Thiết kế mạch cảm biến khói đặt ở nơi công cộng

ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ :
“ MẠCH CẢM BIẾN KHÓI, ĐẶT Ở NƠI CÔNG CỘNG. KHI CÓ NGƯỜI HÚT
THUỐC TRONG PHÒNG THÌ CHUÔNG REO”

LỜI NÓI ĐẦU
XW

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên
tiến của thế giới, chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn.
Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc
điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ…là những yếu t
ố rất cần
thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả ngày càng cao hơn.
Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng
được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu
cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày. Một trong những ứng dụng
của rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là các mạch cảm biến với các linh
kiện tích hợp cao. Mạch cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và
các lĩnh vực khác trong cuộc sống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và
đạt được năng suất, kinh tế thật cao .
Xuất phát từ những ứng dụng đó, chúng em đ
ã thiết kế một mạch ứng dụng
nhỏ đó là mạch cảm biến khói. Vì thời gian, tài liệu và trình độ còn hạn chế nên
việc thực hiện đồ án còn nhiều thiếu sót … Kính mong nhận được sự chỉ dẫn và
góp ý tận tình của tất cả quý thầy cùng các bạ

MỤC LỤC
Trang

LỜI MỞ ĐẦU……………………………………………………………2
PHẦN THIẾT KẾ CHÍNH
PHẦN I:NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ KHỐI…………… 4
I) Nguyên tắc thiết kế …………… 5
II) Sơ đồ khối …………………………………………… 5
PHẦN II:SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ, CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI………7
I) Chức năng từng khối………………………………………………….7
II) Sơ đồ khối toàn mạch……………………………………………… 8
III) Nguyên lý hoạt động………………………………………… ……9
PHẦN III: CÁC LINH KIỆN SỬ D
ỤNG TRONG MẠCH
I) Điện trở ………………………………………………………………11
II) Tụ điện……………………………………………………………….12
III) Transistor……………………………………………………………13
IV) Điot-led………………………………………………………… …14
V) IC LM1801………………………………………………………… 15
VI) Điot 1N4004……………………………………………………… 16
VII) TIC 106M………………………………………………………… 17
VIII) LDR ……………………………………………………………… 20
IX) Chuông và HP1………………………………………………………26
PHẦN IV:ĐÁNH GIÁ ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠCH …………….26

PHẦN V:KẾT LUẬN …………………………………………………….28





PHẦN I : NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ VÀ SƠ ĐỒ
KHỐI

I)NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ
Mạch cảm biến khói thường được sử dụng trong các hệ thống báo động tiên tiến.
Hầu hết các thiết bị này sử dụng chuyên nghiệp khí-dò, ion hóa phòng hoặc các yếu
tố phóng xạ như các cảm biến.Có hai cách cơ bản để thiết kế bộ cảm biến khói.
Cách thứ nhất sử dụng nguyên tắc ion hóa. Người ta sử dụng một lượng nhỏ ch
ất
phóng xạ để ion hóa trong bộ cảm biến. Không khí bị ion hóa sẽ dẫn điện và tạo
thành một dòng điện chạy giữa hai cực đã được nạp điện. Khi các phần tử khói lọt
vào khu vực cảm nhận được ion hóa sẽ làm tăng điện trở trong buồng cảm nhạn và
làm giảm luồng điện giữa hai cực. Khi luồng điện giảm xuố
ng tới một giá trị nào đó
thì bộ cảm biến phát hiện và phát tín hiệu báo động.
Cách thứ hai sử dụng các linh kiện thu phát quang. Người ta dung linh kiện phát
quang (LED, LED hồng ngoại …) chiếu một tia ánh sang qua vùng bảo veejvaof
một linh kiện thu quang (photo diode, quang trở, photo transistor…).

Khi mộ
sẽ xuất
che chắ
giảm x
u

động.
Tro
n
khó th
ự
và dễ t
h
cảm bi
ế


II) SƠ
Đ


t vụ cháy
x
hiện khói
v
n hoặc là
m
u
ống tới
m
n
g hai các
h
ự
c thi và lắ
p

h
ực thi. Lợ
ế
n khói và
Đ
Ồ KHÔÍ

x
ảy ra hoặ
c
v
ới mật đ
ộ
m
giảm cư
ờ
ột giá trị
n
h
này thì p
h
p
đặt. Còn
i dụng đặ
c
sử dụng b
ộ
MẠCH C
Ả
c

khi có n
g
ộ
cao. Khi
c
ờ
ng đọ án
h
n
ào đó thì
b
h
ương phá
p
cách thứ
h
c
điểm này
ộ
phận thu
Ả
M BIẾ
N
g
ười hút t
h
c
ó cháy, k
h
h

sáng chiế
b
ộ cảm biế
p
thứ nhất
h
ai tuy ít n
h
chúng e
m
phát chín
h
N
KHÓI :
h
uốc trong
h
ói đi nga
n
u vào linh
n sẽ phát
h
nhạy hơn
h
ạy hơn n
h
m
chọn các
h
h

là LDRs
phòng thì
n
g qua vù
n
kiện thu.
K
h
iện và ph
á
và hiệu q
u
h
ưng linh
k
h
hai để th
i
và một L
E
ở khu vực
n
g bảo vệ
s
K
hi cường
á
t tín hiệu
b
u

ả hơn nh
ư
k
iện dễ ki
ế
i
ết kế mạc
h
E
D
đó
s
ẽ
đọ
b
áo
ư
ng
ế
m
h

PHẦN II: CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI, SƠ ĐỒ
NGUYÊN LÝ VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

I) CHỨC NĂNG TOÀN KHỐI
1) Khối cảm biến : có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu khói thành tín hiệu điện, trong
phần thiết kế này ta dùng quang trở. Như ta đã biết hoạt động của quang trở là: khi
có ánh sang chiếu vào điện trở của nó giảm đi đáng kể so với khi không được chiếu
sáng.

2
) Khối ổn định điện áp nguồn
Khối nguồn lấy nguồn AC_ 220V từ điện lưới gia đình,dùng biến thế hạ áp
xuống 12Vol_AC, khi qua cầu chỉnh lưu được DC_ 12V, dùng IC 7805 ổ áp cung
cấp 2 mức điện áp cho toàn mạch là +12vol và +5vol.

Hoặc ta cũng có thể lấy trực tiếp sạc điện thoại dùng làm nguồn cho mạch

3) Khố
i
M
ạ
và đưa
r
Tr
o
này ba
o
tham c
h

4) Khố
i

II) SƠ
Đ

Sơ đ
ồ


i
khu
y
ếch
ạ
ch khuyế
c
r
a tín hiệu
o
ng đề tài
n
o
gồm khố
i
h
iếu so sá
n
i
báo độn

g
Đ
Ồ NGUY
ồ
nguyên l
ý
đại :
c
h đại có n
h
điều chế
q
n
ày, mạch
i
khuyếch
đ
n
h tín hiệu
đ
g
: tạo ra
â
ÊN LÝ :
ý
toàn mạ
c
h
iệm vụ k
h

q
ua khối b
á
khuyếch
đ
đ
ại thuật t
o
đ
ầu vào v
ớ
â
m thanh
b
c
h :

h
uyếch đạ
i
á
o động đ
ể
đ
ại được s
ử
o
án và bộ
s
ớ

i tín hiệu
b
áo động
i
tín hiệu
đ
ể
phát tín
h
ử
dụng là I
C
s
o sánh so
điện một
c
đ
iện từ bộ
c
h
iệu báo đ
ộ
C
LM180
1
sánh với
h
c
hiều.

c
ảm biến
k
ộ
ng.
1
. IC LM1
8
h
ai điện áp
k
hói
8
01

III) NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG :

LM1801 là một IC có ứng dụng đặc biệt, được thiết kế đặc biệt cho các máy dò
khói, cung cấp cho chúng ta xây dựng mạch này bằng cách sử dụng số lượng tối
thiểu của các thành phần. Nó bao gồm một trong những nguồn cung cấp zener nội
bộ, hai kết quả đầu ra điện áp tham chiếu, một điện áp so sánh, và điện áp đầu ra
transistor là 500mA.
Vi mạch được kế
t nối với nguồn điện trực tiếp. Điot D1 chỉnh lưu nguồn điện
xoay chiều và điện trở R7 làm giảm nó đến mức mà các mạch có thể hoạt động với
tụ điện C2 ổn định điện áp và zener bên trong IC điều chỉnh nó.
Hai LDRs đồng nhất được nối theo kiểu cầu sao cho kết nối này bảo vệ và ngăn
chặn những s
ự thay đổi nhiệt độ và hóa già những hiệu ứng tác động lên mạch.
Vì vậy R13 LDR và LED phải được đặt theo một cách sao cho khi có các hạt

