát cháy sớm để giảm thiệt hại người tài − sản Mạch hoạt động có cháy xẩy ra, nhiệt độ khu vực cháy tăng lên có khói bốc lên nhờ mạch cảm biến báo cháy qua hệ thống chuông Nguyễn Ngọc Thắng 1.4 Phạm vi nghiên cứu − − − Nghiên cứu nguyên lý hoạt động linh kiện Nghiên cứu nguyên lý hoạt động mạch Tính tốn giá trị linh kiện 1.5 Phương pháp nghiên cứu − − Nghiên cứu lý thuyết Thí nghiệm text board điện tử 1.6 Nội dung nghiên cứu − − − − Nghiên cứu IC555 LM358 linh kiện có liên quan đến đề tài Nghiên cứu nguyên lý hoạt động mạch Thiết kế mạch in phần mềm Orcard Lắp mạch, chế tạo mạch báo cháy mạch in 1.7 Yêu cầu − Khi xuất khói cháy hệ thống báo khói nhiệt phải hoạt động − ổn định xác Đảm bảo có khói cháy mạch không bị hỏng Đèn âm báo hiệu không rè, phải to rõ đủ để người − xung quanh nghe CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH MẠCH BÁO CHÁY CẢM BIẾN NHIỆT VÀ KHĨI 2.1 Sơ đồi khối Nguyễn Ngọc Thắng 10 Hình 2.1 : Sơ đồ khối Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống Khối cảm biến nhiệt : Biến đổi nhiệt thành tín hiệu điện Khối cảm biến khói: Biến đổi khói thành tín hiệu điện Khối khuếch đại vi sai : So sánh, khuếch đại tín hiệu từ cảm biến Khối chuông báo: Tạo âm báo động 2.2 Sơ đồ nguyên lí Nguyễn Ngọc Thắng 11 Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lí 2.2.1 Khối nguồn Hình 2.3 : Khối nguồn Dùng khối nguồn 5V điện áp cao 1A Ic555, Lm358, transistor C1815 A1015 hoạt động ổn định Để chọn tính tốn số linh kiện dễ dàng sai số Nguyễn Ngọc Thắng 12 2.2.2 Khối cảm biến khói Hình 2.4 : Khối cảm biến khói Ở khối nầy ta lợi dụng có cháy khói bốc lên, khói có màu đen lợi dụng khói để làm giảm cường độ tia hồng ngoại Tức bình thường cường độ hồng ngoại lớn -> LED thu D2 dẫn với dòng lớn Khi có khói khói làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED thu D2 dẫn với dòng nhỏ Để Lm358 hoạt động ta nối chân vào chân gnd(-) nguồn chân vào chân vcc(+) 2.2.2.1 Led thu phát hồng ngoại Nguyễn Ngọc Thắng 13 Hình 2.5 : Led phát led thu hồng ngoại Kích thước: 5mm Chiều dài: 37mm Màu phát ra: Hồng ngoại Ống kính màu: Đen / Trong Bước sóng: 940nm Điện áp hoạt động (V): 1.2V-1.6V Dòng điện cực đại (mA): 100mA Truyền nhận khoảng cách: khoảng 7-8 M 2.2.2.2 Ic thuật toán op-am Lm358 Hình 2.6 : LM358 Mạch LM358 khuếch đại thuận lặp điện áp Bên chứa khuếch đại toán học: Bộ thứ 1: chân 2,3 vào, chân Bộ thứ 2: chân 5,6 vào, chân Khoảng điện áp cung cấp 3V đến +32V Dải nhiệt hoạt động : 70 Điện áp ngõ 0v đến VCC(+)-1.5v Nguyễn Ngọc Thắng 14 Điện trở cao nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến 2.2.2.3 Transistor c1815 Hình 2.7 : Transistor C1815 Type - n-p-n Collector-Emitter Voltage: 50 V Collector-Base Voltage: 60 V Emitter-Base Voltage: V Collector Current: 0.15 A Collector Dissipation - 0.4 W DC Current Gain (hfe) - 70 to 700 Transition Frequency - 80 MHz Operating and Storage Junction Temperature Range -55 to +125 °C Package - TO-92 2.2.2.4 Tính tốn cho khối cảm biến khói Để cho led phát D1 hoạt động bình thường điện áp rơi tên led khoảng 1.2V đến 1.6V nên ta chọn R1=1k Ohm nầy dòng điện rơi vào D1 khoảng 3.4mA – 3.8mA Nguyễn Ngọc Thắng 15 Với led thu D2 tương led thu D2 dùng để so sánh áp nên để dòng lớn nên chọn trở nhỏ 470 Ohm lúc nầy đòng điện roi vào led D2 vào khoảng 8.805mA-7.234mA Với tụ C1 có lọc nhiễu cần áp nhỏ để phần so sánh áp với chấn 2(-) nên chọn 