Đồ án thiết kế hệ thống đo cơ điện tử đề tài xây dựng hệ thống đo và cảnh báo cháy

Chương 1:Tổng quan về hệ thống đo cảnh báo cháy 1.1 Tổng quan:  Hệ thống đo cảnh báo cháy tự động là hệ thống bao gồm tập hợp các thiết bị có nhiệm vụ phát hiện và báo động khi có cháy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Khoa Cơ khí Chuyên ngành Cơ - Điện tử

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Xây dựng hệ thống đo và cảnh báo cháy

Lớp K54CĐT.01

Giáo viên hướng dẫn : Ngô Ngọc Vũ

Sinh viên thực hiện : Chu Thăng Long

Mã số sinh viên : K185520114029Sinh viên thực hiện : Trần Trung Kiên

Mã số sinh viên : K185520114024

Thái Nguyên - 2021

Mục lục

Lời nói đầu 2

Chương 1: 3

1.1 Tổng quan: 3

1.2 Phân tích yêu cầu: (hệ thống cảnh báo cháy đối với khí gas) 3

1.3 Thông số kỹ thuật cần đạt được: (thực hiện theo TCVN 5738:2000) 5

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo 6

2.1 Sơ đồ khối hệ thống: 6

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến: 7

 Cảm biến lửa: 7

 Cảm biến khói - gas: 8

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển: 13

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu: 17

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống: 18

2.6 Lưu đồ thuật toán: 19

Chương 3: Thi công và đánh giá sản phẩm 20

3.1 Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống: 20

3.2 Quá trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch: 21

3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống: 23

Phụ lục 25

Lời nói đầu

Trong cuộc sống hiện đại, việc phòng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâmhang đầu vì quanh ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy có thể gây thiệt hại nặng

nề về người và của Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy và chữa cháy có vai tròrất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lý kịp thời các đám cháy khi con người chưathể xử lí và can thiệp được

Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Xây dựng hệ thống đo

và cảnh báo cháy đơn giản” Hệ thống giúp phát hiện các nguy cơ cháy từ rò rỉ gas,các khí dễ cháy Từ đó sẽ có hướng xử lí như ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữacháy

Chương 1:

Tổng quan về hệ thống đo cảnh báo cháy

1.1 Tổng quan:

 Hệ thống đo cảnh báo cháy tự động là hệ thống bao gồm tập hợp các thiết bị

có nhiệm vụ phát hiện và báo động khi có cháy hoặc rỏ rí khí gây cháy nổxảy ra Việc phát hiện ra các tín hiệu cháy được thực hiện tự động bởi cácthiết bị và hoạt động liên tục trong 24/24

 Với chức năng cảnh báo sớm, hệ thống có nhiệm vụ phát hiện sớm các nguy

cơ cháy nổi tại các vị trí đặt cảm biến Ngoài ra hệ thống có khả năng tíchhợp các hệ thống kỹ thuật khác phục vụ công tác chữa cháy giúp hạn chế tối

đa thiệt hại về con người và tài sản

1.2 Phân tích yêu cầu: (hệ thống cảnh báo cháy đối với khí gas)

 Các chất khí có khả năng cháy nổ cao đều rất nguy hiểm Trong điều kiệnsinh hoạt, làm việc hàng ngày chúng ta thường tiếp xúc với các chất khí hóalỏng(gas nấu bếp) hoặc các chất dành cho các ngành công nghiệp như Hidro,Axetylene…

 Bản chất của quá trình cháy là do nguồn nhiên liệu (chất khí gây cháy) rò rỉ

và trộn lẫn vào không khí Khi nồng độ này đến mức vừa đủ trong không khíthì nó có khả năng phát cháy nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động củanguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời )

 Nổ là quá trình cháy rất nhanh do đó tạo ra một khoảng áp suất rất lớn trongphạm vi cháy và sẽ phát nổ Vậy muốn cháy được nhanh phải có các điềukiện cần và đủ là:

 Chất gây cháy hòa trộn với tỷ lệ phù hợp trong không khí, hay nói cáchkhác với oxi có sẵn trong không khí

 Được kích hoạt bởi tia lửa.

 Do đó khoảng không gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí đó có đủ oxi đểcháy vẫn là khoảng cách an toang Và, khoảng không gian có quá ít khí gas

để cháy cũng rất an toang Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bêntrên ngưỡng có thể phát cháy được (UFL) và bên dưới ngưỡng không thểcháy được (LFL)

 Dựa trên các thông số thực tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm đã

sử dụng các cảm biến (khí gas, nhiệt độ, khói…) phát hiện sớm nhữngtrường hợp có thể gây hỏa hoạn từ các module cảm biến, sau đó truyền tín

hiệu bằng sóng radio (RF) về nguy cơ cháy đến khối xử lý trung tâm Khốinày sẽ cảnh báo nguy cơ cháy đến chủ nhà và thực hiện các biện pháp chữacháy như đã được lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng).

1.3 Thông số kỹ thuật cần đạt được: (thực hiện theo TCVN 5738:2000)

 Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ các yêu cầu,quy định của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan và phải được

cơ quan phòng 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 biên 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 hoặcriêng rẽ

 Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiên

Chương 2: Thiết kế hệ thống đo

 Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện DC có điện áp 9V để cung cấp cho hoạtđộng của mạch.

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến:

 Cảm biến lửa:

 Cảm biến phát hiện lửa Flame sensor KY-026 dùng để phát hiện lửa, thườngđược dùng trong các hệ thống báo cháy Tầm hoạt động trong khoảng 80cmvới góc quét 60º

 Cảm biến nhận biết được lửa tốt nhất với bước sóng 760nm – 1100nm.Mạch còn được tích hợp IC LM393 để so sánh tọa mức tín hiệu và có thểchỉnh được độ nhạy bằng biến trở

 Tính năng của cảm biến:

 Khả năng phát hiện lửa hoặc nguồn sáng có bước sóng tương tự

 Sử dụng cảm biến hồng ngoại YG1006 với tốc độ đáp ứng nhanh và độnhạy cao

 Tích hợp IC LM393 để chuyển đổi ADC, tạo 2 ngõ ra cả số và tương tự,rất linh động trong việc sử dụng

 Biến trở để tùy chỉnh độ nhạy cảm biến

 Vcc: 3.3V-5.3V

 GND: nối đất

 Ao: Analog output

 Do: digital output

 Ao cho tín hiệu tương tự

 Cảm biến khói - gas:

 Có nhiều loại cảm biến giúp phát hiện cháy nổ: cảm biến khí gas (MQ2,MQ5, MQ7…), đèn led hồng ngoại…

 Đèn led hồng ngoại: độ nhạy với khí gas không cao, thời gian đáp ứngchậm

 Cảm biến khí gas: độ nhạy cao với các khí gas, khí dễ gây cháy nổ, thờigian đáp ứng nhanh hơn so với đèn led hồng ngoại

 Nhóm em chọn module cảm biến khí gas MQ2 cho hệ thống cảnh báo cháybởi:

 Cảm biến khí gas MQ2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng

để nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane, Alcohol, Hydrogen,Smoke và khí gas

 MQ2 có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh

 Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài

 Phạm vi giá trị cảm biến để nhận biết nồng độ khí gas của MQ2 phù hợphơn so với các loại cảm biến khác (MQ5 MQ7…)

Hình 2.4: Module cảm biến khí gas MQ2

 Sơ lược về cảm biến:

 Chân cảm biến:

- VCC: chân cấp nguồn cho cảm biến, điện áp sử dụng 5V

- GND: chân nối đất cho cảm biến

- AOUT: đầu ra ADC

- DOUT: đầu ra Digital (so sánh khi phát hiện khí)

 Module MQ2 là thiết bị dùng để cảm biến khí, trong đó có tác dụng cảmbiến khói Khi không có khói DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mứccao, khi có khói thì DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mức thấp

