Đồ Án: Mạch cảm biến khí gas

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

LỜI CẢM ƠN

L

ời đầu tin em xin chân thành cảm ơn tất cả quí thầy/cô giáo đã hướng dẫn
và chỉ bảo hết sức tận tình trong thời gian em làm Đồ án Môn Học 1 vừa
qua, đặc biệt là khoa Cơ - Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi nhất

cho em hòan thành đồ án này. Em cũng vô cùng biết ơn Thầy Lê Quốc Đán là người
trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo hết sức tận tình cho em hòan thành Đồ án Mạch Cảm
Biến Khí Gas này.
Vì lần đầu làm đồ án và thiết kế thi công mạch với kiến thức và thời gian hạn
chế nên sẽ không tránh khỏi nhiều sai sót.
Với ước mong học hỏi, em rất mong nhận được sự góp ý của quí thầy, cô giáo
chỉ bảo, hướng dẫn thêm để em rút kinh nghiệm cho những đồ án tiếp theo được tốt
hơn.

Em xin chân thành cảm ơn.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2016
Sinh viên thực hiện

1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc

ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biến
hơn, nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi. Từ những
ứng dụng đơn như đồng hồ kĩ thuật số , máy chơi nhạc MP3… đến những ứng dụng
cho xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động … cho đến
những ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, phi thuyền không người
lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… .

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học
công nghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần
nào vào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm
có ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho
cuộc sống của chúng ta:”Mạch cảm biến khí gas“.

Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình,
tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn. Mạch phát hiện
sự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra
khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra.

Phần trình bày chi tiết về cảm biến khí gas gồm hai phần, p hần thứ nhất là
phần giới thiệu chung, mô tả những chuẩn trên đường Line và các hướng, phương
pháp dùng để thiết kế mạch cảm biến khí gas. Phần thứ hai là phần quan trọng nhất,
phần này mô tả các hoạt động và nguyên lý thiết kế mạch dựa trên những chuẩn của
đường Line, đặc biệt ở đây ta dùng cảm biến MQ2.

2


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

MỤC LỤC

3


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.1: Lý do chọn đề tài
-

Hằng năm đất nước ta gánh chịu rất nhiều hậu quả thương tâm từ các vụ nổ
bình gas, đã có biết bao nạn nhân xấu số, biết bao giọt nước mắt rơi xuống
khi chứng kiến người thân mình ra đi,chưa dừng lại ở đó, hậu quả ấy vẫn
mãi dai dẳng bám lấy những người may mắn sống xót với những thương tật,
nỗi đau về thể xác , tinh thần đang từng ngày từng ngày dày vò họ. Nhiều
công ty từ những tập đoàn danh tiếng, có máu mặt trên thị trường, bỗng
phút chốc trở thành đám tro tàn,công sức, tài sản, con người bị vùi lấp
trong khói lửa. Chứng kiến nỗi đâu ấy, lại là một người học điện tử và sẽ
trở thành kĩ sư trong tương lai, càng thôi thúc em phải có trách nhiệm đẩy
lùi vụ nổ khí gas đến mức thấp nhất có thể. Và mạch cảm biến khí gas của
em ra đời từ đó.
1.2: Mục tiêu đề tài

-

-

Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp, mạch
cảm biến khí gas sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùng khi phát hiện có sự rò rỉ
khí gas ra ngoài, giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại, đề phòng những

chuyện không mong muốn xảy ra. Đối với những công ty lớn sẽ tránh được những tổn
thất không đáng có.
Chỉ với một khoản kinh phí nhỏ, nhưng đảm bảo an toàn cho mọi gia đình hay các
công ty xí nghiệp đều có thể sử dụng, tránh rủi ro trong quá trình làm việc. Và không
phải lo ngại đến giá thành sản phẩm.

4


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1: Tổng quan thiết kế
-

-

Ta cần thiết kế ba khối chính cho mạch: khối nguồn, khối cảm biến khí gas và khối
báo động.
Mạch này được thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM.
Khi nồng độ khí gas ở trong khu vực cao thì đầu OUT của mô-đun sẽ ở mức cao. Tín
hiệu này sẽ đến IC 555, đây được coi như một máy phát âm tần( nó tạo ra xung) và
chân Output của IC được nối với loa đưa ra tín hiệu cảnh báo.
Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta dùng module cảm biến khí gas MQ2 đặt gần chỗ đặt
bình gas khoảng 15cm.
Sử dụng loa 12v để hú báo động và LED phát sáng khi có rò rỉ khí gas.
2.2: Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế

-

-

*Cảm biến MQ2
1. Giới thiệu:
MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từ
chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch. Nhưng trong
môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này
người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.
Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăng
khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao.
MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây
cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn
giản và chi phí thấp.

SƠ ĐỒ CHÂN

MQ2

5


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

Hình 2.2.1 : hình dáng của MQ2
-

Trong đó :
+ Chân 1,3 là chân A
+ Chân 2,5 là chân B
+ Chân 4,6 là chân C

-

Sơ đồ mắc MQ2

Hình 2.2.2: Sơ đồ mắc MQ2

-

Trong mạch có hai chân đầu ra là Aout và Dout, trong đó:
Aout: điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V , phụ thuộc vào nồng độ khí xung
quanh MQ2.
Dout: điện áp ra số, giá trị 0.1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà
MQ2 đo được.
Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi
điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh
6


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

-

-

báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout=1, đèn LED tắt. Khi
nồng độ khí đo được lớn hơn nồng độ khí cho phép, Dout =0, đèn LED sáng.
Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh
báo khác.
Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aout
về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện áp

trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.
Trong thiết bị này, để xác định điểm cảnh báo em làm như sau:
+ Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1
+ Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ra. Ta tháy giá trị Aout tăng lên, khi đạt khoảng các
khí gas từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại
giá trị Vout 2. Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớn
hơn còi hú sẽ rú lên cảnh báo.
+ Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2.
*IC 555

Hình 2.2.3: Hình dáng IC555
-

555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung
vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độ
rộng xung. Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện. Cấu tạo
rất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp
VCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn.

+ Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,
NE7555..)
7


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA
+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V
+ Công suất lớn nhất là : 600mW
* Các chức năng của 555:

+ Là thiết bị tạo xung chính xác
+ Máy phát xung
+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)
+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)
 Các dạng hình dáng chân của 555 trong thực tế:

Hình 2.2.4 : Hình dáng IC555 trong thực tế

Hình 2.2.5: cấu tạo bên trong của IC555

8


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
Cấu tạo bên trong của IC555
2 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):
+ 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp
+ Transistor để xả điện.
+ Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần.
Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương của
Op-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2
nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3
VCC, chân R của FF = [1] và FF được reset
Nguyên lý hoạt động của IC 555:
-

Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanh
điện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3. (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)
- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ở
thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C.

- Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thời
điểm điện áp trên C bằng Vcc/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C.
- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện.
 LM358

-

LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, hoạt động ở nguồn điện áp
thấp 3V hoặc điện áp cao 32V, với dòng tĩnh khoảng 1/5 dòng tĩnh của LM741.
•
1.
2.
3.

Các đặc trưng của LM358
Công suất cực máng thấp .
Có 2 bộ khuếch đại thuật toán bên trong IC, độ lợi rất cao.
Tương thích với nhiều loại mạch logic.

•

Các tính năng của thuật toán
1. Bảo vệ quá áp lối ra
2. Tăng khuếch đại vi sai lối vào
3. Dòng cung cấp lối vào thấp
4. Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm
5. Hoạt động với nguồn đơn ( 3V - 32V).

9

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
•

Sơ đồ chân LM358

Hình 2.2.7: Sơ đồ chân của LM358
Các thông số kỹ thuật của LM358

Hình 2.2.8 : Bảng datasheet của LM358

10


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH
3.1 : Sơ đồ khối
KHỐI
NGUỒN

KHỐI
CẢM
BIẾN KHÍ
GAS

KHỐI XỬ
LÝ

KHỐI

BÁO
ĐỘNG

•

Khối Nguồn : cung cấp nguồn cho hệ thống , ta có thể chọn nguồn +5V hoặc
+ 12V. Các linh kiện cần dùng cho khối nguồn :
+ Điện trở thường 1kOhm đến
+ Tụ điện 100nF, 10nF
+ Đèn led
• Khối Cảm Biến Khí Gas : Khi xảy ra hiện tượng rò rỉ khí ga thì khối này
nhận biết được lượng khí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo hay chưa, rồi phát
tín các tín hiệu báo về khối xử lý. Khối cảm biến khí gas gồm:
+ Module cảm biến MQ2 ( nguồn 5V, AOUT đầu ra ADC và DOUT đầu ra
Digital)
• Khối xử lý : Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý và điều hành chung hoạt động của
tàn bộ hệ thống. Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khối
cảnh báo chấp hành hoạt động khi có rò rì khí gas.
• Khối báo động: Báo động cho người dùng biết có sự rò rỉ khí gas, ở đây gồm có :
+ Đèn led
+ Loa
3.2 : Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến khí gas

