ĐỒ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN tên chủ đề xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas Lớp CĐT4-K13 Nhóm Thành viên: Nguyễn Hữu Khuyến Nguyễn Hữu Luân Hoàng Văn Lợi Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2020 CHƯƠNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Giới thiệu chung Do nhu cầu sử dụng nguồn lượng khí gas ngày tăng, cố xảy sử dụng khí gas ngày nhiều nhu cầu cấp thiết sử dụng khí gas giảm cố không đáng có khí gas gây cho người sử dụng Để giải vấn đề nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas an tồn để hạn chế cố khí gas khóa van dùng xong, kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo có khí gas bị rị rỉ lắp đặt thiết bị cảnh báo có khí gas bị rị rỉ mơi trường việc lắp đặt, sử dụng hệ thống cảnh báo khí gas ưu tiên, đưa lên hàng đầu việc phát khí gas bị rị rỉ sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện giá hợp lý độ nhạy với khí gas thiết bị cảnh báo khí ga lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng thiết bị lắp đặt,phát rị rỉ sử dụng khí gas Nhận thấy nghiêm trọng cấp thiết việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rị rỉ khí gas tịa nhà,khách sạn hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề tài nhằm tìm hiểu nghiên cứu sâu thiết bị cảnh báo khí gas để thiết kế sản phẩm làm giảm tối đa cố sử dụng khí gas gây tồnhà,khách sạn,hộ gia đình 1.2 Các u cầu  Hệ thống phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng, doanh nghiệp  Hệ thống đảm bảo độ xác  Giá thành hệ thống phù hợp kết cấu nhỏ gọn  Hoạt động ổn định điều kiện môi trường  Có khả nhận biết lượng khí ga có nồng độ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM 1.3 Phương pháp, phạm vi giới hạn nghiên cứu 1.3.1 Phương pháp Đề tài nghiên cứu phương pháp lý thuyết với thực nghiệm với mục đích tạo sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát cố rị rỉ khí gas cách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng an toàn  Phương pháp lý thuyết: Dựa kiến thức cảm biến học, kiến thức mạch Adruino lập trình mạch Adruino, Tài liệu tham khảo đề tài, nghiên cứu khoa học cảm biến khí gas  Phương pháp thực nghiệm: Dựa tham khảo vào mơ hình tham khảo Internet để cải tiến thiết kế mục đích sử dụng 1.3.2 Phạm vi giới hạn nghiên cứu Được dùng để phục vụ an tồn cho tịa nhà, khách sạn, hộ gia đình có cố khí gas rị rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Đưa giải pháp an tồn sử dụng khí gas tịa nhà, khách sạn, hộ gia đình bị rị rỉ sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản,dễ dùng, hợp lý tạo khơng gian an tồn cho người sử dụng phân tích hệ thống, nguyên lý hoạt động hệ thống cảnh báo khí gas Đồng thời mục tiêu đề tài nhằm tạo sản phẩm ngang tầm với sản phẩm có thị trường giá giảm bớt đi, từ dễ dàng tiếp cận với người sử dụng Ngoài ra, từ việc chủ động điều khiển giám sát giúp ta sử dụng điện hợp lý, qua giúp tiết kiệm chi phí gia đình, chủ động hạn chế rủi ro bảo vệ môi trường CHƯƠNG 2.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Khối nguồn Khối cảm biến Khối xử lý Khối báo động 2.1.1 Khối nguồn: Khối tạo điện áp chiều từ nguồn adapto 12V-DC với đầu 5V-DC 12V-DC để cung cấp cho linh kiện hệ thống     • Yêu cầu khối nguồn: Cấp nguồn đầu ổn định +5V, +12V.Độ nhấp nhô điện áp đầu nhỏ 2.1.2 Khối cảm biến Khối cảm biến khí ga có nhiệm vụ nhận biếtđược xuất khí gas bị rị rỉ đưa tín hiệu thơng báo đến khối xử lý Khi xảy tượng rò rỉ khí ga khối nhận biết lượng khí ga rò rỉ đến mức cảnh báo hay chưa, phát tín tín hiệu báo khối xử lý      2.1.3 Khối xử lý trung tâm: Khối xử lý có nhiệm vụ điều hành chung hoạt động tàn hệ thống Nhân tín hiệu từ khối cảm biến phát tín hiệu chấp hành cho khối cảnh báo, phát tín hiệu tới hình LCD 2.1.4 Khối báo động  Báo động cho người dùng biết có rị rỉ khí ga hay hết thời gian hẹngiờ  Cịi: Báo động làm tản khí gas, ngăn khí gas tích tụ khơng gian hẹp  Led hiển thị: hiển thị tùy chọn ta hẹn giờ, mốc thời gian hẹn giờ, cảnh báo có khí ga ký tự hình…  LCD LM016L 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1   Các yêu cầu khối cảm biến khí gas  Hoạt động ổn định điều kiện mơi trường  Có khả nhận biết lượng khí ga có nồng độ 