Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo cháy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

621

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH
BÁO CHÁY

GV hướng dẫn

:

ThS. Lê Văn Chương

SV thực hiện

:

Nguyễn Thái Bảo

Lớp

:

51K2 - ĐTVT

Khóa học

:

2010 - 2015

NGHỆ AN - 05/2015
1


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn ThS. Lê Văn Chương đã trực tiếp hướng dẫn tận tình,
giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
giáo trong khoa Điện tử Viễn thông trường Đại học Vinh đã giảng dạy em trong suốt
những năm học qua. Do còn nhiều hạn chế về kiến thức và thời gian nên còn nhiều
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự góp ý từ q thầy cơ và bạn bè để đồ án được
hồn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn.

2


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án nghiên cứu các yêu cầu cần thiết của một hệ thống báo cháy tự động và
PIC 16F877A đã được chúng tôi sử dụng để điều khiển hệ thống báo cháy tự động.
Hoạt động ổn định, đảm bảo độ chính xác và có nhiều ứng dụng trong thực tế.

ABSTRACT
The thesis research essential requirements of a fire alarm system and PIC
16F877A were we using to control the fire alarm system. Stable performance, ensuring
accuracy and has many applications in practice.

3


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................2
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ..........................................................................................................3
MỤC LỤC .......................................................................................................................4
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................6
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................7
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................8
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................9
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG ...........................................11
1.1 Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động................................................................ 11
1.2 Khái quát nhiệm vụ của hệ thống báo cháy tự động ...............................................12
1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động.......................................................................12
1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động ..............................................15
1.4.1 Nguyên lý làm việc ...............................................................................................15
1.4.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động .......................................................16
1.5. Cảm biến báo cháy .................................................................................................17
1.5.1 Nhiệm vụ của cảm biến báo cháy .........................................................................17
1.5.2 Phân loại cảm biến báo cháy ................................................................................17
1.5.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc của cảm biến báo cháy .............................................18
CHƯƠNG 2
VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG BÁO
CHÁY TỰ ĐỘNG .........................................................................................................19
2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC .............................................................................19
2.1.1 Kiến trúc PIC ........................................................................................................20
2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC...............................................21

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình cho PIC ..................................................................................21
2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A ....................................................................................21
2.2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A ................................................................ 24
2.2.2 Tổ chức bộ nhớ .....................................................................................................25
2.2.3 Các cổng xuất nhập của PIC16F877A .................................................................28
4


2.2.4 TIMER 0 ...............................................................................................................29
2.2.5 TIMER1 ................................................................................................................31
2.2.6 TIMER 2 ...............................................................................................................32
2.2.7 ADC ......................................................................................................................34
2.2.8 COMPARATOR ..................................................................................................36
2.2.9 Bộ tạo điện áp so sánh ..........................................................................................38
2.2.10 CCP. ...................................................................................................................39
2.2.11 Ngắt (interrupt) ...................................................................................................43
2.3 Cảm biến khí MQ2 ..................................................................................................44
2.4 Cảm biến nhiệt LM 35 .............................................................................................46
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG ...........................................48
3.1 Yêu cầu thiết kê hệ thống. .......................................................................................48
3.2 Sơ đồ khối hệ thống báo cháy tự động. ...................................................................49
3.3 Phân tích thiết kế phần cứng. ..................................................................................49
3.3.1 Khối nguồn 5V .....................................................................................................49
3.3.2 Khối xử lý trung tâm. ...........................................................................................50
3.3.3 Mạch cảm biến .....................................................................................................51
3.3.4 Khối báo hiệu .......................................................................................................53
3.3.5 Khối hiển thị. ........................................................................................................53
3.3.6 Khối giảm thiểu nguy cơ cháy nổ. ........................................................................54
3.4 Thiết kế phần mềm điều khiển. ...............................................................................55

3.5 Sản phẩm .................................................................................................................56
KẾT LUẬN ...................................................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................58
PHỤ LỤC ......................................................................................................................59

5


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman ............................................20
Hình 2.2: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân ..........22
Hình 2.3: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A .....................................................24
Hình 2.4: Bộ nhớ chương trình .................................................................................25
Hình 2.5 : Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu PIC16F877A .........................................................27
Hình 2.6 : Sơ đồ khối của Timer0. ...........................................................................30
Hình 2.7 : Sơ đồ khối của Timer1 .............................................................................32
Hình 2.8 : Sơ đồ khối Timer2. ..................................................................................33
Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC. ...............................................................35
Hình 2.10: Các cách lưu kết quả chuyển đổi AD. ....................................................35
Hình 2.11: Ngun lí hoạt động của một bộ so sánh đơn giản ................................36
Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ tạo điện áp so sánh ..........................................................38
Hình 2.13: Sơ đồ khối ccp .........................................................................................40
Hình 2.14 : Sơ đồ khối ccp ( compare mode) ...........................................................41
Hình 2.15 : Sơ đồ khối ccp ( PWM mode) ...............................................................42
Hình 2.16 MQ2 .........................................................................................................44
Hình 2.17 Sơ đị ngun lý........................................................................................46
Hình 2.18 LM 35 .......................................................................................................46
Hình 3.1 Sơ đồ khối ..................................................................................................49
Hình 3.1 Sơ đồ mạch ổn áp 5V .................................................................................50

Hình 3.2 Khối xử lý trung tâm ..................................................................................51
Hình 3.3 Khối mạch cảm biến...................................................................................52
Hình 3.4 Thiết bị báo động .......................................................................................53
Hình 3.5 Mạch hiển thị LCD.....................................................................................53
Hình 3.5 Quạt thơng gió ............................................................................................54
Hình 3.7 Mạch thật ....................................................................................................56

6


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật khi lắp cảm biến nhiệt ..................................................52
Bảng 3.2 Thông số khi lắp cảm biến khói .................................................................53

7


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng anh

Tiếng việt

V

Volt

Điện áp

PIC

Programable Intelligent Computer

RAM

Random Access Memory

ROM

Read-only memory

Bộ nhớ chỉ đọc

Electrically Erasable Programmable

Bộ nhớ không mất dữ

Read-Only Memory

liệu

PWM

Pulse-width modulation

Điều biến xung

ADC

Analog-to-digital converter

Biến đổi tương - tự số

CCP

Capture/Compare/PWM

WDT

Watch Dog Timer

Dòng hẹn giờ

I/O

Input/output

Xuất/nhập

ALU

Arithmetic and logic unit

MUX

Multiplexer

GPR

GeneralPurpose RAM

MCU

Multipoint control unit

Bộ vi điều khiển

CLK

Clock

Bộ tạo xung

I2C

Inter-Intergrated Circuit

Mạch tích hợp

LCD

Liquid Crystal Display

MSSP

Master Synchronous Serial Port

OSC

Oscillator

EEPROM

8

Máy tính khả trình
thơng minh.
Bộ nhớ truy xuất
ngẫu nhiên

Bắtgiữ/Sosánh/
Điều Biếnxung

Số học và đơn vị
logic
Bộ ghép nối
Vùng RAM đa mục
đích

Màn hình tinh thể
lỏng
Cổng nối tiếp đồng
bộ chủ
Bộ giao động


SCL

Serial Clock

Xung nhịp nối tiếp

SDA

Serial Data

Dữ liệu nối tiếp

SDI

Serial Data In

Dữ liệu vào nối tiếp

SDO

Serial Data Out

Dữ liệu ra nối tiếp

SPI

Serial Peripheral Interface

SPP

Streaming Parallel Port

R/W

Read/Write

CMOS

Complementary Metal-OxideSemiconductor

RTC

Real-time clock

BCD

Binary-Coded Decimal

9

Giao diện ngoại vi
nối tiếp
Luồng cổng song
song
Đọc/Ghi
Cơng nghệ chế tạo vi
mạch tích hợp
Đồng hồ thời gian
thực
Số thập phân theo mã
nhị phân

LỜI NĨI ĐẦU
Có thể nói, trong bối cảnh đất nước khơng ngừng xây dụng và phát triển như
hơm nay thì cơng tác phịng cháy chữa cháy càng chiếm giữu một vai trị quan
trọng. Ít có tai nạn nào mà cùng lúc có thể gây thiệt hại lớn về tính mạng và tài sản
cả con người như trong các vụ hỏa hoạn. Hậu quả của chảy nổ là khôn lường, bởi
nguyên nhân gây cháy đôi khi chỉ bắt nguồn từ một đốm lửa nhỏ, một sự cố chập
điện hoặc do những bất cần từ con người…nhưng khi đã bùng phát thành đám cháy
lại rất dữ dội.
Việc phịng cháy chữa cháy ln trở thành mối quan tâm hàng đầu của nước ta
cũng như nhiều nước trên thế giới. Nó trở thành nghĩa vụ và trách nhiệm của mỗi
người dân. Trong cuộc sống của chúng ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy, nên
việc lắp đặt hệ thống báo cháy có tầm quan trọng hết sức lớn lao. Nó giúp chúng ta
phát hiện nhanh chóng, chữa cháy kịp thời, đem lại sự bình n cho mọi người, bảo
vệ tính mạng, tài sản cho nhân dân, nhà máy, xưởng sản xuất.
Vì vậy việc cảnh báo cháy sớm là một điều qua trọng có thể giảm thiểu được
thiệt hai về vật chất và con người đến mức thấp nhất. Việc cảnh báo sớm giúp cho
chúng ta có kịp thời gian xử lý các tình huống sớm nhất trước khi đám cháy bùng
phát lớn hơn.
Xuất phát từ tầm quan trọng của việc báo cháy nên em chọn đề tài cho đồ
án tốt nghiệp là “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cảnh báo cháy”. Đây là một đề tài
có tính ứng dụng cao trog cuộc sống. Với trình độ cịn hạn chế nên cịn có nhiều
thiếu sót. Em rất mong được sự thơng cảm và góp ý để hoàn thiện hơn.

Nghệ An, ngày tháng năm 2015
Nguyễn Thái Bảo

10


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG
1.1 Giới thiệu về hệ thống báo cháy tự động
Ngày nay, cùng với những hiểm họa có thể xảy ra với con người thì hỏa hoạn
là một trong những mối nguy hiểm mà con người cần phải đề phòng nhất. Hậu quả
mà nó gây ra vơ cùng lớn, đe dọa đến tính mạng, tinh thần, vật chất. Do đó chúng
ta cần có cảnh giác cao về phịng cháy, chữa cháy, bên cạnh đó cần trang bị đầy đủ
những phương tiện phịng cháy chữa cháy để kịp thời xử lí nhanh khi có sự cố xảy
ra. 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 ngôi nhà của bạn khỏi
những rủi ro do hỏa hoạn gây ra. Với những sản phẩm được thiết kế phù hợp, đạt
tiêu chuẩn sẽ có những tính năng hữu dụng nhất:
- Tránh được những mối nguy hiểm do hỏa hoạn gây ra.
- Báo trước những hiểm họa sắp xảy ra (nhờ hệ thống các đầu dò, đầu báo
khói, báo nhiệt, báo gas… ).
- Dễ dàng xử lí khi xảy ra sự cố (nhờ những thiết bị chữa cháy được thiết
kế phù hợp, hoàn hảo và rất dễ sử dụng).
Hệ thống báo cháy tự động phải được trang bị cho các cơng trình nguy hiểm
về cháy nổ, nơi tập trung đơng người cụ thể là:
- Nhà hành chính, trụ sở làm việc của cơ quan chính quyền, tổ chức chính
trị xã hội, trụ sở, nhà, văn phịng làm việc khác.
- Khách sạn, nhà hàng, nhà nghỉ, nhà trọ.
- Nhà, cơng trình thuộc cơ sở nghiên cứu khoa học, công nghệ.
- Trường học, cơ sở giáo dục.
- Bệnh viện, nhà điều dưỡng cấp huyện trở lên, cơ sở y tế khám chữa bệnh.
- Rạp hát, rạp chiếu phim, hội trường, nhà văn hóa, nhà thi đấu thể thao,
những nơi tập trung đông người, vũ trường, câu lạc bộ, cơ sở vui chơi giải trí và
những cơng trình cơng cộng khác.
- Chợ, trung tâm thương mại siêu thị, cửa hàng bách hóa có tổng diện tích
trung bình và lớn.

11


- Nhà lưu trữ, thư viện, bảo tàng, triển lãm thuộc nhà nước quản lý.
- Đài phát thanh, truyền hình, cơ sở bưu chính viễn thơng từ cấp huyện trở
lên.
- Nhà máy điện, trạm biến áp từ 220KV trở lên.
- Kho, cảng nhập khẩu xăng dầu khí đốt hóa lỏng…
- Cơng trình an ninh, quốc phịng có nguy hiểm về cháy, nổ hoặc có yêu
cầu bảo vệ đặc biệt.
- Trung tâm chỉ huy, điều độ, điều hành điều khiển quy mơ khu vực và
quốc gia các lĩnh vực.
- Cơng trình hầm, tầng hầm.
1.2 Khái quát nhiệm vụ của hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống thiết bị tự động phát hiện và thông
báo địa điểm cháy. Hệ thống báo cháy tự động bao gồm: trung tâm báo cháy, các
cảm biến báo cháy,(tổ hợp chuông đèn nút ấn) và các thiết bị ngoại vi khác…
Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời
trong vùng hệ thống đang bảo vệ. Tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và
các tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy nhằm thực hiện
mọi nhiệm vụ củ thể nào đó. Đặc biệt, với hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu
báo cháy khói thì nó cịn có nhiệm vụ quan trong hơn đó là cảnh báo, tức là phát
hiện và thông báo sự sắp cháy, sự âm ỉ chưa có ngọn lửa.
1.3 Phân loại hệ thống báo cháy tự động
a. Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo khói: là hệ thống báo cháy tự
động làm việc dựa vào nguyên lý làm việc của đầu báo cháy khói. Hệ thống này chủ
yếu phát hiện ra sự gia tăng nồng độ khói trong khu vực bảo vệ.
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy nhiệt: là hệ thống báo
cháy tự động làm việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy nhiệt.

- Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự thay đổi nhiệt độ trong khu vựa bảo vệ.
- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy ánh sáng (lửa): làm
việc dựa theo nguyên lý làm việc của đầu báo lửa. Hệ thống thống này chủ yếu phát
hiện ra nồng độ tăng cường ánh sáng của ngọn lửa trong khu vực bảo vệ.

12


- Hệ thống báo cháy tự động sử dụng đầu báo cháy hỗn hợp như: đầu báo
cháy nhiệt và khói; đầu báo cháy nhiệt và lửa. Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra sự
thay đổi các yếu tố môi trường trong khu vực bảo vệ.
Phân loại hệ thống báo cháy tự động theo đặc điểm kỹ thuật của hệ thống báo cháy.
- Hệ thống báo cháy theo vùng (hệ thống báo cháy tự động thường): (hệ
thống báo cháy tự động thông thường – couventional fire alarm system): là hệ thống
báo cháy tự động có chức năng báo cháy tới một khu vực, một địa điểm (có thể có
một hoặc nhiều cảm biến báo cháy). Diện tích bảo vệ của một khu vực có thể vài
chục đến 2000m2 (tùy thuộc vào từng loại cảm biến báo cháy). Hệ thống báo cháy
tự động thông minh: với sự phát triển khoa học công nghệ, hệ thống báo cháy theo
địa chỉ đã phát triển thành hệ thống báo cháy thông minh (intelligent fire alarm
system). Đây là hệ thống báo cháy tự động ngoài chức năng báo cháy thơng thường
theo địa chỉ, nó cịn có thể đo một số thơng số về mơi trường của khu vực nơi lắp
đặt đầu báo như nhiệt độ, nồng độ khói… và có thể thay đổi được ngưỡng tác động
của đầu báo cháy theo yêu cầu của nhà thiết kế và lắp đặt. Trong thực tế thường
dùng cách phân lại này.
b. Hệ thống báo cháy thơng thường
Với tính năng đơn giản, giá thành không cao, hệ thống báo cháy thơng thường
chỉ thích hợp lắp đặt ở các cơng trình có diện tích vừa và nhỏ (khoảng vài nghìn
m2), số lượng các phịng ban khơng nhiều (vài chục phịng). Các thiết bị trong hệ
thống được mắc nối tiếp với nhau nối với trung tâm báo cháy, nên khi sảy ra sự cố
trung tâm chỉ có thể nhận biết khái quát và hiển thị toàn bộ khu vực (zone) mà hệ

thống giám sát (chứ khơng cho biết chính xác vị trí từng đầu báo, từng địa điểm có
cháy). Điều này làm hạn chế khả năng xử lý của nhân viên giám sát. Hệ thống báo
cháy thơng thường trong nhiều hình thức khác nhau đã tồn tại trong một thời gian
dài. Mặc dù ít thay đổi về căn bản trong thời đại kỹ thuật, nhưng theo thời gian, đặc
điểm thiết kế và độ tin cậy của nó đã được tăng lên rất nhiều.
Chính hệ thống báo cháy thơng thường đã chứng minh hùng hồn vai trị của nó
trong việc bảo vệ hửu hiệu tài sản và sinh mạng con người trong hàng triệu trường
hợp hỏa hoạn trong khắp thế giới.

13


Hệ thống báo cháy thông thường là sự lựa chọn tự nhiên của những cơng trình
nhỏ hoặc những nơi mà ngân sách có hạn.
Trong hệ thống báo cháy thơng thường, tính chất “ thơng minh” của hệ thống
chỉ tập trung vào tủ điều kiện hệ thống báo cháy (control panel) nơi nhận những tín
hiệu tạo ra bởi những cảm biến báo cháy hoặc công tắc khẩn và rồi tới lượt nó tủ
điều khiển lại truyền tín hiệu đến các thiết bị báo động khác.
Những đầu báo cháy thông thường thường được kết nối với tủ điều khiển bằng
những mạch dây, mỗi mạch dây bảo vệ cho mỗi khu vực khác nhau.
Đầu báo cháy hiển thị hai trạng thái hoạt động là: trạng thái bình thường và
trạng thái báo động.
Thơng thường, tủ điều khiển được chia thành nhiều zone/mạch (zone 1,2,3…)
và mạch chuông riêng biệt.
c. Hệ thống báo cháy địa chỉ
Với tính năng kỹ thuật cao, hệ thống báo cháy địa chỉ dùng để lắp đặt các cơng
trình mà mặt bằng sử dụng rộng lớn (vài chục nhìn m2), được chia ra làm nhiều khu
vực độc lập, các phòng ban trong từng khu vực riêng biệt với nhau. Từng thiết bị
trong hệ thống được mắc trực tiếp vào trung tâm báo cháy giúp trung tâm nhận tín
hiệu xảy ra cháy tại từng khu vực, từng địa điểm một cách rõ ràng, chính xác. Từ đó

trung tâm có thể nhận biết thơng tin sự cố một cách chi tiết và được hiển thị trên
bảng hiển thị giúp nhân viên giám sát có thể xử lý sự cố một cách nhanh chóng. Hệ
thống địa chỉ khác với hệ thống báo cháy thông thường ở phương pháp xử lý tín
hiệu, có tốc độ nhận dạng linh hoạt hơn, thông báo cháy minh hơn và phạm vi kiểm
sốt lớn hơn.
Nó kết hợp kỹ thuật vi tính và kỹ thuật truyền dữ liệu hiện đại để giám sát và
điều khiển hệ thống xứng đáng là một hệ thống thông minh, được chọn áp dụng ở
quy mô vừa hoặc lớn, hoặc cho những hiện trường phức tạp.
Trong một hệ thống báo cháy địa chỉ, những đầu báo cháy nối kết nhau, được
chạy thành lớp chung quanh hiện trường, mỗi cảm biến báo cháy được gán một địa
chỉ riêng.
Hệ thống có thể có một hoặc nhiều lớp, tùy kích cỡ hệ thống và yêu cầu thiết
kế. Tủ điều khiển liên lạc với từng đầu báo một cách độc lập và liên tục nhận báo
14


cáo về trạng thái hoạt động của đầu báo: Trạng thái bình thường, trạng thái báo
động hoặc trạng thái lỗi kỹ thuật.
Vì mỗi đầu báo có một địa chỉ độc lập nên tủ điều khiển báo cháy có thể hiển
thị chính xác vị trí của thiết bị khi có vấn đề, nhờ đó nhanh chóng định vị sự cố liên
quan. Bên trong đầu báo địa chỉ, tự nó có những bộ phận “thơng minh” có khả năng
dự báo “ phịng xa”, trước khi báo tình trạng cháy thật hoặc sự cố thật sảy ra, chẳng
hạn nó truyền tín hiệu báo cho biết đầu báo có nhiều bụi bặm bám ở mức độ đã
được xác định trước.
Cảm biến báo cháy có địa chỉ cũng truyền tín hiệu cảnh báo sớm khi phát hiện
khói, nhiệt ở mức đã đươc lập trình trước…
Hệ thống báo cháy địa chỉ cũng có thể kết hợp các thiết bị báo cháy loại quy
ước.
1.4. Nguyên lý làm việc của hệ thống báo cháy tự động
- Trạng thái thường trực.

- Trạng thái báo cháy.
- Trạng thái sự cố.
1.4.1 Ngun lý làm việc
Bình thường tồn bộ hệ thống ở chế độ trực. Ở chế độc này trung tâm báo
cháy ln có tín hiệu kiểm tra sự làm việc đến các thiết bị trong hệ thống đồng thời
các đầu báo cháy địa chỉ, modul… cũng có tín hiệu hồi đáp về trung tâm. Định kỳ,
theo thời gian trung tâm sẽ kiểm tra tình trạng của hệ thống và thơng tin các thiết bị
cần bảo dưỡng.
Trong hệ thống giám sát nếu trung tâm nhận được tín hiệu báo lỗi từ các thiết
bị
hoặc khơng nhận được tín hiệu hồi đáp từ các thiết bị thì trung tâm sẽ chuyển sang
tình trạng sự cố. Khi lỗi được khắc phục chế độ sự cố sẽ kết thúc và tự đưa hệ thống
về chế độ giám sát bình thường.
Khi cháy xảy ra ở khu vực bảo vệ, các yếu tố môi trường sự cháy (nhiệt độ,
khói, ánh sáng) thay đổi sẽ tác động lên các đầu báo cháy. Khi các yếu tồ này đạt tới
ngưỡng làm việc thì các đầu báo cháy sẽ làm việc tạo ra tín hiệu truyền về trung tâm
(gồm tín hiệu báo cháy và tín hiệu báo địa chỉ của thiết bị báo cháy). Tại trung tâm

15


báo cháy sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo chương trình đã cài
đặt để đưa ra tín hiệu thơng báo khu vực xảy ra cháy qua loa trung tâm và màn hình
lcd. Đồng thời các thiết bị ngoại vi sẽ kích hoạt để phát tín hiệu báo động cháy và
thực hiện các nhiệm vụ đã đề ra.
Trong trường hợp trung tâm báo cháy có cài đặt thên chức năng giám sát các
thiết bị khác thì khi có sự cố thay đổi về trạng thái của thiết bị (ví dụ: bơm chữa
cháy hoạt động, cơng tắc dịng chảy hoạt động…) thì hệ thống sẽ chuyển sang thông
báo thiết bị cần giám sát thay đổi trạng thái. Thông tin về sự thay đổi này sẽ hiển thị
trên màn hình. Chế độ này sẽ kết thúc khi có sự can thiệp từ người giám sát.

1.4.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống báo cháy tự động
Hệ thống báo cháy phải đáp ứng các yều cầu sau:
- Phát hiện nhanh chóng theo chức năng được đề ra.
- Chuyển tín hiệu cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những người
xung quanh có thể thực hiện ngay những biện pháp thích hợp.
- Có khả năng chống nhiễu tốt (nhiễu thường xảy ra khi dây dẫn tín hiệu
nằm trong vùng có điện trường mạnh hoặc khi dây dẫn đặt cạnh dây điện ). Như vậy
để chống nhiễu có thể sử dụng dây tín hiệu chống nhiễu hoặc dây tín hiệu thông
thường nhưng phải được đi trong ống kim loại.
- Báo hiệu rõ ràng và nhanh chóng mọi trường hợp sự cố của hệ thống.
- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiên
ra cháy.
- Hệ thống phải hoạt đông liên tục trong mọi điều kiện.
- Việc lắp đặt các đầu báo cháy với trung tâm báo cháy phải chú ý đến sự
phù hợp của hệ thống (điện áp cấp cho đầu báo cháy, dạng tín hiệu báo cháy,
phương pháp phát hiện sự cố…)
- Hệ thống báo cháy phải đảm bảo độ tin cậy. Hệ thống này phải thực hiện
đầy đủ cá chức năng đã đề ra mà khơng sai sót.
- Những tác động bên ngoài gây ra sự cố ở một bộ phận của hệ thống
không được gây ra những sự cố trong hệ thống.
- Hệ thống báo cháy tự động ngoài đáp ứng những yêu cầu riêng của nó
theo đúng như tiêu chuẩn đề ra.

16


1.5. Cảm biến báo cháy
1.5.1 Nhiệm vụ của cảm biến báo cháy
Cảm biến báo cháy là thiết bị cảm biến nhạy cảm với sự thay đổi của yếu tố
môi trường khi cháy như nhiệt độ, ánh sáng, nồng độ khói, để tạo ra các tín hiệu

truyền về trung tâm khi các giá trị của các yếu tố môi trường đạt một giá trị nhất
định.
Cảm biến báo cháy có nhiệm vụ: tạo ra tín hiệu điện để truyền về trung tâm
khi các yêu tố của môi trường xung quanh đầu báo đạt một giá trị nhất định. Có thể
coi đầu báo cháy như một thiết bị giao tiếp giữa các yếu tố môi trường của sự cháy
với hệ thống tự động báo cháy.
Cảm biến báo cháy chỉ thực hiện nhiệm vụ của mình khi các yếu tố mơi
trường của sự cháy nằm trong diện tích bảo vệ của nó đặt đến ngưỡng làm việc.
Tín hiệu điện mà đầu báo cháy tạo ra chủ yếu dưới 2 dạng chính:
- Tín hiệu đóng hoặc mở tiếp điểm
- Tín hiệu biến thiên đột ngột về giá trị của dòng điện
Tùy thuộc vào từng loại cảm biến báo cháy mà tín hiệu điện nó tạo ra là khác nhau.
1.5.2 Phân loại cảm biến báo cháy
Theo nguyên lý làm việc của đầu báo cháy
Chia làm 4 loại:
- Đầu báo cháy nhiệt: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của nhiệt độ.
- Đầu báo cháy khói: Hoạt động dựa trên sự biến đổi nồng độ khói.
- Đầu báo cháy lửa: Nhạy cảm với ánh sáng (ánh lửa).
- Đầu báo cháy hỗn hợp: Hoạt động dựa trên sự biến đổi của hai trong ba
yếu tố trên.
Phân loại theo điều kiện cung cấp năng lượng
Chia thành 2 loại:
- Đầu báo cháy chủ động: Không cần cung cấp năng lượng cho đầu báo, nó
vẫn hoạt động.
- Đầu báo cháy thụ động: Thường xuyên phải cung cấp năng lượng cho đầu
báo.
Phân loại theo đặc điểm kỹ thuật:

17

- Đầu báo cháy thường: Thường dùng cho hệ thống báo cháy theo vùng.
- Đầu báo cháy địa chỉ: Thường dùng cho hệ thống báo cháy địa chỉ.
Phân loại theo chế độ hoạt động:
- Đầu báo cháy cực đại.
- Đầu báo cháy vi sai.
- Đầu báo cháy cực đại - vi sai
1.5.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc của cảm biến báo cháy
Tùy thuộc vào từng loại đầu báo cháy, vào nguyên lý làm việc, mà các đầu
báo cháy có cấu tạo khác nhau. Nhưng nhìn chung đầu báo cháy có các bộ phận sau
đây:
- Bộ phận cảm biến: Đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến báo
cháy. Nó cảm nhận được sự thay đổi của các yếu tố mơi trường và biến đổi sự thay
đổi đó thành dạng tín hiệu điện khi các yếu tố này đạt đến một giá trị thích hợp đã
được cài đặt sẵn. Với mỗi loại đầu báo cháy khác nhau thì bộ phận cảm biến là khác
nhau.
- Bộ phân mạch tín hiệu: là một mạch điện tử có nhiệm vụ truyền tín hiệu
tự bộ phận cảm biến ra ngoài thiết bị truyền dẫn.
- Vỏ đế: là bộ phận bảo vệ và cố định cảm biến báo cháy ở khu vực cần
bảo vệ.

18


CHƯƠNG 2
VI ĐIỀU KHIỂN PIC VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN TRONG HỆ THỐNG
BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG
2.1 Tổng quan về vi điều khiển PIC
PIC là một vi điều khiển RSC được sản xuất bởi cơng ty Microchip technology.
Dịng Pic đầu tiên là PIC 1650. Được phát triển bởi Microelectronic Division thuộc

General Intrument.

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là
“máy tính thơng minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều
khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho
vi điều khiển CP1600 vì vậy người ta cũng gọi PIC với cái tên “ Peripheral
Interface Controller” (bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi). Vi điều khiển này sau đó
được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dịng vi điều khiển PIC
ngày nay.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, Motorola
68HC, AVR, ARM,... Ngoài họ 8051 được hướng dẫn một cách căn bản ở môi
trường đại học, bản thân người viết đã chọn họ vi điều khiển PIC để mở rộng vốn
kiến thức và phát triển các ứng dụng trên cơng cụ này vì các ngun nhân sau:
Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam.
Giá thành khơng q đắt.
Có đầy đủ các tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập.
Là một sự bổ sung rất tốt về kiến thức cũng như về ứng dụng cho họ vi điều
khiển mang tính truyền thống: họ vi điều khiển 8051.
Số lượng người sử dụng họ vi điều khiển PIC hiện nay tại Việt Nam cũng như
trên thế giới khá rộng rãi. Điều này tạo nhiều thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và
phát triển các ứng dụng như: số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được
phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi
gặp khó khăn…
Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các cơng cụ lập trình, nạp
chương

19


trình từ đơn giản đến phức tạp…

Các tính năng đa dạng của vi điều khiển PIC, và các tính năng này không
ngừng được phát triển.
2.1.1 Kiến trúc PIC
Cấu trúc phần cứng của một vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng kiến
trúc: Von Neuman và kiến trúc Havard.

CPU

PROGRAM DATA
MEMORY
MEMORY

CPU

Von-Neuman

PROGRAM
MEMORY

DATA
MEMORY

Harvard

Hình 2.1: Kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman

Tổ chức phần cứng của PIC được thiết kế theo kiến trúc Havard. Điểm khác
biệt giữa kiến trúc Havard và kiến trúc Von-Neuman là cấu trúc bộ nhớ dữ liệu và
bộ nhớ chương trình. Đối với kiến trúc Von-Neuman, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ
chương trình nằm chung trong một bộ nhớ, do đó ta có thể tổ chức, cân đối một

cách linh hoạt bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên điều này chỉ có ý
nghĩa khi tốc độ xử lí của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó, trong cùng một thời
điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình. Như
vậy có thể nói kiến trúc Von-Neuman khơng thích hợp với cấu trúc của một vi điều
khiển.
Đối với kiến trúc Havard, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành hai
bộ nhớ riêng biệt. Do đó trong cùng một thời điểm CPU có thể tương tác với cả hai
bộ nhớ, như vậy tốc độ xử lí của vi điều khiển được cải thiện đáng kể.

20


Một điểm cần chú ý nữa là tập lệnh trong kiến trúc Havard có thể được tối ưu
tùy theo yêu cầu kiến trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc vào cấu trúc dữ
liệu. Ví dụ, đối với vi điều khiển dịng 16F, độ dài lệnh ln là 14 bit (trong khi dữ
liệu được tổ chức thành từng byte), cịn đối với kiến trúc Von-Neuman, độ dài lệnh
ln là bội số của 1 byte (do dữ liệu được tổ chức thành từng byte).
2.1.2 Các dòng PIC và cách lựa chọn vi điều khiển PIC
Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:
PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit
PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit
PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit
C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)
F: PIC có bộ nhớ flash
LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp
LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ
Bên cạnh đó một số vi điệu khiển có kí hiệu xxFxxx là EEPROM, nếu có thêm
chữ A ở cuối là flash (ví dụ PIC16F877 là EEPROM, cịn PIC16F877A là flash).
Ngồi ra cịn có thêm một dịng vi điều khiển PIC mới là dsPIC.
Ở Việt Nam phổ biến nhất là các họ vi điều khiển PIC do hãng Microchip sản xuất.

2.1.3 Ngơn ngữ lập trình cho PIC
Ngơn ngữ lập trình cho PIC rất đa dạng. Ngơn ngữ lập trình cấp thấp có
MPLAB (được cung cấp miễn phí bởi nhà sản xuất Microchip), các ngơn ngữ lập
trình cấp cao
hơn bao gồm C, Basic, Pascal, … Ngồi ra cịn có một số ngơn ngữ lập trình được
phát triển dành riêng cho PIC như PICBasic, MikroBasic,…
2.2 Vi điều khiển PIC 16F877A
Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động
tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình
8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Với 40 bộ nhớ đủ cho hầu hết
các ứng dụng thông thường.

21


Hình 2.2: Vi điều khiển PIC16F877A/PIC16F874A và các dạng sơ đồ chân

22


Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
- Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
- Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm
dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
- Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.
- Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rông xung.
- Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.
- Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.

- Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều
khiển RD, WR, CS ở bên ngoài.
Các đặc tính Analog:
- 8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.
- Hai bộ so sánh.
- Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
- Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.
- Bộ nhớ EEPROM đây là bộ nhớ để lưu trữ dữ liệu khi khơng cấp nguồn.
Thơng thường nó được dùng để chứa dữ liệu quan trọng không thể mất nếu chẳng
may nguồn cấp bị mất đột ngột.với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.
- Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.
- PORTA, PORTB , PORTC, PORTD, PORTE là các ngõ kết nối vật lý
giữa vi điều khiển với các phần cứng bên ngồi. PORTA có 6 chân giao tiếp trong
khi PORTB và PORTC và PORTD có đến 8 chân, PORTE có 3 chân.
- Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
- Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial
Programming) thông qua 2 chân.
- Watchdog Timer với bộ dao động trong.
- Chức năng bảo mật mã chương trình.
- Chế độ Sleep. Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.

23


2.2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

Hình 2.3: Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

24

2.2.2 Tổ chức bộ nhớ
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình
(Program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory).

Hình 2.4: Bộ nhớ chương trình

25