a. Cách nhận biết và báo cháy
Khi một ựám cháy xảy ra thì thường có các dấu hiệu sau: - Lửa, khói, vật liệu chỗ cháy bị phá hủy.
- Nhiệt ựộ vùng cháy tăng lên cao. - Không khắ bị ôxy hóa mạnh. - Có mùi cháy khét.
để cảnh báo cháy, ta có thể dựa vào các dấu hiệu ựó ựể ựặt các cảm biến làm thiết bị báo cháy. Kịp thời phát hiện ựám cháy, khống chế ở giai ựoạn ựầu, ựể giảm thiểu thiệt hại.
b. Các bộ phận nhận biết và cảnh báo cháy
Là loại cảm biến có tác dụng chuyển tắn hiệu vật lý (nhiệt ựộ) sang tắn hiệu ựiện. đây là loại cảm biến có ựộ nhạy tương ựối cao và tuyến tắnh.
Nguyên tắc hoạt ựộng của nó là dòng ựiện hay ựiện áp ựầu ra sẽ thay ựổi khi nhiệt ựộ thay ựổi. Có nhiều loại cảm biến nhiệt ựược chế tạo theo những công nghệ khác nhau tiêu biểu như các cảm biến nhiệt ựược thiết kế thành các IC chuyên dụng với ựộ nhạy cao, ựiện áp ra thay ựổi tỷ lệ thuận với nhiệt ựộ (LM35, LM335).
- LM335 là một Sensor nhiệt thắch hợp ựể cảm nhận sự thay ựổi của nhiệt ựộ, nó hoạt ựộng như một Zener có ựiện áp ựánh thủng tỷ lệ thuận với nhiệt ựộ tuyệt ựối với ựộ gia tăng 10mV/ỨK. LM335 hoạt ựộng trong phạm vi dòng từ 400ộA ựến 5mA mà không thay ựổi ựặc tắnh, có sai số nhỏ hơn 1ỨC trên tầm 100ỨC, ựặc biệt có áp ngõ ra thay ựổi tuyến tắnh với nhiệt ựộ. Tuy nhiên, LM335 chỉ có ựiện áp ựánh thủng tỷ lệ với nhiệt ựộ tuyệt ựối nên việc tắnh toán và thiết kế mạch khó khăn hơn nên ắt sử dụng.
Hình 2.24. IC LM335
- điện trở nhiệt: Là loại ựiện trở có giá trị ựiện trở thay ựổi tuyến tắnh với thay ựổi của nhiệt ựộ với giá trị ựiện trở là 100K/25ỨC. Tiêu biểu cho cảm biến nhiệt loại này là PT100. Ưu ựiểm của loại cảm biến này là cho ựộ chắnh xác cao, dải nhiệt ựộ tắnh toán rộng (có thể lên ựến vài trăm ựộ) việc tắnh toán và thiết kế mạch ựơn giản, nhưng nhược ựiểm là giá thành cao.
Hình 2.25. Cảm biến PT100
- LM35 là loại cảm biến bán dẫn ựược chế tạo thành IC chuyên dụng với ựộ nhạy cao, ựiện áp ra tỷ lệ tuyến tắnh với nhiệt ựộ, dải nhiệt ựộ phù hợp với hệ thống cảnh báo cháy, nhỏ, gọn, giá thành rẻ. Chắnh vì những ưu ựiểm vậy, nên em quyết ựịnh chọn IC LM35 làm cảm biến nhiệt sử dụng trong ựề tài ựể phát hiện sự gia tăng nhiệt ựộ khi có cháy.
* Sơ lược về IC LM35
Theo datasheet của LM35 ta thấy, LM35 là một mạch cảm biến tắch hợp có ựiện áp ựầu ra tỷ lệ tuyến tắnh với nhiệt ựộ ứng với Celsius (ỨC). Do ựó nó có lợi thế hơn các bộ cảm biến nhiệt ựộ tuyến tắnh hiệu chuẩn tại Kelvin (ỨK), ựó là ta không cần phải trừ ựi một lượng hằng số ựiện áp ựể ựược giá trị cần ựo. Nó không cần bất kỳ một sự hiệu chỉnh nào bên ngoài ựể có ựược ựộ chắnh xác ựiển hình ổỬỨC ở nhiệt ựộ phòng và ổớỨC ứng với trên toàn dải rộng. Dải nhiệt ựộ giới hạn ựo ựược của LM35 là từ -55Ứ ựến 150ỨC.
đặc tắnh của LM35 có thể tóm tắt như sau:
- Hiệu chỉnh trực tiếp trong thang nhiệt ựộ Celsius (thang bách phân). - điện áp ra tuyến tắnh 10mV/ỨC.
- Dải nhiệt ựộ ựo giới hạn từ -55Ứ ựến 150ỨC. - Thắch hợp cho các ứng dụng từ xa.
- Chi phắ sản xuất thấp nên giá thành sản phẩm rẻ.
- Dòng ựiện tiêu thụ nhỏ hơn 60ộA.
- Sự phát nhiệt thấp 0.08ỨC trong không khắ. - độ phi tuyến thấp, chỉ ổỬỨC.
- Trở kháng ựầu vào thấp 0.1Ω cho 1mA.
LM35 có thể ựược thiết kế dưới dạng platics hay dưới dạng TO Sơ ựồ chân như hình 2.26:
* LM35 với ADC
đối ATmega32, 8 chân của PORTA ựược sử dụng làm 8 kênh ựầu vào ADC. để sử dụng tắnh năng ADC của ATmega 32, ta thiết kế phần cứng của vi ựiều khiển như sau:
- Chân AVCC: Chân này bình thường khi thiết kế mạch chúng ta ựưa lên Vcc (5V), nhưng khi trong mạch có sử dụng kênh ADC của phần cứng thì ta phải nối chân này lên Vcc qua một cuộn cảm, nhằm mục ựắch cấp nguồn ổn ựịnh cho các kênh ựầu vào của bộ chuyển ựổi.
- Chân AREF: Chân này cần cấp một giá trị ựiện áp ổn ựịnh, ựược sử dụng làm ựiện áp tham chiếu, chắnh và vậy ựiện áp cấp vào chân này cần ổn ựịnh, vì khi nó thay ựổi làm cho giá trị ADC thu ựược ở các kênh bị trôi (thay ựổi) không ổn ựịnh với một giá trị ựầu vào. Ta có công thức sau:
ADCx=(Vin*1024)/AREF
Dựa vào công thức trên ta có thể thấy ựược, giá trị ADC ựọc về phụ thuộc vào ựiện áp ựầu vào Vint. Giá trị ADC thu ựược từ các kênh ựược lưu vào 2 thanh ghi ADCH và ADCL khi sử dụng ta phải ựọc giá trị từ các thanh ghi này, khi sử dụng ở chế ựộ 8 bits thì chỉ lưu vào thanh ghi ADCL.
Dựa vào Datasheet của LM35 ta thấy, giá trị ựiện áp ựầu ra tỷ lệ tuyến tắnh với nhiệt ựộ, cứ 10mV tương ứng với 1ỨC. Ở 0ỨC ựiện áp ra là 0V, tương ứng với giá trị ADC là 0. Với Vref =5V, nếu dùng 8 bits thì giá trị ACD từ 0 ựến 255, lấy tròn 250 mức. Mỗi giá trị ADC tương ứng với 5V/250=20mV. Vậy cứ 1 ADC tương ứng với 2ỨC. Muốn tăng ựộ phân giải ADC ta giảm Vref.
b.2. Cảm biếnkhắ Gas
* Cảm biến khói / khắ gas và cách nhận biết
Thường cảm biến khói/khắ gas là bộ phận riêng biệt chạy bằng PIN ựược lắp ựặt trên trần nhà, trên tường. Ngoài yêu cầu kỹ thuật (chắnh xác, an toàn) còn ựảm bảo yêu cầu về mặt thẩm mỹ. Có hai cách cơ bản ựể thiết kế bộ cảm biến khói.
- Cách thứ nhất là sử dụng nguyên tắc Ion hóa. Người ta sử dụng một lượng nhỏ chất phóng xạ ựể Ion hóa trong bộ cảm biến. Khi bị Ion hóa sẽ dẫn ựiện và tạo thành một dòng ựiện chạy giữa hai cực ựã ựược nạp ựiện. Khi các phần tử khói lọt vào khu vực cảm nhận, ựược Ion hóa sẽ làm tăng ựiện trở trong buồng cảm nhận và làm giảm luồng ựiện giữa hai cực. Khi luồng ựiện giảm ựến một giá trị nào ựó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện và phát tắn hiệu báo ựộng.
Hình 2.27. Cảm biến khói
Hình 2.28. Cảm biến khắ gas
- Cách thứ hai là sử dụng các linh kiện thu phát quang. Người ta dùng linh kiện phát quang (LED, LED hồng ngoạiẦ) chiếu một tia ánh sáng qua vùng bảo vệ vào một linh kiện thu quang (photo diode, photo transitor, quang trở. .). Khi có cháy, khói bay ngang qua vùng bảo vệ sẽ che chắn hoặc làm giảm cường ựộ ánh sáng chiếu vào linh kiện thu. Khi cường ựộ sáng giảm ựến một mức nào ựó thì bộ cảm biến sẽ phát hiện và phát tắn hiệu báo ựộng.
- Trong hai cách ựó thì phương pháp thứ hai nhận tắn hiệu không chắnh xác, nên rất dễ báo ựộng nhầm. Cách thứ nhất tuy việc lắp ựặt và mua linh kiện hơi
khó khăn nhưng cho ựộ chắnh xác cao và hiệu quả. Do ựó, trong ựề tài này em quyết ựịnh sử dụng cách thứ nhất,sử dụng cảm biến khắ gas MQ6 GAS SENSOR.
Hình 2.29. Cảm biến khắ gas MQ-6
* Giới thiệu cảm biến khắ gas MQ6
MQ-6 là cảm biến rất nhạy với khắ gas, iso-butane, propane. Chắnh vì ựặc ựiểm này nên MQ-6 ựược sử dụng trong các thiết bị phát hiện rò rỉ khắ ựốt trong gia ựình và trong xắ nghiệp, nó rất hiệu quả trong việc phát hiện khắ gas hóa lỏng, iso-butane, propan và khắ thiên nhiên hóa lỏng. Chú ý khi dùng loại cảm biến này ta nên tránh xa các ảnh hưởng của rượu (ancohol), khói nấu ăn và khói thuốc lá.
- Cấu tạo: Cấu tạo của cảm biến MQ-6 ựược thể hiện rõ trong hình 2.30 (cấu hình A hoặc B).
Hình 2.30. Cấu tạo và sơ ựồ chân của cảm biến MQ-6
Cảm biến MQ-6 cấu tạo bao gồm ống vỉ gốm Al2O3, lớp nhạy cảm Tin Dioxide (SnO2), ựiện cực và bộ nung ựược cố ựịnh vào một lớp vỏ làm bằng lưới
của các phần tử nhạy cảm. MQ-6 có 6 chân, 4 chân trong số ựó ựược sử dụng ựể lấy tắn hiệu, 2 chân còn lại ựể tạo dòng nhiệt ựiện nung nóng.
Sơ ựồ chân của MQ-6 ựược chỉ rõ trên hình 2.30.
Hình 2.31. Sơ ựồ bên trong và cấu tạo của cảm biến MQ-6 Bảng 2.11. Các bộ phận chắnh của cảm biến khắ gas MQ-6
Bộ phận Vật liệu
1 Lớp cảm biến khắ gas SnO2
2 điện cực Au
3 Dây ựiện cực Pt
4 Cuộn dây làm nóng Ni-Cr
5 Ống gốm AL2O3
6 Mạng bảo vệ Thép không gỉ
7 Vòng kẹp đồng mạ Niken
8 Gốc nhựa Bakelite
Bảng 2. 12. Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ-6: Ký
hiệu Tên tham số
điều kiện kỹ
thuật Ghi chú
Vc điện áp nguồn 5Vổ0. 1 AC hoặc
DC H V điện áp ựốt nóng 5Vổ0. 1 AC hoặc DC L P Trở kháng tải 20KΩ H R Trở kháng ựốt nóng 33Ω ổ 5% H
P Hệ số sưởi ấm tiêu thụ Nhỏ hơn 750mW * Nguyên tắc hoạt ựộng
MQ-6 khi có khắ gas hay các chất mà bộ cảm biến nhận biết ựược khi ựi qua buồng cảm nhận sẽ phát hiện ựược, nếu nồng ựộ khắ gas trong không khắ vượt qua một giới hạn nào ựó thì sẽ có sự thay ựổi của ựiện áp ựầu ra. độ nhạy của MQ-6 với các chất khắ khác nhau thì khác nhau, thể hiện rõ trong ựồ thị 2.32:
Hình 2.32. độ nhạy của MQ-6 với các chất khắ khác nhau.
đồ thị thể hiện rõ ựộ nhạy của MQ-6 ựối với một số chất khắ, trong ựó: tại nhiệt ựộ 20ỨC, ựộ ẩm 65%, nồng ựộ Oxy 21%, ựiện trở RL=20KΩ.
- R0l: Là trở kháng ứng tại 1000 ppm của khắ gas hóa lỏng trong không khắ sạch.
*Sơ ựồ ựấu nối:
Hình 2.33. Sơ ựồ ựấu nối các chân của MQ-6
để có thể xử lý tắn hiệu của MQ-6, ta kết nối ựầu ra của nó với một ADC của ATmega32. Nếu nồng ựộ khắ gas vượt qua mức cho phép thì phát tắn hiệu báo ựộng.
* Cách ựiều chỉnh ựộ nhạy:
Ta biết rằng, giá trị ựiện trở của MQ-6 là khác nhau ựối với các chất khắ khác nhau. Vì vậy, khi sử dụng thì ựiều chỉnh ựộ nhạy là rất cần thiết. Theo chỉ dẫn trong Datasheets thì ựể cho hiệu quả tốt nhất ta nên hiệu chỉnh cho 1000 ppm nồng ựộ khắ gas trong không khắ và sử dụng trở kháng tải RL khoảng 20KΩ.
để hệ thống hoạt ựộng ựược chắnh xác thì trong quá trình ựo ựạc và tắnh toán, ta nên xem xét ựến ảnh hưởng của nhiệt ựộ và ựộ ẩm.