Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều kiện làm việc của trạm kiểm soát vô tuyến điện điều khiển từ xa

Việc giám sát điều kiện làm việc của trạm nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo kịp thời khi có sự cố các thông sô môi trường vượt ra ngoài giới hạn cho phép, hỏa hoạn, đột nhập trái phép là rất c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA TRẠM KIỂM SOÁT TẦN SỐ VÔ TUYẾN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

Mục lục Lời nói đầu Error! Bookmark not defined Tóm tắt luận văn Error! Bookmark not defined Mục lục Error! Bookmark not defined Danh sách hình vẽ Error! Bookmark not defined Danh sách bảng biểu Error! Bookmark not defined Danh sách các từ viết tắt Error! Bookmark not defined

Chương 0: Mở đầu Error! Bookmark not defined.

PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Error! Bookmark

1.1.1 Nhiệt độ là gì? Error! Bookmark not defined

1.1.1.1 Định nghĩa nhiệt độ dựa vào định luật 0 nhiệt động lực học

Error! Bookmark not defined.

1.1.1.2 Định nghĩa nhiệt độ dựa vào định luật 2 nhiệt động lực học

Error! Bookmark not defined.

1.1.2 Thang nhiệt độ Error! Bookmark not defined

1.1.2.1 Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối Error! Bookmark not

1.3.1 Định nghĩa cháy Error! Bookmark not defined 1.3.2 Phân loại đám cháy Error! Bookmark not defined 1.3.3 Diễn biến và các thành phần của một đám cháy Error! Bookmark not defined

1.3.4 Sự cháy – tác hại bên cạnh những yếu tố tích cực của nó Error! Bookmark not defined

1.3.5 Định nghĩa và phân loại hệ thống cảnh báo cháy Error! Bookmark not defined

1.3.6 Các yêu cầu đối với hệ thống cảnh báo cháy Error! Bookmark not defined

1.4 Giao tiếp với máy tính qua cổng nối tiếp theo chuẩn RS232

Error! Bookmark not defined 1.4.1 Cấu trúc cổng nối tiếp Error! Bookmark not defined 1.4.2 Truyền thông giữa hai nút Error! Bookmark not defined 1.4.3 Truy xuất trực tiếp thông qua cổng COM Error! Bookmark not defined

1.4.3.1 IIR (Interrupt Identification) Error! Bookmark not defined 1.4.3.2 IER (Interrupt Enable Register).Error! Bookmark not defined 1.4.3.3 MCR (Modem control register) Error! Bookmark not defined 1.4.3.4 MSR (Modem Status Register) Error! Bookmark not defined 1.4.3.5 LSR (Line Status Register) Error! Bookmark not defined 1.4.3.6 LCR (Line Control Register): Error! Bookmark not defined.

1.4.4 Truyền thông nối tiếp dùng ActiveX MSComm Error! Bookmark not defined

1.4.4.1 Mô tả Error! Bookmark not defined 1.4.4.2 Các thuộc tính Error! Bookmark not defined 1.4.4.3 Settings: Error! Bookmark not defined 1.4.4.4 Sự kiện OnComm Error! Bookmark not defined.

1.5 Giao tiếp với máy tính qua cổng nối tiếp đa năng (USB)

Error! Bookmark not defined 1.5.1 Khái niệm USB Error! Bookmark not defined 1.5.2 Các mục tiêu hướng tới khi sử dụng USB Error! Bookmark not defined

1.5.3 Mô tả hệ thống USB Error! Bookmark not defined

1.5.3.1 Kết nối USB Error! Bookmark not defined 1.5.3.2 Các thiết bị USB Error! Bookmark not defined 1.5.3.3 Máy chủ USB (USB Host) Error! Bookmark not defined.

1.5.4 Cáp USB Error! Bookmark not defined

1.6 Truyền tin qua mạng thoại Error! Bookmark not defined 1.6.1 Đặc tính chung của máy điện thoại cố định Error! Bookmark not defined

1.6.2 Hệ thống âm hiệu giữa tổng đài và thuê bao Error! Bookmark not defined

1.6.3 Các phương thức quay số Error! Bookmark not defined 1.6.4 Phương thức làm việc giữa tổng đài và các thuê bao Error! Bookmark not defined

1.7 Các khái niệm cơ bản về đo lường điện tử Error! Bookmark

not defined.

1.7.1 Khái niệm đo lường Error! Bookmark not defined 1.7.2 Các phương pháp đo lường cơ bản Error! Bookmark not defined

1.7.2.1 Các phương pháp đo Error! Bookmark not defined.

1.7.3 Nguyên nhân và phân loại sai số trong đo lường Error! Bookmark not defined

1.7.3.1 Nguyên nhân gây sai số Error! Bookmark not defined 1.7.3.2 Phân loại sai số Error! Bookmark not defined 1.7.3.3 Các biểu thức diễn đạt sai số Error! Bookmark not defined.

1.8 Kết luận Error! Bookmark not defined

Chương 2: Các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và cảnh

báo cháy Error! Bookmark not defined 2.1 Các phương pháp đo nhiệt độ Error! Bookmark not defined 2.1.1 Cảm biến nhiệt điện trở Error! Bookmark not defined

2.1.1.1 Nhiệt điện trở kim loại Error! Bookmark not defined 2.1.1.2 Nhiệt điện trở bán dẫn (silic) Error! Bookmark not defined 2.1.1.3 Nhiệt điện trở ô xít Error! Bookmark not defined.

2.1.2 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu Error! Bookmark not defined 2.1.3 Đo nhiệt độ bằng diode và transistor Error! Bookmark not defined

2.1.4 Cảm biến quang đo nhiệt độ (hỏa quang kế) Error! Bookmark not defined

2.1.5 Nhiệt kế áp suất Error! Bookmark not defined 2.1.6 Đo nhiệt độ bằng hình ảnh nhiệt quét Error! Bookmark not defined

2.1.7 Cảm biến siêu âm nhiệt độ Error! Bookmark not defined 2.2 Các phương pháp đo độ ẩm Error! Bookmark not defined 2.2.1 Ẩm kế biến thiên trở kháng Error! Bookmark not defined

2.2.1.1 Ẩm kế điện trở Error! Bookmark not defined.

2.2.3 Ẩm kế hấp thụ Error! Bookmark not defined 2.2.4 Ẩm kế ngưng tụ Error! Bookmark not defined 2.2.5 Ẩm kế áp điện Error! Bookmark not defined 2.3 Các phương pháp phát hiện cháy Error! Bookmark not

3.1 Phân tích và đánh giá các phương pháp đo nhiệt độ Error!

Bookmark not defined.

3.1.1 Các yêu cầu đối với phép đo nhiệt độ của sản phẩm Error! Bookmark not defined

3.1.2 Lựa chọn phương pháp đo nhiệt độ và loại cảm biến tương ứng

Error! Bookmark not defined 3.2 Phân tích và đánh giá các phương pháp đo độ ẩm Error!

Bookmark not defined.

3.2.1 Các yêu cầu đối với phép đo độ ẩm của sản phẩm Error! Bookmark not defined

3.2.2 Lựa chọn phương pháp đo độ ẩm và loại cảm biến tương ứng

Error! Bookmark not defined 3.3 Phân tích và đánh giá các phương pháp cảnh báo cháy Error!

Bookmark not defined.

3.3.1 Các yêu cầu đối với hệ thống cảnh báo cháy Error! Bookmark not defined

3.3.2 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống cảnh báo cháy Error! Bookmark not defined

3.4 Kết luận Error! Bookmark not defined

PHẦN II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO Error! Bookmark

Bookmark not defined.

4.9 Khối giao tiếp cổng COM và cổng USB Error! Bookmark not

defined.

4.10 Khối chuyển đổi tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành Error!

Bookmark not defined.

