TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN : TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC

HỆ THỐNG NHÚNG

Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng cảm biến MQ2 và hẹn giờ cho đầu bếp dùng cảm biến chuyển động

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………..

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN………………………………………..

   1.1. Khảo sát và phân tích bài toán……………………………………………

   1.2. Giải pháp thiết kế…………………………………………………….

   1.3. Các yêu cầu………………………………………………………….

   1.4. Giới hạn hạn định…………………………………………………….

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG……………………………

   2.1. Sơ đồ khối…………………………………………………………

   2.2. Sơ đồ Callgraph…………………………………………………………

   2.3. Phân tích chức năng và lựa chọn các khối………………………………

   2.4. Lựa chọn linh kiện………………………………………………………….

    2.4.1. Vi điều khiển PIC 16F877A……………………………………..

    2.4.2. Các linh kiện khác……………………………………………….

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG………………………………………

   3.1. ThiẾT kế phần cứng……………………………………………………..

       3.1.1. Sơ đồ nguyên lý……………………………………………………..

       3.1.2. Sơ đồ mạch in…………………………………………………………

   3.2. Thiết kế phần mềm………………………………………………….

       3.2.1. Lưu đồ thuật toán…………………………………………………….

       3.2.2. Lập trình cho mạch…………………………………………………..

   3.3. Kết quả mô phỏng……………………………………………………

ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN…………………………………………….

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng cho các hệ thống nhúng ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hội như: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động… cho đến những ứng dụng lớn như Robot, phi thuyền không người lái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… Các hệ thống tự động trước đây sử dụng nhiều công nghệ khác nhau như các hệ thống tự động hoạt động bằng nguyên lý khí nén, thủy lực, relay cơ điện, mạch điện tử số, các thiết bị máy móc tự động bằng các cam chốt cơ khí . Các thiết bị, hệ thống này có chức năng xử lý và mức độ tự động thấp so với các hệ thống tự động hiện đại được xây dựng trên nền tảng của các hệ thống nhúng.

Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa học công nghệ của cuộc sống hiện đại, chúng em cũng muốn góp thêm phần phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩn có ích cho cuộc sống.Chúng em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực cho cuộc sống của chúng ta: “Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sử dụng cảm biến MQ2 và hẹn giờ cho đầu bếp dùng cảm biến chuyển động”.

Với ý tưởng trên chúng em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình, tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn. Mạch phát hiện sự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ ra khỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra, đồng thời hẹn giờ để nhắc nhở các đầu bếp tới giờ nấu ăn.

CHUƠNG 1: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN

1.1. Khảo sát và phân tích bài toán

Hiện nay việc phát hiện sự rò rỉ khí ga là vô cùng quan trọng đối với mỗi gia đình, tập thể, công ty bởi nó liên quan trực tiếp đến tính mạng con người, thiết bị máy móc,… Trên thị trường hiện nay đã có một số thiết bị phát hiện rò rỉ khí ga như: Guardsman GS-202. Nhưng ở đây chúng em sử dụng cảm biến MQ2.

1.2. Giải pháp thiết kế.

• Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta dùng modul cảm biến khí gas MQ-2 đặt ở gần chỗ đặt bình ga khoảng 15cm.
• Để phát hiển có người trong phòng bếp ta dùng modul cảm biến chuyển động HC-SR501.
• Để lựa chọn các mốc thời gian khi hẹn giờ báo thức chúng em dùng modul bàn phím 4x4
• Xử lý, điều khiển dùng vi điều khiển Pic: lập trình để Pic nhận tín hiệu vào từ 2 cảm biến trên và bàn phím, tính toán xử lý để đưa ra lệnh báo động hay báo thức nhắc nhở người nấu tới giờ nấu ăn.
• Để hiển thị ta dùng LCD: lấy tín hiệu ra từ Pic để thông báo khi khí gas rò rỉ, báo động, thời gian hẹn giờ….
• Để báo động nhóm em dùng còi hú 12V; dùng rơ le để thực hiện đóng mở còi hú

1.3. Các yêu cầu

• Hệ thống điều phát hiện rò rỉ khí ga và hẹn giờ cho người nấu ăn áp dụng cho phòng bếp của mỗi gia đình.
• Có người đi vào thì bắt đầu hẹn giờ sau một khoảng thời gian nếu chưa thấy đầu bếp nấu ăn sẽ báo thức cho đầu bếp biết.
• Khi phát hiện rò rỉ khí gas báo động cho người dùng biết.
• Hệ thống có 2 chế độ làm việc tự động và bằng tay.
• Làm việc với điện áp 220V/50Hz.
• Có khả năng nâng cấp, cải tiến.

1.4. Giới hạn hạn định

• Làm việc cả ban ngày lẫn ban đêm.

• Nhiệt độ môi trường: trong nhà 10⁰C đến 40⁰C.
• Sử dụng mạng điện lưới gia đình 220V-50Hz

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.1. Sơ đồ khối

• Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
• Khối cảm biến khí ga: phát hiện sự rò rỉ khí ga và phát tín hiệu tới khối vi xử lý
• Khối cảm biến chuyển động: phát hiện có người đi vào bếp
• Khối bàn phím: để người dùng lựa chọn các mốc thời gian để hẹn giờ hoặc tắt hệ thống báo động khi cần thiết
• Khối báo động: báo động cho người dùng biết khi có sự rò rỉ khí ga hay đã hết thời gian hẹn giờ…
• Khối hiển thị: hiển thị các tùy chọn khi ta hẹn giờ, mốc thời gian hẹn giờ, cảnh báo khi có khí ga bằng ký tự trên màn hình….
• Khối xử lý: Dùng VDK pic 16F877A để lấy tín hiệu từ các cảm biến để xử lý, tính toán rồi từ đó phát tín hiệu điều khiển rơ le, màn hình LCD…
  2.2. Sơ đồ Call graph

2.3. Phân tích chức năng và nhiệm vụ các khối

2.3.1Khối nguồn:

          Khối này tạo ra điện áp một chiều từ nguồn adapto 12V-DC với các đầu ra là 5V-DC và 12V-DC để cung cấp cho các linh kiện trong hệ thống

Hình 2.2.1. Khối nguồn

a)    Yêu cầu đối với khối nguồn

• Cấp nguồn đầu ra ổn định +5V, +12V
• Độ nhấp nhô của điện áp đầu ra nhỏ

b)    Chọn linh kiện cho khối nguồn

• IC ổn áp LM2576
• Diot chỉnh lưu 1N4007, Diot xung 1N4148
• Tụ 1 chiều 1000uF-24V, tụ gốm 103
• Cuộn cảm 10uH
• Điện trở thường 4k7Ohm-0.5W
• Đèn led

2.3.2 Khối cảm biến khí gas:

Khối cảm biến khí ga có nhiệm vụ nhận biếtđược sự xuất hiện của khí gas bị rò rỉ và đưa tín hiệu thông báo đến khối xử lý. Khi xảy ra hiện tượng rò rỉ khí ga thì khối này nhận biết được lượng khí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo hay chưa, rồi phát tín các tín hiệu báo về khối xử lý

Hình 2.3.2_1. Khối cảm biến khí gas

a)    Các yêu cầu đối với khối cảm biến khí ga

• Hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường
• Có khả năng nhận biết được lượng khí ga có nồng độ 200PPM(phần triệu) đến 10.000PPM

b)    Chọn linh kiện cho khối cảm biến khí ga

       Sử dụng cảm biến khí ga MQ2

• Tổng quan:
• Điện áp sử dụng: +5V
• AOUT: Đầu ra ADC
• DOUT: Đầu ra Digital (So sánh khi phát hiện khí)
• Tính năng của cảm biến 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 khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy 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 quang MQ2 càng cao.
• MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.
• Sơ đồ chân cảm biến MQ2:

Hình 2.3.2_3 : Sơ đồ chân và ảnh thực của MQ2

• Chân 1,3 là A
• Chân 2,5 là B
• Chân 4,6 là C

c)     Module cảm biến khí gas

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 khi trong môi trường có chất ngây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm này người ta thêm vào mạch đơn gian để biến đổi từ độ nhạy 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 quang MQ2 càng cao.

- MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gây cháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn giản và chi phí thấp.

Trên thị trường có nhiều loại module cảm biến khí gas tích hợp sẵn có cách sử dụng đơn giản và hiệu quả. Trong module có sử dụng cảm biến khí gas MQ2. Khi phát hiện khí gas bị rò rỉ module sẽ xuất tín hiệu ở hai dạng DOUT_dạng số và AOUT_dạng tương tự. Người sử dụng có thể tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn tín hiệu phù hợp.

• Tổng quan về module: Có 2 chân đầu ra là Aout và Dout. Trong đó:
• Điện áp sử dụng: +5V.
• Aout: Điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3 và 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xung quang MQ2.
• Dout: Điện áp ra số, giá trị 0 1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí mà MQ2 đo được.
• Ưu điểm:
• Việc có chân ra số Dout rất tiện để mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1. Đèn Led tắt. Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn led sáng.
• Ta có thể ghép nối vào mạch Realy để điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnh báo khác.
• Nhựơc điểm:
• Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là ta khó có thể quy từ điện áp Aout về giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo theo ppm. Do giá trị điện áp trả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm nữa.
• Trong thiết, để xác định điểm cảnh báo phải thực hiện thủ công. Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1. Cho khí ga từ bật lửa rò rỉ ra. Ta thấy giá trị Aout tăng lên. Khi đạt khoảng cách khí ga từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lại giá trị Vout2. Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớn hơn thiết bị sẽ xuất tín hiệu cảnh báo.

Hình ảnh thực của module cảm biến khí gas:

2.3.3_1: Hình ảnh thực của sản phẩm Module

cảm biến khí gas dùng MQ2.

2.3.3 Khối xử lý trung tâm:

          Khối xử lý có nhiệm vụ điều hành chung hoạt động của tàn bộ hệ thống. Nhân tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu chấp hành cho khối cảnh báo, phát tín hiệu tới màn hình LCD

          Sử dụng VDK Pic 16F877A

2.3.3.1 Mô tả

PIC là viết tắt của “Programable Intelligent Computer”, có thể tạm dịch là “Máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Instrument đặt tên cho vi điều khiển đầu tiên của họ: PIC1650 được thiết kế để dùng làm các thiết bị ngoại vi cho vi điều khiển CP1600. Vi điều khiển này sau đó được nghiên cứu phát triển thêm và từ đó hình thành nên dòng vi điều khiển PIC ngày nay.

2.3.3.2 Sơ đồ chân PIC16F877A

........................................

3.2.2.Khối

3.3. Thiết kế phần mềm

3.3.1. Lưu đồ thuật toán

3.3.2. Lập trình cho mạch

3.3. Kết quả mô phỏng

ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

Hệ thống phát hiện rò rỉ khí gas và hẹn giờ báo thức cho người nấu ăn dành cho các gia đình sử dụng cảm biến khí gas, cảm biến chuyển động và vi xử lý Pic cơ bản đáp ứng được yêu cầu môn học. Hệ thống hoạt động tương đối ổn định và có khả năng nâng cấp cải tiến hoặc dùng cho các mục đích khác : báo động hỏa hoạn, ….Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn những khuyết điểm chưa thể khắc phục được.

          Để hệ thống này ứng dụng được trong thực tiễn thì còn nhiều vấn đề cần giải quyết : chống nhiễu cho Sensor, đảm bảo khả năng đóng cắt nguồn xoay chiều 220V hoặc cao hơn... Nếu giải quyết được những vấn đề này thì khả năng ứng dụng của hệ thống là rất lớn phù hợp với yêu cầu tự động ngày càng cao của đời sống cũng như cảnh báo an toàn hiện nay.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Bài giảng Hệ thống nhúng – Bộ môn Kỹ thuật Máy tính, ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – 2010
• Bài giảng Vi xử lý- Vi điều khiển – Bộ môn Kỹ thuật Máy tính – ĐH Kỹ thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – 2009
• Sơ đồ chân linh kiện - Dương Minh Trí - Nhà xuất bản KH-KT- 09/2005
• Một số tài liệu khác trên mạng:
• dientuvietnam.net
• picvietnam.com
• sites.google.com/site/ktmttn
• picat.dieukhien.net