Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng KIT MSP-EXP430G2

Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng KIT MSP-EXP430G2

MỤC LỤC

Chương 1 Phân tích tính toán 3

1.1 Mục đích đề tài 3

1.2 Giải pháp thiết kế 3

1.2.1 Sơ đồ khối 3

1.2.2 Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối 4

1.3 Lựa chọn linh kiện 4

1.3.1 Bộ vi điều khiển 5

1.3.2 các linh kiện liên quan 13

Chương 2 Thiết kế và thực thi 19

2.1 Thiết kế phần cứng 19

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý 19

2.1.2 Sơ đồ mạch in 19

2.2 Thiết kế phần mềm 20

2.2.1 Lưu đồ thuật toán 20

2.2.1 Mã nguồn chương trình 20

2.3 Một số hình ảnh sản phẩm 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.2.1 Sơ đồ khối 3

Hình 1.2.2 Khối nguồn 4

Hình 1.2.3 Khối cảm biến 4

Hình 1.2.4 Khối xử lý 4

Hình 1.2.5 Khối cảnh báo 5

Hình 1.3.1 Kiến trúc vi điều khiển MSP430 6

Hình 1.3.2 Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của họ vi điều khiển MSP 430 7

Hình 1.3.3 Trật tự sắp xếp 1 byte, bits, bytes, và words bộ nhớ 8

Hình 1.3.4 Sơ đồ chân 8

Hình 1.3.5 Bảng (1) sơ đồ chức năng các chân 10

Hình 1.3.6 Bảng (2) sơ đồ chức năng các chân 11

Hình 1.3.8 Địa chỉ các thanh ghi Error! Bookmark not defined.3 Hình 1.3.9 Sơ đồ bên trong của MQ-2 144

Hình 1.3.10 Cảm biến MQ-2 144

Hình 1.3.11 Sơ đồ mắc modul MQ-2 155

Hình 1.3.12 Chuông báo 166

Hình 1.3.13 Điện trở 166

Hình 1.3.14 Led đơn 166

Hình 1.3.15 Công tắc gạt 177

Hình 1.3.16 Relay 177

Hình 1.3.17 Opto (cách ly quang) 177

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý 19

Hình 2.2 Sơ đồ mạch in 19

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán 20

Hình 2.4 Mã nguồn chương trình 20

Hình 2.5 Một số hình ảnh sản phẩn 21

Chương 1 Phân tích tính toán 1.1 Mục đích đề tài

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng cho

các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn

giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hội như:

Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động… cho đến những ứng

dụng lớn như Robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… Các hệ

thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động

hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, relay cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị

máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử

lý và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền

tảng của các hệ thống nhúng

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệ

của cuộc sống hiện đại, em cũng muốn góp thêm phần phát triển xã hội bằng cách học

hỏi và đưa ra những sản phẩn có ích cho cuộc sống Em xin giới thiệu một sản phẩm rất

thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng KIT

MSP-EXP430G2”

Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tập thể

hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sẽ

cannhr báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để

tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra

1.2 Giải pháp thiết kế

1.2.1 Sơ đồ khối

Hình 1.2.1 Sơ đồ khối

1.2.2 Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối

- Công suất tiêu tán cực thấp

- 5 chế độ tiết kiệm năng lượng

- Wake-up nhanh từ chế độ Standby<1us

- Có nhiều nguồn xung clock để lựa chọn

- Cấu trúc RISC-16 bit CPU cho phép người sử dụng thiết kế được nhiều ứng dụng

- Tối ưu hóa cho những chương trình ngôn ngữ bậc cao như C, C++

- Giao diện truyền thông nối tiếp:

 Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độ Baud

 Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)

 Chuẩn giao tiếp động bộ SPI

 Chuẩn giao tiếp I2C

- Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu và chốt

Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

- MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo có

sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp Với chế độ nguồn nuôi

từ khoảng 1,8 đến 3,6v và 5 chế độ bảo vệ nguồn

- Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ active thì dòng tiêu thụ là 200uA, 1Mhz, 2.2v; chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA và chế độ tắt chỉ duy trì bộ nhớ Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA

- MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi Thời gian chuyển chế độ từ chế độ standby sang chế độ active là rất nhỏ (< 6us) Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiển thị LCD 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU

- Một đặc điểm của họ MSP là khi MCU không có tín hiệu dao động ngoại, thì MSP

sẽ tự động chuyển sang hoạt động ở chế độ dao động nội

Hình 1.3.1 Kiến trúc vi điều khiển MSP430 Trong lập trình cho bộ nhớ Flash cho phép thay đổi Code một cách linh hoạt, phạm

vi rộng, bộ nhớ Flash còn có thể lưu lại như nhật ký của dữ liệu

 Không gian địa chỉ và bộ nhớ:

