đồ án kĩ thuật điện tử cảm biến rò rỉ khí ga

đồ án kĩ thuật điện tử cảm biến rò rỉ khí ga . trong cuộc sống hiện nay những công nghệ cảm biến sẽ rất hữa ích đối với tất cả chúng ta . Chính vì vậy sáng tạo trong cuộc sống rất hữu ích . Cảm biến rò rỉ khí ga đc phổ biến rộng rãi đến các hộ gia đình trong toàn quốc góp phần chống những rủi ro về cháy nổ khí gas

NH N XÉT C A GI O VIÊN H ẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ƯỚNG DẪN NG D N ẪN

Hưng Yên , ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, con người cùng với những ứng dụng khoa học kỹ thuật tiên tiếncủa thế giới, chúng ta đã và đang ngày ngày thay đổi, văn minh và hiện đạihơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị vớicác đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ Đó lànhững yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động hàng ngày, sinh hoạt củacon người trở nên an toàn hơn Điện tử đang trở thành một ngành khoa học

đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của cácngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trongcuộc sống hàng ngày

Ngày này với sự xuất hiện của rất nhiều loại cảm biến, tùy vào cách dùng và mục đích sử dụng mà các loại cảm biến này có thể thực hiện các ứng dụng trong cuộc sống với độ chính xác cao, nhỏ gọn ví dụ như việc cảnh báo sự cố

rò rỉ khí gas

Xuất phát từ nhu cầu ứng dụng chúng em đã thiết kế một module đó là :

“ Nghiên cứu và chế tạo thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas ”.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương I: Tổng quan 4

1.1 lý do chọn đề tài 4

1.3 đối tượng nghiên cứu 4

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Nội dung nghiên cứu 4

1.6 Phương pháp nghiên cứu 5Chương II: Sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động, tổng quan sơ đồ 5

2.1 Sơ đồ khối chung 5

* Sơ đồ 5

*Khối hạ áp 6

*Máy biến áp 6

*Khối chỉnh lưu 6

2.2 Khối xử lý 7

*Nguyên tắc hoạt động 8

*Thiết lập mức cảnh báo 8

* Xử lý bằng chip LM358 9

2.3 Cảm biến 10

*Giới thiệu: 10

*Thông số kỹ thuật 12

2.4 Khối báo động 13

*Ne555 14

* Còi hú và led 15

* Sơ đồ mạch boar 15

* Mạch thực tế 15

Chương III: Lý thuyết tổng quan, giới thiệu linh kiện 16

3.1 Điện trở và biến trở 16

3.1.1 Điện trở 16

3.1.2 Biến trở 17

3.2 Tụ điện 18

3.3 Diode 21

3.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn 24

3.3.5 Buzz 24

3.4 : IC 7805 25

- Với mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,người thiết kế thường sử dụng IC ổn áp vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx ,79xx với xx là điện áp cần ổn áp 25

3.5: IC NE555 26

-Các chức năng của 555: 26

-Các dạng hình dáng chân của 555 trong thực tế: 27

Cấu tạo bên trong của IC555 27

Nguyên lý hoạt động của IC 555 28

CHƯƠNG IV: Kết luận 28

4.1 Kết luận 28

4.2 Những kết quả đạt được 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

Chương I: Tổng quan

1.1 Lý do chọn đề tài

Hằng năm đất nước ta gánh chịu rất nhiều hậu quả thương tâm từ các vụ nổ bình gas, đã có biết bao nhiêu nạn nhân xấu số đã phải ra đi, hậu quả còn để lại dai dẳng bám lấy những con người may mắn còn sống sót với những thương tật, nỗi đau về thể xác Những cty từ những tập đoàn danh tiếng đến những khu trung cư bỗng trở thành đống tro tàn, công sức, tài sản, con người tất cả đều bị vùi dập trong khói lửa Chứng kiến những nỗi đau đó là một sinhviên của chuyên ngành cơ điện tử sẽ trở thành những kỹ sư trong tương lai, càng thôi thúc chúng em phải có trách nhiệm hạn chế tối đa những rủi ro gây cháy nổ do khí gas đến mức thấp nhất có thể Được sự thống nhất của cả nhóm và sự thông qua của giáo viên hướng dẫn chúng em đã cho ra đời mạch cảm biến rò rỉ khí gas

1.2 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra các giải pháp an toàn khi sử dụng khí gas trong các tòa nhà, khách sạn,

hộ gia đình khi bị rò rỉ trong đó sử dung thiết bị cảnh báo khí gas đơn giản, dễùng, hợp lý tạo ra không gian an toàn cho người sử dụng và phân tích hệ thống, nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo khí gas

1.3 đối tượng nghiên cứu

Hệ thống cảnh báo khí gas trong các tòa nhà, chung cư, hộ gia đình

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Được dùng để phục vụ an toàn cho các tòa nhà, chung cư, hộ gia đình khi có

sự cố rò rỉ gây nguy hiểm đến tính mạng cho người sử dụng

1.5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu nguyên lý, cách hoạt động, cách lắ đặt của hệ thống cảnh báo khi khí gas bị rò rỉ và làm mô hình hoặc tạo ra sản phẩm đơn giản về thiết bị báo khí gas bằng phương pháp sử dụng mạch tương tự và số

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết với thực nghiệm nhằm mục đích tạo ra một sản phẩm ứng dụng vào đời sống thực tế giúp phát hiện

sự cố do rò rỉ khí gas một cách nhanh chóng, thuận tiện giúp người sử dụng

an toàn

Chương II: Sơ đồ khối, nguyên lý hoạt động, tổng quan sơ đồ

2.1 Sơ đồ khối chung

2.2 Khối nguồn:

* Sơ đồ

Hình 2.2 sơ đồ nguyên lý của khối nguồn

*Khối hạ áp

Ở đây chúng ta biến đổi điện áp lưới 220VAC-50Hz xuống còn 9VAC -

2A Mục đích là cấp đầy vào cho bộ biến đổi và bộ lọc để có điện áp một chiều mong muốn

Mạch yêu cầu dùng dòng 1 chiều, điện áp 5V nên khối nguồn này ta dùngmáy biến áp, cầu chỉnh lưu, và IC7805 có tác dụng ổn định điện áp ra 5V

*Máy biến áp

Yêu cầu đề bài điện áp ra ổn định tối đa là 5V DC, mà điện áp đầu vào 220VAC nên ta có thể sử dụng máy biến áp: 220V AC - 12V AC - 2A hoặc 220V AC-9V AC-2A Trong đề tài này chúng em chọn 220VAC-9VAC-2A

Khối nguồn

*Khối chỉnh lưu

Thành phần chỉnh lưu là biến đổi tín hiệu xoay chiều thành tín hiệu 1 chiều thông qua 4 con diode chỉnh lưu Đây là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với dạng sóng đầu vào và đầu ra sau chỉnh lưu như sau:

Điện áp trước chỉnh lưu

Điện áp sau chỉnh lưu

Hình 3.3Điện áp trước và sau chỉnh lưu.

Dạng điện áp sau chỉnh lưu nó vẫn còn các sóng nhấp nhô và dạng điện

áp này vẫn được coi là điện áp 1 chiều nhưng chưa ổn định

Có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều đập mạch U3 thành điện áp một chiều U4 ít nhấp nhô hơn

Tụ có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng

Hình 3.4 Điện áp sau khi được lọc bằng tụ điện.

Tụ gốm có tác dụng lọc xung đột biến

Tụ có điện dung lớn để san phẳng điện áp để làm giảm độ gợn sóng

Trong đồ án này chúng em chọn tụ 1000 µF để san phẳng điện áp

Tụ lọc cao tần là tụ gốm 104 vì tụ này có tần số lọc lớn

Công thức: f= 1/ (2π Xc C)

 Khối ổn áp (IC ổn áp)

Có hai loại linh kiện ổn áp họ 78XX và 79XX:

Họ 78xx là họ cho ổn định điện áp đầu ra là dương Còn xx là giá trị điện

Hình 2.3: sơ đồ modun cảm biến MQ2

Có nhiệm vụ chính là nhận biết tín hiệu và kèm theo đó là mã hóa tín hiệu

*Nguyên tắc hoạt động

- Trong mach có hai chân đầu ra là Auot và Duot, trong đó:

- Auot : điện áp ra tượng tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5v, phụ thuộc vào nồng độ khí mà MQ2 đo được

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

- Việc có chân ra số Duot rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tinh chỉnh tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức

cho phép thì Duot=1, đèn LED tắt Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng độ khí cho phép Dout=0, đèn LED sáng

- Ta có thể ghép nối mạch vào relay để điều khiển tắt bật đèn, còi, hoặc thiết

bị cảnh báo khác

*Thiết lập mức cảnh báo

Dựa trên biểu đồ Rs vào nồng độ khí gas và nhiệt độ môi trường

- R0: Điện trở của cảm biến ở nhiệt độ tiêu chuẩn, 1000ppm, 65% Rh

- Theo mạch , đo được R=15k Ω

- Theo đồ thị ta thấy: điện trở của cảm biến trong không khí ở điều kiện bình thường gấp 10 lần ở 10 lần ở 1000ppm uy ra điện trở Rs ở 1000ppm khoảng 1,5k Ω ở 2000ppm

R s =0,7 X 1,5= 1,05 K Ω

* Xử lý bằng chip LM358

- Tương đương với 2 op amp điện áp vào theo Analog điện áp ra theo digital

- Điều chỉnh biến trở ở chân IC lm358 để xác định ngưỡng

- Trong mạch xử lý này, tín hiệu đi ra từ cảm biến khí gas có dạng analog nhưng chưa thực sự ổn định và chưa thực sự chống được nhiễu, vì thế chúng

ta sử dụng với mục địch hứ nhất để khắc phục tình trạng nhiễu và làm tăng tính ổn định của ngõ ra cảm biến, mục đích thứ 2 à chuyển điện áp từ analog sang digital và so sánh điện áp ừ cảm biến khí gas với mức báo động, mỗi khi

có sự thay đổi điện áp ại chân 3 tín hiệu đầu vào của LM358 thì nó thực hiên

so sách với điện áp chuẩn chân 8 để tạo ra sự biến đổi tín hiệu đầu ra tại chân 1:

- Khi điện áp dưới ngưỡng báo động, điện á ra sẽ ở mức 1

- Khi điện áp vượt ngưỡng báo độn điện áp mức ra ở mức 0

- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện á đầu ra càng tăng khi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao.

-MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa ỏng LPG,H2, và các chất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

do mạch đơn giản và chi phí thấp

-Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng

độ ta muốn cảnh báo

- khó khăn đo trạng thái khí sạch, giá trị thu được Vuot1

- Chọn giá trị ngưỡng cảnh báo Vuot2

*Thông số kỹ thuật

- khi ở trạng thái khóa chân 4 của ne555 sẽ được nối mát do đó k có tín hiệu xung, ngược lại ở trạng thái dẫn khi Duot=1 cấp nguồn VCC cho chân số 4 của ne555

*Ne555

- Hoạt động như một bộ dao động, Tín hiệu này sẽ đến IC 555, đây coi như một mát phát âm tần ( nó tạo ra xung) và chân uotput của ic được nối với loa đưa ra tín hiệu cảnh báo

* Còi hú và led

- Còi hú 5v báo động và LED phát sáng khi có tín hiệu từ chân uotput tức có

sự cố rò rỉ khí gas

* Sơ đồ mạch boar

- Ta có sơ đồ mạch in của mạch đếm sản phẩm như sau:

- Cách lắp ráp: lắp các dây trùng nhau trước,sau đó lắp tiếp tới các điện trở rồilắp tới các linh kiện còn lại,IC ta sẽ lắp cuối cùng

- Cách kiểm tra mạch: trước tiên ta dùng đồng hồ vạn năng đo xem các dây gần nhau có bị ngắn mạch hay không.nếu không bị ngắn mạch thì ta sẽ đo cácdây nối với nhau có thông mạch không.sau đó ta bắt đầu quá trình lắp ráp và tiến hành hàn mạch

* Mạch thực tế

Chương III: Lý thuyết tổng quan, giới thiệu linh kiện

b) Ký hiệu: theo hai tiêu chuẩn US và EU.

c) Hình dạng thực tế.

3.1.2 Biến trở

a) Khái niệm và phân loại.

Biến trở là loại điện trở có thể thay đổi trị số theo yêu cầu ,thường gọi làchiết áp Có 2 loại đó là biến trở dây quấn và biến trở than

b) Ký hiệu và hình ảnh trong thực tế.

Hình ảnh cấu tạo

3.2.2 Phân loại

Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như: Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá

Hình dạng của tụ hoá

3.2.4 Điện dung và đơn vị

a)Khái niệm về điện dung.

Điện dung : Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ

điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chấtđiện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức

C = ξ S / d

Trong đó C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

 ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

 d : là chiều dày của lớp cách điện

 S : là diện tích bản cực của tụ điện

b) Đơn vị.

Đơn vị điện dung của tụ : Đơn vị là Fara (F) , 1Fara là rất lớn do đó trong

thực tế thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như MicroFara (µF), NanoFara (nF), PicoFara (pF)

 1 Fara = 1.000.000 µ Fara = 1.000.000.000 n F = 1.000.000.000.000 p F

 1 µ Fara = 1.000 n Fara

 1 n Fara = 1.000 p Fara

Như hình ảnh trên ta thấy rằng , khi công tắc K1 đóng, dòng điện từ nguồn

U đi qua bóng đèn để nạp vào tụ, dòng nạp này làm bóng đèn loé sáng, khi tụ nạp đầy thì dòng nạp giảm bằng 0 vì vậy bóng đèn tắt

b) Tụ phóng điện.

Khi tụ đã nạp đầy, nếu công tắc K1 mở, công tắc K2 đóng thì dòng điện từcực dương (+) của tụ phóng qua bóng đền về cực âm (-) làm bóng đèn loésáng, khi tụ phóng hết điện thì bóng đèn tắt

=> Nếu điện dung tụ càng lớn thì bóng đèn loé sáng càng lâu hay thời gian phóng nạp càng lâu

3.3 Diode

3.3.1 Cấu tạo của Diode bán dẫn

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo

tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tánsang vùng bán dẫn

P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Iontrung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữahai chất bán dẫn

Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode

Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

3.3.2 Phân cực thuận cho Diode

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-)vào Katôt (vùng bán dẫn N) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cựccủa Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V)

Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode

Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực

thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt =0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưngsụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

3.3.3 Phân cực ngược cho Diode

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bándẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược,

miềncách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp,

Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớnkhoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng ≥ 1000V.

3.3.4 Ứng dụng của Diode bán dẫn

Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trongcác mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng,mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động trong mạch chỉnh lưu Diode

có thể được tích hợp thành Diode cầu có dạng

3.4 : IC 7805

- Với mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,người thiết kế thường sử dụng IC ổn áp vì mạch điện khá đơn giản.Các loại ổn áp thường được sử dụng là IC 78xx ,79xx với xx là điện áp cần ổn áp

Ví dụ: 7805 ổn áp 5V,7812 ổn áp 12V

- Dòng cực đại của IC 7805 có thể duy trì là 1A

- Dòng đỉnh là 2.2A

- Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt là: 2W

- Công suất tiêu tán cực đại nếu dùng tản nhiệt đủ lớn là: 15W

- Chênh lệch điện áp vào và ra tối thiểu là 2V

Hình 3.4.1: sơ đồ chân IC 7806

+ Chân 1 : là chân Input

+ Chân 2 : là chân nối GND

+ Chân 3 : là chân Output

- Ngõ ra luôn Output luôn ổn định điện áp trong khoảng 4.8V 5.2V IC 7805dùng để bảo vệ những mạch chỉ hoạt động ở điện áp khoảng 5V, nếu nguồn điện có sự cố đột ngột : điện áp tăng cao thì mạch vẫn hoạt động ổn định nhờ

có IC 7805 vẫn giữ được điện áp ra khoảng 5V

- Chân IN của 7805 sẽ được cấp điện áp 7V 12V từ đầu ra của máy biến áp.và điện áp này sẽ qua tụ điện để giúp cho nguồn ổn định hơn

3.3: IC NE555

- Là một loại linh kiện khá phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung

vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng của xung Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lất và

transistor để xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện á vcc thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn

 điện áp đầu vào : 2-18v ( tùy từng loại của 555 : Lm55,Ne55….)