MÔ HÌNH BÁO CHÁY BẰNG CẢM BIẾN KHÓI VÀ NHIỆT DÙNG LM358 VÀ IC555

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN
KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG.

NGUYỄN NGỌC THẮNG

MÔ HÌNH BÁO CHÁY BẰNG CẢM BIẾN KHÓI
VÀ NHIỆT DÙNG LM358 VÀ IC555

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: Th.S: NGUYẾN HỮU PHÚC

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5 Năm 2018


LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, ngành điện tử là một trong những ngành
quan trọng góp phần vào sự phát triển của đất nước. Nhu cầu của con người
ngày càng cao là điều kiện thuận lợi cho ngành Điện tử không ngừng phát minh
ra các sản phẩm có tính ứng dụng cao, các sản phẩm có tính năng, có độ bền và
độ ổn định ngày càng cao.
Hiện nay, tình trạng cháy nổ ngày càng tăng và có thể đến mức báo động
chẳng hạn như: cháy rừng, cháy nổ bình ga, cháy nổ do chập điện và còn rất
nhiều nguyên nhân khác. Nhằm để có thể giảm đi và tránh những nguyên nhân
đáng tiếc ấy, các thiết bị mạch điện tử báo cháy đã ra đời. Thật vậy có thể nói,
mạch báo cháy là một trong những sản phẩm tạo nền tảng phát triển và bước
ngoặc lớn của ngành Điện tử phục vụ cho nhu cầu sử dụng của con người.
Với mục đích nhằm hiểu rõ về các linh kiện điện tử và khai thác các ứng
dụng của nó trong cuộc sống, để gắn liền được lý thuyết với thực tế em đã tìm

hiểu về đề tài: “ Mạch báo cháy cảm biến nhiệt và khói dùng LM358 và IC555”.
Trong quá trình thực hiện em cũng có nhiều sai sót. Em rất mong mong thầy
và các bạn góp ý bổ sung để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn.

Nguyễn Ngọc Thắng

2


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn
Hữu Phúc, giảng viên Bộ môn Kỹ thuật điện – điện tử trường Đại học Sài Gòn
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án 1.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông
đã dạy dỗ, truyền đạt cho em nhữngkiến thức hữu ích về các môn đại cương
cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và
tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, đồng thời luôn quan tâm,
động viên em trong suốt em hoàn thành đồ án 1 này.

Nguyễn Ngọc Thắng

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
.....................................................................................................................................
I
LỜI CÁM ƠN
.....................................................................................................................................

II
MỤC LỤC
.....................................................................................................................................
III
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
.....................................................................................................................................
V
CHƯƠNG 1
.....................................................................................................................................
1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
.....................................................................................................................................
1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
.....................................................................................................................................
1
1.3 Mục tiêu của đề tài
.....................................................................................................................................
1
1.4 Phạm vi nghiên cứu
.....................................................................................................................................
2

Nguyễn Ngọc Thắng

4


1.5 Phương pháp nghiên cứu
.....................................................................................................................................

2
1.6 Nội dung nghiên cứu
.....................................................................................................................................
2
1.7 Yêu cầu
.....................................................................................................................................
2
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH MẠCH BÁO CHÁY CẢM BIẾN NHIỆT VÀ
KHÓI
.....................................................................................................................................
3
2.1 Sơ đồ khối
.....................................................................................................................................
3
2.2 Sơ đồ nguyên lí
.....................................................................................................................................
4
2.2.1 Khối nguồn
.....................................................................................................................................
4
2.2.2 Khối cảm biến khói
.....................................................................................................................................
5
2.2.2.1 Led thu phát hồng ngoại
.....................................................................................................................................
5
2.2.2.2 Ic thuật toán op-am Lm358
Nguyễn Ngọc Thắng

5

.....................................................................................................................................
6
2.2.2.3 Transistor c1815
.....................................................................................................................................
7
2.2.2.4 Tính toán cho khối cảm biến khói
.....................................................................................................................................
7
2.2.2.5 Hoạt động của khối cảm biến nhiệt
.....................................................................................................................................
8
2.2.3 Khối cảm biến nhiệt……………………….........................................9
2.2.3.1 Tính toán khối cảm biến nhiệt......................................................9
2.2.3.2 Hoạt động của khối biến nhiệt....................................................10
2.2.4 Khối chuông báo……………………………….................................11
2.2.4.1 IC555 .…………………………………………….......................12
2.2.4.2 Transistor A1815……………………..........................................12
2.2.4.3 Tính toán khối chuông báo....................................................12-13
2.2.4.4 Hoạt động của khối chuông báo.................................................13
2.3 Thi công mạch……………………………………………........................14
2.3.1 Mạch in để lắp linh kiện………………............................................14
2.3.2 Sản phẩm……………………………………………….....................14
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................15

Nguyễn Ngọc Thắng

6

3.1 Kết luận.………………………………………………………….............15
3.2 Hướng phát triển………………………………………...........................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………….............................16

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
STT

Tên sơ đồ

Trang

1

Hình 2.1: Sơ đồ khối.

3

2

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lí.

4

3

Hình 2.3: Khối nguồn.

4

4

Hình 2.4: Khối cảm biến khói.

5

5

Hình 2.5: Led phát và led thu hồng ngoại.

5

6

Hình 2.6: LM358

6

7

Hình 2.7: Transistor C1815

7

8

Hình 2.8: Khối cảm biến khói

9

9

Hình 2.9: Bảng đồ nhiệt của Thermistor(R7)

10

10

Hình 2.10: Khối chuông báo

11

11

Hình 2.11: IC555

12

12

Hình 2.12: Transistor A1015

12

13

Hình 2.13: Mạch in

14

14

Hình 2.14: Sản phẩm mô hình báo cháy bằng cảm biến nhiệt
và khói

14

Nguyễn Ngọc Thắng

7


Nguyễn Ngọc Thắng

8


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Tính cấp thiết đề tài.
Hiện nay, với cuộc sống tấp nập, bận rộn của con người thì việc cháy nổ có
thể xảy ra bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu. Bởi lẽ, cháy nổ không chỉ gây ra
thiệt hại cho cá nhân, gia đình mà còn gây ảnh hưởng đến trật tự an toàn xã hội,
không những thế mà còn gây thiệt hại về chất và tính mạng con người. Vì vậy,
cần phải có những thiết bị phát hiện khói, cháy kịp thời để giảm bớt thiệt hại về
người đồng thời về mặt cơ sở vật chất để giảm mối âu lo của xã hội.
Với con IC555 và LM358 được sử dụng cho yêu cầu trên thông dụng trên thị
trường với giá thành hợp lý, phù hợp với việc nghiên cứu của sinh viên.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài.
Với sử dụng mạch báo cháy đang ngày càng trở nên thông dụng trên rộng
khắp cả nước với rất nhiều giải pháp và ứng dụng.Ngày nay, một số các bạn

sinh viên kỹ thuật ở các trường đại học đang nghiên cứu để tạo ra sản phẩm
nhằm đáp ứng yêu cầu của cuộc sống xã hội.
Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về mạch báo cháy như: “Thiết kế mạch báo
cháy tự động của sinh viên Phạm Thanh Tùng’’, “Thiết bị báo cháy tự động của
sinh viên Nguyễn Đức Hoàn – Dương Văn Luân – Đặng Văn Thắng – Kiều Bảo
Long”
1.3 Mục tiêu của đề tài.
−

Ứng dụng kiến thức đã học chế tạo thiết bị có giá thành hợp lý, ứng dụng

−

được vào thực tế.
Chế tạo sản phẩm phát hiện cháy sớm để giảm thiệt hại về người và tài

−

sản.
Mạch sẽ hoạt động khi có cháy xẩy ra, nhiệt độ khu vực cháy tăng lên và
có khói bốc lên nhờ đó mạch cảm biến và báo cháy qua hệ thống chuông.

Nguyễn Ngọc Thắng

9


1.4 Phạm vi nghiên cứu.
−
−

−

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của từng linh kiện
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của mạch.
Tính toán giá trị linh kiện.

1.5 Phương pháp nghiên cứu.
−
−

Nghiên cứu lý thuyết.
Thí nghiệm trên text board điện tử.

1.6 Nội dung nghiên cứu.
−
−
−
−

Nghiên cứu IC555 và LM358 và các linh kiện có liên quan đến đề tài.
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của mạch.
Thiết kế mạch in bằng phần mềm Orcard.
Lắp mạch, chế tạo mạch báo cháy trên mạch in.

1.7 Yêu cầu.
−

Khi xuất hiện khói và cháy thì hệ thống báo khói và nhiệt phải hoạt động

−

ổn định và chính xác.
Đảm bảo khi có khói và cháy thì mạch không bị hỏng.
Đèn và âm thanh báo hiệu không được rè, phải to và rõ đủ để mọi người

−

xung quanh đều có thể nghe được.

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH MẠCH BÁO CHÁY CẢM BIẾN NHIỆT VÀ
KHÓI
2.1 Sơ đồi khối

Nguyễn Ngọc Thắng

10


Hình 2.1 : Sơ đồ khối
Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho hệ thống
Khối cảm biến nhiệt : Biến đổi nhiệt thành tín hiệu điện
Khối cảm biến khói: Biến đổi khói thành tín hiệu điện
Khối khuếch đại vi sai : So sánh, khuếch đại tín hiệu từ bộ cảm biến
Khối chuông báo: Tạo ra âm thanh báo động

2.2 Sơ đồ nguyên lí

Nguyễn Ngọc Thắng

11

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lí
2.2.1 Khối nguồn

Hình 2.3 : Khối nguồn
Dùng khối nguồn 5V và điện áp ra cao nhất là 1A để cho Ic555, Lm358,
transistor C1815 và A1015 hoạt động ổn định.
Để chọn và tính toán một số linh kiện dễ dàng ít sai số

Nguyễn Ngọc Thắng

12


2.2.2 Khối cảm biến khói

Hình 2.4 : Khối cảm biến khói
Ở khối nầy ta lợi dụng khi có cháy thì khói sẽ bốc lên, khói có màu đen ở đó
chúng ta lợi dụng khói để làm giảm cường độ tia hồng ngoại. Tức khi bình
thường cường độ hồng ngoại là lớn nhất -> LED thu D2 dẫn với dòng lớn. Khi
có khói thì khói sẽ làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED thu D2 dẫn với
dòng nhỏ hơn. Để Lm358 hoạt động ta nối chân 4 vào chân gnd(-) của nguồn
và chân 8 vào chân vcc(+)
2.2.2.1 Led thu phát hồng ngoại

Nguyễn Ngọc Thắng

13

Hình 2.5 : Led phát và led thu hồng ngoại
Kích thước: 5mm
Chiều dài: 37mm
Màu phát ra: Hồng ngoại
Ống kính màu: Đen / Trong
Bước sóng: 940nm
Điện áp hoạt động (V): 1.2V-1.6V
Dòng điện cực đại (mA): 100mA
Truyền và nhận khoảng cách: khoảng 7-8 M
2.2.2.2 Ic thuật toán op-am Lm358

Hình 2.6 : LM358
Mạch LM358 là bộ khuếch đại thuận và lặp điện áp. Bên trong chứa 2 khuếch
đại toán học: Bộ thứ 1: chân 2,3 vào, chân 1 ra. Bộ thứ 2: chân 5,6 vào, chân 7
ra.
Khoảng điện áp cung cấp 3V đến +32V.
Dải nhiệt hoạt động : 0 70
Điện áp ngõ ra 0v đến VCC(+)-1.5v.
Nguyễn Ngọc Thắng

14


Điện trở rất cao nên không làm ảnh hưởng xấu đến tín hiệu cảm biến.

2.2.2.3 Transistor c1815

Hình 2.7 : Transistor C1815
Type - n-p-n

Collector-Emitter Voltage: 50 V
Collector-Base Voltage: 60 V
Emitter-Base Voltage: 5 V
Collector Current: 0.15 A
Collector Dissipation - 0.4 W
DC Current Gain (hfe) - 70 to 700
Transition Frequency - 80 MHz
Operating and Storage Junction Temperature Range -55 to +125 °C
Package - TO-92
2.2.2.4 Tính toán cho khối cảm biến khói
Để cho led phát D1 hoạt động bình thường thì điện áp rơi tên led khoảng 1.2V
đến 1.6V nên ta chọn R1=1k Ohm thì khi nầy dòng điện rơi vào D1 khoảng
3.4mA – 3.8mA
Nguyễn Ngọc Thắng

15


Với led thu D2 tương tự nhưng vì ở đây led thu D2 dùng để so sánh áp nên để
dòng lớn nên chọn trở nhỏ 470 Ohm lúc nầy đòng điện roi vào led D2 vào
khoảng 8.805mA-7.234mA
Với tụ C1 chỉ có chứ năng lọc nhiễu và cần áp nhỏ để phần so sánh áp với
chấn 2(-) nên chỉ chọn 10uf.
Với chiết Áp R6 ta chọn giá tri 10k để tạo sự chênh lệch điện áp giữa chân 2
và chân 3 của LM358 là khi không khói thì LED thu D2 dẫn với dòng lớn mà
điện áp chân 3V(+) bé hơn điện áp chân 2V(-)
Với Q6 là transistor C1815 hoạt động khi có điện dương (mức 1 từ Lm358) đi
vào chân Base cần 1 dòng nhỏ nên ta chọn trở hạn dòng cho bộ khuếch đại nầy
là R3=R4=10k Ohm để cho Q6 phân cực
Diot D7 có chứ năng chỉ cho dòng âm chạy từ Q6 qua điot

Chon R16=330 Ohm để hạn dòng bảo về led D11
2.2.2.5 Hoạt động của khối cảm biến nhiệt
Ở đây ta dùng 1 LED thu và một LED phát đặt rọi vào nhau để một khoảng
trống. Tức khi bình thường cường độ hồng ngoại là lớn nhất -> LED thu D2 dẫn
với dòng lớn. Khi có khói thì khói sẽ làm giảm cường độ tia hồng ngoại -> LED
thu D2 dẫn với dòng nhỏ hơn. Khi không có khói điện áp chân 2 V(-)lớn hơn
điện áp chân 3V(+) nên ngõ ra bằng 0 nên không có dòng đi qua Q6 và Q6
không phân cực và không có dòng âm từ Emitter lên Colletor của Q6 nên led
D11 không sáng , Khi có khói điện áp chân 2 V(-) lớn hơn điện áp chân 3V (+)
nên ngõ ra bằng 1 nên có dòng điện dương đi qua Q6 vô chân Base nên Q6
phân cực thuận và cho dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Colletor làm cho
đèn D11 sáng và có dòng âm chạy vào điot D7 và dòng đó là dòng được khuếch
đại bởi Q6 chạy đến khối chuông báo.

Nguyễn Ngọc Thắng

16


2.2.3 Khối cảm biến nhiệt

Hình 2.8 : Khối cảm biến khói
Ở đây ta lợi dụng nhiệt độ thay đổi lớn của đám cháy để thay đổi điện trở
của của nhiệt trở R7 qua đó ta thay đổi giá trị điện áp ở chân 5 (+) của Lm358
để so sánh với chân 6 (-) của LM358
2.2.3.1 Tính toán khối cảm biến nhiệt
Mạch sử dụng nhiệt trở âm (NTC) làm cảm biến nhiệt độ, IC Op-Amp LM358
làm bộ so sánh điện áp. ở nhiện độ bình thường giá trị nhiệt trở sấp sỉ bằng giá

Nguyễn Ngọc Thắng

17


trị gốc của nhiệt trở, ví dụ: ở 25 độ C giá trị điện trở 10k là 10k.

Hình 2.9 : Bảng đồ nhiệt của Thermistor(R7)
Vậy nên ta chọn R8=10K Ohm để tạo cầu phân áp với nhiệt trở R7 khi R7
ở nhiệt độ thường thi điện áp đặt vào chân 5 (+) là 2.5V
Lúc này giá trị điện áp tại chân 5 (+) op-amp bằng 2.5V tạo bởi cầu phân
áp R7 và R8. Điện áp ngưỡng báo động được đặt bới biến trở R7(10). Có thể
chỉnh được từ 0-5V cấp vào chân 6(-) op-amp. Ví dụ ta đặt mạch báo động ở
nhiệt độ 65 độ C. Lúc này điện áp tại chân 5 (+) là VCC/(R7+R8)*R2 =
5/12*10 = 4.17V. vậy ta chỉnh biến trở đặt điện áp khoảng 4.16 V tại chân (-)
Chọn tụ C2=10uf dùng để lọc nhiễu cho mạch và với giá trị nhỏ để tích
dòng nhỏ và không ảnh hưởng đến so sánh áp giữa chân 5 và chân 6.
Chọn R10=R11=10k để hạn dòng và phân cực cho Q5 tương tự như Q6 và
R5= 330Ohm để bảo vệ led D8
Diot có chức năng chỉ cho dòng âm chạy từ Q5 qua điot
2.2.3.2 Hoạt động của khối biến nhiệt
Vậy khi ở nhiệt độ nhỏ hơn 65 độ C thì điện áp đặt vào chân 5 V(+) bé hơn
điện áp đặt vào chân 6 V(-) Nên ngõ ra Op-amp ở mức thấp xấp sỉ 0V. 10 và
R11 phân cực cho transitor Q5. Khi ngỏ ra Op-amp bằng 0 thì Q5 không phân
Nguyễn Ngọc Thắng

18


cực nên không có dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Collector và led D8
không sáng và không có dòng âm đi qua khối chuông báo.

Khi nhiệt độ lớn

hơn 65 độ C giá trị điện trở giảm nên điện áp đặt vào chân 5 V(+) lớn hơn điện
áp đặt vào chân 6 V(-) nên ngõ ra op-amp xuất ra mức 1 nên có dòng điện
dương đi qua Q5 vô chân Base nên Q5 làm cho Q5 phân cực thuận nên Q5 cho
dòng âm chạy từ chân Emitter lên chân Colletor làm cho đèn D8 sáng và có
dòng âm chạy vào điot D9 và dòng đó là dòng được khuếch đại bởi Q5 chạy
đến khối chuông báo.
2.2.4 Khối chuông báo

Hình 2.10 : Khối chuông báo

Nguyễn Ngọc Thắng

19


2.2.4.1 IC555

Hình 2.11: ic555
Điện áp đầu vào : 2 - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..)
Dòng tiêu thụ : 6mA - 15mA
Điện áp logic ở mức cao : 0.5 - 15V
Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 - 0.06V
Công suất tiêu thụ (max) 600mW

2.2.4.2 Transistor A1815

Hình 2.12: Transistor A1015

Transistor A1015 là transistor thuộc loại transistor PNP.
Nguyễn Ngọc Thắng

20


A1015 có Uc cực đại = -50V dòng Ic cực đại = -150mA
Hệ số khuếch đại hFE của transistor A1015 trong khoảng 70 đến 400.
Thứ tự các chân từ trái qua phải: E C B
2.2.4.3 Tính toán khối chuông báo

Chọn R12=1k Ohm để hạn dòng âm từ khối cảm biến khói và khối cảm biến
nhiệt đi vào Q8 và chọn trở R13=10K Ohm để phân cực cho Q8
R14 =10K Ohm để hạn chế dòng Reset vào chân số 4 của IC555 để khi không
có điện dương từ Q8 thì IC555 ở chế độ reset và khối chuông không hoạt động.
Ở đây ta chọn R15=4.7K Ohm R17=2.2k Ohm tụ C4=10uf. Để được chu kì
tạo xung cho IC555
T=0.69*(R17*2R15)*C4=0.69*(4700*2200*2)*10*10^-3=142692(Hz)
Chọn R18=1k Ohm để hạn dòng xung tạo ra từ chân 3 đi vào Q7
2.2.4.4 Hoạt động của khối chuông báo
Khi có không dòng âm đi qua điot D7 hoặc D9 nghĩa là không có cháy xẩy ra
thì sẽ không có dòng âm đi qua Q8 và Q8không phân cực nên không có dòng
dương từ Emitter chạy qua Colletor nên không cung cấp dòng dương cho chân
số 4 của IC555 thì khối chuông báo sẽ không hoạt động.
Khi có dòng âm chạy qua điot D7 hoặc D9 nghĩa là có cháy xẩy ra thì dòng
âm sẽ đi qua vào chân Base của Q8 làm Q8 phân cực thuận và cho dòng dương
chạy từ chân Emittor xuống chân Collector của Q8 và đi vào chân số 4 lúc nầy
IC55 hoạt động và tạo xung ra cho chân số 3 là ở mức 0 và mức 1 với tần số
T=142692 Hz.Khi ở mức 0 thì Q7 (C1815) phân cực ngược và không cho dòng
âm đi từ chân Emitter lên chân Collector và chuông không kêu .Khi ở mức 1 thì

có điện dương đi vào Q7 làm Q7 phân cực thuận nên cho dòng âm từ Emitter
lên chân Collector và chuông kêu. Cứ như vậy với tần số T thì sẽ tạo nên tiếng
báo động với tần số tít của chuông là 142692 Hz

Nguyễn Ngọc Thắng

21


2.3 Thi công mạch
2.3.1 Mạch in để lắp linh kiện

Hình 2.13: Mạch in
2.3.2 Sản phẩm

Nguyễn Ngọc Thắng

22


Hình 2.14: Sản phẩm mô hình báo cháy bằng cảm biến nhiệt và khói
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
3.1 Kết luận
•

Kết quả đạt được: là một mạch báo cháy báo khói bằng cảm biến hồng ngoại

•
-

hoạt động ổn định và chính xác.
Hạn chế:
Mạch chưa có hệ thống bảo vệ để đảm bảo không bị hư hỏng bởi tác động của

-

lửa.
Khi đặt hệ thống báo cháy từ xa cần phải đảm bảo led thu và led phát hồng

-

ngoại không bị lệch nhau.
Các led thu, led phát và cảm biến nhiệt không thể đặt ở khoảng cách quá xa.
3.2 Hướng phát triển
• Thiết kế một bộ võ
•
•

cho mô hình đảm bảo cách nhiệt cho các linh kiện
điển tử như trở, transistor, LM358, IC555
Bộ vỏ chỉ có khói đi vòa mà không con vật nào bay được để cảm đi tia
hồng ngoại làm cho led hồng ngoại cảm biến sai
Bộ vỏ tạo được sự cảm biến nhiệt tốt cho nhiệt trở R7 hoạt động ổn
định.

Nguyễn Ngọc Thắng

23

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Quốc Đán (2015), Giáo trình Điện tử tương tự, Trường Đại học Sài Gòn.
[2] />[3] />[4] />
Nguyễn Ngọc Thắng

24