4.11 Khối nguồn Error! Bookmark not defined 4.12 Kết luận Error! Bookmark not defined 5.1 Firmware Error! Bookmark not defined 5.1.1 Firmware cho AT89C55WD (Master) Error! Bookmark not defined

5.1.1.1 Chương trình chính Error! Bookmark not defined 5.1.1.2 Các chương trình ngắt Error! Bookmark not defined.

5.1.2 Firmware cho AT89S52 (Slave)Error! Bookmark not defined 5.2 Software Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO Error! Bookmark not defined

PHẦN III: PHỤ LỤC Error! Bookmark not

defined.

1 Lời nói đầu

Ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ Hàng loạt

công nghệ thông tin vô tuyến mới đã ra đời và được đưa vào ứng dụng Đi đôi với

sự phát triển không ngừng của các hệ thống thông tin vô tuyến thì sự phức tạp trong việc thực hiện chức năng quản lý nhà nước về tần số vô tuyến điện cũng ngày càng tăng Nó đòi hỏi phải xây dựng một hệ thống gồm nhiều trạm kiểm soát tần số vô tuyến điện hiện đại và trải đều trên phạm vi cả nước

Hầu hết các trạm kiểm soát tần số vô tuyến điện đều được điều khiển từ xa

và thường không có người túc trực giám sát tại trạm Các hệ thống thiết bị của trạm cần được đảm bảo điều kiện làm việc một cách nghiêm ngặt, chính xác Việc giám sát điều kiện làm việc của trạm và cảnh báo kịp thời khi có sự cố là rất cần thiết và đem lại nhiều lợi ích thiết thực như: Đảm bảo hệ thống thiết bị làm việc an toàn, hiệu quả, chính xác; giảm nhân lực giám sát trạm; giảm thiểu thiệt hại khi có sự cố xảy ra …

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, tôi đã quyết định thực hiện đề tài: “Nghiên

cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều kiện làm việc của trạm kiểm soát tần

số vô tuyến điện điều khiển từ xa”

Trong quá trình thực hiện đề tài trên, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều

cá nhân và tổ chức Tôi xin chân thành cảm ơn!

- Thầy Phạm Ngọc Nam giảng viên bộ môn điện tử tin học – khoa Điện tử Viễn thông – ĐHBKHN đã hướng dẫn tận tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu trong việc hoàn thành luận văn

- Các đồng nghiệp tại Trung tâm Kỹ thuật và Tin học – Cục Tần số Vô tuyến điện đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian, cũng như có những động viên về tinh thần và vật chất

- Cục Tần số Vô tuyến Điện đã hỗ trợ kinh phí và trang thiết bị thí nghiệm

Để thực hiện đề tài trên, tôi đã hết sức cố gắng, song do thời gian và khả năng có hạn, chắc rằng luận văn khó tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự nhận xét, góp ý cũng như phê bình của các quý thầy cô và các bạn đọc Mọi

ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ thư điện tử duln@rfd.gov.vn

Hà Nội, tháng 10 năm 2008 Học viên cao học

Lê Ngọc Du

Luận văn cao học Danh sách hình vẽ

4Danh sách hình vẽ

Hình 1.1: Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN phân cực ngược 13

Hình 1.2: Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN phân cực thuận 14

Hình 1.3: Lượng hơi nước chứa trong không khí tại RH=100% ứng với các giá trị nhiệt độ khác nhau[11] 17

Hình 1.4: Tứ diện hỏa 20

Hình 1.5: Định dạng khung truyền dữ liệu chuẩn RS232 25

Hình 1.6: Tín hiệu truyền của ký tự ‘A’ 26

Hình 1.7: Sơ đồ chân cổng nối tiếp 27

Hình 1.8: Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp 28

Hình 1.9: Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay 29

Hình 1.10: Định dạng thanh ghi nhận dạng ngắt 30

Hình 1.11: Định dạng thanh ghi cho phép ngắt 31

Hình 1.12: Định dạng thanh ghi điều khiển modem 31

Hình 1.13: Định dạng thanh ghi trạng thái modem 31

Hình 1.14: Định dạng thanh ghi trạng thái đường truyền 31

Hình 1.15: Định dạng thanh ghi điều khiển đường truyền 32

Hình 1.16: Kiến trúc Bus [8] 40

Hình 1.17: USB Cable 41

Hình 1.18: Dạng xung quay số 43

Hình 2.1: Sơ đồ cặp nhiệt ngẫu 57

Hình 2.2: Suất điện động nhiệt 57

Hình 2.3: Transistor mắc kiểu diode 58

Hình 2.4: Đo nhiệt độ dùng 2 transistor 59

Hình 2.5: Đường cong o λ E =f(λ) với các nhiệt độ khác nhau 60

Hình 2.6: Cấu tạo hỏa quang kế phát xạ 61

Hình 2.7: Cấu tạo của hỏa quang kế cường độ sáng 63

Hình 2.8: So sánh bằng mắt cường độ sáng của nguồn nhiệt 64

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của hỏa quang kế màu sắc 65

Hình 2.10: Nhiệt kế áp suất [1] 66

Hình 2.11: Bộ cảm biến siêu âm nhiệt độ 69

Hình 2.12: Mạch đo độ ẩm điện trở 71

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý của ẩm kế ngưng tụ 76

Hình 2.14: Mẫu phát xạ và sự phân bố các ion trong buồng ion của đầu báo cháy khói ion [10] 81

Hình 2.15: Sự phân bố các hạt sản phẩm cháy và các ion 82

Hình 2.16: Đầu báo cháy khói ion buồng kép 82

Hình 2.17: Đầu báo cháy khói tán xạ ánh sáng quang điện 83

Hình 2.18: Đầu báo cháy khói tán xạ ánh sáng quang điện khi có khói 83

Hình 2.19: Đầu báo cháy khói che khuất ánh sáng quang điện khi có khói 84

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống 100

Hình 4.2: Khối xử lý trung tâm 102

Hình 4.3: Khối mở rộng xuất nhập 104

Hình 4.4: Sơ đồ ghép nối EEPROM 105

Hình 4.5: Sơ đồ ghép nối SHT11 106

Hình 4.6: Khối ghi âm và phát lại 107

Hình 4.7: Khối hiển thị 108

Hình 4.8: Khối giao tiếp đường dây điện thoại và thu phát DTMF 109

Hình 4.9: Khối giao tiếp PC 111

Hình 4.10: Khối chuyển đổi tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành 112

Hình 5.1: Lưu đồ giải thuật chương trình chính 117

Hình 5.2:Lưu đồ giải thuật MEASTEMP 118

Hình 5.3: Lưu đồ giải thuật MEASHUMI 119

Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật ALARM 120

Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật PRCCOMECALL 122

Hình 5.6: Lưu đồ giải thuật INTERFACEWPC 123

Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật ngắt do bộ đếm 1 125

Hình 5.8: Lưu đồ giải thuật chương trình chính của AT89S52 126

Hình 5.9: Giao diện chính của phần mềm 127

Luận văn cao học Danh sách bảng biểu

5 Danh sách bảng biểu

Bảng 1.1: Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 26

Bảng 1.2: Ý nghĩa của các chân cổng COM: 27

Bảng 1.3: Địa chỉ cổng COM 29

Bảng 1.4: Các thanh ghi trong vi mạch UART của máy tính 30

Bảng 1.5: Một số giá trị mẫu của BRD 32

Bảng 1.6: Mã thiết lập kiểm tra chẵn lẽ 33

Bảng 1.7: Mã thiết lập độ dãi dữ liệu 33

Bảng 1.8: Các giao thức bắt tay 37

Bảng 1.9: Các sự kiện xảy ra tại cổng COM 37

Bảng 1.10: các lỗi truyền thông xảy ra tại cổng COM 38

Bảng 1.11: Các tổ hợp tần số của tín hiệu đa tần 44

6 Danh sách các từ viết tắt

ACK Acknowledge Gói bắt tay tích cực

CPU Central Processing Unit Khối xử lý trung tâm

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc khả trình, xoá và lập trình bằng tín hiệu điện ERR Error Lỗi

IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp

ISDN Intergrated Services Digital Network Mạng số tích hợp

nhiều dịch vụ

PC Personnal Computer Máy tính cá nhân

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter Thu phát

nối tiếp không đồng bộ đa năng

USB Universal Serial Bus Đường truyền nối tiếp đa năng

COM COMmunications – Thông tin

BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát cơ sở

PSTN Pmạch công cộng ublic Switched Telephone Network – Mạng thoại chuyển

MODEM MOdulation and DEModulation – Điều biến và giải điều biến TCVN Tiêu Chuẩn Việt Nam

EIA Electronic Industry Associations – Hiệp hội công nghiệp điện

tử

GSM Gtin di động toàn cầu lobal System for Mobile communications – Hệ thống thông PLC Ptrình rogrammable Logic Controller – Bộ điều khiển logic khả

DTE Data Terminal Equipment – Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE Dthông ata Communication Equipment – Thiết bị đầu cuối truyền

FTDI Future Technology Devices International (tên riêng)

DTMF Dual Tone Multi-Frequency – Tín hiệu tổ hợp đa tần

LED Light Emitting Diode – Đi-ốt phát quang

UPS Uninteruptible Power Supply – Nguồn cấp không ngắt quãng

NO Nomally Open – Mở ở điều kiện thông thường

NC Nomally Close – Đóng ở điều kiện thông thường

RAM Random Access Memory – Bộ nhớ ghi đọc tùy ý

LCD Liquid Crystal Display – Hiển thị bằng tinh thể lỏng

SPI Serial Peripheral Interface – Giao diện đầu cuối nối tiếp

APC American Power Conversion (tên riêng)

ATX Advanced Technology Extended – Công nghệ cao cấp mở

rộng

Luận văn cao học Mở đầu

Nó đòi hỏi phải xây dựng một hệ thống gồm nhiều trạm kiểm soát tần số vô tuyến điện hiện đại và trải đều trên phạm vi cả nước

Hầu hết các trạm kiểm soát tần số vô tuyến điện đều được điều khiển từ xa

và thường không có người túc trực giám sát tại trạm Hệ thống thiết bị tại trạm điều khiển xa bao gồm các thiết bị điện tử hiện đại và đắt tiền Hệ thống thiết bị này cần được đảm bảo điều kiện làm việc một cách nghiêm ngặt, chính xác Việc giám sát điều kiện làm việc của trạm (nhiệt độ, độ ẩm) và cảnh báo kịp thời khi có sự cố (các thông sô môi trường vượt ra ngoài giới hạn cho phép, hỏa hoạn, đột nhập trái phép)

là rất cần thiết và đem lại nhiều lợi ích thiết thực như: Đảm bảo hệ thống thiết bị làm việc an toàn, hiệu quả, chính xác; giảm nhân công giám sát trạm; giảm thiểu thiệt hại khi có sự cố xảy ra …

Xuất phát từ nhu cầu thực tế như trên, tôi đã quyết định thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống giám sát điều kiện làm việc của trạm kiểm soát tần số vô tuyến điện điều khiển từ xa” Đề tài này sẽ tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các khái niệm cơ bản cũng như phương pháp đo liên quan đến nhiệt

độ, độ ẩm và cảnh báo cháy Đồng thời, đề tài đưa ra những phân tích, đánh giá, so sánh qua đó lựa chọn ra phương án tối ưu sẽ sử dụng để chế tạo thử nghiệm sản phẩm của đề tài Sản phẩm của đề tài bao gồm:

− 01 quyển tài liệu kỹ thuật thuyết minh cho quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sản phẩm của đề tài (chính là quyển luận vănnày này)

− 01 hệ thống phần cứng thực hiện các chức năng: đo nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy, cảnh báo đột nhập và bật tắt các tải của trạm; phần cứng có thể kết nối với máy tính qua cổng nối tiếp (COM – COMunications) hoặc qua cổng nối tiếp đa năng (USB – Universal Serial Bus), truyền thông tin cảnh báo cho người giám sát thông qua mạng điện thoại công cộng (PSTN – Public Switched Telephone Network) bằng cách quay số tới các số điện thoại đã được lưu sẵn Người giám sát trạm cũng có thể điều khiển các tải và thu nhận thông tin về điều kiện làm việc của trạm thông qua mạng điện thoại công cộng

− 01 phần mềm để giao tiếp với phần cứng nhằm thu thập các số liệu mà phần cứng đo đạc được cũng như thực hiện các thao tác điều khiển cần thiết

Hiện nay, để thiết kế thành công sản phẩm trên có khá nhiều phương án: Đo nhiệt độ và độ ẩm có thể dùng các loại cảm biến tương tự hoặc cảm biến số làm việc dưới nhiều nguyên lý khác nhau Cảnh báo cháy cũng có nhiều phương thức như: Thăm dò nhiệt gồm mức nhiệt cố định hoặc mức độ gia tăng nhiệt; thăm dò các thành phần hóa học thường xuất hiện trong đám cháy như khí CO và CO2; thăm dò các tia sáng như tia cực tím, tia hồng ngoại Việc truyền tin cảnh báo và nhận lệnh điều khiển có thể qua đường internet, qua thoại hoặc qua tin nhắn …

Phương án thì có nhiều như vậy nên vấn đề ở đây là ta lựa chọn và kết hợp phương án như thế nào cho hợp lý và khả thi nhất Sau một thời gian tìm hiểu, phương án đã được lựa chọn cho đề tài cụ thể như sau: Hệ thống đo nhiệt độ và độ

Luận văn cao học Mở đầu

ẩm sử dụng cảm biến đầu ra số SHT11; Cảnh báo cháy sử dụng kết hợp việc thăm

dò khói (CO2) bằng đầu dò khói và so sánh nhiệt độ tại trạm với mức nhiệt nghi có cháy được xác lập trước; Việc truyền tin cảnh báo và nhận lệnh điều khiển qua mạng internet (thông qua việc sử dụng các phần mềm điều khiển desktop máy tính

từ xa như PCAnyWhere) và qua mạng thoại

Với những gì đã được giới thiệu ở trên, ta có thể thấy rằng để thực hiện đề tài cần có kiến thức cơ bản về một số mảng chính sau: Các khái niệm cơ bản và các phương pháp đo đạc có liên quan tới nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo cháy, cách thức truyền tin qua mạng điện thoại, cách thức giao tiếp với máy tính thông qua cổng COM và cổng USB và hiểu biết cơ bản về đo lường điện tử Chính vì vậy, trong khuôn khổ của luận văn này, các kiến thức được tập trung trình bày theo bố cục và nội dung như sau:

¾ Phần I: Cơ sở lý thuyết (gồm 3 chương):

• Chương 1: Các khái niệm cơ bản Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan tới nhiệt

độ, độ ẩm, cảnh báo cháy, giao tiếp với máy tính qua cổng COM , cổng USB, truyền tin qua mạng thoại và các kiến thức cơ bản trong

đo lường điện tử

• Chương 2: Các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo cháy Chương này trình bày các phương pháp đo nhiệt độ và độ ẩm thông qua việc trình bày nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến thường dùng trong đo lường nhiệt độ và độ ẩm Chương này cũng trình bày các phương pháp phát hiện đám cháy

• Chương 3: Phân tích và đánh giá

Chương này đưa ra các phân tích, đánh giá và so sánh giữa các phương pháp đo nhiệt độ, độ ẩm và cảnh báo cháy Qua đó ta lựa chọn ra phương án tối ưu để thực hiện đề tài

¾Phần II: Thiết kế phần cứng và viết mã nguồn (gồm 2 chương):

• Chương 4: Thiết kế phần cứng

Chương này đưa ra sơ đồ khối hệ thống cho sản phẩm của đề tài, trình bày chức năng cũng như phương thức thực hiện cho từng khối

• Chương 5: Firmware và software Chương này trình bày lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, một số chương trình con quan trọng cũng như các chương trình ngắt của firmware và software

Do lượng kiến thức cần diễn giải khá nhiều, bên cạnh đó ta cũng cần đảm bảo sự súc tích về nội dung của luận văn nên các phần của luận văn được trình bày ngắn gọn, mang tích chất giới thiệu và mô tả là chính Để có thêm thông tin chi tiết, người đọc có thể xem thêm phần phụ lục của luận văn và tham chiếu tới các tài liệu tham khảo liệt kê ở cuối luận văn

Luận văn cao học Cơ sở lý thuyết

1 PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản liên quan tới nhiệt độ, độ ẩm, cảnh báo cháy, giao tiếp với máy tính qua cổng COM , cổng USB, truyền tin qua mạng thoại và các kiến thức cơ bản trong đo lường điện tử

1.1 Các khái niệm cơ bản liên quan tới nhiệt độ

Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt

độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất Từ xa xưa, con người

đã nhận thức được các hiện tượng nhiệt, cố gắng định nghĩa nó và đánh giá cường

độ của nó bằng cách đo nhiệt độ Ta sẽ tìm hiểu xem nhiệt độ là gi? Các thang đo nhiệt độ và quy đổi giữa chúng Vai trò và ý nghĩa của đại lượng nhiệt độ trong cuộc sống

1.1.1 Nhiệt độ là gì?

Nhiệt độ được định nghĩa một cách chung nhất là tính chất vật lý của vật chất cho biết mức độ nóng hay lạnh của vật chất Vật chất có nhiệt độ cao hơn thì nóng hơn Trong vật lý, nhiệt độ được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau nhưng phổ biến nhất là các định nghĩa dựa vào các định luật 0 và định luật 2 của nhiệt động lực học

1.1.1.1 Định nghĩa nhiệt độ dựa vào định luật 0 nhiệt động lực học

Một trong các cách định nghĩa nhiệt độ là dựa vào cân bằng nhiệt động Nếu hai hệ vật chất được cho tiếp xúc với nhau, các tính chất của chúng có thể thay đổi

do trao đổi nhiệt năng hay tổng quát là năng lượng Theo thời gian trôi qua, trao đổi

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

này chậm dần rồi ngừng lại và tính chất của hai hệ không biến đổi nữa, hai hệ đạt

đến cân bằng nhiệt động với nhau

Định luật 0 nhiệt động lực học phát biểu: "nếu hai hệ nhiệt động lực là A và

B ở trạng thái cân bằng nhiệt động với hệ nhiệt động lực thứ ba là C, thì A và B

thực nghiệm chứ không có cơ sở lý thuyết Cả ba hệ A, B và C đều ở cùng trạng thái cân bằng nhiệt động, nên ta có thể đặt một tính chất chung cho trạng thái đó

Nó gọi là nhiệt độ Như vậy nhiệt độ là đặc tính xác định trạng thái cân bằng của hệ nhiệt động lực

Để hiểu hơn về định luật 0 nhiệt động lực học, ta nghiên cứu ví dụ sau[12]:

Ta làm nhiệt kế bằng ống thuỷ tinh đựng rượu chẳng hạn Nhúng ống thuỷ tinh này vào nuớc sôi, ta thấy rượu trong ống dâng lên, đến một mức nào đó thì dừng lại Ta đánh dấu mức này Mức ta đánh dấu có ý nghĩa là rượu trong ống ở trạng thái cân bằng nhiệt với trạng thái nước sôi Nếu đem cái ống rượu của ta nhúng vào một chất nào khác mà thấy mực rượu dâng lên đúng cái mức đã đánh dấu và dừng lại, thì theo định luật 0 nhiệt động lực học, ta đảm bảo là cái chất này cũng ở trạng thái cân bằng nhiệt như là nó đang ở trạng thái cân bằng nhiệt với nước sôi Do đó cả 3 hệ: nước sôi, ống rượu ở mức đánh dấu, chất ta đo đều ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau, và đặc điểm này chính là thể hiện cả 3 hệ đó đều có cùng một nhiệt độ Có thể chọn nhiệt độ này bằng một số nào đó là tuỳ thích (100 độ, như thang nhiệt độ Celsius), và lấy thêm một nhiệt độ chuẩn khác (nước đá và coi nó bằng 0 độ, thang nhiệt độ Celsius) là ta đã hoàn thành thang đo nhiệt nhiệt độ Trị số của nhiệt độ theo các thang đo nhiệt độ khác nhau có thể khác nhau, nhưng nhiệt độ thì chỉ có một, đó là nhờ định luật 0 nhiệt động lực học

1.1.1.2 Định nghĩa nhiệt độ dựa vào định luật 2 nhiệt động lực học

Định luật hai nhiệt động lực học hay, chính xác hơn, cơ học thống kê cho ta định nghĩa về nhiệt độ của một hệ nhiệt động, dựa trên khái niệm "cơ bản hơn" entropy:

1 dS

Ở đây, T là nhiệt độ của hệ, S là entropy của hệ và là hàm của năng lượng E

của hệ Như vậy, nghịch đảo nhiệt độ là độ thay đổi của entropy theo năng lượng

Định luật 2 nhiệt động lực học hay nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học

là một trong 4 định luật cơ bản của nhiệt động lực học Nó liên quan đến tính không

thể đảo ngược của một quá trình nhiệt động lực học và đề ra khái niệm entropy

Nguyên lý này phát biểu rằng entropy của một hệ kín chỉ có hai khả năng,

hoặc là tăng lên, hoặc giữ nguyên Từ đó dẫn đến định luật là không thể chuyển từ

trạng thái mất trật tự sang trạng thái trật tự nếu không có sự can thiệp từ bên ngoài

Một cách phát biểu khác là: Một hệ lớn và không trao đổi năng lượng với

môi trường sẽ có entropy luôn tăng hoặc không đổi theo thời gian

Vì entropy là mức độ hỗn loạn của hệ, định luật này nói rằng vũ trụ sẽ ngày

càng "hỗn loạn" hơn Cơ học thống kê đã chứng minh rằng định luật này là một

định lý, đúng cho hệ lớn và trong thời gian dài Đối với hệ nhỏ và thời gian ngắn, có

thể có thay đổi ngẫu nhiên không tuân thủ định luật này

1.1.2 Thang nhiệt độ

Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động lực học

Thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý tưởng Theo

định luật Carnot, hiệu suất của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai

nguồn có nhiệt độ θ1 và θ2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2:

1 2

F( )F( )

θηθ

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại việc chọn hàm

F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ Đặt F(θ)=T, ta sẽ xác định T như là nhiệt độ

nhiệt động tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghich bằng:

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

1 2

1 T

T

Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt tối của hai nguồn

1.1.2.1 Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối

Năm 1664, Robert Hook thiết lập điểm không là điểm đông của nước cất

Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ nhiệt động

tuyệt đối – thang Kelvin: đơn vị là K Người ta gắn cho nhiệt độ của điểm cân bằng

của ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,15 K Từ thang nhiệt

độ nhiệt động tuyệt đối (thang Kelvin) ta có thể xác định các thang nhiệt độ khác là

thang Celsius và thang Fahrenheit

1.1.2.2 Thang Celsius

Năm 1742, Andreas Celsius - nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ

bách phân Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là °C, 1 °C = 1 K Quan hệ giữa

nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được cho theo biểu thức (1.4)

1.1.2.3 Thang Fahrenheit

Năm 1706, D.G Fahrenheit - nhà vật lý Hà Lan đưa ra thang nhiệt độ

Fahrenheit có điểm nước đá tan là 32°F và sôi ở 212°F Quan hệ giữa nhiệt độ

Celsius và Fahrenheit được cho theo các biểu thức (1.5) và (1.6)

5 T(°C) {T( F)-32}

9

9 T( F)= T(°C) 32

5

1.1.3 Vai trò và ý nghĩa của nhiệt độ trong đời sống

Nhiệt độ đóng một vai trò hết sức quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực của

khoa học gồm: vật lý học, địa chất học, hóa học và sinh vật học Rất nhiều các tính

chất vật lý của các chất như pha (rắn, lỏng, khí, plasma), khối lượng riêng, tính tan,