khói thuốc xâm nhập vào nó sẽ tác động lên bề mặt LDRs và làm giảm ánh sáng
trên LDR đồng thời làm thay đổi điện trở của nó. Mặt khác R12 LDR và LED phải
được đặt liền kề nhau và không có không khí lưu thông xảy ra. Như vậy khói thuốc
lá sẽ không có gây ảnh hưởng đến R12 và điện trở của nó không bị
biến đổi. Cách
tốt nhất để làm điều đó, là đặt R12 và LED trong một hộp riêng biệt.
P1 là điện áp hiệu chuẩn. HP1 là một âm thanh báo động máy phát điện. Dòng
điện đầu ra tác động lên hệ thống báo động bên ngoài.
Khi thực hiện so sánh và phát hiện sự chênh lệch điện áp giữa hai LDRs nó tác
động lên bóng bán dẫn Th1 và kết quả là bắt đầu báo động,














PHẦN IV: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG
TRONG MẠCH


I) Điện trở :

Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dòng điện và làm một số chức năng
khác tùy vào vị trí điện trở trong mạch điện.
Cấu tạo: điện trở được cấu tạo từ những vật liệu có điện trở suất cao như làm
bằng than, magie kim loại Ni-O2, oxit kim loại, dây quấn. Để biểu thị
giá trị điện
trở. Người ta dung các vòng màu để biểu thị giá trị điện trở.

Ký hiệu:



Hình dạng thực tế:



Cách đọc trị số điện trở 4 vòng màu: Giá trị điện trở thường được thể hiện qua
các vạch màu trên thân điện trở, mỗi màu đại diện cho một số. Màu đen: số 0, màu
nâu: số 1, màu đỏ: số 2, màu cam: số 3, màu vàng: số 4, màu lục: số 5, màu lam số
6, màu tím số 7, màu xám: số 8, màu trắng: số 9.
Nhìn trên thân điện trở, tìm bên có vạch màu nằm sát ngoài cùng nhất, vạch màu
đó và vạ
ch màu thứ hai, kế nó được dùng để xác định trị số của màu

Vạch thứ ba là vạch để xác định nhân tử
lũy thừa: 10
(giá trị của màu)
. Giá trị của điện
trở được tính bằng cách lấy trị số
nhân với
nhân tử lũy

thừa

Giá trị điện trở = trị số x nhân tử lũy
thừa)
- Phần cuối cùng: (không cần quan tâm nhiều)làvạch màu nằm tách biệt với ba
vạch màutrước, thường có màu hoàng kim hoặc màubạc, dùng để xác định sai số
của giá trị điệntrở, hoàng kim là 5%, bạc là 10%.
Ở đây chúng ta sử dụng điot 1N4004

II) Tụ điện:

Tụ điện là linh kiện có khả nă
ng tích điện. Tụ điện cách điện với dòng điện một
chiều và cho dòng điện xoay chiều truyền qua.
Tụ điện được chia làm hai loại chính: loại không phân cực và loại có phân cực.
Loạicó phân cực thường có giá trị lớn hơn loại không phân cực, trên hai chân của
loại phân cực có phân biệt chân nối âm, nối dương rõ ràng, khi gắn tụ có phân cực
vào mạch điện, nếu gắn ngược chiều âm dương, tụ phân cực có thể bị hư và hoạt
động sai. Ngoài ra người ta còn gọi tên tụ điện theo vật liệu làm tụ, ví dụ: tụ gốm,
tụ giấy, tụ hóa
Hình dạng: t
ụ điện có khá nhiều hình dạng khác nhau.


