Bộ dao động thạch anh được mắc theo hình. Trong đó chân XTAL1 và XTAL2 (tương ứng chân số 91, 92 của vi điều khiển ) lần lượt là ngõ vào và ngõ ra của bộ khuếch đại đảo được tích hợp sẵn trong chip.
Giá trị của tụ C1 và C2 phải bằng nhau và thường có giá trị vào khoảng 12pF – 22pF. Với ATmega128 thì tần số xung clock hệ thống tối đa là 16MHz và để đạt được tần số tối đa này bit cầu chì CKOPT phải được lập trình ( ghi thành 0 ). Nếu bit CKOPT khơng được lập trình ( ghi giá trị 1 ) thì tần số tối đa chỉ là 8 MHz.
2.1.2.8.2. Bộ dao động thạch anh có tần số thấp
Thạch anh trong trường hợp này có tần số thấp 32,768 KHz được mắc vào mạch như hình. Tần số thấp được sử dụng để giảm công suất tiêu thụ của hệ thống và thích hợp cho các ứng dụng cần đo thời gian thực. Để cấu hình cho hệ thống xung clock theo chế độ này, cần thiết lập các bit cầu chì { CKSEL3..0 } = { 1, 0, 0, 1 }. Các tụ C1, C2 cũng có thể được bỏ đi bằng cách lập trình cho bit CKOPT để cho phép tụ bên trong chip hoạt động. Tụ bên trong chip có giá trị định danh là 36 pF.
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 21 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.1.2.8.3. Bộ dao động R-C bên ngoài
Bộ dao động R-C bên ngồi thích hợp cho những ứng dụng khơng địi hỏi cao về sự chính xác thời gian . Mạch R-C được mắc như hình 20. Tần số dao động vào khoảng:
f=
Trong đó giá trị của C phải tối thiểu là 22 pF. Giá trị định danh của tụ bên trong chip là 36 pF.
2.1.2.8.4. Bộ dao động nội R-C tinh chỉnh đƣợc
Bộ dao động nội RC cung cấp các tần số xung clock cố định 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz ( ở Vcc = 5V và nhiệt độ 25oC ). Ta có thể dùng xung clock này như là xung clock
của hệ thống. Khi sử dụng xung clock của bộ dao động nội làm xung clock của hệ thống ta không cần phải dùng bộ dao động bên ngồi. Vì bộ dao động watchdog độc lập với bộ dao động nội RC nên khi hệ thống hoạt động theo xung clock của bộ dao động nội RC thì bộ dao động watchdog vẫn được sử dụng cho bộ định thời watchdog.
2.1.2.8.5. Bộ tạo xung clock bên ngồi
Người dùng cũng có thể sử dụng một máy phát xung clock bên ngoài để làm xung clock cho hệ thống. Sơ đồ ghép nối với máy tạo xung clock bên ngoài được thể hiện ở hình.
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 22 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.1.2.8.6. Bộ dao động định thời
Người dùng cũng có thể mắc trực tiếp bộ dao động thạch anh vào giữa 2 chân TOSC1 và TOSC2 của vi điều khiển ( không cần tụ ) để tạo xung clock cho hệ thống. Bộ dao động được tối ưu cho tần số thạch anh 32,768 KHz..
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 23 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.2. Khí gas và các tiêu chuẩn Việt Nam về khí gas 2.2.1. Khái niệm và đặc tính khí gas 2.2.1. Khái niệm và đặc tính khí gas
2.2.1.1. Giới thiệu về khí gas:
Gas hay còn được gọi là khí đốt hóa lỏng viết tắt là LPG (Liquified Petroleum Gas). Khí đốt hóa lỏng là sản phẩm thu được từ q trình chế biến dầu mỏ, thành phần của nó bao gồm hỗn hợp của nhiều hydrocacbon parafin mà chủ yếu là propan và butan . Tỷ lệ của propan và butan trong thành phần khí đốt hóa lỏng phụ thuộc vào mỗi hãng sản xuất (Petrolimex , Sell, Total, Thăng Long ...). Đối với LPG tỷ lệ propan và butan là từ 30/70 đến 50/50 về thể tích.
2.2.1.2.Về trạng thái tồn tại
LPG ở thể lỏng và hơi đều không màu, khơng mùi. Vì lý do an tồn nên LPG được pha thêm chất tạo mùi để dễ phát hiện rị rỉ . Thơng thường LPG thương mại được pha thêm chất tạo mùi EtylMecaptan có mùi đặc trưng , khí này hòa tan tốt trong LPG , không độc , khơng ăn mịn kim loại và có tốc độ bay hơi gần LPG nên nồng độ trong LPG không đổi cho đến khi bình chứa được sử dụng hết . Theo các tiêu chuẩn an toàn, nồng độ pha chế tạo mùi phải thích hợp để chúng ta có thể phát hiện được hơi gas rò rỉ khi đạt nồng độ bằng 1/5 lần giới hạn nồng độ bốc cháy thấp.
Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường , LGP tồn tại ở trạng thái khí. Tuy nhiên, do LPG có tỷ số dãn nở thể tích lớn nên để thuận tiện và kinh tế trong quá trình bảo quản , vận chuyển và sử dụng, LPG thường được hóa lỏng bằng cách nén vào các bình chứa chịu áp lực ở nhiệt độ thường hoặc làm lạnh để hóa lỏng ở nhiệt độ thấp.
2.2.1.3.Nhiệt độ sơi : Nhiệt độ sơi của khí đốt hóa lỏng thấp.
Ở áp suất khí quyển : Propan sơi ở -42 độ C và Butan ở -0,5 độ C
Do đó ở nhiệt độ và áp suất thường LPG bay dữ dội dẫn đến nguy cơ tạo thành cùng NHCN rộng lớn nếu bị thốt ra ngồi môi trường khi thiết bị chứa khơng kín hoặc bị rò rỉ.
2.2.1. 4.Tỷ trọng
- Tỷtrọng ở thể lỏng :
Ở điều kiện nhiệt độ 15 độ C và áp suất 760mmHg, tỷ trọng của Propan lỏng bằng 0,51 còn của Butan lỏng bằng 0,575.
Như vậy, ở thể lỏng LPG nhẹ hơn nước . Mặt khác LPG không tan trong nước nên nếu thốt ra có thể nổi và cháy trên mặt nước.
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 24 SVTH: Đặng Ngọc Hải
- Tỷ trọng ở thể khí :
Ở điều kiện nhiệt độ 15 độ C và áp suất 760mmHg, tỷ trọng của propan khí bằng 1,52 cịn của Butan khí bằng 2,01.
Như vậy, ở thể khí LPG nặng hơn khơng khí gấp 2 lần.
Dẫn đến , khi thốt ra ngồi, hơi gas sẽ tích tụ ở những chỗ trũng,chỗ kín (như rãnh nước, hố ga...) tạo thành nồng độ NHCN.
2.2.1.5.Tính dãn nở
Sự dãn nở nhiệt của LPG lớn (gấp 15-20 lần của nước, và lớn gấp nhiều lần so với các sản phẩm dầu mỏ khác).
Dẫn đến bình chứa, bồn chứa LPG chỉ chứa đến 80-85% dung dịch để LPG cỏ thể dãn nở mà không phá hủy thiết bị chứa khi nhiệt độ tăng.
Khi chuyển sang pha hơi thể tích tăng gần 250 lần so với thể tích lỏng.
2.2.2. Đặc trƣng kỹ thuật của khí gas Số Số TT ĐẶC TÍNH LPG PHƢƠNG PHÁP THỬ MIN Đặc trƣng MAX 1 Tỉ trọng tại 150C 0.55 0.55 0.575 ASTM D1657
2 Áp suất hơi ở 37.80C (Kpa) 420 460 1000 ASTM D2598
3 Thành phần (% khối lượng ): + Ethane + Propane + Butane + Pentane và thành phần khác 40 40 50 50 2 60 60 2 ASTM D2163
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 25 SVTH: Đặng Ngọc Hải
4 Ăn mòn lá đồng ở (37.80C
/giờ) 1A 1A 1A ASTM D1838
5 Nước tự do( % khối lượng ): 0 0 0
6 Sulphur sau khi tạo mùi
(PPM) 20 25 30 ISO 4260
7 Cặn cịn lại sau khi hố hơi (
% khối lượng ): 0 0 0.05 ASTM D2158
8 H2S ( % khối lượng ): 0 0 0 ASTM D2420
9 Nhiệt lượng : + KJ/Kg + Kcal/m3 (150C , 760 mm Hg) 50000 26000 10
Nhiệt lượng 1 kg LPG tương đương : + Điện (KW.h) + Dầu hỏa (Lít) + Than (kg) + Củi gỗ (kg) 14 1.5-2 3-4 7-9 11 Nhiệt độ cháy (0C) : + Trong khơng khí + Trong oxy 1900 2900
12 Tỉ lệ hoá hơi : Lỏng ---> Hơi 250 lần
13 Giới hạn cháy trong khơng
khí (% thể tích) 2-10
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 26 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.2.3. Các tai nạn liên quan tới khí gas:
2.2.3.1. Tỷ lệ hòa trộn của cháy gas trong khơng khí
Nếu có một điểm rị rỉ nào đó từ các ống dẫn khí, hay bình chứa khí...khí gas sẽ dần dần lan tỏa ra xung quanh theo mơ phỏng hình trên. Nếu khơng có tác động của gió, hoặc trọng lượng riêng của khí đó thì chúng ta có thể nói rằng càng cách xa điểm rị rỉ thì nồng độ khí gas gây cháy càng lỗng....
Với nguyên tắc cháy, nếu khơng có khơng khí thì khí gas sẽ khơng cháy được. nồng độ oxygen ít quá cũng rất khí cháy, hoặc nhiều quá cũng khó cháy. Do đó khoảng khơng gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí đó có đủ Oxygen để cháy vẫn là
khoảng cách an toàn. Và tất nhiên, khoảng không gian mà có q ít khí gas để cháy cũng rất an toàn. Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bên trên ngưỡng có thể phát cháy được (UFL - Upper Flamable Limit) và bên dưới ngưỡng không thể cháy được (LFL - Lower Flammable Limit). Một số trường hợp trong kỹ thuật, người ta chần xác định rõ hơn điểm mà chất khi đó có thể phát nổ được. lúc đó người ta thay từ LFL = LEL - Lower Explosive Limit. Tuy nhiên không phải chất khí nào cũng có UFL
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 27 SVTH: Đặng Ngọc Hải
hay LFL,LEL giống nhau do đặc tính lý hóa học của nó. Qua q trình phân tích người ta phải đưa ra một số thông số chuẩn tại nhiệt độ 25 độ C và 1 Atmosphere. Sau đây là ví dụ cho vài loại khí gần với chúng ta:
2.2.3.2. Cháy nổ
Các chất khí có khả năng cháy nổ cao đều rất nguy hiểm. Trong điều kiện sinh hoạt, làm việc hàng ngày chúng ta thường tiếp xúc với các chất khi hóa lỏng (gas nấu bếp) hoặc các chất dành cho các ngành công nghiệp như Hydrogen, Axetylene. ..vv.
Bản chất của q trình cháy là do nguồn nhiên liệu (chất khí gây cháy) rị rỉ và trộn lẫn vào khơng khí. Khi nồng độ này trộn đến mức vừa đủ trong khơng khí (có Oxygen) thì nó có khả năng phát cháy thật nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động của nguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời...vv).
- Nổ là q trình cháy rất nhanh do đó tạo ra một khoảng áp suất rất lớn trong phạm vi cháy nó sẽ phát nổ. Vậy muốn cháy được nhanh ta cần có các điều kiện cần và đủ là: - Chất gây cháy hoà trộn với tỷ lệ phù hợp trong khơng khí, hay nói cách khác với Oxygen có sẵn trong khơng khí.
- Được kích hoạt bởi tia lửa. - Trong phạm vi hẹp.
Do gas là vật liệu dễ cháy (nổ) do giới hạn cháy nổ cao từ 2-10% thể tích. Đây là bảng:
- Giới hạn cháy nổ của các hỗn hợp trong khơng khí (Phụ lục 1, trang 48).
- Nhiệt độ tự bắt cháy của một số nhiên liệu tại áp suất khí quyển (Phụ lục 2, trang 48).
2.2.3.3. Ngộ độc khí gas
Như định nghĩa về khí gas đã cho ta biết đó là loại khí khơng màu, khơng mùi, nhưng để dễ nhận biết khi rị rỉ người ta đã thêm vào đó thành phần mùi thối. Vì khí gas ở trạng thái hơi có tỷ trọng nặng hơn khơng khí (oxy), nên khí bị rị rĩ ra ngồi mơi trường rất dễ tích tụ ở những vùng trũng. Về mặt lý thuyết, nếu ta hít phải khí gas trong thời gian ngắn và nồng độ lỗng thì sẽ vơ hại nhưng sẽ trở nên nguy hại nếu ta hít phải trong thời gian dài và nồng độ đậm đặc sẽ gây nên tình trạng ngộ độc. Vì thế để tránh những tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra, việc đầu tiên là phải phòng tránh, phát hiện và khắc phục sự cố kịp thời. Ngộ độc khí gas tác động trực tiếp đến thần kinh trung ương con người nên dễ gây tử vong nếu không phát hiện kịp thời.