200PPM(phần triệu) đến 10.000PPM 2.2.2   Chọn linh kiện cho khối cảm biến khí gas - Sử dụng cảm biến khí gas MQ5: Tổng quan: Điện áp sử dụng: +5V AOUT: Đầu ADC DOUT: Đầu Digital (So sánh phát khí) Sơ đồ chân cảm biến MQ5: Hình 2.1: Sơ đồ chân ảnh thực cảm biến MQ5 MQ5 cảm biến khí, dùng để phát khí gây cháy Nó cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất có độ nhạy cảm thấp với khơng khí Nhưng mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn thay đổi Chính nhờ đặc điểm người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy sang điện áp Khi môi trường điện áp đầu cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu tăng nồng độ khí gây cháy xung quang MQ5 cao MQ5 hoạt động tốt mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, chất khí gây cháy khác Nó sử dụng rộng rãi cơng nghiệp dân dụng mạch đơn giản chi phí thấp Trên thị trường có nhiều loại module cảm biến khí gas tích hợp sẵn có cách sử dụng đơn giản hiệu Trong module có sử dụng cảm biến khí gas MQ5 Khi phát khí gas bị rị rỉ module xuất tín hiệu hai dạng DOUT_dạng số AOUT_dạng tương tự Người sử dụng tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn tín hiệu phù hợp Tổng quan module: Có chân đầu Aout Dout Trong đó: Điện áp sử dụng: +5V Aout: Điện áp tương tự Nó chạy từ 0.3 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ5 Dout: Điện áp số, giá trị phụ thuộc vào điện áp tham chiếu nồng độ khí mà MQ5 đo 2.2.3 Ưu điểm: Việc có chân số Dout tiện để mắc ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển Khi ta cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ5 đo thấp mức cho phép Dout = Đèn Led tắt Khi nồng độ khí đo lớn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng Ta ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, thiết bị cảnh báo khác 2.2.4 Nhựơc điểm: Một điều khó khăn làm việc với MQ5 ta khó quy từ điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ hiển thị cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện áp trả loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm Trong thiết, để xác định điểm cảnh báo phải thực thủ cơng. Đầu tiên đo trạng thái khơng khí sạch, giá trị thu Vout1. Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ Ta thấy giá trị Aout tăng lên Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2 Ta chọn giá trị Vout2 giá trị ngưỡng cảnh báo Nếu giá trị đo lớn thiết bị xuất tín hiệu cảnh báo 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển  Một số loại điều khiển Arduino Uno: Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vào gồm chân 5V, khả phân giải 1024 mức, tốc độ 16MHz, điện áp từ 7V đến 12V Kích thước Board 5,5x7cm Arduino Micro: Bao gồm có đến 20 chân, có chân phát PWM Loại có thiết kế nhỏ gọn, kích thước 5x2cm Arduino Nano: Có thể nói loại board có kích thước nhỏ 2x4cm, việc lắp đặt thực dễ dàng Arduino Pro: Đây thiết kế mẻ chân số khơng có sẵn, tùy vào số chân bạn sử dụng để gắn trực tiếp giúp tiết kiệm khoảng không lớn, ta thường thấy hai loại có nguồn 3.3V 5V Arduino Mega: Chân số lên đến 64, 14 chân phát PWM, cổng truyền tiếp kích thước lớn 5x10cm Arduino Leonardo: Là board khơng có cổng nối USB dùng lập trình Được thiết kế chip nhỏ điều khiển Kết nối qua COM ảo kết nối với chuột bàn phím  Aduino Uno R3 Đây loại board đơn giản nên phù hợp với người bắt đầu tìm hiểu lĩnh vực này.  Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dịng Arduino UNO Hiện dịng mạch phát triển tới hệ thứ (R3) Hình 2.2: Arduino UNO 2.3.1 Một vài thông số Arduino UNO R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 2.3.2 Vi điều khiển Hình 2.3: Vi điều khiển Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Thiết kế tiêu chuẩn Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với giá khoảng 90.000đ Tuy nhiên yêu cầu phần cứng khơng cao túi tiền khơng cho phép, sử dụng loại vi điều khiển khác có chức tương đương rẻ ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá khoảng 45.000đ ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, sử dụng IC điều khiển cho mạch tự chế Vì ? Vì cần board Arduino UNO để lập trình cho vi điều khiển Trên thực tế, không cần phải dụng Arduino UNO sản phẩm mình, thay vào mạch tự chế để giảm chi