Kí hiệu: được kí hiệu là C

Biểu tượng trên mạch điện:



Đơn vị của tụ điện

- Đơn vị của tụ điện là Fara, 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tế người ta
thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như
+ P(Pico Fara) 1 Pico = 1/1000.000.000.000 Fara (viết gọn là 1pF)
+ N(Nano Fara) 1 Nano = 1/1000.000.000 Fara (vi
ết gọn là 1nF)
+ MicroFarra 1 Micro = 1/1000.000 Fara (viết gọn là 1µF)

=> 1µF = 1000nF = 1.000.000 Pf

III) Tranzitor:


Kí hiệu : transistor NPN



Transistor PNP

Cấu tạo: bởi 2 tiếp xúc P-N ghép liên tiếp gồm các vùng bán dẫn loại P và N xếp
xen kẽ nhau, vùng giữa có tính chất dẫn điện khác với 2 vùng lân cận và có bề rộng
rất mỏng khoảng 10A
0
m đủ nhỏ để tạo lên tiếp xúc P-N gần nhau. Nếu vùng giữa
là N ta có transistor PNP, ngược lại nếu vùng giữa là vùng P ta có transistor NPN.

IV) Diode_Led

-Diode thường
-Led quang:
Ở quang trở, quang diode và quang transistor, năng lượng của ánh sáng chiếu vào
Q2
Q1
chất bán dẫn và cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm. Ngược blại khi một
điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hoá trị thí sẽ phát ra một năng lượng E=h.f
Dải dẫn điện Dải hóa trị Dải cấm hf. Khi phân cực thuận một nối P-N, điện tử tự
do từ vùng N xuyên qua vùng P và tái hợp với lỗ trống (về ph
ương diện năng
lượng ta nói các điện tử trong dãi dẫn điện – có năng lượng cao – rơi xuống dãi hoá
trị - có năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng
lượng.
Đối với diod Ge, Si thì năng lượng phát ra dưới dạng nhiệt. Nhưng đối với diod
cấu tạo bằng GaAs (Gallium Arsenide) năng lượng phát ra là ánh sáng hồng ngoại
(không thấy được) dùng trong các mạch báo động, đi
ều khiển từ xa…). Với GaAsP
(Gallium Arsenide phosphor) năng lượng phát ra là ánh sáng \vàng hay đỏ. Với
GaP (Gallium phosphor), năng lượng ánh sáng phát ra màu vàng hoặc xanh lá cây.
Các Led phát ra ánh sáng thấy được dùng để làm đèn báo,trang trí… Phần ngoài
của LED có một thấu kính để tập trung ánh sáng phát ra ngoài.

Để có ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED. Tuỳ theo mức năng lượng

giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau sẽ quyết định
màu sắc của LED. Thông thường, LED có điện thế phân cực thuận cao hơn đi
ốt
thông thường, trong khoảng 1,5 – 2,8V tuỳ theo màu sắc phát ra, màu đỏ: 1,4 –
1,8V, v
à
khoảng
Đ
i
V) LD
R
L
D
cảm bi
ế
đến 10
0
của nó
s





à
ng: 2 – 2
,
vài mA.
i
ot được s

ử
R
s
D
Rs hay đi
ệ
ế
n sáng tối
.
0
0000 Ω ,
n
s
ẽ giảm m
ộ
,
5V, còn
m
ử
dụng tro
n
ệ
n trở phụ
.
thông th
ư
n
hưng khi
ộ
t cách độ

t
m
àu xanh l
á
n
g mạch n
thuộc ánh
ư
ờng giá tr
ị
chúng bị
k
t
ngột.

á
cây: 2 –
2
ày là điot
1
sáng. Nó
c
ị
điện trở
c
k
hích thíc
h

2

,8V, và d
ò
1
N4004
c
ó tác dụn
g
c
ủa một L
D
h
bởi ánh s
á

ò
ng điện
q
g
đặc biệt
t
D
R là rất c
á
ng thì gi
á

q
ua LED t
ố
t

rong mạc
h
ao, có khi
á
t
r
ị điện tr
ở
ố
i đa
h

cao
ở

VI) IC LM1801:

LM1801 đặc dụng IC, được thiết kế đặc biệt cho các máy dò khói, cung cấp
cho chúng tôi xây dựng mạch này bằng cách sử dụng số lượng tối thiểu của các
thành phần. Nó bao gồm một trong những nguồn cung cấp zener nội bộ, hai kết
quả đầu ra điện áp tham chiếu, một điện áp so sánh.
LM1801 thực hiện so sánh năng lượng thấp với dòng điên cao , đầu ra mở và
thu tín hiệu.
Hiệ
n nay người ta dùng IC LM1801 trong ngành chế tạo như: thiết bị chống
trộm, thiết bị phát hiện rò rỉ nước, rò rỉ khí đốt, những mạch ổn áp, nguồn pin được
vận hành theo dõi…
Một số thông số chính của LM1801:
Dòng điện cung cấp thường là dòng 7µA , nhưng khi nó điều khiển cỏng so
sánh thì điện áp đầu ra của transistor lên tới 500mA

Tại : Rset = 10m Ω, V+= 9v, Ta = 25◦c
R1 + R2 = 10m Ω
Độ ổn định.







