Thiết kế mạch cảnh báo khí gas

Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên kết hợp sử dụng đồng thời sửdụng khí gas an toàn để hạn chế sự cố khí gas như khóa van khi dùng xong,kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo khi có k

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

LỜI MỞ ĐẦU 3

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 4

1.1 Lý do chọn đề tài 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu đề tài 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH 6

2.1 Sơ đồ khối của hệ thống 6

* Sơ đồ khối 6

* Chức năng của khối 7

2.2 Tính toán các thông số cho khối nguồn 8

2.3 Tính toán thông số cho khối xử lý 9

2.4 Giới thiệu các linh kiện cho mạch 10

2.5 Nguyên lí hoạt động của mạch 20

CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 21

3.1 Chế tạo mạch 21

3.3 Thử nghiệm 21

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 21

4.1 Kết luận 21

4.2 Hướng phát triển của đề tài 22

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phạm vi nghiên cứu 6

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát 6

Hình 2.1 Cấu tạo của máy biến áp 10

Hình 2.2 điện trở 12

Hình 2.9 Diodecầu 12

Hình 2.4 Tụ điện 14

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế IC 7805 15

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế module MQ2 16

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế IC NE555 17

Hình 2.8 Sơ đồ chân IC NE555 18

Hình 2.9 Transistor A1015 19

Hình 2.10 Còi buzzer thụ động 20

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý 21

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứngdụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biến hơn,nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi Từ những ứng dụngđơn như đồng hồ kĩ thuật số , máy chơi nhạc MP3… đến những ứng dụng cho

xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động … cho đếnnhững ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, phi thuyền không ngườilái, kiểm soát nhà máy hạt nhận…

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa họccông nghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phần nàovào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩm có ích chocuộc sống Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống củachúng ta: “Mạch cảnh báo cháy nổ sử dụng cảm biến khí gas”

Thông qua đề tài này chúng em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi,tích lũy kinh nghiệm quý báu, bổ xung thêm vào hành trang của mình trên conđường đã chọn trong tương lai

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ởtrường, qua một số sách, tài liệu tham khảo có liên quan cùng với sự giúp đỡ tậntình của các thầy cô giáo, các bạn và đặc biệt là với sự hướng dẫn tận tình của côTrịnh Thị Nga em đã hoàn thành được đồ án môn học lần này

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạnchế nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng

em rất mong các thầy, cô giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến quý báu để

đồ án môn học của chúng em được hoàn thiện hơn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên, ngày tháng năm 2021 Giáo viên hướng dẫn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài

Do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng khí gas ngày một tăng, do đó sự cố

xảy ra khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên nhu cầu cấp thiết hiệnnay khi sử dụng khí gas hiện nay là làm sao giảm được các sự cố không đáng cócủa khí gas gây ra cho người sử dụng

Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên kết hợp sử dụng đồng thời sửdụng khí gas an toàn để hạn chế sự cố khí gas như khóa van khi dùng xong,kiểm tra van, bếp ga định kỳ báo khi có khí gas bị rò rỉ và lắp đặt thiết bị cảnhbáo khi có khí gas bị rò rỉ ra môi trường trong đó việc lắp đặt, sử dụng hệ thốngcảnh báo khí gas được ưu tiên, đưa lên hàng đầu trong việc phát hiện ra khí gas

bị rò rỉ khi sử dụng khí gas, với kết cấu đơn giản, thuận tiện giá cả hợp lý độnhạy với khí gas thì thiết bị cảnh báo khí ga là sự lựa chọn hàng đầu cho ngườitiêu dùng về các thiết bị lắp đặt, phát hiên rò rỉ khi sử dụng khí gas Nhận thấy

sự nghiêm trọng và cấp thiết của việc lắp đặt thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas trongcác tòa nhà,khách sạn và hộ gia đình, nhóm chúng em chọn đề tài này nhằm tìmhiểu và nghiên cứu sâu về thiết bị cảnh báo khí gas để thiết kế ra một sản phẩmlàm giảm tối đa các sự cố khi sử dụng khí gas gây ra trong các toàn nhà, kháchsạn, hộ gia đình

