Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

- Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theodõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng.. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

SVTH2: Đỗ Thị Huệ

MSSV : 15141168

Tp Hồ Chí Minh – 6/2019

i

Trang 2

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o Tp HCM, ngày 1 tháng 6 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO,

PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầunhư sau:

- Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt độ, khí gas

- Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theodõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng

- Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi,gửi tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khígas trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa

2 Nội dung thực hiện:

- Lên ý tưởng đồ án

- Tìm hiểu về linh kiện sử dụng

- Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến rò rỉ khí gas

- Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông qua

Internet, truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm

- Vẽ lưu đồ giải thuật

ii

Trang 3

- Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo và rò rỉ khí gas

- Lắp ráp các khối vào mô hình

- Chạy thử nghiệm hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết luận văn

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

18/02/201910/06/2019Thầy Hà A Thồi

iii

Trang 4

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o Tp.HCM, ngày 28, tháng 02, năm 2019

Tuần 3 Gặp GVHD để nghe phổ biến về yêu cầu làm

đồ án , tiến hành chọn đồ án(18/2 – 24/2)

GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

Tuần 4 Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt

nghiệp(25/2 – 3/3)

Tuần 5 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài:

cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiện(4/3 – 10/3)

lửa flame sensor, cảm biến nhiệt độ DHT-22,Arduino Uno R3, động cơ bơm P385,

ESP8266 Node MCU, LCD 16X2

Tuần 6 Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module, các

cảm biến với Arduino ở bộ điều khiển trung(11/3 – 17/3)

tâm

Tuần 7 Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức

năng các khối ( khối nguồn, khối xử lí, khối(18/3 – 24/3)

hiển thị, khối cảm biến, khối truyền dữ liệu)

Tuần 8 Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ đồ

toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt động(25/3 – 31/3)

Trang 5

Tuần 10 Lập trình code cho VDK và tiến hành thi

công mạch(8/4 – 14/4)

công mạch(15/4 – 21/4)

công mạch(22/4 – 28/4)

Tuần 13 Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công

(29/4 – 5/5) Viết báo cáo nội dung đã làm

Tuần 14 Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem

xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo(6/5 – 12/5)

Tuần 15 Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài

(13/5 – 19/5) Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD

GV HƯỚNG DẪN(Ký và ghi rõ họ và tên)

v

Trang 6

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huệ và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án donhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi Nhóm chỉ tham khảo các tàiliệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online Kết quả công bố trong khóa luận tốtnghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019

SV thực hiện đồ án( Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Minh Tâm Đỗ Thị Huệ

vi

Trang 7

LỜI CẢM ƠN

Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viênhướng dẫn thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án,người đã đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sátnhóm làm việc Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thứcthực tế và cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy

Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiệntốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu

-Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là độnglực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH SưPhạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơnnày cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè

vii

Trang 8

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH xii

DANH SÁCH BẢNG VẼ xv

TÓM TẮT xvi

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP 4

2.1.1 Khái niệm 4

2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp 4

2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm 4

2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng 4

2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt 6

2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas 7

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 7

2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ 8

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN 8

2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện 9

2.3.3 Ứng dụng 9

2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM 9

2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG 11

2.5.1 Nguyên lý hoạt động 12

2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển 12

2.5.1.2 Tập lệnh AT 12

viii

Trang 9

2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN (RF) 13

2.6.1 Sóng vô tuyến ( RF ) 13

2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) 15

2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF 17

2.7.1 Nguyên lý hoạt động 17

2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển 18

2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET 18

2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet 18

2.8.2 Các mạng truy nhập không dây 18

2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI 19

2.10 NGUỒN CUNG CẤP 20

2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC 20

2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter 20

2.10.1.2 Nguồn tổ ong 21

2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC 22

2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST 22

2.10.2.2 Mạch hạ áp BUCK 24

2.11 ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 25

2.11.1 Động cơ điện 1 pha 25

2.11.2 Động cơ điện 3 pha 26

2.12 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO 26

2.12.1 Phần cứng 26

2.12.2 Phần mềm 27

2.12.3 Các loại Arduino 28

2.12.3.1 Arduino Uno R3 28

2.12.3.2 Arduino Nano 29

2.12.3.3 Arduino Mega 2560 R3 30

2.13 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 31

2.13.1 Giao tiếp SPI 31

2.13.2 Giao tiếp UART 32

2.13.3 Giao tiếp I2C 33

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38

3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 38

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG 38

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 38

3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch 40

ix

Trang 10

3.2.1.1 Cảm biến khí gas 40

3.2.1.2 Cảm biến lửa 42

3.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ 43

3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 45

3.2.1.5 Chuông báo động 46

3.2.1.6 Khối hiển thị 46

3.2.1.7 Module Wifi ESP8266 48

3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ 50

3.2.1.9 Module SIM 800A MINI 51

3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino 52

3.2.1.11 Khối nguồn 54

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 55

3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu 55

3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm 57

3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm 58

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.1 GIỚI THIỆU 60

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 60

4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liệu 60

4.2.2 Khối xử lý trung tâm 62

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 64

4.3.1 Thi công hộp bảo vệ mạch 64

4.3.2 Thi công mô hình 64

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 64

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 64

4.4.1.1 Khối thu thập dữ liệu 64

4.4.1.2 Khối xử lý trung tâm 69

4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển 69

4.4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình 69

4.4.2.2 Giới thiệu về Web Thingspeak 73

4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC 75

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 76

5.1 GIỚI THIỆU 76

5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 76

5.2.1 Sử dụng Arduino Nano 76

5.2.3 Sử dụng module NRF24L01 76

x

Trang 11

5.2.4 Đưa thông tin lên Web Thingspeak 77

5.2.5 Sử dụng module SIM 800A gọi và nhắn tin 77

5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 77

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 81

6.1 KẾT LUẬN 81

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 83

xi

Trang 12

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Chương 2

Hình 2 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ 7

Hình 2 2: Tia lửa điện 8

Hình 2 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động 10

Hình 2 4: Module SIM 800A mini 11

Hình 2 5: Module SIM 800l 11

Hình 2 6: Module SIM 900A 11

Hình 2 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino 12

Hình 2 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản 16

Hình 2 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản 16

Hình 2 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 17

Hình 2 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+ 17

Hình 2 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz 17

Hình 2 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối 18

Hình 2 14: Mạng LAN không dây 19

Hình 2 15: Mạng không dây diện rộng 19

Hình 2 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 19

Hình 2 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340 20

Hình 2 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01 20

Hình 2 19: Adapter 12V-1.5A 21

Hình 2 20: Nguồn tổ ong 12V-10A 22

Hình 2 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp 23

Hình 2 22: Mạch tăng áp XL6009 4A 24

Hình 2 23: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch hạ áp 24

Hình 2 24: Mạch hạ áp DC-DC LM2596 25

Hình 2 25: Động cơ xoay chiều một pha 25

Hình 2 26: Hình ảnh Arduino Uno R3 28

Hình 2 27: Arduino Nano 29

Hình 2 28: Arduino Mega 2560 R3 30

Hình 2 29: Kết nối 1 thiết bị với Arduino theo chuẩn giao tiếp SPI 31

Hình 2 30: Cấu trúc của một Frame dữ liệu 33

Hình 2 31: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi 34

Hình 2 32: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh 34

Hình 2 33: Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liệu 35

Hình 2 34: Trình tự truyền bit 36

Hình 2 35: Start bit và Stop bit 37

Chương 3 Hình 3 1: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu 38

Hình 3 2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 39

Hình 3 3: Hình ảnh khối máy bơm 40

Hình 3 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến MQ-2 40

Hình 3 6: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 42

Hình 3 7: Module cảm biến phát hiện lửa 42

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý cảm biến phát hiện lửa 43

xii

Trang 13

Hình 3 9: Cảm biến DHT22 44

Hình 3 10: Hình cảm biến siêu âm 45

Hình 3 11: Giản đồ thời gian của cảm biến HC- SR04 45

Hình 3 12: Hình ảnh còi báo động 46

Hình 3 13: Hình ảnh LCD 16x2 47

Hình 3 14: Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 48

Hình 3 15: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 49

Hình 3 16: Mạch Thu Phát RF NRF24L01+ 50

Hình 3 17: Sơ đồ chân Mạch Thu Phát RF NRF24L01+ 51

Hình 3 18: Module SIM 800A Mini 51

Hình 3 19: Arduino Nano 52

Hình 3 20: Sơ đồ chân Arduino Nano 53

Hình 3 21: Sơ đồ khối của khối nguồn 54

Hình 3 22: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp 54

Hình 3 23: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp 54

Hình 3 24: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu 55

Hình 3 25: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 57

Hình 3 26: Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm 58

Chương 4 Hình 4 1: PCB mặt sau khối thu thập 60

Hình 4 2: PCB mặt trước khối thu thập 60

Hình 4 3: Hình ảnh khối thu thập dữ liệu sau khi in 61

Hình 4 4: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiện 62

Hình 4 5: PCB mặt sau của khối trung tâm 62

Hình 4 6: PCB mặt trước của khối trung tâm 63

Hình 4 7: Hình ảnh khối xử lý trung tâm sau khi in 63

Hình 4 8: Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thiện hộp bảo vệ 64

Hình 4 9: Hình ảnh mô hình đề tài 64

Hình 4 10: Lưu đồ khối thu thập dữ liệu 65

Hình 4 11: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến 66

Hình 4 12: Lưu đồ truyền dữ liệu qua Module NRF24L01 67

Hình 4 13: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu UART sang NodeMCU 67

Hình 4 14: Lưu đồ gửi dữ liệu lên Thingspeak 68

Hình 4 15: Lưu đồ khối xử lý trung tâm 69

Hình 4 16: Giao diện Arduino IDE 70

Hình 4 17: Chọn Arduino sử dụng 71

Hình 4 18: Chọn cổng COM kết nối với Arduino 72

Hình 4 19: Hình ảnh truy cập trang Web Thingspeak 73

Hình 4 20: Đăng nhập tên tài khoản và mật khẩu 74

Hình 4 21: Chọn kênh quan sát 74

Hình 4 22: Hình ảnh dữ liệu trên Thingspeak 74

Hình 4 23: Quy trình thao tác sử dụng hệ thống 75

xiii

Trang 14

Chương 5

Hình 5 1: Hình ảnh ban đầu của khối thu thập dữ liệu 77

Hình 5 2: Hình ảnh ban đầu của khối xử lý trung tâm 78

Hình 5 3: Hệ thống phát hiện có gas 78

Hình 5 4: Hệ thống nhắn tin cho người dùng 79

Hình 5 5: Hệ thống phát hiện lửa 79

Hình 5 6: Hệ thống gọi điện thông báo phát hiện lửa 80

Hình 5 7: Thông tin cảm biến được cập nhật trên Thingspeak 80

xiv

Trang 15

DANH SÁCH BẢNG VẼ

Chương 2

Bảng 2 1: Phân loại tần số sóng vô tuyến 15

Chương 3 Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2 42

Bảng 3 2: Thông số kỹ thuật DHT22 44

Bảng 3 3: Chức năng các chân của LCD 16x2 48

Bảng 3 4: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 5V 56

Bảng 3 5: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 12V 56

Bảng 3 6: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 3.3V 56

Bảng 3 7: Danh sách linh kiện khối xử lý trung tâm 58

Bảng 3 8: Danh sách linh kiện khối máy bơm 59

Chương 4 Bảng 4 1: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối thu dữ liệu 62

Bảng 4 2: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối trung tâm 63

xv

Trang 16

TÓM TẮT

Hậu quả của sự cố cháy nổ và hỏa hoạn gây ra rất nặng nề và đáng báo động Theonhư số liệu của Tổng cục Thống Kê (Bộ Kế hoạch và Đầu tư ) tính đến 4 tháng đầunăm 2019 cả nước thiệt hại hơn 458 tỷ đồng, làm 10 người chết và mất tích, 19người bị thương Nhằm nắm bắt được những số liệu trên và có thể hạn chế đượcphần nào hậu quả mà hỏa hoạn và cháy nổ mang lại, nhóm em đã quyết định thiết kếvà thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

Với mục tiêu là hệ thống có thể phát hiện được lửa và khí gas rò rỉ một cáchnhanh chóng và chính xác Người dùng có thể giám sát nhiệt độ của môi trường tạinơi đặt thiết bị từ xa thông qua internet Phương thức cảnh báo đơn giản và thôngdụng như là gọi điện hay nhắn tin sẽ phù hợp đối mọi loại điện thoại di động có mặttrên thị trường hiện nay Nhóm sẽ thực hiện hệ thống thông qua việc tích lũy kiếnthức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn Tất cả vì mụcđích hoàn thành được mô hình dễ lắp dặt, dễ sử dụng, tiết kiệm điện, mang lại chongười dùng cảm giác tin cậy và an toàn

xvi

Trang 17

xvii

Trang 18

đảm bảo an toàn cho người dân nhóm em đã quyết định chọn đề tài “ Thiết kế và thi

công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas” Hệ thống này sử

dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino và module WiFi ESP8266 NodeMCU, các cảm biến nhiệt độ, khí gas và cảm biến phát hiện lửa

Dựa trên thực tế là chỉ có những thiết bị phòng cháy đơn giản như là đầu báocháy, đầu báo khói, đầu báo xì gas, hay các bình chữa cháy di động vẫn chỉ giảiquyết được phần nào hiện tượng cháy nổ và chưa hiệu quả Vấn đề đặt ra là cần mộtthiết bị có tích hợp cả 3 khả năng báo cháy, báo nhiệt độ và rò rỉ khí gas và ngườidùng có thể giám sát trực tiếp số liệu trên internet thông qua laptop hoặc là Smartphone Nhóm em đã vận dụng các kiến thức được học tại trường cũng như khảo sátthực tế để có thể hoàn thành được hệ thống như trên

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas dựa trên nền tảng kiến thức vềlĩnh vực điện tử, xã hội và môi trường Nhóm phát triển hệ thống dựa trên đồ ánmôn học trước là hệ thống báo quá nhiệt độ qua SMS [2] Hệ thống sẽ được cải tiếnthêm về khả năng phát hiện lửa, báo cháy, rò rỉ khí gas, có cơ sở dữ liệu trực tuyếncho người dùng

1.2 MỤC TIÊU

Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas là một hệ thống thu thập các giátrị của cảm biến, hiển thị dữ liệu lên LCD Khi hệ thống phát hiện gas sẽ mở quạt đểhút khí gas ra ngoài, nếu phát hiện lửa sẽ mở máy bơm dập tắt lửa Các thông tin màcảm biến thu thập được sẽ được cập nhật lên Thingspeak.com và thông báo qua điệnthoại người dùng bằng cách gọi điện hoặc gửi tin nhắn Hệ thống cũng có khả năngtự chuyển đổi nguồn cung cấp sang nguồn dự phòng khi có sự cố cúp điện

Trang 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Hệ thống sẽ giúp hạn chế hiện tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn vềtính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa

hoạn và rò rỉ khí gas” thì nội dung cần thực hiện bao gồm:

• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các nghiên cứu gần với đề tài đã có, những hạn chế còn tồn tại từ đó đưa ra những giải pháp cho đề tài nhóm cần hướng tới

• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài: nguyên nhân cháy nổ, rò rỉ khí gas,…

• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận giữa các module, truyền nhận tín hiệu thông qua sóng cao tần

• NỘI DUNG 4: Lựa chọn các cảm biến cũng như vi điều khiển phù hợp với hệ thống

• NỘI DUNG 5: Tìm hiểu IDE – môi trường lập trình cho Arduino

cơ sở dữ liệu trực tuyến

- Sử dụng cảm biến phát hiện lửa flame sensor (3.3V-5VDC)

-Sử dụng cảm biến nhiệt độ DHT-22(5VDC), nhiệt độ hoạt động -40 oC ~ 80oC

- Sử dụng cảm biến phát hiện khí gas MQ-2 (5VDC), phát hiện được các loại khí như LPG, Metan, Hydrogen

- Kích thước mô hình 30x60x30 cm

Trang 20

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này tập trung vào các lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiếnthức về khí gas, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ thống

• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của hệ thống, trìnhbày chi tiết về các loại linh kiện, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau

• Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Dựa trên sơ dồ nguyên lý tiến hành thi công phần cứng là lập trình phầm mềmcho hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã định ra

• Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu banđầu, nhận xét hoạt động của hệ thống

• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiện, đồng thời đưa ra hướng phát triển để có được một đề tài hoàn thiện

Trang 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP

2.1.1 Khái niệm

Hiện nay, với đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trườngthì khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta và đãgóp phần tạo nên sự văn minh của xã hội Lợi ích của gas là rất tích cực, được sửdụng rộng rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiệp

Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu làkhí Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác

2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp

Khí công nghiệp là loại nguyên liệu khí được sản xuât để sử dụng trong côngnghiệp Các khí trong công nhiệp được sửu dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy,caarbon dioxide, hydro, acetylen,…

Các loại khí công nghiệp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khácnhau Bao gồm các ngành công nghiệp nặng như dầu khí, hoá dầu, hóa chất, điện,khai thác mỏ, luyện kim, kim loại Và cũng được sử dụng trong các ngành dượcphẩm, công nghệ sinh học, thực phẩm, nước, phân bón, điện hạt nhân, điện tử, hàngkhông vũ trụ, phân tích thí nghiệm, kiểm nghiệm môi trường…

2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm

Nước ngọt có gas đã trở thành loại nước giải khát quá quen thuộc trong cuộcsống hàng ngày của chúng ta Nước có gas chiếm đến 94% thành phần của nước ngọt,có tên gọi hóa học là: Carbon dioxide (CO2) - có vai trò như một chất bảo quản nhẹ.Khí CO2 được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất nước giải khát và bia rượu

Trong công nghiệp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên menrượu bia, phân hủy chất béo, từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất, như sảnxuất amoniac hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy công nghiệp đốt than

2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia

dụng a Máy điều hòa

Gas điều hòa là môi chất được sử dụng trong hệ thống làm hạnh hấp thụ nhiệt,có nhiệm vụ mang nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn Đây

Trang 22

chính là thành phần không thể thiếu trong quá trình làm lạnh của hệ thống điều hòa nói chung và các hệ thống làm lạnh nói riêng

Các loại gas được sử dụng trong máy điều hóa không khí như gas R22, gasR410A, gas R32 nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là gas R22 và Gas R410A

❖ Gas điều hòa R22

Gas R22 là loại gas được sử dụng đầu tiên trên các máy lạnh, chiếm hơn70% trên thị trường điều hòa hiện nay, được sủ dụng cho máy điều hòa không khíloại thường (không sử dụng công nghệ Inverter)

❖ Gas điều hòa R410A

Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếuoxi chính vì vậy mà phòng của bạn phải được thoáng khí nếu không sẽ rất nguyhiểm khi có hiện tượng rò rỉ khí gas

❖ Gas điều hòa R410A

Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiện nay, được ứng dụng sử dụng nhiềunhất tại Nhật Bản Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22và loại R410A

b Tủ lạnh

Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiệt từ dànlạnh tới dàn nóng Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiệt xung quanh dàn lạnhđể chuyển tới dàn nóng Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua việc tản nhiệt

ra môi trường

❖ Gas R12

Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời

cũ Gas R12 bình thường có mùi hôi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gâychoáng và nhức đầu khi hít nhiều

❖ Gas R134A

Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gasR134A được tạo ra để thay thế cho gas R12 Loại gas này được sử dụng phổ biếncho nhiều loại tủ lạnh dân dụng hiện nay

Trang 23

❖ Gas R404

Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông Loại gas này đượcthiết kế dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiệt độ sâu hơn đồng thời đảm bảotuổi thọ cho máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn

❖ Gas R600

Gas R600 được ứng dụng trong các dòng tủ lạnh cao cấp Gas R600 là GasHidrocacbon (HC gas) nhằm bảo vệ môi trường và an toàn với tầng ozon, tránh hiệntượng biến đổi toàn cầu

2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt

a Khí đốt hóa lỏng (Liquefied Petrolium Gas - LPG)

LPG là khí không màu, không mùi (được thêm mùi để dễ phát hiện khi bị ròrỉ), nhiệt độ ngọn lửa từ 1890ºC đến 1935ºC, nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn khôngkhí, dễ cháy, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở

Khí đốt ( Petrolium gas) là sản phẩm phụ thu được trong quá trình chế

biến dầu, Khí đốt được hóa lỏng để tạo thành LPG Thành phần hóa học chủ yếu gồm propan, butan và một lượng nhỏ propylen, butylen và các khí khác

b Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas - LNG )

LNG là khí không màu, không mùi, không vị, không độc hại và không cótính chất ăn mòn, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 2440oC và nhẹ hơn không khí

Khí thiên nhiên (Natural gas) được hóa lỏng ở -120ºC đến -170ºC (tùy vào tỷlệ thành phần hỗn hợp trong chất khí), giúp dễ dàng bảo quản và vận chuyển

c Khí nén thiên nhiên( Compressed Natural Gas - CNG)

CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC vànhẹ hơn không khí Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đómetan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan,butan và các khí khác

Thông thường, hương lưu huỳnh được thêm vào giúp dễ phát hiện khi bị ròrỉ Do nhẹ hơn không khí nên trong trường hợp rò rỉ, khí thiên nhiên (cả CNG vàLNG) không gây thiệt hại nghiêm trọng như xăng hoặc LPG

Trang 24

2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas

Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảoquản Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên gas thoát ra thiết bị chứa rấtkhó phát hiện, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùibắp cải thối để dễ phát hiện gas bị rò rỉ

Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07lần) nên khi thoát khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất vàtạo thành hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ

Do nhiệt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900oC đến 1950oC) nêndễ gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho việc chữacháy (vận tốc cháy lan của Butan là 0,38m/s của Propan là 0,46m/s)

Hình 2 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Cảm biến là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lýkhông có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng(thường mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được Sau đó các bộ phận xử lítrung tâm sẽ thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnhhưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật, việc đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọngtrong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác

Trang 25

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ củađại lượng cần đo

Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độchính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảmbiến” Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biếnnhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác

2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ

Hiện nay cảm biến nhiệt độ được chia ra làm các loại sau:

• Cặp nhiệt điện ( Thermocouple )

• Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector )

• Thermistor

• Bán dẫn ( Diode, IC ,….)

• Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ).Dùng hồng ngoại hay lazer

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN

Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điệncực khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khhis trung hòa thành ion dương vàelectron tự do

Hình 2 2: Tia lửa điện

Trang 26

2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện

Tia lửa điện có thể hình thành trong không khí khi điện trường đạt giá trịngưỡng vào khoảng 3.106 V/m Hiệu điện thế đủ để phát phát sinh tia lửa điện trongkhông khí giữa hai điện cực dạng khác nhau

❖ Các mạng điện thoại GSM ở Việt Nam

Ở Việt Nam và các nước trên Thế giới , mạng điện thoại GSM vẫn chiếm đa số, Việt Nam có 3 mạng điện thoại GSM đó là :

• Mạng Vinaphone : 091 => 094

• Mạng Mobiphone : 090 => 093

• Mạng Vietel 098

❖ Công nghệ của mạng GSM

Các mạng điện thoại GSM sử dụng công nghệ TDMA - TDMA là viết tắt củatừ Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian

Giải thích : Đây là công nghệ cho phép 8 máy di động có thể sử dụng chung

1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thôngtin

❖ Công nghệ CDMA

Khác với công nghệ TDMA của các mạng GSM là công nghệ CDMA của các mạng như

Trang 27

• CDMA là viết tắt của " Code Division Multiple Access " - Phân chia các truycập theo mã

Giải thích : Công nghệ CDMA sử dụng mã số cho mỗi cuộc gọi, và nó không

sử dụng một kênh để đàm thoại như công nghệ TDMA mà sử dụng cả một phổ tần(nhiều kênh một lúc) vì vậy công nghệ này có tốc độ truyền dẫn tín hiệu cao hơncông nghệ TDMA

❖ Cấu trúc cơ bản của mạng di động

Mỗi mạng điện thoại di động có nhiều tổng đài chuyển mạch MSC ở các khuvực khác nhau ( Ví dụ như tổng đài miền Bắc, miền Trung, miền Nam) và mỗiTổng đài lại có nhiều trạm thu phát vô tuyến BSS

Hình 2 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động

Trang 28

2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG

Dựa trên hệ thống mạng di động GSM trên toàn cầu và nhằm mục đích thựchiện các chức năng gọi điện hay nhắn tin cho người sử dụng điện thoại di động, tacó thể lựa chọn các module sim có mặt trên thị trường như : sim800L, sim900A,sim800A mini,…

Hình 2 4: Module SIM 800A mini

Hình 2 5: Module SIM 800l

Hình 2 6: Module SIM 900A

Trang 29

2.5.1 Nguyên lý hoạt động

Module sim hoạt động dựa trên cách thức là : giao tiếp UART với vi điềukhiển trung tâm và sử dụng tập lệnh AT

2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển

Các module sim sẽ có 2 chân chức năng là : RX, TX Ta sẽ nối với vi điềukhiển theo quy tắc chéo : chân RX của module sim nối với chân TX của vi điềukhiển và ngược lại chân RX của vi điều khiển nối với chân TX của module sim

Riêng đối với dòng module sim 800x mini thì ta mắc theo cách sau : chân TXcủa vi điều khiển (Arduino) khi nối với chân RX của module sim cần qua cầu phânáp trở 1k nối tiếp trở 2k lấy tại điểm giữa Vì để hạ áp từ 5V xuống 3.3V, không làmcháy module sim

Hình 2 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino

2.5.1.2 Tập lệnh AT

Tập lệnh AT (Attention command) tập lệnh chuẩn được hỗ trợ bởi hầu hếtcác thiết bị di động như điện thoại di động, GSM modem có hỗ trợ gửi và nhận tinnhắn tin nhắn dưới dạng SMS (Short Message Service) và điều khiển cuộc gọi Rấtnhiều sinh viên các trường đại học trong và ngoài nước đã được giao các đề tàinghiên cứu về tập lệnh AT phục vụ cho các mục đích điều khiển khác nhau như: cáccuộc gọi, truyền các file dữ liệu dưới dạng âm thanh, hình ảnh từ máy tính đến điệnthoại di động, từ điện thoại di động đến điện thoại di động để tạo kỹ năng làm việctrong các hệ thống mạng viễn thông Nhiều doanh nghiệp trong nước đã xây dựngcác dịch vụ tin nhắn dưới dạng SMS với mục đích quảng cáo và chăm sóc kháchhàng trong kinh doanh

Định dạng
Số trang	140
Dung lượng	6,08 MB