Báo Cáo Thực Tập Công Nhân - Hệ Thống Báo Động Phát Hiện Rò Rỉ Khí GAS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Báo cáo thực tập công nhân
Đề tài: Hệ thống báo động phát hiện rò rỉ khí GAS

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN :

LÊ HỒNG NAM


Báo cáo thực tập công nhân
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS

1.1 Nhiệm vụ của mạch:
Hệ thống phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas được sử dụng trong các hộ gia đình, nó giảm
thiểu các nguy cơ từ việc rò rỉ khí gas như cháy nổ bằng việc cảnh báo sớm việc rò rỉ khí gas
,và đồng thời cảnh báo qua điện thoại đến người giám sát. Ngoài ra hệ thống còn có chức
năng đo đạc nhiệt độ thông qua cảm biến nhiệt độ
1.2 Sơ đồ khối và nhiệm vụ từng khối
Sơ đồ khối

Nhiệm vụ từng khối
1.2.1 Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
1.2.2 Khối cảm biến: gồm các cảm biến khí GAS và cảm biến nhiệt độ. Nhiệm vụ
chuyển các giá trị vật lý cần đo đạc về mức điện áp để phù hợp cho việc xử lý của
khối xử lý trung tâm
1.2.3 Khối xử lý: nhiệm vụ khối này là chuyển đổi (ADC) mức điện áp đo được từ khối
cảm biến thành các giá trị nhị phân để có thể xử lý được. Các dữ liệu nhị phân
được đưa vào vi xử lý trung tâm, so sánh với các ngưỡng đã được thiết lập, thực
hiện việc xử lý và gửi báo động đến khối báo động.

1.2.4 Khối báo động: thực hiện nhiệm vụ báo động qua điện thoại và chuông.
1.3 Tính chọn các linh kiện
1.3.1 Khối cảm biến dung để đo nồng độ gas trong không khí và nhiệt độ môi trường
Nồng độ khí gas trong không khí là 0ppm, nồng độ khí gas tối thiểu có thể gây nguy
hiểm là 500ppm, vậy ta chọn cảm biến gas có mức đo tối thiểu phải dưới 500ppm . Vậy
ta chọn cảm biến MQ6 có than đo từ 100ppm đến 10000ppm.

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

1


Báo cáo thực tập công nhân

Cảm biến MQ6
MQ6 là cảm biến sử dụng SnO2, dựa vào sự thay đổi khả năng dẫn điện( tức điện
trở) của SnO2 khi nồng độ khí gas hay các chất dễ cháy khác trong không khí thay đổi.
Khi nồng độ tăng thì độ dẫn điện càng tăng tức điện trở càng giảm
Đặc tính , thông số kỹ thuật của cảm biến MQ6

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

2


Báo cáo thực tập công nhân

Đặc tuyến chỉ ra sự thay đổi điện trở Rs vối với sự thay đổi nhiệt độ môi trường
1.3.2 Cảm biến nhiệt có đặc tuyến nhiệt độ có thang đo môi trường , tức từ 00C đến
1000C và có đáp ứng nhiệt độ-điện áp tuyến tính. Ta chọn cảm biến nhiệt độ

LM35 phổ biến trên thị trường
Hình dạng và sơ đồ chân

Thông số kỹ thuật
Điện áp cung cấp:
Điện áp ra:
Dải nhiệt độ đo được:
Độ nhạy
Đặc tuyến nhiệt độ điện áp

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

-0.2V đến 35V
-1V đến 6V
từ -50 đến 1500C
10mV/0C

3


Báo cáo thực tập công nhân

1.3.3 Khối xử lý trung tâm và khối xử lý trung tâm:
KHối ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số để cung cấp dữ liệu cho khối xử
lý trung tâm. Để thuận tiện cho việc thiết kế và gia công mạch, ta kết hợp 2 khối này thành 1
khối. Vậy ta sẽ sử dụng vi điều khiển có tích hợp cả ADC. Vậy ta dùng vi điều khiển
MSP430G2553 để thực hiện điều này
Tổng quan về vi xử lý msp430:
-

Hãng sản xuất: Texas Instrument.
Mixed-signal Microcontroller (mixed-signal tức là được tích hợp cả Analog
signal và Digital signal
)
Nó được xây dựng trên lõi CPU 16-bit.
Đặc tính quan trọng của các dòng MSP430 là tiêu thụ năng lượng rất thấp
(low power consumption).
Họ MSP430 rất đa dạng về chủng loại. Từ những chip ít I/O, ít chức năng,
ít chân cẳng với giá tầm 0.2 $ / con
Nó là một trong các lựa chọn cho các ứng dụng nhúng (embedded
aplications).

