ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO AN TOÀN SỬ DỤNG CẢM BIẾN BÁO CHÁY

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
CHỦ ĐỀ: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO AN TOÀN SỬ
DỤNG CẢM BIẾN BÁO CHÁY
Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

ThS. Lê Văn Nghĩa
Nguyễn Sơn Nam - 2020601416
Nguyễn Xuân Quân - 2020601592
Hoàng Hồng Quang - 2020600122

Lớp: ME6051.3
Khóa học: Đại học K15

Hà Nội - 2022


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:
………………….
Khóa: ……………………
2. Tên nhóm: ………….
Họ và tên thành viên:………………………………………………………...
………………………………………………………….
………………………………………………………….
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến báo

cháy.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L1.1)
- Nội dung 2: Xây dựng mơ hình hệ thống (L1.1; L1.2)
- Nội dung 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống (L2.1)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Mơ hình sản phẩm và báo cáo thu hoạch.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày …/…/…. đến ngày
…/…/….).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh
giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo trình mơn học Cảm biến và hệ thống đo, vi điều khiển.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu
có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS. Lê Văn Nghĩa


MƠ TẢ KỸ THUẬT
1. Mơ tả nhiệm vụ cơng nghệ
Hệ thống có khả năng:
- Cảnh báo cháy bằng đèn và cịi
- Hiển thị vị trí cháy trên màn hình LCD với số vùng cảnh bảo >=3.
- Giả lập tín hiệu điều khiển van phun nước dập lửa tự động bằng tín hiệu đèn.
2. Cấu trúc thiết bị

Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến

Cảm biến báo cháy

Bộ điều khiển

Vi điều khiển

Tín hiệu cảnh báo

Đèn và cịi

Hiển thị

LCD

3. Đặc tính kỹ thuật
Thơng số

Giá trị

Số lượng cảm biến

>=3

4. Nội dung báo cáo

- Bản vẽ
TT
1
2

Tên bản vẽ
Bản vẽ sơ đồ hệ thống
Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống
- Báo cáo

3

Khổ giấy

Số lượng

A3

1

A3

1


Chương 1 Tổng quan về hệ thống
1.1. Giới thiệu chung
1.2. Các yêu cầu cơ bản
1.3. Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2 Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu
2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (Nếu có)
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí
3.2 Chế tạo các bộ phận điện - điện tử
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Kết Luận.

4


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh
vực của đời sống và xản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động
sản xuất đòi hỏi con người phải khơng ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết
để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Chính vì vậy, phát triển
ngành cơ điện tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ
trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ trong lĩnh vực tự động
hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng, …
Với xu hướng giảng dạy theo chương trình CDIO thì việc áp dụng đồ án mơn
học vào để giúp sinh viên có thể tự tìm tịi, khám phá các kiến thức có liên quan đến
mơn học là điều rất cần thiết. Đồ án môn học đo lường và điều khiển giúp cho sinh
viên có thể tìm hiểu và khai thác hiệu quả các loại cảm biến, vi điều khiển, các hệ
thống đo lường vào các thiết bị, hệ thống hay các dây chuyền công nghiệp.
Trong thực tế, hệ thống phòng cháy chữa cháy (PCCC) là một trong những hệ

thống quan trọng và không thể thiếu đối với bất kỳ chung cư cao ốc, tòa nhà cao tầng
hiện nay. Nó đóng một vai trị hết sức quan trọng trong việc bảo vệ tài sản và tính
mạng con người. Vì thế mà việc đầu tư lắp đặt đến bảo trì bảo dưỡng hệ thống ln
được đề lên hàng đầu. Cơng tác phịng cháy chữa cháy (PCCC) đóng một vai trò hết
sức quan trọng trong việc bảo vệ tính mạng và tài sản của mọi gia đình và xã hội.
Chỉ cần một phút lơ là, bất cần thì hậu quả để lại là rất lớn.
Có thể nói, trong bối cảnh đất nước không ngừng xây dựng và phát triển như
hơm nay thì cơng tác PCCC càng chiếm giữ một vai trị quan trọng. Ít có tai nạn nào
mà cùng lúc có thể gây thiệt hại lớn về tính mạng và tài sản của con người như trong
các vụ hỏa hoạn. Với vai trò đặc biệt quan trọng của hệ thống Phòng cháy chữa cháy
trong các nhà cao tầng, trung tâm thương mại, chung cư... Nghiên cứu đề xuất áp
dụng mơ hình tính tốn thiết kế hệ thống chữa cháy tự động là hết sức cần thiết .
5


