Đề tài Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và khí độc nguy hiểm

i TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- Tp. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Ngọc Lợi MSSV: 14141178 Mai Thị Hòe MSSV: 14141118 Chuyên ngành: Điện tử Công nghiệp Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2014 I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG CẢNH BÁO HỎA HOẠN VÀ KHÍ ĐỘC NGUY HIỂM II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh,) Ba mạch Arduino nano, hai module cảm biến lửa, hai module cảm biến khói MQ-2, hai module cảm biến chất lượng không khí MQ-135, hai cảm biến nhiệt độ LM35, một module Sim900a và ba module thu phát sóng cao tầng nRF24l-01. 2. Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) Thiết kế, xây dựng hệ thông cảnh báo hỏa hoạn và khi độc nguy hiểm gồm hai tram xử lý và một trung tâm xử lý. Trạm sử lý có chức năng đo và kiểm tra các thông sô môi trường và gửi các thông số này cho trung tâm xử lý. Trung tâm ii xử lý sẽ hiển thị các thông số nhận được lên giao diện giám sát và gửi những cảnh báo nếu có sự cố hỏa hoạn hoặc khí độc xảy ra. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/04/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/07/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GV. HÀ A THỒI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iv LỜI CAM ĐOAN Nhóm sinh viên - Trần Ngọc Lợi và Mai Thị Hòe cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân nhóm sinh viên dưới sự hướng dẫn của Giảng viên Hà A Thồi. Kết quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực và không sao chép hoàn toàn từ bất kỳ công trình nào khác. Tp.HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2018 SV thực hiện đồ án (Ký và ghi rõ họ tên) Trần Ngọc Lợi Mai Thị Hòe v LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên cho phép nhóm sinh viên được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Điện – Điện Tử nói riêng, những người đã tận tình hướng dẫn, trang bị cho nhóm sinh viên những kiến thức nền tảng và kiến thức chuyên ngành quan trọng, giúp nhóm nhóm sinh viên có được cơ sở lý thuyết vững vàng và đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất cho nhóm sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn thầy Hà A Thồi đã tận tình giúp đỡ, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số vấn đề để nhóm sinh viên có thể thực hiện tốt đề tài. Trong thời gian làm việc với thầy, nhóm sinh viên đã không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức được chỉ dạy từ thầy, luôn thể hiện một thái độ nghiên cứu nghiêm túc, hiệu quả và đây cũng là điều rất cần thiết trong quá trình học tập và làm việc sau này đối với nhóm sinh viên. Mặc dù đã cố gắng hết sức, xong do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của nhóm nghiên cứu còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, nhóm sinh viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo. Xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2018 Sinh viên thực hiện Trần Ngọc Lợi Mai Thị Hòe vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................... i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .............................. iii LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................v MỤC LỤC. ................................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................... xi DANH MỤC BẢNG .................................................................................xiv TÓM TẮT.................................................................................................. xv Chương 1: TỔNG QUAN ...........................................................................1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................1 1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................1 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...............................................................2 1.4 GIỚI HẠN .........................................................................................2 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI ...............................................................................3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...............................................................5 2.1 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ..................................................................5 2.1.1 Khái niệm ..................................................................................5 2.1.2 Phân loại cảm biến nhiệt ............................................................5 2.1.3 Chi tiết các loại cảm biến nhiệt ..................................................5 2.1.3.1 Cặp nhiệt điện (Thermocouples) ..........................................5 2.1.3.2 Nhiệt điện trở (RTD) ...........................................................7 2.1.3.3 Nhiệt kế (Thermistor) ..........................................................9 2.1.3.4 Nhiệt kế bức xạ (còn gọi là hỏa kế- pyrometer). ................ 12 vii 2.2 CẢM BIẾN LỬA .......................................................................... 13 2.2.1 Khái niệm Lửa ............................................................................ 13 2.2.2 Cảm biến lửa ........................................................................... 13 2.2 CẢM BIẾN KHÓI ......................................................................... 15 2.3.1 Khái niệm Khói ....................................................................... 15 2.3.2 Cảm biến khói và phân loại ..................................................... 15 2.3.2.1 Đầu dò khói ION hóa ......................................................... 16 2.3.2.2 Đầu dò khói quang điện ..................................................... 17 2.4 CẢM BIẾN KHÍ CO2 ................................................................... 17 2.4.1 Khí CO2 .................................................................................. 17 2.4.2 Cảm biến khí CO2 và phân loại ............................................... 18 2.5 ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 PHA ............................................................... 21 2.5.1 Cấu tạo của Động cơ điện 1 pha .............................................. 21 2.5.1.1 Phần tĩnh ........................................................................... 21 2.5.1.2 Phần quay .......................................................................... 22 2.5.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 pha .......................... 22 2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG CAO TẦN (RF) ....................................... 