mạch cảnh báo ðảm bảo an toàn trong hầm lò

Chính những điều trên đã thúc đấy nhóm em đưa ra ý tưởng về việc phòng và cảnh báo nhưng dấu hiệu những dấu hiệu có thể làm sập hay nổ hầm như áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ khí metan

Viện Điện Tử - Viễn Thông

====o0o====

ĐỒ ÁN I

Đề tài: MẠCH CẢNH BÁO ĐẢM BẢO AN TOÀN

TRONG HẦM LÒ

Giảng viên hướng dẫn: Lâm Hồng Thạch

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU -3

PHẦN 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI -5

8 PHẦN 3 MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM TRONG HẦM MỎ -9

PHẦN 4 PHẦN MỀM -22

PHẦN 5 TỔNG KẾT -43

Tài liệu tham khảo : -43

LỜI NÓI ĐẦU

Hầm mỏ là công trình ngầm nằm sâu trong long đất nhằm khai thác nhưng khoáng sản trong đó Các vật liệu được khai thác từ mỏ như kim loại cơ bản, kim loại quý, sắt, urani, than, kim cương, đá vôi, đá phiến dầu, đá muối và kali cacbonat Bất kỳ vật liệu nào không phải từ trồng trọt hoặc được tạo ra trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy đều được khai thác từ mỏ Khai thác mỏ ở nghĩa rộng hơn bao gồm việc khai thác các nguồn tài nguyên không tái tạo (như dầu mỏ, khí thiên nhiên, hoặc thậm chí là nước).

Ngày nay với kỹ thuật tiên tến và hiện đại chúng ta thấy những đường hầm rất sâu và tối tăm, nên việc đảm bảo an toàn và cứu hộ trong đường hầm là điều không hề đơn giản, thế giới đã chứng kiến nhiều vụ sập hầm

mỏ lớn mà hậu quả khó lường Chính những điều trên đã thúc đấy nhóm

em đưa ra ý tưởng về việc phòng và cảnh báo nhưng dấu hiệu những dấu hiệu có thể làm sập hay nổ hầm như áp suất, độ ẩm, nhiệt độ, nồng độ khí metan Từ đấy phán đoán và đưa ra phương án hợp lý để tăng độ an toàn.

Đồ án bao gồm 5 nội dung :

- Giới thiệu đề tài

- Tiêu chuẩn an toàn hầm mỏ

- Mạch đo và cảnh báo độ ẩm, nhiệt độ hầm mỏ

- Phần mềm

- Tổng kết

Chúng em xin chân thành cám ơn thầy giáo TS.Lâm Hồng Thạch Giảng viên Viện Điện Tử - Viễn Thông trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, cố vấn khoa học GS.TSKH Đào Khắc An những người thầy đã trực tiếp định hướng đồ án, giúp đỡ về mọi mặt để chúng em có thể hoàn thành đồ án của mình Đồng thời chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể các anh chị trong phòng Vật Liệu Và Linh Kiện Năng Lượng, Viện Khoa Học Vật Liệu đã tạo mọi điều kiên để giúp chúng em hoàn thành đồ án của minh, đặc biệt là anh Nguyễn Chung Đông

-PHẦN 1 GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

Thiết kế mạch đo độ ẩm và nhiệt độ đưa ra cảnh báo an toàn cho các hầm

mỏ khai thác khoáng sản: Mạch sẽ sử dụng cảm biến được đặt trực tiếp trong hầm lò để đưa ra giá trị nhiệt độ, độ ẩm Giá trị đó sẽ được hiển thị lên màn hình LCD để công nhân có thể nắm được tình hình về nhiệt độ,

độ ẩm trong hầm lò, đồng thời gửi dữ liệu đó đến màn hình LCD ở trung tâm để quản lí công trình cũng nắm rõ tình hình trong hầm lò Khi mà 1 trong 2 yếu tố: Độ ẩm hoặc nhiệt độ vượt quá ngưỡng quy định thì sẽ có chuông báo động đồng thời ở cả trong hầm mỏ và trung tâm để công nhân

có thể nhanh chóng di tản ra khỏi hầm lò và các nhà quản lí cũng biết để

hỗ trợ cứu giúp công nhân Khi mà giá trị nhiệt độ độ ẩm trong hầm lò trở lại ngưỡng an toàn thì chuông sẽ tự động ngắt Các dây nối cũng như thiết

bị đều được bọc kín đảm bảo an toàn trong hầm lò theo quy định của Nhà nước Tính khả thi đề tài rất cao, đem lại lợi ích rất lớn trong việc hạn chế cháy nổ trong hầm mỏ.

PHẦN 2 TIÊU CHUẨN AN TOÀN HẦM MỎ

Qua tìm hiểu tài liệu trên mạng và thực tế tiêu chuẩn tại các hầm mỏ,

nhóm đã rút ra được những yêu cầu tiêu chuẩn an toàn sau :

• Nhiệt độ không khí trong gương khấu, cũng như trong các

gương lò khác có người đang làm việc tối đa là 30oC.

• Hàm lượng ôxy trong không khí mỏ ở các lò có người tối

thiểu là 20% (theo thể tích) Hàm lượng khí cacbonic trong không khí mỏ cho phép tối đa được quy định như sau:

+ 0,5% ở những nơi làm việc, ở luồng gió thải của khu khai thác và

ở các lò cụt;

+ 0,75% ở luồng gió thải của một cánh, của mức khai thác và của

toàn mỏ;

+ 1% khi đào và phục hồi đường lò qua vị trí sụp đổ.

• Hàm lượng khí hydrô trong các buồng nạp ắc quy tối đa là

0,5% Không khí trong các lò đang hoạt động không được chứa các khí độc với hàm lượng giới hạn cho phép

Bảng III.1 Hàm lượng giới hạn cho phép về khí độc trong lò đang hoạt

động

Khí độc

Hàm lượng giới hạn cho phép về khí độc trong lò đang hoạt động

% theo thể tích mg/m3

Oxit Cácbon (CO) 0,00170 20

Các Oxit Nitơ (qui đổi theo NO2) 0,00025 5

Đioxit Nitơ (NO2) 0,00010 2

Anhidrit Sunfurơ (SO2) 0,00038 10

Sunfua hydrô (H2S) 0,00070 10

• Hàm lượng khí Mêtan trong không khí mỏ, mức độ nguy

hiểm về cháy nổ được quy định tại Điều 51 của Quy chuẩn này.

• Sau khi nổ mìn và trước khi người lao động vào gương lò

làm việc, tổng số hàm lượng các khí độc qui đổi theo Oxit Cácbon không được vượt quá 0,008% theo thể tích Việc

thông gió làm loãng các khí độc, khí Mêtan đảm bảo hàm lượng không khí mỏ đạt đến giới hạn cho phép thực hiện tối

đa 30 phút sau khi nổ mìn.

• Khi thành phần không khí trong lò không đảm bảo quy định

tại Điều 41 của Quy chuẩn này, phải dừng các công việc ở lò

đó và mọi người phải đến vị trí có luồng gió sạch và phải báo ngay cho bộ phận điều hành và chỉ huy sản xuất mỏ, đồng thời phải có biện pháp để cải thiện chất lượng không khí ở lò

đó theo quy định.

• Nhanh chóng dừng mọi hoạt động trong lò, đưa người đến nơi có luồng gió sạch và cắt điện đối với các thiết bị điện khi thiết bị thông gió trung tâm dừng hoạt động hoặc chế độ thông gió bị phá vỡ

• Khi thiết bị thông gió trung tâm dừng hoạt động trong thời gian lâu hơn 30 phút, Chỉ huy sản xuất phải tổ chức thực hiện đưa mọi người thoát khỏi hầm lò và nhanh chóng khắc phục sự cố Chỉ được phép tiếp tục trở lại làm việc sau khi đã thông gió và đo khí, đo gió, kiểm tra gương khấu và gương

lò cụt đảm bảo an toàn.

Ảnh hưởng của độ ẩm tới an toàn và hoạt động trong hầm mỏ :

- Các mỏ hầm lò khi khai thác được phân loại có nguy hiểm về khí hay bụi nổ và được xác định các loại khí và bụi này Nồng đồ khí độc và bụi quá cao dễ gây ra những nguy hiểm nổ hoặc tự cháy trong quá trình sản xuất

- Cụ thể không khí trong các hầm lò có người làm việc phải đảm bảo nồng độ oxy không nhỏ hơn 20% (khi đó cho phép nồng độ khí CO2 tại vị trí làm việc không lớn hơn 0.5%) và nhiệt độ không lớn hơn 30 độ C/ Nồng độ khí CO2 trong luồng gió thải chung phải nhỏ hơn 0.75%)

- Chỉ được tiến hành làm việc tại nơi có nhiệt độ cao hơn 30 độ khi

có các hỗ trợ an toàn và được phép

- Độ ẩm có yếu tố quyết định đến sự an toàn trong quá trình hoạt động ở hầm mỏ Độ ẩm quá cao sẽ dễ gây ra ẩm đất, dễ gây sạt lở, độ ẩm quá thấp sẽ ảnh hưởng đến không khí và gây mệt mỏi vs người công tác Tùy vào những địa hình, cấu tạo của các hầm mỏ khác nhau mà sẽ có những con số giới hạn của độ ẩm khác nhau Vì độ ẩm trong hầm lò thường rất cao nên trung bình độ ẩm không khí khi vượt quá 80% sẽ gây

nguy hiểm cho những người làm việc trong hầm lò Độ ẩm cũng chịu tác động của nhiệt độ.

- Lưu lượng không khí cần thiết để thông gió cho hầm lò phải tính toán theo số người đông nhất đồng thời làm việc trong lò, khí oxit cacbon, khí sinh ra do nổ mình, khí cháy và bụi nổ Lương không khí cần thiết để thông gió cho hầm lò được lấy theo giá trị lớn nhất của các yếu tố.

PHẦN 3 MẠCH ĐO VÀ CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM

TRONG HẦM MỎ

Dựa trên yêu cầu thực tế, vế vấn đề an toàn lao động trong hầm mỏ, các yếu tố về mặt nhiệt độ, độ ẩm có ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn trong hầm mỏ nhóm quyết định chỉ phát triển mạch cảnh báo nhiệt độ và độ

ẩm Các yếu tố khác như áp suất, nồng độ khí yêu cầu các mạch các cảm biến, vi xử lý rất phức tạp và đắt tiền, nên không có tính khả thi.

Mạch bao gồm hai phần chính: Mạch gắn với cảm biến và vi xử lý được đặt trong hầm mỏ và mạch hiển thị, cảnh báo đặt ở trung tâm điều hành Trong khi mô phỏng mạch thì có thể chia mạch ra là 3 khối:

-Sơ đồ nguyên lí phần cứng:

1 Khối cảm biến và xử lý

-Bao gồm vi xử lý PIC16f877a và cảm biến SHT11

PIC 16F877A SHT11

-Cảm biến SHT11

+Là loại cảm biến tích hợp nhiệt độ + độ ẩm

+Cảm biến kết nối dễ dàng với vi xử lý (giao tiếp 2 dây)

+Cho khoảng sai số nhỏ nhất, thông số chính xác nhất.

+Phù hợp cho thiết kế điều khiển chính xác nhiệt độ và đổ ẩm trong công nghiệp và dân dụng.

+Thông số:

Tiêu thụ năng lượng:

80µW (với 12bit, 3V, 1 phép đo /s)

-PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau:

+ 8 K Flash ROM

+ 368 Bytes RAM

+ 256 Bytes EEPROM

+ 5 cổng (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập

+ 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2)

+ Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài

+ 2 bộ CCP( Capture / Compare/ PWM)

+ 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào

+ 2 bộ so sánh tương tự (Compartor)

+ 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer)

+ Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển

+ Một cổng nối tiếp

+ 15 nguồn ngắt

+ Có chế độ tiết kiệm năng lượng

+ Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial

Programming)

+ Được chế tạo bằng công nghệ CMOS

+ 35 tập lệnh có độ dài 14 bits

+ Tần số hoạt động tối đa 20MHz.

-Ngoài ra có thể sử dụng một số loại cảm biến khác như sau:

+Cảm biến độ ẩm HS1101

Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của HS1101 thay đổi Do vậy, để đo được độ ẩm người ta thiết kế mạch

đo điện dung của HS1101.

Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 và IC NE555 Khi đó giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555 Như vậy chỉ cần đo tần số đầu ra là có thể đo được điện dung của HS1101.

-Cách thức đo độ ẩm:

Trước tiên ta sẽ đo tần số từ hình trên

Ta có công thức tính tần số như sau :

(1) Trong đó:

Trong đó:

oC@55% = 180pF

oC(pf) chính là điện dung đo được.

Từ (1) và (2) ta có mỗi liên hệ giữa tần số và độ ẩm

Ta dùng bảng Excel,tạo mối quan hệ RH và F, ta thu được bảng.

F[100] = {7410;7392;….;6019} Mảng này có 100 phần tử tương đương với độ ẩm từ 0-100%

Như vậy, khi ta đo được tần số F, ta chọn F>=F và sát nhất với F.

Khi đó Độ ẩm RH =i%.

.

-Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm DHT 21

Cảm biến DHT21 có 3 dây ra, với 3 màu đen, đỏ, vàng có chức năng như sau:

Dây màu đen: GND

Chuẩn giao tiếp: 1 dây (1 wire).

Giao tiếp DHT21 với Vi Điều Khiển.

- Bước 1: gửi tín hiệu Start

+ MCU thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >800us Trong Code mình để 900ms Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm.

+ MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào.

+ Sau khoảng 20us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp Nếu >20us

mà chân DATA ko được kéo xuống thấp nghĩa là ko giao tiếp được với DHT21.

+ Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT21 kéo nên cao trong 80us Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT21 ko Nếu tín hiệu đo được DHT21 lên cao, khi

đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT.

- Bước 2: đọc giá trị trên DHT11

+ DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte, được miêu

tả như sau.

Byte 1: Byte cao của giá trị độ ẩm.

Byte 2: Byte thấp của giá trị độ ẩm

Byte 3: Byte cao giá trị nhiệt độ.

Byte 4 : Byte thấp giá trị nhiệt độ.

Byte 5 : kiểm tra tổng.

Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa.

Cách tính nhiệt độ và độ ẩm:

(byte cao *256 + byte thấp) /10.

Giá trị của nhiệt độ và độ ẩm là 1 số thực.

+ Đọc dữ liệu:

Sau khi giao tiếp được với DHT21, DHT21 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc

1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm Bit 0:

Bit 1:

Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được

DHT21 kéo lên 1 Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếu tồn tại 70us là 1 Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đo được là 1 Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo

-Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11

- DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm.

- DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn

-Vì cùng họ với DHT21 nên cấu tạo của DHT11 gần giống như trên

-Cách lấy nhiệt độ từ môi trường: DHT11 và DHT 21 là cảm biến nhiệt

bán dẫn Đầu đo được cấu tạo từ các chất bán dẫn Khi nhiệt độ thay đổi thì sẽ làm ảnh hưởng đến sự phân cực của các chất bán dẫn, hoạt động trên nguyên tắc tiếp giáp P-N

2 Khối hiển thị và khối cảnh báo

-Bao gồm LCD 16x2 và một loa BUZZER

3 VEE Đi u ch nh đ t ng ph n c a LCD ề ỉ ộ ươ ả ủ

4 RS Chân ch n thanh ghi (Register select) N i chân RS v i logic ọ ố ớ

“0” (GND) ho c logic “1” (VCC) đ ch n thanh ghi ặ ể ọ + Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ n i v i thanh ghi l nh IR c a ố ớ ệ ủ LCD ( ch đ “ghi” - write) ho c n i v i b đ m đ a ch ở ế ộ ặ ố ớ ộ ế ị ỉ

c a LCD ( ch đ “đ c” - read) ủ ở ế ộ ọ + Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ n i v i thanh ghi d li u DR ố ớ ữ ệ

bên trong LCD.

5 R/W Chân ch n ch đ đ c/ghi (Read/Write) N i chân R/W v i ọ ế ộ ọ ố ớ

logic “0” đ LCD ho t đ ng ch đ ghi, ho c n i v i logic ể ạ ộ ở ế ộ ặ ố ớ

“1” đ LCD ch đ đ c ể ở ế ộ ọ

6 E Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hi u đ c đ t lên ệ ượ ặ

bus DB0-DB7, các l nh ch đ c ch p nh n khi có 1 xung ệ ỉ ượ ấ ậ cho phép c a chân E ủ

+ ch đ ghi: D li u bus sẽ đ c LCD chuy n vào(ch p Ở ế ộ ữ ệ ở ượ ể ấ

nh n) thanh ghi bên trong nó khi phát hi n m t xung (high- ậ ệ ộ to-low transition) c a tín hi u chân E ủ ệ

+ ch đ đ c: D li u sẽ đ c LCD xu t ra DB0-DB7 khi Ở ế ộ ọ ữ ệ ượ ấ phát hi n c nh lên (low-to-high transition) chân E và ệ ạ ở

đ c LCD gi bus đ n khi nào chân E xu ng m c th p ượ ữ ở ế ố ứ ấ

7 - 14 DB0 -

DB7 Tám đ ng c a bus d li u dùng đ trao đ i thông tin v i MPU Có 2 ch đ s d ng 8 đ ng bus này : ườ ế ộ ử ụ ủ ữ ệ ườ ể ổ ớ

+ Ch đ 8 bit : D li u đ c truy n trên c 8 đ ng, v i ế ộ ữ ệ ượ ề ả ườ ớ bit MSB là bit DB7.

+ Ch đ 4 bit : D li u đ c truy n trên 4 đ ng t DB4 ế ộ ữ ệ ượ ề ườ ừ

t i DB7, bit MSB là DB7 ớ

15 - Ngu n d ng cho đèn n n ồ ươ ề

16 - GND cho đèn n n ề

-Nguyên lý phát sáng của LED

Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn.

Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này

có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối n chuyển sang Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối

n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

3 Nguyên lí hoạt động của mạch

- Ở khối cảm biến và xử lý: Cảm biến SHT11 nhận tín hiệu về nhiệt độ và

độ ẩm trong hầm mỏ, sau đó biến đổi về tín hiệu điện áp tương ứng Những tín hiệu điện áp này được đưa vào vi xử lý PIC16f877a và lưu vào thanh ghi dữ liệu Chương trình chạy trong vi xử lý thì sẽ một lần nữa tính toán điện áp đầu vào với điện áp quy chiếu nhờ chức năng ADC, đưa

ra công thức tính nhiệt độ độ ẩm từ mức điện áp đầu vào, nhờ tính năng GPIO đưa ra các chân đến LCD hiển thị nhiệt độ, độ ẩm trên đó Đồng thời chương trình chạy trong vi xử lý cũng đưa ra các mức cảnh báo về nhiệt độ độ ẩm, nếu quá ngưỡng thì sẽ active các chân nối tới khối cảnh báo, và loa báo động sẽ kêu

// Ten chuong trinh : SHTxx+PIC16F877A

// Nguoi thuc hien : nhóm2-do an 1

// Ngay thuc hien : 3/5/2015

// Mo ta phan cung : Dung PIC16F877A - thach anh 20MHz

#device *=16 adc=10 // khai bao cau hinh

//ADC 10bit- bat buoc

#FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG,

NOBROWNOUT,NOLVP, NOCPD, NOWRT

/*

#FUSES HS // Khai báo dùng thach anh trên 4M

#FUSES PUT // Power up timer (Chuc nang khoi dong sau khi timer cap nguon)

#FUSES NOBROWNOUT // Không dùng Browout Deteced(Tu dong

Reset // khi Vdd duoi nguong cho phép trong 1

khoang time nhat dinh

#FUSES WDT // Dùng Watch Dog Timer (Tu dong Reset

sau 1 khoang time)

#FUSES LVP // Chân RB5 o muc dien áp thap

#FUSES NOLVP // PB5 dùng làm chân I/O bình thuong

#FUSES DEBUG // Che do tìm và khac phuc loi khi su dung

LCD

#FUSES NOPROTECT // Không bao ve mã khi doc

#FUSES NOCPD // Chong ghi vào EE

#FUSES NOWRT // Chong ghi vào bo nho

*/

#use delay(clock=20000000) //tan so thach ah

#include <LCD4bit.h> // Thu vien ham cho LCD

#include <sht.h> //thu vien cho cam bien

float humidity; // kieu thuc cho do am