ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ_Mạch Cảm Biến khói

Mạch cảm biến khói, đặt ở nơi công cộng có người hút thuốc trong phòng thì chuông reo Thế giới ngày càng phát triển, khoa học kĩ thuật càng trở lên tân tiến với những phát minh hiện đại và tiện ích hơn giúp đỡ cho con người. Các vật dụng điện tử tiện dụng với sự chính xác cao , tốc độ nhanh, gọn nhẹ, thân tiện với con người… là những yếu tố rất cần thiết để góp phần cho hoạt động của con người ngày càng hiệu quả. Điện tử đã giúp con người tự hiện những nhiệm vụ này.

1 Nhiệm vụ thiết kế

- Mạch cảm biến khói, đặt ở nơi công cộng có người hút thuốc trong phòng thì chuông reo.

2 Trình tự thiết kế

a) Xây dựng nguyên tắc thiết kế, từ đó lập sơ đồ khối

b) Nêu chức năng các khối, các mạch điện tử thực hiện chức năng đó,nêu nguyên lí cơ sở, nguyên lý hoạt động, dạng tín hiệu vào ra ưu nhược điểm

c) Xây dựng sơ đồ nguyên lí toàn mạch, sơ đồ mô phỏng, và tesk thử mạch trên phần mềm

d) Tính toán sơ đồ nguyên lý: Chọn linh kiện, chức năng, thông số

e) Kết quả thu được đều có hình vẽ cụ thể

f) Đánh giá ưu nhược điểm của mạch đã thiết kế

3 Báo cáo thiết kế

Quyển báo cáo khoảng 30 trang trong đó gồm có:

a) Tên các thành viên, nhóm trưởng

b) Đề tài có tên và chữ ký của giáo viên hướng dẫn

c) Nhiệm vụ của các thành viên trong nhóm

d) Phần thiết kế chính

e) Tổng kết công việc đánh giá và rút ra kinh nghiệm cho những đề tài

là lần sau

4 Một số tài liệu sửa dụng

a) Kỹ thuật mạch điện tử Pham Minh Hà Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 1997

b) Sổ tay linh kiện điện tử cho người thiết kế Nhà xuất bản thống kê 1996

c) Kỹ thuật mạch bán dẫn Tổng cục bưu điện Nhà xuất bản thông tin

Họ và tên giảng viên hướng dẫn:

Ký tên

Mục lục

Trang Phần I: Giới Thiệu Về Đề Tài Mạch Cảm Biến khói……… 2

Phần II: Giới thiệu một số linh kiện điên tử dùng trong mạch……….3

I: Điện trở……… 3

II: Tụ điện……… 5

III: Led……… 7

VI: IC ổn áp 8

V: Transistor 9

VI: IC LM393 10

VII: Cảm biến MQ2 11

VIII: Diode 1N4007 12

IX: Loa TMB-12A05 15

X: Biến trở VR 501-500R 3296W 17

Phần III: Thiết kế cụ thể cho đề tài 18

I : Sơ đồ thiết kế hệ thống 18

II: Thiết kế mạch và qui trình thế kế hệ thống đề tài 19

1: Sơ đồ nguyên lí và mạch in 19

2: Nguyên lí hoạt dộng của từng khối 22

Phần IV: Phương hướng phát triển đề tài 27

Phần V : Đánh giá 28

Phần VI: Kết luận 29

Phần I: Giới thiệu đề tài mạch cảm biến khói đặt nơi công cộng

Có người hút thuốc trong phòng thì chuông reo.

Xây dựng ý tưởng và mục đích thiết kế đề tài

Thế giới ngày càng phát triển, khoa học kĩ thuật càng trở lên tân tiến với những phát minh hiện đại và tiện ích hơn giúp đỡ cho con người Các vật dụng điện tử tiện dụng với sự chính xác cao , tốc độ nhanh, gọn nhẹ, thân tiện với con người…

là những yếu tố rất cần thiết để góp phần cho hoạt động của con người ngày cànghiệu quả Điện tử đã giúp con người tự hiện những nhiệm vụ này

Điện tử đã đáp ứng những nhu cầu khác nhau của từng ngành, lĩnh vực với nhữngđặc thù riêng, hơn hết là nhưng nhu cầu thiết yếu của con người hằng ngày Một trong những ứng dụng rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là các mạch cảm biến với các linh kiện tích hợp cao Mạch cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và các lĩnh vực khác trong cuộc sống với nhứng thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế cao

Xuất phát từ những ứng đụng đó, chúng em đã thiết kế một mạch ứng dụng nhỏ

đó là mạch cảm biến khói.vì thời gian, tài liệu và trình độ còn hạn chế nên việc thực hiện đồ án còn nhiều thiếu sót Kính mong nhận được sự chỉ dẫn và góp ý tận tình của quý thầy và các bạn

Phần II: Giới thiệu một số linh kiện điện tử dùng trong mạch

I Điện trở (R)

1, Khái niệm

- Điện trở là một linh kiện có tính cản trở dòng điên của một vật dẫn điện và có một số chức năng khác tùy vào vịn trí của điện trở trong mạch, nếu có 1 vật dẫn điện tố thì điện trở nhỏ và ngược lại cách điện có điện trở cực lớn

- Điện trở của dây dẫn là sự phụ thuộc vào chất liệu và tiết diện của đây dẫn

được tính theo công thức: R=PL/S

Trong đó: R là điện trở Đơn vị là 

P là điện trở suất

L là chiều dài dây dẫn

S là tiết diện dây dẫn

2, Điện trở trong trong thực tế và trong các mạch điện tử

- Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không phân cực, nó là một linh kiện vô cùng quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chất của cacbon và kim loại và được pha theo tỷ lệ mà tạo

ra các con điện trở có điện dung khác nhau

Hình 2: Hình ảnh minh họa và ký hiệu điện trở

Đơn vị đo bằng: Ω, KΩ, MΩTrong đó: 1MΩ= 1000KΩ= 1000000Ω

*Hướng dẫn đọc trị số điện trở trong thực tế

Đọc theo màu sắc theo quy ước quốc tế:

- Giá trị điện trở thường được thể hiện qua các vạch màu trên điện trở

Mỗi màu thể hiện cho một số

- Theo quy tắc bên dưới thì vạch 1,2 là xác định giá trị vạch thứ 3 là xác định số lũythừa cho giá trị đó Vạch cuối cùng nằm tách biệt 3 màu kia dùng để xác định sai số

Hình 3: Bảng màu của điện trở

II Tụ điện ( C )

1, Khái niệm và cấu tạo

- Tụ điện là một linh kiện điện tử mà ở đó 2 cực thụ động lưu trữ năng lượng điện Hay tích tụ điện tích bởi 2 bề mặt dẫn điện trong cùng một điện trường Hai

bề mặt dây dẫn của tụ điện được ngăn cách bởi điện môi là chất không dẫn điện như: Giấy, giấy tẩm hóa chất, gốm ,mica…

-Đây là một linh kiện điện tử thụ động rất quan trọng và không thể thiếu trong

hầu hết cách mạch điện

Tụ điện là lịnh kiện dùng để cản trở và phóng nạp khi cần thiết và được đặc trưng bởi dung kháng phụ thuộc vào tần số điện áp: Xc= 2πfCfC

Hình 4: Các loại tụ điện và cấu tạo

- Tụ điện được chia làm hai loại chính: phân cực và không phân cực

- Loại phân cực thường có giá trị lớn hơn loại không phân cực, trên hai chân của loại phân cực có phân biệt chân nối âm, nối dương rõ ràng, khi gắn tụ có phân cựcvào mạch điện, nếu gắn ngược chiều âm dương tụ có thể bị hỏng và hoạt động sai

2, Đơn vị của tụ điện

- Đơn vị của tụ điện là Fara, 1 Fara có trị số rất lớn và trong thực tế người thường dùng các đơn vị nhỏ hơn như

+ P (Pico Fara) 1 Pico= 1/1000.000.000.000 Fara ( viết gọn là 1 pF)

+N (Nano Fara) 1Nano= 1/1000.000.000 Fara (viết gọn là 1 nF)

+MicroFara 1Micro= 1/1000.000 Fara (viết gọn là 1µF)

=> 1µF= 1000nF= 1.000.000 pF

- Tụ điện được kí hiệu là C

Hình 5: Biểu diễn của tụ điện trên mạch

- Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng phát ra khác nhau tức là màu sắc cảu LED sẽ khác nhau Mức năng lượng hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử bán dẫn

- LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn đi ốt thông thường, trong khoảng 1,5V

2, Cấu tạo, kí hiệu của LED

Hình 8 : Hình ảnh của transistor

2, Ký hiệu, cấu tạo, phân loại

Hình 9: Ký hiệu, cấu tạo của Transistor

3, Phân cực cho Transistor

Chúng ta coi transistor như một van điện tử điều khiển đóng mở bằng đòng điện tác động lên cực b Transistor giống như 1 van nước nếu ta mở nhỏ thì nước chảy yếu, mở lớn thì nước chảy ra nhiều

V IC LM 393

1, Khái niệm

- LM 393 là một vi mạch gồm hai bộ so sánh hoạt động độc lập với điện áp bù nhỏ

cỡ 2.0mV, hoạt động cả với nguồn cấp đơn hoặc hai nguồn đối xứng Vi mạch LM393 tương thích chuẩn với cả hai TTL và CMOS được sử dụng nhiều trong các

bộ chuyển đổi tương tự - số đơn giản, trong các khối VCO, trong các mạch tạo trễ thời gian, sóng vuông, các mạng giao động và cổng logic số thể cao

- Vi mạch LM393 gồm có ba khối chính: mạch tạo nguồn dòng không đổi, tầng khuếch đại vi sai và tầng lối ra

2, Đặc điểm, sơ đồ của vi mạch LM393

 Dải nguồn nuôi rộng từ 2Vdc đến 36Vdc

 Dải nguồn nuôi kép +/- 1vdc đến +/- 18Vdc

 Dòng cực máng rất thấp độc lập với điện áp nguồn nuôi: 0,4mA

 Dòng lối vào thấp: 25nA

 Dòng offset lối vào thấp +/- 5nA và điện áp off set cực đại là +/- 3mA

 Dải điện áp nối vào chung thấp (bao gồm cả mức điện áp bằng đất)

 Dải điện áp lối vào vi sai bằng với điện áp của nguồn cấp

 Điện áp offset lối vào thấp, -2mA đới với LM393, -5mA đối với LM293/393

 Điện áp lối ra tương thích với các mức log IC DTL, ECL, TTL, MOS, CMOS

 Điện áp bão hòa lối ra thấp: 250mV, 4mV

- MQ2 là cảm biến có độ nhạy cao với LPQ, Prpane và Hydrogen, Mê tan (CH4) và

dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau

- Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu Analog và Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở

2, Cấu tạo và sơ đồ

- Nguyên lí cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

2, Tính chất

- Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt sàn ca-tốt Theo nguyên lí dòng điện đi

từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có điện qua đi-ốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có vịn trí thấp, cần phải đặt ở a-nốt một hiệu điện cao hơn ở ca- tốt khi đó ta có UAK>0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc

(UTX) Như vậy muốn có dòng điện qua đi-ốt thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc , tức là: UAK>UTX Khi đó một phần điện áp UAK dùng để cân bằng điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V),phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua đi-ốt

- Khi UAK>0, ta nói đi-ốt phân cức thuận và dòng điện qua đi-ốt là dòng điện thuận Dòng điện thuận có chiều từ a-nốt sang k-tốt

- Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì đi-ốt trở nên dẫn điện tốt hơn, tức là điện trở của đi ốt lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm) Do vậy phần điện

áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với UTX Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với UTX cần khoảng 0,6V đến 1,1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng đi-ốt bắt đầu đẫn và khi UAK=0,7VThì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Hình 14: Diode 1N4007

- Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược ca-tốt sang a-nốt Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu đi-ốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ µA) và bình thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp Mọi đi-ốt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì đi-ốt bị đánh thủng, dòng điện qua đi-ốt tăng nhanh và đốt cháy Đi-ốt Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau:

 Dòng điện thuận qua đi-ốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhàsản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong tài liệu của hãng sản xuất để xác định)

 Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của đi-ốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp

3 Cấu tạo của Diode 1N4007

Hình 15: Cấu tạo kỹ thuật và bên trong

4 Một số hình ảnh của Diode 1N4007

3 Chức năng

Đồ thị biểu diễn âm thanh của Loa TMB-12A05

X Biến trở VR 501-500R 3296W

1.Khái niệm

-Biến trở: là điện trở có thể điều chỉnh thay đổi giá trị, có kí hiệu là VR

Hình 18: Hình ảnh thực tế

2 Cấu tạo

Phần III: Thiết kế cụ thể cho đề tài

Khối cảm

biến khói

II Thiết kế mạch và qui trình thiết kế hệ thống

1 Sơ đồ nguyên lý

A, Sơ đồ khối nguyên lý của mạch

Hình 19: Sơ đồ khối

- Thiết kế và vẽ mạch dựa trên phần mềm vẽ mạch Proteus.

Hình 20: Sơ đồ mạch in C, Sơ đồ mạch mô phỏng Hình 21: Sơ đồ mô phỏng mạch 3D

D, Bản để in mạch ra

2 Nguyên lý hoạt động của từng khối

A Khối nguồn

- Ở khối nguồn chúng em sử dụng 2 bộ nguồn cho mạch thiết kế đó là: + Mạch nguồn nuôi cho Vi mạch điều khiển với nguồn nuôi là 5V-DC + Mạch nguồn nuôi cho hệ thống khối relay là 5V-DC

điều kiện đầu ra luôn luôn lớn hơn đầu ra 5V

Hình 22: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ổn áp LM 7805

Hình 24: Sơ đồ khối cảm biến MQ2

 Chân 4 và 6: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0,3 và 4,5V, phụ thuộc vào nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2

 Khi có khí dưới tác dụng hóa học bên trong khi đó đện áp đươc dẫn

từ chân số 1 và chân số 3 sang chân số 4 và số 6 và đc dẫn tới chân

số 2 của IC LM393 để so sánh điện áp.

D, Khối so sánh điện áp

MQ2

Hình 25: Sơ đồ khối so sánh điện áp

 IC LM393 so sánh điện áp giữa hai chân số 2 và số 3

+ Khi chưa có khói thuốc thì chưa có điện áp đến chân số 2 khi đó điện

áp chân số 3 lớn hơn điện áp chân số 2, thì chân số 1 cho điện áp ra là mức 1 (5V) khi đó led không sáng.

+ Khi có khói thuốc tác động vào cảm biến chân số 2 sẽ có điện áp khi

đó có sự so sánh điện áp giữa hai chân của LM393 nếu điện áp chân số

2 lớn hơn điện áp chân số 3 thì ở chân số 1 sẽ có điện áp với mức ra là 0 (0V) khi đó đèn sáng vag còi báo.

+ Biến trở dùng để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến khi có sự so sánh điện áp.

E, Khối báo động

Hình 26: Sơ đồ khối báo động

 Khi có điện áp ở chân 1 của LM393 chạy qua R2 và tới Bazơ của Transistor A1015 làm cho Transistor hoạt động nếu điện áp tới chân Bazơ là 0V thì Transistor đóng và có dòng 5V chạy vào chân của loa, làm loa hoạt động.

 Khi có dòng lơn hơn 0V thì Transistor mở loa sẽ không hoạt động

Phần IV: Phương hướng phát triển của đề tài

 Đề tài cảm biến báo cháy, khói sử đụng cảm biến MQ2 ngày nay được sử đụng rất nhiều trong cuộc sống sinh hoạt

thường ngày cũng như trong hoạt động sản xuất công

nghiệp và nhiều lĩnh vực khác… Được ứng dụng trong các thiết bị dân dụng như: điều khiển, đèn, tivi, và nhiều thiết bị hữu dụng khác….

 Trong môi trường làm việc nguy hiểm việc cháy nổ luôn luôn thường trực nên việc lắp thiết bị cảm biến khói vô cùng quan trọng giúp ta phát hiện ra những đám khói để có cách khắc phục sớm nhất đem lại hiểu quả cao trong công tác phòng cháy chữa cháy ở những nơi công cộng như: bệnh viện,

chung cư, siêu thị…

 Thuốc lá là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và nó gây nhiều bệnh cho người hút và người hít phải khói thuốc lá việc lắp cảm biến báo khói thuốc ở nơi công cộng nhằm ngăn chặn kịp thời những người kém ý thức khi hút thuốc nơi đông người đó là một cách để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

 Ta cũng có thể kết hợp với những vi xử lí tạo ra những mạch điện thông minh như: cùng với các bộ cảm biến khác như cảm biến nhiệt để hoàn thành mạch cảm biến với nhiều ứng dụng hoặc có thể kết nối thêm phần cứng như mạch báo động bằng điện thoại để thông tin về người hút thuốc và các đáp cháy nhanh hơn, từ đó đem lại hiệu quả cao cho đề tài.

Phần V: Đánh giá đề tài

I Ưu điểm

- Mạch đơn giản, dễ thực hiện.

- Cách linh kiện đều có sẵn trên thị trường.

- Có độ nhạy cao và tuyến tính.

II Nhược điểm

- Mạch báo động có thể bị sai nếu vùng bảo vệ bị xâm nhập bởi bụi.

- Do cảm biến nhạy nên nhiều lúc sẽ có những báo động không cần thiết trong khi hoạt động.

Phần VI: Kết luận

 Sau thời gian thực hiện đề tài, với sự giúp đỡ tận tình của giảng viên

bộ môn cùng sự nỗ lực của các thành viên trong nhóm trng việc tìm hiểu các tài liệu, vẽ và thiết kế Với chúng em đây không phải một đề tài mới nhưng nó đem lại cho chúng em rất nhiều kiến thức bổ ích

và kỹ năng làm việc nhóm giữa cách thành viên trong nhóm từ đó nâng tầm hiểu biết của bản thân.

chuyên ngành học tập của mình, từ lý thuyết đến thực hành đều phải ăn khớp với nhau để tạo ra được một đề tài tốt Tuy nhiên chúng em vẫn gặp khá nhiều nhưng khó khăn khi thực hiện đề tài như: vật liệu, dụng cụ thực hành, kinh nghiệm còn chưa nhiều, kinh tế Vì vậy chưa đạt được kết quả cao như ý muốn của người thiết kế.

 Do thời gian thực hiện đê tài có hạn và lượng kiến thức của thành viên tong nhóm còn có hạn nên đề tài chỉ là một phần nhỏ trong một hệ thống hoàn chỉnh Vì vậy, để đề tài thêm phong phú hơn chúng em rất mong sự giúp đỡ và góp ý của quí thầy và các bạn !

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN.