Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.74 MB, 109 trang )

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
CẢNH BÁO, PHÒNG CHỐNG
HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
GVHD : Hà A Thồi
SVTH1: Trần Minh Tâm
MSSV : 15141277
SVTH2: Đỗ Thị Huệ
MSSV : 15141168

Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019
i

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 1 tháng 6 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Minh Tâm

MSSV: 15141277

Đỗ Thị Huệ

MSSV: 15141168

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện - Điện tử

Mã ngành: 41

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa:

2015

Lớp: 15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO,
PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu
như sau:
-

Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt độ, khí gas.

-

Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theo

dõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng.
-

Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi, gửi

tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khí gas
trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa.
2. Nội dung thực hiện:
-

Lên ý tưởng đồ án

-

Tìm hiểu về linh kiện sử dụng

-

Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến

rò rỉ khí gas.
-

Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông qua Internet,
truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm.

-

Vẽ lưu đồ giải thuật.
ii

-

Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo và rò rỉ khí gas

-

Lắp ráp các khối vào mô hình.

-

Chạy thử nghiệm hệ thống.

-

Cân chỉnh hệ thống.

-

Viết luận văn

-

Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/02/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/06/2019

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Thầy Hà A Thồi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o---Tp.HCM, ngày 28, tháng 02, năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Đỗ Thị Huệ
Lớp:15141DT1C
MSSV:15141168
Họ tên sinh viên 2: Trần Minh Tâm
Lớp:15141DT2A
MSSV:15141277
Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn

và rò rỉ khí gas

Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 3

Gặp GVHD để nghe phổ biến về yêu cầu làm
đồ án , tiến hành chọn đồ án
GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

(18/2 – 24/2)
Tuần 4
(25/2 – 3/3)
Tuần 5
(4/3 – 10/3)

Tuần 6
(11/3 – 17/3)
Tuần 7
(18/3 – 24/3)
Tuần 8
(25/3 – 31/3)
Tuần 9
(1/4 – 7/4)

Xác nhận
GVHD

Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài:
cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiện

lửa flame sensor, cảm biến nhiệt độ DHT-22,
Arduino Uno R3, động cơ bơm P385,
ESP8266 Node MCU, LCD 16X2
Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module, các
cảm biến với Arduino ở bộ điều khiển trung
tâm
Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức
năng các khối ( khối nguồn, khối xử lí, khối
hiển thị, khối cảm biến, khối truyền dữ liệu)
Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ đồ
toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt động
của mạch
Vẽ PCB
Vẽ lưu đồ giải thuật
iv

Tuần 10
(8/4 – 14/4)
Tuần 11
(15/4 – 21/4)
Tuần 12
(22/4 – 28/4)
Tuần 13
(29/4 – 5/5)
Tuần 14
(6/5 – 12/5)
Tuần 15
(13/5 – 19/5)

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công
Viết báo cáo nội dung đã làm
Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem
xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo
Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài.
Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v

LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huệ và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án
do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi. Nhóm chỉ tham khảo
các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả công bố trong khóa
luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019
SV thực hiện đồ án
( Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Minh Tâm

Đỗ Thị Huệ

vi

LỜI CẢM ƠN
Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng
dẫn thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã đưa
ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm việc.
Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách làm
việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy.
Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện tốt
nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là động
lực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư
Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn
này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè.

vii

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... vii
MỤC LỤC ............................................................................................................... viii
DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...................................................................................... xii
DANH SÁCH BẢNG VẼ .........................................................................................xv

TÓM TẮT ............................................................................................................... xvi
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................2
1.4 GIỚI HẠN .........................................................................................................2
1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................4
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP .....................4
2.1.1 Khái niệm ...................................................................................................4
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp ....................................................4
2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm ......................................................4
2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng ........................................................4
2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt ........................................................6
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas .......................................................7
2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ .......................................................7
2.2.1 Khái niệm ...................................................................................................7
2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ .......................................................................8
2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN ..........................................................................8
2.3.1 Khái niệm ...................................................................................................8
2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện .......................................................................9
2.3.3 Ứng dụng ....................................................................................................9
2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM.............................................................9
2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG .......................................11
2.5.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................12
2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển ....................................................12
2.5.1.2 Tập lệnh AT ......................................................................................12
viii

