ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH CẢNH BÁO CHÁY

LỜI CẢM ƠNChúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông của “Trường Đại Học Công Ngiệp Hà Nội” đặc biệt là cô giáo “

4TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC MẠCH CẢNH BÁO CHÁY

GVHD: Vũ Thị Hoàng Yến SVTH: Phạm Lê Minh

Đinh Đức Thắng

Đỗ Văn Quang Nguyễn Tiến Đạt Mai Thành Quang LỚP, KHÓA: Điện tử 04 – K16 MSSV: 2021603598

2021603088 2021603515 2021603944 2021603551

HÀ NỘI, THÁNG 12 NĂM 2021

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đối với các thầy

cô Khoa Công Nghệ Điện Tử Viễn Thông của “Trường Đại Học Công Ngiệp

Hà Nội” đặc biệt là cô giáo “Vũ Thị Hoàng Yến” một người giáo viên chăm

chỉ, tận tụy hết mình trong việc giảng dạy học trò Chúng em đã trải qua bao ngày tháng học tập được cô chỉ dẫn, dạy bảo tận tình để trau dồi những kiến thức bổ ích làm hành trang cho chúng em tự tin hơn khi mai sau đi làm, cống hiến cho xã hội và đất nước Và chúng em, những tân sinh viên của Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội (HAUI) muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc, chân thành nhất đến thầy/cô, các anh chị đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt bài báo cáo

Đây là lần đầu tiên chúng em làm một bài báo cáo nên còn rất nhiều điều bỡ ngỡ và non nớt Vậy nên chúng em mong cô có thể thông cảm và bỏ qua cho những sai xót trong bài báo cáo của chúng em.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2021

Sinh viên

Phạm Lê Minh Đinh Đức Thắng

Đỗ Văn Quang Nguyễn Tiến Đạt Mai Thành Quang

MỤC LỤC

Lời cảm ơn……… 2

Mục lục……… 3

Các từ viết tắt……… 5

Mở đầu………6

Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy……… 7

1.1 Quy định chung về hệ thống báo cháy……….7

1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas)………8

1.3 Ý tưởng……… 10

1.4 Sơ đồ khối……… 11

1.5 Nguyên lý hoạt động……… 12

1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến………12

1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm……… 12

1.6 Lưu đồ thuật toán………13

Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài ……… 17

2.1 Giới thiệu tổng quan về nhiệt điện trở Thermistor……… 17

2.1.1 Sơ đồ khối của AT89S52……….………17

2.1.2 Những đặc trưng của AT89S52……… 18

2.1.3 Sơ đồ chân và chức năng của AT89S52……… 18

2.2 Màn hình LCD HD44780……… 22

2.2.1 Hình dáng và kích thước……… 22

2.2.2 Chức năng các chân……….23

2.3 Cảm biến gas MQ-6………24

2.4 Cảm biến nhiệt LM35……….26

2.5 LM358………28

2.6 PC817 (Opto)……… 29

2.7 Module thu phát RF………30

Chương 3: Sơ đồ mạch và tính toán ……….……… 31

3.1 Khối vi xử lý trung tâm……….……… 31

3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF……….………….…31

3.1.2 Điều khiển chuông……… 32

3.1.3 Điều khiển Relay……… 33

3.2 Khối cảm biến……….34

3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo……… 35

3.2.2 Sơ đồ mạch so sánh điện áp……….36

3.2.3 Mạch ghép quang với module phát RF………37

Chương 4: Xây dựng code ……….38

Kết luận và hướng phát triển đề tài……… 39

Phụ lục……… 42

Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo và chữa cháy” Hệ thống sẽ giúp phát hiện các nguy cơ gây cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy hoặc từ sự thay đổi nhiệt độ thông qua các cảm biến, từ đó sẽ có các hướng xử lýnhư phát chuông cảnh báo hoặc ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy

Để thực hiện nội dung này, đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy

Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài

Chương 3: Sơ đồ mạch và tính toán

Chương 4: Xây dựng code

Phương pháp nghiên cứu chúng tôi sử dụng xuyên suốt đề tài là xây dựng các lưu đồ thuật toán, tính toán thiết kế mạch, viết code và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế, code và các lưu đồ thuật toán vừa xây dựng

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Võ Tuấn Minh cùng những kiến thức đã học từ các thầy cô, học hỏi từ bạn bè và tự tìm tòi trên Internet, nhóm chúng tôi đã hoàn thành hệ thống cảnh báo và chữa cháy có vi xử lý giao tiếp RF với module cảm biến cùng 3 chế độ cảnh báo được nhập từ bán phím, tự động ngắt điện và kích hoạt hệ thống chữa cháy khi có cảnh báo nguy hiểm

Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy

1.1 Quy định chung về hệ thống báo cháy

Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ các yêu cầu, quyđịnh của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan và phải được cơ quanphòng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận

Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra

- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để nhữngngười xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp

- Có khả năng chống nhiễu tốt

- Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống

- Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác được lắp đặt chung hoặc riêngrẽ

- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện racháy

- Hệ thống báo cháy tự động phải đảm bảo độ tin cậy Hệ thống này phải thựchiện đầy đủ các chức năng đã được đề ra mà không xảy ra sai sót

Những tác động bên ngoài gây ra sự cố cho một bộ phận của hệ thống khôngđược gây ra những sự cố tiếp theo trong hệ thống

Hệ thống báo cháy tự động bao gồm các bộ phận cơ bản:

- Trung tâm báo cháy

- Đầu báo cháy tự động

(Nguồn: TCVN 5738:2000)

1.2 Ý tưởng

Dựa trên các thông số thực tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm chúng tôi

sử dụng các cảm biến nhiệt phát hiện sớm những trường hợp có thể gây hỏa hoạn từcác module cảm biến, sau đó truyền tín hiệu bằng sóng radio (RF) về nguy cơ cháyđến khối xử lý trung tâm Khối này sẽ cảnh báo nguy cơ cháy đến chủ nhà và thựchiện các biện pháp chữa cháy như đã được lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầudao tổng)

1.3 Nguyên lý hoạt động

Ban đầu khi ở nhiệt độ phòng (10k ohm), cảm biến nhiệt Transitor BJT NPN sẽ dẫn dòng điện đến dây nối đất Khi xảy ra cháy, hỏa hoạn nhiệt độ tăng cao cảm biến nhiệthoạt động dẫn dòng điện thông qua diode 1N4007 biến dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), lúc này nhiệt điện trở thermistor giảm điện trở cho phép dòng điện thông qua và đi đến loa (Buzzer) cảnh báo cháy

1.4 Mục tiêu của đồ án

Ngày nay, tốc độ đô thị hóa tăng nhanh, nhiều khu dân cư, tổ hợp nhà cao tầng được xây dựng, nhiều loại vật liệu dễ cháy được sử dụng để xây dựng các công trình này Điều đó đồng nghĩa với nguy cơ cháy, nhất là cháy lớn, cháy gây thiệt hại nghiêm trọng cũng ngày càng gia tăng

Thực tế cho thấy, thời gian qua ở nước ta, cùng với sự phát triển đa dạng của nền kinh

tế thị trường, tình hình cháy, nổ cũng diễn biến hết sức phức tạp Song song với các yếu tố tích cực tác động đến công tác phòng cháy, chữa cháy, đã và đang xuất hiện nhiều nguy cơ làm mất an toàn về phòng cháy, chữa cháy Chỉ tính trong 05 năm (2012 - 2016) trên toàn quốc đã xảy ra 11.461 vụ cháy, làm chết 360 người, bị thương

957 người, thiệt hại về tài sản do cháy gây ra ước tính trị giá hơn 6.147 tỉ đồng, trong

đó có 140 vụ cháy lớn, làm chết 03 người, bị thương 37 người, gây thiệt hại về tài sản ước tính hơn 4.776 tỉ đồng Trong 09 tháng đầu năm 2017, cả nước xảy ra 3.179 vụ

cháy, làm chết 73 người, bị thương 145 người, gây thiệt hại về tài sản ước tính 1.658 tỉđồng Trung bình mỗi năm xảy ra 2.230 vụ cháy, làm chết 72 người, bị thương 191 người, thiệt hại khoảng 1.229 tỉ đồng Trung bình mỗi ngày xảy ra 6 vụ cháy gây thiệt hại về tài sản khoảng 3,4 tỷ đồng; cứ 05 ngày có 01 người chết, 02 ngày có 01 người

bị thương do cháy, nổ gây ra Giá trị thiệt hại do cháy, nổ gây ra ở các thành phố lớn

và các tỉnh có khu công nghiệp, đô thị phát triển chiếm tới trên 70% tổng giá trị thiệt hại Nếu tính cả thiệt hại gián tiếp (ngừng sản xuất kinh doanh; đầu tư khôi phục sau cháy, nổ ) thì tổng thiệt hại sẽ tăng lên gấp nhiều lần Nhiều vụ cháy đã để lại hậu quả nặng nề cho con người, tác động xấu đến môi trường, ảnh hưởng đến trật tự, an toàn xã hội

Qua đó, đồ án này ra đời nhằm cảnh báo và phòng ngừa những nguy cơ hỏa hoạn, giúp bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân một cách hiệu quả

