Nghiên cứu, thi công hệ thống phòng cháy và báo cháy cho nhà phố

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Hệ thống báo cháy đầy đủ
Hình 2.2. Module cảm biến khí gas MQ-02
Hình 2.3. Cấu trúc địa chỉ của các thiết bị tớ theo chuẩn One – Wire
Hình 2.4. Mơ tả hoạt động của chuẩn One – Wire
Hình 2.5. Sơ đồ chân module DHT11
Hình 2.6. Cách thức hoạt động
Hình 2.7. Bit 0
Hình 2.8. Bit 1
Hình 2.9. Thời gian tồn tại các bit
Hình 2.10. Hình ảnh thực tế LCD 20x4
Hình 2.11. Bảng mã kí tự
Hình 2.12. Bus I2C và các thiết bị ngoại vi
Hình 2.13. Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh
Hình 2.14. Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liệu
Hình 2.15. Trình tự truyền bit
Hình 2.16. Start bit và Stop bit
Hình 2.17. Module chuyển đổi I2C cho LCD 20x4
Hình 2.18. Hệ thống truyền dữ liệu bất đồng bộ
Hình 2.19. Khung truyền dữ liệu của chuẩn giao tiếp UART.
Hình 2.20. Kiểm tra dữ liệu khi truyền
Hình 2.21. Cách thức hoạt động khi truyền
Hình 2.22. Kết thúc dữ liệu khi truyền
Hình 2.23. Các kiểu kết thúc dữ liệu
Hình 2.24. Module PZEM - 004T
Hình 2.25. Sơ đồ nối dây PZEM 004T
Hình 2.26. Module SIM 800A mini
Hình 2.27. Module SIM 800l
Hình 2.28. Module SIM 900A
Hình 2.29. Giao tiếp UART giữa module SIM và vi Arduino
Hình 2.30. Giao tiếp UART giữa Module SIM900A và Arduino Mega2560

viii


Hình 2.31. Module SIM 900A sử dụng
Hình 2.32. Module hạ áp LM2596
Hình 2.33. Sơ đồ nguyên lý module LM2596
Hình 2.34. Arduino Mega 2560
Hình 2.35. Sơ đồ chân Arduino Mega 2560
Hình 2.36. Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của module NodeMCU ESP8266
Hình 2.37. Kit phát triển Arduino MEGA + WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266
Hình 2.38. Sơ đồ chuyển USB UART CH340G
Hình 2.39. Dip Switch
Hình 2.40. Lựa chọn kết nối giữa TX0 và TX3
Hình 2.41. Sơ đồ chân của Esp8266
Hình 2.42. Phiên bản phát triển của Arduino 2560 với Esp8266
Hình 2.43. Mode chuyển đổi để nạp code cho ESP8266.
Hình 3.1. Sơ đồ khối tồn mạch
Hình 3.2. Sơ đồ chân của Node MCU8266
Hình 3.3. Sơ đồ chân của Arduino Mega2560
Hình 3.4. Sơ đồ kết nối 4 Pzem-004T với Mega2560
Hình 3.5. Module Relay 4 kênh
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối module Relay 4 kênh với Mega2560
Hình 3.7. Sơ đồ kết nối ngõ ra một Relay với một thiết bị
Hình 3.8. Sơ đồ kết nối LCD 20x4 với Mega2560
Hình 3.9. Kết nối cảm biến khí Gas với Arduino Mega2560
Hình 3.10. Kết nối module Sim900A với Arduino Mega2560
Hình 3.11. Sơ đồ ngun lý tồn mạch
Hình 4.1. Sơ đồ mạch in
Hình 4.2. Bố trí linh kiện mặt trước board
Hình 4.3. Mặt sau của board

Hình 4.4. Hộp đựng board chính và các module giao tiếp
Hình 4.5. Hình ảnh mơ hình nhìn từ bên ngồi hộp
Hình 4.6. Hình ảnh mơ hình bên trong hộp
Hình 4.7. Lưu đồ chương trình chính của Arduino Mega2560
Hình 4.8. Lưu đồ giải thuật của Node MCU 8266
ix


