Nghiên cứu và thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas phòng chống cháy nổ

Để khắc phục sự cố của khí gas khi sử dụng chúng em đã làm ra thiết bịcảnh báo rò rỉ khí gas, thiết bị này giúp chúng ta dễ dàng nhận biết khí gas khi bị rò rỉ, được sử dụng trong các tò

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

2 Nguyễn Thế Mạnh

3 Nguyễn Thanh Nhật

Hà Nội, tháng 12 năm 2017

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứngdụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng phổ biến hơn, nhất là vớithời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi Từ những ứng dụng đơn nhưđồng hồ kĩ thuật số, máy nghe nhạc…đến những ứng dụng cho xã hội như đèngiao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động…cho đến những ứng dụngmang tính quy mô, tầm cỡ như robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhàmáy hạt nhân…

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học côngnghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần nào sựphát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm có ích cho cuộcsống Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống của chúng ta:

“ Thiết bị cảm biến khí gas và phòng chống cháy nổ ”

Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tậpthể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn Mạch phát hiện sự rò rỉkhí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứahoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đánh tiếc xảy ra

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện Đồ án điện tử 1 chúng e đã tìm hiểu bổ xung

và học hỏi được nhiều kiến thức và kinh nghiệm về việc thiết kế thực hiện và thicông thiết bị “ Cảnh báo khi gas và phòng chống cháy nổ “

Do điều kiện về thời gian và kiến thức còn hạn chế nên đề tài của chúng

em chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng bằng mô hình Trongthời gian thực hiện đồ án, chúng em đã tham khảo ý kiến của giảng viên hướngdẫn, tìm hiểu tài liệu và sự hỗ trợ góp ý từ giảng viên cũng như bạn bè và cácanh chị đi trước Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên không thể tránh khỏisai sót, chúng em rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đồ

án của chúng em được hoàn thiện hơn, và tạo lập cho chúng em có một cơ sởnhìn nhận về khả năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn tốt hơn cho các đồ ántiếp theo

Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử ViễnThông Trường Đại Học Điện Lực đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho chúng

em trong suốt quá trình học tập, các thầy cô đã giúp đỡ và tạo điều kiện chochúng em trong quá trình thực hiện Đồ án điện tử

Đặc biệt , chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy giáo Ths.Đinh Văn Tuấn – Giảng viên trường Đại học Điện Lực đã trực tiếp hỗ trợ, tậntình hướng dẫn, giúp đỡ và bổ sung kiến thức cho chúng em trong quá trình thựchiện và hoàn thiện đồ án này

Trong quá trình thực hiện đồ án không tránh khỏi sai sót, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô và các bạn !

NHẬN XÉT

(Của giảng viên hướng dẫn)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Giảng viên hướng dẫn

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

STT Mã SV Họ đệm Tên Lớp Chức

vụ

Nhiệm vụ

1 1581510139 Hoàng Đức Thanh D10-ĐTVT1 Nhómtrưởng

Xây dựng sơ đồ khối chức năng

Thiết kế mạch sản phẩm, lập trình .

2 1581510130 Nguyễn Thanh Nhật D10-ĐTVT1 Thànhviên

Lựa chọn module linh kiện

Làm vỏ hộp, viết báo cáo

3 1581510125 Nguyễn Thế Mạnh D10-ĐTVT1 Thànhviên

Vẽ mạch test,lập trình, gia công mạch lắp giáp thiết bị

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

LỜI CẢM ƠN 2

NHẬN XÉT 3

MỤC LỤC 4

BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC 5

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC VIẾT TẮT 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

1.1 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 8

1.2 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 8

1.3.MỤC TIÊU ĐỒ ÁN 9

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI 10

2.1 CHỨC NĂNG BỘ THIẾT BỊ 10

2.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 10

2.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI CHỨC NĂNG 10

2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ Board Arduino mega 2560 11

2.2.3 LỰA CHỌN LINH KIỆN & MODULE 15

2.2.4 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ 21

2.2.5 THIẾT KẾ MẠCH IN 22

2.2.6 THIẾT KẾ VỎ HỘP 23

2.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 24

2.3.1VIẾT MÃ NGUỒN 24

2.4 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 28

2.4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 28

2.4.2 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ khối chức năng bộ thiết bị 9

Hình 2.2.2.1 Board Arduino mega2560 14

Hình 2.2.3.1 Module cảm biến khí gas 15

Hình 2.2.3.2 Module cảm biến nhiệt độ 17

Hình 2.2.3.3 Module relay 2 kênh 18

Hình 2.2.3.4 Màn hình LCD 16*2 19

Hình 2.2.3.5 Module I2C 21

Hình 2.2.4.1 Khối nút bấm điều khiển 21

Hình 2.2.4.2 Khối còi báo 22

Hình 2.2.4.3 Khối cung cấp nguồn cho các module 22

Hình2.2.5.1 Măt trước và sau của mạch in 23

Hình 2.2.6.1 Hộp sản phẩm 23

Hình 2.4.1.1 Thiết bị được lắp ráp hoàn chỉnh 29

Hình 2.4.1.2 Demo sản phẩm 29

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều

AVR Automatic Voltage Regulator Tự động điều chỉnh điện áp

DC Direct Current Dòng điện một chiều

IC Integrated Circuit Vi mạch

LCD Liquid Crystal Display

LED Light Emitting Diode Diode phát quang

VĐK Vi điều khiển

IDE Integrated Development Môi trường phát triển tích hợp

Environment SRAM Static Random Memory Bộ nhớ ngẫu nhiên tĩnh

EEPROM Electrically Erasable Bộ nhớ chỉ đọc có

Programmable Read-Only thể lập trình, xóaMemory bằng tín hiệu điện IDE Integrated Development Môi trường phát triển

Environment hợp nhất

SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn giao tiếp ngoại vi nối tiếp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

1.1 Lý do lựa chọn đề tài

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, điện tử đã đượcứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực trong thực tế để phục vụ nhu cầu : chăm sóc sứckhỏe, bảo vệ tính mạng và tài sản cho con người

Khi đời sống con người được cải thiện thì việc sử dụng bếp gas hay các sảnphẩn của gas làm nhiên liệu đun nấu đang phổ biến Bên cạnh việc tiện lợi củagas, một vấn đề khác của gas cũng được quan tâm đó là : an toàn khi sử dụnggas Khi con người tiếp xúc trực tiếp với khí gas (vượt quá một nộng độ chophép nhất định) trong thời gian dài thì rất dễ bị ngộ độc gas và có thể gây tửvong Không những vậy khí gas rò rỉ vào trong không khí có thể dễ dàng bắt lửa

và gây cháy nổ, ảnh hưởng nghiêm trọng tới an toàn của người sử dụng cũngnhư những người xung quanh Vì vậy, vấn đề phát hiện và xử lý sự cố rò gas làmột việc rất cần thiết với người thường xuyên sử dụng gas Đặc biệt là các bạnsinh viên thường sử dụng cácbình gas mini không đảm bảo chất lượng, có thể rò

rỉ gas bất cứ khi nào Xuất phát từ ý tưởng và tình hình thực tế em thấy đây làmột đề tài hay, có tính ứng dụng cao và có thể phát triển nên em đã chọn đề tàinàylàm đề tài chính trong đồ án môn học

Để khắc phục sự cố của khí gas khi sử dụng chúng em đã làm ra thiết bịcảnh báo rò rỉ khí gas, thiết bị này giúp chúng ta dễ dàng nhận biết khí gas khi

bị rò rỉ, được sử dụng trong các tòa nhà và hộ gia đình

1.2 Giớ thiệu về đề tài

Như thầy cô và mọi người đã biết trong cuộc sống xã hội hiện đại ngày nayvấn đề sử dụng khí đốt ( ở đây chúng ta đang nói đến là khí Gas ) trong việc lấu

ăn hàng ngày và hay cả sử dụng khí đốt cho các ngành công nghiệp đang rất phổbiết Như ngày xưa khoảng 15 năm về trước thì chỉ có thành phố mới sử dụngkhí đốt cho nấu ăn hay nhưng cho nhưng ngành công nghiệp còn nông thônthường sử dụng bếp rạ và củi cho việc đun lấu thì nay gần như từ quê lên phố thì99% sử dụng khí đốt cho bếp lúc đun lấu nên khi khí gas bị rò rỉ ra ngoài khảnăng cháy nổ là rất cao vì chỉ cần có tia nửa điện từ các ổ cắm hay thiết bị điệnhay một đoạn dây bị hở sỉnh ra tia lửa điện là khả năng hỏa hoạn cho ngồi nhà làrất cao ảnh hưởng đến tài sản và tính mạng con người vì thế Đề tài nghiên cứu

của chúng em nhằm phần nào đó việc phát hiện hiện khí gas và ngăn chặn hỏahoạn cho cho người và tài sản

Với nội dung chính của đề đó là khi phát hiện có khí gas thiết bị sẽ bật còibáo cho người trong nhà biết được khí gas đang bị rò rỉ đểkhắc phục và bật quạtthông gió thông qua việc đóng ngắt relay khi phát hiện có khi gas khi trongphòng có cháy thường thì nhiệt độ không khí trong phòng tăng rất nhanh và độ

ẩm giảm xuống ngưỡng cho phép được setup trước thì thiết bị sẽ bật máy bơmnước làm phun quang phòng để hạn nhiệt độ phòng và chữa cháy

- Giá thành sản phẩm phù hợp với người tiêu dùng hiện nay

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỀ TÀI

2.1 CHỨC NĂNG THIẾT BỊ

Sau khi hoàn thiện bộ thiết bị cảnh báo khí ga và phòng chống cháy nổ sẽ

2.2 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

2.2.1 Sơ đồ khối chức năng

Hình 2.2.1 Sơ đồ khối chức của thiết bị

2.2.2 Giới thiệu về board Arduino mega2560

Giới thiệu về Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý,nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường đượcthuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kếtrên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit NhữngModel hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vàoanalog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khácnhau

a Phần cứng của Arduino

Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện

bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Mộtkhía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phépngười dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễdàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với boardArduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield đượcđịnh địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và

sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòngchip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328,ATmega1280, và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sửdụng bởi các mạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điềuchỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộnghưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPadchạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích

cỡ thiết bị Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn vớimột boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flashon-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điềunày giúp cho việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép

sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương trình

-Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả cácboard được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thựchiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa mộtmạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại đượclập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduinokhông chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial cóthể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng mộtcông cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụlập trình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)

- Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sửdụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Unođưa ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế

độ rộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O

số Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua cácheader cái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng đượcthương mại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible BareBones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trêncủa board dùng để cắm vào các breadboard

-Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vàitrong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng đểthay thế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cáchthêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơngiản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khácthường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi cònduy trì độ tương thích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ

vi xử lý hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau

b Phần mềm của Arduino

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng platform (đa nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụngcho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và projectWiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen vớilĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm một chương trình code editor vớicác chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự độngcanh lề, cũng như compile(biên dịch) và upload chương trình lên board chỉvới 1 cú nhấp chuột Một chương trình hoặc code viết cho Arduino được gọi

cross-là một sketch

-Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE

đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiringgốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn Người dùng chỉcần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi (cyclicexecutive) có thể chạy được:

VD :

setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết

lập các cài đặt

loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch

-Một chương trình điển hình cho một bộ vi điều khiển đơn giản chỉ là

làm cho một bóng đèn Led sáng/tắt Trong môi trường Arduino, ta sẽ phảiviết một chương trình giống như sau:

digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // Bật LED on

delay (1000); // chờ trong 1 giây (1000 mili giây)

digitalWrite (LED_PIN, LOW); // Tắt LED off

delay (1000); // chờ trong 1s

}

- Một đặc điểm của hầu hết các board Arduino là chúng có một đèn LED

và điện trở nối giữa chân 13 với đất; một đặc điểm thuận tiện cho nhiều ứngdụng đơn giản Đoạn code ở trên không thể đọc được bởi một compiler C++chuẩn như là một chương trình đúng, vì vậy khi ta click vào nút "Upload to I/

O board" trong IDE này, một bản copy của đoạn code này sẽ được ghi vàomột file tạm với một extra include header ở phía trên cùng và một hàm main() đơn giản nằm ở phía đáy, để làm cho thàn một chương trình C++ khả dụng.-Arduino IDE này sử dụng GNU toolchain và AVR Libc để biên dịchchương trình, và sử dụng avrdude để upload chương trình lên board

-Vì nền tảng của Arduino là các vi điều khiển của Atmel, cho nên môitrường phát triển của Atmel, AVR Studio hoặc các phiên bản Atmel Studiomới hơn, cũng có thể được sử dụng để làm phần mềm phát triển cho Arduino

 Arduino mega2560

Hình 2.2.2.1 Board Arduino mega2560

Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega hay còngọi là Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn nhất với Arduino Mega 1280chính là chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 vớiflash memory 128KB, SRAM 8KB và EEPROM 4 KB.*

Arduino Mega 2560 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng

bo mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chânanalog IO) Đặc biệt bộ nhớ flash của MEGA được tăng lên một cách đáng

kể, gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của UNO R3 Điều này cùng vớiviệc trang bị 3 timer và 6 cổng interrupt khiến bo mạch Mega hoàn toàn cóthể giải quyết được nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ

và xử lý song song nhiều luồng dữ liệu số cũng như tương tự

Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu

ý Trên mạch MEGA các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và cácchân nguồn tương tự thiết kế của UNO Do vậy chúng ta dễ dàng phát triểnnghiên cứu theo kiểu gắp ghép module từ Arduino UNO bê sang Arduino