VII) TIC 106M













IX) CHUÔNG BÁO ĐỘNG ,HP
HP là máy phát tạo âm thanh , khi có xung tín hiệu đưa đến tạo dao động cho
chuông rung tạo âm thanh đồng thời cũng tác động đến HP tạo ra âm thanh nghe
rất kích thích. Dòng điện đầu ra tác động hệ thống chuông báo động bên ngoài.

PHẦN IV:ĐÁNH GIÁ ƯU,NHƯỢC ĐIỂM

CỦA MẠCH
*ƯU ĐIỂM:
_Mạch đơn giản,dễ thực hiện
_Các linh kiện dễ mua trên thị trường.
_Có độ nhạy tương đối cao và tuyến tính.
_Ứng dụng: Điều khiển từ xa là cái điều khiển từ xa của tivi ,điều khiển các thiết bị
khác như là đèn, quạt, mợ-tơ bơm nước, TV…
*
NHƯỢC ĐIỂM:
_
Mạch báo động có thể sai nếu vùng bảo vệ bị xâm nhập bởi các lớp bụi.


PHẦN V : KẾT LUẬN
1.Nhận xét và đánh giá kết quả:
Sau khoảng thời gian thực hiện đề tài , với sự hướng dẫn tận tình của giáo
viên hướng dẫn cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân trong việc tìm hiểu tài
liệu liên quan. Chúng em thấy tuy đây không phải là một đề tài mới nhưng vẫn còn
rất nhiều kiến thức cho chúng em học hỏi và biết cách vận dụng những kiến thức
đó vào thực tế, từ đó rút ra được nhiều kinh nghiệm trong thực tế và nâng thêm tầm
hiểu biết của bản thân mình.
Qua đề tài này chúng em đã có thêm một phần kiến thức bổ ích vào trong
chuyên ngành học tập của mình, từ lý thuyết và thực hành đã kết hợp với nhau để
hoàn thành tốt một đề tài hoàn h
ảo. Tuy nhiên, chúng em cũng gặp không ít khó
khăn như : về tài liệu, dụng cụ thực hành, kinh nghiệm thực hành, kinh tế,…vì vậy
đề tài cũng chưa đạt được kết quả cao như ý muốn của người thiết kế.
Tuy vậy kiến thức về phần điện tử viễn thông của chúng em có hạn hơn nữa
việc tiếp cận hệ thống vi điều khiển còn mới m
ẻ nên không tránh khỏi thiếu sót.

Rất mong có sự đóng góp nhiệt tình của thầy và các bạn để giúp cho đề tài ngày
một phát triển hơn.
2.Ứng dụng và hướng phát triển của đề tài :
Đề tài về cảm biến cháy, khói ngày nay được ứng dụng rất nhiều trong cuộc
sống sinh hoạt hằng ngày của con người cũng như trong công nghiệp và nhiều lĩnh
vực khác…Được ứng dụng trong các thiết bị dân dụng như : điều khiển quạt, đèn,
tivi, máy tính, và các thiết bị điện khác,…
Trong các môi trường làm việc nguy hiểm thì việc lắp đặt các thiết bị cảm
biến cháy, khói là rất c
ần thiết nó giúp ta phát hiện ra các hiện tượng cháy , khói và
ngăn chặn kịp thời như : ở bệnh viện, các siêu thị…
• Hướng phát triển của đề tài :
Ta có thể kết hợp với vi xử lý tạo nên các mạch điện thông minh như: cùng
với các bộ cảm biến khác như cảm biến nhiệt để hoàn thành mạch cảm biến với
nhiều ứng dụng hoặc có thể kết n
ối thêm các phần cứng như mạch báo động bằng
điện thoại để thông tin về các đám khói cháy được truyền đi nhanh hơn …