Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo cháy

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án nghiên cứu các yêu cầu cần thiết của một hệ thống báo cháy tự động và PIC 16F877A đã được chúng tôi sử dụng để điều khiển hệ thống báo cháy tự động.. Tự động phát ra

621 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH

BÁO CHÁY

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn ThS Lê Văn Chương đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông trường Đại học Vinh đã giảng dạy em trong suốt những năm học qua Do còn nhiều hạn chế về kiến thức và thời gian nên còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý từ quý thầy cô và bạn bè để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Đồ án nghiên cứu các yêu cầu cần thiết của một hệ thống báo cháy tự động và PIC 16F877A đã được chúng tôi sử dụng để điều khiển hệ thống báo cháy tự động Hoạt động ổn định, đảm bảo độ chính xác và có nhiều ứng dụng trong thực tế

ABSTRACT

The thesis research essential requirements of a fire alarm system and PIC

16F877A were we using to control the fire alarm system Stable performance, ensuring accuracy and has many applications in practice

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT 8

LỜI NÓI ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG 11

1.1 Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động 11

1.2 Khái quát nhiệm vụ của hệ thống báo cháy tự động 12

1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động 12

1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động 15

1.4.1 Nguyên lý làm việc 15

1.4.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động 16

1.5 Cảm biến báo cháy 17

1.5.1 Nhiệm vụ của cảm biến báo cháy 17

1.5.2 Phân loại cảm biến báo cháy 17

1.5.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc của cảm biến báo cháy 18

CHƯƠNG 2 VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG 19

2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC 19

2.1.1 Kiến trúc PIC 20

2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC 21

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình cho PIC 21

2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A 21

2.2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 24

2.2.2 Tổ chức bộ nhớ 25

2.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A 28

2.2.4 TIMER 0 29

2.2.5 TIMER1 31

2.2.6 TIMER 2 32

2.2.7 ADC 34

2.2.8 COMPARATOR 36

2.2.9 Bộ tạo điện áp so sánh 38

2.2.10 CCP 39

2.2.11 Ngắt (interrupt) 43

2.3 Cảm biến khí MQ2 44

2.4 Cảm biến nhiệt LM 35 46

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG 48

3.1 Yêu cầu thiết kê hệ thống 48

3.2 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy tự động 49

3.3 Phân tích thiết kế phần cứng 49

3.3.1 Khối nguồn 5V 49

3.3.2 Khối xử lý trung tâm 50

3.3.3 Mạch cảm biến 51

3.3.4 Khối báo hiệu 53

3.3.5 Khối hiển thị 53

3.3.6 Khối giảm thiểu nguy cơ cháy nổ 54

3.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 55

3.5 Sản phẩm 56

KẾT LUẬN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman 20

Hình 2.2: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân 22

Hình 2.3: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A 24

Hình 2.4: Bộ nhớ chương trình 25

Hình 2.5 : Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A 27

Hình 2.6 : Sơ đồ khối của Timer0 30

Hình 2.7 : Sơ đồ khối của Timer1 32

Hình 2.8 : Sơ đồ khối Timer2 33

Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 35

Hình 2.10: Các cách lưu kết quả chuyển đổi AD 35

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động của một bộ so sánh đơn giản 36

Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ tạo điện áp so sánh 38

Hình 2.13: Sơ đồ khối ccp 40

Hình 2.14 : Sơ đồ khối ccp ( compare mode) 41

Hình 2.15 : Sơ đồ khối ccp ( PWM mode) 42

Hình 2.16 MQ2 44

Hình 2.17 Sơ đò nguyên lý 46

Hình 2.18 LM 35 46

Hình 3.1 Sơ đồ khối 49

Hình 3.1 Sơ đồ mạch ổn áp 5V 50

Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm 51

Hình 3.3 Khối mạch cảm biến 52

Hình 3.4 Thiết bị báo động 53

Hình 3.5 Mạch hiển thị LCD 53

Hình 3.5 Quạt thông gió 54

Hình 3.7 Mạch thật 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật khi lắp cảm biến nhiệt 52 Bảng 3.2 Thông số khi lắp cảm biến khói 53

