Đồ án: Xây dựng hệ thống báo cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói và cảm biến nhiệt trở âm (có code đầy đủ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘITRUNG TÂM CNTTKHOA CƠ KHÍ ------ Bài tập lớn môn:Đồ án đo lường và điều khiển Đề tài:Xây dựng hệ thống báo cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói và cảm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

TRUNG TÂM CNTTKHOA CƠ KHÍ - -

Bài tập lớn môn:Đồ án đo lường và điều khiển

Đề tài:Xây dựng hệ thống báo cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói

và cảm biến nhiệt trở âm Giáo viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Văn Trường

Lớp: Cơ điện tử Khóa:ĐH-K13 Sinh viên thực hiện:

Mục lục

Lời nói đầu 1

Chương 1: Tổng quan về hệ thống 2

1.1:Lý do chọn đề tài 2

1.2:Đối tượng nghiên cứu 2

1.3:Mục đích nghiên cứu 2

1.4:Nhiệm vụ nghiên cứu 2

1.5:Phương pháp nghiên cứu 2

1.6:Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống 3

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến 4

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển 11

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu 14

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống (Nếu có) 15

2.6:Lưu đồ thuật toán 16

Chương 3:Chế tạo và thử nghiệm hệ thống 17

3.1:Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống 17

3.2:Quá trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch 18

3.3:Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 21

3.4:Đồ thị biểu diễn giữa tín hiệu đầu ra (nồng độ khí ga) theo thời gian 22

PHỤ LỤC 24

Lời nói 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 lí kịp thời các đám cháy khi con người chưa thể xử lí

và can thiệp được

Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng em đã chọn đề tài:” Xây dựng hệ thống báo cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói và cảm biến nhiệt trở âm” Hệ thống giúp phát hiện các nguy cơ cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy Từ đó sẽ có hướng xử lí như ngắt chuông cảnh báo hoặc ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy

Chương 1: Tổng quan về hệ thống

1.1:Lý do chọn đề tài

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụngcho các hệ thống ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơngiản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hộinhư: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động…

Với những kiến thức đã được học, nhóm em quyết định thiết kế mô hình phát hiệnkhí gas và tia lửa để cảnh báo cháy Với ý tưởng trên, nhóm em mong muốn gópphần bảo vệ những gia đình hay công ty có sử dụng khí gas được an toàn hơn tránhtai nạn đáng tiếc

1.2:Đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng chính là cảm biến báo khói MQ2 và cảm biến nhiêt trở MF58

Mô hình này phù hợp với hệ thống báo cháy, hỏa hoạn ở nơi có không gian nhỏgần thiết bị sử dụng dụng khí gas trong các hộ gia đình, tập thể hay công ty…1.3:Mục đích nghiên cứu

- Thiết kế mô hình cảm biến phát hiện khí gas và tia lửa phòng tránh nguy cơxảy ra hỏa hoạn, đảm bảo an toàn cho những không gian hẹp có sử dụng khígas

- Củng cố lại những kiến thức đã học và nghiên cứu, đặc biệt là môn Cảm biến và

hệ thống đo

- Đây đồng thời cũng có thể là đồ án môn mà chúng em nghiêm cứu và phát triểnthêm ở năm cuối

1.4:Nhiệm vụ nghiên cứu

Em đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau đây:

- Tìm hiểu về vi điều khiển mà trọng tâm là Arduino UNO R3 phần cứng và tậplệnh

- Tìm hiểu về cảm biến nhiệt điện trở MF58, cảm biến khí gas MQ2, và cảm biếntia lửa

- Tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C

- Viết chương trình cho Arduino UNO R3, và các cảm biến MF58, MQ2

- Tìm hiểu những phần mềm thiết kế mạch điện tử như Proteus…

- Tìm hiểu về vật liệu cơ khí chế tạo khung hệ thống sản phẩm

1.5:Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập các thông tin liên quan đến hệ thống

- Phân thích, thiết kế và lập trình cho hệ thống

- Thử nghiệm và vận hành hệ thống

1.6:Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Giải quyết vấn đề an toàn trong không gian hẹp như khu bếp trong các hộ giađình hay các nơi kinh doanh bình gas

- Giảm bớt chi phí lắp đặt hệ thống an toàn khác mà vẫn đảm bảo độ hiểu quả

Chương 2: Xây dựng mô hình hệ thống

2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

: Đường đi tín hiệu điện

: Đường phản hồi tín hiệu

Khối cảm

biến báo khói

Khối xử lí Khối phát tín hiệu

Khối cảm biến

nhiệt độ

Khối nguồn

 Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện DC có điện áp 9V để cung cấp cho hoạt động của mạch.

2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

a)Cảm biến nhiệt độ

-Có 4 loại cảm biến nhiệt độ: cặp nhiệt độ, nhiệt điện trở, bán dẫn, thermistor.

Bảng 1:Các loại cảm biến nhiệt độ

Nội dung Thermocouple

(Cặp nhiệt độ)

RTD (Nhiệt kế điện trở)

Thermistor (nhiệt điện trở)

Gia công vật liệu, hóa chất,…

Bảo vệ cuộn dây động cơ và mạch điện tử

Đo nhiệt độ không khí, bảo vệ mạch điện tử,

Chi phí Thấp(dưới 100k) Cao(trên 200k) Thấp(dưới 50k) Thấp(dưới

Nhiệt độ thay đổi thì điện trở giữa hai đầu kim loại cũng thay đổi

Sự thay đổi điện trở khhi nhiệt độ thay đổi

Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng của nhiệt độ

-Từ thông số của bảng 1 kết hợp với yêu cầu đề bài thì nhóm em quyết định chọn thermistor bởi vì nó phù hợp nhất để đo trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến

60 đồng thời thời gian phản hồi nhanh mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao, chi phí mua cảm biến cũng thấp.

-Nhóm em sẽ chọn cảm biến MF58 để đo và kiểm tra nhiệt độ bởi vì thiết bị làm việc ở mức nhiệt <60 , giá thành rẻ.

Hình 2.2: Cảm biến nhiệt trở MF58

Sơ lược về cảm biến

-MF58 là một nhiệt điện trở NTC, sản xuất bằng cách sử dụng một sự kết hợp của gốm sứ và kỹ thuật bán dẫn, và bao bọc bằng thủy tinh tinh khiết

Quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ: ΔR=k*ΔtR=k*ΔtΔR=k*Δtt

Đây là nhiệt trở NTC cho nên độ lớn của trở kháng tỉ lệ với nhiệt độ tuy nhiên

hệ số k âm

-Ứng dụng

 Kiểm soát nhiệt độ và kiểm tra thiết bị gia đình, chẳng hạn như bếp cảm ứng, điện áp nồi hơi, nồi cơm điện, lò điện, bể khử trùng, lò vi sóng, lò nướng, ấm điện

 Nhiệt độ đo lường và bù nhiệt các thiết bị tự động hóa văn phòng, chẳng hạn như máy in, máy photocopy,

 Đo lường và kiểm tra nhiệt độ của ngành công nghiệp, y tế, bảo vệ môi trường, dự báo thời tiết, thiết bị chế biến thực phẩm, vv

 Bảo vệ nhiệt độ pin và bộ sạc pin.

 Bù nhiệt vòng lặp thiết bị, mạch tích hợp, bộ dao động tinh thể và cặp nhiệt điện

b)Cảm biến khói

-Có nhiều loại cảm biến giúp phát hiện cháy nổ:cảm biến khí

gas(MQ2,MQ5,MQ7,…),đèn led hồng ngoại,…

+Đèn led hồng ngoại:độ nhạy với khí gas không cao,thời gian đáp ứng chậm +Cảm biến khí gas: độ nhạy cao với các khí gas,khí dễ gây cháy nổ,thời gian đáp ứng nhanh hơn so với đèn led hồng ngoại.

-Nhóm em chọn module cảm biến khí gas MQ2 cho hệ thống cảnh báo cháy bởi: + Cảm biến khí gas MQ2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng để nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane , Alcohol, Hydrogen, Smoke và khí gas.

+MQ2 có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh.

+Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài.

+Phạm vi giá trị cảm biến để nhận biết nồng độ khí gas của MQ2 phù hợp hơn

so với các loại cảm biến khác (MQ5,MQ7,…).

Sơ lược về cảm biến:

 VCC: Chân cấp nguồn cho cảm biến, điện áp sử dụng 5V.

 GND: Chân nối đất cho cảm biến.

 AOUT: Đầu ra ADC

 DOUT: Đầu ra Digital (So sánh khi phát hiện khí)

Hình 2.3: Module cảm biến khí gas MQ2

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

Cấu tạo cảm biến MQ-2:

Đây là cách cảm biến trông như thế nào khi loại bỏ lưới bên ngoài Cấu trúc hình ngôi sao được hình thành bởi phần tử cảm biến và sáu chân kết nối kéo dài ra

ngoài đế Bakelite Trong số sáu, hai dây dẫn (H ) chịu trách nhiệm làm nóng phần tử cảm biến và được kết nối qua cuộn dây Niken-Crom , hợp kim dẫn điện nổi tiếng.

Hình 2.4:Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2

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

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

Hình 2.5:Cấu tạo bên ngoài của phần tử cảm biến

Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm nhôm Oxit (Al O2 3) và có

một lớp phủ Thiếc Dioxit (SnO2) Thiếc Dioxit là vật liệu quan trọng nhất nhạy cảm với khí dễ cháy Tuy nhiên, đế gốm chỉ đơn thuần là tăng hiệu quả sưởi ấm và đảm bảovùng cảm biến được làm nóng đến nhiệt độ làm việc liên tục

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

Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ-2:

Hình 2.7: Miêu tả hoạt động của cảm biến MQ-2

 Khi thiếc đioxit (các hạt bán dẫn) được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ cao, oxy sẽ bị hấp phụ trên bề mặt Trong không khí sạch, các điện tử cho trong thiếc điôxít bị hút về phía ôxy được hấp thụ trên bề mặt của vật liệu cảm ứng Điều này ngăn cản dòng điện chạy qua

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

Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ-2:

 Điện áp đo: ≤ 24V

 Điều kiện làm việc:

 + Nhiệt độ: -20 ~ 55 ℃ ℃ + Độ ẩm: ≤ 95% RH

+ Hàm lượng oxy môi trường: 21%

 Điều kiện bảo quản:

 + Nhiệt độ: -20 ~ 70 ℃ ℃ + Độ ẩm: ≤ 70% RH

Hình 2.8: Mạch ứng dụng của cảm biến

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

-Chúng ta có thể sử dụng IC ổn áp hoặc PIC để điều khiển.Tuy nhiên để thuận tiện choviệc sử dụng nhóm em chọn Arduino để điều khiển hệ thống bởi: Arduino có thể sửdụng ngay Vì Arduino là một bộ hoàn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi, một bộ daođộng, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm Chúng ta khôngcần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào khác Chỉ cần cắm

nó vào cổng USB của máy tính

Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi

Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR

Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử, thiết bị bên ngoài Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực quan.

Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thông qua USB để giao tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux

Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng Các ngôn ngữ lập trình như C

và C ++ được sử dụng trong IDE

Ngoài USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo mạch

Hình 2.9: Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3

Có một số chân I / O Digital và analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA

► Dòng Max Chân I/O: 30mA

►14 Chân Digital I/O (6 chân PWM)

►6 Chân Analog Inputs

► 5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra Arduino được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC

► USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện

áp trong khoảng từ 7V đến 20V

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

► IOREF: Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino

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

► SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp Các chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI

► AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấpđiện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự

► TWI: Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây Chân A4

và A5 được sử dụng cho mục đích này

► Serial Communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai chân 0 (Rx) và 1 (Tx)

► Rx: Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sử dụng

để truyền dữ liệu

► External Interrupts (Ngắt ngoài): Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

 Module cảm biến khí gas MQ2

 Module cảm biến quang

Mạch được thiết kế như sau:

 Đèn led được mắc nối tiếp điện trở 220 ohm.Cực dương cắm ở chân Digital 13.Cực âm nối với GND của Arduino.

 Loa mắc nối tiếp với điện trở 220 ohm thứ hai.Cực dương nối với chân Digital 3.Cực âm nối với GND của Arduino.

 2 module cảm biến đều có 4 chân như nhau: VCC, GND,Ao và Do.VCC của 2 cảm biến nối với chân 5V ở phía Analog GND nối với GND.Chân

Ao của MQ2 nối với A0 của Arduino Chân Ao của cảm biến quang nối với chân A1 của Arduino.

 Mắc nối tiếp 3 điện trở 10k với nhau và nối tiếp với nhiệt trở MF58.1 đầu cụm điện trở này nối với chân 5V của Arduino.Đầu còn lại nối chân GND.Giữa cụm điện trở 10k và nhiệt trở,cắm dây dẫn nối từ đó tới chân Analog A2.

Hình

2.10:Mạch mô phỏng

2.6:Lưu đồ thuật toán

- Trường hợp 2: J=0 chương tiếp tục đưa dữ hiệu về xử lý.

Khi nhận được dữ hiệu từ khối cảm biến khí gas lúc này bộ xử lý sẽ phát tín hiệu cho

Đèn báo sáng

Xử lí tín hiệu

Chương 3:Chế tạo và thử nghiệm hệ thống

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

Arduino

Bộ điều khiển trung tâm

MQ2

Cảm biến phát hiện khí gas

Còi báo 1

Còi báo hiệu

Đèn led 1

Cảnh báo khi

có khí gas

Board test 1

Cắm dây tiết

Dây dẫn

Dẫn điện

từ nguồn tới các

bộ phận

a)Arduino Uno R3

Hình 3.2:MQ2

c)Cảm biến nhiệt trở âm MF58

Ngoài ra còn có còi báo, đèn led, board test,dây dẫn…

Hình 3.3:MF58

-Khi có khí gas,đèn báo sáng còi báo động kêu lên để báo hiệu:

3.4:Đồ thị biểu diễn giữa tín hiệu đầu ra (nồng độ khí ga) theo thời gian.

Hình 3.8

pinMode (flame, INPUT) ;

pinMode (smoke, INPUT) ;

pinMode (red, OUTPUT) ;

pinMode (green, OUTPUT) ;

pinMode (buzzer, OUTPUT) ;

Serial.begin(9600);

myservo.attach(8);

myservo.write(0);

}

void loop ()

{

/*Δt int fval = analogRead (flame) ;*Δt/ int sval = analogRead(smoke); /*Δt Serial.print("fval = ");

if (p>=30)

{

digitalWrite(red, HIGH); digitalWrite(buzzer, HIGH); digitalWrite(green, LOW); myservo.write(180);

}

delay(100);

}