Và thiết bị Cảnh Báo Báo Động Rò Rỉ Khí Gas của chúng tôi là một trong những dụng cụ rất hữu hiệu để phát hiện sớm rò rỉ khí gas và nhanh chóng ngăn chặn nguy cơ tìm ẩn xảy ra cháy nổ...
Trang 1-BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS
Trang 2LỜI CẢM ƠN 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3
1.1 Tìm hiểu về mạch cảm biến rò rỉ khí gas [9] 3
1.1.1 mạch cảnh báo rò rỉ khí gas là gì? 3
1.1.2 Ưu điểm của mạch cảnh báo rò rỉ khí gá 4
1.1.3 Nguyên lý hoạt động của mạch cảnh báo rò rỉ khí gas 4
1.2 Tầm quan trọng của đề tài 4
1.3 Mục tiêu đề tài 5
1.4 Đề mục nghiên cứu 5
1.5 Đối tượng nghiên cứu 5
1.6 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 5
1.7 Kết quả đạt được 5
CHƯƠNG 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 Giới thiệu về Arduino[1+10] 6
2.2 Tổng quan 6
2.2.1 Lịch sử 7
2.2.2 Phần cứng 7
2.2.3 Các loại Arduino 9
2.3 Software [7] 9
2.4 Giới thiệu về Arduino Nano[6] 10
2.5 Cảm biến khí gas MQ2 [9] 12
CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ MẠCH CẢNH BÁO RÒ RỈ KHÍ GAS 13
3.1 Thiết kế phần cứng 13
3.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống 13
Trang 33.2 Thiết kế mạch in[3] 17
3.3 Thiết kế phần mềm: 18
KẾT QUẢ CỦA ĐỀ TÀI 20
KẾT LUẬN 21
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 22
Tài liệu tham khảo 23
Trang 4Hình 2.1 Vi điều khiển Arduino Uno R3 6
Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Arduino Uno R3 6
Hình 2.3 Các loại Arduino 9
Hình 2.4 Arduino Nano 10
Hình 2.5 Cảm biến MQ2 12
Hình 2.6 Sơ đồ chân cảm biến MQ2 13
Hình 3.1Sơ đồ khối 14
Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý 14
Hình 3.2 Khối Nguồn 15
Hình 3.3 Khối vi điều khiển 15
Hình 3.4 khối cảm biến khí gas 16
Hình 3.5 Khối cảm biến báo cháy 16
Hình 3.6 Khối báo động 17
Hình 3.7 Khối relay 17
Hình 3.8 Mạch in 18
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép chúng em gửi lời cảm ơn tới nhà trường, khoađiện, các thầy cô đã dạy dỗ và dìu dắt chúng em trong suốt những năm họcvừa qua truyền thụ cho chúng em những kiến thức về chuyên ngành cũng nhưcác lĩnh vực liên quan để sau này khi ra đời em có thể làm việc, đóng góp cho
xã hội
Chúng em xin chân thành cảm ơn Ths đã giúp đỡ và tư vấn cho em rấtnhiều trong quá trình thực hiện đề tài Sự hướng dẫn của thầy là một yếu tốquan trọng để chúng em có được thành công trong đồ án này.Cuối cùng emxin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè cũng như các thành viên trong lớp đãluôn sát cánh và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện đề tài
Trong quá trình thực hiện đề tài dù đã cố gắng song cũng không thểtránh khỏi những thiếu xót, sai phạm,… em rất mong nhận được sự góp ý củathầy cô và bạn bè để đề tài của em được hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn !
Trang 6LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trong đời sống sinh hoạt có rất nhiều gia đình có những thiết bị
sử dụng gas phổ biến có thể kể tới như bếp gas, khò gas,… Đặc biệt trongcác nhà hàng thì đa số đều sử dụng bếp gas công nghiệp công suất lớn để nấunướng món ăn Gas và các sản phẩm sử dụng gas đang rất được ưa chuộng vìtính thuận tiện, phổ biến, và giá thành khá hợp lý Tuy nhiên đằng sau nhữngtiện lời đó luôn tiềm ẩn những rủi ro đặc biệt nghiêm trọng như những vụcháy nổ ảnh hưởng đến tài sản cũng như tính mạng của người sử dụng Vì vậychúng ta những người sử dụng gas cần trang bị cho bản thân những kiến thứcphòng chống cháy nổ để ứng phó trong những trường hợp xấu nhất Ngoài rachúng ta cũng cần những dụng cụ phòng chống cháy nổ chuyên biệt để kịpthời phát hiện và ngăn ngừa cháy nổ đúng lúc Và thiết bị Cảnh Báo Báo
Động Rò Rỉ Khí Gas của chúng tôi là một trong những dụng cụ rất hữu hiệu
để phát hiện sớm rò rỉ khí gas và nhanh chóng ngăn chặn nguy cơ tìm ẩn xảy
ra cháy nổ
Trang 7CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tìm hiểu về mạch cảm biến rò rỉ khí gas [9]
Trong sự phát triển ngày càng nhanh chóng và hiện đại của khoa học kỹthuật, ngành điện tử đã tạo nên một dấu ấn quan trọng trong lĩnh vực sản xuất
và chế tạo, chúng luôn thay đổi và phát triển từng giờ, không dừng lại ở đótrong những năm gần đây ngành điện tử đã ngảy càng gần gũi hơn với đờisống con người, hỗ trợ con người trong cuộc sống hằng ngày
Ngày nay việc sử dụng khí gas trong cuộc sống của con người là rất phổbiến.Khí gas sẽ giải quyết những nhược điểm của các nguyên liệu đốtkhácchúng không tạo ra khói, nhiệt lượng tạo ra cao Tuy nhiên đằng saunhững tiện lợi đó luôn tiềm ẩn những rủi ro đặc biệt nghiêm trọng như những
vụ cháy nổ ảnh hưởng đến tài sản cũng như tính mạng của người sử dụng Vìvậy chúng ta những người sử dụng gas cần trang bị cho bản thân những kiếnthức phòng chống cháy nổ để ứng phó trong những trường hợp xấu nhất.Ngoài ra chúng ta cũng cần những dụng cụ phòng chống cháy nổ chuyên biệt
để kịp thời phát hiện và ngăn ngừa cháy nổ đúng lúc
Và thiết bị Cảnh Báo Rò Rỉ Khí Gas của chúng tôi là một trong những
dụng cụ rất hữu hiệu để phát hiện sớm rò rỉ khí gas và nhanh chóng ngăn chặnnguy cơ tìm ẩn xảy ra cháy nổ
1.1.1. mạch cảnh báo rò rỉ khí gas là gì?