EEPROM Electrically Erasable Programmable

Read-Only Memory

Bộ nhớ không mất dữ

liệu PWM Pulse-width modulation Điều biến xung ADC Analog-to-digital converter Biến đổi tương - tự số

CCP Capture/Compare/PWM Bắtgiữ/Sosánh/

Điều Biếnxung WDT Watch Dog Timer Dòng hẹn giờ

ALU Arithmetic and logic unit Số học và đơn vị

logic

GPR GeneralPurpose RAM Vùng RAM đa mục

đích MCU Multipoint control unit Bộ vi điều khiển

I2C Inter-Intergrated Circuit Mạch tích hợp

LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể

SCL Serial Clock Xung nhịp nối tiếp SDA Serial Data Dữ liệu nối tiếp SDI Serial Data In Dữ liệu vào nối tiếp SDO Serial Data Out Dữ liệu ra nối tiếp

SPI Serial Peripheral Interface Giao diện ngoại vi

RTC Real-time clock Đồng hồ thời gian

thực

BCD Binary-Coded Decimal Số thập phân theo mã

nhị phân

LỜI NÓI ĐẦU

Có thể nói, trong bối cảnh đất nước không ngừng xây dụng và phát triển như hôm nay thì công tác phòng cháy chữa cháy càng chiếm giữu một vai trò quan trọng Ít có tai nạn nào mà cùng lúc có thể gây thiệt hại lớn về tính mạng và tài sản

cả con người như trong các vụ hỏa hoạn Hậu quả của chảy nổ là khôn lường, bởi nguyên nhân gây cháy đôi khi chỉ bắt nguồn từ một đốm lửa nhỏ, một sự cố chập điện hoặc do những bất cần từ con người…nhưng khi đã bùng phát thành đám cháy lại rất dữ dội

Việc phòng cháy chữa cháy luôn trở thành mối quan tâm hàng đầu của nước ta cũng như nhiều nước trên thế giới Nó trở thành nghĩa vụ và trách nhiệm của mỗi người dân Trong cuộc sống của chúng ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy, nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy có tầm quan trọng hết sức lớn lao Nó giúp chúng ta phát hiện nhanh chóng, chữa cháy kịp thời, đem lại sự bình yên cho mọi người, bảo

vệ tính mạng, tài sản cho nhân dân, nhà máy, xưởng sản xuất

Vì vậy việc cảnh báo cháy sớm là một điều qua trọng có thể giảm thiểu được thiệt hai về vật chất và con người đến mức thấp nhất Việc cảnh báo sớm giúp cho chúng ta có kịp thời gian xử lý các tình huống sớm nhất trước khi đám cháy bùng phát lớn hơn

Xuất phát từ tầm quan trọng của việc báo cháy nên em chọn đề tài cho đồ

án tốt nghiệp là “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo cháy” Đây là một đề tài

có tính ứng dụng cao trog cuộc sống Với trình độ còn hạn chế nên còn có nhiều thiếu sót Em rất mong được sự thông cảm và góp ý để hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG

1.1 Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động

Ngày nay, cùng với những hiểm họa có thể xảy ra với con người thì hỏa hoạn

là một trong những mối nguy hiểm mà con người cần phải đề phòng nhất Hậu quả

mà nó gây ra vô cùng lớn, đe dọa đến tính mạng, tinh thần, vật chất Do đó chúng

ta cần có cảnh giác cao về phòng cháy, chữa cháy, bên cạnh đó cần trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy chữa cháy để kịp thời xử lí nhanh khi có sự cố xảy

ra Chỉ có những hệ thống báo cháy, chữa cháy được thiết kế đúng đắn, đầy đủ chức năng, ổn định và đạt tiêu chuẩn mới có thể đảm bảo cho ngôi nhà của bạn khỏi những rủi ro do hỏa hoạn gây ra Với những sản phẩm được thiết kế phù hợp, đạt

tiêu chuẩn sẽ có những tính năng hữu dụng nhất:

- Tránh được những mối nguy hiểm do hỏa hoạn gây ra

- Báo trước những hiểm họa sắp xảy ra (nhờ hệ thống các đầu dò, đầu báo khói, báo nhiệt, báo gas… )

- Dễ dàng xử lí khi xảy ra sự cố (nhờ những thiết bị chữa cháy được thiết

kế phù hợp, hoàn hảo và rất dễ sử dụng)

Hệ thống báo cháy tự động phải được trang bị cho các công trình nguy hiểm

về cháy nổ, nơi tập trung đông người cụ thể là:

- Nhà hành chính, trụ sở làm việc của cơ quan chính quyền, tổ chức chính trị xã hội, trụ sở, nhà, văn phòng làm việc khác

- Khách sạn, nhà hàng, nhà nghỉ, nhà trọ

- Nhà, công trình thuộc cơ sở nghiên cứu khoa học, công nghệ

- Trường học, cơ sở giáo dục

- Bệnh viện, nhà điều dưỡng cấp huyện trở lên, cơ sở y tế khám chữa bệnh

- Rạp hát, rạp chiếu phim, hội trường, nhà văn hóa, nhà thi đấu thể thao, những nơi tập trung đông người, vũ trường, câu lạc bộ, cơ sở vui chơi giải trí và những công trình công cộng khác

- Chợ, trung tâm thương mại siêu thị, cửa hàng bách hóa có tổng diện tích trung bình và lớn

- Nhà lưu trữ, thư viện, bảo tàng, triển lãm thuộc nhà nước quản lý

- Đài phát thanh, truyền hình, cơ sở bưu chính viễn thông từ cấp huyện trở lên

- Nhà máy điện, trạm biến áp từ 220KV trở lên

- Kho, cảng nhập khẩu xăng dầu khí đốt hóa lỏng…

- Công trình an ninh, quốc phòng có nguy hiểm về cháy, nổ hoặc có yêu cầu bảo vệ đặc biệt

- Trung tâm chỉ huy, điều độ, điều hành điều khiển quy mô khu vực và quốc gia các lĩnh vực

- Công trình hầm, tầng hầm

1.2 Khái quát nhiệm vụ của hệ thống báo cháy tự động

Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự động phát hiện và thông báo địa điểm cháy Hệ thống báo cháy tự động bao gồm: trung tâm báo cháy, các cảm biến báo cháy,(tổ hợp chuông đèn nút ấn) và các thiết bị ngoại vi khác…

Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang bảo vệ Tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy nhằm thực hiện mọi nhiệm vụ củ thể nào đó Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói thì nó còn có nhiệm vụ quan trong hơn đó là cảnh báo, tức là phát hiện và thông báo sự sắp cháy, sự âm ỉ chưa có ngọn lửa

1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động

a Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy

- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo khói: là hệ thống báo cháy tự động làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy khói Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự gia tăng nồng độ khói trong khu vực bảo vệ

- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy nhiệt: là hệ thống báo cháy tự động làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy nhiệt

- Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi nhiệt độ trong khu vựa bảo vệ

- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy ánh sáng (lửa): làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo lửa Hệ thống thống này chủ yếu phát hiện ra nồng độ tăng cường ánh sáng của ngọn lửa trong khu vực bảo vệ

- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy hỗn hợp như: đầu báo cháy nhiệt và khói; đầu báo cháy nhiệt và lửa Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi các yếu tố môi trường trong khu vực bảo vệ

Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo đặc điểm kỹ thuật của hệ thống báo cháy

- Hệ thống báo cháy theo vùng (hệ thống báo cháy tự động thường): (hệ thống báo cháy tự động thông thường – couventional fire alarm system): là hệ thống báo cháy tự động có chức năng báo cháy tới một khu vực, một địa điểm (có thể có một hoặc nhiều cảm biến báo cháy) Diện tích bảo vệ của một khu vực có thể vài chục đến 2000m2

