TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN
Khoa Cơ khí
Chuyên ngành Cơ - Điện tử
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ
Đề tài: Xây dựng hệ thống đo và cảnh báo cháy
Lớp K54CĐT.01
Giáo viên hướng dẫn
Sinh viên thực hiện
Mã số sinh viên
Sinh viên thực hiện
Mã số sinh viên
:
:
:
:
:
Thái Nguyên - 2021
0
Ngô Ngọc Vũ
Chu Thăng Long
K185520114029
Trần Trung Kiên
K185520114024
Mục lục
Lời nói đầu...............................................................................................................2
Chương 1:.................................................................................................................3
1.1
Tổng quan:...................................................................................................3
1.2
Phân tích u cầu: (hệ thống cảnh báo cháy đối với khí gas).....................3
1.3
Thơng số kỹ thuật cần đạt được: (thực hiện theo TCVN 5738:2000).......5
Chương 2: Thiết kế hệ thống đo.............................................................................6
2.1 Sơ đồ khối hệ thống:.......................................................................................6
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến:...................................................................7
Cảm biến lửa:..............................................................................................7
Cảm biến khói - gas:...................................................................................8
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển:.........................................................13
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu:............................................................17
2.5 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống:..........................................................18
2.6 Lưu đồ thuật tốn:.......................................................................................19
Chương 3: Thi cơng và đánh giá sản phẩm........................................................20
3.1 Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống:................................................20
3.2 Quá trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch:......................21
3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống:.............................................................23
Phụ lục....................................................................................................................25
1
Lời nói đầu
Trong cuộc sống hiện đại, việc phịng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm
hang đầu vì quanh ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy có thể gây thiệt hại nặng
nề về người và của. Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy và chữa cháy có vai trị
rất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lý kịp thời các đám cháy khi con người chưa
thể xử lí và can thiệp được.
Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống đo
và cảnh báo cháy đơn giản”. Hệ thống giúp phát hiện các nguy cơ cháy từ rị rỉ gas,
các khí dễ cháy. Từ đó sẽ có hướng xử lí như ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa
cháy.
2
Chương 1:
Tổng quan về hệ thống đo cảnh báo cháy
1.1 Tổng quan:
Hệ thống đo cảnh 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 hoặc rỏ rí khí gây cháy nổ
xảy ra. Việc phát hiện ra các tín hiệu cháy được thực hiện tự động bởi các
thiết bị và hoạt động liên tục trong 24/24.
Với chức năng cảnh báo sớm, hệ thống có nhiệm vụ phát hiện sớm các nguy
cơ cháy nổi tại các vị trí đặt cảm biến. Ngồi ra hệ thống có khả năng tích
hợp các hệ thống kỹ thuật khác phục vụ công tác chữa cháy giúp hạn chế tối
đa thiệt hại về con người và tài sản.
1.2 Phân tích yêu cầu: (hệ thống cảnh báo cháy đối với khí gas)
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 khí hóa
lỏng(gas nấu bếp) hoặc các chất dành cho các ngành cơng nghiệp như Hidro,
Axetylene…
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 đến mức vừa đủ trong khơng khí
thì nó có khả năng phát cháy nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động của
nguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời...).
Nổ là q trình cháy rất nhanh do đó tạo ra một khoảng áp suất rất lớn trong
phạm vi cháy và sẽ phát nổ. Vậy muốn cháy được nhanh phải có các điều
kiện cần và đủ là:
Chất gây cháy hịa trộn với tỷ lệ phù hợp trong khơng khí, hay nói cách
khác với oxi có sẵn trong khơng khí.
3
Được kích hoạt bởi tia lửa.
Trong phạm vi hẹp.
Hình 1.1: Sự lan tỏa cả khí rị rỉ
Nếu có một điểm rị rỉ nào đó từ các ống dẫn khí, hay bình chứa khí… khí
gas sẽ dần lan tỏa ra xung quanh theo mơ phỏng như hình trên. Nếu khơng
có tác động của gió, hoặc trọng lượng riêng của khí đó thì có thể nói rằng
càng cách xa điểm rị rỉ thì nồng độ khí gas gây cháy càng lỗng. Với
ngun tắc cháy, nếu khơng có khơng khí thì khí gas sẽ khơng cháy được.
nồng độ oxi q ít hoặc quá nhiều cũng rất khó cháy.
Do đó khoảng khơng gian từ điểm rị rỉ đến điểm mà khí đó có đủ oxi để
cháy vẫn là khoảng cách an toang. Và, khoảng khơng gian có q ít khí gas
để cháy cũng rất an toang. Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bên
trên ngưỡng có thể phát cháy được (UFL) và bên dưới ngưỡng không thể
cháy được (LFL).
Dựa trên các thông số thực tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm đã
sử dụng các cảm biến (khí gas, nhiệt độ, khói…) phát hiện sớm những
trường hợp có thể gây hỏa hoạn từ các module cảm biến, sau đó truyền tín
4
hiệu bằng sóng radio (RF) về nguy cơ cháy đến khối xử lý trung tâm. Khối
này sẽ cảnh báo nguy cơ cháy đến chủ nhà và thực hiện các biện pháp chữa
cháy như đã được lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng).
1.3 Thông số kỹ thuật cần đạt được: (thực hiện theo TCVN 5738:2000)
Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ các yêu cầu,
quy định của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan và phải được
cơ quan phịng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận.
Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng những u cầu sau:
Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra.
Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những
người xung quanh có thể thực hiện ngay các biên pháp thích hợp.
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 được lắp đặt chung hoặc
riêng rẽ.
Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiên
ra cháy.
Hệ thống báo cháy tự động 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.
Những tác động bên ngoài gây ra sự cố cho một bộ phận của hệ thống
không được gây ra những sự cố tiếp trong hệ thống.
5
Chương 2: Thiết kế hệ thống đo
2.1 Sơ đồ khối hệ thống:
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng từng khối:
Khối cảm biến khói: Sử dụng module cảm biến khói có nhiệm vụ phát
hiện khói và đưa thơng tin về khối xử lý.
Khối cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phát
hiện nhiệt độ cao và đưa thông tin về khối xử lí.
Khối xử lí: Sử dụng bộ điều khiển dung để giao tiếp với các khối cảm
biến nhiệt độ, cảm biến khói và đưa thơng tin đến khối phát tín hiệu ra.
Khối phát tín hiệu: Sử dụng cịi báo và đèn có nhiệm vụ báo động cho
mọi người biết khi có cháy xảy ra.
6
Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện DC có điện áp 9V để cung cấp cho hoạt
động của mạch.
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến:
Cảm biến lửa:
Cảm biến phát hiện lửa Flame sensor KY-026 dùng để phát hiện lửa, thường
được dùng trong các hệ thống báo cháy. Tầm hoạt động trong khoảng 80cm
với góc quét 60º.
Cảm biến nhận biết được lửa tốt nhất với bước sóng 760nm – 1100nm.
Mạch cịn được tích hợp IC LM393 để so sánh tọa mức tín hiệu và có thể
chỉnh được độ nhạy bằng biến trở.
Tính năng của cảm biến:
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.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 3.3 – 5.3 VDC
Dịng tiêu thụ: 15 mA
Bước sóng phát hiện được: 760 – 1100nm
Góc quét: 0 - 60º
Khoảng cách phát hiện: <1m
Nhiệt độ hoạt động: -25ºC - 85ºC
Sơ đồ chân:
7
Vcc: 3.3V-5.3V
GND: nối đất
Ao: Analog output
Do: digital output
Nguyên lý hoạt động:
Khi module hoạt động các chân tín hiệu sẽ báo tín hiệu về thiết bị điều
khiển. Lúc đó tín hiệu chân Do:
- Tín hiệu mức cao là khơng có lửa.
- Tín hiệu thấp là có lửa.
Ao cho tín hiệu tương tự.
Cảm biến khói - gas:
Có nhiều loại cảm biến giúp phát hiện cháy nổ: cảm biến khí gas (MQ2,
MQ5, MQ7…), đèn led hồng ngoại…
Đèn led hồng ngoại: độ nhạy với khí gas khơng cao, thời gian đáp ứng
chậm.
Cảm biến khí gas: độ nhạy cao với các khí gas, khí dễ gây cháy nổ, thời
gian đáp ứng nhanh hơn so với đèn led hồng ngoại.
Nhóm em chọn module cảm biến khí gas MQ2 cho hệ thống cảnh báo cháy
bởi:
8
Cảm biến khí gas MQ2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng
để nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane, Alcohol, Hydrogen,
Smoke và khí gas.
MQ2 có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh.
Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài.
Phạm vi giá trị cảm biến để nhận biết nồng độ khí gas của MQ2 phù hợp
hơn so với các loại cảm biến khác (MQ5. MQ7…).
Hình 2.4: Module cảm biến khí gas MQ2
Sơ lược về cảm biến:
Chân cảm biến:
- VCC: chân cấp nguồn cho cảm biến, điện áp sử dụng 5V.
- GND: chân nối đất cho cảm biến.
- AOUT: đầu ra ADC.
- DOUT: đầu ra Digital (so sánh khi phát hiện khí).
Module MQ2 là thiết bị dùng để cảm biến khí, trong đó có tác dụng cảm
biến khói. Khi khơng có khói DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mức
cao, khi có khói thì DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mức thấp.
Cấu tạo cảm biến MQ-2:
9
Đây là cách cảm biến trông như thế nào khi loại bỏ lưới bên ngồi. Cấu
trúc hình ngơi sao được hình thành bởi phần tử cảm biến và sáu chân kết
nối kéo dài ra ngoài đế Bakelite. Trong số sáu, hai dây dẫn (H) chịu trách
nhiệm làm nóng phần tử cảm biến và được kết nối qua cuộn dây NikenCrom, hợp kim dẫn điện nổi tiếng.
Hình 2.5: Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2
Bốn dây dẫn còn lại (A&B) chịu trách nhiệm cho tín hiệu đầu ra được kết
nối bằng dây bạch kim. Các dây này được kết nối với phần thân của phần
tử cảm biến và truyền tải những thay đổi nhỏ trong dòng điện đi qua phần
tử cảm biến.
10
Hình 2.6: Cấu tạo bên ngồi của phần tử cảm biến
Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm nhơm Oxit ( Al2O3) và
có một lớp phủ Thiết Dioxit (SnO2). Thiếc Dioxit là vật liệu quan trọng
nhất nhạy cảm với khí dễ cháy. Tuy nhiên, đế gốm chỉ đơn thuần là tăng
hiệu quả sưởi ấm và đảm bảo vùng cảm biến được làm nóng đến nhiệt độ
làm việc liên tục.
Hình 2.7: Cấu tạo bên trong của phần từ cảm biến
Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ-2:
11
Hình 2.8: Miêu tả hoạt động của cảm biến MQ-2
Khi thiếc dioxit (các hạt bán dẫn) được nung nóng trong khơng khí ở
nhiệt độ cao, oxy sẽ bị hấp thụ trên bề mặt. Trong khơng khí sạch các
điện tử cho trong thiếc dioxit bị hút về phía oxy được hấp thụ trên bề mặt
của vật liệu cảm ứng. Điều này ngăn cản dịng điện chạy qua.
Khi có mặt các khí khử, mật độ bề mặt của oxy bị hấp phụ giảm khi nó
phản ứng với các khí khử. Sau đó, các điện tử được giải phóng vào thiếc
dioxit, cho phép dòng điện chạy tự do qua cảm biến.
Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ-2:
Nguồn hoạt động: 5V
Loại dữ liệu: Analog
Phạm vi phát hiện rộng
Mạch đơn giản
Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài
Thời gian đáp ứng: ≤10s
Thời gian phục hồi: ≤30s
Trở kháng khi nóng: 31 ± 3
Dịng tiêu thụ khi nóng: ≤180mA
12
Điện áp khi nóng: 5.0V ± 0.2V
Năng lượng khi nóng: ≤900mW
Điện áp đo: ≤24V
Điều kiện làm việc:
- Nhiệt độ: -20°C ~ 55°C
- Độ ẩm: ≤95% RH
- Hàm lượng oxy môi trường: 21%
Điều kiện bảo quản:
- Nhiệt độ: -20°C ~ 70°C
- Độ ẩm: ≤70% RH
Hình 2.9: Mạch ứng dụng của cảm biến
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. 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
13
lập trình hoặc bất kì giao diện nào khác. Chit 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 ngoài. Trong 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.
Arduino UNO R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua USB để
giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, Mac hoặc
Linux Systems. Tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng. Các ngơn
ngữ lập trình như C và C++ được sử dụng trong IDE.
Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngồi để cấp nguồn cho bo
mạch.
14
Hình 2.10: Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3
Có một chân I/O Digital và Analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức
logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA.
Thông số kỹ thuật:
Chip ATMEGA328P-PU
Nguồn cấp: 7-12V
Dòng Max chân 5V: 500mA
Dòng Max 3.3V: 50mA
Dòng Max chân I/O: 30mA
14 chân Digital I/O (6 chân PWM)
6 chân Analog Inputs
32k Flash Memory
16Mhz Clock Speed
SRAM 2kB
EEPROM 1kB
15
Đèn LED: Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thơng
qua chân 13. Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương
ứng tắt.
Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino.
Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB. Pin này được sử dụng để
cung cấp điện áp tồn mạch thơng qua jack nguồn, thơng thường khoảng
7-12VDC
5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino được cấp
nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc jack nguồn
DC.
USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trọ dải
điện áp trong khoảng từ 7V đến 20V.
GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino
Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu
IOREF: Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho
Arduino
PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10,11. Các chân này
được cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8bit.
SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp. Các chân 10 (SS),
11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp
của thư viện SPI.
AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung
cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
TWI: Chân giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây. Chân A4
và A5 được sử dụng cho mục đích này.
Serial Communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai
chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
16
Rx: Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sử
dụng để truyền dữ liệu.
Extermal Interrputs (Ngắt ngoài): chân 2 và 3 được sử dụng đẻ cung cấp
các ngắt ngoài.
2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu:
Mạch đo gồm có:
Mạch Arduino Uno R3
Dây dẫn
1 đèn LED
1 loa
1 điện trở 220
Module cảm biến lửa
Module cảm biến khí gas MQ2
Màn hình LCD 16×2
Module I2C PCF8574
Mạch được thiết như sau:
Đèn led được mắc nối tiếp điện trở 220. Cực dương cắm ở chân Digital số
8. Cực âm nối với GND
Loa mắc nối tiếp với điện trở 220 thứ hai. Cực dương cắm ở chân Digital
số 7. Cực âm nối với GND
2 module cảm biến đều có 4 chân như nhau Vcc, GND,Vout. Vcc của 2 cảm
biến nối với chân 5V ở phía Analog. GND nối với GND. Chân Vout của
MQ-2 nối với số 6 của Arduino. Chân Vout của cảm biến lửa nối với chân A 0
của Arduino.
Chân Analog A4 và A5 lần lượt nối với chân 15 và chân 14 của module I2C
PCF8574 (để giảm thiểu số chân của LCD với Arduino) từ đó dùng các chân
17
P0, P1, P2 P4, P5, P6, P7 để nối ra các chân của LCD 16×2. Ngồi ra các
chân A0, A1, A2 của module I2C nối với nguồn.
2.5 Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống:
Hình 2.11: Mạch mơ phỏng
18
2.6 Lưu đồ thuật tốn:
Giải thích lưu đồ:
Lưu đồ trên bắt đầu ta gán J là cảm biến khí gas, I là cảm biến lửa. Tiếp
tục chương trình ta xem đầu ra của cảm biến khí gas có ở mức thấp khi
đó ta cũng có hai trường hợp:
- Trường hợp 1: J = 0, I = 0 chương trình kết thúc.
- Trường hợp 2: J = 1, I = 1 chương trình tiếp tục đưa dữ liệu về xử lý.
Khi nhận được dữ liệu từ khối cảm biến khí gas lúc này bộ xử lý sẽ phát
tín hiệu cho đèn báo động và đồng thời chuông báo động sẽ kêu lên.
19
Chương 3: Thi công và đánh giá sản phẩm
3.1 Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống:
Tên thiết bị, Số lượng
vật tư
Thơng số kĩ thuật
Mục đích
sử dụng
Arduino
Uno R3
1
MQ2
Sensor
1
Cảm biến
phát hiện
khí gas
Flame
sensor
1
Cảm biến
phát hiện
ánh lửa
Bộ điều
khiển trung
tâm
20
Cịi báo
1
Cịi báo
hiệu
Đèn led
1
Cảnh báo
khi có khí
gas và ánh
lửa
LCD đã đấu
nối I2C
1
Hiện thị
Board test
1
Dùng để
đấu nối các
linh kiện
Dây dẫn
test board
các loại
20
Dẫn điện từ
nguồn và
để nối các
linh kiện
3.2 Quá trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch:
Arduino Uno R3:
21
Cảm biến MQ2
Cảm biến ánh lửa
22
LCD đấu nối I2C
Ngồi ra cịn có các loại linh kiện khác như board test, còi, led, dây dẫn….
Lắp ráp mơ hình:
3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống:
Khi chưa có khí gas và ánh lửa, hệ thống vẫn hoạt động bình thường khơng
có tín hiệu thơng báo:
Khi có khí gas hoặc ánh lửa (hoặc cả hai), đèn báo sáng còi báo động lên và
màn hình LCD xuất chữ cảnh báo.
Nhận xét:
23
Hệ thống rất nhạy với khí gas và ánh lửa. Thời gian phản hồi nhanh
khoảng 1-2s.
24