ĐỒ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN tên chủ đề xây dựng hệ thống cảnh báo an toàn sử dụng cảm biến khí gas

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Tên chủ đề: Xây dựng hệ thống cảnh báo an tồn sử dụng cảm biến khí gas

Lớp CĐT4-K13
Nhóm 5
Thành viên:
Nguyễn Hữu Khuyến
Nguyễn Hữu Ln
Hồng Văn Lợi

Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2020


CHƯƠNG 1.
1.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

Giới thiệu chung

Do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng, do đó sự cố
xảy ra khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên nhu cầu cấp thiết
hiện nay khi sử dụng khí gas hiện nay là làm sao giảm được các sự cố khơng
đáng có của khí gas gây ra cho người sử dụng.
Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên kết sử dụng đồng thời sử dụng
khí gas an tồn để hạn chế sự cố khí gas như khóa van khi dùng xong, kiểm
tra van, bếp ga định kỳ báo khi có khí gas bị rò rỉ và lắp đặt thiết bị cảnh báo

khi có khí gas bị rị rỉ ra mơi trường. trong đó việc lắp đặt, sử dụng hệ thống
cảnh báo khí gas được ưu tiên, đưa lên hàng đầu trong việc phát hiện ra khí
gas bị rị rỉ khi sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện giá cả hợp lý
độ nhạy với khí gas thì thiết bị cảnh báo khí ga là sự lựa chọn hàng đầu cho
người tiêu dùng về các thiết bị lắp đặt,phát hiện rị rỉ khi sử dụng khí gas.
Nhận thấy sự nghiêm trọng và cấp thiết của việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rị rỉ
khí gas trong các tịa nhà,khách sạn và hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề
tài này nhằm tìm hiểu và nghiên cứu sâu về thiết bị cảnh báo khí gas để thiết
kế ra một sản phẩm làm giảm tối đa các sự cố khi sử dụng khí gas gây ra
trong các tồnhà,khách sạn,hộ gia đình.
1.2.

Các u cầu cơ bản

 Hệ thống phù hợp với nhu cầu của người tiêu dùng, của các doanh nghiệp.
 Hệ thống đảm bảo được độ chính xác.
 Giá thành của hệ thống phù hợp và kết cấu nhỏ gọn.
 Hoạt động ổn định trong điều kiện mơi trường.
 Có khả năng nhận biết được lượng khí ga có nồng độ 200PPM (phần triệu)
đến 10.000PPM.
1.3.

Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu

1.3.1. Phương pháp
Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết với thực nghiệm với
mục đích tạo ra một sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát hiện
sự cố do rị rỉ khí gas một cách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng
an tồn.

 Phương pháp lý thuyết:
Dựa trên những kiến thức về những cảm biến đã học, kiến thức về mạch
Adruino và lập trình mạch Adruino,..
Tài liệu tham khảo về những đề tài, nghiên cứu khoa học về cảm biến khí
gas.
 Phương pháp thực nghiệm:
Dựa và tham khảo vào các mơ hình tham khảo trên Internet để cải tiến thiết
kế và mục đích sử dụng.

1.3.2. Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Được dùng để phục vụ an tồn cho các tịa nhà, khách sạn, hộ gia đình khi có
sự cố khí gas rị rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng.

1.4.

Ý nghĩa thực tiễn

Đưa ra các giải pháp an toàn khi sử dụng khí gas trong các tịa nhà, khách
sạn, hộ gia đình khi bị rị rỉ trong đó sử dụng thiết bị cảnh báo khí gas đơn
giản,dễ dùng, hợp lý tạo ra khơng gian an tồn cho người sử dụng và phân
tích hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo khí gas .
Đồng thời mục tiêu của đề tài còn nhằm tạo ra một sản phẩm ngang tầm với
các sản phẩm có trên thị trường nhưng giá sẽ giảm bớt đi, từ đó dễ dàng tiếp
cận với người sử dụng hơn. Ngoài ra, từ việc chủ động điều khiển và giám sát
sẽ giúp ta sử dụng điện hợp lý, qua đó giúp tiết kiệm chi phí trong gia đình,
chủ động hạn chế những rủi ro cũng như bảo vệ môi trường


CHƯƠNG 2.

2.1.

XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Khối nguồn

Khối cảm biến

Khối xử lý

Khối báo động

2.1.1. Khối nguồn:
Khối này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn adapto 12V-DC với các đầu ra là
5V-DC và 12V-DC để cung cấp cho các linh kiện trong hệ thống.
    • Yêu cầu đối với khối nguồn:
Cấp nguồn đầu ra ổn định +5V, +12V.Độ nhấp nhô của điện áp đầu ra nhỏ

2.1.2. Khối cảm biến
Khối cảm biến khí ga có nhiệm vụ nhận biếtđược sự xuất hiện của khí gas bị
rị rỉ và đưa tín hiệu thơng báo đến khối xử lý. Khi xảy ra hiện tượng rị rỉ khí
ga thì khối này nhận biết được lượng khí ga rị rỉ đã đến mức cảnh báo hay
chưa, rồi phát tín các tín hiệu báo về khối xử lý.
    