Bình ga rò rỉ làm tràn khí gas, nổ bình gas gây ra những hậu họa khônlường Hiện tượng rò rỉ khí gas tuy hiếm khi xảy ra những lại có thể là nguyênnhân của các vụ cháy nổ lớn Để tránh tai nạn đáng tiếc do khí ga rò rỉ, gây nổ
và cháy, con người đã phát minh một loại thiết bị phát hiện rò rỉ gas Mạchcảnh báo rò rỉ khí gas có thể cảnh báo sớm cho những sự cố rò rỉ để ngườidùng có thể phát hiện và xử lý kịp thời
Thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng lắp đặt
sử dụng Chỉ cần bắt vít hoặc đóng đinh vào tường và treo máy gần những nơi
có nguy cơ dễ cháy nổ Lắp cách sàn nhà bếp trong khoảng từ 0,3m – 1,2 m
Trang 8và cách nguồn gas 1,5 m Sau đó cắm nguồn điện cho thiết bị này là xong.Bạn nên bảo đảm sử dụng nguồn điện phù hợp và duy trì nguồn điện này liêntục để đảm bảo cho thiết bị này hoạt động thường xuyên.Đặt thiết bị này tạinơi khô thoáng, tránh bám bụi và độ ẩm cao.
Vì sự gọn nhẹ và tiện ích của mình mà hệ thống cảng báo rò rỉ khí gasthường được nhiều gia đình sống trong các căn hộ, chung cư tin dùng
1.1.2. Ưu điểm của mạch cảnh báo rò rỉ khí gá
Thiết kế hiện đại,đáp ứng tốt nhu cầu của người dùng
Gọn gàng, ngăn nắp, tiết kiệm không gian bếp
Không làm ảnh hưởng đến mĩ quan của nhà bếp
Các phụ kiện của mạch cảnh báo rò rỉ khí gas đi kèm không gâyvướng víu, dễ dàng lắp đặt nhanh
1.1.3. Nguyên lý hoạt động của mạch cảnh báo rò rỉ khí gas
Khi có khí gas rò rỉ cảm biến khí gas MQ2 sẽ nhận biết chúng và
truyền về Arduino Nếu có khí gas thì cảm biến MQ2 sẽ trả về mức cao và
Aduino truyền cho Loa và bộ phận ngắt điện đề phòng cháy nổ,khí gas ở mức cao làm cho Loa phát âm thanh báo động và ngắt điện của căn nhà
1.2 Tầm quan trọng của đề tài
Thiết bị báo rò rỉ gas đã trở nên khá quen thuộc với nhiều nhà bếp nhàhàng, bếp công nghiệp và cả bếp của các gia đình hiện nay Công dụng chínhcủa thiết bị gas này là phát hiện khí gas bị rò rỉ và báo động khi có các sự cố
về rò rỉ gas, đảm bảo an toàn trong nhà bếp
Trang 9Vì vậy đề tài này là một vấn đề không những là một thực tại khách quan
mà còn có tầm quan trọng thực sự trong hiện tại cũng như trong tương lai
1.3 Mục tiêu đề tài
- Tìm hiểu về mạch cánh báo rò rỉ khí gas
-Tìm hiểu sơ đồ nguyên lí và xây dựng thuật toán
-Thiết kế được mô hình mạch cảnh báo rò rỉ khí gas
1.4 Đề mục nghiên cứu
1 Thiết kế cấu trúc sơ đồ khối
2 Thi công phần cứng – phần mềm
3 Hướng dẫn sử dụng phần cứng
1.5 Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là: nguồn mở của vi điều khiển arduino còn mới
mẻ đối với một số trường, bên cạnh đó dùng ứng dụng đó để nghiên cứu ramột mạch cảnh báo rò rỉ khí gas
1.6 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
❖ Phương pháp
- Tham khảo tài liệu: chủ yếu là kham khảo chi tiết các module,cảm biến
- Thực nghiệm: kết nối phần cứng, thiết kế mạch ổn áp, mạch động lực,
cơ cấu chuyển động
❖ Phương tiện
- Các dụng cụ trong ngành điện – điên tử như máy hàn máy khoan , máytính, đồng hồ VOM… để thực hiện đề tài này còn phải thiết kế một số mạchphụ hay dùng testboard để thử nghiệm và mô phỏng 3D
1.7 Kết quả đạt được
-Hiểu mạch cảnh báo rò rỉ khí gas
-Vẽ được sơ đồ nguyên lý ,xây dựng được lưu đồ thuật toán , làm đượcmạch in
- Mô hình mạch cảnh báo rò rỉ khí gas
Trang 10CHƯƠNG 2- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về Arduino[1+10]
2.2 Tổng quan
Hình 2.1 Vi điều khiển Arduino Uno R3
Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển Arduino Uno R3Arduino là một board mạch vi xử lý được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý,nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được
Trang 11thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kếtrên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit NhữngModel hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vàoanalog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khácnhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắngmang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêuthích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năngtương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành.Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm cácrobot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó
là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhânthông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằngngôn ngữ C hoặc C++
Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn
tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồnmở) Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạchArduino chính 2 thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 cókhoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng
2.2.1. Lịch sử
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinhviên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tạiIvrea, Italy.Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tạiIvrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sánglập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này có được lấytên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến 1014
2.2.2. Phần cứng
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện
bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một
Trang 12khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phépngười dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễdàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền thông với boardArduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield đượcđịnh địa chỉ thông qua serial bus I²Cnhiều shield có thể được xếp chồng và sửdụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chipmegaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280,
và ATmega2560 Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi cácmạch Aquino tương thích Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyếntính 5V và một thạch anh dao động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramictrong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz
và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về kích cỡ thiết bị Một
vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot loader chophép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với cácthiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài Điều này giúp cho việc
sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tínhgốc như là một bộ nạp chương trình
Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả cácboard được lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thựchiện lại tùy thuộc vào đời phần cứng Các board Serial Arduino có chứa mộtmạch chuyển đổi giữa RS232 sang TTL Các board Arduino hiện tại được lậptrình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232 Vài biến thể, như Arduino Mini và Boarduinokhông chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial cóthể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác (Khi sử dụng mộtcông cụ lập trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lậptrình AVR ISP tiêu chuẩn sẽ được sử dụng.)
Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sửdụng cho những mạch ngoài Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa
Trang 13ra 14 chân I/O kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độrộng xung) và 6 chân input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số.Những chân này được thiết kế nằm phía trên mặt board, thông qua các headercái 0.10-inch (2.5 mm) Nhiều shield ứng dụng plug-in cũng đƣợc thươngmại hóa Các board Arduino Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board
và Boarduino có thể cung cấp các chân header đực ở mặt trên của board dùng
để cắm vào các breadboard
Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived Một vàitrong số đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thaythế qua lại Nhiều mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vàocác driver đầu ra, thường sử dụng trong các trường học để đơn giản hóa cáccấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ Những board khác thường tươngđương về điện nhƣng có thay đổi về hình dạng-đôi khi còn duy trì độ tươngthích với các shield, đôi khi không Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý hoàntoàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau
2.2.3. Các loại Arduino
Hình 2.3 Các loại Arduino
2.3 Software [7]
Trang 14Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụngcrossplatform (đa nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sửdụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) vàproject Wiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quenvới lĩnh vực phát triển phần mềm Nó bao gồm một chương trình code editorvới các chức năng như đánh 7 dấu cú pháp, tự động brace matching, và tựđộng canh lề, cũng như compile(biên dịch) và upload chương trình lên boardchỉ với 1 cú nhấp chuột Một chương trình hoặc code viết cho Arduino đượcgọi là một sketch Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++.Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từproject Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn.Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thựcthi (cyclic executive) có thể chạy được:
setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng đểthiết lập các cài đặt
loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch
2.4 Giới thiệu về Arduino Nano[6]
Hình 2.4 Arduino Nano
Trang 15Thông số kỹ thuật:
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân
D13 Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ởmức thấp (LOW)
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC) 5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA) GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có
thể đọc điện áp trên chân IOREF Chân IOREF không dùng để làm chân cấpnguồn
Bộ nhớ:
Vi điều khiển ATmega328:
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai
báo sẽ được lưu ở đây Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớRAM Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only
Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệukhi mất nguồn
Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làmchân đầu vào và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(),digitalRead() Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 ohm Dòng tối đa trên mỗichân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch.Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt: