tiểu luận môn THIẾT kế hệ THỐNG NHÚNG đề tài thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas

Phân tích chức năng các khối - Cảm biến khí gas MQ2: Dùng để phát hiện sự rò rỉ khí gas - Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống... - Khối điều khiển trung tâm: Gồm STM32 và ESP

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

Đề tài: Thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas

Nhóm sinh viên: 1 Lê Văn Bắc

Mục lục

I Giải pháp thiết kế 3

1.1 Sơ đồ khối giải pháp 3

1.2 Phân tích chức năng các khối 3

II Thiết kế hệ thống 4

2.1 Thiết kế phần cứng 4

2.1.1 Giới thiệu STM32F103C8T6 4

2.1.1.1 Thông số kĩ thuật 5

2.1.1.2 Sơ đồ chân 8

2.1.2 Cảm biến khí gas MQ2 10

2.1.2.1 Thông số kĩ thuật 11

2.1.2.2 Sơ đồ chân 12

2.1.2.3 Ứng dụng 12

2.1.3 Giới thiệu màn hình hiển thị LCD 16x2 13

2.1.3.1 Thông số kĩ thuật 13

2.1.3.2 Sơ đồ chân 14

2.1.4 Mạch nguyên lý 16

2.1.5 Mạch phần cứng 16

2.2 Thiết kế phần mềm 16

I Giải pháp thiết kế

I.1 Sơ đồ khối giải pháp

I.2 Phân tích chức năng các khối

- Cảm biến khí gas MQ2: Dùng để phát hiện sự rò rỉ khí gas

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

- Khối điều khiển trung tâm: Gồm STM32 và ESP8266: Nhận tín hiệu từ

cảm biến khí gas, phát ra còi và gửi các thông

số cho khối hiển thị

- Khối cảnh báo: Gồm một loa phát ra cảnh báo khi nhận được tín hiệu từ

khối điều khiển trung tâm

- Khối hiển thị: Gồm một màn hình LCD 16x2, hiển thị các thông số nhận

được từ khối điều khiển trung tâm

II Thiết kế hệ thống

II.1 Thiết kế phần cứng

II.1.1.Giới thiệu STM32F103C8T6

STM32F103C8T6 là một trong những vi điều khiển tầm trung thuộc họ

STM32F103x8 theo kiến trúc vi mạch RISC Bo mạch Blue Pill có chi phí thấp

có thể thay thế cho các bo mạch STM khác của hãng STMicroelectronics Giá của Blue Pill ở khoảng 2-3 $

Bộ vi điều khiển STM32F103C8T6 có các chân GPIO, bộ xử lý, bộ nhớ, cổng USB, bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital và các thiết bị ngoại vikhác Một lõi ARM Cortex với tốc độ đáng kinh ngạc 72 MHz và hiệu suất nănglượng tương đối.

Bo mạch STM32F103C8T6 blue-pill có lõi ARM 32-bit Cortex-M3 RISC với

bộ dao động bên trong 4 -16 MHz Nó là một chip công nghệ flash CMOS Chip này có 37 chân GPIO và 10 chân Analog Nó có một số giao thức giao tiếp hiện đại như CAN và USB

Các thiết bị ngoại vi cung cấp khả năng điều khiển vượt trội bo mạch vì nó hoạt động với điện áp rất thấp, vì vậy nó phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp

Nó có một bộ watchdog và window watchdog timer để bo mạch vận hành chính xác các dòng lệnh

II.1.1.1 Thông số kĩ thuật

Bộ nhớ flash 64/128 KiloBytes

 7 bộ timer khác nhau để có các tốc độ lấy mẫu giá trị analog khác nhau

 Một giao thức nối tiếp JTAG (Joint Test Action Group) để gỡ lỗi và kiểm tra bộ vi điều khiển