2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN (RF) ...................................................13
2.6.1 Sóng vô tuyến ( RF ) ................................................................................13
2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) ...............................................................15
2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF .............................................17
2.7.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................17
2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển ................................................................18
2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET .........................................................18
2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet ......................................................................18
2.8.2 Các mạng truy nhập không dây................................................................18
2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI .....................................................19
2.10 NGUỒN CUNG CẤP ...................................................................................20
2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC .............................................................20
2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter ...................................................................20
2.10.1.2 Nguồn tổ ong ...................................................................................21
2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC ...............................................................22
2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST .....................................................................22
2.10.2.2 Mạch hạ áp BUCK ..........................................................................24
2.11 ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ................................................................25
2.11.1 Động cơ điện 1 pha ................................................................................25
2.11.2 Động cơ điện 3 pha ................................................................................26
2.12 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO.................................................26
2.12.1 Phần cứng ...............................................................................................26
2.12.2 Phần mềm ...............................................................................................27
2.12.3 Các loại Arduino ....................................................................................28
2.12.3.1 Arduino Uno R3 ..............................................................................28
2.12.3.2 Arduino Nano ..................................................................................29
2.12.3.3 Arduino Mega 2560 R3 ...................................................................30
2.13 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU .............................................................31
2.13.1 Giao tiếp SPI ..........................................................................................31
2.13.2 Giao tiếp UART .....................................................................................32

2.13.3 Giao tiếp I2C ..........................................................................................33
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................38
3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG .....................................................38
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG ..................................38
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................38
3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch .......................................................................40
ix

3.2.1.1 Cảm biến khí gas ...............................................................................40
3.2.1.2 Cảm biến lửa .....................................................................................42
3.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ .............................................................................43
3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 .............................................................45
3.2.1.5 Chuông báo động ..............................................................................46
3.2.1.6 Khối hiển thị ......................................................................................46
3.2.1.7 Module Wifi ESP8266 ......................................................................48
3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ ........................................................50
3.2.1.9 Module SIM 800A MINI ..................................................................51
3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino .........................................................52
3.2.1.11 Khối nguồn ......................................................................................54
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ..................................................................55
3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu........................................55
3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm...............................................57
3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm ........................................................58
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................60
4.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................60
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................60
4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liệu .................................................................60
4.2.2 Khối xử lý trung tâm ................................................................................62
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................64

4.3.1 Thi công hộp bảo vệ mạch .......................................................................64
4.3.2 Thi công mô hình .....................................................................................64
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...............................................................................64
4.4.1 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................64
4.4.1.1 Khối thu thập dữ liệu.........................................................................64
4.4.1.2 Khối xử lý trung tâm .........................................................................69
4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển......................................................69
4.4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình ..........................................................69
4.4.2.2 Giới thiệu về Web Thingspeak .........................................................73
4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC ................................75
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ...................................................76
5.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................76
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC..................................................................................76
5.2.1 Sử dụng Arduino Nano ............................................................................76
5.2.3 Sử dụng module NRF24L01 ....................................................................76
x

5.2.4 Đưa thông tin lên Web Thingspeak .........................................................77
5.2.5 Sử dụng module SIM 800A gọi và nhắn tin ............................................77
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ..........................................................................77
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..............................................81
6.1 KẾT LUẬN .....................................................................................................81
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................82
PHỤ LỤC ..................................................................................................................83

xi

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Chương 2
Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ ....................................................................7
Hình 2. 2: Tia lửa điện ................................................................................................8
Hình 2. 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động ...........................................................10
Hình 2. 4: Module SIM 800A mini ...........................................................................11
Hình 2. 5: Module SIM 800l .....................................................................................11
Hình 2. 6: Module SIM 900A ...................................................................................11
Hình 2. 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino. ................................12
Hình 2. 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản ...........................................................16
Hình 2. 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản .................................................................16
Hình 2. 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 .......................................17
Hình 2. 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+.....................................................17
Hình 2. 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz ..............................................17
Hình 2. 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối ......................................18
Hình 2. 14: Mạng LAN không dây ...........................................................................19
Hình 2. 15: Mạng không dây diện rộng ....................................................................19
Hình 2. 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 ...................19
Hình 2. 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340 ..............20
Hình 2. 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01 .......................................20
Hình 2. 19: Adapter 12V-1.5A ..................................................................................21
Hình 2. 20: Nguồn tổ ong 12V-10A .........................................................................22
Hình 2. 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp........................................23
Hình 2. 22: Mạch tăng áp XL6009 4A......................................................................24
Hình 2. 23: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch hạ áp .................................................24
Hình 2. 24: Mạch hạ áp DC-DC LM2596 ................................................................25
Hình 2. 25: Động cơ xoay chiều một pha .................................................................25
Hình 2. 26: Hình ảnh Arduino Uno R3 .....................................................................28
Hình 2. 27: Arduino Nano .........................................................................................29
Hình 2. 28: Arduino Mega 2560 R3 .........................................................................30

Hình 2. 29: Kết nối 1 thiết bị với Arduino theo chuẩn giao tiếp SPI ........................31
Hình 2. 30: Cấu trúc của một Frame dữ liệu .............................................................33
Hình 2. 31: Bus I2C và các thiết bị ngoại vi .............................................................34
Hình 2. 32: Kết nối thiết bị vào bus I2C ở chế độ chuẩn và chế độ nhanh ...............34
Hình 2. 33: Hướng đi của xung Clock và hướng đi của đường dữ liệu ....................35
Hình 2. 34: Trình tự truyền bit ..................................................................................36
Hình 2. 35: Start bit và Stop bit.................................................................................37
Chương 3
Hình 3. 1: Sơ đồ khối thu thập dữ liệu ......................................................................38
Hình 3. 2: Sơ đồ khối xử lý trung tâm ......................................................................39
Hình 3. 3: Hình ảnh khối máy bơm ...........................................................................40
Hình 3. 4: Hình ảnh thực tế của cảm biến MQ-2 ......................................................40
Hình 3. 6: Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 ..................................42
Hình 3. 7: Module cảm biến phát hiện lửa ................................................................42
Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý cảm biến phát hiện lửa ..................................................43
xii

Hình 3. 9: Cảm biến DHT22 .....................................................................................44
Hình 3. 10: Hình cảm biến siêu âm ...........................................................................45
Hình 3. 11: Giản đồ thời gian của cảm biến HC- SR04 ............................................45
Hình 3. 12: Hình ảnh còi báo động ...........................................................................46
Hình 3. 13: Hình ảnh LCD 16x2 ...............................................................................47
Hình 3. 14: Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ...........................................48
Hình 3. 15: Sơ đồ chân Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ........................49
Hình 3. 16: Mạch Thu Phát RF NRF24L01+............................................................50
Hình 3. 17: Sơ đồ chân Mạch Thu Phát RF NRF24L01+.........................................51
Hình 3. 18: Module SIM 800A Mini ........................................................................51
Hình 3. 19: Arduino Nano .........................................................................................52
Hình 3. 20: Sơ đồ chân Arduino Nano ......................................................................53

Hình 3. 21: Sơ đồ khối của khối nguồn ....................................................................54
Hình 3. 22: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp ..................................................................54
Hình 3. 23: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp ...............................................................54
Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu ...................................................55
Hình 3. 25: Sơ đồ khối xử lý trung tâm ....................................................................57
Hình 3. 26: Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm .............................................................58
Chương 4
Hình 4. 1: PCB mặt sau khối thu thập.......................................................................60
Hình 4. 2: PCB mặt trước khối thu thập ...................................................................60
Hình 4. 3: Hình ảnh khối thu thập dữ liệu sau khi in ................................................61
Hình 4. 4: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiện .....................................................62
Hình 4. 5: PCB mặt sau của khối trung tâm..............................................................62
Hình 4. 6: PCB mặt trước của khối trung tâm ..........................................................63
Hình 4. 7: Hình ảnh khối xử lý trung tâm sau khi in ................................................63
Hình 4. 8: Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thiện hộp bảo vệ ...................................64
Hình 4. 9: Hình ảnh mô hình đề tài ...........................................................................64
Hình 4. 10: Lưu đồ khối thu thập dữ liệu ..................................................................65
Hình 4. 11: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến ...................................................................66
Hình 4. 12: Lưu đồ truyền dữ liệu qua Module NRF24L01 .....................................67
Hình 4. 13: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu UART sang NodeMCU ................67
Hình 4. 14: Lưu đồ gửi dữ liệu lên Thingspeak ........................................................68
Hình 4. 15: Lưu đồ khối xử lý trung tâm ..................................................................69
Hình 4. 16: Giao diện Arduino IDE ..........................................................................70
Hình 4. 17: Chọn Arduino sử dụng ...........................................................................71
Hình 4. 18: Chọn cổng COM kết nối với Arduino ...................................................72
Hình 4. 19: Hình ảnh truy cập trang Web Thingspeak .............................................73
Hình 4. 20: Đăng nhập tên tài khoản và mật khẩu ....................................................74
Hình 4. 21: Chọn kênh quan sát ................................................................................74
Hình 4. 22: Hình ảnh dữ liệu trên Thingspeak ..........................................................74
Hình 4. 23: Quy trình thao tác sử dụng hệ thống ......................................................75

xiii

Chương 5
Hình 5. 1: Hình ảnh ban đầu của khối thu thập dữ liệu ............................................77
Hình 5. 2: Hình ảnh ban đầu của khối xử lý trung tâm .............................................78
Hình 5. 3: Hệ thống phát hiện có gas ........................................................................78
Hình 5. 4: Hệ thống nhắn tin cho người dùng...........................................................79
Hình 5. 5: Hệ thống phát hiện lửa .............................................................................79
Hình 5. 6: Hệ thống gọi điện thông báo phát hiện lửa ..............................................80
Hình 5. 7: Thông tin cảm biến được cập nhật trên Thingspeak ................................80

xiv

DANH SÁCH BẢNG VẼ
Chương 2
Bảng 2. 1: Phân loại tần số sóng vô tuyến ................................................................15
Chương 3
Bảng 3. 1: Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas MQ-2 .............................................42
Bảng 3. 2: Thông số kỹ thuật DHT22 .......................................................................44
Bảng 3. 3: Chức năng các chân của LCD 16x2 ........................................................48
Bảng 3. 4: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 5V...................................................56
Bảng 3. 5: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 12V.................................................56
Bảng 3. 6: Danh sách linh kiện sử dụng nguồn 3.3V................................................56
Bảng 3. 7: Danh sách linh kiện khối xử lý trung tâm ...............................................58
Bảng 3. 8: Danh sách linh kiện khối máy bơm .........................................................59
Chương 4
Bảng 4. 1: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối thu dữ liệu ............................62

Bảng 4. 2: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối trung tâm..............................63

xv

TÓM TẮT
Hậu quả của sự cố cháy nổ và hỏa hoạn gây ra rất nặng nề và đáng báo động. Theo
như số liệu của Tổng cục Thống Kê (Bộ Kế hoạch và Đầu tư ) tính đến 4 tháng đầu
năm 2019 cả nước thiệt hại hơn 458 tỷ đồng, làm 10 người chết và mất tích, 19 người
bị thương. Nhằm nắm bắt được những số liệu trên và có thể hạn chế được phần nào
hậu quả mà hỏa hoạn và cháy nổ mang lại, nhóm em đã quyết định thiết kế và thi
công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas.
Với mục tiêu là hệ thống có thể phát hiện được lửa và khí gas rò rỉ một cách
nhanh chóng và chính xác. Người dùng có thể giám sát nhiệt độ của môi trường tại
nơi đặt thiết bị từ xa thông qua internet. Phương thức cảnh báo đơn giản và thông
dụng như là gọi điện hay nhắn tin sẽ phù hợp đối mọi loại điện thoại di động có mặt
trên thị trường hiện nay. Nhóm sẽ thực hiện hệ thống thông qua việc tích lũy kiến
thức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn. Tất cả vì mục
đích hoàn thành được mô hình dễ lắp dặt, dễ sử dụng, tiết kiệm điện, mang lại cho
người dùng cảm giác tin cậy và an toàn.

xvi

xvii

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo như số liệu thống kê về 9 tháng đầu năm 2018 có 2989 vụ cháy nổ, tổng
thiệt hại do hỏa hoạn gây ra là làm chết 73 người và bị thương 163 người, thiệt hại về
tài sản là 1589 tỷ đồng [1]. Số liệu trên là một con số đáng báo động về tình trạng
phòng chống cháy nổ của người dân cũng như chưa có đủ thiết bị an toàn để phòng
chống hỏa hoạn. Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng thiệt bị phòng chống cháy nổ và
đảm bảo an toàn cho người dân nhóm em đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi
công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas”. Hệ thống này
sử dụng vi điều khiển trung tâm là module Arduino và module WiFi ESP8266 Node
MCU, các cảm biến nhiệt độ, khí gas và cảm biến phát hiện lửa.
Dựa trên thực tế là chỉ có những thiết bị phòng cháy đơn giản như là đầu báo
cháy, đầu báo khói, đầu báo xì gas, hay các bình chữa cháy di động vẫn chỉ giải quyết
được phần nào hiện tượng cháy nổ và chưa hiệu quả. Vấn đề đặt ra là cần một thiết
bị có tích hợp cả 3 khả năng báo cháy, báo nhiệt độ và rò rỉ khí gas và người dùng có
thể giám sát trực tiếp số liệu trên internet thông qua laptop hoặc là Smart phone.
Nhóm em đã vận dụng các kiến thức được học tại trường cũng như khảo sát thực tế
để có thể hoàn thành được hệ thống như trên.
Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas dựa trên nền tảng kiến thức về lĩnh
vực điện tử, xã hội và môi trường. Nhóm phát triển hệ thống dựa trên đồ án môn học
trước là hệ thống báo quá nhiệt độ qua SMS [2]. Hệ thống sẽ được cải tiến thêm về
khả năng phát hiện lửa, báo cháy, rò rỉ khí gas, có cơ sở dữ liệu trực tuyến cho người
dùng.

1.2 MỤC TIÊU
Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas là một hệ thống thu thập các giá trị
của cảm biến, hiển thị dữ liệu lên LCD. Khi hệ thống phát hiện gas sẽ mở quạt để hút
khí gas ra ngoài, nếu phát hiện lửa sẽ mở máy bơm dập tắt lửa. Các thông tin mà cảm
biến thu thập được sẽ được cập nhật lên Thingspeak.com và thông báo qua điện thoại
người dùng bằng cách gọi điện hoặc gửi tin nhắn. Hệ thống cũng có khả năng tự
chuyển đổi nguồn cung cấp sang nguồn dự phòng khi có sự cố cúp điện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Hệ thống sẽ giúp hạn chế hiện tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn về
tính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa
hoạn và rò rỉ khí gas” thì nội dung cần thực hiện bao gồm:
• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các nghiên cứu gần với đề tài đã có, những hạn chế
còn tồn tại từ đó đưa ra những giải pháp cho đề tài nhóm cần hướng tới.
• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài: nguyên nhân cháy
nổ, rò rỉ khí gas,…
• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận giữa các module, truyền
nhận tín hiệu thông qua sóng cao tần.
• NỘI DUNG 4: Lựa chọn các cảm biến cũng như vi điều khiển phù hợp với hệ
thống.
• NỘI DUNG 5: Tìm hiểu IDE – môi trường lập trình cho Arduino

1.4 GIỚI HẠN
- Hệ thống chỉ sử dụng ở những phòng nhỏ phòng bếp: 3x3m, phòng khách:
5x5m, garage 5x5m
- Sử dụng động cơ bơm P385 12VDC, kích thước: 86x46x46 mm để phun nước
xử lí hỏa hoạn.
- Giám sát nhiệt độ, phát hiện lửa, rò rỉ khí gas bằng cảm biến và sử dụng vi
điều khiển Arduino Nano (5VDC) làm khối xử lí trung tâm.

- Các trạm giám sát truyền nhận thông tin bằng sóng RF- khả năng truyền 100m
trong môi trường không có vật cản và hiển thị dữ liệu trên LCD 16X2 và trên cơ sở
dữ liệu trực tuyến.
- Sử dụng cảm biến phát hiện lửa flame sensor (3.3V-5VDC)
- Sử dụng cảm biến nhiệt độ DHT-22(5VDC), nhiệt độ hoạt động -40 oC ~ 80oC
- Sử dụng cảm biến phát hiện khí gas MQ-2 (5VDC), phát hiện được các loại
khí như LPG, Metan, Hydrogen.
- Kích thước mô hình 30x60x30 cm.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5 BỐ CỤC
• Chương 1: Tổng quan
Chương này trình bày đặt vấn đề lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên
cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này tập trung vào các lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm các kiến
thức về khí gas, các loại module, các thiết bị ngoại vi, vi điều khiển sử dụng trong hệ
thống.
• Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán
Chương này trình bày về sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của hệ thống, trình
bày chi tiết về các loại linh kiện, giao thức giao tiếp giữa các module với nhau.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống
Dựa trên sơ dồ nguyên lý tiến hành thi công phần cứng là lập trình phầm mềm
cho hệ thống đáp ứng được các yêu cầu đã định ra.

• Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban
đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiện, đồng thời đưa ra hướng phát triển
để có được một đề tài hoàn thiện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP
2.1.1 Khái niệm
Hiện nay, với đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường
thì khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta
và đã góp phần tạo nên sự văn minh của xã hội. Lợi ích của gas là rất tích cực, được
sử dụng rộng rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiệp.
Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu là
khí Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác.
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp
Khí công nghiệp là loại nguyên liệu khí được sản xuât để sử dụng trong công
nghiệp. Các khí trong công nhiệp được sửu dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy,
caarbon dioxide, hydro, acetylen,…
Các loại khí công nghiệp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau. Bao gồm các ngành công nghiệp nặng như dầu khí, hoá dầu, hóa chất, điện,
khai thác mỏ, luyện kim, kim loại. Và cũng được sử dụng trong các ngành dược phẩm,

công nghệ sinh học, thực phẩm, nước, phân bón, điện hạt nhân, điện tử, hàng không
vũ trụ, phân tích thí nghiệm, kiểm nghiệm môi trường…
2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm
Nước ngọt có gas đã trở thành loại nước giải khát quá quen thuộc trong cuộc
sống hàng ngày của chúng ta. Nước có gas chiếm đến 94% thành phần của nước ngọt,
có tên gọi hóa học là: Carbon dioxide (CO2) - có vai trò như một chất bảo quản nhẹ.
Khí CO2 được sử dụng nhiều trong ngành sản xuất nước giải khát và bia rượu.
Trong công nghiệp khí CO2 được điều chế từ các khí sinh ra khi lên men rượu
bia, phân hủy chất béo, từ các khí thu được trong sản xuất hóa chất, như sản xuất
amoniac hoặc tổng hợp methanol, từ khói các nhà máy công nghiệp đốt than.
2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng
a. Máy điều hòa
Gas điều hòa là môi chất được sử dụng trong hệ thống làm hạnh hấp thụ nhiệt,
có nhiệm vụ mang nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp thải ra nơi có nhiệt độ cao hơn. Đây

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
chính là thành phần không thể thiếu trong quá trình làm lạnh của hệ thống điều hòa
nói chung và các hệ thống làm lạnh nói riêng.
Các loại gas được sử dụng trong máy điều hóa không khí như gas R22, gas
R410A, gas R32 . . . nhưng được sử dụng nhiều nhất vẫn là gas R22 và Gas R410A.
❖ Gas điều hòa R22
Gas R22 là loại gas được sử dụng đầu tiên trên các máy lạnh, chiếm hơn 70%
trên thị trường điều hòa hiện nay, được sủ dụng cho máy điều hòa không khí loại
thường (không sử dụng công nghệ Inverter).
❖ Gas điều hòa R410A

Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếu
oxi chính vì vậy mà phòng của bạn phải được thoáng khí nếu không sẽ rất nguy hiểm
khi có hiện tượng rò rỉ khí gas.
❖ Gas điều hòa R410A
Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiện nay, được ứng dụng sử dụng nhiều
nhất tại Nhật Bản. Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22
và loại R410A.
b. Tủ lạnh
Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiệt từ dàn
lạnh tới dàn nóng. Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiệt xung quanh dàn lạnh
để chuyển tới dàn nóng. Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua việc tản nhiệt ra
môi trường.
❖ Gas R12
Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời
cũ. Gas R12 bình thường có mùi hôi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gây
choáng và nhức đầu khi hít nhiều.
❖ Gas R134A
Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gas
R134A được tạo ra để thay thế cho gas R12. Loại gas này được sử dụng phổ biến cho
nhiều loại tủ lạnh dân dụng hiện nay.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
❖ Gas R404
Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông. Loại gas này được
thiết kế dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiệt độ sâu hơn đồng thời đảm bảo