(tùy thuộc vào từng loại cảm biến báo cháy) Hệ thống báo cháy

tự động thông minh: với sự phát triển khoa học công nghệ, hệ thống báo cháy theo địa chỉ đã phát triển thành hệ thống báo cháy thông minh (intelligent fire alarm system) Đây là hệ thống báo cháy tự động ngoài chức năng báo cháy thông thường theo địa chỉ, nó còn có thể đo một số thông số về môi trường của khu vực nơi lắp đặt đầu báo như nhiệt độ, nồng độ khói… và có thể thay đổi được ngưỡng tác động của đầu báo cháy theo yêu cầu của nhà thiết kế và lắp đặt Trong thực tế thường dùng cách phân lại này

b Hệ thống báo cháy thông thường

Với tính năng đơn giản, giá thành không cao, hệ thống báo cháy thông thường chỉ thích hợp lắp đặt ở các công trình có diện tích vừa và nhỏ (khoảng vài nghìn

m2), số lượng các phòng ban không nhiều (vài chục phòng) Các thiết bị trong hệ thống được mắc nối tiếp với nhau nối với trung tâm báo cháy, nên khi sảy ra sự cố trung tâm chỉ có thể nhận biết khái quát và hiển thị toàn bộ khu vực (zone) mà hệ thống giám sát (chứ không cho biết chính xác vị trí từng đầu báo, từng địa điểm có cháy) Điều này làm hạn chế khả năng xử lý của nhân viên giám sát Hệ thống báo cháy thông thường trong nhiều hình thức khác nhau đã tồn tại trong một thời gian dài Mặc dù ít thay đổi về căn bản trong thời đại kỹ thuật, nhưng theo thời gian, đặc điểm thiết kế và độ tin cậy của nó đã được tăng lên rất nhiều

Chính hệ thống báo cháy thông thường đã chứng minh hùng hồn vai trò của nó trong việc bảo vệ hửu hiệu tài sản và sinh mạng con người trong hàng triệu trường hợp hỏa hoạn trong khắp thế giới

Hệ thống báo cháy thông thường là sự lựa chọn tự nhiên của những công trình nhỏ hoặc những nơi mà ngân sách có hạn

Trong hệ thống báo cháy thông thường, tính chất “ thông minh” của hệ thống chỉ tập trung vào tủ điều kiện hệ thống báo cháy (control panel) nơi nhận những tín hiệu tạo ra bởi những cảm biến báo cháy hoặc công tắc khẩn và rồi tới lượt nó tủ điều khiển lại truyền tín hiệu đến các thiết bị báo động khác

Những đầu báo cháy thông thường thường được kết nối với tủ điều khiển bằng những mạch dây, mỗi mạch dây bảo vệ cho mỗi khu vực khác nhau

Đầu báo cháy hiển thị hai trạng thái hoạt động là: trạng thái bình thường và trạng thái báo động

Thông thường, tủ điều khiển được chia thành nhiều zone/mạch (zone 1,2,3…)

và mạch chuông riêng biệt

c Hệ thống báo cháy địa chỉ

Với tính năng kỹ thuật cao, hệ thống báo cháy địa chỉ dùng để lắp đặt các công trình mà mặt bằng sử dụng rộng lớn (vài chục nhìn m2), được chia ra làm nhiều khu vực độc lập, các phòng ban trong từng khu vực riêng biệt với nhau Từng thiết bị trong hệ thống được mắc trực tiếp vào trung tâm báo cháy giúp trung tâm nhận tín hiệu xảy ra cháy tại từng khu vực, từng địa điểm một cách rõ ràng, chính xác Từ đó trung tâm có thể nhận biết thông tin sự cố một cách chi tiết và được hiển thị trên bảng hiển thị giúp nhân viên giám sát có thể xử lý sự cố một cách nhanh chóng Hệ thống địa chỉ khác với hệ thống báo cháy thông thường ở phương pháp xử lý tín hiệu, có tốc độ nhận dạng linh hoạt hơn, thông báo cháy minh hơn và phạm vi kiểm soát lớn hơn

Nó kết hợp kỹ thuật vi tính và kỹ thuật truyền dữ liệu hiện đại để giám sát và điều khiển hệ thống xứng đáng là một hệ thống thông minh, được chọn áp dụng ở quy mô vừa hoặc lớn, hoặc cho những hiện trường phức tạp

Trong một hệ thống báo cháy địa chỉ, những đầu báo cháy nối kết nhau, được chạy thành lớp chung quanh hiện trường, mỗi cảm biến báo cháy được gán một địa chỉ riêng

Hệ thống có thể có một hoặc nhiều lớp, tùy kích cỡ hệ thống và yêu cầu thiết

kế Tủ điều khiển liên lạc với từng đầu báo một cách độc lập và liên tục nhận báo

cáo về trạng thái hoạt động của đầu báo: Trạng thái bình thường, trạng thái báo động hoặc trạng thái lỗi kỹ thuật

Vì mỗi đầu báo có một địa chỉ độc lập nên tủ điều khiển báo cháy có thể hiển thị chính xác vị trí của thiết bị khi có vấn đề, nhờ đó nhanh chóng định vị sự cố liên quan Bên trong đầu báo địa chỉ, tự nó có những bộ phận “thông minh” có khả năng

dự báo “ phòng xa”, trước khi báo tình trạng cháy thật hoặc sự cố thật sảy ra, chẳng hạn nó truyền tín hiệu báo cho biết đầu báo có nhiều bụi bặm bám ở mức độ đã được xác định trước

Cảm biến báo cháy có địa chỉ cũng truyền tín hiệu cảnh báo sớm khi phát hiện khói, nhiệt ở mức đã đươc lập trình trước…

Hệ thống báo cháy địa chỉ cũng có thể kết hợp các thiết bị báo cháy loại quy ước

1.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động

Trong hệ thống giám sát nếu trung tâm nhận được tín hiệu báo lỗi từ các thiết

báo cháy sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo chương trình đã cài đặt để đưa ra tín hiệu thông báo khu vực xảy ra cháy qua loa trung tâm và màn hình lcd Đồng thời các thiết bị ngoại vi sẽ kích hoạt để phát tín hiệu báo động cháy và thực hiện các nhiệm vụ đã đề ra

Trong trường hợp trung tâm báo cháy có cài đặt thên chức năng giám sát các thiết bị khác thì khi có sự cố thay đổi về trạng thái của thiết bị (ví dụ: bơm chữa cháy hoạt động, công tắc dòng chảy hoạt động…) thì hệ thống sẽ chuyển sang thông báo thiết bị cần giám sát thay đổi trạng thái Thông tin về sự thay đổi này sẽ hiển thị trên màn hình Chế độ này sẽ kết thúc khi có sự can thiệp từ người giám sát

1.4.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động

Hệ thống báo cháy phải đáp ứng các yều cầu sau:

- Phát hiện nhanh chóng theo chức năng được đề ra

- Chuyển tín hiệu cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những người xung quanh có thể thực hiện ngay những biện pháp thích hợp

- Có khả năng chống nhiễu tốt (nhiễu thường xảy ra khi dây dẫn tín hiệu nằm trong vùng có điện trường mạnh hoặc khi dây dẫn đặt cạnh dây điện ) Như vậy

để chống nhiễu có thể sử dụng dây tín hiệu chống nhiễu hoặc dây tín hiệu thông thường nhưng phải được đi trong ống kim loại

- Báo hiệu rõ ràng và nhanh chóng mọi trường hợp sự cố của hệ thống

- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiên

ra cháy

- Hệ thống phải hoạt đông liên tục trong mọi điều kiện

- Việc lắp đặt các đầu báo cháy với trung tâm báo cháy phải chú ý đến sự phù hợp của hệ thống (điện áp cấp cho đầu báo cháy, dạng tín hiệu báo cháy, phương pháp phát hiện sự cố…)

- Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống này phải thực hiện đầy đủ cá chức năng đã đề ra mà không sai sót

- Những tác động bên ngoài gây ra sự cố ở một bộ phận của hệ thống không được gây ra những sự cố trong hệ thống

- Hệ thống báo cháy tự động ngoài đáp ứng những yêu cầu riêng của nó theo đúng như tiêu chuẩn đề ra