1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến

Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài

2.1 Giới thiệu tổng quan về nhiệt điện trở Thermistor

2.1.1 Định nghĩa

Thermistor (biến trở nhiệt độ), ở trạng thái rắn, là thiết bị điện để phát hiện sự thay đổi nhiệt độ dựa trên điện trở vật liệu thay đổi, nó được sử dụng trong nhiệt kế, điện trở nhiệt, chức năng điều khiển dòng,…Điện trở nhiệt cũng là một điện trở nhạy cảm với nhiệt độ Trong khi cặp nhiệt điện là đầu dò nhiệt độ linh hoạt nhất và PRTD thì ổn định nhất,từ ngữ tốt nhất diên tả các thermistor là độ nhạy cảm Trong 3 loại chính của cảm biến, điện trở nhiệt có sự thay đổi đối với nhiệt độ là lớn nhất

2.1.2 Cấu tạo

Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ vàkhối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Và mức độ dẫn điệncủa hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.

Điện trở nhiệt nói chung được tạo bởi các vật liệu bán dẫn Mặc dù các hệ số nhiệt độ làdương, nhưng điên trở nhiệt lại có hệ số nhiệt độ âm, nghĩa là, điện trở của chúng giảmkhi nhiệt độ tăng Khi tính toán ngược lại như vậy trên độ bách phân, các điện trở nhiệt

có thể nhận diện được sự thay đổi nhiệt độ trong 1 phút mà RTD hay cặp nhiệt điệnkhông thể phát hiên được Sự phản ứng tính nhạy cảm này không phải là hàm tuyếntính.Điện trở nhiệt là 1 thiết bị phi tuyến cùng với các tham số quá trình là rất lớn Dođó,các điển trở nhiệt không được tiêu chuẩn hóa so với các RTD và Nhưng cặp nhiệtđiện đã được tiêu chuẩn hóa Đường cong của 1 điện trở nhiệt riêng biệt thì có thể đượcxấp xỉ qua phương trình Steinhart-Hart

1/T = A + B * lnR + C * (ln R)3 Trong đó:

 T: Nhiệt độ Kelvin

 R: điện trở của điện trở nhiệt

 A, B, C: Hằng số điều chỉnh đường cong

 A, B và C được tìm thấy bằng cách chọn 3 điểm trên đường cong dữ liệu và hệ 3phương trình 3 ẩn

Khi các điểm dữ liệu được lựa chọn không quá 100 0C trongphạmvi nhiệt độ của điệntrở nhiệt,thì sẽ tạo ra đường cong phù hợp

Việc tính toán sẽ nhanh hơn bằng 1 phương trình đơn giản hơn:

T = B/(lnR – A) – C

Trong đó A, B, C được tìm thây bằng việc lựa chọn 3 tọa độ (R, T) và giải ba phươngtrình đông thời Phương trình này phải được áp dụng trong khoảng nhiệt độ hẹp hơn đểtiệm cận chinh xác của phương trình Steinhart_Hart

Các sáng chế hiện nay liên quan đến chất bán dẫn oxide cho thermistors để sử dụng nhưcảm biến chủ yếu trong một phạm vi nhiệt độ 200 – 5000C, một hiện thân trong đó baogồm 5 loại nguyên tố kim loại 60 – 98.5% của nguyên tử Mn, 0.1 – 5 % nguyên tử của

Ni , 0.3 – 5 % của nguyên tử Cr, 0.2 – 5 % của nguyên tử Y và 0.5 - 28% nguyên tử của

Zr, các chất bán dẫn oxide cho các nhiệt điện trở có một tính năng tuyệt vời đặc trưngnhư bộ cảm biến nhiệt độ để sử dụng trong phạm vi nhiệt độ trung binh và cao; đó là,đưa ra như một sự thay đổi điện trở nhỏ với thời gian như trong ± 5% ở nhiệt độ từ 200 -5000C, nó thích hợp nhất cho các ứng dụng đo nhiệt độ mà độ tin cậy cao là cần thiết ởnhiệt độ cao Nhiệt điện trở chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 – 150D.C

do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đíchbảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt – mít Cái Block lạnh nào cũng cómột vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ

2.1.3 Phân loại

Nhiệt điện trở có thể phân thành 2 loại: PTC và NTC

Trong đó:

 ∆R: Khoảng biến thiên điện trở

 ∆T: Khoảng biến thiên nhiệt độ

2.1.3.2 Nhiệt điện trở NTC

Là điện trở có hệ số nhiệt âm, có bản chất là các điện trở bán dẫn có điện trở giảm khinhiệt độ tăng Điện trở của NTC giảm mạnh khi nhiệt độ gia tăng Từ 0 0C đến 1500Cđiện trở của NTC giảm đi 100 lần

2.2 Diode 1N4007

2.2.1 Diode là gì ?

Điốt (Diode) bán dẫn hay còn gọi là Điốt, là một linh kiện điện tử bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ngược lại Điốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode Mạch chỉnh lưu là một mạch điện điện tử chứa các linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay

chiều thành dòng điện một chiều Mạch chỉnh lưu được dùng trong các bộ nguồn một chiều hoặc mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến trong các thiết bị vô tuyến Trong mạch chỉnh lưu thường chứa các Điốt bán dẫn để điều khiển dòng điện và các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Điốt là linh kiện bán dẫn đầu tiên Khả năng chỉnh lưu của tinh thể được nhà vật lý người Đức Ferdinand Braun phát hiện năm 1874 Điốt bán dẫn đầu tiên được phát triển vào khoảng năm 1906 được làm từ các tinh thể khoáng vật như galena Ngày nayhầu hết các đi ốt được làm từ silic, nhưng các chất bán dẫn khác như

selen hoặc germani thỉnh thoảng cũng được sử dụng

Các điốt tín hiệu và chuyển mạch nhỏ có công suất và xếp hạng dòng điện thấp hơn nhiều, khoảng 150mA, tối đa 500mW so với điốt chỉnh lưu, nhưng chúng có thể hoạt động tốt hơn trong các ứng dụng tần số cao hoặc trong các ứng dụng cắt và chuyển đổi

xử lý các dạng sóng xung thời gian ngắn

2.2.2 diode 1N4007 là gì?

Diode 1N4007 là một diode chỉnh lưu tiếp giáp PN Những loại điốt này chỉ cho phép

dòng điện chạy theo một hướng duy nhất Vì vậy, nó có thể được sử dụng để chuyển đổi nguồn AC thành DC Điốt 1N4007 tương thích điện với các điốt chỉnh lưu khác và

có thể được sử dụng thay cho bất kỳ diode nào thuộc dòng 1N400X 1N-4007 có các ứng dụng thực tế khác nhau, ví dụ như các ứng dụng điốt, chỉnh lưu mục đích chung

của nguồn điện, bộ biến tần, bộ chuyển đổi, vv

 1N 4007 có tổng số hai (2) chân tương ứng là cực dương và cực âm.

 Có các điện tích trái dấu trên cả hai chân, cả hai chân cùng với tên và điện tích của chúng được đưa ra trong bảng dưới đây

2.2.3 Ứng dụng

1N4007 có rất nhiều ứng dụng thực tế trong Hệ thống nhúng, một số ứng dụng chính liên quan đến diode cụ thể được đưa ra dưới đây:

 Bộ chuyển đổi

 Đối với mục đích chuyển đổi trong các hệ thống nhúng

 Ứng dụng điốt bánh xe miễn phí

 Biến tần

 Mục đích chung cải chính nguồn cung cấp điện

 Để tránh dòng điện ngược & bảo vệ Vi điều khiển như Vi điều

khiển Arduino hoặc PIC, v.v

2.3 Tụ điện

2.3.1 Định nghĩa

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện tích bị chậm pha so với điện áp,tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui Mặc dù các hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện

Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra

electron – nó chỉ lưu trữ chúng Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh Đây là một

ưu thế của nó so với ắc qui

Tụ điện có ký hiệu là C viết tắt của Capacitior Đơn vị của tụ điện là Fara (F), có trị sốrất lớn và trong thực tế người ta thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như: 1µF=10-

6 F; 1ηF=10-9 F; 1pF=10-12 F Các kí hiệu thường thấy trong bảng mạch là:

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý phóng nạp của tụ điện được hiểu là khả năng tích trữ năng lượng điện như một ắc quy nhỏ dưới dạng năng lượng điện trường Nó lưu trữ hiệu quả các electron

và phóng ra các điện tích này để tạo ra dòng điện Nhưng nó không có khả năng sinh

ra các điện tích electron Đây cũng là điểm khác biệt lớn của tụ điện với ắc qui

Nguyên lý nạp xả của tụ điện là tính chất đặc trưng và cũng là điều cơ bản trong nguyên lý làm việc của tụ điện Nhờ tính chất này mà tụ điện có khả năng dẫn điện xoay chiều Nếu điện áp của hai bản mạch không thay đổi đột ngột mà biến thiên theo thời gian mà ta cắm nạp hoặc xả tụ rất dễ gây ra hiện tượng nổ có tia lửa điện do dòng điện tăng vọt Đây là nguyên lý nạp xả của tụ điện khá phổ biến

2.4 Điện trở

2.4.1 Khái niệm điện trở

Điện trở (Resistor) là một linh kiện điện tử thụ động với 2 tiếp điểm nối Chức năngcủa nó dùng để điều chỉnh mức độ tín hiệu, hạn chế cường độ dòng điện chảy trongmạch Dùng để chia điện áp, kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor,tiếp điểm cuối trong đường truyền điện đồng thời có trong nhiều ứng dụng khác