Đồ án môn : Thiết kế mạch cảnh báo cháy

MỤC LỤC Lời cam đoan……………………………………………………………………… Phân công nhệm vụ………………………………………………………………….2 Mục lục…………………………………………………………………………… Các từ viết tắt……………………………………………………………………… Mở đầu………………………………………………………………………………6 Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy……………………………………… 1.1 Quy định chung hệ thống báo cháy………………………………………….7 1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas)………………………8 1.3 Ý tưởng……………………………………………………………………… 10 1.4 Sơ đồ khối…………………………………………………………………… 11 1.5 Nguyên lý hoạt động………………………………………………………… 12 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến…………………………………………12 1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm………………………………… 12 1.6 Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………13 Chương 2: Giới thiệu linh kiện sử dụng đề tài ……………………… 17 2.1 Giới thiệu tổng quan họ vi xử lý 8051…………………………………… 17 2.1.1 Sơ đồ khối AT89S52…………………………………………….………17 2.1.2 Những đặc trưng AT89S52…………………………………………… 18 2.1.3 Sơ đồ chân chức AT89S52…………………………………… 18 2.2 Màn hình LCD HD44780…………………………………………………… 22 2.2.1 Hình dáng kích thước…………………………………………………… 22 2.2.2 Chức chân………………………………………………………….23 2.3 Cảm biến gas MQ-6……………………………………………………………24 2.4 Cảm biến nhiệt LM35………………………………………………………….26 2.5 LM358…………………………………………………………………………28 2.6 PC817 (Opto)………………………………………………………………… 29 2.7 Module thu phát RF……………………………………………………………30 Chương 3: Sơ đồ mạch tính tốn ……………………………….…………… 31 3.1 Khối vi xử lý trung tâm………………………………………….…………… 31 3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF……………………….………….…31 3.1.2 Điều khiển chuông………………………………………………………… 32 3.1.3 Điều khiển Relay…………………………………………………………… 33 3.2 Khối cảm biến………………………………………………………………….34 3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo………………………………………… 35 3.2.2 Sơ đồ mạch so sánh điện áp………………………………………………….36 3.2.3 Mạch ghép quang với module phát RF………………………………………37 Chương 4: Xây dựng code ……………………………………………………….38 Kết luận hướng phát triển đề tài……………………………………………… 39 Phụ lục…………………………………………………………………………… 42 CÁC TỪ VIẾT TẮT AD: Adress CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor GND: Ground ISP: Internet service provider I/O: Input/Output LCD: Liquid-crystal display LEL: Lower Explosive Limit LFL: Lower Flammable Limit MCU: Multipoint control unit MPU: MIDI Processing Unit RAM: Random Access Memory RF: Radio frequency ROM: Read-only memory UFL: Upper Flammable Limit LỜI MỞ ĐẦU Trong sống đại, việc phòng cháy chữa cháy trở thành mối quan tâm hàng đầu quanh ta ln tồn khu vực dễ cháy, gây thiệt hại nặng nề người Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy chữa cháy có vai trò quan trọng, giúp ngăn chặn xử lý kịp thời đám cháy người chưa thể can thiệp Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng tơi chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo chữa cháy” Hệ thống giúp phát nguy gây cháy từ rò rỉ gas, khí dễ cháy từ thay đổi nhiệt độ thông qua cảm biến, từ có hướng xử lý phát chng cảnh báo ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy Để thực nội dung này, đồ án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy Chương 2: Giới thiệu linh kiện sử dụng đề tài Chương 3: Sơ đồ mạch tính tốn Chương 4: Xây dựng code Phương pháp nghiên cứu sử dụng xuyên suốt đề tài xây dựng lưu đồ thuật tốn, tính tốn thiết kế mạch, viết code thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đắn phần thiết kế, code lưu đồ thuật toán vừa xây dựng Với hướng dẫn tận tình thầy Võ Tuấn Minh cùng kiến thức học từ thầy cô, học hỏi từ bạn bè tự tìm tòi Internet, nhóm chúng tơi hồn thành hệ thống cảnh báo chữa cháy có vi xử lý giao tiếp RF với module cảm biến cùng chế độ cảnh báo nhập từ bán phím, tự động ngắt điện kích hoạt hệ thống chữa cháy có cảnh báo nguy hiểm Chương 1: Tổng quan hệ thống báo cháy 1.1 Quy định chung hệ thống báo cháy Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ yêu cầu, quy định tiêu chuẩn, quy phạm hành có liên quan phải quan phòng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng yêu cầu sau: - Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức đề Chuyển tín hiệu phát cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để - người xung quanh thực biện pháp thích hợp Có khả chống nhiễu tốt Báo hiệu nhanh chóng rõ ràng trường hợp cố hệ thống Không bị ảnh hưởng hệ thống khác lắp đặt chung riêng - rẽ Khơng bị tê liệt phần hay tồn cháy gây trước phát - cháy Hệ thống báo cháy tự động phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống phải thực đầy đủ chức đề mà không xảy sai sót Những tác động bên ngồi gây cố cho phận hệ thống không gây cố hệ thống Hệ thống báo cháy tự động bao gồm phận bản: - Trung tâm báo cháy Đầu báo cháy tự động Hộp nút ấn báo cháy Các phận liên kết Nguồn điện Tùy theo yêu cầu hệ thống báo cháy có phận khác thiết bị truyền tín hiệu báo cháy, phận kiểm tra thiết bị phòng cháy, chữa cháy tự động (Nguồn: TCVN 5738:2000) 1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas) Các chất khí có khả cháy nổ cao nguy hiểm Trong điều kiện sinh hoạt, làm việc hàng ngày thường tiếp xúc với chất khí hóa lỏng (gas nấu bếp) chất dành cho ngành công nghiệp Hidro, Axetylene Bản chất q trình cháy nguồn nhiên liệu (chất khí gây cháy) rò rỉ trộn lẫn vào khơng khí Khi nồng độ đến mức vừa đủ không khí (có Oxi) có khả phát cháy nhanh, phát cháy có tác động nguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời ) Nổ q trình cháy nhanh tạo khoảng áp suất lớn phạm vi cháy phát nổ Vậy muốn cháy nhanh phải có điều kiện cần đủ là: - Chất gây cháy hoà trộn với tỷ lệ phù hợp khơng khí, hay nói cách khác - với Oxi có sẵn khơng khí Được kích hoạt tia lửa Trong phạm vi hẹp Hình 1.1: Mơ lan tỏa khí rò rỉ Nếu có điểm rò rỉ từ ống dẫn khí, hay bình chứa khí khí gas dần lan tỏa xung quanh theo mơ hình Nếu khơng có tác động gió, trọng lượng riêng khí nói cách xa điểm rò rỉ nồng độ khí gas gây cháy lỗng Với ngun tắc cháy, khơng có khơng khí khí gas khơng cháy Nồng độ Oxi q q nhiều khó cháy Do khoảng khơng gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí có đủ Oxi để cháy khoảng cách an tồn Và, khoảng khơng gian có q khí gas để cháy an toàn Như vậy, vùng nguy hiểm thực vùng bên ngưỡng phát cháy (UFL) bên ngưỡng cháy (LFL) Một số trường hợp kỹ thuật, người ta cần xác định rõ điểm mà chất khí phát nổ Lúc ta thay từ LFL LEL Tuy nhiên khơng phải chất khí có UFL hay LFL, LEL giống đặc tính lý hóa học Qua q trình phân tích ta phải đưa số thông số chuẩn nhiệt độ 25oC 1atm Sau ví dụ cho vài loại khí gần với nhiệt độ tai nơi đặt cảm biến mức 47oC có gia tăng nhiệt độ oC/phút diện tích 15 – 50 m2 với nhà sinh hoạt (Nguồn: TCVN 5738:2000) Hình 1.2: Ngưỡng UFL LFL số khí phổ biến (Nguồn: http://www.hsevn.com/showthread.php?t=708) 1.3 Ý tưởng Dựa thông số thực tế tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm chúng tơi sử dụng cảm biến (khí gas, nhiệt độ, khói…) phát sớm trường hợp gây hỏa hoạn từ module cảm biến, sau truyền tín hiệu sóng radio (RF) nguy cháy