1.5 Cảm biến báo cháy

1.5.1 Nhiệm vụ của cảm biến báo cháy

Cảm biến báo cháy là thiết bị cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của yếu tố môi trường khi cháy như nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói, để tạo ra các tín hiệu truyền về trung tâm khi các giá trị của các yếu tố môi trường đạt một giá trị nhất định

Cảm biến báo cháy có nhiệm vụ: tạo ra tín hiệu điện để truyền về trung tâm khi các yêu tố của môi trường xung quanh đầu báo đạt một giá trị nhất định Có thể coi đầu báo cháy như một thiết bị giao tiếp giữa các yếu tố môi trường của sự cháy với hệ thống tự động báo cháy

Cảm biến báo cháy chỉ thực hiện nhiệm vụ của mình khi các yếu tố môi trường của sự cháy nằm trong diện tích bảo vệ của nó đặt đến ngưỡng làm việc Tín hiệu điện mà đầu báo cháy tạo ra chủ yếu dưới 2 dạng chính:

- Tín hiệu đóng hoặc mở tiếp điểm

- Tín hiệu biến thiên đột ngột về giá trị của dòng điện

Tùy thuộc vào từng loại cảm biến báo cháy mà tín hiệu điện nó tạo ra là khác nhau

1.5.2 Phân loại cảm biến báo cháy

Theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy

Chia làm 4 loại:

- Đầu báo cháy nhiệt: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của nhiệt độ

- Đầu báo cháy khói: Hoạt động dựa trên sự biến đổi nồng độ khói

- Đầu báo cháy lửa: Nhạy cảm với ánh sáng (ánh lửa)

- Đầu báo cháy hỗn hợp: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của hai trong ba yếu tố trên

Phân loại theo điều kiện cung cấp năng lượng

- Đầu báo cháy thường: Thường dùng cho hệ thống báo cháy theo vùng

- Đầu báo cháy địa chỉ: Thường dùng cho hệ thống báo cháy địa chỉ

Phân loại theo chế độ hoạt động:

- Đầu báo cháy cực đại

- Đầu báo cháy vi sai

- Đầu báo cháy cực đại - vi sai

1.5.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc của cảm biến báo cháy

Tùy thuộc vào từng loại đầu báo cháy, vào nguyên lý làm việc, mà các đầu báo cháy có cấu tạo khác nhau Nhưng nhìn chung đầu báo cháy có các bộ phận sau đây:

- Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến báo cháy Nó cảm nhận được sự thay đổi của các yếu tố môi trường và biến đổi sự thay đổi đó thành dạng tín hiệu điện khi các yếu tố này đạt đến một giá trị thích hợp đã được cài đặt sẵn Với mỗi loại đầu báo cháy khác nhau thì bộ phận cảm biến là khác nhau

- Bộ phân mạch tín hiệu: là một mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu

tự bộ phận cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn

- Vỏ đế: là bộ phận bảo vệ và cố định cảm biến báo cháy ở khu vực cần bảo vệ

CHƯƠNG 2

VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG

BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG

2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC

PIC là một vi điều khiển RSC được sản xuất bởi công ty Microchip technology Dòng Pic đầu tiên là PIC 1650 Được phát triển bởi Microelectronic Division thuộc General Intrument

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

“máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho

vi điều khiển CP1600 vì vậy người ta cũng gọi PIC với cái tên “ Peripheral Interface Controller” (bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola 68HC, AVR, ARM, Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi trường đại học, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn kiến thức và phát triển các ứng dụng trên công cụ này vì các nguyên nhân sau:

Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

Giá thành không quá đắt

Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051

Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới khá rộng rãi Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn…

Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương

Hình 2.1: Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard Điểm khác biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và

bộ nhớ chương trình Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Như vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman không thích hợp với cấu trúc của một vi điều khiển

Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai

bộ nhớ riêng biệt Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai

bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể

CPU CPU

Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển dòng 16F, độ dài lệnh luôn là 14 bit (trong khi dữ liệu được tổ chức thành từng byte), còn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh luôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte)

2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ

Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, còn PIC16F877A là flash) Ngoài ra còn có thêm một dòng vi điều khiển PIC mới là dsPIC

Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình cho PIC

Ngôn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng Ngôn ngữ lập trình cấp thấp có MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngôn ngữ lập trình cấp cao

hơn bao gồm C, Basic, Pascal, … Ngoài ra còn có một số ngôn ngữ lập trình được phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…

2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài

14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256x8 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O Với 40 bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường

Hình 2.2: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit

- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep

- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler

- Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung

- Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

- Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ

- Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển RD, WR, CS ở bên ngoài

Các đặc tính Analog:

- 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit

- Hai bộ so sánh

- Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:

- Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần

- Bộ nhớ EEPROM đây là bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu khi không cấp nguồn Thông thường nó được dùng để chứa dữ liệu quan trọng không thể mất nếu chẳng may nguồn cấp bị mất đột ngột.với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần

- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm

- PORTA, PORTB , PORTC, PORTD, PORTE là các ngõ kết nối vật lý giữa vi điều khiển với các phần cứng bên ngoài PORTA có 6 chân giao tiếp trong khi PORTB và PORTC và PORTD có đến 8 chân, PORTE có 3 chân

- Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm

- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial Programming) thông qua 2 chân

- Watchdog Timer với bộ dao động trong

- Chức năng bảo mật mã chương trình

- Chế độ Sleep Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau

2.2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.3: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

2.2.2 Tổ chức bộ nhớ

Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory)

Hình 2.4: Bộ nhớ chương trình

a Bộ nhớ chương trình

Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC16F877A là bộ nhớ flash, dung lượng bộ nhớ 8K word (1 word = 14 bit) và được phân thành nhiều trang (từ page 0 đến page 3) Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14 bit) Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình có dung lượng 13 bit (PC<12:0>)

Khi vi điều khiển được reset, bộ đếmtrình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h (Reset vector) Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉđến địa chỉ 0004h (Interrupt vector) Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và được địa chỉ hóa bởi

Hình 2.5 : Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A

2.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A

Cổng xuất nhập (I/O port) chính là phương tiện mà vi điều khiển dùng để tương tác với thế giới bên ngoài Sự tương tác này rất đa dạng và thông qua quá trình tương tác đó, chức năng của vi điều khiển được thể hiện một cách rõ ràng Một cổng xuất nhập của vi điều khiển bao gồm nhiều chân (I/O pin), tùy theo cách bố trí và chức năng của vi điều khiển mà số lượng cổng xuất nhập và số lượng chân trong mỗi cổng có thể khác nhau Bên cạnh đó, do vi điều khiển được tích hợp sẵn bên trong các đặc tính giao tiếp ngoại vi nên bên cạnh chức năng là cổng xuất nhập thông thường, một số chân xuất nhập còn có thêm các chức năng khác để thể hiện sự tác động của các đặc tính ngoại vi nêu trên đối với thế giới bên ngoài Chức năng của từng chân xuất nhập trong mỗi cổng hoàn toàn có thể được xác lập và điều khiển được thông qua các thanh ghi SFR liên quan đến chân xuất nhập đó

Vi điều khiển PIC16F877A có 5 cổng xuất nhập, bao gồm PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE Cấu trúc và chức năng của từng cổng xuất nhập sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau

a PORTA

PORTA (RPA) bao gồm 6 I/O pin Đây là các chân “hai chiều” (bidirectional pin), nghĩa là có thể xuất và nhập được Chức năng I/O này được điều khiển bởi thanh ghi TRISA (địa chỉ 85h) Muốn xác lập chức năng của một chân trong PORTA là input, ta “set” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA và ngược lại, muốn xác lập chức năng của một chân trong PORTA là output, ta “clear” bit điều khiển tương ứng với chân đó trong thanh ghi TRISA Thao tác này hoàn toàn tương tự đối với các PORT và các thanh ghi điều khiển tương ứng TRIS (đối với PORTA là TRISA, đối với PORTB là TRISB, đối với PORTC là TRISC, đối với PORTD là TRISD vàđối với PORTE là TRISE) Bên cạnh đó PORTA còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog ngõ vào xung clock của Timer0 và ngõ vào của bộ giao tiếp MSSP (Master Synchronous Serial Port)

Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTA bao gồm :

PORTA (địa chỉ 05h) : chứa giá trị các pin trong PORTA

TRISA (địa chỉ 85h) : điều khiển xuất nhập

CMCON (địa chỉ 9Ch) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh

CVRCON (địa chỉ 9Dh) : thanh ghi điều khiển bộ so sánh điện

b PORTB

PORTB (RPB) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISB.Bên cạnh đó một số chân của PORTB còn được sử dụng trong quá trình nạp chương trình cho vi điều khiển với các chế độ nạp khác nhau PORTB còn liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0 PORTB còn được tích hợp chức năng điện trở kéo lên được điều khiển bởi chương trình.Các thanh ghi SFR liên quan đến PORTB bao gồm:

PORTB (địa chỉ 06h,106h) : chứa giá trị các pin trong PORTB

TRISB (địa chỉ 86h,186h) : điều khiển xuất nhập

OPTION_REG (địa chỉ 81h,181h) : điều khiển ngắt ngoại vi và bộ Timer0

c PORTC

PORTC (RPC) gồm 8 pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISC.Bên cạnh đó PORTC còn chứa các chân chức năng của bộ so sánh, bộ Timer1, bộ PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART

Các thanh ghi điều khiển liên quan đến PORTC:

PORTC (địa chỉ 07h) : chứa giá trị các pin trong PORTC

TRISC (địa chỉ 87h) : điều khiển xuất nhập

d PORTE

PORTE (RPE) gồm 3 chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng là TRISE Các chân của PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

Các thanh ghi liên quan đến PORTE bao gồm:

PORTE : chứa giá trị các chân trong PORTE

TRISE : điều khiển xuất nhập và xác lập các thông số cho chuẩn giao tiếp PSP

ADCON1 : thanh ghi điều khiển khối ADC

2.2.4 TIMER 0

Đây là một trong ba bộ đếm hoặc bộ định thời của vi điều khiển PIC16F877A Timer0 là bộ đếm 8 bit được kết nối với bộ chia tần số (prescaler) 8 bit Cấu trúc

của Timer0 cho phép ta lựa chọn xung clock tác động và cạnh tích cực của xung clock Ngắt Timer0 sẽ xuất hiện khi Timer0 bị tràn Bit TMR0IE (INTCON<5>) là bit điều khiển của Timer0.TMR0IE=1 cho phép ngắt Timer0 tác động, TMR0IF= 0 không cho phép ngắt Timer0 tác động Sơ đồ khối của Timer0 như sau:

Hình 2.6 : Sơ đồ khối của Timer0

Muốn Timer0 hoạt động ở chế độ Timer ta clear bit TOSC (OPTION_REG<5>), khi đó giá trị thanh ghi TMR0 sẽ tăng theo từng chu kì xung đồng hồ (tần số vào Timer0 bằng ¼tần số oscillator) Khi giá trị thanh ghi TMR0 từ FFh trở về 00h, ngắt Timer0 sẽ xuất hiện.Thanh ghi TMR0 cho phép ghi và xóa được giúp ta ấn định thời điểm ngắt Timer0 xuất hiện một cách linh động

Muốn Timer0 hoạt động ở chế độ counter ta set bit TOSC (OPTION_REG<5>) Khi đó xung tác động lên bộ đếm được lấy từ chân RA4/TOCK1 Bit TOSE (OPTION_REG<4>) cho phép lựa chọn cạnh tác động vào bột đếm Cạnh tác động sẽ là cạnh lên nếu TOSE=0 và cạnh tác động sẽ là cạnh xuống nếu TOSE=1

Khi thanh ghi TMR0 bị tràn, bit TMR0IF (INTCON<2>) sẽ được set Đây chính là cờ ngắt của Timer0 Cờ ngắt này phải được xóa bằng chương trình trước khi bộ đếm

bắt đầu thực hiện lại quá trình đếm Ngắt Timer0 không thể “đánh thức” vi điều khiển từ chế độ sleep