Tài liệu đồ án chuyên ngành điện tử " HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY "

LỜI CAM ĐOAN -- Chúng tôi xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm chúng tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa. Ngày 20 tháng 1 năm 2014 Sinh viên thực hiện 1 PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Vũ Tất Thành - Nghiên cứu các đề tài liên quan Đề xuất mô hình tổng quan của hệ thống Tìm hiểu về các linh kiện sử dụng trong mạch Tính toán thiết kế mạch Thi công mạch Viết và tối ưu code Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống. Nguyễn Văn Nhẫn - Nghiên cứu về các đề tài liên quan Tìm hiểu về nội dung lý thuyết Thi công mạch Sửa code Kiểm tra và sửa lỗi hệ thống MỤC LỤC Lời cam đoan………………………………………………………………………..1 Phân công nhệm vụ………………………………………………………………….2 2 Mục lục……………………………………………………………………………...3 Các từ viết tắt………………………………………………………………………..5 Mở đầu………………………………………………………………………………6 Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy………………………………………..7 1.1 Quy định chung về hệ thống báo cháy………………………………………….7 1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas)………………………8 1.3 Ý tưởng………………………………………………………………………...10 1.4 Sơ đồ khối……………………………………………………………………...11 1.5 Nguyên lý hoạt động…………………………………………………………...12 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến…………………………………………12 1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm…………………………………..12 1.6 Lưu đồ thuật toán………………………………………………………………13 Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài...………………………...17 2.1 Giới thiệu tổng quan về họ vi xử lý 8051……………………………………...17 2.1.1 Sơ đồ khối của AT89S52…………………………………………….………17 2.1.2 Những đặc trưng của AT89S52……………………………………………...18 2.1.3 Sơ đồ chân và chức năng của AT89S52……………………………………..18 2.2 Màn hình LCD HD44780……………………………………………………...22 2.2.1 Hình dáng và kích thước……………………………………………………..22 2.2.2 Chức năng các chân………………………………………………………….23 2.3 Cảm biến gas MQ-6……………………………………………………………24 2.4 Cảm biến nhiệt LM35………………………………………………………….26 2.5 LM358…………………………………………………………………………28 2.6 PC817 (Opto)…………………………………………………………………..29 2.7 Module thu phát RF……………………………………………………………30 Chương 3: Sơ đồ mạch và tính toán...……………………………….……………..31 3.1 Khối vi xử lý trung tâm………………………………………….……………..31 3.1.1 Ghép quang vi xử lý với module thu RF……………………….………….…31 3.1.2 Điều khiển chuông…………………………………………………………...32 3.1.3 Điều khiển Relay……………………………………………………………..33 3 3.2 Khối cảm biến………………………………………………………………….34 3.2.1 Sơ đồ mạch khuếch đại không đảo…………………………………………..35 3.2.2 Sơ đồ mạch so sánh điện áp………………………………………………….36 3.2.3 Mạch ghép quang với module phát RF………………………………………37 Chương 4: Xây dựng code...……………………………………………………….38 Kết luận và hướng phát triển đề tài………………………………………………...39 Phụ lục……………………………………………………………………………...42 CÁC TỪ VIẾT TẮT AD: Adress CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor GND: Ground ISP: Internet service provider I/O: Input/Output 4 LCD: Liquid-crystal display LEL: Lower Explosive Limit LFL: Lower Flammable Limit MCU: Multipoint control unit MPU: MIDI Processing Unit RAM: Random Access Memory RF: Radio frequency ROM: Read-only memory UFL: Upper Flammable Limit LỜI MỞ ĐẦU Trong cuộc sống hiện đại, việc phòng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm hàng đầu vì quanh ta luôn tồn tại những khu vực dễ cháy, có thể gây thiệt hại nặng nề về người và của. Cho nên việc lắp đặt hệ thống báo cháy và chữa cháy có vai trò rất quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lý kịp thời các đám cháy khi con người chưa thể can thiệp được. 5 Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “Hệ thống cảnh báo và chữa cháy”. Hệ thống sẽ giúp phát hiện các nguy cơ gây cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy hoặc từ sự thay đổi nhiệt độ thông qua các cảm biến, từ đó sẽ có các hướng xử lý như phát chuông cảnh báo hoặc ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy. Để thực hiện nội dung này, đồ án gồm có 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài Chương 3: Sơ đồ mạch và tính toán Chương 4: Xây dựng code Phương pháp nghiên cứu chúng tôi sử dụng xuyên suốt đề tài là xây dựng các lưu đồ thuật toán, tính toán thiết kế mạch, viết code và thi công lắp ráp để kiểm chứng tính đúng đắn của phần thiết kế, code và các lưu đồ thuật toán vừa xây dựng. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Võ Tuấn Minh cùng những kiến thức đã học từ các thầy cô, học hỏi từ bạn bè và tự tìm tòi trên Internet, nhóm chúng tôi đã hoàn thành hệ thống cảnh báo và chữa cháy có vi xử lý giao tiếp RF với module cảm biến cùng 3 chế độ cảnh báo được nhập từ bán phím, tự động ngắt điện và kích hoạt hệ thống chữa cháy khi có cảnh báo nguy hiểm. Chương 1: Tổng quan về hệ thống báo cháy 1.1 Quy định chung về hệ thống báo cháy Việc thiết kế, lắp đặt hệ thống báo cháy tự động phải tuân thủ các yêu cầu, quy định của các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành có liên quan và phải được cơ quan phòng cháy, chữa cháy có thẩm quyền chấp nhận. Hệ thống báo cháy tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau: - Phát tín hiệu cháy nhanh chóng theo chức năng đã được đề ra 6 - Chuyển tín hiệu phát hiện cháy thành tín hiệu báo động rõ ràng để những - người xung quanh có thể thực hiện ngay các biện pháp thích hợp Có khả năng chống nhiễu tốt Báo hiệu nhanh chóng và rõ ràng mọi trường hợp sự cố của hệ thống Không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác được lắp đặt chung hoặc riêng - rẽ Không bị tê liệt một phần hay toàn bộ do cháy gây ra trước khi phát hiện - ra cháy Hệ thống báo cháy tự động phải đảm bảo độ tin cậy. Hệ thống này phải thực hiện đầy đủ các chức năng đã được đề ra mà không xảy ra sai sót Những tác động bên ngoài gây ra sự cố cho một bộ phận của hệ thống không được gây ra những sự cố tiếp theo trong hệ thống. Hệ thống báo cháy tự động bao gồm các bộ phận cơ bản: - Trung tâm báo cháy Đầu báo cháy tự động Hộp nút ấn báo cháy Các bộ phận liên kết Nguồn điện Tùy theo yêu cầu hệ thống báo cháy còn có các bộ phận khác như thiết bị truyền tín hiệu báo cháy, bộ phận kiểm tra thiết bị phòng cháy, chữa cháy tự động... (Nguồn: TCVN 5738:2000) 1.2 Tiêu chuẩn kỹ thuật hệ thống báo cháy (Đối với khí gas) Các chất khí có khả năng cháy nổ cao đều rất nguy hiểm. Trong điều kiện sinh hoạt, làm việc hàng ngày chúng ta thường tiếp xúc với các chất khí hóa lỏng (gas nấu bếp) hoặc các chất dành cho các ngành công nghiệp như Hidro, Axetylene... Bản chất của quá trình cháy là do nguồn nhiên liệu (chất khí gây cháy) rò rỉ và trộn lẫn vào không khí. Khi nồng độ này đến mức vừa đủ trong không khí (có Oxi) thì nó có khả năng phát cháy nhanh, hoặc phát cháy khi có tác động của nguồn nhiệt (tia lửa điện, sức nóng mặt trời...). 7 Nổ là quá trình cháy rất nhanh do đó tạo ra một khoảng áp suất rất lớn trong phạm vi cháy và sẽ phát nổ. Vậy muốn cháy được nhanh phải có các điều kiện cần và đủ là: - Chất gây cháy hoà trộn với tỷ lệ phù hợp trong không khí, hay nói cách khác - với Oxi có sẵn trong không khí Được kích hoạt bởi tia lửa Trong phạm vi hẹp Hình 1.1: Mô phỏng sự lan tỏa của khí rò rỉ Nếu có một điểm rò rỉ nào đó từ các ống dẫn khí, hay bình chứa khí... khí gas sẽ dần lan tỏa ra xung quanh theo mô phỏng như hình trên. Nếu không có tác động của gió, hoặc trọng lượng riêng của khí đó thì có thể nói rằng càng cách xa điểm rò rỉ thì nồng độ khí gas gây cháy càng loãng. Với nguyên tắc cháy, nếu không có không khí thì khí gas sẽ không cháy được. Nồng độ Oxi quá ít hoặc quá nhiều cũng rất khó cháy. Do đó khoảng không gian từ điểm rò rỉ đến điểm mà khí đó có đủ Oxi để cháy vẫn là khoảng cách an toàn. Và, khoảng không gian có quá ít khí gas để cháy cũng rất an toàn. Như vậy, vùng nguy hiểm thực sự sẽ là vùng bên trên ngưỡng có thể phát cháy được (UFL) và bên dưới ngưỡng không thể cháy được (LFL). 8 Một số trường hợp trong kỹ thuật, người ta cần xác định rõ hơn điểm mà chất khí đó có thể phát nổ được. Lúc đó ta thay từ LFL bằng LEL. Tuy nhiên không phải chất khí nào cũng có UFL hay LFL, LEL giống nhau do đặc tính lý hóa học của nó. Qua quá trình phân tích ta phải đưa ra một số thông số chuẩn tại nhiệt độ 25oC và 1atm. Sau đây là ví dụ cho vài loại khí gần với chúng ta khi nhiệt độ tai nơi đặt cảm biến ở mức 47oC hoặc có sự gia tăng nhiệt độ 5 oC/phút trong diện tích 15 – 50 m2 với nhà ở sinh hoạt. (Nguồn: TCVN 5738:2000) Hình 1.2: Ngưỡng UFL và LFL của một số khí phổ biến (Nguồn: http://www.hsevn.com/showthread.php?t=708) 1.3 Ý tưởng Dựa trên các thông số thực tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên, nhóm chúng tôi sử dụng các cảm biến (khí gas, nhiệt độ, khói…) phát hiện sớm những trường 9 hợp có thể gây hỏa hoạn từ các module cảm biến, sau đó truyền tín hiệu bằng sóng radio (RF) về nguy cơ cháy đến khối xử lý trung tâm. Khối này sẽ cảnh báo nguy cơ cháy đến chủ nhà và thực hiện các biện pháp chữa cháy như đã được lập trình sẵn (bật bơm chữa cháy, ngắt cầu dao tổng). 1.4 Sơ đồ khối 10 1.5 Nguyên lý hoạt động 11 1.5.1 Nguyên lý hoạt động khối cảm biến Khi nhiệt độ cao, điện áp ra của cảm biến nhiệt tăng. Điện áp này được đưa qua mạch khuếch đại không đảo, sau đó đưa vào mạch so sánh với áp đã chọn trước đó. Nếu áp này cao hơn áp chuẩn thì đầu ra ở mức cao (khoảng 4V) làm Opto dẫn kích cho mạch phát RF phát kênh 1. Tương tự đối với cảm biến gas. Khi có khí gas, cuộn dây bên trong cảm biến phản ứng với khí gas làm tăng nhiệt độ cuộn dây => trở kháng cuộn dây tăng => áp đầu ra tăng nhanh chóng. Lúc này áp đầu ra của cảm biến được đưa vào mạch khuếch đại không đảo, sau đó đưa vào mạch so sánh với áp đã chọn trước đó. Nếu áp này cao hơn áp chuẩn thì đầu ra ở mức cao (khoảng 4V) làm Opto dẫn kích cho mạch phát RF phát kênh 2. 1.5.2 Nguyên lý hoạt động khối xử lý trung tâm Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto. Nếu có quá nhiệt mạch thu RF nhận được tín hiệu từ kênh 1 làm opto dẫn kích mức cao vào P0.0.MCU khi nhận được tín hiệu từ chân P0.0 lập tức phát tín hiệu cảnh báo lên màn hình và thực hiện các chức năng đã được thiết lập (cắt nguồn điện, bật bơm chữa cháy). Mạch thu RF nhận tín hiệu từ module phát RF đưa vào Opto. Nếu phát hiện rò rỉ gas mạch thu RF nhận được tín hiệu từ kênh 2 làm opto dẫn kích mức cao vào P0.1.MCU khi nhận được tín hiệu từ chân P0.1 lập tức phát tín hiệu cảnh báo lên màn hình và thực hiện các chức năng đã được thiết lập (cắt nguồn điện, bật bơm chữa cháy). 1.6 Lưu đồ thuật toán 12 Hình 1.3: Lưu đồ chương trình chính 13 Hình 1.4: Lưu đồ cảnh báo nhiệt 14 Hình 1.5: Lưu đồ cảnh báo gas 15 Hình 1.6: Lưu đồ cảnh báo nguy hiểm Chương 2: Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài 2.1 Giới thiệu tổng quan về họ vi xử lý 8051 Họ vi điều khiển 8051 là một trong những họ vi điều khiển thông dụng nhất. Đây là họ vi điều khiển được sản xuất theo công nghệ CMOS, có tốc độ cao và công suất thấp, bộ nhớ Flash có thể lập trình được. 16 2.1.1 Sơ đồ khối của AT89S52 Hình 2.1: Sơ đồ khối của AT89S52 2.1.2. Những đặc trưng của AT89S52 - 4 Kbyte bộ nhớ Flash có thể lập trình lặp với 1000 chu kỳ đọc - xoá Hoạt động tĩnh đầy đủ : từ 0 Hz đến 24 MHz Khoá bộ nhớ chương trình ba cấp 128x8 bit RAM nội 32 đường xuất nhập lập trình được Hai timer / counter không bit Một port nối tiếp sang cổng có thể lập trình được Mạch đồng hồ và bộ dao động trên chip 2.1.3 Sơ đồ chân và chức năng của AT89S52 17 Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT89S52 Như vậy theo sơ đồ trên AT89S52 có 40 chân, mỗi chân có chức năng như các đường I/O (xuất/nhập), trong đó 24 chân có công dụng kép, mỗi đường có thể hoạt động như một đường I/O hoặc như đường điều khiển hoặc như thành phần của bus điều khiển và bus dữ liệu. Port 0 (P0.0- P0.7) Port 0 gồm 8 chân, ngoài các chức năng xuất nhập, Port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 - AD7), chức năng này sẽ được sử dụng khi 8051 giao tiếp với các thiết bị ngoài có kiến trúc bus như các vi mạch nhớ, mạch nhớ PIO… Port 1 (P1.0 - P1.7) Port 1 có chức năng xuất nhập theo bit và byte. Ngoài ra, ba chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩn ISP, hai chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2. 18 Port 2 (P2.0 - P2.7) Là một port có công dụng kép, là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết bị đồng bộ nhớ mở rộng. Port 3 (P3.0 - P3.7) Mỗi chân trên Port 3 ngoài chức năng xuất nhập còn có chức năng riêng, cụ thể như sau: Bit Tên Chức năng P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0 P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1 P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/counter 0 P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ counter 1 P3.6 /WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài P3.7 /RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài. Chân /PSEN (Program Store Enable) 19 /PSEN là chân điều khiển đọc chương trình ở bộ nhớ ngoài, nó được nối với chân /OE để cho phép đọc các byte mã lệnh trên ROM ngoài. /PSEN sẽ ở mức thấp trong thời gian đọc mã lệnh. Mã lệnh được đọc từ bộ nhớ ngoài qua bus dữ liệu (Port 0) thanh ghi lệnh để được giải mã. Khi thực hiện chương trình trong ROM nội thì /PSEN ở mức cao. Chân ALE (Address Latch Enable) ALE là tín hiệu điều chỉnh chốt địa chỉ có tần số bằng 1/6 tần số dao động của vi điều khiển. Tín hiệu ALE được dùng để cho phép vi mạch chốt bên ngoài như 74373. 74573 chốt byte địa chỉ thấp ra khỏi bus đa hợp địa chỉ / dữ liệu (Port 0). Chân /EA (External Access) Tín hiệu /EA cho phép chọn bộ nhớ chương trình là bộ nhớ trong hay ngoài vi điều khiển. Nếu EA ở mức cao (nối với Vcc) thì vi điều khiển thực hiện chương trình trong ROM nội. Nếu /EA ở mức thấp (nối với GND) thì vi điều khiển thực hiện chương trình từ bộ nhớ ngoài. RST (Reset) Ngõ vào RST trên chân 9 là ngõ Reset của 8051. Khi tín hiệu này được đưa lên mức cao, các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống. XTAL1, XTAL2 AT89S52 có một bộ dao động trên chíp, nó thường được nối với với bộ dao động bằng thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thông thường là 12MHz. 20