áp suất hơi và tính dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ cũng đóng vai trò

quan trọng trong việc xác định tốc độ cũng như giới hạn mà tại đó các phản ứng hóa

học xảy ra Điều này lý giải vì sao cơ thể con người có một vài cơ chế tinh vi để duy

trì thân nhiệt ở 37°C Sở dĩ, nhiệt độ chỉ cần tăng lên một chút sẽ đẫn một loạt các

phản ứng hóa học có hại với cơ thể con người xảy ra Nhiệt độ cũng quyết định loại

và lượng của phát xạ nhiệt trên bề mặt vật chất Một trong những ứng dụng của hiệu

ứng này có thể kể đến bóng đèn sợi đốt Trong bóng đèn sợi đốt, sợi dây tóc được

gia nhiệt bằng dòng điện tới một mức nhiệt độ nhất định mà tại đó lượng các bức xạ

thuộc vùng ánh sáng thấy được là đáng kể

Trong vật lý điện tử, các chất bán dẫn dùng để tạo ra các linh kiện điện tử rất

nhạy cảm với nhiệt độ Độ dẫn điện của chất bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ Một

chất bán dẫn tại nhiệt độ thấp có thể nó trở thành điện môi nhưng tại nhiệt độ cao

hơn nó có thể trở thành chất dẫn điện Chuyển tiếp PN một thành phần quan trọng

trong cấu tạo của các linh kiện điện tử có đặc tuyến Volt-Ampere phụ thuộc rất

nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng sẽ làm giảm điện áp phân cực thuận khi giữ

dòng thuận không đổi hay nói cách khác là tăng dòng thuận khi giữ điện áp phân

cực thuận không đổi Đồng thời sự tăng nhiệt độ làm giảm điện áp đánh thủng

chuyển tiếp PN đối với cơ chế đánh thủng xuyên hầm [3] Những điều vừa nêu

được thể hiện và minh họa thông qua các biểu thức (1.7) – Dòng thuận qua chuyển

tiếp PN phân cực thuận, (1.8) – Dòng ngược qua chuyển tiếp PN phân cực ngược,

(1.9) – Điện áp đánh thủng chuyển tiếp PN, (1.10) – Sự phụ thuộc của điện áp vào

nhiệt độ của chuyển tiếp PN phân cực thuận và các hình 1.1 và hình 1.2 Chính vì

vậy, khi linh kiện điện tử làm việc ở nhiệt độ cao sẽ dễ dẫn đến quá dòng với

chuyển tiếp PN phân cực thuận và bị đánh thủng đối với các chuyển tiếp PN phân

cực ngược gây hỏng linh kiện điện tử Việc đảm bảo cho linh kiện điện tử làm việc

trong giải nhiệt độ cho phép là rất cần thiết

t

qU kT

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

g t t

∆E

U qdU

Trong các biểu thức trên:

It: dòng qua chuyển tiếp PN phân cực thuận

In: dòng qua chuyển tiếp PN phân cực ngược

Iso: dòng bão hòa

Ut: điện áp phân cực thuận (có giá trị dương)

Un: điện áp phân cực ngược (có giá trị âm)

q: điện tích electron

k: hằng số Boltzerman

T: nhiệt độ khảo sát

Udt: điện áp đánh thủng chuyển tiếp PN phân cực ngược tại nhiệt độ T

Udt0: điện áp đánh thủng chuyển tiếp PN phân cực ngược tại nhiệt độ T0

θT hệ số nhiệt độ của điện áp đánh thủng (có giá trị âm đối với cơ chế đánh

thủng xuyên hầm)

∆Eg: độ rộng miền điện tích không gian

Hình 1.1: Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN phân cực ngược

Hình 1.2: Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN phân cực thuận

1.2 Các khái niệm cơ bản liên quan tới độ ẩm

Độ ẩm có ở khắp mọi nơi trong khí quyển Ngay cả những nơi rất khô hoặc

trong chất khí hóa lỏng cũng có những vệt hơi nước Vậy độ ẩm là gì? Để định

lượng độ ẩm người ta dùng những thông số nào? Độ ẩm có vai trò như thế nào trong

đời sống? Phần này sẽ đi tìm câu trả lời cho những câu hỏi trên

1.2.1 Độ ẩm là gì?

Không giống với nhiệt độ, một đại lượng khó định nghĩa và khó để hiểu sâu

sắc các định nghĩa của nó Độ ẩm được định nghĩa rất ngắn gọn và dễ hiểu như sau:

Độ ẩm là lượng hơi nước có trong không khí Trong đời sống thường nhật, độ ẩm

mà mọi người thường nói tới thực chất là độ ẩm tương đối

1.2.2 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là tỉ số giữa lượng hơi nước có trong không khí và thể tích

mẫu không khí đang khảo sát

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

mw là khối lượng hơi nước

Va là thể tích mẫu không khí

1.2.3 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa áp suất riêng của hơi nước và áp suất hơi bão

hòa ở nhiệt độ khảo sát T

T

V s

P

RH là độ ẩm tương đối

Pv là áp riêng của hơi nước

Ps là áp suất hơi bão hòa – Áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước ở

nhiệt độ T Đây là giá trị lớn nhất mà áp suất riêng phần Pv có thể đạt tới ở

nhiệt độ T, trên áp suất này (ví dụ ta bơm thêm hơi nước vào mẫu không khí

đang xét) sẽ xảy ra ngưng tụ

1.2.4 Độ chứa hơi

Độ chứa hơi là tỉ số giữa khối lượng hơi nước có trong không khí và khối

lượng không khí khô có trong mẫu đó xét tại một áp suất cho trước

w d

mMR=

MR là độ chứa hơi

mw là khối lượng hơi nước

md là khối lượng không khí khô

1.2.5 Độ ẩm riêng

Độ ẩm riêng là tỉ số giữa khối lượng hơi nước trên tổng khối lượng của mẫu

không khí đang khảo sát

mt là khối lượng tổng cộng của mẫu không khí (nó bằng tổng khối lượng của

hơi nước và không khí khô

Độ ẩm riêng và độ chứa hơi có mối quan hệ qua lại Biết thông số này sẽ tính

được thông số kia

MRSH=

SHMR=

1.2.6 Nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ điểm sương là ngưỡng nhiệt độ cần phải làm lạnh mẫu không khí

ẩm xuống tới đó để đạt được trạng thái bão hòa Đây chính là nhiệt độ mà tại đó

Pv=Ps ứng với một mẫu không khí đã cho Khi không khí đạt tới trạng thái bão hòa

thường xảy ra các hiện tượng như sương mù, mưa, tuyết rơi Tại một giá trị nhiệt độ

nhất định, khi biết độ ẩm tương đối, ta có thể ước tính được số gam hơi nước có

trong một Kg không khí Tham khảo hình 1.3

1.2.7 Vai trò của độ ẩm trong đời sống

Độ ẩm đóng vai trò quan trọng đối với cơ thể sống Một trong các cách thoát

nhiệt của cơ thể con người là đổ mồ hôi Khi ta ở trong môi trường có độ ẩm cao và

thân nhiệt đang cao hơn mức bình thường thì việc đổ mồ hôi để thoát nhiệt gặp khó

khăn do lượng hơi nước trong không khí đã khá cao Trong các trường hợp như vậy,

cơ thể ta sẽ có cảm giác oi bức, khó chịu, nặng có thể bị sốt Mức độ ẩm tương đối

phù hợp với cơ thể con người nằm trong khoảng từ 30% tới 60%

Trong lĩnh vực xây dựng, độ ẩm ảnh hưởng nhiều tới độ bền của vật liệu xây

dựng Độ ẩm cao gây han rỉ, mục nát vật liệu xây dựng, độ ẩm thấp làm cho vật liệu

dòn, dễ vỡ Trong ngành công nghệ thực phẩm, việc chế biến và bảo quản thực

phẩm cũng phụ thuộc nhiều vào độ ẩm Độ ẩm cao thì thực phẩm nhanh hỏng do vi

khuẩn, nấm mốc phát triển mạnh Trong công nghiệp, độ ẩm cao ảnh hưởng xấu đến

đặc tính cách điện của vật liệu và là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự xuống cấp và

hỏng hóc của thiết bị điện – điện tử Ví dụ: khi ta di chuyển một thiết bị máy móc

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

điện tử từ một nơi có nhiệt độ thấp (từ ôtô, kho chứa thiết bị có điều hòa) ra môi trường có độ ẩm cao và nhiệt độ cao hơn Lúc này, không khí ẩm và nóng sẽ tràn vào trong vỏ máy, gặp không khí lạnh sẽ dẫn đến hiện tượng ngưng tụ hơi nước trên các bo mạch điện tử Nếu vào thời điểm này, ta cấp nguồn và khởi động máy móc, thiết bị sẽ dễ xảy ra hiện tượng ngắn mạch trên các bo mạch điện tử làm hỏng thiết

bị điện tử Độ ẩm cao có hại như vậy không có nghĩa độ ẩm thấp không gây hại cho thiết bị điện – điện tử Độ ẩm thấp là điều kiện lý tưởng cho sự tích lũy tĩnh điện Đến một mức nào đó, hiện tượng phóng tĩnh điện có thể xảy ra và gây nên những hiệu ứng không kiểm soát được trong thiết bị điện – điện tử Chính vì những lý do trên mà độ ẩm là một trong các thông số quan trọng cần được kiểm soát trong quá trình vận hành thiết bị điện – điện tử Các thiết bị điện – điện tử thường có dải độ

ẩm tương đối cho phép nằm trong khoảng từ 5% đến 95%

Hình 1.3: Lượng hơi nước chứa trong không khí tại RH=100% ứng với các giá trị

nhiệt độ khác nhau[11]

1.3 Các khái niệm liên quan tới cháy và cảnh báo cháy

Hỏa hoạn là một trong những thảm họa đáng sợ đối với đời sống của con người cũng như nhiều động thực vật khác Hỏa hoạn gây nên thương vong, thiệt hại

về vật chất, ô nhiễm môi trường Một đám cháy khi mới khởi phát có thể dập tắt một cách dễ dàng nhưng khi ngọn lửa đã bùng phát dữ dội thì khó mà kiểm soát nổi, việc dập tắt nó nhiều khi là điều không thể Chính vì vậy, việc phát hiện cháy sớm

và cảnh báo cháy kịp thời đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế thiệt hại do cháy gây ra Một trong các tính năng của sản phẩm đề tài là phát hiện và cảnh báo cháy nên trong mục này, ta sẽ đề cập đến các khái niệm liên quan tới cháy và cảnh báo cháy

1.3.1 Định nghĩa cháy

Cháy là phản ứng hóa học có tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng [4] Nếu chiểu theo định nghĩa này, ta có thể thấy rằng các phản ứng hóa học sau đều có thể coi là cháy:

Lửa: Hình dạng bên ngoài biểu hiện sự cháy kèm theo phát sáng

Khói: Thể nhìn thấy được trong không khí gồm các phần tử rắn, lỏng và khí tạo ra khi cháy

Sự cháy ẩm ỉ: Cháy không thành ngọn lửa của chất rắn hữu cơ, thường xảy ra khi không đủ ôxi và tạo khói

Sản phẩm cháy: Vật chất được tạo ra do cháy

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

Đám cháy: Sự cháy không kiểm soát được có thể gây thiệt hại về người, tài sản

1.3.2 Phân loại đám cháy [5]

Theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), cụ thể là TCVN4878, các dạng khác nhau của sự cháy được phân ra làm 4 loại dựa vào bản chất của chất cháy (nhiên liệu) Sự phân loại này đặc biệt có ích cho việc sử dụng đúng và hợp lý các phương tiện dập cháy khi chống cháy Tiêu chuẩn này không định nghĩa loại cháy do sự cố điện gây ra Vì sự cháy có các bản chất khác nhau, để đơn giản cách nói và cách viết, sự cháy được phân loại, gọi tên và định nghĩa như sau:

- Loại A: Sự cháy do cháy các chất rắn, thông thường là các chất hữu cơ, trong đó sự cháy xảy ra kèm theo việc tạo than hồng

- Loại B: Sự cháy do cháy các chất lỏng và chất rắn hóa lỏng được

- Loại C: Sự cháy do cháy chất khí

- Loại D: Sự cháy do cháy các kim loại

1.3.3 Diễn biến và các thành phần của một đám cháy

Đám cháy sẽ khởi phát khi chất dễ cháy được đặt trong môi trường có hàm lượng ôxi thích hợp, được gia nhiệt bởi nguồn gây cháy tới nhiệt độ bốc cháy Tiếp sau đó, một loạt các phản ứng dây chuyền xảy ra làm cho đám cháy mạnh dần lên Nếu không được dập tắt kịp thời nó sẽ bùng phát và cháy dữ dội Kết quả cuối cùng

có thể dẫn đến sự cháy hoàn toàn Đám cháy bị dập tắt hoặc tự tắt khi một trong các thành phần của đám cháy bị cách ly khỏi đám cháy

Việc hiểu diễn biến của đám cháy sẽ dễ dàng hơn với một số thuật ngữ và định nghĩa được trích dẫn từ TCVN 5303:1990 gồm:

Nguồn gây cháy: Nguồn năng lượng dẫn đến sự cháy của vật chất

Chất dễ cháy: Chất có thể bốc cháy, cháy âm ỉ hoặc carbon hóa khi có tác động của nguồn gây cháy và có khả năng tiếp tục cháy kể cả khi không còn nguồn gây cháy

Nhiệt độ bốc cháy: Nhiệt độ thấp nhất của chất cháy mà ở nhiệt độ đó khi có nguồn gây cháy tác động, chất cháy sẽ bốc cháy có ngọn lửa và tiếp tục cháy sau khi không còn nguồn gây cháy

Sự cháy hoàn toàn: Sự cháy mà sản phẩm cháy là chất không cháy

Theo như diễn biến của đám cháy vừa trình bày ở trên, ta có thể thấy bốn thành phần cơ bản của đám cháy gồm: Chất dễ cháy hay còn gọi là nhiên liệu (Fuel), nhiệt (ở mức nhiệt độ bốc cháy), ôxi (với hàm lượng thích hợp), Các phản ứng hóa học dây chuyền Bốn thành phần này tạo thành tứ diện hỏa (fire tetrahedron) như trong hình 1.4

Hình 1.4: Tứ diện hỏa

Để dập tắt đám cháy, ta cần loại trừ một trong bốn thành phần trên của đám cháy Ví dụ: khi ta dùng nước để dập tắt đám cháy tức là ta đã hạ nhiệt của đám cháy Ta thổi khí CO2 vào đám cháy để làm giảm hàm lượng O2 trong đám cháy Hay ta có thể đẩy lùi một đám cháy rừng bằng cách đốt cháy những vìa rừng lân cận

ở mức độ kiểm soát được Làm điều này tức là ta đã lấy đi nhiên liệu đám cháy cần

để có thể duy trì sự cháy Đối với chuỗi phán ứng hóa học dây chuyền, người ta có thể ngăn chặn nó bằng cách sử dụng Heptafluoropropane (HFC-227) bởi chất này

có khả năng kìm hãm các phản ứng cháy

Ngọn lửa trong đám cháy có thể cho ta biết nhiệt độ của vùng phát ra ngọn lửa đó Ngọn lửa màu đỏ có nhiệt độ trong khoảng 500 ÷ 1000ºC, ngọn lửa màu

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

cam có nhiệt độ trong khoảng1000÷1200ºC, ngọn lửa sáng trắng có nhiệt độ trong khoảng 1300÷1500ºC và ngọn lửa sáng xanh có nhiệt độ trên 1500ºC Vùng phát ra ngọn lửa sáng trắng hoặc sáng xanh được gọi là gốc lửa Để dập tắt đám cháy nhanh chóng thì ta cần can thiệp vào gốc lửa