đến khối xử lý trung tâm Khối cảnh báo nguy cháy đến chủ nhà thực biện pháp chữa cháy lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng) 1.4 Sơ đồ khối 1.5 Nguyên lý hoạt động 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến Khi nhiệt độ cao, điện áp cảm biến nhiệt tăng Điện áp đưa qua mạch khuếch đại khơng đảo, sau đưa vào mạch so sánh với áp chọn trước Nếu áp cao áp chuẩn đầu mức cao (khoảng 4V) làm Opto dẫn kích cho mạch phát RF phát kênh Tương tự cảm biến gas Khi có khí gas, cuộn dây bên cảm biến phản ứng với khí gas làm tăng nhiệt độ cuộn dây => trở kháng cuộn dây tăng => áp đầu tăng nhanh chóng Lúc áp đầu cảm biến đưa vào mạch khuếch đại khơng đảo, sau đưa vào mạch so sánh với áp chọn trước Nếu áp cao áp chuẩn đầu mức cao (khoảng 4V) làm Opto dẫn kích cho mạch phát RF phát kênh 1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto Nếu có nhiệt mạch thu RF nhận tín hiệu từ kênh làm opto dẫn kích mức cao vào P0.0.MCU nhận tín hiệu từ chân P0.0 phát tín hiệu cảnh báo lên hình thực chức thiết lập (cắt nguồn điện, bật bơm chữa cháy) Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto Nếu phát rò rỉ gas mạch thu RF nhận tín hiệu từ kênh làm opto dẫn kích mức cao vào P0.1.MCU nhận tín hiệu từ chân P0.1 phát tín hiệu cảnh báo lên hình thực chức thiết lập (cắt nguồn điện, bật bơm chữa cháy) 1.6 Lưu đồ thuật toán 10 Hình 2.10: Sơ đồ nối mạch LM35 (1) VOUT = 0mV + 10mV/°C Tại 0°C áp đầu VOUT = 0mV Tại 25°C, áp đầu VOUT = 250mV Để đo miền nhiệt từ -55°C đến 150°C, nối mạch sau: Hình 2.11: Sơ đồ nối mạch LM35 (2) Chọn R1 = −VS/50 μA VOUT = +1,500 mV +150°C 24 = +250 mV +25°C = −550 mV −55°C 2.5 LM358 Hình 2.12: LM358 Là IC bao gồm Opamp tích hợp bên Hình 2.13: Sơ đồ chân LM358 25 2.6 PC817 (Opto) Hình 2.14: PC817 (Opto) Dùng để ghép cách ly tầng, có dòng điện chạy qua chân 1, 2, transistor bên dẫn Hình 2.15:Sơ đồ chân Opto 2.7 Module thu phát RF 26 Hình 2.16: Module thu phát RF Module thu sử dụng chip mã hóa pt2622, thực mã hóa phát kênh Module nhận sử dụng chip giải mã pt2722 nhận tín hiệu mã hóa từ module phát Tần số hoạt động cặp module 317 Mhz Chương 3: Sơ đồ mạch tính tốn 27 3.1 Khối vi xử lý trung tâm 3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF Hình 3.1: Ghép quang vi xử lý với module thu RF Chọn Iak = 30mA  R10 = R11 = R12 = R13 = (VCC - Vp) / Iak = (5V – 2V)/30mA = 100Ω  Chọn R10, R11, R12, R13 trở 100Ω Chọn IC = 0,5mA 28  R6 = R7 = R8 = R9 = (VCC - Vce)/IC = (5V - 0.2V)/0.5 mA = 9,8KΩ  Chọn R6, R7, R8, R9 trở 10KΩ 3.1.2 Điều khiển chng Hình 3.2: Mạch điều khiển chng Trở kháng chuông: 14.4 Ω Ics= (VCC -Vcesat)/R = (5V - 0.2V)/14.4 = 0.333A Ptt = Vce x IC = 0.333 x 0.2 = 0.067W = 67mW Chọn Q2 thỏa: Chọn Q2 BJT A1013, có β = 60 ÷ 320 Ibng = Ics/βmin = 333mA/60 = 5,5mA Chọn Ib = (2 ÷ 3) Ibng, chọn Ib = 10mA R5 = (VCC -Vec)/Ib = (5 - 0.7)/10 = 0.43KΩ = 430Ω Chọn R5 trở 470Ω 3.1.3 Điều khiển Relay 29 Hình 3.3: Mạch điều khiển Relay Trở kháng cuộn dây relay: 69.4 Ω Ics = (VCC -Vcesat)/R = (5V - 0.2V)/69.4 = 0.069A = 69mA Ptt =Vce x IC = 69 x 0.2 = 13.8mW Chọn Q2 thỏa: Chọn Q2 BJT A1013, có: β = 60 ÷ 320 Ibng = Ics/βmin = 69mA/60 = 1.15mA Chọn Ib = (2 ÷ 3) Ibng, chọn Ib = 2mA R14 = R15 = (VCC -Vec)/Ib = (5V - 0.7V)/2mA = 2.15KΩ Chọn R14, R15 trở 2.2KΩ 3.2 Khối cảm biến 30 Hình 3.4: Sơ đồ khối cảm biến 31 3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại khơng đảo Hình 3.5: Sơ đồ mạch khuếch đại khơng đảo Ta có: AV= Vout/Vin = (1 + R2/R1) Chọn AV = lần R2/R1 = - = Chọn dòng qua R2 thỏa: Iinput