Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng KIT MSP-EXP430G2

1

MỤC LỤC
Chương 1. Phân tích tính toán 3
1.1. Mục đích đề tài 3
1.2. Giải pháp thiết kế 3
1.2.1. Sơ đồ khối 3
1.2.2. Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối 4
1.3. Lựa chọn linh kiện 4
1.3.1. Bộ vi điều khiển 5
1.3.2. các linh kiện liên quan 13
Chương 2. Thiết kế và thực thi 19
2.1. Thiết kế phần cứng 19
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý 19
2.1.2. Sơ đồ mạch in 19
2.2. Thiết kế phần mềm 20
2.2.1. Lưu đồ thuật toán 20
2.2.1. Mã nguồn chương trình 20
2.3. Một số hình ảnh sản phẩm 21

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.2.1. Sơ đồ khối 3
Hình 1.2.2. Khối nguồn 4
Hình 1.2.3. Khối cảm biến 4
Hình 1.2.4. Khối xử lý 4
Hình 1.2.5. Khối cảnh báo 5
Hình 1.3.1. Kiến trúc vi điều khiển MSP430 6
Hình 1.3.2. Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của họ vi điều khiển MSP 430 7
Hình 1.3.3. Trật tự sắp xếp 1 byte, bits, bytes, và words bộ nhớ. 8

Hình 1.3.4. Sơ đồ chân 8
Hình 1.3.5. Bảng (1) sơ đồ chức năng các chân 10
Hình 1.3.6. Bảng (2) sơ đồ chức năng các chân 11
Hình 1.3.8. Địa chỉ các thanh ghi. Error! Bookmark not defined.3
Hình 1.3.9. Sơ đồ bên trong của MQ-2 144
Hình 1.3.10. Cảm biến MQ-2 144
Hình 1.3.11. Sơ đồ mắc modul MQ-2 155
Hình 1.3.12. Chuông báo 166
Hình 1.3.13. Điện trở 166
Hình 1.3.14. Led đơn 166
Hình 1.3.15. Công tắc gạt 177
Hình 1.3.16. Relay 177
Hình 1.3.17. Opto (cách ly quang) 177
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý 19
Hình 2.2. Sơ đồ mạch in 19
Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán 20
Hình 2.4. Mã nguồn chương trình 20
Hình 2.5. Một số hình ảnh sản phẩn 21


3

Chương 1. Phân tích tính toán
1.1. Mục đích đề tài
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng cho
các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn
giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hội như:
Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động… cho đến những ứng
dụng lớn như Robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… Các hệ
thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động

hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, relay cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị
máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí . các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử
lý và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền
tảng của các hệ thống nhúng.
Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệ
của cuộc sống hiện đại, em cũng muốn góp thêm phần phát triển xã hội bằng cách học
hỏi và đưa ra những sản phẩn có ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất
thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng KIT
MSP-EXP430G2”.
Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tập thể
hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn. Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sẽ
cannhr báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để
tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra.
1.2. Giải pháp thiết kế
1.2.1. Sơ đồ khối

Hình 1.2.1. Sơ đồ khối

4

1.2.2. Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối
- Khối nguồn:
Khối nguồn tạo nguồn ổn định 5v và 3,3v, cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt
động.

Hình 1.2.2. Khối nguồn
- Khối cảm biến:
Nhận biết được sự xuất hiện của khí gas bị rò rỉ và đưa tín hiệu thông báo đến khối
xử lý.

Hình 1.2.3. Khối cảm biến
- Khối xử lý:
Xử lý tín hiệu nhận được từ khối cảm biến và phát tín hiệu chấp hành cho khối
cảnh báo.

Hình 1.2.4. Khối xử lý
- Khối cảnh báo:
Nhận tín hiệu chấp hành từ khối xử lý và phát cảnh báo ra loa.
5


Hình 1.2.5. Khối cảnh báo
1.3. Lựa chọn linh kiện
1.3.1. Bộ vi điều khiển
 Chip MSP430G2
Đặc điểm tổng quát của họ vi điều khiển MSP430:
- Nguồn cung cấp: 1,8V~3,6V
- Công suất tiêu tán cực thấp
- 5 chế độ tiết kiệm năng lượng
- Wake-up nhanh từ chế độ Standby<1us
- Có nhiều nguồn xung clock để lựa chọn
- Cấu trúc RISC-16 bit CPU cho phép người sử dụng thiết kế được nhiều ứng dụng.
- Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++
- Giao diện truyền thông nối tiếp:
 Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud.
 Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio).
 Chuẩn giao tiếp động bộ SPI.
 Chuẩn giao tiếp I2C.
- Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu và chốt.
Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu.

- MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo có
sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp. Với chế độ nguồn nuôi
từ khoảng 1,8 đến 3,6v và 5 chế độ bảo vệ nguồn.
- Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ active thì dòng tiêu thụ là 200uA,
1Mhz, 2.2v; chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA và chế độ tắt chỉ duy trì bộ nhớ
Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA.
6

- MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi. Thời gian chuyển chế độ từ chế độ
standby sang chế độ active là rất nhỏ (< 6us). Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiển thị
LCD. 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU.
- Một đặc điểm của họ MSP là khi MCU không có tín hiệu dao động ngoại, thì MSP
sẽ tự động chuyển sang hoạt động ở chế độ dao động nội.

Hình 1.3.1. Kiến trúc vi điều khiển MSP430
Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt, phạm
vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại như nhật ký của dữ liệu.
 Không gian địa chỉ và bộ nhớ:
Cấu trúc vi điều khiển MSP430 có một địa chỉ không gian nhớ được chia sẻ với các
thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs), các bộ ngoại vi, RAM, và bộ nhớ Flash/ROM được
biểu diễn trên hình vẽ. Dữ liệu có thể được truy cập như là những byte hay những từ.
Không gian địa chỉ nhớ có thể mở rộng hơn nữa cho những thiết kế khác.
7


Hình 1.3.2. Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của họ vi điều khiển MSP 430
 Flash/ROM :
Địa chỉ bắt đầu của Flash/ROM phụ thuộc vào số lượng Flash/ROM hiện có và
thay đổi tùy theo loại chip. Địa chỉ kết thúc cho Flash/ROM là 0FFFFh. Flash có thể
được sử dụng cho cả mã và chương trình. Những bảng từ hay byte có thể được cất và sử

dụng trong Flash/ROM mà không cần bảng sao chép tới RAM trước khi sử dụng
chúng.
 RAM:
RAM có địa chỉ bắt đầu tại 0200h. Địa chỉ kết thúc của RAM phụ thuộc vào số
lượng RAM có và thay đổi tùy thuộc vào từng dòng vi điều khiển. RAM có thể được sử
dụng cho cả mã và dữ liệu.
 Những khối ngoại vi:
Những module giao tiếp ngoại vi được xắp xếp vào không gian địa chỉ. Không
gian địa chỉ từ 0100h tới 01FFh được dành riêng cho module ngoại vi 16 bit. Những
module này có thể được truy cập với những từ chỉ dẫn(lệnh). Không gian địa chỉ từ 010h
tới 0FFh được dành riêng cho module ngoại vi 8 bit.
 Những thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs):
Một vài chức năng ngoại vi được cấu hình trong thanh ghi chức năng đặc biệt. Những
thanh ghi chức năng đặc biệt được nằm trong 16 byte thấp của không gian địa chỉ. Những
SFR phải được truy cập bằng việc sử dụng câu lệnh byte.
 Truy cập bộ nhớ
8


Hình 1.3.3. Trật tự sắp xếp 1 byte, bits, bytes, và words bộ nhớ
Những byte được nằm tại những địa chỉ chẵn hay lẻ. Khi sử dụng từ chỉ dẫn, chỉ
những địa chỉ chẵn có thể được sử dụng. Những byte thấp của một từ luôn luôn là một
địa chỉ chẵn. Byte cao ở tại địa chỉ lẻ tiếp theo. Ví dụ, nếu một từ dữ liệu nằm tại địa chỉ
xxx4h, kết thúc byte thấp của từ dữ liệu nằm tại địa chỉ xxx4h, và byte cao của từ đó nằm
tại địa chỉ xxx5h.
 Sơ đồ chân

Hình 1.3.4. Sơ đồ chân
 Chức năng từng chân của vi điều khiển MSP430G2553
Vi điều khiển MSP430G2553 có 2 port, mỗi port gồm 8 chân:

Port 1 : có 8 chân từ P1.0 đến P1.7 tương ứng với các chân từ 2 - 7 và 14, 15.
Port 2 : cũng gồm có 8 chân P2.0 - P2.7 ứng với các chân 8 - 13, 18, 19.
9

Ngoài chức năng I/O thì trên mỗi chân của các port đều là những chân đa chức
năng, ta thể thấy rõ trong bảng sau :

Hình 1.3.5. Bảng (1) sơ đồ chức năng các chân
10


Hình 1.3.6. Bảng (2) sơ đồ chức năng các chân
11

 Sơ đồ khối module Basic Clock


Hình 1.3.7. Sơ đồ khối module basic clock
Module basic clock hỗ trợ cho hệ thống tiêu thụ năng lượng thấp và cực thấp. Sử
dụng 3 nguồn tín hiệu clock, người dùng có thể lựa chọn nguồn tốt nhất mang lại hiệu
quả cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Module basic clock có thể được cấu hình hoạt động
mà không cần bất kì một thành phần bên ngoài nào như một điện trở ngoài, hoặc một
thạch anh ngoài hay các bộ cộng hưởng, dưới sự hỗ trợ đầy đủ bằng kiểm soát phần
mềm.

12

Module bao gồm 2, 3 hoặc 4 nguồn xung clock:
- LFXT1CLK (Low-frequency/high-frequency oscillator): sử dụng được tần số
thạch anh thấp hoặc nguồn xung ngoài 32768Hz hoặc thạch anh chuẩn, các bộ cộng

hưởng hoặc nguồn xung trong khoảng 400-kHz đến 16 MHz.
- XT2CLK (Optional high-frequency oscillator): sử dụng tần số thạch anh chuẩn,
bộ cộng hưởng hoặc nguồn xung ngoài trong phạm vi từ 400kHz đến 16MHz.
- DCLOCK (DCO): Được điều khiển bởi bộ tạo dao động nội.
- VCLOCK: là nguồn nội có công suất rất thấp, tần số thấp đặc trưng với tần số
12kHz.
Có 3 tín hiệu Clock có sẵn trong module basic là:
- ACLK (Auxiliary clock): ACLK dùng cho các module ngoại vi. Nguồn của nó
là s LFXT1CLK hoặc VLOCLK. ACLK có thể được dùng để chia 1/2/4/8 lần.
- SMCLK (Sub-main clock): SMCLK dùng cho các module ngoại vi, nó có
nguồn là LFXT1CLK/VLOCKCLK/XT2CLK/DCOCLK. SMCLK có thể chia 1/2/4/8
lần.
MCLK (Master clock ): MCLK dùng cho các module ngoại vi, nó có nguồn là
LFXT1CLK/VLOCKCLK/XT2CLK/DCOCLK. MCLK có thể chia 1, 2, 4, hoặc 8
lần. MCLK Dùng cho CPU và hệ thống.
 Ngõ vào/ra:
- Cấu trúc cổng nhập xuất số:
Nhập xuất thông dụng nhất là các tín hiệu số với 2 giá trị 0/1 (0/3,3V).
Các chip MSP430 có thể có từ 10-80 chân I/O số. Mặc dù là chân nhập xuất số,
các chân còn được dùng cho các khối khác như Timer, ADC… khi tái khởi động
các chân đều là I/O số. Chẳng hạn chân P1.0 còn được dùng làm TACLK…
 Các thanh ghi của P1:
Port P1 direction, P1DIR: Xác định hướng truyền dữ liệu. Nếu bit i=0, chân P1.i
sẽ là INPUT. Nếu bit i=1, chân P1.i sẽ là OUTPUT. Khi khởi động các bit P1DIR có giá
trị mặc định là 0.
Port P1 resistor enable, P1REN: Bật một bit của thanh ghi này lên 1 sẽ kick hoạt
điện trở kéo xuống tại chân tương ứng.
Port P1 selection, P1SEL: Chọn chân tương ứng là chân nhập xuất số (0- giá trị
mặc định khi khởi động) hoặc có khả năng khác (1).
Port P1 interrup enable, P1IE: Cho phép ngắt trên chân tương ứng nếu bật lên 1,

cấm ngắt nếu bit tương ứng là 0.
Port P1 interrup edge select, P1IES: Chon cạnh lên để tạo ngắt nếu bit tương
ứng là 0, hoặc cạnh xuống nếu là 1. Thanh ghi này chỉ có hiệu lực nếu thanh ghi P1IE đã
bật.
13

Port P1 interrup flag, P1IFG: Là thanh ghi chứa các cờ ngắt. Khi một chân được
bật cho phép ngắt và có sự thay đổi tín hiệu đúng như thanh ghi P1IES đặt thì cờ ngắt
tương ứng chân này bật lên. Nếu GIE đã bật thì ISR sẽ được thực thi.
 Địa chỉ các thanh ghi vào/ra
MSP430 được cấu hình để làm việc với BYTE, điều này sẽ gây khó khăn cho người
lập quen làm việc với BIT. Để có thể làm việc với BIT ta phải định nghĩa lại địa chỉ của
thanh ghi điều khiển PORT.