Cấu trúc vi điều khiển MSP430 có một địa chỉ không gian nhớ được chia sẻ với các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs), các bộ ngoại vi, RAM, và bộ nhớ Flash/ROM được biểu diễn trên hình vẽ Dữ liệu có thể được truy cập như là những byte hay những từ Không gian địa chỉ nhớ có thể mở rộng hơn nữa cho những thiết kế khác

Hình 1.3.2 Sơ đồ tổ chức bộ nhớ của họ vi điều khiển MSP 430

 Flash/ROM :

Địa chỉ bắt đầu của Flash/ROM phụ thuộc vào số lượng Flash/ROM hiện có và thay đổi tùy theo loại chip Địa chỉ kết thúc cho Flash/ROM là 0FFFFh Flash có thể được sử dụng cho cả mã và chương trình Những bảng từ hay byte có thể được cất và sử dụng trong Flash/ROM mà không cần bảng sao chép tới RAM trước khi sử dụng chúng

 RAM:

RAM có địa chỉ bắt đầu tại 0200h Địa chỉ kết thúc của RAM phụ thuộc vào số lượng RAM có và thay đổi tùy thuộc vào từng dòng vi điều khiển RAM có thể được sử dụng cho cả mã và dữ liệu

 Những khối ngoại vi:

Những module giao tiếp ngoại vi được xắp xếp vào không gian địa chỉ Không gian địa chỉ từ 0100h tới 01FFh được dành riêng cho module ngoại vi 16 bit Những module này có thể được truy cập với những từ chỉ dẫn(lệnh) Không gian địa chỉ từ 010h tới 0FFh được dành riêng cho module ngoại vi 8 bit

 Những thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs):

Một vài chức năng ngoại vi được cấu hình trong thanh ghi chức năng đặc biệt Những thanh ghi chức năng đặc biệt được nằm trong 16 byte thấp của không gian địa chỉ Những SFR phải được truy cập bằng việc sử dụng câu lệnh byte

 Truy cập bộ nhớ

Hình 1.3.3 Trật tự sắp xếp 1 byte, bits, bytes, và words bộ nhớ Những byte được nằm tại những địa chỉ chẵn hay lẻ Khi sử dụng từ chỉ dẫn, chỉ những địa chỉ chẵn có thể được sử dụng Những byte thấp của một từ luôn luôn là một địa chỉ chẵn Byte cao ở tại địa chỉ lẻ tiếp theo Ví dụ, nếu một từ dữ liệu nằm tại địa chỉ xxx4h, kết thúc byte thấp của từ dữ liệu nằm tại địa chỉ xxx4h, và byte cao của từ đó nằm tại địa chỉ xxx5h

Hình 1.3.4 Sơ đồ chân

 Chức năng từng chân của vi điều khiển MSP430G2553

Vi điều khiển MSP430G2553 có 2 port, mỗi port gồm 8 chân:

Port 1 : có 8 chân từ P1.0 đến P1.7 tương ứng với các chân từ 2 - 7 và 14, 15 Port 2 : cũng gồm có 8 chân P2.0 - P2.7 ứng với các chân 8 - 13, 18, 19

Ngoài chức năng I/O thì trên mỗi chân của các port đều là những chân đa chức

năng, ta thể thấy rõ trong bảng sau :

Hình 1.3.5 Bảng (1) sơ đồ chức năng các chân

Hình 1.3.6 Bảng (2) sơ đồ chức năng các chân

 Sơ đồ khối module Basic Clock

Hình 1.3.7 Sơ đồ khối module basic clock Module basic clock hỗ trợ cho hệ thống tiêu thụ năng lượng thấp và cực thấp Sử dụng 3 nguồn tín hiệu clock, người dùng có thể lựa chọn nguồn tốt nhất mang lại hiệu quả cao và tiêu thụ năng lượng thấp Module basic clock có thể được cấu hình hoạt động

mà không cần bất kì một thành phần bên ngoài nào như một điện trở ngoài, hoặc một thạch anh ngoài hay các bộ cộng hưởng, dưới sự hỗ trợ đầy đủ bằng kiểm soát phần mềm

Module bao gồm 2, 3 hoặc 4 nguồn xung clock:

- LFXT1CLK (Low-frequency/high-frequency oscillator): sử dụng được tần số thạch anh thấp hoặc nguồn xung ngoài 32768Hz hoặc thạch anh chuẩn, các bộ cộng hưởng hoặc nguồn xung trong khoảng 400-kHz đến 16 MHz

- XT2CLK (Optional high-frequency oscillator): sử dụng tần số thạch anh chuẩn,

bộ cộng hưởng hoặc nguồn xung ngoài trong phạm vi từ 400kHz đến 16MHz

- VCLOCK: là nguồn nội có công suất rất thấp, tần số thấp đặc trưng với tần số 12kHz

Có 3 tín hiệu Clock có sẵn trong module basic là:

- ACLK (Auxiliary clock): ACLK dùng cho các module ngoại vi Nguồn của nó

là s LFXT1CLK hoặc VLOCLK ACLK có thể được dùng để chia 1/2/4/8 lần

- SMCLK (Sub-main clock): SMCLK dùng cho các module ngoại vi, nó có nguồn là LFXT1CLK/VLOCKCLK/XT2CLK/DCOCLK SMCLK có thể chia 1/2/4/8 lần

MCLK (Master clock ): MCLK dùng cho các module ngoại vi, nó có nguồn là LFXT1CLK/VLOCKCLK/XT2CLK/DCOCLK MCLK có thể chia 1, 2, 4, hoặc 8 lần MCLK Dùng cho CPU và hệ thống

- Cấu trúc cổng nhập xuất số:

Nhập xuất thông dụng nhất là các tín hiệu số với 2 giá trị 0/1 (0/3,3V)

Các chip MSP430 có thể có từ 10-80 chân I/O số Mặc dù là chân nhập xuất số, các chân còn được dùng cho các khối khác như Timer, ADC… khi tái khởi động các chân đều là I/O số Chẳng hạn chân P1.0 còn được dùng làm TACLK…

 Các thanh ghi của P1:

Port P1 direction, P1DIR: Xác định hướng truyền dữ liệu Nếu bit i=0, chân P1.i

sẽ là INPUT Nếu bit i=1, chân P1.i sẽ là OUTPUT Khi khởi động các bit P1DIR có giá trị mặc định là 0

Port P1 resistor enable, P1REN: Bật một bit của thanh ghi này lên 1 sẽ kick hoạt

điện trở kéo xuống tại chân tương ứng

Port P1 selection, P1SEL: Chọn chân tương ứng là chân nhập xuất số (0- giá trị

mặc định khi khởi động) hoặc có khả năng khác (1)

Port P1 interrup enable, P1IE: Cho phép ngắt trên chân tương ứng nếu bật lên 1,

cấm ngắt nếu bit tương ứng là 0

Port P1 interrup edge select, P1IES: Chon cạnh lên để tạo ngắt nếu bit tương

ứng là 0, hoặc cạnh xuống nếu là 1 Thanh ghi này chỉ có hiệu lực nếu thanh ghi P1IE đã

Port P1 interrup flag, P1IFG: Là thanh ghi chứa các cờ ngắt Khi một chân được

bật cho phép ngắt và có sự thay đổi tín hiệu đúng như thanh ghi P1IES đặt thì cờ ngắt tương ứng chân này bật lên Nếu GIE đã bật thì ISR sẽ được thực thi

 Địa chỉ các thanh ghi vào/ra

MSP430 được cấu hình để làm việc với BYTE, điều này sẽ gây khó khăn cho người lập quen làm việc với BIT Để có thể làm việc với BIT ta phải định nghĩa lại địa chỉ của thanh ghi điều khiển PORT

Hình 1.3.8 Địa chỉ các thanh ghi

1.3.2 Các linh kiện liên quan

 Cảm biến MQ-2 :

Cảm biến MQ-2 (được sử dụng trong nhà và các nhà máy của các thiết bị khí giám sát rò rỉ, thăm dò là phù hợp với khí hóa lỏng, butan, propan, khí mê-tan, rượu, khí hydro, khói, vv.) Khí, khói phát hiện khoảng 300 đến 10000ppm khí đặc trưng, độ nhạy

70%

MQ-2 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 MQ-2 càng cao

MQ-2 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

Hình 1.3.9 Sơ đồ bên trong của MQ-2

Sơ đồ chân :

Hình 1.3.10 Cảm biến MQ-2 Trong đó:

Chân 1,3 là A

Chân 2,5 là B

Chân 4,6 là C

- Sơ đồ mắc Modul MQ-2 :

Hình 1.3.11 Sơ đồ mắc modul MQ-2 Trong mạch có 2 chân đầu ra là Aout và Dout Trong đó:

Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3~4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung

quanh MQ2

Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà

MQ2 đo được

- Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta 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 MQ2 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

- Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng 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 mạch, để xác định điểm cảnh báo ta có thể làm một cách thủ công như sau: 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 gas 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 ta sẽ cảnh báo

Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L393 = Vout2

Sử dụng chuông báo để khi mạch phát hiện có sự rò rỉ khí gas chuông sẽ kêu lên

để chúng ta có thể kịp thời khắc phục sự cố rò gas

về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn

Cụ thể trong mạch này Opto có nhiệm vụ cách ly khối có điện áp 3,3v với khối có điện áp 5v

Chương 2: Thiết kế và thực thi 2.1 Thiết kế phần cứng

2.1.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý

2.1.2 Sơ đồ mạch in

Hình 2.2 Sơ đồ mạch in

2.2 Thiết kế phần mềm

2.2.1 Lưu đồ thuật toán

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán