Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống giám sát và báo động khí gas

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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG
KHÍ GAS
GVHD:

Hà A Thồi

SVTH:

Đoàn Thanh Đủ

MSSV:

14141068

Tp. Hồ Chí Minh – 07/2018
i


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –
Y SINH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ

MSSV: 14141068

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông

Mã ngành: 41

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa: 2014

Lớp: 1414DT2

I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Hệ thống giám sát và báo động khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu
như sau:
- Hệ thống thu thập dữ liệu về nồng độ khí gas theo giá trị % để giám sát nồng
độ khí gas có ở trong không khí.
- Hiển thị giá trị thu thập được trên LCD và trên trang web Thingspeak.com

để theo dõi tình trạng nồng độ khí gas trong không khí.
- Nếu phát hiện nồng độ khí gas trong không khí tăng lên, có rò rỉ khí gas nguy
hiểm sẽ báo động thông qua còi báo động, tin nhắn sms và gọi điện.

2. Nội dung thực hiện
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.

- Thiết kế và thi công mạch nguồn.
- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu
lên web, khối báo động qua tin nhắn, khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF.

- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm.
- Viết code cho Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.
- Viết code cho ESP8266 NodeMCU.
- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên.
ii


- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch.
- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Cân chỉnh hệ thống.
- Viết luận văn.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/3/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/6/2018
V. HỌ VÀ TÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Hà A Thồi

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP

iii


TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –
Y SINH
Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ
Lớp: 1414DT2C

MSSV:14141068

Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS
Tuần/ngày

Nội dung

Tuần 1
(19/3 –25/3)

- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,

tiến hành chọn đồ án.
- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.

Tuần 2
(26/3 – 1/4)

- Viết đề cương
- Viết lịch trình làm đề tài.

Tuần 3
(2/4 – 8/4)

-Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài:
Cảm biến khí gas MQ2, Arduino Uno R3, Arduino
Mega 2560, ESP8266 NodeMCU, LCD 16x2,
Module NRF24L01 thu phát sóng vô tuyến,
Module Sim 900a mini.

Tuần 4
(9/4 – 15/4)

- Tìm hiểu về giao tiếp giữa cảm biến, các module
và thiết bị cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển
thứ cấp.

Tuần 5
(16/4 – 22/4)

- Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị
cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển trung tâm.

- Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng
các khối.
- Tính toán thiết kế khối nguồn.

Tuần 6
(23/4 – 29/4)

- Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn
mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch.
- Vẽ PCB.

Tuần 7
(30/4 – 6/5)

- Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công
mạch

Xác nhận
GVHD

iv


Tuần 8
(7/5 – 13/5)

- Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công
mạch

Tuần 9

(14/5 –20/5)

- Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công
mạch

Tuần 10
(21/5 – 27/5)

- Kiểm tra mạch thi công.
- Viết báo cáo những nội dung đã làm.

Tuần 11
(28/5 – 3/6)

- 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.

Tuần 12
(4/6 – 10/6)

- Làm slide (6-10 slide), báo cáo với GVHD.

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này nhóm chúng tôi thực hiện dựa trên sách vở và nghiên cứu từ tài liệu
online để hoàn thiện đề tài, không sao chép từ bất cứ công trình nào đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Đoàn Thanh Đủ

vi


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hà A Thồi đã trực tiếp hướng dẫn,
góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng
em hoàn thành tốt đề tài.
Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã
tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 1414DT2 đã chia sẻ trao đổi kiến
thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn thành
tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Đoàn Thanh Đủ

vii


MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Trang phụ bìa ...............................................................................................................i
Nhiệm vụ đồ án ...........................................................................................................ii
Lịch trình ....................................................................................................................iv
Lời cam đoan ..............................................................................................................vi
Lời cảm ơn ................................................................................................................vii
Mục lục .................................................................................................................... viii
Liệt kê hình ảnh ..........................................................................................................xi
Liệt kê bảng ............................................................................................................... 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 ...................................................................................................... 4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG ............................................................................. 4
2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm ............................................................................. 4
2.2.2 LCD 16x2 ................................................................................................. 11
2.2.3 Module cảm biến khí MQ-2 ..................................................................... 15
2.2.4 Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU ................................................................. 17
2.2.5 Module thu phát sóng RF ......................................................................... 21
2.2.6 Module Sim900A mini ............................................................................. 25
2.2.7 Module Relay 1 kênh 5V .......................................................................... 29
2.2.8 Còi báo động 12V ..................................................................................... 31
2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU................................................................ 32
2.3.1 Giao tiếp Serial – UART .......................................................................... 32
viii

2.3.2 Chuẩn truyền thông SPI............................................................................ 33
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 34
3.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 34
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG..................................................... 34
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 34
3.2.2 Tính toán và thiết kế ................................................................................. 35
3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống .................................................................. 43
3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 46
3.3.1 Lưu đồ giải thuật....................................................................................... 46
3.3.2 Phần mềm lập trình ................................................................................... 55
3.3.3 Trang Web ThingSpeak.com .................................................................... 64
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................... 67
4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 67
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................. 67
4.2.1 Thi công board mạch ................................................................................ 67
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ................................................................................... 70
4.2.3 Thi công hộp bảo vệ ................................................................................. 71
4.2.4 Tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác ........................................................ 74
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................ 75
5.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................... 75
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .................................................................................. 75
5.2.1 Sử dụng cảm biến ..................................................................................... 75
5.2.2 Sử dụng Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3 ...................................... 75
5.2.3 Đưa dữ liệu lên web Thingspeak.com dùng ESP8266 NodeMCU .......... 76
5.2.4 Truyền nhận thông tin qua lại dùng sóng vô tuyến (RF).......................... 76
5.2.5 Sử dụng module Sim thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn ........................ 76
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................................... 77
5.3.1 Hình ảnh hệ thống khi hoàn thành và đang hoạt động ............................. 77
5.3.2 Tình trạng hệ thống khi không có khí gas rò rỉ ........................................ 78

5.3.3 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1 ....................................... 80
5.3.4 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 2 ....................................... 83
5.3.5 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1 và 2 ............................... 86
5.4 NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ............................................................................... 88
ix


5.4.1 Nhận xét .................................................................................................... 88
5.4.2 Đánh giá .................................................................................................... 89
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN .......................................... 90
6.1 KẾT LUẬN...................................................................................................... 90
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................................. 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 91
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 92

x


LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình

Trang

Chương 2
Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 ............................................................... 5
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3 .................................................... 6
Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3 ......................................... 7
Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560 R3.............................. 7
Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino ............................................. 9
Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino ....................................................... 9

Hình 2.7 Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino ............................................... 10
Hình 2.8 Mô hình xe robot dò đường sử dụng Arduino ........................................... 10
Hình 2.9 Hình dáng của loại LCD 16x2 ................................................................... 11
Hình 2.10 Sơ đồ chân của LCD 16x2 ....................................................................... 11
Hình 2.11 Hình ảnh thực tế cảm biến khí MQ-2....................................................... 15
Hình 2.12 Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 .................................. 17
Hình 2.13 Mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266 ..................................................... 18
Hình 2.14 Sơ đồ chân kit Wifi ESP8266 NodeMCU................................................ 21
Hình 2.15 Module thu phát sóng RF nRF24L01 ...................................................... 22
Hình 2.16 Kích thước và vị trí các chân của module nRF24L01 ............................. 22
Hình 2.17 Sơ đồ chân nRF24L01 cho 1 khối QDN20 4x4 ....................................... 23
Hình 2.18 Sim900A .................................................................................................. 25
Hình 2.19 Phần giao tiếp simcard ............................................................................. 26
Hình 2.20 Mạch kiểm tra trạng thái kết nối của sim900A ........................................ 27
Hình 2.21 Module GSM GPRS Sim 900A Mini ...................................................... 29
Hình 2.22 Module relay 1 kênh 5V ........................................................................... 30
Hình 2.23 Còi báo động 12V .................................................................................... 31
Hình 2.24 Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 VDK và VDK với PC ............................... 32
Chương 3
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................... 34
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến MQ-2 với Arduino UNO ...................................... 36
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với LCD ....................................................... 36
xi


Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với LCD .................................................... 37
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Relay và loa ........................................... 37
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với Relay và loa ........................................ 38
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 với ESP8266 MCU ............................. 38
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với module thu phát sóng nRF24L01 .......... 39

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module thu phát sóng nRF24L01 ....... 39
Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module Sim900A mini. .................... 40
Hình 3.11 Mạch nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp ......................................... 42
Hình 3.12 Mạch nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm...................................... 42
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khố xử lý thứ cấp .......................................................... 43
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm...................................................... 44
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ...................................................................... 44
Hình 3.16 Lưu đồ chương trình chính trung tâm ...................................................... 46
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình khu vực 1................................................................ 48
Hình 3.18 Lưu đồ chương trình khu vực 2................................................................ 49
Hình 3.19 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1 ............................ 50
Hình 3.20 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2 ............................ 51
Hình 3.21 Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD.................................................... 51
Hình 3.22 Lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm ......................................... 52
Hình 3.23 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 1 .................................................. 53
Hình 3.24 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 2 .................................................. 54
Hình 3.25 Lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm............................. 54
Hình 3.26 Lưu đồ chương trình con gọi điện thoại báo nguy hiểm .......................... 55
Hình 3.27 Nhấp vào Windows Zip file for non admin install. ................................. 56
Hình 3.28 Nhấp vào JUST OWNLO để tải phần mềm. ............................................ 57
Hình 3.29 Chọn nơi lưu file và bấm Start Download. .............................................. 57
Hình 3.30 Giải nén file vừa tải. ................................................................................. 57
Hình 3.31 Giao diện của Arduino IDE. .................................................................... 58
Hình 3.32 Chạy file exe, sau đó nhấn Next. ............................................................. 59
Hình 3.33 Nhấn Install khi có yêu cầu xác nhận. ..................................................... 59
Hình 3.34 Quá trình cài đặt diễn ra. .......................................................................... 60
Hình 3.35 Nhấn Finish để kết thúc quá trình cài đặt................................................. 60
Hình 3.36 Vị trí các chức năng cơ bản ...................................................................... 61
xii

Hình 3.37 Mở ví dụ trong Arduino IDE ................................................................... 62
Hình 3.38 Chọn Board để kết nối board thực tế với phần mềm ............................... 63
Hình 3.39 Chọn cỗng COM board thực tế liên kết với máy tính .............................. 64
Hình 3.40 Đăng ký một tài khoản miễn phí .............................................................. 65
Hình 3.41 Tạo Data Channel ..................................................................................... 65
Hình 3.42 Lấy URL cần thiết để upload dữ liệu ....................................................... 66
Hình 3.43 Xem các dữ liệu này trong channel .......................................................... 66
Chương 4
Hình 4.1 Mạch PCB bộ xử lí trung tâm .................................................................... 68
Hình 4.2 Mạch PCB trạm thu khu vực 1 và 2 ........................................................... 68
Hình 4.3 Hình ảnh thực tế mạch trung tâm mặt trên khi hoàn thành ........................ 70
Hình 4.4 Hình ảnh thực tế mạch trung tâm mặt dưới khi hoàn thành....................... 70
Hình 4.5 Hình ảnh thực tế mạch khu vực 1 và 2 mặt trên khi hoàn thành ............... 71
Hình 4.6 Hình ảnh thực tế mạch khu vực 1 và 2 mặt trên khi hoàn thành ............... 71
Hình 4.7 Tấm PVC Foam.......................................................................................... 72
Hình 4.8 Bên ngoài hộp bảo vệ ................................................................................. 73
Hình 4.9 Bên trong hộp bảo vệ ................................................................................. 73
Chương 5
Hình 5.1 Trạm thu Khu Vực 1 đang hoạt động......................................................... 77
Hình 5.2 Trạm thu Khu Vực 2 đang hoạt động......................................................... 77
Hình 5.3 Bộ xứ lí trung tâm đang hoạt động ............................................................ 78
Hình 5.4 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 1 khi chưa có rò rỉ khí gas .................. 78
Hình 5.5 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 2 khi chưa có rò rỉ khí gas .................. 79
Hình 5.6 Bộ xử lí trung tâm khi chưa có rò rỉ khí gas .............................................. 79
Hình 5.7 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi không rò rỉ ................................... 80
Hình 5.8 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 2 khi không rò rỉ ................................... 80
Hình 5.9 LCD của trạm thu 1 khi khu vực 1 rò rỉ ..................................................... 81
Hình 5.10 LCD của trạm thu 2 khi khu vực 1 rò rỉ ................................................... 81
Hình 5.11 LCD của bộ xử lí trung tâm khi khu vực 1 rò rỉ ...................................... 81

Hình 5.12 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi khu vực 1 rò rỉ ........................... 82
Hình 5.13 Cuộc gọi đến khi khu vực 1 rò rỉ.............................................................. 82
Hình 5.14 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 1 rò rỉ ..................................................... 83
Hình 5.15 LCD trạm thu 1 khi khu vực 2 rò rỉ ......................................................... 83
xiii