Trong đề tài đồ án môn “ xây dựng hệ thống đo và xử lí tín hiệu sử dụng cảm
biến phát hiện tia lửa để cảnh báo và chữa cháy” này, nhóm sinh viên chúng em xin
trình bày một cách cụ thể về quá trình nghiên cứu tìm hiểu và tính tốn, thiết kế mơ
hình. Thơng qua đó có thể áp dụng nó vào các bài nghiên cứu khoa học hay vào đồ
án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra trường.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2022

6


MỤC LỤC
MƠ TẢ KỸ THUẬT........................................................................................................ 3
LỜI NĨI ĐẦU .................................................................................................................. 5
Danh mục hình ảnh........................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG .............................................................. 9

1.1 Giới thiệu chung.................................................................................................. 9
1.1.1 Lịch sử nghiên cứu. ..................................................................................... 9
1.1.2 Sơ lược về hệ thống báo cháy và chữa cháy. ......................................... 11
1.2 Các yêu cầu cơ bản. .......................................................................................... 13
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu............................................. 14
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu. ......................................................................... 14
1.3.2 . Phạm vi nghiên cứu................................................................................. 15
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu. ................................................................................. 15
1.4 Ý nghĩa thực tiễn............................................................................................... 15
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG ................................................. 17
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống. .......................................................................... 17
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến. ..................................................................... 17
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển............................................................... 23
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu. ................................................................ 33
2.5 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống. .............................................................. 34
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG...................................... 35
3.1 Chế tạo các bộ phận cơ khí.............................................................................. 35
3.2 Chế tạo các bộ phận điện-điện tử.................................................................... 37
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển. ................................................................ 38
3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống .................................................................. 42
Kết luận ............................................................................................................................ 44
Tài liệu tham khảo.......................................................................................................... 45

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Hệ thống phịng cháy chữa cháy tại Việt Nam .......................................... 10
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy................................... 12
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống chữa cháy điển hình Splinkler ................ 13

Hình 2.1: Cảm biến 5 đầu đo ........................................................................................ 18
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của flame sensor............................................................... 20
Hình 2.3: Cảm biến tia lửa ............................................................................................ 20
Hình 2.4:Sơ đồ nguyên lý MQ2.................................................................................... 22
Hình 2.5: Cảm biến MQ2 .............................................................................................. 22
Hình 2.6: Sơ đồ chân Adruino ...................................................................................... 23
Hình 2.7: Mạch Adruino UNO R3 ............................................................................... 25
Hình 2. 8: Màn hình LCD 12C ..................................................................................... 28
Hình 2.9: Module 12C LCD 16x2 ................................................................................ 29
Hình 2.10: Sơ đồ đầu nối giao tiếp IC2 với LCD 16x2 ............................................. 30
Hình 2.11: Cịi chíp 5V.................................................................................................. 31
Hình 2.12: Sơ đồ đầu nối giữa buzzer với adruino UNO R3 .................................... 31
Hình 2.14: LED xanh dương ......................................................................................... 32
Hình 2.13: LED đỏ ......................................................................................................... 32
Hình 2.15: Mơ phỏng hệ thống..................................................................................... 34

8


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Giới thiệu chung.
1.1.1 Lịch sử nghiên cứu.
Thế giới đang có những thách thức lớn, những biến đổi lớn về kinh tế xã hội,
sự tiến bộ về khoa học công nghệ, và thách thức của biến đổi khí hậu. Sự an tồn trở
thành tiêu chí đầu tiên và quan trọng trong thế giới cơng nghệ 4.0. Ở Việt Nam, vấn
đề an toàn cháy ngày càng trở nên quan trọng và đặc biệt quan trọng tại các thành
phố lớn, với những dự án lớn. Vì vậy tình hình nghiên cứu về hệ thống PCCC ngày
càng phát triển vô cùng mạnh mẽ và được sự quan tâm của các nước phát triển và
đang phát triển trên tồn thế giới. Có rất nhiều quy trình cơng nghiệp sử dụng các
thiết bị đốt bằng khí đốt như lị nung, lò nướng và máy sấy. Nhiều người trong số họ

sử dụng nhiều đơn vị giai đoạn yêu cầu nhiều đầu đốt. Thơng thường, chúng phải
được bắn theo một trình tự cụ thể. Trong hầu hết các trường hợp, chúng phải được
tắt vì sự cố cháy nổ để tránh khả năng cháy hoặc nổ không mong muốn. Hệ thống
điều khiển liên kết có thể phức tạp hoặc đơn giản, nhưng trong mọi trường hợp,
chúng đều yêu cầu, như một yếu tố đầu vào quan trọng, mạch cảm biến và thiết bị
để cảm nhận sự hiện diện của chính ngọn lửa. Thơng thường, cảm biến ngọn lửa
được cấu hình để cảm nhận sự hiện diện của ngọn lửa, để cho phép thiết bị lập trình
tự bình thường khi tất cả các ngọn lửa được phát hiện như hiện tại và tắt hệ thống
khi có bất kỳ ngọn lửa nào. Hai loại đầu dò cảm biến ngọn lửa đã được phát triển
trong nhiều năm và các hệ thống thường được cấu hình để hoạt động với một hoặc
loại cảm biến khác. Mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm tương ứng; trong một
số trường hợp, việc lựa chọn loại đầu dò cảm biến ngọn lửa quyết định việc sử dụng
mạch giao diện cảm biến ngọn lửa cụ thể tương thích với nó, và do đó có ý nghĩa
rộng hơn.

9


Hiện nay, ở Việt Nam hệ thống PCCC đã được chú trọng và nghiên cứu ra
nhiều thiết bị báo cháy và chữa cháy hoạt động tốt và có những tính năng vượt trội
và được ứng dụng rộng rãi trên toàn quốc. Một số thiết bị điển hình như: Hệ thống
Sprinkler, Hệ thống chữa cháy bằng bọt foam AFFF, Hệ thống chữa cháy tự động
khí FM200/HFC227ea, Hệ thống báo cháy thơng thường,…

Hình 1.1: Hệ thống phịng cháy chữa cháy tại Việt Nam
Trên thế giới, đặc biệt là Nhật Bản, sự phát triển cơng nghệ an tồn cháy tại đây
đã có những bước ngoặt lớn và là nơi phát triển mạnh về các công nghệ tân tiến áp
dụng vào đời sống con người. Đặc điểm của thiết kế an toàn cháy tại Nhật Bản là hệ
thống kết hợp giữa tự thân công trình Kiến trúc và Thiết bị phịng cháy (cửa sập liên
động với hệ thống báo khói, cửa chống cháy chống khói tự đóng, hệ thống hút khói,

cao áp…).
Cơng nghệ an toàn cháy tại Nhật Bản tồn tại 2 phương pháp thiết kế:
Thiết kế dựa theo Tiêu chuẩn (Prescriptive-based codes)
Thiết kế dựa theo Tính năng (performance based approach)
10


Trong đó, nổi bật là các thiết bị ổ cắm và công tắc Panasonic đạt tiêu chuẩn IEC
của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế với chất liệu nhựa Urea Resin an tồn, chống phóng
điện, chống biến dạng nhiệt, tự dập tắt lửa, tuổi thọ cao lên tới 8-10 năm sử dụng với
khoảng 10.000 lần cắm rút và 40.000 lần bật tắt. Bên cạnh đó, các sản phẩm cầu dao
đóng cắt với cơ chế vận hành kỹ thuật cao, chính xác giúp bảo vệ hệ thống điện,
giảm hao phí điện năng.
Đặc biệt, sản phẩm đầu dị báo khói Panasonic hoạt động hiệu quả, dễ lắp đặt
và sử dụng với tuổi thọ pin 10 năm giúp nâng cao khả năng cảnh báo, sớm dập tắt
nguy cơ cháy nổ cho người sử dụng.
1.1.2 Sơ lược về hệ thống báo cháy và chữa cháy.
Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống bao gồm tập hợp các thiết bị có nhiệm
vụ phát hiện và báo động khi có cháy xảy ra. Việc phát hiện các tín hiệu cháy được
thực hiện tự động bởi các thiết bị và hoạt động liên tục trong 24/24 giờ. Với chức
năng cảnh báo sớm, hệ thống có nhiệm vụ phát hiện sớm các nguy cơ cháy nổ tại tất
cả các vị trí trong tịa nhà, căn hộ, trung tâm thương mại, nhà máy, xí nghiệp…
Ngồi ra, hệ thống phải có khả năng tích hợp các hệ thống kỹ thuật khác phục vụ
cơng tác chữa cháy và thốt nạn, giúp hạn chế tối đa thiệt hại về con người và tài
sản.
Hiện nay, theo các nghiên cứu thì hệ thống báo cháy chia làm ba loại: hệ thống
báo cháy thông thường, hệ thống báo cháy địa chỉ. Hệ thống gồm có các thành phần
sau: trung tâm báo cháy, thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra,…Trong đó, hệ thống chữa
cháy được chia ra: hệ thống chữa cháy bán tự động, hệ thống chữa cháy Sprinkler ,
hệ thống chữa cháy Hồng Thủy, hệ thống chữa cháy CO2,…

Hệ thống chữa cháy tự động là hệ thống đi song song với hệ thống báo cháy tự
động, 2 hệ thống được có sự đồng nhất nhằm mang lại hiệu quả sử dụng đối với hệ
thống PCCC.

11


Quy trình hoạt động của hệ thống báo cháy là một quy trình khép kín. Khi có
hiện tượng về sự cháy (chẳng hạn như nhiệt độ gia tăng đột ngột, có sự xuất hiện của
khói hoặc các tia lửa), các thiết bị đầu vào (đầu báo, công tắc khẩn) nhận tín hiệu và
truyền thơng tin của sự cố về trung tâm báo cháy. Tại đây trung tâm sẽ xử lý thơng
tin nhận được, xác định vị trí nơi xảy ra sự cháy thông qua các zone (đối với hệ thống
báo cháy thường) hoặc thông qua địa chỉ đối với hệ thống báo cháy địa chỉ) và truyền
thông tin đến các thiết bị đầu ra (bảng hiển thị phụ, chng, cịi, đèn), các thiết bị
này sẽ phát tín hiệu âm thanh, ánh sáng. Sau đó hệ thống báo cháy truyền tín hiệu
đến hệ thống chữa cháy (phun nước) sẵn sàng xử lý kịp thời và tránh gây thiệt hại
về người và tài sản.

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy
Thông thường Hệ thống Sprinkler là hệ thống chữa cháy tự động bằng nước.
Với đầu phun kín Spinkler luôn ở chế độ thường trực. Sẵn sàng hoạt động ngay khi
nhiệt độ tại đó đạt tới ngưỡng làm việc nhất định.

12


Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống chữa cháy điển hình Splinkler
1.2 Các yêu cầu cơ bản.
Hệ thống báo cháy phải đáp ứng những yêu cầu sau:
– Có khả năng chống nhiễu tốt.

– Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống.
– Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác lắp đặt chung hoặc riêng rẽ.
– Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện ra
cháy.
– Phát hiện cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra.
– Chuyển tín hiệu khi phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những
người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp.
– Hiển thị vị trí cháy trên màn hình hiển thị tại trung tâm điều khiển.
Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy. Hệ thống này phải thực hiện đầy
đủ các chức năng đã được đề ra mà khơng xảy ra sai sót.
Hệ thống báo cháy bao gồm các bộ phận cơ bản: Trung tâm báo cháy, đầu báo
cháy tự động, van phun nước(được thay bằng tín hiệu đèn), các yếu tố liên kết, nguồn
điện. Tuỳ theo u cầu hệ thống báo cháy cịn có các bộ phận khác như thiết bị truyền

13


tín hiệu báo cháy, bộ phận kiểm tra thiết bị phòng cháy chữa cháy tự động và báo về
trung tâm vị trí đang xảy ra cháy.
Cấu trúc thiết bị
Thiết bị

Loại sử dụng

Cảm biến tia lửa

Flame sensor

Mạch chuyển đổi xử lí tín

ADC ngồi hoặc trong chíp

hiệu
Bộ điều khiển

ARDUINO

Hiện thị vị trí cháy

LCD

Tín hiệu cảnh báo

Trên LCD, chng báo động, đèn
LED

Tín hiệu van nước chữa

Đèn LED

cháy
1.3 Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu.
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu.
a, Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.

- Dựa vào kiến thức đã được học, tìm hiểu qua internet, sách vở và tham khảo
ý kiến bạn bè, thầy cơ.
- Tìm hiểu những hệ thống báo cháy và chữa cháy phổ biến để học hỏi cách
thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể.
- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lí số liệu để xây

dựng mơ hình phù hợp với đề tài.
- Sử dụng các phần mền lập trình để hỗ trợ như: MPLAB IDE, Proteus,
Arduino.exe...
14


b, Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm
- Thực hiện hoàn thiện từng thành phần của hệ thống: bộ phận cảm biến, bộ
phận hiển thị báo cháy, bộ phận chuông báo động, bộ phận tự động cung cấp và ngắt
nguồn nước, bộ phận vi điều khiển.
- Kiểm tra chương trình cho hệ thống báo cháy và chữa cháy.
- Tính tốn, thiết kế và nghiên cứu độ an toàn và độ chính xác của hệ thống.
- Cho hệ thống hoạt động và chỉnh sửa những chi tiết chưa phù hợp.
1.3.2 . Phạm vi nghiên cứu.
- Nghiên cứu lựa chọn các mô hình thực tế phù hợp với kết cấu của hệ thống.
- Mơ phỏng các mơ hình, lưu đồ thuật tốn và tính tốn điều khiển trên các mơ
hình với sự thay đổi linh hoạt các cơ cấu của hệ thống.
- Cơ sở tính tốn, liên kết và điều khiển linh hoạt, sáng tạo, khoa học các mơ
hình mơ phỏng để đưa ra một hệ thống hoàn chỉnh, tạo tiền đề cho việc chế tạo mơ
hình của hệ thống.
1.3.3 Giới hạn nghiên cứu.
- Kích thước sản phẩm: Nhỏ gọn, phù hợp, nhanh nhạy và đáp ứng đủ các yêu
cầu kĩ thuật đưa ra.
- Cấu tạo: Tiện lợi, dễ dàng di chuyển.
- Vật liệu: Sử dụng vật liệu đảm bảo độ cứng vững và đủ điều kiện làm việc
trong hệ thống.
- Khả năng hoạt động: Hồn thiện được hệ thống có thể báo cháy và chữa cháy
theo yêu cầu.
1.4 Ý nghĩa thực tiễn.
Hệ thống báo cháy và chữa cháy là một trong những đề tài mang tính thiết thực,

mức cần thiết cao trong đời sống sinh hoạt thường ngày và được sử dụng tại rất nhiều
nơi:
15


Các khu cơng nghiệp: nơi sử dụng nhiều máy móc, thiết bị để sản xuất; các loại
chất hóa học; sản phẩm dễ cháy nổ…
Tại mỗi gia đình, trường học, chung cư, trung tâm thương mại, quán bar, trung
tâm hội nghị, nhà hát, nhà văn hóa, rạp chiếu phim, vũ trường, nhà thi đấu thể thao…
Bảo tàng, thư viện, triển lãm, khu di tích lịch sử, chợ, nhà phát thanh, đài truyền
hình, bưu chính viễn thơng…
Bệnh viện: khu có bệnh nhân đông; nơi để các trang thiết bị, vật tư y tế…
Quân sự: kho chứa các loại vũ khí tối tân, vật liệu nổ, công cụ hỗ trợ, cảng xuất
nhập vật liệu nổ, các chất hóa học, trung tâm chỉ huy, điều hành, điều khiển…
Giao thông: cảng hàng không, cảng biển, cảng thủy, bến xe, bãi đỗ xe, gara ô
tô, nhà ga đường sắt…
Trụ sở cơ quan hành chính nhà nước; viện, trung tâm nghiên cứu, trụ sở làm
việc của các cơ quan chun mơn, doanh nghiệp…
Hầm lị khai thác than, hầm lị khai thác các khống sản khác cháy được; cơng
trình giao thơng ngầm; cơng trình trong hang hầm có hoạt động sản xuất, bảo quản,
sử dụng chất cháy, nổ
Nhà máy điện; trạm biến áp; nhà máy đóng tàu, sửa chữa tàu; nhà máy sửa
chữa, bảo dưỡng máy bay; kho hàng hóa, vật tư cháy; bãi hàng hóa; khách sạn, nhà
khách, nhà nghỉ, nhà trọ từ 5 tầng trở lên…
Nhằm mục đích cho việc giải quyết các vụ hỏa hoạn cũng như cháy nổ ở Việt
Nam hiệu quả hơn, đây chính là động lực để nhóm em tìm hiểu và có thêm nhiều
hiểu biết hơn và cách điều khiển, thiết kế và chế tạo hệ thống tối ưu và đáp ứng đủ
các yêu cầu đưa ra.

16

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.
Sơ đồ khối hệ thống:

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến.
Một cảm biến ngọn lửa phát hiện sự hiện diện của lửa hoặc ngọn lửa. Trong
môi trường cực kỳ nguy hiểm, cảm biến ngọn lửa hoạt động để giảm thiểu rủi ro liên
quan đến hỏa hoạn. Có một số loại cảm biến ngọn lửa khác nhau – một số sẽ tăng
báo động trong khi một số khác có thể kích hoạt hệ thống ngăn chặn lửa hoặc tắt
dịng nhiên liệu dễ cháy. Trong một mơi trường nguy hiểm, chẳng hạn như một nhà
máy xử lý hóa dầu, khơng phát hiện rị rỉ khí, cháy hoặc nổ có thể chứng minh tai
hại.
Các loại cảm biến ngọn lửa khác nhau:
-Cảm biến ngọn lửa cực tím.
-Gần cảm biến ngọn lửa mảng IR.
-Cảm biến ngọn lửa hồng ngoại.
Cảm biến ngọn lửa hồng ngoại được thiết kế để hoạt động trong dải quang phổ
hồng ngoại. Khi một vụ nổ xảy ra, một số khí nóng nhất định sẽ phát ra các mẫu
17


trong vùng hồng ngoại. Vì hơn 90% tổng bức xạ của ngọn lửa là hồng ngoại, các
máy dò này nhận được bức xạ phong phú cường độ khá cao và sẽ hoạt động với ngọn
lửa rất yếu hoặc rất nóng. Cảm biến ngọn lửa hồng ngoại có phần dễ bị báo động sai,
vì vậy thường có thời gian trễ sẵn có.

Hình 2.1: Cảm biến 5 đầu đo
Các loại cảm biến ngọn lửa đáng chú ý khác bao gồm phát hiện ngọn lửa ion

hóa và phát hiện ngọn lửa cặp nhiệt điện. Cảm biến ngọn lửa được sử dụng trong
một số môi trường nguy hiểm, chẳng hạn như trạm hydro, hệ thống sưởi và sấy cơng
nghiệp, tua bin khí cơng nghiệp, hệ thống sưởi ấm trong nhà và thiết bị nấu bằng
gas. Mục đích chính của họ là giảm thiểu các rủi ro liên quan đến quá trình đốt cháy.
Sau khi phân tích các loại cảm biến tia lửa ở trên, nhóm chúng em quyết định
chọn loại cảm biến hồng ngoại, chính là cảm biến phát hiện lửa flame sensor. Mơ
đun phát hiện lửa sẽ dùng một led thu tín hiệu hồng ngoại để bắt tín hiệu hồng ngoại
mà ngọn lữa phát ra, một dấu hiệu rõ ràng của sự cháy.
Cảm biến phát hiện lửa flame sensor thường được sử dụng cho các ứng dụng
phát hiện lửa như: xe robot chữa cháy, cảm biến lửa,… Tầm phát hiện trong khoảng
80cm, góc quét là 60 độ, có thể phát hiện lửa tốt nhất là loại có bước sóng từ 760nm
Ưu điểm:
18


• Thường được sử dụng cho các ứng dụng phát hiện lửa như: xe robot chữa
cháy, cảm biến lửa,…
• Khả năng phát hiện lửa hoặc nguồn sáng có bước sóng tương tự.
• Sử dụng cảm biến hồng ngoại YG1006 với tốc độ đáp ứng nhanh và độ
nhạy cao.
• Tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC, tạo 2 ngõ ra cả số và tương tự,
rất linh động trong việc sử dụng.
• Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy cảm biến.
• Có thể ứng dụng trong các hệ thống báo cháy, robot chữa cháy…
• Giá thành rẻ, dễ sử dụng và dễ dàng di chuyển.
Nhược điểm:
• Dễ bị hỏng khi gặp nhiệt độ cao.
• Góc qt và khoảng cách bị giới hạn.
Thông số cảm biến phát hiện lửa:
Nguồn cấp: 3.3V – 5VDC

Dịng tiêu thụ: 15mA
Tín hiệu ra: Digital 3.3 – 5VDC tùy nguồn cấp hoặc Analog.
Khoảng cách: 80cm
Góc qt: 60 độ
Kích thước: 3.2 x 1.4 cm
Sơ đồ chân
VCC –> 3.3V ~ 5.3V
GND –> power supply ground
AOUT (AO) –> analog output
DOUT (DO) –> digital output

19


Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của flame sensor

Hình 2.3: Cảm biến tia lửa

Khi lựa chọn cảm biến tia lửa thi trong hệ thống báo cháy và chữa cháy không
thể thiếu cảm biến khí gas. Cảm biến được sử dụng rộng rãi để phát hiện khí độc và
rị rỉ khí tự nhiên.
Cảm biến khí là một thiết bị được sử dụng để giám sát sự hiện diện hoặc mức
độ của khí trong mơi trường tĩnh. Thường được sử dụng trong các mỏ than, dầu khí,
20


hóa chất, thành phố, y tế, giao thơng vận tải, gia đình, v.v. Cảm biến khí có thể đo
sự hiện diện và nồng độ của khí dễ cháy, dễ bắt lửa, độc hại hoặc tiêu thụ oxy.
Các loại cảm biến ngọn lửa khác nhau:
− Cảm biến khí gas bán dẫn

− Cảm biến khí gas điện hố
− Cảm biến khí gas xúc tác
− Cảm biến khí gas từ tính
Cảm biến điện hóa phản ứng với khí đo và tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với nồng độ
khí. Hầu hết các cảm biến khí điện hóa là cảm biến dịng điện, tạo ra một dịng điện
tỷ lệ tuyến tính với nồng độ khí. Cảm biến xúc tác thực chất là một máy dị khí dựa
trên cảm biến nhiệt độ điện trở bạch kim
Sau khi phân tích các loại cảm biến tia lửa ở trên, nhóm chúng em quyết định
chọn loại cảm biến khí gas bán dẫn MQ2.
Cảm biến khí gas MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và
Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác. 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 điện.
Ưu điểm:
- Cấu trúc đơn giản

- Độ nhạy phát hiện cao
- Tốc độ phản ứng nhanh
Nhược điểm:

− Phạm vi tuyến tính đo nhỏ.
− Nó bị can thiệp rất nhiều bởi các khí khác trong khơng khí
− Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.

21


Thơng số kỹ thuật:
- Nguồn hoạt động: 5V

− Kích thước: 3cm * 1.6cm
− Độ phân giải: 10mV/°C
− Tín hiệu: Số (digital) và Tương tự (ADC – Analog)

Hình 2.4:Sơ đồ nguyên lý MQ2

Hình 2.5: Cảm biến MQ2

22


2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển.
Chúng ta có thể sử dụng IC ổn áp hoặc PIC để điều khiển. Tuy nhiên để thuận
tiện cho việc sử dụng nhóm em chọn Arduino để điều khiển hệ thống bởi: Arduino
có thể sử dụng ngay. Vì Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi,
một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm.
Chúng ta không cần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào
khác. Chỉ cần cắm nó vào cổng USB của máy tính.
Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi
Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR
Atmega328P.
Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu
vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử,
thiết bị bên ngồi. Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép
các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách
trực quan.

Hình 2.6: Sơ đồ chân Adruino
23

Board mạch xử lí:
Ưu điểm:
• Sản phẩm nhỏ gọn có khả năng tính tốn chính xác và ra kết quả ngay
lập tức với sai số thấp nhất.
• Là một board mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển
Atmega328 được ứng dụng để học và làm các ứng dụng nhúng đơn giản.
• Board mạch có 1 đầu USB Plug kết nối với máy tính để gửi lệnh hoặc
nhận tín hiệu từ Arduino.
• Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED
nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt
độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD
• Giá thành rẻ, dễ sử dụng cho người mới bắt đầu và kết nối được với nhiều
loại linh kiện khác.
• Một số ứng dụng có thể kể đến như: lập trình robot: Arduino chính là
một phần quan trọng trong trung tâm xử lí giúp điều khiển được hoạt
động của robot; lập trình máy bay khơng người lái; game tương tác:
Tetrix, phá gạch, Mario...
• Có chức năng đơn giản hóa cơng việc và cộng đồng sử dụng vơ cùng lớn.
Nhược điểm:
• Cấp nguồn ngồi không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp
dưới 6V có thể làm hỏng board.
• Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi
điều khiển ATmega328. Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc
Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
24


• Arduino UNO khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào.
• Khả năng và giúp ích cho sự phát triển tư duy của người dùng ít. Nếu

bạn bắt đầu vi điều khiển với Arduino thì sẽ rất khó cho người dùng khi
làm các mạch thông minh phức tạp trong tương lai. Vì phần cứng và phần
mềm của Arduino dễ sử dụng nên sẽ không biết những điều cơ bản như
giao tiếp nối tiếp, ADC, I2C…

Hình 2.7: Mạch Adruino UNO R3
Bảng thông số kĩ thuật của mạch Arduino
Chip điều khiển

Atmega328p

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp đầu vào(giới hạn)

6-20V

Điện áp đầu vào(khuyên dùng)

7-12V

Số chân Digital

14

Số chân Analog

6

Số chân PWM Digital

6
25