Hình 4.9. Lưu đồ chương trình con đọc cảm biến PZEM
Hình 4.10. Lưu đồ chương trình con gửi và gọi qua Sim
Hình 4.11. Cửa sổ làm việc của Arduino IDE
Hình 4.12. Các thành phần của Nodejs
Hình 4.13. Cửa số Library Manager
Hình 4.14. Project setting trong Firebase
Hình 4.15. Database secrets trong Firebase
Hình 4.16. Code Database secrets
Hình 4.17. Realtime Database trong Firebase
Hình 4.19. Các thành phần của Nodejs
Hình 4.20. Giao diện phần mềm Bitvise SSH Client
Hình 4.21. Giao diện viết lệnh Terminal
Hình 4.22. Cấu trúc một website
Hình 4.23. Cấu trúc cơ bản của HTML
Hình 4.24. Chương trình định nghĩa nút nhấn, trạng thái thiết bị trong HTML
Hình 4.25. Chương trình định dạng nút nhấn và trạng thái thiết bị
Hình 4.26. Chương trình khai báo kết nối Firebase
Hình 4.27. Chương trình lắng nghe các thay đổi trên Realtime Database
Hình 4.28. Chương trình xử lý nút nhấn trên website
Hình 4.29. Chương trình cập nhật giá trị nút nhấn trên website
Hình 5.1. Hình giao diện đăng nhập địa chỉ trên web
Hình 5.2. Cơng suất và trạng thái của thiết bị

Hình 5.3. Hiển thị trạng thái của bàn và nút nhấn điều khiển ON/OFF thiết bị
Hình 5.4. Điều khiển tắt thiết bị 2,3 và 4, bật thiết bị 1
Hình 5.5. Thiết bị 1 tắt, thiết bị 2,3 và 4 bật
Hình 5.6. Hiển thị độ ẩm, nhiệt độ, tổng cơng suất của 4 thiết bị
Hình 5.7. Tin nhắn cảnh báo có thiết bị hoạt động

x


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng 2.1. Chức năng chân của LCD
Bảng 2.2. Chức năng chân RS và R/W
Bảng 2.3. Tập lệnh của LCD
Bảng 2.4. Bảng thơng số cấu hình Dip Switch
Bảng 2.5. So sánh thông số kỹ thuật giữa các Arduino hiện nay.
Bảng 3.1. Bảng kết nối I2C LCD 20x4 với Mega2560
Bảng 3.2. Bảng tổng dòng điện cung cấp cho mạch

xi


MỤC LỤC
Trang bìa ……………………………………………………………………………….i
Nhiệm vụ đồ án …………………………………………………………………………...ii
Lịch trình ……………………………………………………………………………...iv
Cam đoan ……………………………………………………………………………...vi
Lời cảm ơn …………………………………………………………………………...vii
Liệt kê hình ảnh ……………………………………………………………………...viii
Liệt kê bảng vẽ……………………………………………………………………………………...xii
Mục lục …………………………………………………………………………………………….xiii

Tóm tắt ………………………………………………………………………………..xv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN…………………………………………………………...1
1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................................1
1.2.MỤC TIÊU................................................................................................................2
1.3.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..........................................................................................2
1.4.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................................3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT …………………………………………………...4
2.1. HỆ THỐNG BÁO CHÁY THỰC TẾ ...................................................................4
2.1.1. Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động ........................................................4
2.2.2. Giới thiệu các loại khí gas trong cơng nghiệp ................................................5
2.2. GIỚI THIỆU MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ-02 ......................................7
2.3. TỔNG QUAN VỀ MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11 ......8
2.3.1. Giới thiệu giao tiếp One – Wire ......................................................................8
2.3.2. Giới thiệu cảm biến độ ẩm và nhiệt độ ...........................................................9
2.4. TỔNG QUAN VỀ MÀN HÌNH LCD 20X4 ........................................................13
2.4.1. Giới thiệu sơ lược về LCD ...........................................................................13
2.4.2. Tập lệnh của LCD .........................................................................................17
2.5. MODULE CHUYỂN ĐỔI I2C............................................................................20
2.5.1. GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN GIAO TIẾP I2C ................................................20
2.5.2. Module chuyển đổi I2C cho LCD ................................................................24
2.6. CHUẨN GIAO TIẾP UART ...............................................................................25
2.7. MODULE ĐO ĐIỆN NĂNG PZEM – 004T .......................................................29
2.8. MODULE SIM 900A ..........................................................................................31
2.8.1. Các loại module sim trên thị trường .............................................................31
2.8.2. Giao tiếp UART với vi điều khiển................................................................32
2.8.3. Tập lệnh AT ..................................................................................................33
Các lệnh gọi điện: ...................................................................................................34
Các lệnh nhắn tin: ...................................................................................................34
xii