Hình 5.16 LCD trạm thu 2 khi khu vực 2 rò rỉ ......................................................... 84
Hình 5.17 LCD bộ xử lí trung tâm khi khu vực 2 rò rỉ ............................................. 84
Hình 5.18 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 2 khi khu vực 2 rò rỉ ........................... 84
Hình 5.19 Cuộc gọi đến khi khu vực 2 rò rỉ.............................................................. 85
Hình 5.20 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 2 rò rỉ ..................................................... 85
Hình 5.21 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 1 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ ................. 86
Hình 5.22 LCD trạm thu 2 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ.................................................. 86
Hình 5.23 LCD bộ xử lí trung tâm khi khu vực 1 và 2 rò rỉ ..................................... 86
Hình 5.24 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ ................... 87
Hình 5.25 Cuộc gọi đến khi khu vực 1 và 2 rò rỉ ...................................................... 87
Hình 5.26 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 1 và 2 rò rỉ ............................................. 88

xiv


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Chương 2
Bảng 2.1 Chức năng các chân của LCD ................................................................... 12
Bảng 2.2 Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng ................................. 14

Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cảm biến MQ-2 ............................................................ 16
Bảng 2.4 Chế độ boot up của ESP và cấu hình chân GPIO tương ứng .................... 19
Bảng 2.5 Các chế độ chính của nRF24L01 ............................................................... 24
Bảng 2.6 Trạng thái của đèn ..................................................................................... 27
Chương 3
Bảng 3.1 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí thứ cấp .................... 40
Bảng 3.2 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí trung tâm. ................ 41
Bảng 3.3 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí thứ cấp. ....................... 41
Bảng 3.4 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí trung tâm. ................... 41
Chương 4
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện sử dụng ............................................................... 69

xv


TÓM TẮT
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ với những
ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới chúng ta đã và đang ngày một thay
đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt
những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là
những yếu tố rất cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Một trong
những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển thiết bị,
giám sát môi trường từ xa. Chính những điều đó đã góp phần rất lớn giúp con người
có những thiết bị ngày một thông minh và cảnh báo con người tránh được các nguy
hiểm không phát hiện xử lí kịp thời.
Nhìn chung, đề tài giám sát và báo động khí gas được các sinh viên thực hiện ở
các đồ án môn học xoay quanh các nội dung như: Thu thập giá trị cảm biến và báo
động bằng chuông và sms. Và nó chỉ có duy nhất 1 board mạch được sử dụng để đảm
nhận xử lí mọi việc. Do đó, việc thiết kế và thi công một mô hình “Hệ thống giám sát
và báo động khí gas” là một nhu cầu hết sức cần thiết và đây chính là lý do mà nhóm

nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Đề tài này không những là một thực tại khách
quan mà nó còn đóng vai trò đặc biệt quan trọng thực sự hiện tại cũng như trong
tương lai sau này.
Nội dung chính đề tài
• Sử dụng Arduino Mega 2560 làm vi điều khiển cho bộ xử lí trung tâm.
• Sử dụng Arduino Uno R3 làm vi điều khiển cho bộ xử lí thứ cấp.
• Dùng kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU đưa dữ liệu lên web.
• Giám sát giá trị cảm biến ở các khu vực qua biểu đồ trên web thingspeak.com
• Cảnh báo từ xa thông qua cuộc gọi và tin nhắn sms.

xvi


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay có lẽ khí gas chắc không còn xa lạ với mọi nhà bởi nó rất hữu ích giúp
ta ở hầu hết mọi hoạt động từ nấu nướng ở gia đình đến áp dụng nhiều trong các dây
chuyền sản xuất trong công nghiệp…Nhưng khi sử dụng nó cũng tồn tại các mối nguy
hiểm như: có rò rỉ ta không phát hiện kịp thời mà tiếp xúc và vô tình ngửi phải sẽ ảnh
hưởng lớn đến sức khỏe, tín mạng. Thậm chí, khi có tia lửa trong vùng không gian
tồn tại khí gas sẽ gây ra cháy nổ.
Chính vì tồn tại những rủi ro hết sức nguy hiểm đó nên nhóm chúng em đã chọn
và nghiên cứu một giải pháp đề phòng tránh đó là “Hệ thống giám sát và báo động
khí gas” thông minh. Hệ thống sẽ gồm nhiều bộ sử dụng cảm biến khí gas và đặt ở
các vị trí có nguy cơ rò rỉ để thu thập tình trạng rò rỉ khí gas ở nơi đó. Khi có nguy
hiểm sẽ gửi tín hiệu bằng sóng vô tuyến về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung tâm
điều khiển gửi tín nhắn, gọi điện đến chủ nhà hay phòng bảo vệ để báo động có rò rỉ
khí gas và cụ thể là nơi nào. Nhờ đó họ sẽ có biện pháp xử lí kịp thời. Bên cạnh đó,

hệ thống còi báo động trong toàn hệ thống cũng sẽ báo động và hiển thị thông tin nơi
rò rỉ lên màn hình LCD để mọi đang có ý định đi đến hoặc đi ngang khu vực nguy
hiểm đó tránh xa. Không dừng lại ở đó hệ thống còn được kết nối với internet và đưa
dữ liệu liệu lên web giúp ta có thể giám sát từ xa.