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 28 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.2.4. Tiêu chuẩn Việt Nam về khí gas
Gas (LPG) là loại nhiên thuộc nhóm nguy hiểm , dễ cháy nổ, là ngành nghề kinh doanh có điều kiện. Vào những năm đầu thập niên 90 của thế kỷ trước gas mới bắt đầu được sử dụng lại tại thị trường Việt Nam , vào thời điểm này do lĩnh vực về gas cịn mới nên tại Việt Nam chưa có một tiêu chuẩn chuyên ngành cho gas, lúc đó các đơn vị kinh doanh gas phải áp dụng các tiêu chuẩn của Mỹ (NFPA 58); Úc để áp dụng cho mình. Đến năm 1996, Việt Nam mới ban hành được các tiêu chuẩn chuyên ngành cho gas (Phụ lục 3, trang 49).
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 29 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.2.5.Cảm biến khí gas MQ-2 2.2.5.1. Giới thiệu: 2.2.5.1. Giới thiệu:
- MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với khơng khí sạch. Nhưng khi trong mơi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.
- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ2 càng cao.
- MQ2 hoạt động rất tốt trong mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.
2.2.5.2. Hình dạng và kích thƣớc
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 30 SVTH: Đặng Ngọc Hải
2.2.5.3. Sơ đồ mạch cảm biến - Trong đó: - Trong đó: Chân 1,3 là A Chân 2,5 là B Chân 4,6 là H 2.2.5.4.Điện áp làm việc và ứng dụng
Mạch cảm biến có nguồn ni là 5v/dc. Khi có khí gas cuộn H sẽ hấp thụ và tác động đến 2 bản A hoặc B. Ta có thể tùy chọn A hay B là ngõ ra dữ liệu analog. Tùy thuộc vào từng ứng dụng mà ta lựa chọn giá trị của Rl cho phù hợp. Nếu là ngõ vào ADC cho vi điều khiển thì ta chọn Rl sao cho điện áp ngõ ra cao nhất chính là điện áp làm việc của vi điều khiển. Ví dụ như Atxmega128a1 sử dụng điện áp làm việc là 3.3v, còn nếu khơng thì ta sẽ đưa vào bộ so sánh để tạo tín hiệu ra đèn, cịi để báo động.
Việc chuyển đổi từ giá trị điện áp sang giá trị ppm tùy thuộc vào từng loại khí và mơi trường, nhiệt độ làm việc. Nhiệt độ làm việc từ -20oC – 70oC, độ ẩm 95%, với nồng độ của Oxy trong môi trường là 21%. Cảm biến gas MQ-2 đặc biệt nhạy với LPG có độ phân giải từ 200ppm – 5000ppm.
Cảm biến MQ-2 là một lựa chọn phù hợp cho những ứng dụng làm mạch báo động khi có sự cố rị rỉ khí gas. Giá thành rẻ, dễ lắp ráp và sử dụng. Với ứng dụng làm mạch cảnh báo không qua vi điều khiển ta có thể cho ngõ ra vào mạch dao động hay bộ so sánh điện áp để cho ra tín hiệu điều khiển là đèn hoặc còi hoặc các thiết bị cảnh báo khác.
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 31 SVTH: Đặng Ngọc Hải
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MẠCH
3.1.Sơ đồ khối
TĨM TẮT CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI
- Khối nguồn: Ổn định nguồn 3,3V ngõ ra cho vi điều khiển, và cung cấp nguồn 12Vdc cho khối cảm biến.
- Khối cảm biến: Cảm nhận lượng khí gas rị để đưa ra tín hiệu analog về vi điều khiển.
- Khối hiển thị: Khi có tín hiệu cảnh báo từ vi điều khiển, đèn và cịi sẽ phát tín hiệu.
- Khối giao tiếp máy tinh: Giao tiếp truyền dữ liệu từ vi điều khiển lên PC qua cable USB và nhận lệnh từ PC xuống AVR.
- Khối vi điều khiển: Là khối xử lý tín hiệu analog từ khối cảm biến phát lệnh cho khối cảnh báo và truyền và nhận dữ liệu từ khối giao tiếp máy tính.
KHỐI VI ĐIỀU KHIỂN KHỐI NGUỒN KHỐI GIAO TIẾP MÁY TÍNH KHỐI CẢM BIẾN KHỐI HIỂN THỊ (ĐÈN+CỊI)
ĐỒ ÁN 2B BÁO RỊ RỈ KHÍ GAS
GVHD: ThS. Nguyễn Ngọc Sơn 32 SVTH: Đặng Ngọc Hải
3.2.Tính tốn và lựa chọn linh kiện trong mạch
- Khối nguồn: do vi điều khiển AVR Atxmega128a1 sử dụng áp 3,3v/dc nên ta