10uf Với chiết Áp R6 ta chọn giá tri 10k để tạo chênh lệch điện áp chân chân LM358 khơng khói LED thu D2 dẫn với dòng lớn mà điện áp chân 3V(+) bé điện áp chân 2V(-) Với Q6 transistor C1815 hoạt động có điện dương (mức từ Lm358) vào chân Base cần dòng nhỏ nên ta chọn trở hạn dòng cho khuếch đại nầy R3=R4=10k Ohm Q6 phân cực Diot D7 có cho dòng âm chạy từ Q6 qua điot Chon R16=330 Ohm để hạn dòng bảo led D11 2.2.2.5 Hoạt động khối cảm biến nhiệt Ở ta dùng LED thu LED phát đặt rọi vào để khoảng trống Tức bình thường cường độ hồng ngoại lớn -> LED thu D2 dẫn với dòng lớn Khi có khói khói làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED thu D2 dẫn với dòng nhỏ Khi khơng có khói điện áp chân V(-)lớn điện áp chân 3V(+) nên ngõ nên khơng có dòng qua Q6 Q6 khơng phân cực khơng có dòng âm từ Emitter lên Colletor Q6 nên led D11 khơng sáng , Khi có khói điện áp chân V(-) lớn điện áp chân 3V (+) nên ngõ nên có dòng điện dương qua Q6 vơ chân Base nên Q6 phân cực thuận cho dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Colletor làm cho đèn D11 sáng có dòng âm chạy vào điot D7 dòng dòng khuếch đại Q6 chạy đến khối chuông báo Nguyễn Ngọc Thắng 16 2.2.3 Khối cảm biến nhiệt Hình 2.8 : Khối cảm biến khói Ở ta lợi dụng nhiệt độ thay đổi lớn đám cháy để thay đổi điện trở của nhiệt trở R7 qua ta thay đổi giá trị điện áp chân (+) Lm358 để so sánh với chân (-) LM358 2.2.3.1 Tính tốn khối cảm biến nhiệt Mạch sử dụng nhiệt trở âm (NTC) làm cảm biến nhiệt độ, IC Op-Amp LM358 làm so sánh điện áp nhiện độ bình thường giá trị nhiệt trở sấp sỉ giá Nguyễn Ngọc Thắng 17 trị gốc nhiệt trở, ví dụ: 25 độ C giá trị điện trở 10k 10k Hình 2.9 : Bảng đồ nhiệt Thermistor(R7) Vậy nên ta chọn R8=10K Ohm để tạo cầu phân áp với nhiệt trở R7 R7 nhiệt độ thường thi điện áp đặt vào chân (+) 2.5V Lúc giá trị điện áp chân (+) op-amp 2.5V tạo cầu phân áp R7 R8 Điện áp ngưỡng báo động đặt bới biến trở R7(10) Có thể chỉnh từ 0-5V cấp vào chân 6(-) op-amp Ví dụ ta đặt mạch báo động nhiệt độ 65 độ C Lúc điện áp chân (+) VCC/(R7+R8)*R2 = 5/12*10 = 4.17V ta chỉnh biến trở đặt điện áp khoảng 4.16 V chân (-) Chọn tụ C2=10uf dùng để lọc nhiễu cho mạch với giá trị nhỏ để tích dòng nhỏ không ảnh hưởng đến so sánh áp chân chân Chọn R10=R11=10k để hạn dòng phân cực cho Q5 tương tự Q6 R5= 330Ohm để bảo vệ led D8 Diot có chức cho dòng âm chạy từ Q5 qua điot 2.2.3.2 Hoạt động khối biến nhiệt Vậy nhiệt độ nhỏ 65 độ C điện áp đặt vào chân V(+) bé điện áp đặt vào chân V(-) Nên ngõ Op-amp mức thấp xấp sỉ 0V 10 R11 phân cực cho transitor Q5 Khi ngỏ Op-amp Q5 khơng phân Nguyễn Ngọc Thắng 18 cực nên khơng có dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Collector led D8 khơng sáng khơng có dòng âm qua khối chuông báo Khi nhiệt độ lớn 65 độ C giá trị điện trở giảm nên điện áp đặt vào chân V(+) lớn điện áp đặt vào chân V(-) nên ngõ op-amp xuất mức nên có dòng điện dương qua Q5 vơ chân Base nên Q5 làm cho Q5 phân cực thuận nên Q5 cho dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Colletor làm cho đèn D8 sáng có dòng âm chạy vào điot D9 dòng dòng khuếch đại Q5 chạy đến khối chuông báo 2.2.4 Khối chuông báo Hình 2.10 : Khối chuông báo Nguyễn Ngọc Thắng 19 2.2.4.1 IC555 Hình 2.11: ic555 Điện áp đầu vào : - 18V ( Tùy loại 555 : LM555, NE555, NE7555 ) Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA Điện áp logic mức cao : 0.5 - 15V Điện áp