1.2 MỤC TIÊU
- Thu thập dữ liệu nồng độ khí gas hiển thị lên LCD.
- Khi một khu vực trong hệ thống gặp nguy hiểm, cả hệ thống đều báo động
và nhận biết được đó là khu vực nào để hiển thị lên LCD.
- Kết nối wi-fi cho hệ thống và đưa dữ liệu lên web thingspeak.com.
- Điều khiển mở loa báo động khi phát hiện rò rỉ khí gas nguy hiểm.
- Báo nguy hiểm thông qua gọi điện và tin nhắn điện thoại.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.
- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu
lên web, khối báo động qua tin nhắn, khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF.
- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm.
- Thiết kế và thi công mạch nguồn.
- Viết code cho Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.
- Viết code cho ESP8266 NodeMCU.
- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên.

- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch.
- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Cân chỉnh hệ thống.
- Viết sách luận văn.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.

1.4 GIỚI HẠN
- Số lượng trạm thu cảm biến: 2.
- Hệ thống chỉ ở mức độ giám sát và cảnh báo từ xa.
- Chưa kiểm tra giá trị cảm biến offline bằng điện thoại được.
- Sử dụng module sim900A mini gọi điện và gửi tin nhắn cho 1 thuê bao lập
trình trước.
- Giám sát dữ liệu từ xa qua biểu đồ được thingspeak.com vẽ sẵn ở những nơi
có kết nối internet hoặc 3G, 4G.
- Đề tài được thiết kế hộp bảo vệ với chất liệu: bìa cứng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

1.5 BỐ CỤC
Với đề tài: “Hệ thống giám sát và báo động khí gas” thì bố cục đồ án như sau:
• Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề
tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài.

• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển, các chuẩn
giao tiếp trong quá trình truyền – nhận dữ liệu.
• Chương 3: Tính Toàn Thiết Kế.
Chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các
board mạnh của hệ thống: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều điều khiển thứ cấp,
mạch nguồn cung cấp điện áp – dòng điện cho từng bộ xử lí trong hệ thống.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Chương này trình bày về sơ đồ mạch in PCB, cách lập trình, cách kiểm tra các
mạch của toàn bộ hệ thống. Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế, cũng như kết quả mà hệ
thống có tính đến thời điểm hiện tại.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kiến thức, cũng như kỹ năng mà nhóm được sau
khi thực hiện đề tài như: sử dụng các cảm biến, truyền – nhận thông tin qua wifi hay
sóng RF, điều khiển các thiết bị bằng board Arduino Mega 2560, board Arduino Uno
R3 và đưa dữ liệu lên web dùng ESP8266 NodeMCU.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng
phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống
hiện đại như ngày nay.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU

Trong chương này là các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng
để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
- Thiết bị đầu vào: Module cảm biến khí MQ-2.
- Thiết bị đầu ra: LCD 16x2, Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU, Còi báo động
12V, Relay 5V.
- Thiết bị vừa là thiết bị đầu vào vừa là thiết bị đầu ra: Module Sim900a mini,
Module thu phát sóng RF nRF24L01.
- Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560.
- Chuẩn truyền thông: SPI, UART.
- Thiết bị giám sát: Laptop, điện thoại có kết nối internet.

2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm
Trên thị trường có rất nhiều vi điều khiển để xử lý hệ thống như: vi điều khiển
hãng Microchip (tiêu biểu PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng ATMEL
(AT89C52), RASPBERRY PI, ARDUINO.
Với đề tài này nhóm đang thực hiện chúng em lựa chọn bộ điều khiển trung tâm
là Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3.
❖ Giới thiệu về Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một board điều khiển phù hợp nhất cho những người mới
bắt đầu sử dụng vi xử lí ATmega328. Nó có 14 đầu vào / đầu ra số (trong đó 6 chân
có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, một thạch anh thạch anh
16 MHz, một kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nút reset. Nó
chứa mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ đơn giản kết nối nó với một máy
tính bằng cáp USB hoặc sử dụng nó với một bộ chuyển đổi AC sang DC hoặc pin để
bắt đầu. Bạn có thể làm việc với UNO mà không phải lo lắng quá nhiều về việc làm
sai, kịch bản xấu nhất bạn có thể gặp là thay thế chip với một vài đô la và bắt đầu lại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3
❖ Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3
▪ Vi xử lý: Atmega328
▪ Điện áp hoạt động: 5V
▪ Điện áp đầu vào: 7-12V
▪ Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V
▪ Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM)
▪ Chân vào tương tự: 6
▪ Chân I/O số PWM: 6
▪ Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA
▪ Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
▪ Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi
động.
▪ SRAM: 2 KB (ATmega328)
▪ EEPROM: 1 KB (ATmega328)
▪ Xung nhịp: 16MHz
❖ Giới thiệu Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 R3 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng
board mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16
chân analog IO). Đặc biệt bộ nhớ flash của MEGA được tăng lên một cách đáng kể,
gấp 4 lần so với những phiên bản cũ của UNO R3. Điều này cùng với việc trang bị 3

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 5

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

timer và 6 cổng interrupt khiến board mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được
nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều
luồng dữ liệu số cũng như tương tự.
Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý. Trên
mạch MEGA các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương tự
thiết kế của UNO. Do vậy chúng ta dễ dàng phát triển nghiên cứu theo kiểu gắp ghép
module từ Arduino UNO bê sang Arduino Mega.

Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3
❖ Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
▪ Vi xử lý: ATmega2560
▪ Điện áp hoạt động: 5V
▪ Điện áp đầu vào (được đề nghị): 7-12V
▪ Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V
▪ Số lượng chân I/O: 54 chân (trong đó có 15 chân PWM)
▪ Số lượng chân Input Analog: 16
▪ Dòng điện DC mỗi I/O: 20 mA
▪ Dòng điện DC với chân 3.3V: 50 mA
▪ Bộ nhớ Flash: 256KB trong đó có 8KB sử dụng cho trình nạp khởi động.
▪ SRAM: 8KB
▪ EEPROM: 4KB
▪ Xung nhịp: 16 MHz

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 6

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

❖ Các thành phần chức năng chính của Arduino Uno R3, Mega2560

Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3

Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560
USB Connector:
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB chúng
ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn
cho Arduino.
Power Jack:
Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài
thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và
GND để cấp nguồn cho Arduino.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 7


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Board mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 12 volt. Chúng ta có
thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt. Và nếu
sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng board mạch.
Khuyết cáo nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt.
Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ

nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: không được cấp nguồn vào các
chân này vì sẽ làm hỏng Arduino.
GND: chân mass.
Chip ATmega328, Chip ATmega2560:
Chip ATmega328 có 32KB bộ nhớ flash trong đó 0.5 KB sử dụng cho trình nạp
khởi động.
Chip ATmega2560 có 256KB bộ nhớ flash trong đó 8KB sử dụng cho trình nạp
khởi động
Digital I/O pins:
Arduino UNO có 14 chân digital, Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với
chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và
digitalRead() để điều khiển các chân.
Cũng trên 14 chân digital của Uno và 54 chân digital của Mega này chúng ta
còn một số chân chức năng đó là: Serial: 0 và 1. Dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx)
dữ liệu nối tiếp TTL. Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một
số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp.
PWM (pulse width modulation): 6 chân PWM trên board mạch Uno và 16 chân
PWM trên board mạch Mega. Các chân PWM giúp chúng ta có thể sử dụng nó để
điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn…
Reset button: Dùng để reset Arduino.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 8


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

❖ Một số ứng dụng cơ bản của Arduino
Trong công nghiệp

Arduino là trung tâm của bộ xử lí nên được dùng làm bộ nhớ trung tâm trong
các hệ thống điều khiển tự động như băng chuyền, hệ thống đếm hàng, hệ thống tự
động đóng chai trong các nhà máy nước ngọt….

Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino
Nhỏ gọn, đơn giản nhưng nhiều Arduino có thể kết hợp lại với nhau tạo nên
nhưng hệ thống lớn như nhà máy điện mặt trời, các robot công nghiệp…

Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino
Trong dân dụng
Arduino được biết đến như là một thiết bị nhỏ gọn, rẻ và dễ dàng tương tác nên
được sử dụng rất nhiều trong dân dụng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 9