Hình 1.3.8. Địa chỉ các thanh ghi
1.3.2. Các linh kiện liên quan
 Cảm biến MQ-2 :
Cảm biến MQ-2 (được sử dụng trong nhà và các nhà máy của các thiết bị khí giám
sát rò rỉ, thăm dò là phù hợp với khí hóa lỏng, butan, propan, khí mê-tan, rượu, khí hydro,
khói, vv.). Khí, khói phát hiện khoảng 300 đến 10000ppm khí đặc trưng, độ nhạy
isobutane 1000ppm, nồng độ oxy 21%, điều kiện nhiệt độ: -20 ℃ ~ +70 ℃, độ ẩm: ≤
70%.
MQ-2 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 không khí sạch. Nhưng khi
trong môi trường có chất ngây 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 MQ-2 càng cao.
MQ-2 hoạt động rất tốt trong môi 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.
14


Hình 1.3.9. Sơ đồ bên trong của MQ-2
Sơ đồ chân :


Hình 1.3.10. Cảm biến MQ-2
Trong đó:
Chân 1,3 là A
Chân 2,5 là B
Chân 4,6 là C
- Sơ đồ mắc Modul MQ-2 :
15


Hình 1.3.11. Sơ đồ mắc modul MQ-2
Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó:
Aout: điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3~4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung
quanh MQ2.
Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà
MQ2 đo được.
- Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến
vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh
báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi
nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng.
- Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị
cảnh báo khác.
- Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện

áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện
áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.
Trong mạch, để xác định điểm cảnh báo ta có thể làm một cách thủ công như sau:
Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1. Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ
ra. Ta thấy giá trị Aout tăng lên. Khi đạt khoảng cách khí gas từ bật lửa hợp lý rồi tương
ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2. Ta chọn giá trị Vout2 là
giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớn hơn ta sẽ cảnh báo.
Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L393 = Vout2.
 Chuông báo :
Sử dụng chuông báo để khi mạch phát hiện có sự rò rỉ khí gas chuông sẽ kêu lên
để chúng ta có thể kịp thời khắc phục sự cố rò gas.
16


Hình 1.3.12. Chuông báo
 Điện trở:
Sử dụng điện trở trong mạch để bảo vệ các linh kiện, tránh quá dòng sẽ làm hỏng
linh kiện.

Hình 1.3.13. Điện trở
 LED đơn:
Sử dụng led để báo nguồn, báo khi phát hiện có sự rò khí gas.

Hình 1.3.14. Led đơn

17

 Công tắc:
Trong mạch sử dụng công tắc gạt để bật tắt nguồn cung cấp.

Hình 1.3.15. Công tắc gạt
 Relay:
Sử dụng relay 5v để kick hoạt chuông báo động.

Hình 1.3.16. Relay
 Opto:

Hình 1.3.17. Opto (cách ly quang)
Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 1 led và 1
photo diot hay 1 photo transitor. Được sử dụng đẻ các ly giữa các khối chênh lệch nhau
về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn.
18

Cụ thể trong mạch này Opto có nhiệm vụ cách ly khối có điện áp 3,3v với khối có
điện áp 5v.

19

Chương 2: Thiết kế và thực thi
2.1. Thiết kế phần cứng
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý
2.1.2. Sơ đồ mạch in

Hình 2.2. Sơ đồ mạch in

20

2.2. Thiết kế phần mềm

2.2.1. Lưu đồ thuật toán

Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán
2.2.2. Mã nguồn chương trình
Code chương trình:
#include <msp430g2553.h>
#define LED 0x41
void main(void)
{
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; // Stop watchdog timer
P1DIR = LED;
21

P2REN = 0xff;
P2OUT = 0xf
while( 1 )
{
if( (P2IN & 0x01) == 0)
P1OUT |= LED ;
else P1OUT &= ~LED;
}
}
2.3. Một số hình ảnh của sản phẩm

Hình 2.4. Hình ảnh sản phẩm