tuổi thọ cho máy nén, các chi tiết và dầu bôi trơn cao hơn.
❖ Gas R600
Gas R600 được ứng dụng trong các dòng tủ lạnh cao cấp. Gas R600 là Gas
Hidrocacbon (HC gas) nhằm bảo vệ môi trường và an toàn với tầng ozon, tránh hiện
tượng biến đổi toàn cầu.
2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt
a. Khí đốt hóa lỏng (Liquefied Petrolium Gas - LPG)
LPG là khí không màu, không mùi (được thêm mùi để dễ phát hiện khi bị rò
rỉ), nhiệt độ ngọn lửa từ 1890ºC đến 1935ºC, nhẹ hơn nước nhưng nặng hơn không
khí, dễ cháy, không chứa chất độc nhưng có thể gây ngạt thở.
Khí đốt ( Petrolium gas) là sản phẩm phụ thu được trong quá trình chế biến
dầu, Khí đốt được hóa lỏng để tạo thành LPG. Thành phần hóa học chủ yếu gồm
propan, butan và một lượng nhỏ propylen, butylen và các khí khác.
b. Khí thiên nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas - LNG )
LNG là khí không màu, không mùi, không vị, không độc hại và không có tính
chất ăn mòn, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 2440oC

và nhẹ hơn không khí.

Khí thiên nhiên (Natural gas) được hóa lỏng ở -120ºC đến -170ºC (tùy vào tỷ
lệ thành phần hỗn hợp trong chất khí), giúp dễ dàng bảo quản và vận chuyển.
c. Khí nén thiên nhiên( Compressed Natural Gas - CNG)
CNG là khí không màu, không mùi, có nhiệt độ ngọn lửa khoảng 1950ºC và
nhẹ hơn không khí. Thành phần chủ yếu của CNG gồm các hydrocarbon, trong đó
metan có thể chiếm đến 95%, etan chiếm 5% đến 10% cùng một lượng nhỏ propan,
butan và các khí khác.
Thông thường, hương lưu huỳnh được thêm vào giúp dễ phát hiện khi bị rò rỉ.
Do nhẹ hơn không khí nên trong trường hợp rò rỉ, khí thiên nhiên (cả CNG và LNG)
không gây thiệt hại nghiêm trọng như xăng hoặc LPG.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas
Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảo quản.
Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên gas thoát ra thiết bị chứa rất khó phát
hiện, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùi bắp cải thối
để dễ phát hiện gas bị rò rỉ.
Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07
lần) nên khi thoát khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất và tạo
thành hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ.
Do nhiệt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900oC đến 1950oC) nên dễ
gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho việc chữa cháy
(vận tốc cháy lan của Butan là 0,38m/s của Propan là 0,46m/s)

Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
2.2.1 Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý không
có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng (thường
mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được. Sau đó các bộ phận xử lí trung tâm sẽ
thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnh
hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật, việc đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng
trong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại
lượng cần đo.
Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có 2 yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác đó là “Nhiệt độ môi trường cần đo” và “Nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”.
Điều đó nghĩa là việc truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn
thất càng ít thì cảm biến đo càng chính xác
2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ
Hiện nay cảm biến nhiệt độ được chia ra làm các loại sau:
• Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).
• Nhiệt điện trở ( RTD-resitance temperature detector ).
• Thermistor.
• Bán dẫn ( Diode, IC ,….).
• Ngoài ra còn có loại đo nhiệt không tiếp xúc ( hỏa kế- Pyrometer ).Dùng hồng
ngoại hay lazer.

2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN
2.3.1 Khái niệm
Tia lửa điện là quá trình phóng điện tự lực trong chất khí đặt giữa hai điện cực
khi điện trường đủ mạnh để biến phân tử khhis trung hòa thành ion dương và electron
tự do

Hình 2. 2: Tia lửa điện

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về