Thông tin tổng quát về MSP430G2553
- Có 20 chân, trong đó có 15 chân là các chân I/O => vừa đủ cho thiết kế của hệ
thống này
- Được tích hợp rất nhiều chức năng: UASRT, SPI, I2C, timer, PWM, và đặc biệt
là 8 kênh 10bit ADC để phục vụ cho thiết kế hệ thống
- Tốc độ tối đa là 25Mhz, Có tích hợp sẵn bộ dao động nội chính xác
Điện áp hoạt động thấp. có thể hoạt động trong dải điện áp 1.8V đến 5V
- Có 16KB flash và 512B RAM
Sơ đồ chân của msp430g2553

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

4


Báo cáo thực tập công nhân

Sơ đồ khối chức năng tổng quát :

Chức năng: các chân của MSP430G2553
PORT1: các chân 2,3,4,5,6,7,14,15 của VDK: mỗi chân này có nhiều chức năng khác nhau
như I/O (8 chân) , phục vụ cho truyền thông nối tiếp ( chân P1.1, P1.2), hay ADC ( 8 chân), hay là
các chân ngắt ngoài (8 chân)
PORT2: gồm 6 bit, các chân từ 8-> 13 của vi điều khiển, bao gồm chức năng I/O
Ngoài ra còn chân Reset( mức thấp) tại chân 16
Chân Test (số 17) phục vụ cho việc lập trình , debug
Chân 18,19 là 2 chân dao động của dao động ngoài
Chân 1,20 lần lượt là 2 chân nguồn cung cấp và nối đất
Tổ chức bộ nhớ và thanh ghi của của MSP430
Các thanh ghi tổng quát

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

5


Báo cáo thực tập công nhân

Bao gồm các thanh ghi PC, SP, SR…
Các thanh ghi liên quan đến xuất nhập
PxDIR: chọn Input/ouput cho các chân VDK, nếu PxDIR=0 , các chân VDK có chức năng Input.
PxDIR=1: các chân VDK là các chân OUTPUT
PxIN: dùng để đọc dữ liệu từ các PORT khi các PORT đc cấu hình là input
PxOUT: dùng để xuất dữ liệu mong muốn ra các port nếu các port được cấu hình là output
PxREN: kích hoạt điện trở kéo lên tại từng chân của port
PxIE, PxIES,PxIFG: dùng để bật ngắt ngoài (PxIE) và chọn cạnh ngắt (PxIES) (ngắt lên, ngắt xuống)
tại từng chân tương ứng của port. Và khi có ngắt xảy ra, cờ ngắt tương ứng sẽ được bật lên tại
PxIFG

PxSELx: Vì mỗi PORT của msp430 có nhiều chức năng khác nhau nên tồn tạo thanh ghi PxSELx để
chọn chức năng tương ứng:
Vì P1 có 4 chức năng tại mỗi chân, nên có 2 thanh ghi P1SEL1 và P1SEL2 để chọn chức
năng cho mỗi chân

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

6


Báo cáo thực tập công nhân

Các thanh ghi phục vụ cho ADC
Msp430g2553 tích hợp sẵn 8 kênh ADC 10BIT tại port1. Bộ ADC trong msp430 hoạt động
theo chế độ lấy mẫu kênh đơn hoặc lấy mẫu nhiều kênh. Để phục vụ cho việc điều khiển ADC,
có các thanh ghi sau.
ADC10CTL1, ADC10CTL0 :
điều khiển việc hoạt động lấy mẫu:

ADC10MEM:

Thanh ghi điều khiển 16 bit ADC sô 0 và số 1 dùng để

Giá trị ADC được lấy mẫu sẽ được lưu vào đây

ADC10AE:
Chọn các chân tại PORT 1 dùng để thực hiện chức năng ADC, các bit này
có mức ưu tiên cao hơn cách bit của thanh ghi P1SEL
1.3.4

Khối cảnh báo qua điện thoại:
Tại khối này, ta điều khiển việc quay số điện thoại. Vì vậy ta cần tất cả 11 ngõ vào điều
khiển. Để tiết kiệm chân điều khiển, ta sử dụng 4 to 16 IC74hc154. Đồng thời ta dùng
opto PC817A
IC74HC154:
Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động
:
3.3 -> 7V
Tốc độ hoạt động tối da:
Dòng vào tối đa tại ngõ vào
: 1mA
Dòng vào tối đa tại ngõ ra
: 20mA
Sơ đồ chân:

Các chân từ 0-> 15: 16 ngõ ra, mức tích cực mức thấp

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

7


Báo cáo thực tập công nhân

Chân 12: chân đất
Chân 24 Chân nguồn
Chân 18-23: các đầu vào, trong đó các chân 20-23 là các chân BCD ngõ vào, còn chân 18,19 là
các chân điều khiển xuất dữ liệu
Bảng chân trị

Hoạt động IC:
Các chân ABCD nhận dữ liệu BCD vào, nếu 1 trong 2 đầu điều khiển G1,G2 mức cao, thì tất cả 16
ngõ ra đều mức cao.
Nếu 2 đầu vào G1, G2 đều là mức thấp, thì dữ liệu được BCD tương ứng được đưa vào các chân
ABCD được giải mã mà được xuất ra 16 ngõ ra, các ngõ ra có mức tích cực là mức thấp
Opto PC817A
Cấu tạo :

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

8


Báo cáo thực tập công nhân

Thông số kỹ thuật

Hoạt động:

Mắc sơ đồ như trên: khi điện áp Input =0 , Led ko sáng, nên OPto ko dẫn, điện áp ra
bằng VCC
Khi điện áp vào Input = Vcc , Led sáng, Optp dẫn , nên điện áp ra bằng 0:

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

9


Báo cáo thực tập công nhân

1.3.5 Hiển thị màn hình Text LCD:
Text LCD là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để
hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. Kích thước của Text LCD được dùng ở đây có kích
thước 16x2 có 2 dòng và mỗi dòng có thể hiển thị tối đa 16 ký tự. LCD 16x2 điều khiển bởi chip
HD44780U của hãng Hitachi
Sơ đồ chân được mô tả bằng bảng sau

Text LCD có 2 chế độ hoạt động là 8bit và 4bit. TRong đồ án này ta sử dụng chế độ hoạt động 4
bit được mắc theo sơ đồ dưới

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

10


Báo cáo thực tập công nhân

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

11


Báo cáo thực tập công nhân

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
1. Khối nguồn:
Khối nguồn 5v & 12v:
GND

J12
1

U1 7812
3
VOUT

1
2

2

VIN

Output 12V_DC
R3
680
C6
2200u/50v
D3
LED

C5
104

J11

4148

2

D1
DIODE
DIODE BRIDGE
R1
1K
3

C1
104

1
2
D4

4 -

VOUT

3

1
2

2

+ 1

AC

VIN

GND

U2 7805
1

C3
104
C2
2200u/50v

C4
2200u/50v

R4
330

Output 5V_DC

D2
LED

LED

Input AC

KHOI NGUON

Chọn ngõ ra biến áp 12Vrms

Biến áp 220Vrms12Vrms
Cầu diode là KBP 206 có VF = 1V, Imax=2A
Điện áp sau chỉnh lưu:
VP = Vhd√ – VF = 12√ – 1 = 16V
Chọn Vrip = 2Vpp
Vcc = VP – 0,5Vrip = 16 – 0,5.2 = 15V
Hệ số gợn:
r=

=

√

= 3,8%

Tụ C1: tụ lọc gợn. Chọn điện áp trên C1 là Vpp = 2V

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

12


Báo cáo thực tập công nhân

Ta có: VrPP=

= 2V

Với I0 = 2A, f=100Hz
C1 =

=

= 5000

Chọn tụ C1: C1 = 10000
Diode chống xả ngược, chọn Diode 4148
LED D4 , R1: Báo hiệu nguồn hoạt động (R1 là trở hạn dòng cho LED, chọn R1= 1k)
Ta có IC LM 7812, IC LM 7812 có dòng ra lớn nhất là 500mA.
Tụ C3 chọn từ datasheet của LM 78xx, C3 = 10000 F
Tụ C4 , C6 tụ lọc nhiễu gợn tần số cao.
Khi đó C4 =

=

= 1250 F

Chọn C4 = 2200 F
Chọn LED:
Chọn dong qua LED D3 là 10mA
Ta có: R3 =

= 1kΩ

Chọn R3 = 1kΩ
Chọn dong qua LED D4 là 10mA
Ta có: R4 =

= 330Ω

Chọn R4 = 330kΩ
Nguyên lý hoạt động:
Mạch vào và chỉnh lưu:
-Dùng cầu Diode A chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ biến áp. Ta lấy áp ra ở đây là Vhd =
24V.

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

13


Báo cáo thực tập công nhân

Mạch ổn áp:
-Dùng IC LM 7812, LM 7805 để tạo ra áp ổn định lần lượt là 12V và 5V hạn chế thấp nhất sự
thay đổi của tín hiệu ra theo sự thay đổi của tín hiệu ngõ vào.

2. Khối cảm biến:

Như đã trình bày ở trên ta sử dụng cảm biến MQ6 cho cảm biến nồng độ GAS và cảm
biến LM35 cho cảm biến nhiệt độ
2.1

Cảm biến MQ6:
Vậy nên ta mắc sơ đồ mạch cho cảm biến MQ6 như sau:

Ta sử dụng biến trở 20K để có thể hiệu chỉnh giá trị điện áp ra để thuận tiện cho
ADC sau nay

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

14


Báo cáo thực tập công nhân

2.2

Cảm biến LM35
Cảm biến LM35 được mắc theo sơ đồ mạch như sau:

Opamp LM358 được mắc theo kiểu mạch đệm nhằm mục đích nâng cao trở
kháng vào và cách ly dòng
Điện áp đầu ra của LM35 có thể bị can nhiễu bởi điện áp nguồn 5v hay vài
nguyên nhân khác, vì vậy ta mắc một mạch lọc thông thấp RC để lọc bỏ các thành phần
nhiễu cao.
Các thành phần nhiễu cao có tần số khoảng :
Chọn tụ có giá trị 1uF
Suy ra điện trở có giá trị
=> R =

3.1Khối cảnh báo
3.1.1

Báo cáo mạch gọi thoại
 Sơ đồ mạch nguyên lí:

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

15

Báo cáo thực tập công nhân

3.1.2

Nguyên lí hoạt động của mạch:

Ic 74hc154 có nhiệm vụ giải mã được gửi từ vi điều khiển .
Đầu ra của nó tích cực mức thấp . khi đầu ra mức thấp thì điện áp từ Vcc -> chân ra của ic là
5v đủ để kích sang led và thông mạch opto PC817 , hai chân 3,4 opto được nối thông làm
thông
Điểm nút nhấn điện thoại (nút điện thoại được nhấn).
Như vậy giả sử khi ta muốn nhấn nút số 5 ,từ vi điều khiển ta gửi mã là 5 và clear chân
enable xuống mức thấp để điều khiển cho ic giải mã hoạt động , ic thực hiện giải mã và điều
khiển điện áp chân ra số 6(ứng với opto nối với nút số 5) xuống mức thấp để kích thông opto

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

16


Báo cáo thực tập công nhân
số 6(nối với nút 5 của điện thoại) làm thông nút 5. Nút 5 được ‘nhấn’
3.1.2 Tính toán linh kiện :
+ Để bấm hoàn chỉnh 1 số điện thoại và gọi ta cần thực hiện bấm nhiều nút (khoảng chừng
11,12 nút) và yêu cầu tiết kiệm chân điều khiển của vi điều khiển nên ta cần dung 1 ic để
điều khiển gián tiếp , ta chọn ic giải mã 74hc154 giải mã 4bits . dùng 4 chân vào điều khiển
A,B,C,D và EN1, chân EN2 nối mass .
+ Yêu cầu cách li điện áp giữa điện thoại và mạch ta dung cách li quang opto PC817

+ Tính trở:
Để led sang tốt ta chọn điện áp 2 đầu led khi sang là 1,8v , dòng 10mA
=> Vr5 = 5v -1,8v -1,8v = 1,4 v
=> R5 = Vr5/10mA= 1,4v/ 10mA = 140 KΩ
Chọn R5 = 120Ω
3.1.3

3.2

Layout:

Mạch công suất :
3.2.1

Sơ đồ mạch nguyên lí :

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

17


Báo cáo thực tập công nhân

3.2.2 Nguyên lí hoạt đông:
Khi ta điều khiển đầu vào chân J4 xuống mức thấp , điện áp từ ngồn J3 -> J4 là 5v cấp áp cho
led D2 và ledopto sáng làm thông 2 chân 3 và 4 của opto . khi đó có dòng đi qua 2 điện trở R2 và
R3 làm điện áp chân B của BJT Q1 tăng lên và kích dẫn cho BJT , BJT được kích dẫn > có dòng
chạy qua cuộn dây rơ le làm đống tiếp điểm thường hở .
3.2.3 Tính toán linh kiện :
Dòng kích rơ le là 10mA.

Chọn dòng Ic (Q1) = 10mA .
Công suất tĩnh của Q1 : Pt= Vcc x Ic = 12v x 10mA= 120mW
Chọn BJT Q1 có : Vce >= 12x2 = 24v
Icmax = 10mA x2 = 20 mA
Ptmax= 120mW x2 = 240 mW
=> chọn BJT C1815 : có Vcemax =50v;
Icmax = 150mA
Ptmax = 400mW
Có : βmin = 70
Ibmax =Ic/ βmin = 10mA / 70 = 0.143 mA
Chọn dòng qua R2,R3 bằng 15 lần Ibmax :
Ir2,r3 = 15 x 0.143mA = 2.145 mA
Vr3= Vbe = 0.7 v
HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

18


Báo cáo thực tập công nhân

3.2.4

R3= Vr3 / Ir3 = 0.7 v/ 2.145mA = 326 Ω
Chọn R3 = 330 Ω
Vr2 = 12v – 0.7v = 11.3v
R2 = 11.3v / 2.145mA = 5268 Ω
Chọn R2 = 5,6 KΩ
Tính R1:
Để led sáng tốt ta chọn áp 2 đầu led là 1,8v ,dòng 10mA
Vr1 = 5v -1,8v -1,8v =1,4v

R1 = 1,4v / 10mA =140 Ω
Chọn R1 = 100 Ω
Layout :

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

19


Báo cáo thực tập công nhân

4. Khối hiển thị:
Phần hiển thị được hiển thị bằng LCD text 16x2. Để có thể hiển thị được ta mắc LCD
theo sơ đồ sau

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

20


Báo cáo thực tập công nhân

5. Khối xử lý trung tâm:
Nhiệm vụ của khối này vừa dùng để ADC vừa xử lý và ra quyết định
Vì vi điều khiển msp430g2553 tích hợp sẵn khối ADC, nên sơ đồ khối tổng quát
của cả hệ thống như sau:

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

21

Báo cáo thực tập công nhân

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

22


Báo cáo thực tập công nhân

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Tại chương này trình bày về lưu đồ thuật toán của từng khối và của trương trình chính
1. Chương trình đọc dữ liệu ADC: sẽ thực hiện việc cấu hình module ADC, các mode
hoạt động, và lấy mẫu ADC
1.1 Cấu hình hoạt động ADC

1.2 Lấy mẫu ADC

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

23


Báo cáo thực tập công nhân

2. Chương trình nhấn phím điện thoại: gồm 2 chương trình: hàm thực hiện chức năng
nhấn từng phím bấm riêng lẻ, và gọi đến 1 số điện thoại
2.1 Nhấn từng nút riêng lẻ

HT phát hiện và báo động rò rỉ khí GAS

24