1.3.4 Sự cháy – tác hại bên cạnh những yếu tố tích cực của nó

Như đã trình bày ở trên, sự cháy đi kèm với sự tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng Tức là, sự cháy giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt năng và quang năng Các năng lượng này khi được kiểm soát và sử dụng đúng mục đích sẽ đem lại nhiều lợi ích Người ta có thể sản xuất ra điện từ nhiệt năng trong các nhà máy nhiệt điện Các động cơ – thành phần chính của các loại máy móc công nghiệp cũng hoạt động nhờ vào nhiệt năng Ngành luyện kim cũng cần sử dụng nhiều năng lượng nhiệt Và còn nhiều ngành công nghiệp khác nữa cũng cần đến năng lượng nhiệt Hàng ngày, con người sử dụng nhiệt năng để đun nấu, sưởi ẩm,… Ngay trong lịch sử phát triển của loài người, việc tạo ra lửa và sử dụng nó đánh dấu một bước ngoặt lớn của quá trình tiến hóa Không còn nghi ngờ gì nữa! Sự cháy khi nằm trong tầm kiểm soát và được tạo ra bởi một mục đích tích cực thì nó đem lại lợi ích vô cùng to lớn

Tuy nhiên, khi sự cháy xảy ra nằm ngoài ý định và tầm kiểm soát của con người thì tác hại của nó cũng rất ghê ghớm Sự cháy lúc này được coi là hỏa hoạn

và gây nên nhiều thương vong cho sinh vật sống, gây thiệt hại nặng nề về vật chất, làm ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Dưới đây là một vài con số thống kê của Sở cảnh sát phòng cháy và chữa cháy thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) Những con

số này phần nào nói lên những thiệt hại mà hỏa hoạn gây ra cho TPHCM trong năm

2007 Theo thống kê của Sở Cảnh sát PCCC, trong năm 2007 trên địa bàn TPHCM

đã xảy ra 237 vụ cháy làm 2 người chết, 27 người bị thương và thiệt hại tài sản ước tính khoảng 74,5 tỷ đồng; giảm 82 vụ (25,7%), 2 người chết và 15,9 tỷ đồng thiệt hại tài sản nhưng tăng 27 người bị thương so với năm 2006 (trong đó, lực lượng CS PCCC trực tiếp cứu chữa 213 vụ, tăng 25 vụ = 13,29%)[13]

1.3.5 Định nghĩa và phân loại hệ thống cảnh báo cháy

Hệ thống báo cháy tự động là hệ thống tự động phát hiện và thông báo địa điểm cháy Nó có thể được chia nhỏ thành vài dạng hệ thống sau:

- Hệ thống báo cháy thông thường: Hệ thống báo cháy tự động không có chức năng thông báo địa chỉ của từng đầu báo cháy

- Hệ thống báo cháy địa chỉ: Hệ thống báo cháy tự động có chức năng thông báo địa chỉ từng đầu báo cháy

- Hệ thống báo cháy thông minh: Hệ thống báo cháy tự động ngoài chức năng báo cháy thường hoặc địa chỉ còn có thể đo được một số thông số về cháy của khu vực nơi lắp đặt báo cháy theo yêu cầu của nhà thiết kế và lắp đặt

Trong hệ thống báo cháy, đầu báo cháy quyết định tốc độ phát hiện cháy, độ tin cậy, loại cháy dễ phát hiện cũng như giá thành của hệ thống Đầu báo cháy tự động được định nghĩa là thiết bị tự động nhạy cảm với các hiện tượng kèm theo sự cháy (sự tăng nhiệt độ, tỏa khói, phát sáng) và truyền tín hiệu thích hợp đến trung tâm báo cháy Có một số loại đầu báo cháy phổ biến sau:

- Đầu báo cháy nhiệt: Đầu báo cháy tự động nhạy cảm với sự gia tăng nhiệt

độ của môi trường nơi lắp đặt đầu báo cháy

+ Đầu báo cháy nhiệt cố định: Đầu báo cháy nhiệt tác động khi nhiệt độ tại vị trí lắp đặt đầu báo cháy đạt đến giá trị xác định trước

+ Đầu báo cháy nhiệt gia tăng: Đầu báo cháy nhiệt tác động khi nhiệt độ tại vị trí lắp đặt đầu báo cháy có vận tốc gia tăng đạt đến giá trị xác định

- Đầu báo cháy khói: Đầu báo cháy tự động nhạy cảm với các tác động của khói tạo bởi các hạt rắn hoặc lỏng sinh ra từ quá trình cháy và/hoặc do phân hủy nhiệt

+ Đầu báo cháy khói ion hóa: Đầu báo cháy khói nhạy cảm với các sprinkler được sinh ra khi cháy có khả năng tác động tới các dòng ion hóa bên trong đầu báo cháy

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

+ Đầu báo cháy khói quang điện: Đầu báo cháy khói nhạy cảm với các sprinkler được sinh ra khi cháy có khả năng ảnh hưởng đến sự hấp thụ bức xạ hay tán xạ trong vùng hồng ngoại và/hoặc vùng cực tím của phổ điện từ

+ Đầu báo cháy khói tia chiếu: Đầu báo cháy khói gồm hai bộ phận là đầu phát tia sáng và đầu thu tia sáng, sẽ tác động khi ở khoảng giữa đầu phát và đầu thu xuất hiện khói

- Đầu báo cháy lửa: Đầu báo cháy tự động nhạy cảm với sự bức xạ của lửa

- Đầu báo cháy hỗn hợp: Dầu báo cháy tự động nhạy cảm với ít nhất hai hiện tượng kèm theo sự cháy

Là trái tim đồng thời thể hiện mức độ thông minh của hệ thống báo cháy là trung tâm báo cháy Trung tâm báo cháy là thiết bị cung cấp năng lượng cho các đầu báo cháy tự động và thực hiện các chức năng sau đây:

- Nhận tín hiệu từ đầu báo cháy tự động và phát tín hiệu báo động cháy chỉ thị nơi xảy ra cháy

- Có thể truyền tín hiệu phát hiện cháy qua thiết bị truyền tín hiệu đến nơi nhận tin báo cháy hoặc/và đến các thiết bị phòng cháy, chữa cháy tự động

- Kiểm tra sự làm việc bình thường của hệ thống, chỉ thị sự cố hệ thống như đứt dây, chập mạch…

- Có thể tự động điều khiển sự hoạt động của các thiết bị ngoại vi khác Ngoài hai bộ phận chính kể trên, hệ thống báo cháy còn bao gồm hộp nút ấn báo cháy, các bộ phận liên kết, nguồn điện Tùy theo yêu cầu, hệ thống báo cháy còn có các bộ phận khác như thiết bị truyền tín hiệu báo cháy, bộ phận kiểm tra thiết bị phòng cháy, chữa cháy tự động…

1.3.6 Các yêu cầu đối với hệ thống cảnh báo cháy

Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động cần tuân thủ các yêu cầu, quy định của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành Mục này đưa ra các yêu cầu

chung nhất đối với hệ thống cảnh báo cháy Các yêu cầu chi tiết cho từng bộ phận của hệ thống có thể tham khảo trong tài liệu TCVN 5738:2000

Hệ thống báo cháy phải đáp ứng các yêu cầu sau [6]:

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

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

1.4 Giao tiếp với máy tính qua cổng nối tiếp theo chuẩn RS232

Để có thể thiết kế thiết bị ngoại vi giao giếp với máy tính thông qua cổng COM, ta cần một số kiến thức cơ bản về cổng COM và chuẩn RS232 gồm: cấu trúc cổng nối tiếp, truyền thông giữa hai nút, các thanh ghi của vi mạch UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), truyền thông nối tiếp dùng ActiveX MSComm

1.4.1 Cấu trúc cổng nối tiếp

Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau:

- Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song

- Số dây kết nối ít

- Có thể truyền không dây dùng hồng ngoại

- Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Controller)

- Cho phép nối mạng

- Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc

- Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE (Data Terminal

Equipment) và DCE (Data Communication Equipment) DCE là các thiết bị trung

gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy

tính, PLC, vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thông thường qua 2 chân RxD

(nhận) và TxD (truyền) Các tín hiệu còn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và

điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake) Ưu

điểm của quá trình truyền dùng tín hiệu bắt tay là có thể kiểm soát đường truyền

Chuẩn RS-232 của EIA (Electronics Industry Associations) quy định

mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện

áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dòng từ 10 mA đến 20 mA

Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống ngắn mạch

Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps

nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps

Các phương thức nối giữa DTE và DCE:

- Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng

- Bán song công ( half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng, nhưng

mỗi thời điểm chỉ được truyền theo 1 hướng

- Song công (full-duplex): số liệu được truyền đồng thời theo 2 hướng

Định dạng của khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS-232 như trong hình 1.5:

Hình 1.5: Định dạng khung truyền dữ liệu chuẩn RS232 Khi không truyền dữ liệu, đường truyền sẽ ở trạng thái mark (điện áp -

10V) Khi bắt đầu truyền, DTE sẽ đưa ra xung Start (space: 10V) và sau đó lần

lượt truyền từ D0 đến D7và Parity, cuối cùng là xung Stop (mark: -10V) để khôi

phục trạng thái đường truyền Dạng tín hiệu truyền mô tả như sau (truyền ký tự

A):

Hình 1.6: Tín hiệu truyền của ký tự ‘A’

Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 cho trong bảng 1.1:

Bảng 1.1: Đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 Chiều dài cable cực đại 15m

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

Hình 1.7: Sơ đồ chân cổng nối tiếp Cổng COM có hai dạng: đầu nối DB25 (25 chân) và đầu nối DB9 (9 chân),

ý nghĩa các chân cho trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Ý nghĩa của các chân cổng COM:

1 - - - Protected ground: nối đất bảo vệ

2 3 TxD DTE→DCE Transmitted data: dữ liệu truyền

3 2 RxD DCE→DTE Received data: dữ liệu nhận

4 7 RTS DTE→DCE Request to send: DTE yêu cầu truyền dữ liệu

5 8 CTS DCE→DTE Clear to send: DCE sẵn sàng nhận dữ liệu

6 6 DSR DCE→DTE Data set ready: DCE sẵn sàng làm việc

8 1 DCD DCE→DTE Data carier detect: DCE phát hiện sóng mang

20 4 DTR DTE→DCE Data terminal ready: DTE sẵn sàng làm việc

22 9 RI DCE→DTE Ring indicator: báo chuông

23 - DSRD DCE→DTE Data signal rate detector: dò tốc độ truyền

24 - TSET DTE→DCE Transmit Signal Element Timing: tín hiệu định

thời truyền đi từ DTE

15 - TSET DCE→DTE Transmitter Signal Element Timing: tín hiệu định

thời truyền từ DCE để truyền dữ liệu

17 - RSET DCE→DTE Receiver Signal Element Timing: tín hiệu định

thời truyền từ DCE để truyền dữ liệu

21 - RL DCE→DTE Remote Loopback: Tạo ra bởi DCE khi tín hiệu

nhận từ DCE lỗi

14 - STxD DTE→DCE Secondary Transmitted Data

16 - SRxD DCE→DTE Secondary Received Data

19 - SRTS DTE→DCE Secondary Request To Send

13 - SCTS DCE→DTE Secondary Clear To Send

12 - SDSRD DCE→DTE Secondary Received Line Signal Detector

1.4.2 Truyền thông giữa hai nút

Các sơ đồ khi kết nối dùng cổng nối tiếp:

Hình 1.8: Kết nối đơn giản trong truyền thông nối tiếp Khi thực hiện kết nối như trên, quá trình truyền phải bảo đảm tốc độ ở đầu phát và thu giống nhau Khi có dữ liệu đến DTE, dữ liệu này sẽ được đưa vào

bộ đệm và tạo ngắt

Ngoài ra, khi thực hiện kết nối giữa hai DTE, ta còn dùng sơ đồ như trong hình 1.9

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

Hình 1.9: Kết nối trong truyền thông nối tiếp dùng tín hiệu bắt tay

Khi DTE1 cần truyền dữ liệu thì cho DTR tích cực ⇒ tác động lên DSR của DTE2 cho biết sẵn sàng nhận dữ liệu và cho biết đã nhận được sóng mang của MODEM (ảo) Sau đó, DTE1 tích cực chân RTS để tác động đến chân CTS của DTE2 cho biết DTE1 có thể nhận dữ liệu Khi thực hiện kết nối giữa DTE và DCE, do tốc độ truyền khác nhau nên phải thực hiện điều khiển lưu lượng Quá trinh điều khiển này có thể thực hiện bằng phần mềm hay phần cứng Quá trình điều khiển bằng phần mềm thực hiện bằng hai ký tự Xon và Xoff Ký tự Xon được DCE gởi đi khi rảnh (có thể nhận dữ liệu) Nếu DCE bận thì sẽ gởi ký tự Xoff Quá trình điều khiển bằng phần cứng dùng hai chân RTS và CTS Nếu DTE muốn truyền dữ liệu thì sẽ gởi RTS để yêu cầu truyền, DCE nếu có khả năng nhận dữ liệu (đang rảnh) thì gởi lại CTS

1.4.3 Truy xuất trực tiếp thông qua cổng COM

Các cổng nối tiếp trong máy tính được đánh số là COM1, COM2, COM3, COM4 với các địa chỉ như sau:

Bảng 1.3: Địa chỉ cổng COM

Tên Địa chỉ Ngắt Vị trí chứa địa

COM1 3F8h 4 0000h:0400hCOM2 2F8h 3 0000h:0402hCOM3 3E8h 4 0000h:0404hCOM4 2E8h 3 0000h:0406hGiao tiếp nối tiếp trong máy tính sử dụng vi mạch UART với các thanh ghi cho trong bảng 1.4

Bảng 1.4: Các thanh ghi trong vi mạch UART của máy tính

0 W THR Transmitter Holding Register (đệm truyền)

0 R RBR Receiver Buffer Register (đệm thu)

0

1 R/W BRDL Baud Rate Divisor Latch (số chia byte thấp)

0 R/W IER Interrupt Enable Register (cho phép ngắt)

1 1 R/W BRDH Số chia byte cao

R IIR Interrupt Identification Register (nhận dạng

2 W FCR FIFO Control Register

3 R/W LCR Line Control Register (điều khiển đường dây)

4 R/W MCR Modem Control Register (điều khiển

5 R LSR Line Status Register (trạng thái đường dây)

6 R MSR Modem Status Register (trạng thái MODEM)

7 R/W SR Scratch Register (thanh ghi tạm)

Các thanh ghi này có thể truy xuất trực tiếp kết hợp với địa chỉ cổng (ví dụ như thanh ghi cho phép ngắt của COM1 có địa chỉ là ACOM1 + 1 = 3F9h.

1.4.3.1 IIR (Interrupt Identification)

IIR xác định mức ưu tiên và nguồn gốc của yêu cầu ngắt mà UART đang chờ phục vụ Khi cần xử lý ngắt, CPU (Central Processing Unit) thực hiện đọc các bit tương ứng để xác định nguồn gốc của ngắt Định dạng của IIR cho trong hình 1.10

Hình 1.10: Định dạng thanh ghi nhận dạng ngắt

Luận văn cao học Các khái niệm cơ bản

1.4.3.2 IER (Interrupt Enable Register)

IER cho phép hay cấm các nguyên nhân ngắt khác nhau (1: cho phép, 0: cấm ngắt)

Hình 1.11: Định dạng thanh ghi cho phép ngắt

1.4.3.3 MCR (Modem control register)

Hình 1.12: Định dạng thanh ghi điều khiển modem

1.4.3.4 MSR (Modem Status Register)

Hình 1.13: Định dạng thanh ghi trạng thái modem

1.4.3.5 LSR (Line Status Register)

Hình 1.14: Định dạng thanh ghi trạng thái đường truyền