Thiết bị phát hiện rò rỉ khí gas, khí độc | Môn Kỹ thuật vi xử lý - Đại học Bách Khoa Hà Nội

lOMoAR cPSD| 61554836
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO B ÀI TẬP LỚN
KỸ THUẬT VI XỬ LÝ
Đề tài: Thiết bị phát hiện rò rỉ khí gas, khí độc
Nhóm 15 - Lớp 152458
Gi ả ng viên hư ớ ng d ẫ n: TS. HÀN HUY DŨNG Sinh viên th
ự c hi ệ n: Ph ạ m Đ ứ c Minh 20224446 Hà Tu ấ n Kh ả i 20224422 Nguy ễ n Công Bách 20224417
Hà Nội, tháng 1 năm 202 5 lOMoAR cPSD| 61554836 MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 3 I.
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 4
1. Giới thiệu đề tài ................................................................................................... 4
2. Quy trình thiết kế ................................................................................................. 5
3. Mục tiêu thiết kế .................................................................................................. 5 II.
ĐẶT VẤN ĐỀ - TÌM HIỂU NHU CẦU ....................................................... 7
1. Cơ sở lý thuyết ..................................................................................................... 7
2. Xác định nhu cầu ................................................................................................. 8
III. CHỈ TIÊU KỸ THUẬT ................................................................................ 10
1. Chỉ tiêu chức năng ............................................................................................. 10
2. Chỉ tiêu phi chức năng ....................................................................................... 10 IV.
TRIỂN KHAI DỰ ÁN.................................................................................. 12 V.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ......................................................................... 15
1. Sơ đồ khối hệ thống ........................................................................................... 15
2. Tổng quan các khối ........................................................................................... 15 VI.
PHÂN TÍCH CÁC KHỐI HỆ THỐNG ....................................................... 16
1. Khối cảm biến .................................................................................................... 16
2. Khối chuyển đổi dữ liệu (ADC) ........................................................................ 18
3. Khối xử lý .......................................................................................................... 20
4. Khối hiển thị ...................................................................................................... 25
5. Khối cảnh báo .................................................................................................... 26
6. Khối lưu trữ ....................................................................................................... 27
VII. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................................................... 29
1. Cấu trúc một project trong Keil C IDE của vi điều khiển 8051 ........................ 29
2. Xây dựng chương trình ...................................................................................... 29
3. Thiết kế mạch nguyên lý ................................................................................... 32
4. Thiết kế mạch in PCB........................................................................................ 32
VIII. KIỂM THỬ VÀ HOÀN THIỆN .................................................................. 33 lOMoAR cPSD| 61554836
1. Tổng quan .......................................................................................................... 33
2. Kiểm thử các linh kiện – khối chức năng .......................................................... 33
3. Kiểm thử hệ thống trên mạch thử nghiệm ......................................................... 37
4. Kiểm tra mạch in PCB ....................................................................................... 39 IX.
GIA CÔNG MẪU PHẨM VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................ 40
1. Đóng gói sản phẩm ............................................................................................ 40
2. Đánh giá tổng kết ............................................................................................... 40 X.
ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................................... 43 XI.
KẾT LUẬN .................................................................................................. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO
....................................................................................... 45 lOMoAR cPSD| 61554836 LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, vấn đề an toàn trong đời sống và sản xuất ngày càng được đặt lên hàng đầu,
đặc biệt là các nguy cơ liên quan đến rò rỉ khí gas và khí độc. Những sự cố này không
chỉ gây thiệt hại nặng nề về tài sản mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và
tính mạng con người. Do đó, việc phát hiện sớm các loại khí nguy hiểm đóng vai trò vô
cùng quan trọng, giúp giảm thiểu rủi ro và bảo vệ môi trường sống.
Nhận thấy tầm quan trọng của vấn đề, nhóm chúng em đã lựa chọn đề tài “Thiết bị phát
hiện rò rỉ khí gas, khí độc”. Dự án nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một thiết bị có
khả năng giám sát, cảnh báo sớm khi phát hiện các loại khí nguy hiểm vượt ngưỡng an
toàn, hướng đến việc tích hợp công nghệ nhúng và IoT để ứng dụng trong đời sống thực tiễn.
Nhóm chúng em cảm thấy hứng thú với đề tài này bởi các lý do sau:
1. Tính cấp thiết và ứng dụng thực tiễn cao: Rò rỉ khí gas và khí độc là một trong
những nguyên nhân chính gây ra các tai nạn nghiêm trọng trong gia đình và công
nghiệp. Việc nghiên cứu và phát triển thiết bị phát hiện có thể giúp giảm thiểu
đáng kể những rủi ro này.
2. Đóng góp vào an toàn cộng đồng: Thiết bị này có thể ứng dụng rộng rãi trong
nhiều môi trường, từ gia đình, nhà máy đến các không gian công cộng, nhằm
nâng cao mức độ an toàn cho xã hội.
3. Khả năng phát triển dự án: Trong tương lai, nhóm có mục tiêu phát triển đề tài
theo định hướng công nghệ nhúng và IoT, với việc tích hợp hệ thống truyền dữ
liệu thời gian thực để không chỉ nâng cao khả năng phát hiện mà còn tăng cường
tính thông minh, cho phép người dùng nhận cảnh báo qua điện thoại hoặc các
thiết bị thông minh khác.
Để thực hiện đề tài này, nhóm chúng em đã tập trung tìm hiểu các loại cảm biến khí,
thiết kế và xây dựng hệ thống phù hợp. Dự án không chỉ mang ý nghĩa nghiên cứu, thực
hành mà còn giúp nhóm phát triển kỹ năng làm việc nhóm, giải quyết vấn đề và sáng
tạo trong việc tích hợp các công nghệ hiện đại.
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn - Tiến sĩ Hàn
Huy Dũng đã nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp những định hướng cần thiết và hỗ trợ
nhóm trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm, dự án này không tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung từ thầy cô và các bạn để hoàn thiện
hơn trong tương lai. Chúng em xin chân thành cảm ơn!
I. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1. Giới thiệu đề tài lOMoAR cPSD| 61554836
Trong bối cảnh an toàn khí gas và khí độc ngày càng trở thành vấn đề được quan
tâm, hệ thống phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas (LPG) và khí carbon monoxide
(CO) được phát triển nhằm mục tiêu bảo vệ sức khỏe và tính mạng con người. Hệ
thống này là sự kết hợp giữa các cảm biến khí hiện đại, vi điều khiển, và các thành
phần ngoại vi, mang lại khả năng phát hiện và cảnh báo nhanh chóng, chính xác.
Hệ thống sử dụng hai cảm biến chính: cảm biến khí MQ6 và MQ7. Cảm biến MQ6
được thiết kế đặc biệt để phát hiện khí gas hóa lỏng (LPG), trong khi cảm biến
MQ7 chuyên dùng để phát hiện khí CO. Cả hai cảm biến hoạt động dựa trên
nguyên lý thay đổi điện trở khi tiếp xúc với nồng độ khí mục tiêu. Tín hiệu này sẽ
được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tương ứng với nồng độ khí trong môi trường.
Tuy nhiên, tín hiệu từ cảm biến cần được xử lý trước khi truyền đến vi điều khiển.
Để giải quyết vấn đề này, hệ thống sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang
số (ADC) ADS1115, giúp chuyển đổi đại tín hiệu từ cảm biến với độ phân giải
cao. ADS1115 có khả năng xử lý tín hiệu chính xác, đảm bảo vi điều khiển nhận
được thông tin đầy đủ và đáng tin cậy.
Vi điều khiển AT89S52, thuộc họ vi điều khiển 8051, đóng vai trò trung tâm trong
hệ thống. Nó thực hiện nhiệm vụ nhận tín hiệu từ ADS1115 và xử lý dữ liệu để
xác định nồng độ khí gas và khí CO. Sau khi xử lý, vi điều khiển so sánh nồng độ
khí đo được với các ngưỡng an toàn đã được lập trình trước. Nếu nồng độ vượt
quá mức an toàn, hệ thống sẽ ngay lập tức kích hoạt cảnh báo.
Kết quả đo được và trạng thái cảnh báo được hiển thị trên màn hình LCD. Màn
hình LCD cung cấp thông tin trực quan về nồng độ khí LPG và CO trong không
khí, giúp người dùng dễ dàng nhận biết và có biện pháp xử lý kịp thời. Ngoài ra,
hệ thống có thể tích hợp thêm còi báo động hoặc đèn LED để tăng cường hiệu quả
cảnh báo trong các tình huống nguy cấp.
Toàn bộ quá trình phát hiện, xử lý và cảnh báo diễn ra trong thời gian thực, đảm
bảo hệ thống hoạt động hiệu quả ngay cả trong các môi trường đòi hỏi tính chính
xác và độ tin cậy cao. Hệ thống có thể được ứng dụng trong các hộ gia đình, nhà
hàng, hoặc những nơi có nguy cơ cao liên quan đến khí gas và khí độc.
Nhờ sự kết hợp giữa các thành phần như cảm biến MQ6, MQ7, bộ ADS1115, vi
điều khiển AT89S52 và màn hình LCD, hệ thống không chỉ đơn thuần phát hiện
và cảnh báo mà còn giúp nâng cao nhận thức và đảm bảo an toàn cho người sử
dụng. Đây là một giải pháp hữu ích và cần thiết trong bối cảnh an toàn khí gas và
khí CO đang ngày càng được chú trọng. lOMoAR cPSD| 61554836
2. Quy trình thiết kế
Tuân thủ theo mô hình 9 bước phát triển sản phẩm để lập kế hoạch thực hiện đề
tài và đảm bảo chất lượng đầu ra của sản phẩm. Báo cáo kĩ thuật nãy sẽ được
cấu trúc theo 9 bước thiết kế này.
Bước 1 Xác định nhu cầu
Xác định các vấn đề cần phải giải quyết, (Determine needs)
tìm hiểu các nhu cầu tiềm năng từ người dùng.
