Đồ án chuyên ngành điện tử HỆ THỐNG CẢNH BÁO 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 lý như phát chuông cảnh báo

LỜI CAM ĐOAN

 -  - Chúng tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chépcủa bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm chúng tôi xin chịumọi hình thức kỷ luật của Khoa

Ngày 20 tháng 1 năm 2014

Sinh viên thực hiện

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Vũ Tất Thành

- Nghiên cứu các đề tài liên quan

- Đề xuất mô hình tổng quan của hệ thống

- Tìm hiểu về các linh kiện sử dụng trong mạch

- Tính toán thiết kế mạch

- Thi công mạch

- Viết và tối ưu code

- Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống

Nguyễn Văn Nhẫn

- Nghiên cứu về các đề tài liên quan

- Tìm hiểu về nội dung lý thuyết

- Thi công mạch

- Sửa code

- Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… 1

Phân công nhệm vụ……….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 họ vi xử lý 8051……… 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

CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

GND: Ground

ISP: Internet service provider

I/O: Input/Output

LCD: Liquid-crystal display

LEL: Lower Explosive Limit

LFL: Lower Flammable Limit

MCU: Multipoint control unit

MPU: MIDI Processing Unit

RAM: Random Access Memory

RF: Radio frequency

ROM: Read-only memory

UFL: Upper Flammable Limit

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại, việc phòng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm hàng 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 trò rất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lý kịp thời các đám cháy khi con người chưa thể can thiệp được

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 lý như 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 biếncùng 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

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

ra cháy

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

1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống 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 hóa lỏng(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 khí (cóOxi) thì nó có khả năng phát cháy nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động của nguồnnhiệt (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 điều kiện cần

Nếu có một điểm rò rỉ nào đó từ các ống dẫn khí, hay bình chứa khí khí gas

sẽ dần lan tỏa ra xung quanh theo mô phỏng như hình trên Nếu không có tác độngcủa gió, hoặc trọng lượng riêng của khí đó thì có thể nói rằng càng cách xa điểm rò

rỉ thì nồng độ khí gas gây cháy càng loãng

Với nguyên tắc cháy, nếu không có không khí thì khí gas sẽ không cháyđược Nồng độ Oxi quá ít hoặc quá nhiều cũng rất khó cháy

Do đó khoảng không gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí đó có đủ Oxi đểcháy vẫn là khoảng cách an toàn Và, khoảng không gian có quá ít khí gas để cháycũng rất an toàn Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bên trên ngưỡng cóthể phát cháy được (UFL) và bên dưới ngưỡng không thể cháy được (LFL)

Một số trường hợp trong kỹ thuật, người ta cần xác định rõ hơn điểm mà chấtkhí đó có thể phát nổ được Lúc đó ta thay từ LFL bằng LEL

Tuy nhiên không phải chất khí nào cũng có UFL hay LFL, LEL giống nhau

do đặc tính lý hóa học của nó Qua quá trình phân tích ta phải đưa ra một số thông

số chuẩn tại nhiệt độ 25oC và 1atm

Sau đây là ví dụ cho vài loại khí gần với chúng ta khi nhiệt độ tai nơi đặt cảmbiến ở mức 47oC hoặc có sự gia tăng nhiệt độ 5oC/phút trong diện tích 15 – 50 m2

với nhà ở sinh hoạt

(Nguồn: TCVN 5738:2000 )

Hình 1.2: Ngưỡng UFL và LFL của một số khí phổ biến

(Nguồn: http://www.hsevn.com/showthread.php?t=708 )

1.3 Ý tưởng

Dựa trên các thông số thực tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm chúngtôi sử dụng các cảm biến (khí gas, nhiệt độ, khói…) phát hiện sớm những trườnghợp có thể gây hỏa hoạn từ các module cảm biến, sau đó truyền tín hiệu bằng sóngradio (RF) về nguy cơ cháy đến khối xử lý trung tâm Khối này sẽ cảnh báo nguy cơcháy đến chủ nhà và thực hiện các biện pháp chữa cháy như đã được lập trình sẵn(bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng)

1.4 Sơ đồ khối

1.5 Nguyên lý hoạt động

1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến

Khi nhiệt độ cao, điện áp ra của cảm biến nhiệt tăng Điện áp này được đưaqua mạch khuếch đại không đảo, sau đó đưa vào mạch so sánh với áp đã chọntrước đó Nếu áp này cao hơn áp chuẩn thì đầu ra ở mức cao (khoảng 4V) làmOpto dẫn kích cho mạch phát RF phát kênh 1

Tương tự đối với cảm biến gas Khi có khí gas, cuộn dây bên trong cảm biếnphản ứng với khí gas làm tăng nhiệt độ cuộn dây => trở kháng cuộn dây tăng

=> áp đầu ra tăng nhanh chóng Lúc này áp đầu ra của cảm biến được đưa vàomạch khuếch đại không đảo, sau đó đưa vào mạch so sánh với áp đã chọn trước

đó Nếu áp này cao hơn áp chuẩn thì đầu ra ở mức cao (khoảng 4V) làm Optodẫn kích cho mạch phát RF phát kênh 2

1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm

Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto Nếu có quánhiệt mạch thu RF nhận được tín hiệu từ kênh 1 làm opto dẫn kích mức caovào P0.0.MCU khi nhận được tín hiệu từ chân P0.0 lập tức phát tín hiệu cảnhbáo lên màn hình và thực hiện các chức năng đã được thiết lập (cắt nguồn điện,bật bơm chữa cháy)

Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto Nếu phát hiện

rò rỉ gas mạch thu RF nhận được tín hiệu từ kênh 2 làm opto dẫn kích mức caovào P0.1.MCU khi nhận được tín hiệu từ chân P0.1 lập tức phát tín hiệu cảnhbáo lên màn hình và thực hiện các chức năng đã được thiết lập (cắt nguồn điện,bật bơm chữa cháy)

1.6 Lưu đồ thuật toán

Hình 1.3: Lưu đồ chương trình chính

Hình 1.5: Lưu đồ cảnh báo gas

Hình 1.6: Lưu đồ cảnh báo nguy hiểm

2.1 Giới thiệu tổng quan về họ vi xử lý 8051

Họ vi điều khiển 8051 là một trong những họ vi điều khiển thông dụng nhất.Đây là họ vi điều khiển được sản xuất theo công nghệ CMOS, có tốc độ cao vàcông suất thấp, bộ nhớ Flash có thể lập trình được

2.1.1 Sơ đồ khối của AT89S52

Hình 2.1: Sơ đồ khối của AT89S52

2.1.2 Những đặc trưng của AT89S52

- 4 Kbyte bộ nhớ Flash có thể lập trình lặp với 1000 chu kỳ đọc xoá

- Hoạt động tĩnh đầy đủ : từ 0 Hz đến 24 MHz

- Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp

- 128x8 bit RAM nội

- 32 đường xuất nhập lập trình được

- Hai timer / counter không bit

- Một port nối tiếp sang cổng có thể lập trình được

- Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chip

2.1.3 Sơ đồ chân và chức năng của AT89S52

Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT89S52

Như vậy theo sơ đồ trên AT89S52 có 40 chân, mỗi chân có chức năng như

hoạt động như một đường I/O hoặc như đường điều khiển hoặc như thành phần củabus điều khiển và bus dữ liệu.

Port 0 (P0.0- P0.7)

Port 0 gồm 8 chân, ngoài các chức năng xuất nhập, Port 0 còn là bus đa hợp dữliệu và địa chỉ (AD0 - AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi 8051 giao tiếp vớicác thiết bị ngoài có kiến trúc bus như các vi mạch nhớ, mạch nhớ PIO…

Bit Tên Chức năng

P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp

P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp

P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0

P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1

P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0

P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1

P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài

P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài

Chân /PSEN (Program Store Enable)

/PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối vớichân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài /PSEN sẽ ở mức thấptrong thời gian đọc mã lệnh Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu(Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã Khi thực hiện chương trình trong ROM nộithì /PSEN ở mức cao

Chân ALE (Address Latch Enable)

ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của

vi điều khiển Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như

74373 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0)

Chân /EA (External Access)

Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài viđiều khiển Nếu EA ở mức cao (nối với Vcc) thì vi điều khiển thực hiện chươngtrình trong ROM nội Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND) thì vi điều khiển thực

RST (Reset)

Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051 Khi tín hiệu này được đưa lênmức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp đểkhởi động hệ thống

dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ

2.2.1 Hình dáng và kích thước

Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình 2.7 là loại LCD thông dụng

Hình 2.4: Hình dáng của loại LCD thông dụng

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên tronglớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ tự vàđặt tên như hình 2.8

Hình 2.5: Sơ đồ chân của LCD

2.2.2 Chức năng các chân

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân

này với GND của mạch điều khiển

này với VCC = 5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

4 RS Chân chọn thanh ghi (Register Select) Nối chân RS với

logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi

- 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 trong LCD

5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W

với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

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 E

- Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệuchân E

- Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high

DB0-transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7 - 14 DB0 - DB7 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với

MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này :

- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường,với bit MSB là bit DB7

- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

15 - Nguồn dương cho đèn nền

Ghi chú: Ở chế độ “đọc”, MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chân

DBx Còn khi ở chế độ “ghi”, MPU sẽ xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua các chân DBx

2.3 Cảm biến gas MQ-6

Hình 2.6: Cảm biến gas MQ-6

Sơ đồ phân bố chân của cảm biến khí gas MQ-6 như hình 2.10 Cảm biến cócấu tạo gồm ống gốm micro AL203, lớp cảm biến SnO2, điện cực đo đạc và sợinung được gắn cố định trong lớp vỏ được làm bằng nhựa và lưới thép không gỉ Sợinung cung cấp điều kiện làm việc cần thiết cho hoạt động của các thiết bị cảm biến.MQ-6 có 6 chân, trong đó 4 chân được dùng để nhận tín hiệu, 2 chân còn lại đượcdùng để tạo dòng cấp nhiệt

Giá trị trở kháng của MQ-6 khác so với các loại còn lại Khi dùng linh kiệnnày, việc điều chỉnh độ nhạy là rất cần thiết Để được kết quả tốt nhất, hiệu chỉnhviệc phát hiện khí gây cháy về 1000ppm trong không khí và sử dụng giá trị trở

chính xác, mức gây báo động thích hợp đối với việc phát hiện khí gas nên được xácđịnh sau khi đã xem xét các ảnh hưởng về nhiệt độ và độ ẩm.

Hình 2.7: Sơ đồ phân bố chân của

Là vi mạch cảm biến nhiệt, điện áp đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ

Để đo dải nhiệt từ 0°C đến 150°C ta nối mạch như sau:

Hình 2.10: Sơ đồ nối mạch LM35 (1)

VOUT = 0mV + 10mV/°C

Tại 0°C áp đầu ra VOUT = 0mV

Tại 25°C, áp đầu ra VOUT = 250mV

Để đo miền nhiệt từ -55°C đến 150°C, nối mạch như sau:

Hình 2.11: Sơ đồ nối mạch LM35 (2)

Chọn R1 = −VS/50 μAA