1.2 Yêu cầu của đề tài

- Mạch hoạt động đúng chức năng của đề tài

- Mạch hoạt động có độ ổn định và chính xác cao

- Thiết kế gọn nhe

- Giá thành phù hợp

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Được dùng để phục vụ an toàn cho các toàn nhà, khách sạn, hộ gia đình khí

có sự cố khí gas rò rỉ gây nguy hiểm tính mạng cho người sử dụng

+ Thiết kế chế tạo sơ đồ mạch

+ Tiến hành lắp ráp linh kiện và hàn mạch, thiết kế mô hình thực tế+ Chạy thử mạch

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

* Sơ đồ khối

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát

* Chức năng của khối

- Khối Nguồn:

+ Ta sử dụng họ IC ổn áp 78XX để tạo nguồn

+ Là loại IC ổn áp khá tốt vì mạch điện khá đơn giản Các loại ổn ápthường được sử dụng là IC 78xx, với xx là thông dụng, cho ở đầu ra (chân 3)của IC mức điện áp ổn định là 5V, 12V, 24V

+ Với những mạch điện không đòi hỏi độ ổn định của điện áp quá cao,

sử dụng IC ổn áp thường được người thiết kế sử dụng điện áp cần ổn áp Ví dụ

7805 ổn áp 5V, 7812 ổn áp 12V Việc dùng các loại IC ổn áp 78xx tương tựnhau, dưới đây là minh họa cho IC ổn áp 7805

* Nguyên lý hoạt động mạch nguồn:

Nguồn 220V AC qua biến áp được đưa xuống 12VAC Qua cầu diodebiến đổi điện xoay chiều AC thành 1 chiều DC Sau đó được lọc và san phẳngđiện áp bằng tụ hóa và lúc này dòng điện 12VDC tương đối phẳng sẽ được đi qua

IC ổn áp để cho ra điện áp 5VDC Khi ổn áp xong sẽ được lọc nhiễu và san phẳnglại 1 lần nữa nhờ tụ để dòng điện có tính phẳng và ổn định hơn

* Khối Cảm Biến Khí Gas:

+ Khi xảy ra hiện tượng rò rỉ khí ga thì khối này nhận biết được lượngkhí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo hay chưa, rồi phát tín các tín hiệu báo về khối

xử lý Khối cảm biến khí gas gồm:

+ Module cảm biến MQ2 ( nguồn 5V, AOUT đầu ra Analog và DOUT đầu

ra Digital)

Trong thiết bị này, để xác định điểm cảnh báo em làm như sau:

+ Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được VOUT1

+ Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ra Ta thấy giá trị Dout tăng lên, khi đạtkhoảng khí gas từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguyhiểm, ta ghi lại giá trị VOUT2 Ta chọn giá trị VOUT2 là giá trị ngưỡng cảnh báo.Nếu giá trị đo được lớn hơn còi hú sẽ rú lên cảnh báo

+ Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân Dout của MQ2 = VOUT2.

* Khối xử lý :

+ Transistor A1015

+ Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý và điều hành chung hoạt động củatoàn bộ hệ thống Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khối cảnhbáo chấp hành hoạt động khi có rò rì khí gas

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

+ Khi điện áp vượt ngưỡng báo động điện áp ra ở mức 0

Sau đó điện áp đi tiếp vào chân B của con transistor A1015 khi điện

áp ra là mức 1 thì transistor không dẫn, ngược lại khi điện áp ra là mức 0 thìtransistor dẫn khi đó mạch tạo dao động NE555 được cấp nguồn để thực hiệnquá trình xử lý tiếp theo

+ IC NE555:

Là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo đượcxung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điềuchế được độ rộng xung Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor

để xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3 điện trởmắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn

* Khối báo động:

Báo động cho người dùng biết có sự rò rỉ khí gas, ở đây gồm có : + Đèn led

+ Còi

2.2 Tính toán các thông số cho khối nguồn

Dựa vào công thức: R =

- Led hoạt động ở mức 1.8V đến 3V dòng từ 10 đến 20 mA Nếu muốn led

hoạt động bình thường ở nguồn 5V thì:

- Gía trị điện trở nhỏ nhất:

- Gía trị lớn nhất:

- Do đó ta chọn điện trở trong khoảng 100 Ω đến 320 Ω ở mạch này em

chọn điện trở 220 Ω

2.3 Tính toán thông số cho khối xử lý

Đối với IC NE555, chân số 5 được nối với đất qua một tụ lọc C3= 10nfnhằm ổn định điện áp của các mức ngưỡng loại bỏ bất kì tiếng ồn và ngăn cảnxung quay trở lại nguồn cung cấp Mặc khác ta cũng có thể gắn chân 5 vào tụ0,01uf hay các tụ khác nõ cũng đóng vai trò như trên, nhưng vì ở khối báo động

em cũng sử dụng đến tụ 10nf, nên em làm vậy để tiết kiệm chi phí và tiện sửdụng

Sử dụng công thức mạch dao động:

T = 0,7.(R2+2R3).C1 và f =

T : thời gian của một chu kì toàn phần tính bằng (s)

f : Tần số dao động tính bằng (Hz)R2: Điện trở tính bằng Ω

R3: Điện trở tính bằng ΩC4: Tụ điện tính bằng Fara(F)

- Máy biến áp có thể hiểu nôm na là loại máy dùng để biến đổi dòng điện

xoay chiều Có loại máy biến áp biến đổi dòng điện từ cao xuống thấp hoặc từthấp lên cao tùy theo nhu cầu của người sử dụng

+ Tác dụng của máy biến áp:

Người ta dùng máy biến áp để truyền tải và phân phối điện năng trong hệthống điện

Máy biến áp còn được dùng rộng rãi : Trong kỹ thuật hàn, thiết bị lò nung,trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong lĩnh vực đo lường trong các thiết bị tự động,làm nguồn cho thiết bị điện, điện tử , trong thiết bị sinh hoạt gia đình v.v

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Gồm hai bộ phận chính: Lõi Thép(tôn silic)+ Dây quấn ( dây đồng hoặcdây nhôm)

- Lõi thép của máy biến áp được xếp từ các lá tôn định hướng:

thường là thép kỹ thuật điện hay lá tôn định hướng Mỏng ghép lại

điện, hai Mặt có sơn cách điện ghép lại với nhau thành lõi thép

- Dây quấn:

hoặc dây nhôm, có loại dây tròn, có loại dây det, bên ngoài dây bọc mộthay nhiều lớp giấy cách điện

bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện

CÓ những biến áp công suất lớn làm mát bằng dầu, bằng cách đổ dầu vàongâm lõi biến áp Khi dầu để lâu, đóng cặn thì có thể lọc bỏ cặn, hoặcthay dầu mới

2.4.2 Điện trở

Hình 2.2 điện trở

Thông s kỹ thu t: ố ậ

Đi n tr là linh ki n th đ ng có tác d ng c n tr c dòng và áp.Đi nệ ở ệ ụ ộ ụ ả ở ả ệ

tr đở ượ ử ục s d ng r t nhi u trong các m ch đi n t Đi n tr c a dây d nấ ề ạ ệ ử ệ ở ủ ẫ

có tr s đi n tr l n hay nh tùy thu c vào v t li u làm dây,t l thu n v iị ố ệ ở ớ ỏ ộ ậ ệ ỉ ệ ậ ớchi u dài và t l ngh ch v i ti t di n dây d nề ỉ ệ ị ớ ế ệ ẫ

Công th c tính: ứ

Trong đó:

- :là đi n tr su t c a v t li u ρ ệ ở ấ ủ ậ ệ Ωm hay Ωmm2

- A : là ti t di n c a dây, m2 hay mm2 ế ệ ủ

- l : là chi u dài c u dây (m)ề ả

- R:đi n tr , có đ n v là Ohm ,vi t t t là (ệ ở ơ ị ế ắ Ω)

2.4.3 Diode

Hình 2.9 Diodecầu

Diode là một linh kiện điện tử được cấu tạo từ 2 lớp bán dẫn tiếp xúc vớinhau Diode có 2 cực Anode và Cathode Nó chỉ cho dòng điện đi theo 1 chiều

từ Anode sang Cathode ( Chính xác là khả năng cản trở dòng điện theo chiều

AK là rất nhỏ, còn KA là rất lớn) Diode Cầu có cấu tạo gồm 4 diode nhỏ, có 4chân

áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cựcđạithường không cao

Phân cực thuận:

VD= 1,4V – 1,8V(led đỏ)

VD= 2V – 2,5V(led vàng)

VD= 2V – 2,8V(led xanh lá)

VD = 5mA – 20mA (thường chọn 10mA)

Led thường được dùng trong các mạch trạng thái báo hiệu,chỉ thị trạng tháicủa mạch như báo nguồn , trạng thái thuận hay ngược…

2.2.7 Tụ điện

Hình 2.4 Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện thụ động cấu tạo của tụ điện là hai bản cực bằngkim loại ghép cách nhau một khoảng d, ở giữa hai bản tụ là dung dịch hay chấtđiện môi cách điện có điện dung C Đặc điểm của tụ là cho dòng điện xoaychiều đi qua, ngăn cản dòng điện một chiều

Khi tụ nạp điện thì tụ sẽ bắt đầu nạp điện từ điện áp là 0V tăng dần đếnđiện áp UDC theo hàm số mũ đối với thời gian t.Điện áp tức thời trên hai đầu tụcủa tụ được tính theo công thức: UC(t) = UDC(1-t)

Khi tụ xả điện thì điện áp trên tụ từ trị số VDC sẽ giảm dần đến 0V theohàm số mũ đối với thời gian t Điện áp trên hai đầu tụ khi xả được tính theocông thức

Sơ đồ phía dưới IC 7805 có 3 chân:

- Chân số 1 là chân INPUT

- Chân số 2 là chân GND

- Chân số 3 là chân OUTPUT

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù điện áp từ nguồn cung cấp thayđổi

2.2.9 Module cảm biến khí gas MQ2

- MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy Nó được

cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2 Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí

sạch Nhưng trong môi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay.Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độnhạy này sang điện áp.

- Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp 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 lỏng LPG, H2, và cácchất khí gây cháy khác Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dândụng do mạch đơn giản và chi phí thấp

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế module MQ2

Trong đó :

+ Chân 1 là chân Dương nguồn (VCC)

+ Chân 2 là chân Âm nguồn (GND)

+ Chân 3 là chân Digital (D0)

+ Chân 4 là chân Analog (A0)

Trong mạch có hai chân đầu ra là Aout và Dout, trong đó:

Aout: điện áp ra tương tự Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V , phụ thuộc vàonồng độ khí xung quanh MQ2

Dout: điện áp ra số, giá trị 0.1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng

Ta có thể ghép nối vào mạch Relay để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặcthiết bị cảnh báo khác

2.2.10 IC NE555

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế IC NE555

- IC NE555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàngtạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơngiản,điều chế được độ rộng xung Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật vàtransistor để xả điện Cấu tạo rất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn + Điện áp đầu vào: 2 -18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,NE7555 )

+ Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất lớn nhất là: 600mW

- Các chức năng của IC NE555:

+ Là thiết bị tạo xung chính xác

+ Máy phát xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)

Hình 2.8 Sơ đồ chân IC NE555

Cấu tạo bên trong của IC555:

+ Gồm 2 con op-amp, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FFRS):

- Nguyên lý hoạt động của IC 555:

+ Trong quá trình hoạt động bình thường của IC NE555, điện áp trên

tụ C chỉ dao động quanh điện áp Vcc/3 => 2Vcc/3 (Xem dường đặc tính tụ điệnphóng nạp ở trên)

+ Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kếtthúc nạp ở thời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là(Ra+Rb)C + Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3,

và kết thúc xả ở thời điểm điện áp trên C bằng Vcc/3 Xả điện với thời hằng làRb.C

+ Thời gian mức 1ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xảđiện

2.2.11 Transistor A1015

Hình 2.9 Transistor A1015

+ Xét về cấu tạo transistor A1015 gồm 3 thành phần bán dẩn P – N –

P ghép với nhau Trong đó cực Base – cực nền nằm giữa tương ứng với bán dẩn

N, còn cực Collector – cực thu và cực Emitter – cực phát nằm hai bên

Các cực Base viết tắt là B, cực Collector viết tắt là C, cực Emitter viết tắt là

E Chúng ta nên chú ý chiều của mũi tên đi vào E qua B ra C

Bản chất C và E là cùng loại bán dẫn của P nhưng kích thước, nồng độ bán dẩn khác nhau nên không thể hoán đổi vị trí cho nhau

+ Transistor A1015 là transistor phân cực thuận PNP