Khảo sát, thiết kế hệ thống báo cháy tự động cho gia đình

GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG BÁO CHÁY TỰ ĐỘNG

Sự cần thiết của hệ thống báo cháy tự động

Ngày nay, hỏa hoạn là một trong những mối nguy hiểm hàng đầu mà con người cần đề phòng, vì hậu quả của nó có thể đe dọa tính mạng, tinh thần và tài sản Để giảm thiểu rủi ro, việc nâng cao cảnh giác về phòng cháy, chữa cháy là rất quan trọng Chúng ta cần trang bị đầy đủ các phương tiện phòng cháy chữa cháy để xử lý kịp thời khi sự cố xảy ra Hệ thống báo cháy và chữa cháy phải được thiết kế đúng cách, đầy đủ chức năng và đạt tiêu chuẩn để bảo vệ ngôi nhà khỏi nguy cơ hỏa hoạn Những sản phẩm đạt tiêu chuẩn sẽ cung cấp các tính năng hữu ích, giúp tăng cường an toàn cho gia đình.

• Giúp bạn tránh được những mối nguy hiểm do hỏa hoạn gây ra

• Báo trước cho bạn những hiểm họa xắp xẩy ra (nhờ hệ thống các đầu dò, đầu báo khói, báo nhiệt, báo gas… )

Khi xảy ra sự cố, việc xử lý sẽ trở nên dễ dàng hơn nhờ vào các thiết bị chữa cháy được thiết kế hoàn hảo và dễ sử dụng.

Những quy định và cách bố trí hệ thống báo cháy tự động

1.2.1 Những quy định khi thiết kế hệ thống báo cháy a Hệ thống báo cháy tự động phải được trang bị cho các công trình nguy hiểm về cháy nổ, nơi tập trung đông người Cụ thể là

- Nhà hành chính, trụ sở làm việc của cơ quan chính quyền, tổ chức chính trị xã hội, trụ sở, nhà, văn phòng làm việc khác

- Khách sạn, nhà hàng, nhà nghỉ, nhà trọ

- Nhà, công trình thuộc cơ sở nghiên cứu khoa học , công nghệ

- Trường học, cơ sở giáo dục

- Bệnh viện, nhà điều dưỡng cấp huyện trở lên, cơ sở y tế khám chữa bệnh

Rạp hát, rạp chiếu phim, hội trường, nhà văn hóa, và nhà thi đấu thể thao là những địa điểm tập trung đông người, bên cạnh đó còn có vũ trường, câu lạc bộ, cơ sở vui chơi giải trí và các công trình công cộng khác.

- Chợ, trung tâm thương mại siêu thị, cửa hàng bách hóa có tổng diện tích trung bình và lớn

- Nhà lưu trữ, thư viện, bảo tàng, triển lãm thuộc nhà nước quản lý

- Đài phát thanh, truyền hình, cơ sở bưu chính viễn thông từ cấp huyện trở lên

- Nhà máy điện, trạm biến áp từ 220KV trở lên

- Kho, cảng nhập khẩu xăng dầu khí đốt hóa lỏng

- Công trình an ninh, quốc phòng có nguy hiểm về cháy, nổ hoặc có yêu cầu bảo vệ đặc biệt

- Trung tâm chỉ huy, điều độ, điều hành diều khiển quy mô khu vực và quốc gia các lĩnh vực

- Công trình hầm, tầng hầm b Hệ thống báo cháy tự động được trang bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những người xung quang có thể thực hiện các biện pháp thích hợp

- Có khả năng chống nhiễu tốt, không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác được lắp đặt chung hoặc riêng lẻ

- Báo hiệu nhanh và rõ ràng mọi trường hợp sự cố hệ thống

- Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện cháy

- Đảm bảo độ tin cậy

1.2.2 Bố trí hệ thống báo cháy tự động

- Trung tâm báo cháy phải có khả năng truyền các tín hiệu về cháy và sự cố đến nơi có người và có biện pháp phòng ngừa

- Nơi bố trí trung tâm báo cháy phải có điện thoại liên lạc trục tiếp với các đội chữa cháy hoặc nơi nhận tín hiệu báo cháy

Đầu báo cháy khói và đầu báo cháy nhiệt cần được lắp đặt trên mái hoặc trần nhà Nếu không thể lắp đặt ở vị trí này, có thể sử dụng xà, cột hoặc treo trên dây dưới trần, tuy nhiên, khoảng cách từ đầu báo đến trần không được vượt quá 0.3m, bao gồm cả kích thước của đầu báo tự động.

Hộp nút ấn báo cháy được lắp đặt cả bên trong và bên ngoài nhà, cũng như tại các công trình, nhằm đảm bảo an toàn cho lối thoát nạn và chiếu nghỉ cầu thang Vị trí lắp đặt của hộp này cần dễ thấy, thường trên tường hoặc các cấu kiện xây dựng, với độ cao từ 0.8m đến 1.5m tính từ mặt đất hoặc mặt sàn.

Khoảng cách tối đa giữa các hộp nút ấn báo cháy không được vượt quá 50m trong nhà và 150m khi lắp đặt ngoài trời Các hộp này cần có ký hiệu rõ ràng và phải là loại chống nước.

1.2.3 Hệ thống báo cháy cho các công trình khác

- Tất cả các công trình công nghiệp đều phải lắp đặt hệ thống phát hiện cháy

- Tín hiệu báo cháy phải khác với các tín hiệu khác đang sử dụng trong các hoạt động thông thường của công trình

Trong một số tình huống, tín hiệu cảnh báo chung có thể dẫn đến sự hỗn loạn khi có đông người Do đó, việc trang bị lực lượng được đào tạo đầy đủ là cần thiết để thực hiện hiệu quả các phương án và quy trình sơ tán an toàn đã được lập sẵn.

Văn phòng, cửa hàng buôn bán, khu vui chơi giải trí, nhà công nghiệp, kho và các khu vực không dùng để ở khác cần lắp đặt hệ thống phát hiện cháy tự động với các đầu báo cháy phù hợp tại những nơi có nguy cơ cháy cao Hệ thống báo cháy tự động là cần thiết trong một số trường hợp cụ thể để đảm bảo an toàn cho người và tài sản.

+ Nhằm bổ sung cho một số trường hợp không năm trong quy định cuả quy chuẩn này

+ Là một phần của thiết bị điều khiển đối với hệ thống bảo vệ chống cháy, như để chỉnh áp hay mở cửa tự động

Trong những khu vực vắng người như kho bãi hoặc tầng hầm ít người qua lại, nguy cơ xảy ra hỏa hoạn có thể tăng cao, gây cản trở cho việc thoát hiểm từ các khu vực khác trong nhà.

Phân loại hệ thống báo cháy tự động

Hệ thống báo cháy sử dụng 2 loại điện thế khác nhau:

Cả hệ thống báo cháy 12V và 24V đều có tính năng kỹ thuật và công dụng tương tự nhau Tuy nhiên, hệ thống báo cháy 12V không đáp ứng được hiệu suất và độ tin cậy như hệ thống 24V.

Hệ thống báo trộm 12V yêu cầu tính chuyên nghiệp và bắt buộc phải có bàn phím lập trình, trong khi hệ thống báo cháy 24V là một giải pháp chuyên nghiệp hơn, với khả năng truyền tín hiệu xa hơn và không cần bàn phím lập trình.

Hệ thống báo cháy được chia 2 hệ chính, gồm:

1.3.1 Hệ thống báo cháy thông thường

Hệ thống báo cháy thông thường, với tính năng đơn giản và giá thành phải chăng, phù hợp lắp đặt cho các công trình có diện tích vừa và nhỏ, khoảng vài nghìn m² và chỉ có vài chục phòng Các thiết bị trong hệ thống được kết nối theo kiểu nối tiếp với Trung tâm báo cháy, do đó, khi xảy ra sự cố, trung tâm chỉ có thể nhận diện khái quát và hiển thị toàn bộ khu vực mà hệ thống giám sát, mà không xác định được chính xác vị trí từng đầu báo hoặc địa điểm có cháy Điều này hạn chế khả năng xử lý của nhân viên ứng phó.

Hệ thống báo cháy thông thường đã tồn tại lâu dài và mặc dù ít thay đổi về cơ bản, nhưng đã được cải tiến đáng kể về thiết kế và độ tin cậy theo thời gian Hệ thống này đã chứng minh vai trò quan trọng trong việc bảo vệ tài sản và sinh mạng con người, góp phần ngăn chặn thiệt hại trong hàng triệu vụ hỏa hoạn trên toàn cầu.

Hệ thống báo cháy thông thường là sự lựa chọn tự nhiên của những công trình nhỏ hoặc những nơi mà ngân sách có hạn

Trong hệ thống báo cháy thông thường, tính năng "thông minh" chủ yếu nằm ở tủ điều khiển, nơi tiếp nhận tín hiệu từ các đầu báo cháy và công tắc khẩn, sau đó truyền tín hiệu đến các thiết bị báo động khác.

Đầu báo cháy thông thường được kết nối với tủ điều khiển qua các mạch dây, mỗi mạch bảo vệ cho một khu vực khác nhau Thiết bị này có hai trạng thái hoạt động chính: trạng thái bình thường và trạng thái báo động.

Thông thường, tủ điều khiển được chia thành nhiều zone/mạch (zone 1,2,3,….) và 2 mạch chuông riêng biệt

Bảo vệ vùng 1 Bảo vệ vùng 2 Bảo vệ vùng 3 Bảo vệ vùng 4

Mạch chuông 1 Mạch chuông 2 Tín hiệu bên ngoài Không bắt buộc)

Công tắc khẩn Đầu báo khói/nhiệt Chuông

Hình 1.1 Sơ đồ mẫu hệ thống báo cháy thông thường [5]

1.3.2 Hệ thống báo cháy địa chỉ

Hệ thống báo cháy địa chỉ là giải pháp lý tưởng cho các công trình có diện tích lớn, được chia thành nhiều khu vực độc lập và các phòng ban riêng biệt Mỗi thiết bị trong hệ thống được kết nối trực tiếp với Trung tâm báo cháy, giúp nhận diện tín hiệu cháy tại từng khu vực một cách rõ ràng và chính xác.

Trung tâm có khả năng nhận diện thông tin sự cố một cách chi tiết, được hiển thị trên bảng hiển thị, từ đó giúp nhân viên giám sát xử lý sự cố một cách nhanh chóng và hiệu quả.

Hệ thống báo cháy địa chỉ nổi bật với khả năng xử lý tín hiệu linh hoạt và thông minh, cho phép nhận diện nhanh chóng và chính xác Bên cạnh đó, hệ thống này còn có phạm vi kiểm soát rộng hơn so với các hệ thống báo cháy thông thường.

Hệ thống này kết hợp công nghệ vi tính và truyền dữ liệu hiện đại để giám sát và điều khiển, xứng đáng là lựa chọn thông minh cho các quy mô vừa và lớn, cũng như những hiện trường phức tạp.

Trong hệ thống báo cháy địa chỉ, các đầu báo cháy được kết nối với nhau và chạy thành một vòng lặp quanh khu vực cần bảo vệ, mỗi đầu báo sẽ được gán một địa chỉ riêng biệt.

Hệ thống có thể có một hoặc nhiều Loop, tùy kích cỡ hệ thống và yêu cầu thiết kế

Tủ điều khiển có khả năng giao tiếp độc lập với từng đầu báo, liên tục nhận báo cáo về trạng thái hoạt động của chúng, bao gồm trạng thái bình thường, trạng thái báo động và trạng thái lỗi kỹ thuật.

Mỗi đầu báo cháy được gán một địa chỉ độc lập, giúp tủ điều khiển báo cháy hiển thị chính xác vị trí của thiết bị khi có sự cố Điều này cho phép nhanh chóng xác định và xử lý vấn đề liên quan.

Đầu báo địa chỉ được trang bị các bộ phận thông minh có khả năng dự báo sự cố trước khi xảy ra, như việc phát hiện bụi bẩn và gửi tín hiệu cảnh báo khi mức độ bụi đạt ngưỡng xác định Ngoài ra, đầu báo còn có khả năng cảnh báo sớm khi phát hiện khói hoặc nhiệt độ ở mức đã được lập trình trước, giúp nâng cao hiệu quả phòng cháy chữa cháy.

Hệ thống báo cháy địa chỉ cũng có thể kết hợp các thiết bị báo cháy loại quy ước

Mạch vòng báo hiệu và phát hiện địa chỉ

Mạch âm thanh chuyên dụng Tín hiệu bên ngoài ( không bắt buộc)

Công tắc khẩn Đầu báo khói/nhiệt Chuông

Hình 1.2 Sơ đồ mẫu hệ thống báo cháy có địa chỉ [5]

GIỚI THIỆU VỀ PIC 16F877A VÀ CÁC CẢM BIẾN

Giới thiệu về họ vi điều khiển PIC

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là

Máy tính thông minh "máy tính khả trình" được đặt tên bởi hãng General Instrument cho vi điều khiển đầu tiên của họ, PIC1650 Vi điều khiển này được thiết kế để làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600 Qua quá trình nghiên cứu và phát triển, vi điều khiển này đã dẫn đến sự hình thành dòng vi điều khiển PIC hiện nay.

Các kí hiệu của vi điều khiển PIC:

PIC12xxxx: độ dài lệnh 12 bit

PIC16xxxx: độ dài lệnh 14 bit

PIC18xxxx: độ dài lệnh 16 bit

C: PIC có bộ nhớ EPROM (chỉ có 16C84 là EEPROM)

F: PIC có bộ nhớ flash

LF: PIC có bộ nhớ flash hoạt động ở điện áp thấp

LV: tương tự như LF, đây là kí hiệu cũ

Một số vi điều khiển có ký hiệu xxFxxx là EEPROM, và nếu có chữ A ở cuối thì đó là flash, ví dụ như PIC16F877 là EEPROM còn PIC16F877A là flash Bên cạnh đó, dòng vi điều khiển mới dsPIC cũng được giới thiệu.

Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển hiện nay được thiết kế theo hai mô hình khối cấu trúc Von - Neuman và cấu trúc Harvards

Cấu trúc vi điều khiển Von Neumann là một trong những kiến trúc cổ điển và phổ biến nhất Trong cấu trúc này, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình được lưu trữ chung trong một bộ nhớ, sử dụng cùng một đường truyền dữ liệu Điều này ảnh hưởng đến tốc độ thực thi của vi điều khiển.

Cấu trúc Harvards khác với cấu trúc Von Neuman ở chỗ tách biệt bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình, cho phép CPU tương tác với cả hai bộ nhớ cùng một lúc Điều này đã làm tăng đáng kể tốc độ xử lý của vi điều khiển.

Vi điều khiển RISC, viết tắt của "Reduce Instruction Set Computer", có cấu trúc phần cứng kiểu Harvard, trong khi vi điều khiển CISC (Complex Instruction Set Computer) được thiết kế theo kiến trúc Von-Neumann Vi điều khiển CISC có tập lệnh phức tạp, với mã lệnh không phải là một số cố định mà luôn là bội số của 8 bit (1 byte).

Hình 2.1 Cấu trúc Havard và Von – Neumann [4]

PIC16F877A là vi điều khiển 16 bit với cấu trúc RISC, mang lại tốc độ xử lý nhanh chóng và khả năng chống nhiễu tốt Công nghệ RISC giúp mở rộng khả năng và cho phép nạp lại trên 1000 lần, đồng thời hỗ trợ lập trình dưới dạng Macro Với tập lệnh đơn giản và đa dạng về chủng loại, dòng vi điều khiển PIC được coi là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng tự động, từ đơn giản đến phức tạp.

PIC16F877A là một vi điều khiển tiêu biểu trong dòng PIC, nổi bật với thiết kế đơn giản Chip này có 5 Port, 40 chân và tích hợp đầy đủ các tính năng ưu việt của dòng PIC, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng vừa và nhỏ Hiện nay, PIC16F877A được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

Bộ nhớ chương trình (Program memory) là nơi lưu trữ chương trình nạp, được sản xuất bằng công nghệ FLASH, cho phép lập trình và xóa dễ dàng.

BỘ NHỚ DỮ LIỆU BỘ NHỚ CHƯƠNG TRÌNH

CHƯƠNG TRÌNH VÀ BỘ NHỚ DỮ LIỆU

9 nhiều lần.Ưu điểm này khiến cho con vi điều khiển này thích hợp cho việc xây dựng các ứng dụng điều khiển

Cấu trúc tổng quát của nó được biểu diễn dưới dạng các khối sau :

Hình 2.2 Cấu trúc tổng quát của PIC [4]

EPPROM là loại bộ nhớ dùng để lưu trữ dữ liệu ngay cả khi không có nguồn điện Nó thường được sử dụng để bảo vệ các dữ liệu quan trọng, đảm bảo không bị mất mát trong trường hợp nguồn cấp điện bị ngắt đột ngột.

RAM: Bộ nhớ dữ liệu được sử dụng cho trong suốt quá trình thực thi chương trình trong vi điều khiển

PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE là các cổng kết nối vật lý giữa vi điều khiển và phần cứng bên ngoài Trong đó, PORTA có 6 chân giao tiếp, trong khi PORTB, PORTC và PORTD mỗi cổng có 8 chân, còn PORTE chỉ có 3 chân.

FREE-RUN TIMER là một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển, hoạt động độc lập với chương trình Nó tăng giá trị lên một sau mỗi bốn xung nhịp của bộ dao động cho đến khi đạt 255, sau đó bắt đầu đếm lại từ 0 Khi xác định được thời gian giữa hai lần tăng của thanh ghi Timer, nó có thể được sử dụng để định thời gian, một tính năng rất hữu ích và phổ biến trong thực tế.

Port A Port B Port C Port D Port E

CPU (Bộ xử lý trung tâm) là thành phần quan trọng trong vi điều khiển, kết nối các bộ phận với nhau, tương tự như chức năng của bộ não con người.

Nó liên kết các hoạt động của các khối trong vi điều khiển và thực thi chương trình

Hình 2.3 Sơ đồ khối của PIC 16F877 [4]

Hình 2.4 Sơ đồ chân của PIC 16F877A [4]

- Chân 1 : MCLR/V PP , Cổng Reset và cấp điện áp lập trình cho vi điều khiển

- Chân 2 : RA0/AN0, Chân số 0 của port A, đầu vào bộ Analog 0 (Port A là port vào ra 2 chiều)

- Chân 3 : RA1/AN1, Chân số 1 của port A, đầu vào bộ Analog 1

- Chân 4 : RA2/AN2/V REF- /CV REF , Chân số 2 port A, đầu vào Analog 2 và đầu vào bộ A/D (Điện áp thấp) và nối với bộ so sánh Compare

- Chân 5 : RA3/AN3/V REF+ , Chân 3 của port A, đầu vào Analog 3, đầu vào bộ A/D (điện áp cao)

- Chân 6 : RA4/T0CKI/C1OUT, Chân số 4 của port A, đầu vào bộ định thời Timer0 và đầu ra của bộ so sánh 1

- Chân 7 : RA5/AN4/SS/C2OUT, Chân số 5 của port A, đầu vào bộ Analog

4, đầu ra của bộ so sánh 2, đầu vào SPI

- Chân 8 :RE0/ RD/AN5: điều khiển đọc cho các cổng song song, đầu vào tương tự 5

- Chân 9 : RE1 / WR /AN6 : Điều khiển ghi cho các đầu vào song song, đầu vào tương tự 6

- Chân 10 :RE2 / CS / AN7 : điều khiển chọn lọc cho các cổng song song , đầu vào tương tự 7

- Chân 12 : V SS , Chân nối đất của nguồn

- Chân 13 : OSC1/CLKI, Chân nối với bộ dao động và có chức năng là bộ định thời

- Chân 14 : OSC2/CLKO, Chân nối với bộ dao động và có chức năng là bộ định thời

- Chân 15 : RC0/T10SO/T1CKI, chân số 0 của port C, đầu vào bộ tạo dao động Timer 1

- Chân 16 : RC1/T1OSI/CCP2,chân số 1 của port C, đầu vào bộ dao động T1, đầu ra bộ Capture 2, và đầu ra PWM2

- Chân 17 : RC2/CCP1, chân số 2 của port C, đầu ra bộ Capture1, và đầu ra PWM1

- Chân 18 : RC3/SCK/SCL, chân số 3 của port C, đầu vào/ra của port đồng bộ chuẩn SPI và chuẩn I2C (Synchronous serial clock)

- Chân 40 : RB7/PGD, chân số 7 của port B

- Chân 38 : RB5, Chân số 5 của port B

- Chân 37 : RB4, Chân số 4 của port B

- Chân 35 : RB2, Chân số 2 của port B

- Chân 34 : RB1, Chân số 1 của port B

- Chân 33 : RB0/INT, Chân số 0 của port B và là ngỏ vào của ngắt

- Chân 32 : V DD , Chân cấp nguồn cho vi điều khiển

- Chân 26 : RC7/RX/DT, chân số 7 của port C, nối với chân RX - DT của port PSP

- Chân 25 : RC6/TX/CK, chân số 6 của port C

- Chân 24 : RC5/SDO, chân số 5 của port C

- Chân 23 : RC4/SDI/SDA, chân số 4 của port C

Chân RA4/TOCKI vừa là chân số 4 của Port A, vừa là ngõ vào từ bên ngoài cho bộ đếm Việc lựa chọn giữa hai chức năng này được thực hiện bằng cách thay đổi giá trị trong các thanh ghi chuyên dụng Khi một chức năng được chọn, chức năng còn lại sẽ không hoạt động.

Tất cả các chân của cổng Port A đến Port D trên vi điều khiển PIC16F877A có thể được cấu hình như các ngõ xuất hoặc nhập tùy thuộc vào yêu cầu của thiết bị điều khiển Để xác định chức năng của từng chân, người dùng cần điều chỉnh các thanh ghi TRIS tương ứng trong các bank Cụ thể, nếu một bit trong thanh ghi TRIS bằng 1, chân tương ứng sẽ hoạt động như ngõ nhập, ngược lại sẽ là ngõ xuất Mỗi cổng đều có thanh ghi TRIS riêng: Port A tương ứng với TRISA trong bank 0, Port B với TRISB trong bank 1, và Port C với TRISC trong bank 2 Cụ thể, Port A có 6 chân, trong khi Port B, Port C và Port D mỗi cổng có 8 chân.

Cấu trúc bộ nhớ của Vi điều khiển PIC16F877A bao gồm bộ nhớ chương trình (Program Memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data Memory) a Bộ nhớ chương trình

Vi điều khiển PIC16F877A sở hữu bộ nhớ chương trình FLASH với dung lượng 8K word (1 word = 14 bit), được chia thành nhiều trang từ page 0 đến page 3.

Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192 lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14bit)

14 Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ nhớ chương trình có dung lượng 13 bit

Các loại cảm biến của hệ thống báo cháy

Cảm biến là bộ phận hết sức quan trọng, nó quyết định độ nháy và sự chính xác của hệ thống

Cảm biến hoạt động dựa trên đặc tính vật lý của vật liệu cấu tạo, có chức năng chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện.

Các đặc tính của cảm biến: độ nhạy, độ ổn định, độ tuyến tính

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện, với độ nhạy cao và tính tuyến tính tốt Nguyên lý hoạt động của cảm biến này là sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp khi nhiệt độ tại vị trí lắp đặt biến đổi Tuy nhiên, nó cũng có thể gây ra báo động nhầm do ảnh hưởng của nguồn điện bên ngoài không mong muốn.

Hình 2.10 Cảm biến nhiệt độ [2]

Hiện nay, nhiều công ty trên toàn cầu đã phát triển các IC bán dẫn tiện lợi cho việc đo và hiệu chỉnh Trong các mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt đóng vai trò quan trọng như một lớp chuyển tiếp.

PN trong một transistor lưỡng cực Lớp cảm biến này nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu điện dưới dạng dòng hay áp

IC cảm biến nhiệt có những ưu khuyết điểm như sau :

- Ưu điểm: gọn nhẹ, rẻ tiền, tuyến tính Phù hợp với các thiết kế cỡ nhỏ

- Khuyết điểm: Nhiệt độ đo thấp (150-2000 o F), cần cấp nguồn cho IC

Trên thị trường hiện có các loại IC sau: STP 35 A/B/C (Texas Instrument),

LM 35/45/50 (National Semiconductor), AD590/2210 (Analog Devices), DS

1620/1820/1920 (Dallas Semiconductor)…Ngoài ra còn có các loại ít thông dụng hơn như : Lưỡng kim, nhiệt kế hồng ngoại, áp suất hơi, tinh thể thạch anh, phóng

Việc sử dụng IC cảm biến nhiệt để đo nhiệt độ là rất phổ biến, đặc biệt là IC cảm biến LM35 của National Semiconductor IC LM35 cung cấp độ chính xác cao và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống đo lường nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt tích hợp trong IC chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ thành tín hiệu điện dưới dạng dòng điện hoặc điện áp Nhờ vào độ nhạy cao của bán dẫn với nhiệt độ, điện áp hoặc dòng điện được tạo ra tỷ lệ thuận với giá trị nhiệt độ cần đo Sự tác động của nhiệt độ làm phát sinh điện tích tự do và lỗ trống trong bán dẫn, thông qua việc phá vỡ các phân tử và giải phóng electron Sự gia tăng tỷ lệ electron tự do và lỗ trống tuân theo quy luật hàm mũ theo nhiệt độ.

LM35 là cảm biến nhiệt độ có thể hoạt động đến 150 0 C Cứ tăng 1 0 C, điện áp ra tăng 10mV

Các tính chất của LM35:

+ Chia độ trực tiếp theo 0 C

+ Độ chính xác ban đầu là 1 0 C

+ Tầm nhiệt độ rộng, đo từ 0-150 0 C

+ Tần biến thiên điện áp ứng với nhiệt độ từ 0-100 0 C là 1V

LM35 có ba chân: Chân 1 (V s) dùng để cấp nguồn dương (V cc), Chân 2 (GND) kết nối với mass, và Chân 3 (Vout) là chân xuất điện áp sau khi chuyển đổi từ nhiệt độ.

Hình 2.11 IC cảm biến LM35 [2]

28 b Thermistor Được làm từ hỗn hợp các oxit kim loại như : mangan, nickel, cobalt,…

Thermistor được chế tạo từ hỗn hợp các bột oxit, được trộn theo tỉ lệ và khối lượng cụ thể, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Có hai loại thermistor chính.

- Hệ số nhiệt dương PTC (Positive Temperature Coefficient) : Điện trở tăng theo nhiệt độ

- Hệ số nhiệt âm NTC (Negative Temperature Coefficient): Điện trở giảm theo nhiệt độ)

Thường dùng nhất là loại NTC Ưu điểm : Bền, rẻ, dễ chế tạo

Nhược điểm : Dãy tuyến tính hẹp

Hình 2.13 Đặc tính nhiệt độ của Thermistor [2]

Cặp nhiệt điện là một loại cảm biến nhiệt phổ biến trong ngành công nghiệp, được chế tạo từ hai sợi kim loại khác nhau Thiết bị này có ít nhất hai mối nối: một đầu tiếp xúc với đối tượng cần đo, gọi là "điểm nóng", và đầu còn lại được giữ ở nhiệt độ chuẩn, được gọi là đầu ra.

Khi đốt nóng mối nối của hai kim loại, sẽ sinh ra suất điện động nhiệt Tuy nhiên, không phải tất cả các kim loại đều có thể sử dụng để chế tạo thermocouple; chỉ những kim loại có đặc tính phù hợp mới có thể thực hiện chức năng này.

- Nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ cần đo

- Có khả năng lặp lại trong khoảng thời gian dài (repeatable)

- Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt

Thermocouple có nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào vật liệu cấu tạo, và giá thành cũng vì thế mà thay đổi rõ rệt Hiện nay, trên thị trường có các loại thermocouple phổ biến như J, K và T.

Khi lắp đặt Thermocouple, cần chú ý đặt nó trong vỏ bọc để bảo vệ khỏi sự xâm thực của môi trường, đồng thời đảm bảo yêu cầu cách điện mà không cần cách nhiệt Việc chọn địa điểm lắp đặt cũng rất quan trọng, có thể cần đặt nhiều Thermocouple ở các vị trí khác nhau do nhiệt độ thường phân bố không đều Ngoài ra, dây bù nhiệt cần được lắp đặt trong ống sắt nối đất, và dây dẫn tín hiệu cảm biến phải đồng nhất loại để tránh tạo ra điểm nóng mới, dẫn đến sai lệch kết quả đo.

- Ưu điểm: Tầm đo nhiệt độ rộng (>11000F), giá thành thấp,đơn giản, thời gian đáp ứng nhanh

- Khuyết điểm: Cần tham chiếu, phi tuyến, trôi tham chiếu không dự đoán trước được, không thể ca-lip lại, kém ổn định, không nhạy

Cảm biến quang có thể hoạt động với ánh sáng thấy được hoặc ánh sáng hồng ngoại, tử ngoại a Quang trở

Quang trở, hay còn gọi là vật dẫn quang (photo con), là một linh kiện thụ động được chế tạo từ vật liệu bán dẫn Bề mặt của quang trở được phơi sáng, dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó.

Cường độ ánh sáng tăng lên sẽ làm giảm giá trị của quang trở, vì năng lượng ánh sáng tạo ra nhiều điện tử tự do hơn Tuy nhiên, loại cảm biến này có tính phi tuyến và độ trễ, khiến cho việc sử dụng nó trở nên hạn chế.

Cảm biến quang bán dẫn sử dụng các linh kiện như diode, photodiode và phototransistor để phát hiện ánh sáng Khi ánh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn, nó giải phóng các điện tử tự do, tạo ra dòng điện Cảm biến quang nhiệt cũng là một loại cảm biến quan trọng trong lĩnh vực này.

Cảm biến này chuyển đổi quang năng thành nhiệt năng, và nhiệt năng này được phát hiện bởi bộ cảm biến nhiệt, với nhiệt độ tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào Tuy nhiên, loại cảm biến này có độ nhạy thấp và thời gian đáp ứng chậm.

Giới thiệu về mặt bằng căn hộ

- Ngôi nhà được lắp đặt là một ngôi nhà mới được xây dựng

- Căn nhà có tổng cộng 3 phòng gồm phòng khách, phòng ngủ và bếp

- Mạch gồm có 3 cảm biến phục vụ cho 3 phòng trên

Các modun mạch trong hệ thống báo cháy

Ta sẽ thiết kế cho hệ thống này bao gồm các mạch:

- Mạch cảm biến dùng đầu cảm biến nhiệt độ LM35

- Mạch PIC 16F877A dùng làm bộ xử lý trung tâm

3.2.1 Mạch ổn áp 5V Đầu vào dùng nguồn 12V, ở đây ta dùng mạch ổn áp 5V để ổn định diện áp ngõ ra, cấp nguồn cho khối thiết bị điều khiển hoạt động

Hình 3.1 Sơ đồ mạch ổn áp 5V [3]

3.2.2 Mạch PIC – bộ xử lý trung tâm

PIC 16F877A là bộ xử lý trung tâm, nhận tín hiệu báo cháy từ các đầu cảm biến được lắp đặt trong tòa nhà Các tín hiệu này sẽ được truyền qua hệ thống dây dẫn về bộ xử lý để tiến hành xử lý.

Bộ vi xử lý nhận tín hiệu phản hồi từ các khối chức năng để xử lý sự cố Chương trình điều khiển được nạp vào bộ vi xử lý và thực hiện theo thiết lập Khi cần, chương trình hoạt động của hệ thống có thể được thay đổi thông qua chân nạp chương trình tích hợp sẵn trong mạch.

Khối Thạch Anh ta sử dụng loại có tần số dao động 4MHz, khối này có chức năng tạo xung cho PIC hoạt động

Nút Reset : khởi động lại hê thống như ban đầu để hê thống làm việc hiệu quả hơn

Các chân được sử dụng trong PIC:

- Chân MCLR : được nối với một nút bấm để reset lại hê thống chương trình đang hoạt động

- Hai chân OSC1 & OSC2 : nối với bộ dao động tạo xung, giúp chương trình có thể hoạt động, có chức năng như bộ định thời

- Hai chân Vdd: là hai chân nguồn; cấp nguồn 5 VDC cho PIC hoạt động

- Hai chân Vss: là hai chân nối đất của nguồn

Bài viết đề cập đến việc Post B và Post D nhận tín hiệu từ các đầu cảm biến thông qua 15 chân PIC Hệ thống dây dẫn giúp PIC xác định khu vực có cháy và phát tín hiệu báo động theo chương trình điều khiển đã được thiết lập.

Ta dùng các chân RB0 đến RB7 và RD0 đến RD6 trong PIC để nhận các tín hiệu trả về từ các cảm biến

Hệ thống Post C kết nối các chân RC2 đến RC7 với màn hình LCD để hiển thị cảnh báo khi xảy ra cháy trong tòa nhà Khi có sự cố, hệ thống sẽ thông báo rõ ràng về khu vực cháy, giúp nhân viên bảo vệ kịp thời nhận biết và xử lý tình huống.

- Post E sử dụng chân nối với hệ thống nút bấm bằng tay đặt trong tòa nhà

Hệ thống này cung cấp chức năng báo động cháy khẩn cấp, giúp người trong tòa nhà nhanh chóng thông báo khi phát hiện có cháy, ngay cả khi hệ thống cảm biến chưa hoạt động.

Mạch cảm biến được lắp đặt trong các phòng của gia đình, nhận tín hiệu nhiệt độ và truyền về mạch chủ Tại mạch chủ, bộ điều khiển xử lý và so sánh tín hiệu nhiệt độ nhận được với tín hiệu đặt sẵn, từ đó xác định thời điểm xảy ra cháy.

Hình 3.3 Mạch cảm biến LM35 [3]

Nguyên lý làm việc của các khối trong mạch:

Cảm biến nhiệt độ LM35 có khả năng đo nhiệt độ trong khoảng từ 0°C đến 150°C, giúp theo dõi nhiệt độ môi trường một cách chính xác Điện áp đầu ra của LM35 sẽ được đưa vào một bộ so sánh để xử lý thông tin.

- Khối mạch 7474: Ta dùng thêm mạch này để tránh trường hợp khi có cháy phá hỏng đầu cảm biến làm gián đoạn tín hiệu

3.2.4 Mạch báo hiệu a Mạch báo động

Gồm đèn và còi dùng để báo động cho mọi người trong nhà được biết và có các biện pháp xử lý sự cố

Hình 3.4 Mạch báo động [3] b Mạch hiển thị LCD

Hình 3.5 Mạch hiển thị LCD [3]

Mạch hiển thị được đặt tại phòng khách, nơi có thể phát hiện nhanh chóng sự cố trong gia đình

Hiển thị nhiệt độ trong phòng và có tín hiệu cảnh báo người trong gia đình biết được sự cố và sử lý một cách kịp thời

3.2.5 Sơ đồ mạch nguyên lý

Hình 3.6 Sơ đồ mạch nguyên lý Nguyên lý hoạt động của mạch

Khi cảm biến ghi nhận nhiệt độ vượt quá 50°C, nó sẽ gửi một điện áp lớn hơn ngưỡng đến bộ so sánh, kích hoạt bộ so sánh Tại chân số 3 của mạch 7474, tín hiệu vào sẽ dẫn đến sự thay đổi trạng thái ở các chân ngõ ra Những biến đổi này sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu về bộ xử lý trung tâm và các thiết bị báo động trong hệ thống Để khôi phục trạng thái ban đầu cho mạch sau khi xử lý sự cố, chân số 1 của mạch 7474 sẽ được kết nối với nút bấm.

Lưu đồ thuật toán

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán báo cháy tự động

T > 50 o C Đèn, còi Báo động trên LCD

Hiển thị chữ “ AN TOAN” trên LCD

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán báo cháy bằng tay