2.1.3. Khối xử lý trung tâm:
Khối xử lý có nhiệm vụ điều hành chung hoạt động của tàn bộ hệ thống.
Nhân tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu chấp hành cho khối cảnh báo,
phát tín hiệu tới màn hình LCD

2.1.4. Khối báo động
 Báo động cho người dùng biết khi có sự rị rỉ khí ga hay đã hết thời gian
hẹngiờ.
 Cịi: Báo động và làm tản khí gas, ngăn khí gas tích tụ tại khơng gian hẹp.
 Led hiển thị: hiển thị các tùy chọn khi ta hẹn giờ, mốc thời gian hẹn giờ,
cảnh báo khi có khí ga bằng ký tự trên màn hình….
 LCD LM016L

2.2.

Phân tích và lựa chọn cảm biến

2.2.1.   Các yêu cầu đối với khối cảm biến khí gas
 Hoạt động ổn định trong điều kiện mơi trường
 Có khả năng nhận biết được lượng khí ga có nồng độ 200PPM(phần triệu)
đến 10.000PPM

2.2.2.   Chọn linh kiện cho khối cảm biến khí gas
- Sử dụng cảm biến khí gas MQ5:
Tổng quan:
Điện áp sử dụng: +5V
AOUT: Đầu ra ADC
DOUT: Đầu ra Digital (So sánh khi phát hiện khí)

Sơ đồ chân cảm biến MQ5:


Hình 2.1: Sơ đồ chân và ảnh thực của cảm biến MQ5

MQ5 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được
cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với khơng khí
sạch. Nhưng khi trong mơi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi
ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi
từ độ nhạy này sang điện áp.
Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra
càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quang MQ5 càng cao.
MQ5 hoạt động rất tốt trong mơi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất
khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng
do mạch đơn giản và chi phí thấp.
Trên thị trường có nhiều loại module cảm biến khí gas tích hợp sẵn có cách
sử dụng đơn giản và hiệu quả. Trong module có sử dụng cảm biến khí gas
MQ5. Khi phát hiện khí gas bị rị rỉ module sẽ xuất tín hiệu ở hai dạng
DOUT_dạng số và AOUT_dạng tương tự. Người sử dụng có thể tùy vào mục
đích sử dụng để lựa chọn tín hiệu phù hợp.
Tổng quan về module: Có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó:
Điện áp sử dụng: +5V.
Aout: Điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3 và 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ
khí xung quang MQ5.
Dout: Điện áp ra số, giá trị 0 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ
khí mà MQ5 đo được.


2.2.3. Ưu điểm:
Việc có chân ra số Dout rất tiện để mắc các ứng dụng đơn giản, không cần
đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta
muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ5 đo được thấp hơn mức cho phép thì
Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép,
Dout =0, đèn led sáng.

Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết
bị cảnh báo khác.
2.2.4. Nhựơc điểm:
Một điều khó khăn khi làm việc với MQ5 là ta khó có thể quy từ điện
áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do
giá trị điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ
ẩm nữa.
Trong thiết, để xác định điểm cảnh báo phải thực hiện thủ cơng. Đầu tiên đo
trạng thái khơng khí sạch, giá trị thu được Vout1. Cho khí ga từ bật lửa rị rỉ
ra. Ta thấy giá trị Aout tăng lên. Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý
rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2. Ta
chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớn hơn
thiết bị sẽ xuất tín hiệu cảnh báo.
2.3.

Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển
 Một số loại bộ điều khiển

Arduino Uno: Dữ liệu số bao gồm 14 chân, đầu vào gồm 6 chân 5V, khả
năng phân giải là 1024 mức, tốc độ 16MHz, điện áp từ 7V đến 12V. Kích
thước của Board này là 5,5x7cm
Arduino Micro: Bao gồm có đến 20 chân, trong đó có 7 chân có thể phát
PWM. Loại này có thiết kế khá nhỏ gọn, kích thước chỉ 5x2cm.
Arduino Nano: Có thể nói đây chính là loại board có kích thước nhỏ nhất chỉ
2x4cm, việc lắp đặt được thực hiện dễ dàng.
Arduino Pro: Đây là một thiết kế mới mẻ khi chân số khơng có sẵn, tùy vào
số chân bạn sử dụng để gắn trực tiếp và giúp tiết kiệm được khoảng không
lớn, ta thường thấy hai loại có nguồn 3.3V và 5V.
Arduino Mega: Chân số lên đến 64, 14 chân có thể phát PWM, 4 cổng
truyền tiếp cùng kích thước khá lớn 5x10cm.

Arduino Leonardo: Là board khơng có cổng nối USB dùng lập trình. Được
thiết kế tại một chip nhỏ điều khiển. Kết nối qua COM ảo và có thể kết nối
với chuột và bàn phím.

 Aduino Uno R3
Đây chính là loại board đơn giản nhất nên rất phù hợp với những người mới
bắt đầu tìm hiểu về lĩnh vực này. 
Nhắc tới dịng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta
thường nói tới chính là dịng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát
triển tới thế hệ thứ 3 (R3).

Hình 2.2: Arduino UNO

2.3.1. Một vài thơng số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)


Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân
I/O

30 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

2.3.2. Vi điều khiển

Hình 2.3: Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản
như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa,
làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 với
giá khoảng 90.000đ. Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của mình khơng cao
hoặc túi tiền khơng cho phép, có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có
chức năng tương đương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với
giá khoảng 45.000đ hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng
65.000đ.

Ngồi việc dùng cho board Arduino UNO, có thể sử dụng những IC điều
khiển này cho các mạch tự chế. Vì sao ? Vì chỉ cần board Arduino UNO để
lập trình cho vi điều khiển. Trên thực tế, khơng cần phải dụng Arduino UNO
trên các sản phẩm của mình, thay vào đó là các mạch tự chế để giảm chi phí
như hình dưới đây:

Chế tạo thủ cơng

Sử dụng mạch in

2.3.3. Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có
sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn
sẽ làm hỏng Arduino UNO.
2.3.4. Các chân năng lượng
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này
phải được nối với nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được
đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy bạn khơng được lấy
nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp
nguồn.

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Lưu ý:
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các
thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí
có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới
6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328.
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO
sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino
UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu khơng dùng để
truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.
2.3.5. Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này
sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB
bộ nhớ này đâu.
 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn
khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần
nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại
trở thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị
mất.


1KB
cho
EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây
giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của
mình vào đây mà khơng phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên
SRAM.


2.3.6. Các cổng vào/ra

Hình 2.4: Sơ đồ thực các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ
có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều
khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này khơng được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị
khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính
là kết nối Serial khơng dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử
dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 8-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra
ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như
những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).  Ngoài các
chức năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng

giao thức SPI với các thiết bị khác.


LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm
nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với
chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử
dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn
có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V  → 2.5V với
độ phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.

2.4.

Thiết kế mạch đo và xử lí tín hiệu

2.4.1. Các khối của hệ thống
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống......................................................................................................................14

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống


2.4.2. Lưu đồ thuật tốn
*Lưu đồ thuật tốn q trình truyền nhận giữ liệu của I2C:

Kiểm tra
xem đã

truyền đủ
8 bit chưa

Truyền

Nhận

SDA=data_bit

Buffer = databit

Clock = 8

No
Buffer full

No

YES
YES
ACK?

No

Send ACK

YES

Next_byte
or STOP

STOP

Read buffer


*Lưu đồ thuật toán hệ thống:

Begin

pinMode(gas, INPUT);
pinMode(speaker, OUTPUT);
pinMode(led, OUTPUT);

digitalRead(smoke) == HIGH

System is
stopped

digitalRead(smoke) == LOW

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(“BAO DONG_WARNING”);

lcd.print(“Binh thuong”);

digitalWrite(led, HIGH);

digitalWrite(led, LOW);

digitalWrite(speaker, HIGH);

digitalWrite(speaker, LOW);

End


2.5.

Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống

2.5.1. Ngun lí hoạt động:
Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động. Ở trạng thái bình
thường khơng có khí gas (nồng độ khí gas mà MQ2 đo được thấp hơn mức
hco phép), Dout=1, led tắt, khối báo động không hoạt động. Khi phát hiện có
khí gas rị rỉ (nồng độ khí gas đo được lớn hơn mức cho phép), Dout=0, led
sáng, tín hiệu này sẽ đến IC555, đây được coi như một máy phát tần (vì nó
tạo xung) và chân Output (chân 7) được nối với loa để đưa tín hiệu ra ngoài
dẫn đến khối báo động hoạt động, đèn led sáng và loa kêu báo hiệu người
dùng biết có khí gas rị rỉ.
2.5.2. Mơ phỏng hệ thống
 Khi chưa đóng mạch

Hình 2.5: Mơ phỏng hệ thống khi chưa đóng mạch

 Khi đóng mạch, chưa có khí gas, đèn và led khơng sáng, LCD hiển thị
dịng chữ bình thường.

Hình 2.6: Mơ phỏng hệ thống khi đóng mạch

 Khi xuất hiện khí gas, LCD hiển thị BAO DONG_WARNING, led
sáng, cịi kêu.

Hình 2.7: Mơ phỏng hệ thống khi xuất hiện khí gas