phí hình đây: Chế tạo thủ cơng Sử dụng mạch in 2.3.3 Năng lượng Arduino UNO cấp nguồn 5V thông qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO 2.3.4 Các chân lượng GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Lưu ý: Các chân 3.3V 5V Arduino chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị khác, chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí làm hỏng board Điều khơng nhà sản xuất khuyến khích Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp 6V làm hỏng board Cấp điện áp 13V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển ATmega328 Cường độ dòng điện vào/ra tất chân Digital Analog Arduino UNO vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển Cấp điệp áp 5.5V vào chân Digital Analog Arduino UNO làm hỏng vi điều khiển Cường độ dòng điện qua chân Digital Analog Arduino UNO vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, bạn phải mắc điện trở hạn dòng 2.3.5 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:  32KB nhớ Flash: đoạn lệnh bạn lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader đừng lo, bạn cần 20KB nhớ đâu  2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến bạn khai báo lập trình lưu Bạn khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị  1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): giống ổ cứng mini – nơi bạn đọc ghi liệu vào mà khơng phải lo bị cúp điện giống liệu SRAM 2.3.6 Các cổng vào/ra Hình 2.4: Sơ đồ thực cổng vào/ra Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial khơng dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng chân không cần thiết Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 8-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK)  Ngồi chức thơng thường, chân dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V  → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 2.4 Thiết kế mạch đo xử lí tín hiệu 2.4.1 Các khối hệ thống Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống 14 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống 2.4.2 Lưu đồ thuật tốn *Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận giữ liệu I2C: Kiểm tra xem truyền đủ bit chưa Truyền Nhận SDA=data_bit Buffer = databit Clock = No Buffer full No YES YES ACK? No Send ACK YES Next_byte or STOP STOP Read buffer *Lưu đồ thuật toán hệ thống: Begin pinMode(gas, INPUT); pinMode(speaker, OUTPUT); pinMode(led, OUTPUT); digitalRead(smoke) == HIGH System is stopped digitalRead(smoke) == LOW lcd.setCursor(0, 1); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(“BAO DONG_WARNING”); lcd.print(“Binh thuong”); digitalWrite(led, HIGH); digitalWrite(led, LOW); digitalWrite(speaker, HIGH); digitalWrite(speaker, LOW); End 2.5 Mô hình hóa mơ hệ thống 2.5.1 Ngun lí hoạt động: Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động Ở trạng thái bình thường khơng có khí gas (nồng độ khí gas mà MQ2 đo thấp mức hco phép), Dout=1, led tắt, khối báo động khơng hoạt động Khi phát có khí gas rị rỉ (nồng độ khí gas đo lớn mức cho phép), Dout=0, led sáng, tín hiệu đến IC555, coi máy phát tần (vì tạo xung) chân Output (chân 7) nối với loa để đưa tín hiệu ngồi dẫn đến khối báo động hoạt động, đèn led sáng loa kêu báo hiệu người dùng biết có khí gas rị rỉ 2.5.2 Mơ hệ thống  Khi chưa đóng mạch Hình 2.5: Mơ hệ thống chưa đóng mạch  Khi đóng mạch, chưa có khí gas, đèn led khơng sáng, LCD hiển thị dịng chữ bình thường Hình 2.6: Mơ hệ thống đóng mạch  Khi xuất khí gas, LCD hiển thị BAO DONG_WARNING, led sáng, cịi kêu Hình 2.7: Mơ hệ thống xuất khí gas ... người sử dụng Để giải vấn đề nên kết sử dụng đồng thời sử dụng khí gas an tồn để hạn chế cố khí gas khóa van dùng xong, kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo có khí gas bị rò rỉ lắp đặt thiết bị cảnh báo. .. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Giới thiệu chung Do nhu cầu sử dụng nguồn lượng khí gas ngày tăng, cố xảy sử dụng khí gas ngày nhiều nhu cầu cấp thiết sử dụng khí gas giảm cố khơng đáng có khí gas gây... giải pháp an toàn sử dụng khí gas tịa nhà, khách sạn, hộ gia đình bị rị rỉ sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản,dễ dùng, hợp lý tạo khơng gian an tồn cho người sử dụng phân tích hệ thống,