mạch báo động rò rỉ khí gas và mức độ nguy hiểm

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS

1.1. Giới thiệu về đề tài:
Hệ thống báo động rò rỉ khí gas là một loại thiết bị dùng cảm biến khí gas
MQ6 nhận biết khí gas bị rò rỉ ra ngoài và báo động.
Ưu điểm cải tiến của thiết bị là có thể nhận biết được lượng khí gas bị rò rỉ
nhiều hay ít để con người có thể có biện pháp xử lý tình huống cho phù hợp, hạn
chế được rủi ro và giúp con người làm chủ được tình hình khi xảy ra sự cố.
1.2 Phân tích đề tài:
Nếu có khí gas rò rỉ, cảm biến khí gas MQ6 sẽ nhận biết và đưa về khối
trung tâm xử lý để báo động. Ở đây ta dùng PIC16F877A để xử lý tín hiệu từ cảm
biến về và xuất tín hiệu đến hệ thống báo động.
Hệ thống báo động bao gồm còi 5V và đèn LED. Khi có hiện tượng khí gas
bị rò rỉ, các đèn LED sẽ sáng. Số lượng đèn LED sáng phụ thuộc vào lượng khí gas
bị rò rỉ ra ngoài. Đến khi khí gas đạt tới mức nguy hiểm thì tất cả đèn LED báo
khí gas rò rỉ và còi sẽ hú báo động. Như vậy, chúng ta có thể dựa vào đó để dễ
dàng nhận biết được mức độ nguy hiểm của từng trường hợp để có biện pháp xử
lý cho phù hợp.
Ngoài ra, sử dụng thêm đèn LED để phòng trường hợp xung quanh có
tiếng ồn, âm thanh của còi hú không đủ để báo động. Trong trường hợp đó người
sử dụng có thể nhận biết mức độ nguy hiểm thông qua các đèn LED sáng.
1.3. Sơ đồ khối:

SVTH: Lê Đình Trường
1


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

KHỐI XỬ LÝ

CẢM BIẾN

BÁO ĐỘNG

Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống cảnh báo rò rỉ khí gas.

CHƯƠNG 2 : LỰA CHỌN LINH KIỆN VÀ THIẾT KẾ, THI CÔNG HỆ THỐNG.
SVTH: Lê Đình Trường
2


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

2.1. Lựa chọn linh kiện:
2.1.1. Vi điều khiển PIC16F877A:
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động
tối đa cho phép là 20MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình
8Kx14bit, bộ nhớ dữ liệu 368×8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256×8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O.
Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
– Timer0: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
– Timer1: Bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm dựa
vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
– Timer2: Bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
 Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A:

SVTH: Lê Đình Trường

3


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

Hình 2.1: Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F877A
 Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A:

SVTH: Lê Đình Trường
4


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

Hình 2.2: Sơ đồ khối của vi điều khiển PIC16F877A

SVTH: Lê Đình Trường
5


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

 Chức năng các chân của vi điều khiển PIC16F877A:

- Chân OSC1/CLK1(13): Ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ
vào nhận xung clock từ bên ngoài.
- Chân OSC2/CLK0(14): Ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ cấp xung
clock.
- Chân MCLR /Vpp(1) Có 2 chức năng:
MCLR : Ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.

Vpp: Ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho pic.
- Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2 có 2 chức năng:
RA0, 1, 2: Ngõ vào xuất/nhập số.
AN0, 1, 2: Ngõ vào tương tự của kênh 0, 1, 2.
- Chân RA2/AN2/VREF-/VREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh
thứ 2/ ngõ vào điện áp chuẩn thấp bộ AD/ ngõ vào điện áp chuẩn cao bộ AD.
- Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào kênh tương tự 3/ ngõ vào
điện áp chuẩn(cao) của bộ AD.
- Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài
cho TIMER0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
- Chân RA5/AN4/ SS /C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/
ngõ vào lựa chọn SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.
- Chân RB0/INT(33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài.
- Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số.
- Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trính điện áp thấp ICSP.
- Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số.
- Chân RB6/PGC(39): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP.
- Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.
- Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào dao động Timer1/
ngõ vào xung clock bên ngoài Timer1.

SVTH: Lê Đình Trường
6


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

- Chân RC1/T1OSI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer1/
ngõ vào capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2.
- Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1, ngõ ra Compare1,

ngõ ra PWN1.
- Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng
bộ, ngõ ra chế độ SPI/ ngõ vào xung clock đồng bộ, ngõ ra chế độ I2C.
- Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập I2C.
- Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI.
- Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung
đồng bộ USART.
- Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART.
- Chân RD0¸ 7/PSP0¸ 7(19¸ 30): xuất nhập số/ dữ liệu port song song.
- Chân RE0/ RD /AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào
tương tự kênh 5.
- Chân RE1/ WR /AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ
vào tương tự kênh 6.
- Chân RE2/ CS /AN7(10): xuất nhập số/ chân chọn lựa điều khiển port
song song/ ngõ vào tương tự kênh 7.
- Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là chân nguồn của Pic.
- 40 chân trên được chia thành 5 PORT, 2 chân cấp nguồn, 2 chân GND, 2 chân
thạch anh và một chân dùng để RESET vi điều khiển.
- 5 port của PIC16F877A bao gồm :
+ PORTB : 8 chân
+ PORTD : 8 chân
+ PORTC : 8 chân
+ PORTA : 6 chân
+ PORT E : 3 chân

SVTH: Lê Đình Trường
7


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

2.1.2. Module cảm biến MQ6 :
 Hình dang thực tế của Module cảm biến MQ6 :

Hình 2.3 : Module cảm biến MQ6.
 Các thông số kỹ thuật:

- Kích thước: 32mm x 22mm x 27mm
- Tên: Module MQ-6
- Điện áp cung cấp: 5VDC
- Tín hiệu đầu ra: Tín hiệu đầu ra số và Tương tự TTL
- Cảm biến các loại khí hóa lỏng, Khí butan, khí propan...
 Điều kiện làm việc tiêu chuẩn:

Tên hình thức của các điều kiện chú thích tham số Vc mạch điện áp ≤ 15V AC
hoặc DC
VH điện áp 5.0V ± 0,2 V AC hoặc DC
RL điều chỉnh điện trở tải
RH trở kháng 31Ω ± 3Ω ở nhiệt độ phòng
SVTH: Lê Đình Trường
8


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

PH điện năng tiêu thụ ≤ 900mWB.
 Các điều kiện môi trường:

Sử dụng nhiệt độ -10 ℃ =>50 ℃. Lưu trữ Tas nhiệt độ -20 ℃=>70 ℃
RH độ ẩm tương đối ít hơn 95% RH

O2 oxy nồng độ 21% (điều kiện tiêu chuẩn )Nồng độ oxy tối thiểu có thể ảnh
hưởng đến độ nhạy lớn hơn 2%C.
 Các nối chân vào mạch:

Module cảm biến khí gas MQ6 gồm có 4 chân. 2 chân VCC và GND được nối vào
nguồn 5Vdc. Ngõ ra 2 chân là D0 và A0.
D0 là đầu ra với tín hiệu là 1 hoặc 0, trong đó 1 là có khí gas và 0 là không có khí
gas.
A0 là đầu ra mức điện áp, mức điện áp phụ thuộc vào lượng khí gas nhận biết
được.
2.1.3. Các linh kiện phụ khác :
- Máy biến áp 3A.
- Ổn áp LM2576.
- Diode 1N5822, diode 1N4004.
- Cuộn cảm 100uH.
- Thạch anh : 20MHz.

SVTH: Lê Đình Trường
9


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

- Nút reset 2 chân.
- Điện trở : 10k, 220 Ohm, 330 Ohm.
- Tu : 1000uF,104pF,33pF.
- C1815 và còi báo 5V.
- LED: LED đục màu xanh, vàng, đỏ.
2.2. Thiết kế mạch nguyên lý và vẽ mạch in:
 Sơ đồ nguyên lý khối ổn áp:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối ổn áp LM2576.
 Sơ đồ nguyên lý hệ thống báo rò rỉ khí gas.

SVTH: Lê Đình Trường
10


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống báo rò rỉ khí gas.
 Vẽ mạch in:

Từ nhưng sơ đồ nguyên lý trên ta tiến hành vẽ mạch in theo sơ đồ nguyên lý bằng
phần mềm Protues.
-Mạch in của sơ đồ nguyên lý khối ổn áp:

SVTH: Lê Đình Trường
11


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

Hình 2.6: Mạch in khối nguồn LM2576.
- Mạch in của hệ thống báo rò rỉ khí gas:

Hình 2.7: Mạch in hệ thống báo rò rỉ khí gas.
2.3. Thi công:
 Sau khi vẽ mạch in ta tiến hành thi công sản phẩm:

SVTH: Lê Đình Trường
12


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

- Chuẩn bị các linh kiện cần thiết.
- Chuẩn bị 1 Board đồng, bột sắt, cưa, bút lông,chì hàn,mỏ hàn…
-Tiến hành đo cắt board đồng vừa với mạch in, ủi mạch và ngâm mạch.
-Khoan và tiến hành lắp các linh kiện lên board. Chú ý khi lắp các linh kiện nên
cẩn thận để đúng chiều như ở sơ đồ nguyên lý.
- Hàn các linh kiện vào.
 Hình ảnh sau khi thi công:

- Mặt trước:
- Mặt sau:

SVTH: Lê Đình Trường
13


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

CHƯƠNG 3: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ TÍNH TOÁN.

3.1. Lưu đồ giải thuật:

BẮT ĐẦU

CẢM BIỂN

SVTH: Lê Đình Trường
14
KHỐI
BÁO ĐỘNG
XỬ LÝ

KẾT THÚC


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

Đ

S

3.2. Tính toán:
Ngõ ra A0 của Module cảm biến MQ6 được nối với chân AN0. Từ đó, tín
hiệu điện áp MQ6 đưa vào chân AN0 vi điều khiển PIC16F877A sẽ được bộ chuyển
đổi ADC chuyển thành 1 dãy tín hiệu số để xử lý.
Mức điện áp của module cảm biến MQ6 sẽ được so sánh với mức điện áp
chuẩn 5Vdc nên trước khi đưa vào xử lý. Ở đây mức điện áp ngõ ra A0 tối đa đo
được là 1,2Vdc. Sau đó được đưa về khối xử lý được tính toán như sau:
Gọi A là tín hiệu sau khi qua xử lý ở chân AN0 :

Như vậy, dựa vào đó ta tính các ngưỡng nguy hiểm để viết chương trình cho vi
điều khiển PIC16F877A.
SVTH: Lê Đình Trường
15

GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.

4.1. Kết luận:
 Ưu điểm:

-Mạch chạy đúng như yêu cầu đã đặt ra.
-Tốc độ xử lý nhanh, chính xác.
 Khuyết điểm:

- Còn ở dạng mô hình để thử nghiệm nên chưa thể đưa vào đời sống.
-Code chưa tối ưu
4.2. Hướng phát triển:
Có thể áp dụng thêm theo hướng giao tiếp với sim báo tin nhắn hay gọi
trực tiếp đến người sử dụng để báo động.
Dùng thêm nguồn ac-quy dự phòng để đề phòng trường hợp sự cố xảy ra
khi bị mất điện.
Gắn thêm hệ thống động cơ quạt để khi có sự cố sẽ giúp làm giảm nồng độ
khí gas.
SVTH: Lê Đình Trường
16


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH

<16f877a.h>

adc = 10;
HS, NOWDT, NOPUT
delay(clock = 20M)

buzz PIN_B0
#define muc0 PIN_B1
#define muc1 PIN_B2
#define muc1 PIN_B3
#define muc2 PIN_B4
#define muc2 PIN_B5

SVTH: Lê Đình Trường
17


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

unsigned int16 adc;

void main()
{
set_tris_b(0x00);
setup_ADC(ADC_clock_internal);
setup_ADC_ports(AN0);
while(TRUE)
{
adc = read_ADC();
if(adc > 10 && adc < 30)
{
output_B(0b000000010);

}
else if (adc >=30 && adc < 60)
{
output_B(0b000001100);
}
else if (adc >=60 && adc < 110)
{
output_B(0b000110000);
}
else if (adc >= 110 && adc < 150)
SVTH: Lê Đình Trường
18


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

{
output_B(0b000111101);
}
else if (adc >=150)
{
output_B(0b00111101);
}
}
}

 Tài liệu tham khảo:

- ..
- ..

-
- Lê Duy Phi, “Hướng dẫn lập trình vi điều khiển PIC”.
- Nguyễn Văn Tình, “Tài liệu vi điều khiển PIC16f877A”.

SVTH: Lê Đình Trường
19


GVHD: Th.S Nguyễn Thị Phương Thảo

 Thông tin sinh viên:

Họ và tên: Lê Đình Trường
MSSV: 41203185
Lớp:12040301
Email:
Sđt: 01659953150

SVTH: Lê Đình Trường
20