logic mức thấp : 0.03 - 0.06V Công suất tiêu thụ (max) 600mW 2.2.4.2 Transistor A1815 Hình 2.12: Transistor A1015 Transistor A1015 transistor thuộc loại transistor PNP Nguyễn Ngọc Thắng 20 A1015 có Uc cực đại = -50V dòng Ic cực đại = -150mA Hệ số khuếch đại hFE transistor A1015 khoảng 70 đến 400 Thứ tự chân từ trái qua phải: E C B 2.2.4.3 Tính tốn khối chng báo Chọn R12=1k Ohm để hạn dòng âm từ khối cảm biến khói khối cảm biến nhiệt vào Q8 chọn trở R13=10K Ohm để phân cực cho Q8 R14 =10K Ohm để hạn chế dòng Reset vào chân số IC555 để điện dương từ Q8 IC555 chế độ reset khối chuông không hoạt động Ở ta chọn R15=4.7K Ohm R17=2.2k Ohm tụ C4=10uf Để chu kì tạo xung cho IC555 T=0.69*(R17*2R15)*C4=0.69*(4700*2200*2)*10*10^-3=142692(Hz) Chọn R18=1k Ohm để hạn dòng xung tạo từ chân vào Q7 2.2.4.4 Hoạt động khối chng báo Khi có khơng dòng âm qua điot D7 D9 nghĩa khơng có cháy xẩy khơng có dòng âm qua Q8 Q8khơng phân cực nên khơng có dòng dương từ Emitter chạy qua Colletor nên khơng cung cấp dòng dương cho chân số IC555 khối chng báo khơng hoạt động Khi có dòng âm chạy qua điot D7 D9 nghĩa có cháy xẩy dòng âm qua vào chân Base Q8 làm Q8 phân cực thuận cho dòng dương chạy từ chân Emittor xuống chân Collector Q8 vào chân số lúc nầy IC55 hoạt động tạo xung cho chân số mức mức với tần số T=142692 Hz.Khi mức Q7 (C1815) phân cực ngược khơng cho dòng âm từ chân Emitter lên chân Collector chuông không kêu Khi mức có điện dương vào Q7 làm Q7 phân cực thuận nên cho dòng âm từ Emitter lên chân Collector chuông kêu Cứ với tần số T tạo nên tiếng báo động với tần số tít chng 142692 Hz Nguyễn Ngọc Thắng 21 2.3 Thi công mạch 2.3.1 Mạch in để lắp linh kiện Hình 2.13: Mạch in 2.3.2 Sản phẩm Nguyễn Ngọc Thắng 22 Hình 2.14: Sản phẩm mơ hình báo cháy cảm biến nhiệt khói CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 3.1 Kết luận • Kết đạt được: mạch báo cháy báo khói cảm biến hồng ngoại • - hoạt động ổn định xác Hạn chế: Mạch chưa có hệ thống bảo vệ để đảm bảo không bị hư hỏng tác động - lửa Khi đặt hệ thống báo cháy từ xa cần phải đảm bảo led thu led phát hồng - ngoại không bị lệch Các led thu, led phát cảm biến nhiệt đặt khoảng cách xa 3.2 Hướng phát triển • Thiết kế võ • • cho mơ hình đảm bảo cách nhiệt cho linh kiện điển tử trở, transistor, LM358, IC555 Bộ vỏ có khói vòa mà khơng vật bay để cảm tia hồng ngoại làm cho led hồng ngoại cảm biến sai Bộ vỏ tạo cảm biến nhiệt tốt cho nhiệt trở R7 hoạt động ổn định Nguyễn Ngọc Thắng 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Quốc Đán (2015), Giáo trình Điện tử tương tự, Trường Đại học Sài Gòn [2] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf [3] http://www.datasheetspdf.com/pdf/49913/MotorolaInc/LM358/1 [4] http://doc.edu.vn/tai-lieu/do-an-thiet-bi-bao-chay-tu-dong-3276/ Nguyễn Ngọc Thắng 24 ... mức báo động chẳng hạn như: cháy rừng, cháy nổ bình ga, cháy nổ chập điện nhiều nguyên nhân khác Nhằm để giảm tránh nguyên nhân đáng tiếc ấy, thiết bị mạch điện tử báo cháy đời Thật nói, mạch báo. .. Khối chuông báo …………………………… .11 2.2.4.1 IC555 …………………………………………… .12 2.2.4.2 Transistor A1815…………………… 12 2.2.4.3 Tính tốn khối chng báo 12-13 2.2.4.4 Hoạt động khối chuông báo ... yêu cầu sống xã hội Đã có nhiều đề tài nghiên cứu mạch báo cháy như: “Thiết kế mạch báo cháy tự động sinh viên Phạm Thanh Tùng’’, “Thiết bị báo cháy tự động sinh viên Nguyễn Đức Hoàn – Dương Văn