Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas

i BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO, PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS GVHD : Hà A Thồi SVTH1: Trần Minh Tâm MSSV : 15141277 SVTH2: Đỗ Thị Huệ MSSV : 15141168 Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019 ii 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 1 tháng 6 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Minh Tâm MSSV: 15141277 Đỗ Thị Huệ MSSV: 15141168 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO, PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu như sau: - Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt độ, khí gas. - Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theo dõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng. - Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi, gửi tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khí gas trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa. 2. Nội dung thực hiện: - Lên ý tưởng đồ án - Tìm hiểu về linh kiện sử dụng - Thiết kế, thi công khối cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến phát hiện lửa, cảm biến rò rỉ khí gas. - Thiết kế khối giao tiếp ngoại vi, lấy cơ sở dữ liệu trực tuyến thông qua Internet, truyền nhận thông tin giữa trạm phụ và trạm trung tâm. - Vẽ lưu đồ giải thuật. iii - Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo và rò rỉ khí gas - Lắp ráp các khối vào mô hình. - Chạy thử nghiệm hệ thống. - Cân chỉnh hệ thống. - Viết luận văn - Báo cáo đề tài tốt nghiệp III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/06/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Thầy Hà A Thồi CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv 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 28, tháng 02, năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Đỗ Thị Huệ Lớp:15141DT1C MSSV:15141168 Họ tên sinh viên 2: Trần Minh Tâm Lớp:15141DT2A MSSV:15141277 Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 3 (18/2 – 24/2) Gặp GVHD để nghe phổ biến về yêu cầu làm đồ án , tiến hành chọn đồ án GVHD tiến hành xét duyệt đề tài Tuần 4 (25/2 – 3/3) Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Tuần 5 (4/3 – 10/3) Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài: cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiện lửa flame sensor, cảm biến nhiệt độ DHT-22, Arduino Uno R3, động cơ bơm P385, ESP8266 Node MCU, LCD 16X2 Tuần 6 (11/3 – 17/3) Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module, các cảm biến với Arduino ở bộ điều khiển trung tâm Tuần 7 (18/3 – 24/3) Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối ( khối nguồn, khối xử lí, khối hiển thị, khối cảm biến, khối truyền dữ liệu) Tuần 8 (25/3 – 31/3) Tính toán thiết kế khối nguồn, thiết kế sơ đồ toàn mạch và giải thích nguyên lý hoạt động của mạch Tuần 9 (1/4 – 7/4) Vẽ PCB Vẽ lưu đồ giải thuật v Tuần 10 (8/4 – 14/4) Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch Tuần 11 (15/4 – 21/4) Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch Tuần 12 (22/4 – 28/4) Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công mạch Tuần 13 (29/4 – 5/5) Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công Viết báo cáo nội dung đã làm Tuần 14 (6/5 – 12/5) Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo Tuần 15 (13/5 – 19/5) Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài. Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) vi LỜI CAM ĐOAN Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huệ và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi. Nhóm chỉ tham khảo các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả công bố trong khóa luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019 SV thực hiện đồ án ( Ký và ghi rõ họ tên) Trần Minh Tâm Đỗ Thị Huệ vii LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đồ án xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt đến giảng viên hướng dẫn thầy Hà A Thồi vì đã giúp đỡ nhóm trong quá trình thực hiện đồ án, người đã đưa ra hướng nghiên cứu, giải đáp thắc mắc, cũng như tận tình quan sát nhóm làm việc. Trong quá trình thực hiện nhóm đã tiếp thu được những kiến thức thực tế và cách làm việc nghiêm túc, hiệu quả từ thầy. Nhóm em xin gửi lời tri ân thành nhất đến các quý thầy cô trong khoa Điện - điện tử đã hỗ trợ chúng em về những kiến thức nền tảng vững vàng, tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Sự hỗ trợ thầm lặng và vô cùng quan trọng từ gia đình và bạn bè luôn là động lực để nhóm có thể làm việc hết khả năng và hoàn thành đồ án một cách tốt nhất. Một lần nữa nhóm vô cùng hân hạnh khi được làm sinh viên tại trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, là học trò của những giảng viên đầy tâm huyết, lời cảm ơn này cũng là sự ghi nhận sâu sắc mà nhóm muốn gửi đến thầy cô, gia đình và bạn bè. viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .......................................................................... ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................... iv LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... vi LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... vii MỤC LỤC ............................................................................................................... viii DANH SÁCH HÌNH ẢNH ...................................................................................... xii DANH SÁCH BẢNG VẼ ......................................................................................... xv TÓM TẮT ............................................................................................................... xvi 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 ............................................................................................................ 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 4 2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP ..................... 4 2.1.1 Khái niệm ................................................................................................... 4 2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp .................................................... 4 2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm ...................................................... 4 2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng ........................................................ 4 2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt ........................................................ 6 2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas ....................................................... 7 2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ....................................................... 7 2.2.1 Khái niệm ................................................................................................... 7 2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ ....................................................................... 8 2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN .......................................................................... 8 2.3.1 Khái niệm ................................................................................................... 8 2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện ....................................................................... 9 2.3.3 Ứng dụng .................................................................................................... 9 2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM ............................................................. 9 2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG ....................................... 11 2.5.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 12 2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển .................................................... 12 2.5.1.2 Tập lệnh AT ...................................................................................... 12 ix 2.6 BỘ THU PHÁT SÓNG VÔ TUYẾN (RF) ................................................... 13 2.6.1 Sóng vô tuyến ( RF ) ................................................................................ 13 2.6.2 Bộ thu phát sóng vô tuyến (RF) ............................................................... 15 2.7 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT SÓNG RF ............................................. 17 2.7.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................ 17 2.7.2 Giao tiếp SPI với vi điều khiển ................................................................ 18 2.8 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG INTERNET ......................................................... 18 2.8.1 Cấu trúc của mạng Internet ...................................................................... 18 2.8.2 Các mạng truy nhập không dây ................................................................ 18 2.9 CÁC LOẠI MODULE THU PHÁT WIFI ..................................................... 19 2.10 NGUỒN CUNG CẤP ................................................................................... 20 2.10.1 Bộ chuyển đổi nguồn AC – DC ............................................................. 20 2.10.1.1 Bộ chuyển đổi Adapter ................................................................... 20 2.10.1.2 Nguồn tổ ong ................................................................................... 21 2.10.2 Bộ chuyển đổi nguồn DC- DC ............................................................... 22 2.10.2.1 Mạch tăng áp BOOST ..................................................................... 22 2.10.2.2 Mạch hạ áp BUCK .......................................................................... 24 2.11 ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU ................................................................ 25 2.11.1 Động cơ điện 1 pha ................................................................................ 25 2.11.2 Động cơ điện 3 pha ................................................................................ 26 2.12 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO ................................................. 26 2.12.1 Phần cứng ............................................................................................... 26 2.12.2 Phần mềm ............................................................................................... 27 2.12.3 Các loại Arduino .................................................................................... 28 2.12.3.1 Arduino Uno R3 .............................................................................. 28 2.12.3.2 Arduino Nano .................................................................................. 29 2.12.3.3 Arduino Mega 2560 R3 ................................................................... 30 2.13 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ............................................................. 31 2.13.1 Giao tiếp SPI .......................................................................................... 31 2.13.2 Giao tiếp UART ..................................................................................... 32 2.13.3 Giao tiếp I2C .......................................................................................... 33 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................ 38 3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ..................................................... 38 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG .................................. 38 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 38 3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch ....................................................................... 40 x 3.2.1.1 Cảm biến khí gas ............................................................................... 40 3.2.1.2 Cảm biến lửa ..................................................................................... 42 3.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ ............................................................................. 43 3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 ............................................................. 45 3.2.1.5 Chuông báo động .............................................................................. 46 3.2.1.6 Khối hiển thị ...................................................................................... 46 3.2.1.7 Module Wifi ESP8266 ...................................................................... 48 3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ ........................................................ 50 3.2.1.9 Module SIM 800A MINI .................................................................. 51 3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino ......................................................... 52 3.2.1.11 Khối nguồn ...................................................................................... 54 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống .................................................................. 55 3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu ........................................ 55 3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm ............................................... 57 3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm ........................................................ 58 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................ 60 4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................... 60 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................ 60 4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liệu ................................................................. 60 4.2.2 Khối xử lý trung tâm ................................................................................ 62 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................ 64 4.3.1 Thi công hộp bảo vệ mạch ....................................................................... 64 4.3.2 Thi công mô hình ..................................................................................... 64 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ............................................................................... 64 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ...................................................................................... 64 4.4.1.1 Khối thu thập dữ liệu ......................................................................... 64 4.4.1.2 Khối xử lý trung tâm ......................................................................... 69 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển...................................................... 69 4.4.2.1 Giới thiệu phần mềm lập trình .......................................................... 69 4.4.2.2 Giới thiệu về Web Thingspeak ......................................................... 73 4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC ................................ 75 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................... 76 5.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................... 76 5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.................................................................................. 76 5.2.1 Sử dụng Arduino Nano ............................................................................ 76 5.2.3 Sử dụng module NRF24L01 .................................................................... 76 xi 5.2.4 Đưa thông tin lên Web Thingspeak ......................................................... 77 5.2.5 Sử dụng module SIM 800A gọi và nhắn tin ............................................ 77 5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................................... 77 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 81 6.1 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 81 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 83 xii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Chương 2 Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ .................................................................... 7 Hình 2. 2: Tia lửa điện ................................................................................................ 8 Hình 2. 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động ........................................................... 10 Hình 2. 4: Module SIM 800A mini ........................................................................... 11 Hình 2. 5: Module SIM 800l ..................................................................................... 11 Hình 2. 6: Module SIM 900A ................................................................................... 11 Hình 2. 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino. ................................ 12 Hình 2. 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản ........................................................... 16 Hình 2. 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản ................................................................. 16 Hình 2. 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 ....................................... 17 Hình 2. 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+.....................................