 Xung nhịp PLL để tạo sự ổn định bằng cách xử lý tín hiệu đầu ra và đầu vào

 Bộ timer Watchdog để quan sát các lỗi trong quá trình nhận và truyền tín hiệu

II.1.1.2 Sơ đồ chân

– 5V– GND

1 Điện áp hoạt động đầu ra

2 Chân cấp nguồn ở cổng USB hoặc nguồn 5V bên ngoài

3 Chân nối đất

Chân Analog PA0-PA7, PB0-PB1 Chân ADC độ phân giải 10,

15 chân điều chế độ rộng xung

Giao tiếp dữ liệu nối

tiếp ( UART )

TX1, RX1, TX2, RX2, TX3, RX3

Chân RTS, CTS USART

MISO1, MOSI1, SCK1, CS0

2 chân SPI

I2C SCL1, SCL2, SDA1, SD2 Chân dữ liệu I2C và chân xung

nhịp

 Ngắt ngoài: Ngắt phần cứng được thực thi khi phát hiện sự thay đổi của các tín hiệu bên ngoài.

 PWM: Tổng cộng 15 chân điều chế độ rộng xung để tạo tín hiệu điện áp tương tự analog từ các đầu ra PWM digital

 RTS / CTS: Request-to-Send / Clear-to-Send là một giao thức đảm bảo kiểm soát việc truyền và nhận dữ liệu

 SPI : giao thức để giao tiếp giữa bộ vi điều khiển và thiết bị ngoại vi

 CAN: đường bus truyền dữ liệu theo hai hướng

 I2C : Một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp khác để truyền dữ liệu đồng bộ

II.1.2 Cảm biến khí gas MQ2

MQ2 là 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 không khí sạch Nhưng khi trong môi 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 MQ2 càng cao MQ2 hoạt động rất tốt trong môi 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

II.1.2.1 Thông số kĩ thuật

 DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

 AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

 Cấu tạo từ chất bản dẫn Sno2

 Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)

- Dạng tín hiệu : TTL đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực

tiếp Relay, Còi công suất nhỏ )

- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở

- Sử dụng LM393 để chuyển AO > DO

II.1.2.2 Sơ đồ chân

Sơ đồ chân MQ2

- Trong đó:

o Chân 1,3 là A

o Chân 2,5 là B

o Chân 4,6 là C

II.1.2.3 Ứng dụng

Được sử dụng để phát hiện cácloại khí như :

+ LPG : là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, ở thể khí LPG trong dân dụng

và công nghiệp chủ yếu có thành phần gồm Propane

+ Iso Butan ( C4H10 )

+ Propan : C3H8

+ Mêtan : CH4

+ Rượu : ROH

 Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặcthiết bị cảnh báo khác.

 Nhựơc điểm:

 Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 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 công Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1 Cho khí ga

từ bật lửa rò 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

II.1.3.Giới thiệu màn hình hiển thị LCD 16x2

Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụngtrong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưuđiểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng(chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều

giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giáthành rẻ,…

- Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD

- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1":

+ Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ

“đọc” - read)

+ Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trongLCD

- Chân số 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic

“0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc

- Chân số 6 - E : chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân này như sau:

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

- Chân số 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)

- Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn nền

- Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn nền

II.1.4.Mạch nguyên lý

II.1.5.Mạch phần cứng

II.2 Thiết kế phần mềm - Arduino IDE

Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated DevelopmentEnvironment) là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code đểnạp vào bo mạch Arduino

Một chương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng ino

Giao diện của Arduino IDE

Verify Kiểm tra lỗi và biên dịch code

Upload Dịch và upload code vào bo mạch đã được

cài đặt sẵn

Save Lưu sketch

SerialMonitor

Mở serial monitor

Serial Monitor là thành phần của Arduino IDE, giúp bo mạch và

máy tính có thể gửi và nhận dữ liệu với nhay qua giao tiếp USB Để

mở màn hình Serial Monitor, chúng ta chọn Tool > Serial Monitor