Đồ án tốt nghiệp: Hệ thống cảnh báo hoả hoạn và khí độc nguy hiểm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.15 MB, 127 trang )
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 07 tháng 07 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Trần Ngọc Lợi
MSSV: 14141178
Mai Thị Hòe
MSSV: 14141118
Chuyên ngành:
Điện tử Công nghiệp
Mã ngành:
41
Hệ đào tạo:
Đại học chính quy
Mã hệ:
1
Khóa:
2014
I. TÊN ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG CẢNH BÁO HỎA HOẠN VÀ KHÍ ĐỘC NGUY HIỂM
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
(ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,…)
Ba mạch Arduino nano, hai module cảm biến lửa, hai module cảm biến khói
MQ-2, hai module cảm biến chất lượng không khí MQ-135, hai cảm biến nhiệt
độ LM35, một module Sim900a và ba module thu phát sóng cao tầng nRF24l-01.
2. Nội dung thực hiện:
(ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan)
Thiết kế, xây dựng hệ thông cảnh báo hỏa hoạn và khi độc nguy hiểm gồm
hai tram xử lý và một trung tâm xử lý. Trạm sử lý có chức năng đo và kiểm tra
các thông sô môi trường và gửi các thông số này cho trung tâm xử lý. Trung tâm
i
xử lý sẽ hiển thị các thông số nhận được lên giao diện giám sát và gửi những
cảnh báo nếu có sự cố hỏa hoạn hoặc khí độc xảy ra.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
06/04/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/07/2018
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GV. HÀ A THỒI
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
iii
LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên - Trần Ngọc Lợi và Mai Thị Hòe cam đoan đây là công trình
nghiên cứu của bản thân nhóm sinh viên dưới sự hướng dẫn của Giảng viên Hà A
Thồi. Kết quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực và không sao
chép hoàn toàn từ bất kỳ công trình nào khác.
Tp.HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2018
SV thực hiện đồ án
(Ký và ghi rõ họ tên)
Trần Ngọc Lợi
iv
Mai Thị Hòe
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên cho phép nhóm sinh viên
được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Điện – Điện
Tử nói riêng, những người đã tận tình hướng dẫn, trang bị cho nhóm sinh viên
những kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành quan trọng, giúp nhóm
nhóm sinh viên có được cơ sở lý thuyết vững vàng và đã luôn tạo điều kiện giúp
đỡ tốt nhất cho nhóm sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Đặc biệt, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy Hà A Thồi đã tận tình
giúp đỡ, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số
vấn đề để nhóm sinh viên có thể thực hiện tốt đề tài. Trong thời gian làm việc với
thầy, nhóm sinh viên đã không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức được chỉ dạy
từ thầy, luôn thể hiện một thái độ nghiên cứu nghiêm túc, hiệu quả và đây cũng
là điều rất cần thiết trong quá trình học tập và làm việc sau này đối với nhóm sinh
viên.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, xong do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực
tế của nhóm nghiên cứu còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì
vậy, nhóm sinh viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô
giáo.
Xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Trần Ngọc Lợi
Mai Thị Hòe
v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................. iii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................v
MỤC LỤC. ................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH ................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................xiv
TÓM TẮT.................................................................................................. xv
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 ĐỀ TÀI ...............................................................................3
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................5
2.1
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ..................................................................5
2.1.1
Khái niệm..................................................................................5
2.1.2
Phân loại cảm biến nhiệt............................................................5
2.1.3
Chi tiết các loại cảm biến nhiệt ..................................................5
2.1.3.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouples) ..........................................5
2.1.3.2 Nhiệt điện trở (RTD) ...........................................................7
2.1.3.3 Nhiệt kế (Thermistor) ..........................................................9
2.1.3.4 Nhiệt kế bức xạ (còn gọi là hỏa kế- pyrometer). ................ 12
vi
2.2
CẢM BIẾN LỬA .......................................................................... 13
2.2.1 Khái niệm Lửa ............................................................................ 13
2.2.2
2.2
Cảm biến lửa ........................................................................... 13
CẢM BIẾN KHÓI ......................................................................... 15
2.3.1
Khái niệm Khói ....................................................................... 15
2.3.2
Cảm biến khói và phân loại ..................................................... 15
2.3.2.1 Đầu dò khói ION hóa......................................................... 16
2.3.2.2 Đầu dò khói quang điện ..................................................... 17
2.4
CẢM BIẾN KHÍ CO2 ................................................................... 17
2.4.1
Khí CO2 .................................................................................. 17
2.4.2
Cảm biến khí CO2 và phân loại ............................................... 18
2.5
ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 PHA ............................................................... 21
2.5.1
Cấu tạo của Động cơ điện 1 pha .............................................. 21
2.5.1.1 Phần tĩnh ........................................................................... 21
2.5.1.2 Phần quay .......................................................................... 22
2.5.2
2.6
Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 pha .......................... 22
BỘ THU PHÁT SÓNG CAO TẦN (RF) ....................................... 23
2.6.1
Sóng cao tần ( RF ).................................................................. 23
2.6.2
Bộ thu phát sóng cao tần (RF) ................................................ 25
2.7
ARDUINO .................................................................................... 26
2.7.1
Phần cứng ............................................................................... 27
2.7.2
Phần mềm ............................................................................... 28
2.7.3
Các loại Arduino ..................................................................... 29
2.7.3.1 Arduino uno R3 ................................................................. 29
2.7.3.2 Arduino nano ..................................................................... 30
vii
2.7.3.3 Arduino MEGA2560 R3 .................................................... 31
2.8
CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU NỐI TIẾP UART ........................... 33
2.8.1
Quá trình truyền dữ liệu UART ............................................... 34
2.8.2
Thông số chuẩn truyền UART ................................................. 35
Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .......................... 37
3.1
GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ..................................... 37
3.2
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG ................... 37
3.2.1
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................... 37
3.2.2
Tính toán và thiết kế mạch ...................................................... 39
3.2.2.1 Thiết kế khối phát hiện khói .............................................. 39
3.2.2.2 Thiết kế khối phát hiện lửa ................................................ 41
3.2.2.3 Thiết kế khối đo nhiệt độ ................................................... 44
3.2.2.4 Thiết kế khối phát hiện khí độc .......................................... 47
3.2.2.5 Thiết kế khối phát sóng cao tần (RF) ................................. 49
3.2.2.6 Thiết kế khối thu sóng cao tần ........................................... 53
3.2.2.7 Thiết kế khối báo động ...................................................... 53
3.2.2.8 Thiết kế khối xử lý............................................................. 56
3.2.2.9 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính .................................. 57
3.2.2.10 Thiết kế Trạm xử lý ......................................................... 59
3.2.2.11 Thiết kế Trung tâm xử lý ................................................. 61
3.2.2.12 Thiết kế khối nguồn ......................................................... 62
3.2.2.12.1 Trạm xử lý ................................................................ 62
3.2.2.12.2 Trung tâm xử lý ........................................................ 63
Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................... 63
4.1
GIỚI THIỆU.................................................................................. 63
viii
4.2
THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................... 63
4.2.1
Trạm xử lý .............................................................................. 63
4.2.1.1 Thi công phần cứng trạm xử lý .......................................... 63
4.2.1.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch trạm xử lý............................. 65
4.2.2
Trung tâm xử lý....................................................................... 66
4.2.2.1 Thi công bo mạch trung tâm xử lý ..................................... 66
4.2.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch trung tâm xử lý ..................... 68
4.3
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH........................................ 69
4.4
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG.............................................................. 70
4.4.1
Trạm xử lý .............................................................................. 70
4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................... 70
4.4.1.2 Lưu đồ chương trình con phân tích dữ liệu ........................ 72
4.4.1.3 Lưu đồ chương trình con hàm khởi tạo .............................. 73
4.4.2
Trung tâm xử lý....................................................................... 73
4.4.2.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................... 73
4.4.2.2 Lưu đồ chương trình con phân tích dữ liệu nhận được ....... 76
4.4.3
Giao diện giám sát ................................................................... 77
4.4.4
Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ...................................... 79
4.5
VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............ 84
4.5.1
Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ............................................... 84
4.5.2
Quy trình thao tác .................................................................... 86
Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU..................................................... 87
5.1
PHẦN CỨNG ................................................................................ 87
5.1.1
Trạm xử lý .............................................................................. 87
5.1.2
Trung tâm xử lý....................................................................... 88
ix
5.2
GIAO DIỆN PHẦN MỀM ............................................................. 88
5.3
HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ .............................................................. 89
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................. 91
6.1
KẾT LUẬN ................................................................................... 91
6.1.1
Ưu điểm .................................................................................. 91
6.1.2
Khuyết điểm ............................................................................ 91
6.2
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 93
PHỤ LỤC.. ................................................................................................ 94
x
DANH MỤC HÌNH
HÌNH 2. 1: CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLES). ............................................................................ 6
HÌNH 2. 2: CẤU TẠO CỦA THERMOCOUPLES. ................................................................................... 6
HÌNH 2. 3: ĐỒ THỊ QUAN HỆ ĐIỆN ÁP - NHIỆT ĐỘ CỦA MỘT SỐ CẶP NHIỆT ĐỘ PHỔ BIẾN. .. 7
HÌNH 2. 4: NHIỆT ĐIỆN TRỞ (RTD). ...................................................................................................... 8
HÌNH 2. 5: CẤU TẠO CỦA NHIỆT ĐIỆN TRỞ RTD. ............................................................................. 8
HÌNH 2. 6: ĐỒ THỊ THỂ HIỆN QUAN HỆ ĐIỆN TRỞ - NHIỆT ĐỘ CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
LOẠI RTD. ....................................................................................................................................... 9
HÌNH 2. 7: THERMISTORS. ...................................................................................................................... 9
HÌNH 2. 8: QUAN HỆ ĐIỆN TRỞ - NHIỆT ĐỘ CỦA CẢM BIẾN LOẠI THERMISTOR. .................. 10
HÌNH 2. 9: CẤU TẠO BÁN DẪN. ........................................................................................................... 11
HÌNH 2. 10: CẢM BIẾN LM35. ............................................................................................................... 11
HÌNH 2. 11: ĐỒ THỊ QUAN HỆ ĐIỆN ÁP - NHIỆT ĐỘ CỦA BIẾN TRỞ BÁN DẪN LM35. ............ 11
HÌNH 2. 12: NHIỆT KẾ BỨC XẠ. ........................................................................................................... 12
HÌNH 2. 13: CẢM BIẾN LỬA QRA2. ..................................................................................................... 14
HÌNH 2. 14: CẢM BIẾN LỬA QRI2B2. .................................................................................................. 14
HÌNH 2. 15: CẢM BIẾN LỬA 5 KÊNH................................................................................................... 14
HÌNH 2. 16: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN LỬA.................................................... 15
HÌNH 2. 17: SƠ ĐỒ MẠCH TỔNG QUÁT CỦA MỘT CẢM BIẾN LỬA CƠ BẢN. ............................ 15
HÌNH 2. 18: CẢM BIẾN KHÓI. ............................................................................................................... 16
HÌNH 2. 19: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA ĐẦU BÁO KHÓI DẠNG ION HOÁ. ...................................... 16
HÌNH 2. 20: CẤU TẠO CỦA ĐẦU BÁO KHÓI DẠNG QUANG ĐIỆN. .............................................. 17
HÌNH 2. 21: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MH-Z19. .......................................................................................... 18
HÌNH 2. 22: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MG811. ............................................................................................ 19
HÌNH 2. 23: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MG511- E360. ................................................................................. 20
HÌNH 2. 24: CẤU TẠO MOTOR ĐIỆN 1 PHA. ...................................................................................... 21
HÌNH 2. 25: SƠ ĐỒ MẠCH TẠO SÓNG CAO TẦN ĐƠN GIẢN.......................................................... 25
HÌNH 2. 26: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH THU SÓNG ĐƠN GIẢN. ................................................................ 26
HÌNH 2. 27: ARDUINO UNO R3. ............................................................................................................ 30
HÌNH 2. 28: ARDUINO NANO. .............................................................................................................. 31
HÌNH 2. 29: ARDUINO MEGA2560 R3. ................................................................................................. 32
HÌNH 2. 30: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA 1 FRAME DỮ LIỆU. ............................................................. 34
HÌNH 3. 1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY VÀ KHÍ ĐỘC NGUY HIỂM. .................. 38
HÌNH 3. 2: MODULE CẢM BIẾN MQ-2. ............................................................................................... 40
HÌNH 3. 3: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE MQ-2. ................................................................................. 40
HÌNH 3. 4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN KHÓI. ................................................................ 41
xi
HÌNH 3. 5: CẢM BIẾN LỬA FC13. ......................................................................................................... 41
HÌNH 3. 6: CẢM BIẾN BÁO LỬA RFD-3FT-I REZONTECH. ............................................................. 42
HÌNH 3. 7: CẢM BIẾN LỬA.................................................................................................................... 42
HÌNH 3. 8: MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA MODULE FLAME SENSOR. ................................................. 43
HÌNH 3. 9: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN LỬA. ................................................................. 43
HÌNH 3. 10: MODULE CẢM BIẾN DHT11. ........................................................................................... 44
HÌNH 3. 11: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ DS18B20. ............................................................................... 44
HÌNH 3. 12: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35. ........................................................................................... 45
HÌNH 3. 13: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ FAHERNHEIT SỬ DỤNG NGUỒN ĐƠN. ................................. 45
HÌNH 3. 14: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ FAHERNHEIT SỬ DỤNG NGUỒN ĐÔI. .................................. 46
HÌNH 3. 15: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI ĐO NHIỆT ĐỘ. .................................................................... 46
HÌNH 3. 16: MODULE CẢM BIẾN KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHI MQ-135. ................... 47
HÌNH 3. 17: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE CẢM BIẾN MQ 135. ....................................................... 47
HÌNH 3. 18: MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA CẢM BIẾN MQ-135. ............................................................. 48
HÌNH 3. 19: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN KHÍ ĐỘC. ....................................................... 48
HÌNH 3. 20: MODULE ZIBEE CORE2530. ............................................................................................ 49
HÌNH 3. 21: MODULE LORA SX1278. .................................................................................................. 49
HÌNH 3. 22: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MODULE NRF-24L01. ....................................................................... 50
HÌNH 3. 23: SƠ ĐỒ PHẦN CỨNG CỦA MODULE NRF-24L01. ......................................................... 50
HÌNH 3. 24: SƠ ĐỒ KẾT NỐI NRF-24L01 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN. ...................................................... 51
HÌNH 3. 25: HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA MODULE NRF-24L01. ........................................................ 51
HÌNH 3. 26: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MODULE NRF-24L01........................................................... 52
HÌNH 3. 27: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT SÓNG CAO TẦN. ..................................................... 52
HÌNH 3. 28: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI THU SÓNG CAO TẦN. ....................................................... 53
HÌNH 3. 29: CÒI BÁO ĐỘNG.................................................................................................................. 54
HÌNH 3. 30: MODULE SIM900A. ........................................................................................................... 54
HÌNH 3. 31: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI BÁO ĐỘNG. ......................................................................... 55
HÌNH 3. 32: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI XỬ LÝ. ................................................................................. 57
HÌNH 3. 33: MẠCH CHUYỂN USB UART CP2102. ............................................................................. 58
HÌNH 3. 34: DÂY CÁP NẠP ARDUINO NANO. ................................................................................... 58
HÌNH 3. 35: KIT ARDUINO NANO – CH340 TRONG THỰC TẾ. ....................................................... 59
HÌNH 3. 36: VỊ TRÍ CÁC CHÂN TRÊN MẠCH ARDUINO NANO. .................................................... 60
HÌNH 3. 37: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TRẠM XỬ LÝ. ............................................................................... 61
HÌNH 3. 38: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI TRUNG TÂM. ...................................................................... 62
HÌNH 3. 39: MODULE LM2596. ............................................................................................................. 63
HÌNH 3. 40: ADAPTER 12V-1A. ............................................................................................................. 63
HÌNH 4. 1: SƠ ĐỒ ĐI DÂY TRẠM XỬ LÝ. ........................................................................................... 63
HÌNH 4. 2: MẠCH IN TRẠM XỬ LÝ. .................................................................................................... 63
xii
HÌNH 4. 3: SƠ ĐỒ BỐ TRÍ MẠCH TRẠM XỬ LÝ. ............................................................................... 64
HÌNH 4. 4: HÌNH ẢNH MẠCH TRẠM XỬ LÝ TRONG THỰC TẾ. ..................................................... 64
HÌNH 4. 5: SƠ ĐỒ ĐI DÂY TRUNG TÂM XỬ LÝ. ............................................................................... 66
HÌNH 4. 6: MẠCH IN TRUNG TÂM XỬ LÝ. ........................................................................................ 66
HÌNH 4. 7: SƠ ĐỒ BỐ TRÍ LINH KIỆN CỦA TRUNG TÂM XỬ LÝ. ................................................. 67
HÌNH 4. 8: HÌNH ẢNH MẠCH TRUNG TÂM XỬ LÝ TRÊN THỰC TẾ. ............................................ 67
HÌNH 4. 9: SƠ ĐỒ KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG. ............................................................................... 69
HÌNH 4. 10: HÌNH ẢNH HỆ THỐNG SAU KHI HOÀN THIỆN. .......................................................... 70
HÌNH 4. 11: LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH CỦA TRẠM XỬ LÝ. .............................................. 71
HÌNH 4. 12: LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON SO SÁNH..................................................................... 72
HÌNH 4. 13: LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON HÀM KHỞI TẠO. ....................................................... 73
HÌNH 4. 14: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH TRUNG TÂM XỬ LÝ. ............................... 74
HÌNH 4. 15: LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON HÀM KHỞI TẠO. ....................................................... 75
HÌNH 4. 16: LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CON PHÂN TÍCH DỮ LIỆU NHẬN ĐƯỢC. ...................... 76
HÌNH 4. 17: LƯU ĐỒ GIAO DIỆN GIÁM SÁT. ..................................................................................... 78
HÌNH 4. 18: : FILE EXCEL LƯU TRỮ DỮ LIỆU NHẬN ĐƯỢC.......................................................... 79
HÌNH 4. 19: QUY TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ARDUINO. ....................................................................... 80
HÌNH 4. 20: : GIAO DIỆN LẬP TRÌNH ARDUINO. .............................................................................. 80
HÌNH 4. 21: GIAO DIỆN MENU ARDUINO IDE. ................................................................................. 80
HÌNH 4. 22: GIAO DIỆN FILE MENU ARDUINO IDE. ....................................................................... 81
HÌNH 4. 23: GIAO DIỆN EXAMPLES MENU ARDUINO IDE. ......................................................... 81
HÌNH 4. 24 GIAO DIỆN SKETCH MENU ARDUINO IDE. ................................................................ 82
HÌNH 4. 25: GIAO DIỆN EDIT MENU ARDUINO IDE. ....................................................................... 82
HÌNH 4. 26: GIAO DIỆN TOOL MENU ARDUINO IDE. ...................................................................... 83
HÌNH 4. 27: BOARD ARDUINO SỬ DỤNG. ......................................................................................... 83
HÌNH 4. 28: HIỂN THỊ BOARD VÀ SERIAL PORT ĐÃ KẾT NỐI. ..................................................... 84
HÌNH 4. 29: ARDUINO TOOLBAR. ....................................................................................................... 84
HÌNH 4. 30: QUY TRÌNH THAO TÁC HỆ THỐNG CẢNH BÁO HOẢN HOẠN VÀ KHÍ ĐỘC NGUY
HIỂM. .............................................................................................................................................. 86
HÌNH 5. 1: TRẠM XỬ LÝ........................................................................................................................ 87
HÌNH 5. 2: TRUNG TÂM XỬ LÝ............................................................................................................ 88
HÌNH 5. 3: MÀN HÌNH GIAO DIỆN GIÁM SÁT CỦA HỆ THỐNG. ................................................... 89
HÌNH 5. 4: HÌNH ẢNH LÀM VIỆC CỦA MÀN HÌNH GIÁM SÁT. ..................................................... 89
HÌNH 5. 5: SỰ CỐ QUÁ NHIỆT Ở TRẠM 2. .......................................................................................... 90
xiii
DANH MỤC BẢNG
BẢNG 2. 1: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CẢM BIẾN KHÍ GAS NDIR. ........................................... 18
BẢNG 2. 2: BẢNG PHÂN LOẠI CÁC SÓNG CAO TẦN (RF). ............................................................ 23
BẢNG 2. 3: BẢNG SO SÁNH CÁC LOẠI ARDUINO. .......................................................................... 33
BẢNG 4. 1: DANH SÁCH LINH KIỆN SỬ DỤNG TRÊN BO MẠCH TRẠM XỬ LÝ. ....................... 65
BẢNG 4. 2: DANH SÁCH LINH KIỆN SỬ DỤNG TRÊN BO MẠCH TRUNG TÂM XỬ LÝ. ........... 68
xiv
TÓM TẮT
Sau các sự cố hỏa hoạn trong thời gian gần đây điển hình là sự cố ở chung cư
Catina với thiệt hại vô cùng lớn về người và tài sản, thì vấn đề cảnh báo hỏa
hoạn, đảm bảo an toàn tính mạng con người là vấn đề đang dành được sự quan
tâm rất lớn.
Đã có nhiều đề tài về vấn đề tài này, nhưng có lẽ những hệ thống đã có chưa
đủ đáp ứng được yêu cầu này. Ở đề tài này nhóm sinh viên, đưa ra một giải pháp
mới, một hệ thống cảnh báo hỏa hoạn với nhiều trạm xử lý và một trung tâm xử
lý cho phép điều khiển và giám sát hệ thống. Với việc cơ động của trạm xử lý sẽ
giúp cho việc phát hiện hỏa hoạn nhanh chóng và chính xác hơn. Cùng với việc
phát hiện hỏa hoạn thì hệ thống còn được trang bị thêm các thiết bị phát hiện khí
độc nguy hại, nhằm đảm bảo tốt nhất cho sự an toàn của con người.
Ở đề tài này, như đã trình bày, hệ thống sẽ bao gồm nhiều trạm xử lý cơ động
và một trung tâm xử lý. Các trạm xử lý sẽ gửi tín hiệu, các thông số môi trường
về cho trung tâm xử lý, các thông số này sẽ được giám sát tại trung tâm. Nếu sự
cố xảy ra các trạm sẽ ngay lập tức gửi báo động về trung tâm và trung tâm sẽ
phát tín hiệu báo động chung, song song với đó các trạm sẽ xử lý sự cố một cách
độc lập không qua trung tâm nhằm đảm báo tính tức thời. Các trạm và trung tâm
sẽ giao tiếp không dây với nhau thông qua sóng cao tần để đảm bảo sự giao tiếp
được duy trì khi có sự cố xảy ra.
xv
TỔNG QUAN
Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, cùng với những hiểm hoạ có thể xảy ra với con người thì hoả hoạn
cũng là một trong những mối nguy hiểm mà con người cần đề phòng nhất. Hậu
quả mà nó gây ra cho chúng ta là rất lớn và khó có thể lường được. Do đó vấn đề
đặt ra ở đây là chúng ta cần cảnh giác cao về phòng cháy chữa cháy. Chúng ta
cần trang bị đầy đủ những phương tiện phòng cháy chữa cháy để kịp thời xử lý
khi có xự cố xảy ra. Bên cạnh đó là một hệ thống phát hiện và báo động kịp thời
cũng rất quan trọng. Chỉ có những hệ thống báo cháy, chữa cháy được thiết kế
đúng đắn, đầy đủ chức năng, ổn định và đạt tiêu chuẩn mới có thể đảm bảo cho
cao ốc, nhà xưởng, căn hộ của mình một cách chắc chắn khỏi những rủi ro do
hoả hoạn gây ra.
Vì vậy, “Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm” được thiết
kế dựa trên việc sử dụng hệ thống vi điều khiển cho việc điều khiển và giám sát
những trạng thái nhiệt độ, khí độc để phát hiện, phòng chống, cảnh báo và hạn
chế những thiệt hại về tài sản và tính mạng con người.
1.2 MỤC TIÊU
“Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm” sẽ phát hiện được
các dấu hiệu của sự cháy nổ, khí nguy hiểm và vị trí của nó sau đó cảnh báo cho
chúng ta kịp thời phòng tránh và đưa ra các phương án xử lý hiệu quả nhất. Đề
tài sử dụng vi điều khiển làm bộ xử lý trung tâm, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến
phát hiện khí độc giám sát trực tiếp, phát hiện ra dấu hiệu của hỏa hoạn và khí
độc. Cùng một số thiết bị đầu ra như âm thanh (chuông, còi), bằng tín hiệu phát
sáng (đèn), Module SIM nhận tín hiệu từ trung tâm sẽ gửi tin nhắn thông báo đến
người quản lý để kịp thời thông báo cho mọi người trong trường hợp có sự cố
hỏa hoạn hoặc khí độc xảy ra.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
1
TỔNG QUAN
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Ở đề tài “Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm” Nhóm
sinh viên tiến hành thực hiện nghiên cứu các nội dung như sau:
NỘI DUNG 1: Tìm hiểu các mô hình cảnh báo hiện có, những hạn chế của
nó. Từ đó lựa chọn giải pháp cho hệ thống.
NỘI DUNG 2: Thiết kế sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện phù hợp cho hệ
thống.
NỘI DUNG 3: Nghiên cứu phương pháp truyền nhận dữ liệu thông qua
sóng cao tần.
NỘI DUNG 4: Nghiên cứu vi điều khiển Atmega328 và board mở rộng
Arduino Nano.
NỘI DUNG 5: Nguyên cứu IDE – môi trường lập trình cho Arduino.
1.4 GIỚI HẠN
-
Sử dụng vi điều khiển làm trung tâm điều khiển.
-
Thiết bị đầu vào: nhận thông tin nơi xảy ra sự cháy và truyền tín hiệu đến
trung tâm báo cháy.
+ Cảm biến khói giám sát trực tiếp phát hiện ra dấu hiệu khói.
+ Cảm biến chất lượng không khí giám sát trực tiếp phát hiện ra dấu hiệu
của khí độc nguy hiểm.
+ Cảm biến nhiệt kiểm tra nhiệt độ của môi trường trong phạm vi được bảo
vệ, khi nhiệt độ của môi trường không thoả mãn những quy định thiết lập
ban đầu, thì nó sẽ phát tín hiệu báo động gửi về trung tâm xử lý.
+ Cảm biến lửa phát hiện tia cực tím phát ra từ ngọn lửa.
-
Thiết bị đầu ra: Nhận tín hiệu từ trung tâm báo cháy truyền đến.
+ Chuông báo cháy: Được lắp đặt tại trung tâm xử lý, có chức năng phát
tín hiệu báo động bằng âm thanh trong trường hợp có sự cố xảy ra, nhằm
thông báo cho những người xung quanh biết để có phương án xử lý, di
tản kịp thời.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
2
TỔNG QUAN
+ Đèn: tượng trưng cho các trạm xử lý, có chức năng báo động và giúp
người giám sát có thể xác định được vị trí xảy ra sự cố.
+ Module Sim được dùng để gửi tín hiệu thông báo bằng tin nhắn đến
người quản lý nhằm đảm bảo tính khẩn cấp.
+ Các biện pháp phòng chống được lắp sẵn gồm các đầu phun tự động, các
quạt thông gió.
1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Trong bài báo cáo này nhóm nghiên cứu đã cố gắng trình bày một cách thật
logic để người đọc có thể dễ dàng nắm rõ được kiến thức, phương thức cũng như
cách thức hoạt động của hệ thống. Bố cục của bài báo cáo được nhóm chia làm 6
chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, mục tiêu nghiên cứu, phạm vi và
bố cục của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này tập trung vào những lý thuyết liên
quan đến đề tài bao gồm kiến thức về các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong
hệ thống như các cảm biến, thiết bị ngoại vi, mạch điều khiển, cũng như phần
mềm và ngôn ngữ lập trình liên quan đến đề tài.
Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống. Chương này sẽ đi trình bày một
cách chi tiết về mô hình của hệ thống bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt
động của hệ thống. Tiếp đến là sẽ đi thiết kế hệ thống, nên chọn module nào để
đạt hiệu quả cao nhất cũng như sơ đồ kết nối giữa các module.
Chương 4: Thi công hệ thống. Dựa trên thiết kế hệ thống, tiến hành thi công
phần cứng và phần mềm cho hệ thống. Từ đó đưa ra quy trình vận hành của hệ
thống.
Chương 5: Kiểm tra và đánh giá kết quả thực hiện được. Chương này sẽ
trình bày kết quả thực hiện được đồng thời đưa ra những nhật xét và đánh giá với
lý thuyết đã trình bày ở Chương 2.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài. Chương này tóm lược lại
những điều đã làm được và những hạn chế đồng thời đưa là những đánh giá cho
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
3
TỔNG QUAN
hệ thống để từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hướng phát triển mới
cho đề tài.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
4
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
2.1.1 Khái niệm
Cảm biến nhiệt độ 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.
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.
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của
đại lượng cần đo.
2.1.2 Phân loại cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt độ được chia thành hai loại:
Cảm biến tiếp xúc
-
Cặp nhiệt điện (thermocouple)
-
Nhiệt điện trở
+ RTD
+ Thermistor
Cảm biến không tiếp xúc
-
Nhiệt kế hồng ngoại: đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại
được phát ra từ vật.
2.1.3 Chi tiết các loại cảm biến nhiệt
2.1.3.1
Cặp nhiệt điện (Thermocouples)
Thermocouples là một loại cảm biến nhiệt độ, hoạt động dựa trên hiệu ứng
Seebeck, được sử dụng nhiều trong công nghiệp, thí nghiệm phục vụ cho việc đo
lường.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
5
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2. 1: Cặp nhiệt điện (Thermocouples).
-
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.
-
Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV).
-
Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
-
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
-
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén…
-
Tầm đo: -250 ~ 1800oC
Hình 2. 2: Cấu tạo của thermocouples.
Khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện cần chú ý tới những điểm sau đây:
-
Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi
dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều).
-
Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên
đường dây. Giá trị bù nhiệt lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và
môi trường lắp đặt.
-
Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo.
-
Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2. 3: Đồ thị quan hệ điện áp - nhiệt độ của một số cặp nhiệt độ phổ biến.
Công thức tính:
V = S *ΔT
(2.1)
Trong đó:
V: điện áp đo được (V)
S: hệ số seebeck (v/℃)
ΔT: sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối nối
2.1.3.2
Nhiệt điện trở (RTD)
Nhiệt điện trở (Resistance Temperature Detector) là một loại thiết bị được sử
dụng để đo nhiệt độ. Nhiệt điện trở thông thường bao gồm một miếng kim loại
rất nhỏ mà điện trở của nó thay đổi theo một quy luật được biết trước khi nhiệt
độ thay đổi. Nhiệt điện trở có giá thành và độ chính xác cao hơn so với cặp nhiệt
điện. Chúng có thể được sử dụng ở hầu hết các vị trí mà cặp nhiệt điện được sử
dụng. Platinum là kim loại phổ biến nhất được dùng để chế tạo Nhiệt điện trở bởi
vì điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ rất tuyến tính.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
7
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2. 4: Nhiệt điện trở (RTD).
-
Cấu tạo: gồm có dây kim loại làm từ Đồng, Niken, Platinum… được quấn
theo hình dáng của đầu đo.
-
Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa 2 đầu dây kim loại này sẽ thay
đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất
định.
-
Ưu điểm: Độ chính xác cao hơn cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây
không hạn chế.
-
Khuyết điểm: Dải đo bé hơn cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn cặp nhiệt điện.
-
Thường dùng: Trong các nghành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường
hay gia công vật liệu, hóa chất…
-
Tầm đo: -200 – 7000C
Hình 2. 5: Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
8
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Hình 2. 6: Đồ thị thể hiện quan hệ điện trở - nhiệt độ của cảm biến nhiệt độ loại RTD.
2.1.3.3
Nhiệt kế (Thermistor)
Nhiệt kế thông thường được sử dụng cho các mục đích chống quá tải. Mặc
dù không có độ chính xác cao như một số các giải pháp cảm biến nhiệt độ khác,
nhưng thermistors lại có giá thành khá rẻ. Chúng không tuyến tính và đòi hỏi
phải có một bảng tra cứu sự bù nhiệt nhiệt độ khi sử dụng.
Hình 2. 7: Thermistors.
-
Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxit kim loại: mangan, niken, cobalt…
-
Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.
-
Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.
-
Khuyết điểm: Dải tuyến tính hẹp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
9
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
-
Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch
điện tử.
-
Tầm đo: -100 °C đến + 150 °C
-
Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện
tử.
-
Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ;
Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại
NTC.
Hình 2. 8: Quan hệ điện trở - nhiệt độ của cảm biến loại Thermistor.
-
Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
-
Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
-
Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn
giản.
-
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
-
Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.
-
Tầm đo: -50 <150 °C.
-
Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các
mạch điện tử.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP- Y SINH
10
