1.7.1 Hệ thống báo cháy
1.7.1.1. Cách nhận biết và báo cháy
Khi một đám cháy xảy ra, ở những vùng cháy thường có những dấu hiệu sau:
Lửa, khói, vật liệu chỗ cháy bị phá hủy. Nhiệt độ vùng cháy tăng lên cao.
Không khí bị Oxy hóa mạnh. Có mùi cháy, mùi khét.
Để đề phòng cháy chúng ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các hệ thống cảm biến làm các thiết bị báo cháy. Kịp thời khống chế đám cháy ở giai đoạn đầu.
Thiết bị báo cháy điện tử giúp chúng ta liên tục theo dõi để hạn chế các vụ cháy tai hại, tăng cường độ an toàn, bình yên cho mọi người.
1.7.2 Các bộ phận chính
1.7.2.1 Cảm biến
Cảm biến là bộ phận hết sức quan trọng, nó quyết định độ nhạy và sự chính xác của hệ thống.
Cảm biến hoạt động dựa vào các đặt tính vật lý của vật liệu cấu tạo nên chúng. Cảm biến được dùng để chuyển đổi các tín hiệu vậy lý sang tín hiệu điện.
a. Cảm biến nhiệt:
Là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý (nhiệt độ) thành tín hiệu điện, đây là loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính. Nguyên tắc làm việc của nó là dòng điện hay điện áp thay đổi khi nhiệt độ tại nơi đặt nó thay đổi. Tuy nhiên nó cũng dễ báo động nhầm khi nguồn điện bên ngoài tác động không theo ý muốn.
Các loại cảm biến nhiệt: IC cảm biến:
Là loại cảm biến bán dẫn được chế tạo thành các IC chuyên dụng với độ nhạy cao, điện áp ra thay đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ, một số loại IC được bán bên ngoài thị trường là: LM355, LM334,…
Thermistor:
Thermistor là loại điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nhưng không tuyến tính và với hệ số nhiệt âm. Điện trở giảm phi tuyến với sự tăng của nhiệt độ. Vì bản thân là điện trở nên trong quá trình hoạt động Thermistor tạo ra nhiệt độ vì vậy gây sai số lớn.
Thermo Couples:
Thermo Couple biến đổi đại lượng nhiệt độ thành dòng điện hay điện áp DC nhỏ. Nó gồm hai dây kim loại khác nhau nối với nhau tại hai mối nối. Khi các dây nối đặc ở các vị trí khác nhau, trong dây xuất hiện suất điện động. Suất điện động tỉ lệ thuận với sự chênh lệnh nhiệt độ giữa hai mối nối. Thermo couple có hệ số nhiệt dương.
b. Cảm biến lửa:
Khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, do đó ta sử dụng các linh kiện phát hiện tia hồng ngoại để phát hiện lửa. Nguyên lý hoạt động là điện trở của các linh kiện thu sóng hồng ngoại tăng, nó chuyển tín hiệu ánh sáng thu được thành tín hiệu điện để báo động. Loại này rất nhạy đối với
lửa. Tuy nhiên cũng dễ báo động nhầm nếu ta để cảm biến ngoài trời hoặc gần ánh sáng bóng đèn tròn.
c. Cảm biến khói:
Thường cảm biến khói là bộ phân riêng biệt chạy bằng PIN được thiết kế để lắp đặt trên trần nhà, trên tường. Ngoài yêu cầu kỹ thuật (chính xác, an toàn) còn đòi hỏi phải đảm bảo về mặt thẩm mỹ. Có hai cách cơ bản để thiết kế bộ cảm biến khói.
Cách thứ nhất sử dụng nguyên tắc Ion hóa. Người ta sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ để Ion hóa trong bộ cảm biến. Không khí bị Ion hóa sẽ dẫn điện và tạo thành một dòng điện chạy giữa chạy giữa hai cực đã đợc nạp điện. Khi các phần tử khói lọt vào khu vực cảm nhận được Ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong buồng cảm nhận và làm giảm luồng điện giữa hai cực. Khi luồng điện giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện và phát tín hiệu báo động.
Cách thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang. Người ta dùng linh kiện phát quang (Led, Led hồng ngoại…) chiếu một tia ánh sáng qua vùng bảo vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, photo transistor, quang trở…). Khi có cháy, khói đi ngang qua vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường độ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu. Khi cường độ giảm xuống tới một giá trị nào đó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện và phát tín hiệu báo động.
Trong hai cách này thì phương pháp thứ nhất nhạy hơn và hiệu quả hơn phương pháp thứ hai, nhưng khó thực thi, khó lắp đặt. Còn cách thứ hai tuy ít nhạy hơn nhưng linh kiện dễ kiếm và dễ thực thi cũng như dễ lắp đặt.
Một nhược điểm của các loại cảm biến này là: mạch báo động có thể sai nếu vùng bảo vệ bị xâm nhập bởi các lớp bụi…
Cảm biến quang có thể hoạt động với ánh sáng thấy được hoặc ánh sáng hồng ngoại, tử ngoại…
- Quang trở:
Quang trở còn có tên gọi khác là vật dẫn quang (photo con) là linh kiện thụ động được tạo ra từ vật liệu bán dẫn mà bề mặt của nó được phơi sáng và điện trở của nó giãm khi tăng cường độ ánh sáng. Trong quang trở các điện tử tự do được tạo bằng năng lượng ánh sáng, cường độ ánh sáng càng lớn thì số lượng điện tử tự do càng lớn. Loại cảm biến này phi tuyến và có độ trể, do đó ít được dùng.
Đặc tuyến của một loại quang trở thông dụng:
- Cảm biến quang bán dẫn:
Đây là loại cảm biến dùng các linh kiện bán dẫn quang như: diode, photo diode, phototransistor, …Khi có ánh sáng đập vào mặt bán dẫn làm giải phóng các điện tử tự do và các đện tử này sẽ chuyễn động tạo thành dòng điện.
- Cảm biến quang nhiệt:
Cảm biến này chuyển quang năng thành nhiệt năng và nhiệt năng này sẽ được nhận biến bằng bộ cảm biến nhiệt, nhiệt độ tỉ lệ với cường độ
R 1M 10M 1000 1 1 10 100 1000 Cường độ ánh sáng 1m/m2
ánh sáng chiếu vào. Loại cảm biến này có độ nhạy thấp, thời gian đáp ứng chậm.
Như vậy mỗi loại cảm biến có tính ưu việc riêng của nó. Tuy nhiên nếu mạnh ở mặt này thì nó sẽ bị hạn chế ở mặt khác, chẳng hạn bộ cảm biến nhiệt chỉ phát hiện cháy ở vùng gần cảm biến cảm biến và tỏ ra không hiệu quả ở vùng có nhiều nguồn nhiệt không phải phát sinh ra cháy. Còn các bộ cảm biến khác có thể phát hiện cháy trong một phạm vi rộng nhưng có đám cháy có ít khói hoặc do các tác động không phải do cháy ở tại nơi đặt cảm biến thì sẽ bị phát hiện nhầm. Vì vậy tùy theo từng vùng, từng nơi mà ta thiết kế những bộ cảm biến thích hợp.
1.7.2.2 Thiết bị báo động
Thiết bị báo động gồm có hai loại:
Báo động tại chỗ.
Báo động tại chỗ ta có thể sử dụng các chuông điện, mạch tạo còi hú hay phát ra tiếng nói để cảnh báo.
Trong các hệ thống báo cháy, bộ cảm biến thường đặt ở những nơi dễ cháy và nối với các thiết bị báo động bằng dây dẫn điện, do đó trong một số trường hợp có thể làm dây bị đứt. Vì vậy một hệ thống báo cháy sẽ trở nên hiệu quả khi sử dụng các bộ phát vô tuyến. Trong đó bộ phận thu gắn với mạch báo động, còn mạch phát gắn với bộ cảm biến. Tuy nhiên việc lắp đặt gặp nhiều khó khăn và giá thành cao.
Báo động qua điện thoại.
Báo động qua điện thoại giúp ta đáp ứng nhanh các thông tin về sự cố đến các cơ quan chức năng. Khi có tín hiệu báo động sẽ tự động quay số đến các cơ quan như: nhà riêng, công an, phòng cháy chữa cháy…
1.7.3 Sơ lược về hệ thống điều khiển
1.7.3.1 Giới thiệu về các mạch điều khiển
a. Mạch điểu khiển xa dùng hồng ngoại:
Mạch này thiết kế và thi công không phứ c tạp, chi phí tổn hao thấp nhưng thuộc loại điều khiển giới hạn ở khoảng cách. Khoảng cách điếu khiển càng xa thì công suất bức xạ tia hồng ngoại sẽ giảm đi làm cho mạch thu tia hồng ngoại không nhận dạng được tín hiệu điều khiển.
b. Mạch điều khiển xa dùng kỹ thuật số:
Mạch này điều khiển rất thích hợp cho các thí nghiệm có quy mô nhỏ, tốn kém, thiết kế và thi công rất phức tạp hơn các mạch điều khiển khác và giới hạn về chức năng vì mạch điện do dùng quá nhiều IC số nên mạch điện khá phức tạp rất nhiều. Khi muốn mở rộng các chức năng điểu khiển thêm thì phải làm lại từ đầu nên khả năng thực thi rất nhỏ.
c. Mạch điều khiển bằng Vi xử lý:
Mạch này rất thích hợp trong các hệ thống điều khiển có quy mô lớn, phức tạp và sử dụng nhiều chức năng. Mạch này không phức tạp ở phần cứng nhưng đòi hỏi kỹ thuật viết chương trình vi xử lý thật tốt. Mạch này thi công khá phức tạp nhưng tình hiệu quả của nó rất cao so với các mạch điều khiển khác. Đối với các mạch sử dụng nhiều chức năng thì ta nên dùng dạng mạch này vì nó sẽ làm đơn giản rất nhiều mạch phần cứng bù lại chương trình phần mềm trở nên rất phức tạp.
1.7.4 Hướng chọn đề tài
Trong đồ án này, em trình bày hai phần “ báo cháy qua điện thoại và điều khiển thiết bị bằng điện thoại” nên trong phần điều khiển thiết bị chúng em chọn mạch điểu khiển bằng board mạch Arduino .
CHƯƠNG 2 : THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG
2.1 Giới thiệu về board mạch điều khiển Arduino
2.1.1 Giới thiệu
Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Giá của các board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27 hoặc 574 468VNĐ, nếu được "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9. Các board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy. Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở). Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên
300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng.
2.1.2 Lịch sử
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea. Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt. Bản thân quán bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014.
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan. Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này.
Giá hiện tại của board mạch này dao động xung quanh $30 và được làm giả đến mức chỉ còn $9. Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát từ Trung Quốc có giá rẻ hơn $4, đã trả phí bưu điện.
2.1.3 Phần cứng
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. Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều shield được định 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 dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy 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 với một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này 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 các board được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng. Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL. Các board Arduino hiện tại được lập 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 Boarduino không chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác. (Khi sử dụng một công cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập 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 sử dụng cho những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa 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 các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa. Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng để
Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived. Một vài trong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại. Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ. Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy 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.