 Cấu tạo cảm biến MQ-2:

 Đây là cách cảm biến trông như thế nào khi loại bỏ lưới bên ngoài Cấu

trúc hình ngôi sao được hình thành bởi phần tử cảm biến và sáu chân kếtnối kéo dài ra ngoài đế Bakelite Trong số sáu, hai dây dẫn (H) chịu tráchnhiệm làm nóng phần tử cảm biến và được kết nối qua cuộn dây Niken-Crom, hợp kim dẫn điện nổi tiếng

Hình 2.5: Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2

 Bốn dây dẫn còn lại (A&B) chịu trách nhiệm cho tín hiệu đầu ra được kếtnối bằng dây bạch kim Các dây này được kết nối với phần thân của phần

tử cảm biến và truyền tải những thay đổi nhỏ trong dòng điện đi qua phần

tử cảm biến

Hình 2.6: Cấu tạo bên ngoài của phần tử cảm biến

 Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm nhôm Oxit (Al O 2 3) và

có một lớp phủ Thiết Dioxit (SnO 2) Thiếc Dioxit là vật liệu quan trọngnhất nhạy cảm với khí dễ cháy Tuy nhiên, đế gốm chỉ đơn thuần là tănghiệu quả sưởi ấm và đảm bảo vùng cảm biến được làm nóng đến nhiệt độlàm việc liên tục

Hình 2.7: Cấu tạo bên trong của phần từ cảm biến

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ-2:

Hình 2.8: Miêu tả hoạt động của cảm biến MQ-2

 Khi thiếc dioxit (các hạt bán dẫn) được nung nóng trong không khí ởnhiệt độ cao, oxy sẽ bị hấp thụ trên bề mặt Trong không khí sạch cácđiện tử cho trong thiếc dioxit bị hút về phía oxy được hấp thụ trên bề mặtcủa vật liệu cảm ứng Điều này ngăn cản dòng điện chạy qua

 Khi có mặt các khí khử, mật độ bề mặt của oxy bị hấp phụ giảm khi nóphản ứng với các khí khử Sau đó, các điện tử được giải phóng vào thiếcdioxit, cho phép dòng điện chạy tự do qua cảm biến

 Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ-2:

- Hàm lượng oxy môi trường: 21%

 Điều kiện bảo quản:

- Nhiệt độ: -20°C ~ 70°C

- Độ ẩm: ≤70% RH

Hình 2.9: Mạch ứng dụng của cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển:

 Chúng ta có thể sử dụng IC ổn áp hoặc PIC để điều khiển Tuy nhiên đểthuận tiện cho việc sử dụng nhóm em chọn Arduino để điều khiển hệ thốngbởi: Arduino có thể sử dụng ngay Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộnguồn 5v, một ổ ghi, một bộ dao động, một vi điều khiển, truyền thông nốitiếp, Led và các giắc cắm Chúng ta không cần phải suy nghĩ về các kết nối

lập trình hoặc bất kì giao diện nào khác Chit cần cắm nó vào cổng USB củamáy tính.

 Arduino UNO R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởiArduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điềukhiển AVR ATMega328P

 Phiên bản hiện tại của Arduino UNO R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chânđầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I/O được sử dụng để kết nối với cácmạch điện tử, thiết bị bên ngoài Trong 14 cổng I/O, 6 chân đầu ra xung

PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch

điện tử ngoại vi một cách trực quan

 Arduino UNO R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB đểgiao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, Mac hoặcLinux Systems Tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngônngữ lập trình như C và C++ được sử dụng trong IDE

 Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bomạch

Hình 2.10: Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3

 Có một chân I/O Digital và Analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mứclogic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA

 Dòng Max chân I/O: 30mA

 14 chân Digital I/O (6 chân PWM)

 6 chân Analog Inputs

 32k Flash Memory

 16Mhz Clock Speed

 SRAM 2kB

 EEPROM 1kB

 Đèn LED: Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thôngqua chân 13 Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tươngứng tắt.

 Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino.Khác với 5V được cung cấp qua cổng USB Pin này được sử dụng đểcung cấp điện áp toàn mạch thông qua jack nguồn, thông thường khoảng7-12VDC

 5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấpnguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc jack nguồnDC

 USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trọ dảiđiện áp trong khoảng từ 7V đến 20V

 GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino

 Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu

 IOREF: Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp choArduino

 PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10,11 Các chân nàyđược cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8bit

 SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp Các chân 10 (SS),

11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúpcủa thư viện SPI

 AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cungcấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự

 TWI: Chân giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây Chân A4

và A5 được sử dụng cho mục đích này

 Serial Communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua haichân 0 (Rx) và 1 (Tx)

 Rx: Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sửdụng để truyền dữ liệu.

 Extermal Interrputs (Ngắt ngoài): chân 2 và 3 được sử dụng đẻ cung cấpcác ngắt ngoài

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu:

 Module cảm biến lửa

 Module cảm biến khí gas MQ2

 Màn hình LCD 16×2

 Module I2C PCF8574

 Mạch được thiết như sau:

 Đèn led được mắc nối tiếp điện trở 220 Cực dương cắm ở chân Digital số

8 Cực âm nối với GND

 Loa mắc nối tiếp với điện trở 220 thứ hai Cực dương cắm ở chân Digital

số 7 Cực âm nối với GND

 2 module cảm biến đều có 4 chân như nhau Vcc, GND,Vout Vcc của 2 cảmbiến nối với chân 5V ở phía Analog GND nối với GND Chân Vout củaMQ-2 nối với số 6 của Arduino Chân Vout của cảm biến lửa nối với chân A0

của Arduino

 Chân Analog A4 và A5 lần lượt nối với chân 15 và chân 14 của module I2CPCF8574 (để giảm thiểu số chân của LCD với Arduino) từ đó dùng các chân

P0, P1, P2 P4, P5, P6, P7 để nối ra các chân của LCD 16×2 Ngoài ra cácchân A0, A1, A2 của module I2C nối với nguồn.

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống:

Hình 2.11: Mạch mô phỏng

2.6 Lưu đồ thuật toán:

- Trường hợp 2: J = 1, I = 1 chương trình tiếp tục đưa dữ liệu về xử lý

 Khi nhận được dữ liệu từ khối cảm biến khí gas lúc này bộ xử lý sẽ pháttín hiệu cho đèn báo động và đồng thời chuông báo động sẽ kêu lên

Chương 3: Thi công và đánh giá sản phẩm

3.1 Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống:

MQ2

Sensor

phát hiệnkhí gas

Flame

ánh lửa

Còi báo 1 Còi báo

hiệu

khi có khígas và ánhlửaLCD đã đấu

đấu nối cáclinh kiện

3.2 Quá trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch:

 Arduino Uno R3:

 Cảm biến MQ2

 Cảm biến ánh lửa

 LCD đấu nối I2C

 Ngoài ra còn có các loại linh kiện khác như board test, còi, led, dây dẫn…

 Lắp ráp mô hình:

3.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống:

 Khi chưa có khí gas và ánh lửa, hệ thống vẫn hoạt động bình thường không

có tín hiệu thông báo:

 Khi có khí gas hoặc ánh lửa (hoặc cả hai), đèn báo sáng còi báo động lên vàmàn hình LCD xuất chữ cảnh báo

 Nhận xét:

 Hệ thống rất nhạy với khí gas và ánh lửa Thời gian phản hồi nhanhkhoảng 1-2s.

Phụ lục

 Code lập trình:

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); int buzzer = 7;

lcd.clear();

lcd.setCursor(1,0);

lcd.print("DO AN HE THONG"); lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("CANH BAO CHAY NO"); delay(900);

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("HE THONG GAS:");

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("BAO DONG_WARNING"); digitalWrite(led, HIGH);