23 2.6.1 Sóng cao tần ( RF ) .................................................................. 23 2.6.2 Bộ thu phát sóng cao tần (RF) ................................................ 25 2.7 ARDUINO .................................................................................... 26 2.7.1 Phần cứng ............................................................................... 27 2.7.2 Phần mềm ............................................................................... 28 2.7.3 Các loại Arduino ..................................................................... 29 2.7.3.1 Arduino uno R3 ................................................................. 29 2.7.3.2 Arduino nano ..................................................................... 30 viii 2.7.3.3 Arduino MEGA2560 R3 .................................................... 31 2.8 CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU NỐI TIẾP UART ........................... 33 2.8.1 Quá trình truyền dữ liệu UART ............................................... 34 2.8.2 Thông số chuẩn truyền UART ................................................. 35 Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .......................... 37 3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ..................................... 37 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG ................... 37 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ................................................... 37 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ...................................................... 39 3.2.2.1 Thiết kế khối phát hiện khói .............................................. 39 3.2.2.2 Thiết kế khối phát hiện lửa ................................................ 41 3.2.2.3 Thiết kế khối đo nhiệt độ ................................................... 44 3.2.2.4 Thiết kế khối phát hiện khí độc .......................................... 47 3.2.2.5 Thiết kế khối phát sóng cao tần (RF) ................................. 49 3.2.2.6 Thiết kế khối thu sóng cao tần ........................................... 53 3.2.2.7 Thiết kế khối báo động ...................................................... 53 3.2.2.8 Thiết kế khối xử lý............................................................. 56 3.2.2.9 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính .................................. 57 3.2.2.10 Thiết kế Trạm xử lý ......................................................... 59 3.2.2.11 Thiết kế Trung tâm xử lý ................................................. 61 3.2.2.12 Thiết kế khối nguồn ......................................................... 62 3.2.2.12.1 Trạm xử lý ................................................................ 62 3.2.2.12.2 Trung tâm xử lý ........................................................ 63 Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ....................................................... 63 4.1 GIỚI THIỆU .................................................................................. 63 ix 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................... 63 4.2.1 Trạm xử lý .............................................................................. 63 4.2.1.1 Thi công phần cứng trạm xử lý .......................................... 63 4.2.1.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch trạm xử lý ............................. 65 4.2.2 Trung tâm xử lý ....................................................................... 66 4.2.2.1 Thi công bo mạch trung tâm xử lý ..................................... 66 4.2.2.2 Lắp ráp và kiểm tra bo mạch trung tâm xử lý ..................... 68 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................ 69 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .............................................................. 70 4.4.1 Trạm xử lý .............................................................................. 70 4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................... 70 4.4.1.2 Lưu đồ chương trình con phân tích dữ liệu ........................ 72 4.4.1.3 Lưu đồ chương trình con hàm khởi tạo .............................. 73 4.4.2 Trung tâm xử lý ....................................................................... 73 4.4.2.1 Lưu đồ giải thuật ............................................................... 73 4.4.2.2 Lưu đồ chương trình con phân tích dữ liệu nhận được ....... 76 4.4.3 Giao diện giám sát ................................................................... 77 4.4.4 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ...................................... 79 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............ 84 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ............................................... 84 4.5.2 Quy trình thao tác .................................................................... 86 Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................... 87 5.1 PHẦN CỨNG ................................................................................ 87 5.1.1 Trạm xử lý .............................................................................. 87 5.1.2 Trung tâm xử lý ....................................................................... 88 x 5.2 GIAO DIỆN PHẦN MỀM ............................................................. 88 5.3 HOẠT ĐỘNG THỰC TẾ .............................................................. 89 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................. 91 6.1 KẾT LUẬN ................................................................................... 91 6.1.1 Ưu điểm .................................................................................. 91 6.1.2 Khuyết điểm ............................................................................ 91 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................... 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 93 PHỤ LỤC.. ................................................................................................ 94 xi DANH MỤC HÌNH HÌNH 2. 1: CẶP NHIỆT ĐIỆN (THERMOCOUPLES). ............................................................................ 6 HÌNH 2. 2: CẤU TẠO CỦA THERMOCOUPLES. ................................................................................... 6 HÌNH 2. 3: ĐỒ THỊ QUAN HỆ ĐIỆN ÁP - NHIỆT ĐỘ CỦA MỘT SỐ CẶP NHIỆT ĐỘ PHỔ BIẾN. .. 7 HÌNH 2. 4: NHIỆT ĐIỆN TRỞ (RTD). ...................................................................................................... 8 HÌNH 2. 5: CẤU TẠO CỦA NHIỆT ĐIỆN TRỞ RTD. ............................................................................. 8 HÌNH 2. 6: ĐỒ THỊ THỂ HIỆN QUAN HỆ ĐIỆN TRỞ - NHIỆT ĐỘ CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LOẠI RTD. ....................................................................................................................................... 9 HÌNH 2. 7: THERMISTORS. ...................................................................................................................... 9 HÌNH 2. 8: QUAN HỆ ĐIỆN TRỞ - NHIỆT ĐỘ CỦA CẢM BIẾN LOẠI THERMISTOR. .................. 10 HÌNH 2. 9: CẤU TẠO BÁN DẪN. ........................................................................................................... 11 HÌNH 2. 10: CẢM BIẾN LM35. ............................................................................................................... 11 HÌNH 2. 11: ĐỒ THỊ QUAN HỆ ĐIỆN ÁP - NHIỆT ĐỘ CỦA BIẾN TRỞ BÁN DẪN LM35. ............ 11 HÌNH 2. 12: NHIỆT KẾ BỨC XẠ. ........................................................................................................... 12 HÌNH 2. 13: CẢM BIẾN LỬA QRA2. ..................................................................................................... 14 HÌNH 2. 14: CẢM BIẾN LỬA QRI2B2. .................................................................................................. 14 HÌNH 2. 15: CẢM BIẾN LỬA 5 KÊNH. .................................................................................................. 14 HÌNH 2. 16: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN LỬA.................................................... 15 HÌNH 2. 17: SƠ ĐỒ MẠCH TỔNG QUÁT CỦA MỘT CẢM BIẾN LỬA CƠ BẢN. ............................ 15 HÌNH 2. 18: CẢM BIẾN KHÓI. ............................................................................................................... 16 HÌNH 2. 19: CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA ĐẦU BÁO KHÓI DẠNG ION HOÁ. ...................................... 16 HÌNH 2. 20: CẤU TẠO CỦA ĐẦU BÁO KHÓI DẠNG QUANG ĐIỆN. .............................................. 17 HÌNH 2. 21: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MH-Z19. .......................................................................................... 18 HÌNH 2. 22: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MG811. ............................................................................................ 19 HÌNH 2. 23: CẢM BIẾN KHÍ CO2 MG511- E360. ................................................................................. 20 HÌNH 2. 24: CẤU TẠO MOTOR ĐIỆN 1 PHA. ...................................................................................... 21 HÌNH 2. 25: SƠ ĐỒ MẠCH TẠO SÓNG CAO TẦN ĐƠN GIẢN. ......................................................... 25 HÌNH 2. 26: SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH THU SÓNG ĐƠN GIẢN. ................................................................ 26 HÌNH 2. 27: ARDUINO UNO R3. ............................................................................................................ 30 HÌNH 2. 28: ARDUINO NANO. .............................................................................................................. 31 HÌNH 2. 29: ARDUINO MEGA2560 R3. ................................................................................................. 32 HÌNH 2. 30: CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA 1 FRAME DỮ LIỆU. ............................................................. 34 HÌNH 3. 1: SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG CẢNH BÁO CHÁY VÀ KHÍ ĐỘC NGUY HIỂM. .................. 38 HÌNH 3. 2: MODULE CẢM BIẾN MQ-2. ............................................................................................... 40 HÌNH 3. 3: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE MQ-2. ................................................................................. 40 HÌNH 3. 4: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN KHÓI. ................................................................ 41 xii HÌNH 3. 5: CẢM BIẾN LỬA FC13. ......................................................................................................... 41 HÌNH 3. 6: CẢM BIẾN BÁO LỬA RFD-3FT-I REZONTECH. ............................................................. 42 HÌNH 3. 7: CẢM BIẾN LỬA.................................................................................................................... 42 HÌNH 3. 8: MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA MODULE FLAME SENSOR. ................................................. 43 HÌNH 3. 9: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN LỬA. ................................................................. 43 HÌNH 3. 10: MODULE CẢM BIẾN DHT11. ........................................................................................... 44 HÌNH 3. 11: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ DS18B20. ............................................................................... 44 HÌNH 3. 12: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ LM35. ........................................................................................... 45 HÌNH 3. 13: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ FAHERNHEIT SỬ DỤNG NGUỒN ĐƠN. ................................. 45 HÌNH 3. 14: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ FAHERNHEIT SỬ DỤNG NGUỒN ĐÔI. .................................. 46 HÌNH 3. 15: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI ĐO NHIỆT ĐỘ. .................................................................... 46 HÌNH 3. 16: MODULE CẢM BIẾN KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHI MQ-135. ................... 47 HÌNH 3. 17: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE CẢM BIẾN MQ 135. ....................................................... 47 HÌNH 3. 18: MẠCH NGUYÊN LÝ CỦA CẢM BIẾN MQ-135. ............................................................. 48 HÌNH 3. 19: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ KHỐI PHÁT HIỆN KHÍ ĐỘC. ....................................................... 48 HÌNH 3. 20: MODULE ZIBEE CORE2530. ............................................................................................ 49 HÌNH 3. 21: MODULE LORA SX1278. .................................................................................................. 49 HÌNH 3. 22: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MODULE NRF-24L01. ....................................................................... 50 HÌNH 3. 23: SƠ ĐỒ PHẦN CỨNG CỦA MODULE NRF-24L01. ......................................................... 50 HÌNH 3. 24: SƠ ĐỒ KẾT NỐI NRF-24L01 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN. ...................................................... 51 HÌNH 3. 25: HÌNH ẢNH THỰC TẾ C