J1

R2

1
2
3

4

R3

220

8

A

7

D2

CV

U1:A

LED
A

2

TH

LS1

6

4

K

2

TR

GND

3

LM358

C1
100nF

C3
10nF

1

1

10k

3

Kéo Khung Ra Có Sơ Đồ Bên Trong :D

10k

1

R1

Q
DC

5

RV1

CONN-H2

D1
LED

3

R

K

2
1

U2

8

2

4
Module Cam bien Khi Gas

J2

R4

10k
VCC

Analog Out

555

C2

SPEAKER

10nF

1k

11


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
3.2.1: Tính toán các thông số cho khối nguồn
-

Dựa vào công thức : R = (Vcc - Vled)/Iled
- Led hoạt động ở mức 1.8V đến 3V dòng từ 10 đến 20mA . Nếu muốn led hoạt
động bình thường ở nguồn 5V thì : Gía trị điện trở nhỏ nhất : (5V-3V)/20mA = 0.1 k
ôm = 100 ôm.
- Gía trị lớn nhất : (5V-1.8V)/10mA = 0.32 k ôm = 320 ôm.
- Do đó ta chọn điện trở trong khoảng 100 ôm đến 320 ômở mạch này em chọn
điện trở 220 ôm .
- Tụ C1 gắn với led nhằm ổn định dòng làm cho dòng chảy ổn định dẫn đến led
sáng ổn định và không bị chập chờn.
3.2.2: Tính toán các thông số cho khối cảm biến khí gas
- Ở đây nguồn vào em sử dụng nguồn 5V mà module cảm biến MQ2thì chỉ
chịu được điện áp chạy qua nó không được vượt quá 5V nên ở đây em gắn thêm điện
trở R1 = 1k để làm giảm dòng qua nó, tránh hư hỏng . Mặc khác trong quá trình sử
dụng khi đo nồng độ khí gas thì MQ2 sẽ nóng dần lên, trường hợp không gắn R1 thì
nó sẽ rất nóng , làm giảm tuổi thọ của MQ2 xuống.
3.2.3: Tính toán thông số cho khối xử lý

-

-

Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng chỉnh độ nhạy của LM358, làm thay đổi điện áp
của mạch điện.
Nếu mắc 2 đầu vào nguồn 5VDC thì không sao, nhưng nếu mắc một chân giữa C
(chân biến đổi) vào một cực và đầu kia mắc vào cực còn lại mà vặn vẹo thì biến trở sẽ
hỏng.
Dùng biến trở mà điều chỉnh trực tiếp loa thì bị bóc khét chắc, do đó ta mới gắn biến
trở vào LM358 nhằm mục đích khuếch đại điện áp của mạch.
Đối với IC555, chân số 5 được nối với đất qua một tụ lọc C3=10nf nhằm ổn định điện

áp của các mức ngưỡng loại bỏ bất kì tiếng ồn và ngăn cản xung quay trở lại nguồn
cung cấp. Mặc khác ta cũng có thể gắn chân 5 vào tụ 0,01uf hay các tụ khác nõ cũng
đóng vai trò như trên, nhưng vì ở khối báo động em cũng sử dụng đến tụ 10nf, nên em
làm vậy để tiết kiệm chi phí và tiện sử dụng.

12


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
-

Sử dụng công thức :
T = 0.7 x (R1+2R2) x C1 và f = 1.4/ [(R1+2R2) x C1]
T : thời gian của một chu kì toàn phần tính bằng (s)
f : Tần số dao động tính bằng (Hz)
R1: Điện trở tính bằng ohm
R2: Điện trở tính bằng ohm
C1: Tụ điện tính bằng Fara(F)
T = Tm + Ts
T : chu kì toàn phần
Tm = 0.7 x (R1+R2) x C1
Tm: thời gian điện mức cao
Ts = 0.7 x R2 x C1
Ts : thời gian điện mức thấp
Áp dụng công thức ta có : Tm = 0.7 x (10k + 10k) x 10nf = 1.4x10^ -4 (s)
Ts = 0.7 x 10k x 10nf = 7x10^-11 (s)
Vậy tần số f = 1/( Tm + Ts )

-

= 1/ (1.4x10^ -4 (s) + 7x10^-11 (s) )= 7.14 ( kHz)

Mà loa thì kêu ở tần số 50 Hz đến 15 KHz do đó thỏa : nên em chọn R3= 10k, R4 =
10k, C2 = 10nf .
Lm358 dùng trong mạch có chức năng so sánh điện áp, điện áp ra từ cảm biến khí gas
sẽ được so sánh với mức báo động (ta dùng biến trở để chỉnh chân 3 của LM358
bằng với điện áp ra VOUT2 khi có khí gas rò rỉ: để làm ngưỡng cảnh báo). Khi điện
áp dưới ngưỡng này thì điện áp ra sẽ ở mức1. Nếu điện áp vượt ngưỡng báo động thì
điện áp ra =0 , dẫn đến loa sẽ hú còi báo có khí ra rò rỉ tới người sử dụng.
3.3: Nguyên lý hoạt động của mạch
- Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động. Ở trạng thái bình
thường không có khí gas ( nồng độ khí gas mà MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép),
Dout = 1, led tắt, khối báo động không hoạt động. Khi phát hiện có khí gas rò rỉ (nồng
độ khí gas đo được lớn hơn mức cho phép ), Dout =0 , led sáng, tín hiệu này sẽ đến
IC555, đây được coi như một máy phát tần (vì nó tạo xung) và chân OUT PUT (chân
3) được nối với loa để đưa tín hiệu ra ngoài dẫn đến khối báo động hoạt động , đèn led
sáng và loa kêu báo hiệu cho người dùng biết có khí gas rò rỉ.
13


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1
3.4: Sơ đồ mạch thi công

3.5 : Sơ đồ mạch in

3.6: Đo đạc , kiểm tra các thông số hoạt động của mạch
- Khi cấpnguồn 5v vào , nếu hoạt động thì module cảm biến Mq2 led xanh sáng
, sau đó ta dùng VOM để kiểm tra chân Aout (chân 2 ) của module cảm biến MQ2, và
chỉnh chân 3 của biến trở để làm ngưỡng báo cho MQ2.
- Xả khí gas vào, dùng thang đo 2.5V để đo chân Aout của module MQ2, nhận

thấy điện áp tăng từ 0.5V đến 250V ( tức là trong khoảng này khí gas sẽ kêu). Sau đó ,
ta chỉnh chân 3 của biến trở về 1V, để với nồng độ khí gas thấp (ở đây ta dùng khí gas
từ hột quẹt) thì module cảm biến khí gas cũng có thể cảm nhận được và loa kêu. Còn
nếu muốn đo khí gas có nồng độ lớn thì chỉnh chân 3 của biến trở về gần giá trị 250V.
14


ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN
4.1: Kiểm nghiệm quá trình hoạt động của mạch
- Sau quá trình đo đạc và kiểm tra, khi cấp nguồn vào mạch hoạt động tốt,
module MQ2 có độ nhạy cao, khi có khí gas rò rỉ thì cả đèn led sáng và loa lập tức hú
còi báo tới người sử dụng có khí gas rò rỉ.
4.2: Ưu, khuyết điểm của mạch
- Ưu điểm :
+ Có tính ứng dụng cao
+ Dễ thi công và sử dụng
+ Chi phí thi công thấp
-

Khuyết điểm :
+ Trong quá trình sử dụng, khi nấu ăn cũng có một lượng khí gas thoát ra
ngoài và loa cũng kêu, mạch này vẫn chưa đo được thông số chính xác ở ngưỡng nguy
hiểm của khí gas đối với người sử dụng mà báo còi, mà chỉ cẩn có khí gas rò rỉ thì nó
vẫn kêu. Nên không tạo được độ chính xác cao.
+ Mạch hàn còn xấu, do đi hơi sát nên khiến một số linh kiện bị chạm vào
nhau.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

2.
3.
4.
5.
6.
7.

www.Datasheet.IC555
www.Datasheet.lm358
www.datasheet.mq2
www.Dientuvietnam.com
Điện tử 1-Ths Nguyễn Thị Ngọc Anh – ĐH Công Nghệ TPHCM
Điện tử 2 – TS Võ Đình Tùng- ĐH Công Nghệ TPHCM
Luận văn tốt nghiệp tìm hiểu về IC 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó

15