2.8.4. Giới thiệu module Sim 900A ........................................................................35
2.9. MODULE HẠ ÁP LM2596 ................................................................................36
2.10. GIỚI THIỆU KIT ARDUINO MEGA WIFI R3 ATMEGA2560 + ESP8266 ..37
2.10.1. Tổng quan về module Arduino Mega 2560 ................................................37
2.10.2. Giới thiệu ESP8266 ....................................................................................42
2.10.3. Kit phát triển Arduino MEGA WiFi R3 ATmega2560 + ESP8266 ...........44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ………………………………………………53
3.1. GIỚI THIỆU ....................................................................................................50
3.2. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ......................................................50
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .........................................................................50
3.2.2. Tính tốn và thiết kế mạch............................................................................51
3.2.3. Sơ đồ ngun lý của tồn mạch ....................................................................60
CHƯƠNG 4: THI CƠNG HỆ THỐNG ……………………………………………...64
4.1. GIỚI THIỆU ....................................................................................................61
4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................61
4.2.1. Thi công bo mạch .........................................................................................61
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra ....................................... Error! Bookmark not defined.
4.3. ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ..........................................................64
4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển.................................................................................64
4.3.2. Thi cơng mơ hình ..........................................................................................65
4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................66
4.4.1. Lưu đồ giải thuật ...........................................................................................66
4.4.2 Giới thiệu phần mềm lập trình cho vi điều khiển ..........................................70
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ……………………………89
5.1. KẾT QUẢ ........................................................................................................86
5.1.1 .GIAO DIỆN WEB ........................................................................................87
5.1.2. Phần cứng và Sim .........................................................................................89
5.2. NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ ..............................................................................91
5.2.1. Nhận xét ........................................................................................................91

5.2.3. Đánh giá ........................................................................................................92
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN …………………………….96
6.1. KẾT LUẬN .........................................................................................................93
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................93
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................94
PHỤ LỤC ......................................................................................................................95

xiii


TĨM TẮT
Cơng tác phịng cháy và báo cháy là hết sức quan trọng đối với tất cả mọi người, nó liên
quan trực tiếp đến tính mạng con người và của cải. Thói quen quên tắt điện hay bỏ dở
việc nấu nướng, hoặc bất cứ việc gì liên quan đến nguy cơ cháy nổ sẽ khiến chúng ta
không trở tay kịp.
Mỗi người chúng ta lúc có nhiều lúc bận rộn hay lơ là trong việc giám sát an toàn do
cháy nổ về điện hoặc khí gas, vì tính thiết yếu này nên nhóm em quyết định chọn đề tài
“Nghiên cứu, thi cơng hệ thống phịng cháy và báo cháy cho nhà phố”. Đồng thời nhu
cầu quản lý, giám sát cũng như kiểm sốt việc đo điện năng, các thơng số: điện áp, dòng
điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng từ xa là rất cần thiết cho các nhà quản lý, các công
ty điện lực và cá nhân. Mặc dù đã đạt đến một mức độ thành công nhất định, tuy nhiên
các hệ thống quản lý và giám sát điện năng hiện nay chi phí rất cao và hạn chế về việc
truy cập từ xa. Ngoài ra, xu hướng hiện nay là sử dụng các thiết bị thông minh: điện
thoại smart phone, máy tính bảng… để truy cập và giám sát từ xa.
Đề tài kết hợp vừa báo cháy và phòng cháy từ xa cho người dùng thông qua mạng GSM và
website, giúp hỗ trợ việc quản lý thiết bị và cơng tác phịng cháy, giảm nguy cơ cháy nổ
xuống tối thiểu.

xiv

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1.ĐẶT VẤN ĐỀ
Như chúng ta đều biết cơng tác phịng cháy chữa cháy (PCCC) là điều hết sức quan
trọng vì PCCC giúp làm hạn chế đến mức thấp nhất những rủi ro mà cháy nổ gây ra về
người và tài sản. Cháy nổ trong đời sống hàng ngày rất dễ xảy ra ở bất kì nơi đâu. Nếu
con người khơng có sự phịng vệ và những biện pháp ngăn chặn kịp thời thì cháy nổ có
thể gây ra những hậu quả khơn lường, đe dọa đến tính mạng và vật chất, đặc biệt nó có
thể ảnh hưởng đến những khu vực lân cận và những người xung quanh.
Để nâng cao hiệu quả trong công tác PCCC, chúng ta cần nâng cao ý thức tự giác,
trách nhiệm của mọi người dân. Địa phương cần tổ chức và tuyên truyền cho nhân dân
hiểu tác hại nghiêm trọng của cháy nổ cũng như cách phịng chống cháy nổ. Bên cạnh
đó, trang bị cho người dân những kiến thức cơ bản trong trường hợp khi có cháy nổ xảy
ra. Để giảm thiểu những vụ cháy nổ tại các nhà máy, xí nghiệp, cơng ty, hay các hộ gia
đình, chúng ta cần: trang bị những thiết bị giúp phòng chống cháy như bình chữa cháy,
lắp đặt hệ thống chữa cháy, cịi báo cháy , kiểm tra các điểm dễ cháy như cầu dao, ổ cắm
điện …Luôn đề cao cảnh giác trong mọi tình huống khi có cháy nổ, thường xun tổ
chức những buổi tập huấn giúp nâng cao kiến thức về PCCC.
Với tất cả các lý do trên cùng với tầm quan trọng của PCCC trong đời sống, nhóm
chúng em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thi công hệ thống phịng cháy và báo
cháy cho nhà phố”.
Mục đích cuối cùng của đề tài là giúp phát hiện, ngăn chặn và hạn chế đến mức
thấp nhất rủi ro cháy nổ xảy đến với con người, từ đó có những hành động kịp thời để
ngăn chặn.

1


1.2.MỤC TIÊU
Thiết kế và thi cơng mơ hình điều khiển đo điện năng các thiết bị điện trong nhà

như đèn, quạt, máy sấy tóc,… qua website. Các tín hiệu được gửi lên Firebase làm
nơi lưu trữ dữ liệu và giao tiếp với Arduino Mega2560 thông qua NodeMCU
ESP8266 trên cùng một kit phát triển để điều khiển và có hiển thị thơng số, giá trị của
các tín hiệu đo trên LCD.
Cảnh báo trực tiếp từ đầu báo đến người dùng thông qua tin nhắn SMS và cuộc gọi
đến do Arduino Mega2560 đóng vai trị điều khiển xử lí.
1.3.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong q trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thi cơng hệ thống phịng cháy và báo
cháy cho nhà phố”, nhóm chúng em đã lên kế hoạch giải quyết và hoàn thành những
nội dung sau:
 Nội dung 1: Nghiên cứu Kit Arduino MEGA WiFi R3 ATmega2560 +
ESP8266, Module Sim900A và module đo điện năng tiêu thụ PZEM-004T.
 Nội dung 2: Kết nối cảm biến khí gas, chng báo động vào Arduino Mega
2560. Nghiên cứu giao tiếp Module Sim900A với Arduino Mega 2560.
 Nội dung 3: Nghiên cứu xây dựng Pzem-004T đo điện năng tiêu thụ thiết bị.
Giao tiếp Arduino Mega 2560 với ESP8266.
 Nội dung 4: Xây dựng Firebase, thiết kế giao diện web. Lập trình web.
 Nội dung 5: Thiết kế mơ hình cho hệ thống.
 Nội dung 6: Thi công phần cứng, chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
 Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.
 Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

2


1.4.GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:
-

Hệ thống dùng một Kit phát triển MEGA WiFi R3 ATmega2560 +

ESP8266 để xây dựng giao tiếp với module Sim900A, module đo điện năng
Pzem-004T, module relay 4 kênh, cảm biến gas MQ-02, LCD20x4, cảm
biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.

-

Board mạch chính được đặt trong hộp nhựa có kích thước 35x20x8cm.

-

Mơ hình nhà phố tiết diện nhỏ với 1 cảm biến gas, 4 bộ đo điện năng tương
đương với điều khiển và đo được tối đa được 4 thiết bị điện.

-

Chỉ có thể đo được điện áp xoay chiều 1 pha trong khoảng 80VAC –
250VAC. Dòng điện đo được trong giới hạn 0 – 100A. Công suất đo được
trong giới hạn 0-26 kW. Điện năng tiêu thụ trong giới hạn 0 – 10000 kWh.

-

Điều khiển các thiệt bị quạt, đèn, … công suất tiêu thụ dưới 1000W, không
dùng cho tải động cơ.

-

Hiển thị các thông số điện năng, tổng công suất và nhiệt độ độ ẩm trên màn
hình LCD 20x4.

-

Sử dụng cơng tắc hành trình cho cửa khi đóng mở, đồng thời thêm một cơng
tắc bật tay khi chủ nhà ra ngồi, mục đích để cảnh báo thiết bị đang hoạt
động.

-

Hệ thống chưa thể đáp ứng ngay lập tức thao tác lệnh của người dùng do phụ
thuộc nhiều vào tốc độ mạng cũng như tốc độ xử lý của vi điều khiển và thời
gian truyền tín hiệu giữa các thiết bị trong hệ thống.

3


Chương 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

HỆ THỐNG BÁO CHÁY THỰC TẾ

2.1.1. Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy tự động là một hệ thống gồm các thiết bị và cảm biến có nhiệm
vụ báo động khi có khi có hiện tượng cháy nổ xảy ra, nhất thiết phải hoạt động liên tục
24h/24h, chính xác và kịp thời trong vùng hệ thống đang cảnh báo.
Tự động phát ra các tín hiệu báo động, tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của
hệ thống báo cháy nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể nào đó. Đặc biệt, với hệ thống
báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy khói thì nó cịn có nhiệm vụ quan trọng hơn là
“cảnh báo”, tức là phát hiện và thông báo sự sắp cháy, sự cháy âm ỉ chưa có ngọn lửa.
 Quy trình hoạt động của hệ thống báo cháy đầy đủ:

Hình 2.1 Hệ thống báo cháy đầy đủ.

4


2.2.2. Giới thiệu các loại khí gas trong cơng nghiệp
a) Khái niệm
Hiện nay, với đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với mơi trường thì
khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta và đã góp
phần tạo nên sự văn minh của xã hội. Lợi ích của gas là rất tích cực, được sử dụng rộng
rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiệp.
Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu là khí
Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác.
b) Ứng dụng của khí gas trong cơng nghiệp
Khí cơng nghiệp là loại ngun liệu khí được sản xuất để sử dụng trong công
nghiệp, được sử dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy, carbon dioxide, hydro, acetylen,…
Các loại khí công nghiệp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
Bao gồm các ngành công nghiệp nặng như dầu khí, hố dầu, hóa chất, điện, khai thác
mỏ, luyện kim, kim loại. Và cũng được sử dụng trong các ngành dược phẩm, cơng nghệ
sinh học, thực phẩm, nước, phân bón, điện hạt nhân, điện tử, hàng khơng vũ trụ, phân
tích thí nghiệm, kiểm nghiệm mơi trường…
 Ứng dụng trong ngành thực phẩm
Nước ngọt có gas đã trở thành loại nước giải khát quá quen thuộc trong cuộc sống
hàng ngày của chúng ta. Nước có gas chiếm đến 94% thành phần của nước ngọt, có tên
gọi hóa học là: Carbon dioxide (CO2) - có vai trị như một chất bảo quản nhẹ. Khí CO2
được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất nước giải khát và bia rượu.
Trong cơng nghiệp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên men rượu bia,
phân hủy chất béo, từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất, như sản xuất amoniac
hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy cơng nghiệp đốt than.

5

 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng
 Máy điều hòa
Gas điều hịa là mơi chất được sử dụng trong hệ thống làm hạnh hấp thụ nhiệt, có
nhiệm vụ mang nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn. Đâychính
là thành phần khơng thể thiếu trong quá trình làm lạnh của hệ thống điều hịa nói chung
và các hệ thống làm lạnh nói riêng.
Các loại gas được sử dụng trong máy điều hóa khơng khí như gas R22, gas
R410A,gas R32 . . . nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là gas R22 và Gas R410A.
-

Gas điều hòa R22
Gas R22 là loại gas được sử dụng đầu tiên trên các máy lạnh, chiếm hơn 70% trên

thị trường điều hòa hiện nay, được sủ dụng cho máy điều hịa khơng khí loại thường
(khơng sử dụng cơng nghệ Inverter).
-

Gas điều hòa R410A
Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếu oxi

chính vì vậy mà phịng của bạn phải được thống khí nếu khơng sẽ rất nguy hiểm khi có
hiện tượng rị rỉ khí gas.
-

Gas điều hòa R32
Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiện nay, được ứng dụng sử dụng nhiều nhất tại

Nhật Bản. Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22 và loại

R410A.
 Tủ lạnh
Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiệt từ dàn lạnh
tới dàn nóng. Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiệt xung quanh dàn lạnh để
chuyển tới dàn nóng. Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua việc tản nhiệt ra môi
trường.
-

Gas R12
Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời cũ.

Gas R12 bình thường có mùi hơi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gây chống
và nhức đầu khi hít nhiều.
-

Gas R134A
6


Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gas R134A
được tạo ra để thay thế cho gas R12. Loại gas này được sử dụng phổ biến cho nhiều loại
tủ lạnh dân dụng hiện nay.
-

Gas R404
Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông. Loại gas này được thiết kế

dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiệt độ sâu hơn đồng thời đảm bảo tuổi thọ cho
máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn.
-

Gas R600
Gas R600 được ứng dụng trong các dòng tủ lạnh cao cấp. Gas R600 là Gas

Hidrocacbon (HC gas) nhằm bảo vệ môi trường và an toàn với tầng ozon, tránh hiện
tượng biến đổi tồn cầu.

2.2. GIỚI THIỆU MODULE CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ-02

Hình 2.2 Module cảm biến khí gas MQ-02.
MQ-02 về cơ bản là một cảm biến khí đa năng (tương tự MQ5), MQ-02 có thể
cảm nhận được một loạt các loại khí như LPG (khí dầu mỏ hố lỏng hay cịn gọi là khí
gas), Butane, Methane (CH4), Hidro và ngồi ra các khí này thì MQ-02 cũng nhận biết
cả khói.
MQ-02 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong khơng khí sạch, khi
khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì
độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu
7


điện. MQ-02 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, Methane
(CH4) và khí dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều
chỉnh mức báo bằng biến trở. [12]
Ngồi ra, cảm biến MQ-02 còn được sử dụng phổ biến trên thị trường và giá thành
rẻ nên chọn cảm biến MQ-02 để sử dụng cho đề tài.
 Thông số kĩ thuật


Nguồn hoạt động: 5 VDC



Dịng điện: 150mA



Tín hiệu: Analog và Digital

2.3. TỔNG QUAN VỀ MODULE CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT11
2.3.1. Giới thiệu giao tiếp One – Wire
Là chuẩn giao tiếp không đồng bộ và bán song công. Trên một đường tín hiệu
có thể gắn nhiều thiết bị tớ. Nhưng chỉ có một thiết bị chủ có thể kết nối đến đường
tín hiệu này. Đường dữ liệu khi ở trạng thái rãnh (không ghi/đọc dữ liệu) sẽ ở mức
cao do vậy dây truyền dữ liệu được kéo lên nguồn thông qua một điện trở. Các thiết bị
tớ kết nối với cùng một đường dây tín hiệu được phân biệt với nhau nhờ 64 bit địa chỉ
này. Địa chỉ này được chia làm ba phần chính:

Hình 2.3 Cấu trúc địa chỉ của các thiết bị tớ theo chuẩn One – Wire.
 Cách thức hoạt động
Tín hiệu trên bus 1 wire chia thành các khe thời gian (time slots) 60 µs, 1 bit dữ liệu
được truyền trên bus dựa trên khe thời gian. Các thiết bị slave cho phép có thời gian nền
có một chút khác biệt từ thời gian nền danh nghĩa. Tuy nhiên đối với thiết bị master cần
có bộ định thời với độ chính xác cao, để đảm bảo giao tiếp đúng với các thiết bị slave
có thời gian nền khác biệt. Do đó rất quan trọng để tuân theo giới hạn thời gian mô tả
trong các phần sau.
8


Bốn thao tác hoạt động cơ bản của bus 1 wire là Reset/Presence, gửi bit 1, bửi bit

0, và đọc bit. Thao tác byte như gửi byte và đọc byte dựa trên thao tác từng bit.
Gửi bit 1: Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp trong khoảng 1 đến 15 µs. Sau
đó nhả bus cho đến hết phần cịn lại của time.
Gửi bit 0: Kéo bus xuống mức thấp trong ít nhất 60 µs, với chiều dài tối đa 120 µs.
Lưu ý: Giữa các lần gửi bit (0 hoặc 1), phải có khoảng thời gian phục hồi bus tối
thiểu 1 µs.
Đọc bit: Thiết bị master kéo bus xuống mức thấp từ 0 – 15 µs. Khi đó thiết bị tớ
sẽ giữ bus ở mức thấp nếu muốn gửi bit 0, nếu muốn gửi bit 1 đơn giản là nhả bus. Bus
nên lấy mẫu 15 µs sau khi bus kéo xuống mức thấp.
Reset / Presence: Thiết bị master kéo bus xuống ít nhất là 8 khe thời gian (tức là 480
µs) và sau đó nhả bus. Khoảng thời gian bus ở mức thấp đó gọi là tín hiệu Reset. Nếu
có thiết bị slave gắn trên bus nó sẽ trả lời bằng tín hiệu Presence tức là thiết bị slave sẽ
kéo bus xuống mức thấp trong khoảng thời gian 60 µs. Nếu khơng có tín hiệu Presence,
thiết bị master sẽ hiểu rằng khơng có thiết bị nào trên bus, và các giao tiếp sẽ khơng thể
diễn ra.

Hình 2.4 Mơ tả hoạt động của chuẩn One – Wire.
2.3.2. Giới thiệu cảm biến độ ẩm và nhiệt độ

9


Hình 2.5 Sơ đồ chân module DHT11.
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi
phí rẻ và dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp Digital 1 dây truyền dữ
liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp bạn có được dữ liệu
chính xác mà khơng phải qua bất kỳ tính tốn nào.
 Thơng số kỹ thuật
 Điện áp hoạt động: 3.3V đến 5V (DC).
 Dải nhiệt độ đo: 0°C ~ 50°C, sai số ± 2°C.

 Dải độ ẩm đo: 20% - 90% RH, sai số ± 5% RH.
 Tần số lấy mẫu: 1Hz, nghĩa là 1 giây DHT11 lấy mẫu một lần.
 Chuẩn giao tiếp: TTL, 1 – Wire.
 Dòng tối đa: 2.5mA.
 Kích thước: 28 x 12 x 10 mm.
 Chức năng các chân của DHT 11
 Chân VCC: cực dương.
 Chân GND: cực âm.
 Chân DATA: chân tín hiệu.
 Nguyên lý hoạt động
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
-

Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại.

10


-

Khi đã giao tiếp với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ
đo được.

Bước 1: gửi tín hiệu Start

Hình 2.6 Cách thức hoạt động.
 MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong
khoảng thời gian > 18ms. Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị
nhiệt độ và độ ẩm.
 MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào.

 Sau khoảng thời gian là 20 - 40 µs, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống
thấp. Nếu > 40 µs mà chân DATA khơng được kéo xuống thấp nghĩa là
không giao tiếp được với DHT11.
 Chân DATA sẽ ở mức thấp 80 µs sau đó nó được DHT11 kéo lên cao
trong 80 µs. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có
giao tiếp được với DHT11 khơng. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao,
khi đó hồn thiện q trình giao tiếp của MCU với DHT11.
Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11

-

DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 Byte. Trong đó:
 Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%).
 Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%).
 Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (°C).
11


 Byte 4: giá trị phần thập phân của nhiệt độ (°C).
 Byte 5: kiểm tra tổng.
 Nếu Byte 5 = (Byte 1 + Byte 2 + Byte 3 + Byte 4) thì giá trị độ
ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo khơng có
nghĩa.
 Ví dụ như ta nhận được 40 bit (5 Byte) dữ liệu như sau:
0011 0101

0000 0000

0001 1000 0000 0000 0100 1101

Tính tốn:
8 Bit Checksum (Byte 5) = 0011 0101 + 0000 0000 + 0001 1000
+
0000 0000 = 0100 1101
Độ ẩm: 0011 0101 = 35H = 53% RH (ở đây phần thập phân có
giá trị 0000 0000, nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân)
Nhiệt độ: 0001 1000 = 18H = 24°C (ở đây phần thập phân có giá
trị 0000 0000, nên ta bỏ qua khơng tính phần thập phân)
-

Đọc dữ liệu: sau khi giao tiếp được với DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp
40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của nhiệt
độ và độ ẩm
 Bit 0:

Hình 2.7 Bit 0.
12


 Bit 1:

Hình 2.8 Bit 1.
-

Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của DHT11 được
MCU kéo lên 1. Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26 – 28 µs thì là bit
0, cịn nếu tồn tại 70 µs là bit 1. Do đó trong lập trình ta bắt sườn của
chân DATA, sau đó delay 50 µs. Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được
bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì ta đọc được là bit 1. Cứ như thế ta đọc
các Bit tiếp theo.

Hình 2.9 Thời gian tồn tại các bit.
2.4. TỔNG QUAN VỀ MÀN HÌNH LCD 20X4
2.4.1. Giới thiệu sơ lược về LCD

13


Hình 2.10 Hình ảnh thực tế LCD 20x4.

Là kiểu màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong bảng mã
ASCII. Màn hình sử dụng là màn hình text LCD 20x4 xanh dương, có khả năng hiển
thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, dễ sử dụng
thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
 Thông số kỹ thuật
 Điện áp hoạt động: 5V.
 Kích thước: 98 x 60 x 135 mm.
 Chữ trắng, nền xanh dương.
 Khoảng cách giửa hai chân 0.1 inch.
 Nhiệt độ hoạt động: -20 đến +70°C.
 Hiển thị: 20 ký tự x 4 dòng.
 Ngõ giao tiếp: 16 chân.
 Chức năng chân

Bảng 2.1 Chức năng chân của LCD.
Ký hiệu

Mô tả

1

VSS

GND

2

VDD

Nguồn cấp cho LCD

3

V0

Điều chỉnh độ tương phản

Chân

14


4

RS

5

R/W

Chọn thanh ghi:
RS=0: chọn thanh ghi lệnh RS=1: chọn thanh ghi dữ liệu
Chọn thanh ghi đọc viết dữ liệu: R/W=0: thanh ghi viết
R/W=1: thanh ghi đọc
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt
lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có
1 xung cho phép của chân E.
Ở chế độ ghi: dữ liệu ở bus LCD chuyển vào thanh
ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low

6

E

transition)
Ở chế độ đọc: dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7
khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân
E và
được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức
thấp.
Chân truyền dữ liệu. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus
này:
Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với

7-

DB0 –

14

DB7

bit MSB là bit DB7.
Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 4 đường từ
DB4
đến DB7, với bit MSB là bit DB7.

15

A

Cực dương led nền

16

K

Cực âm led nền

 Các thanh ghi
Chip HD44780 có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng: thanh ghi lệnh IR (Instructor
Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)
15


-

Thanh ghi IR: để điều khiển LCD, người dùng phải ra lệnh thông qua 8
đường bus DB0-DB7. Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ
ràng. Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào

thanh ghi IR. Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chip
HD44780 sẽ tra bảng mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện
lệnh đó.

-

Thanh ghi DR: thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng
RAM DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu
từ 2 vùng RAM này gởi ra MPU (ở chế độ đọc). Nghĩa là khi MPU ghi
thông tin vào DR, mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này
vào DDRAM hoặc CGRAM. Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi
vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ
được chuyển ra DR để truyền cho MPU.

 Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại
giữa 2 thanh ghi này khi giao tiếp với MPU. Bảng sau đây tóm tắt lại các
thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp.
Bảng 2.2 Chức năng chân RS và R/W.

RS

R/W

Chức năng

0

0

Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD

0

1

Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở DB0-DB6

1

0

Ghi vào thanh ghi DR

1

1

Đọc dữ liệu từ DR

 Cờ báo bận (Busy Flag)
Khi thực hiện các hoạt động bên trong chip, mạch nội bên trong cần 1 khoảng
thời gian để hoàn tất. Khi đang thực thi các hoạt động bên trong chip như thế, LCD bỏ
qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF lên để báo cho MPU biết nó đang bận.
Dĩ nhiên, khi xong việc, nó sẽ đặt cờ BF lại mức 0.

16


Hình 2.11 Bảng mã kí tự.

2.4.2. Tập lệnh của LCD
Dưới đây là các tập lệnh của LCD
Bảng 2.3. Tập lệnh của LCD.
Tên lệnh

Hoạt động
Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 0
0000 1

Clear

Lệnh Clear Display (xóa hiển thị) sẽ ghi một khoảng trống (blank) vào

Display

tất cả ơ nhớ trong DDRAM, sau đó trả bộ đếm địa chỉ AC=0, trả lại
kiểu hiển thị gốc nếu nó bị thay đổi. Nghĩa là: tắt hiển thị, con trỏ dời về
góc trái (hàng đầu tiên).
Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx

Return
home

=

0

0

0

0

0

0

1

*

Lệnh Return home trả bộ đếm địa chỉ AC về 0, trả lại kiểu hiển thị gốc
nếu nó bị thay đổi. Nội dung của DDRAM không thay đổi.
17


Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx = 0 0 0
0 0 1 [I/D] [S]
I/D: Tăng (I/D=1) hoặc giảm (I/D=0) bộ đếm địa chỉ hiển thị AC 1 đơn
Entry
mode set

vị mỗi khi có hành động ghi hoặc đọc vùng DDRAM. Vị trí con trỏ cũng
di chuyển theo sự tăng giảm này.
S: Khi S=1 toàn bộ nội dung hiển thị bị dịch sang phải (I/D=0) hoặc
sang trái (I/D=1) mỗi khi có hành động ghi vùng DDRAM. Khi S=0:
không dịch nội dung hiển thị. Nội dung hiển thị không dịch khi đọc
DDRAM hoặc đọc/ghi vùng CGRAM.
Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx
=

Display

0

0

0

0

1 [D] [C] [B]

D: Hiển thị màn hinh khi D=1 và ngược lại. Khi tắt hiển thị, nội dung

on/off

DDRAM không thay đổi.

control

C: Hiển thị con trỏ khi C=1 và ngược lại.
B: Nhấp nháy kí tự tại vị trí con trỏ khi B=1 và ngược lại.
Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 DBx
=

0

0

0

1 [S/C] [R/L] *

*

Lệnh Cursor or display shift dịch chuyển con trỏ hay dữ liệu hiển thị
sang trái mà không cần hành động ghi/đọc dữ liệu. Chi tiết sử dụng xem
bảng dưới đây:
Cursor or
display

Hoạt động

S/C

R/L

0

0

Dịch vị trí con trỏ sang trái

0

1

Dịch vị trí con trỏ sang phải

1

0

Dịch toàn bộ nội dung hiển thị sang trái, con trỏ cũng

shift

dịch theo
1

1

Dịch toàn bộ nội dung hiển thị sang phải, con trỏ cũng
dịch theo

18