Bước 2 Đặt ra chỉ tiêu kỹ thuật
Xác định các chỉ tiêu chức năng và phi (Create Specification)
chức năng để làm cơ sở thiết kế và phát triển sản phẩm.
Bước 3 Lập kế hoạch phát triển
Lập kế hoạch về thời gian, nhiệm vụ, (Development) ngân sách.
Bước 4 Thiết kế khối tổng thể
Phân chia sản phẩm thành các khối chức (Perform block design) năng.
Bước 5 Thiết kế từng khối
Đi sâu vào chi tiết từng khối chức năng, (Design each block)
đảm bảo mỗi khối đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Bước 6 Chọn giải pháp tối ưu
So sánh các phương án thiết kế và chọn
(Select best alternatives) giải pháp tối ưu dựa trên hiệu suất, chi phí, và độ bền.
Bước 7 Kiểm tra và thử nghiệm
Đảm bảo sản phẩm hoạt động ổn định và (Test)
đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
Bước 8 Gia công (Manufacture) Gia công thiết bị, đảm bảo đáp ứng chỉ tiêu đề ra.
Bước 9 Lưu hành (Deliver) Lưu hành sản phẩm.
Bảng 1.1: Quy trình thiết kế 9 bước
3. Mục tiêu thiết kế
Dự án được định hướng theo các tiêu chí SMART - là một phương pháp hiệu
quả để đặt mục tiêu trong quá trình phát triển sản phẩm, bao gồm các tiêu chí
giúp xác định và đo lường mục tiêu cụ thể trong lĩnh vực phát triển sản phẩm điện tử:
a. Specific (Cụ thể): Mục tiêu cần phải rõ ràng, dễ hiểu, không mơ hồ.
• Xác định chính xác mục tiêu của sản phẩm, chẳng hạn:
▪ Thiết bị có khả năng phát hiện chính xác sự rò rỉ khí gas và khí CO.
▪ Thiết bị có khả năng đưa ra cảnh báo trực quan và âm thanh.
▪ Hỗ trợ các cảm biến cụ thể (ví dụ: MQ6 cho LPG, MQ7 cho CO).
• Đặt ra các chỉ tiêu thiết kế (Chỉ tiêu chức năng – phi chức năng). lOMoAR cPSD| 61554836
b. Measurable (Đo lường được): Mục tiêu cần có tiêu chí để đo lường hiệu quả.
• Đưa ra các tiêu chí và thông số kỹ thuật cụ thể. Ví dụ: ▪ Độ chính xác
của cảm biến khí và của ADC.
▪ Phản hồi cảnh báo dưới 2 giây khi nồng độ khí vượt ngưỡng. ▪ …
• Thực hiện đo kiểm sản phẩm kỹ lưỡng.
c. Achieveble (Khả thi): Mục tiêu phải phù hợp với nguồn lực (kiến thức, thời gian, tài chính).
• Xây dựng ngân sách hợp lý.
• Lựa chọn phương án phù hợp với trình độ kỹ thuật của các thành viên.
• Lựa chọn các loại linh kiện, thiết bị chất lượng nhất có thể.
d. Relevant (Thực tế): Mục tiêu phải gắn liền với nhu cầu sử dụng.
• Rò rỉ khí gas và khí CO là vấn đề phổ biến, gây nguy hiểm lớn, do đó
thiết bị này đáp ứng nhu cầu an toàn cho người dùng.
• Thiết bị nhắm đến các thị trường sử dụng khí gas rộng rãi, như gia đình hoặc nhà hàng.
e. Time – bound (Có thời hạn): Mục tiêu cần đặt ra một thời hạn rõ ràng để hoàn thành.
• Thiết lập chi tiết và rõ rang kế hoạch thực hiện, đặt các khung thời gian
cụ thể cho các khâu thiết kế.
• Phân công nhiệm vụ cụ thể tới từng thành viên nhóm để đảm bảo tiến độ đã đề ra.
II. ĐẶT VẤN ĐỀ - TÌM HIỂU NHU CẦU
1. Cơ sở lý thuyết
a. Tính chất các chất khí độc
• Khí gas LPG là hỗn hợp các hydrocarbon, chủ yếu là propane (C₃H₈)
và butane (C₄H₁₀). Ở nhiệt độ và áp suất bình thường, LPG là chất khí;
khi nén dưới áp suất cao, nó chuyển thành chất lỏng để dễ dàng lưu trữ
và vận chuyển. LPG không màu, không mùi nên để dễ nhận biết khi rò
rỉ, người ta thêm chất tạo mùi (thường là ethyl mercaptan) có mùi đặc
trưng. LPG nặng hơn không khí, do đó khi rò rỉ, nó có xu hướng lắng
xuống các khu vực thấp. lOMoAR cPSD| 61554836
Hình 2.1: Khí gas LPG
• Khí CO là chất khí ở nhiệt độ và áp suất thường, không màu, không
mùi, không vị, khiến việc phát hiện bằng giác quan trở nên khó khăn.
CO nhẹ hơn không khí, có khả năng khuếch tán nhanh trong môi trường. Hình 2.2: Khí CO
b. Tác hại sinh lý và nguy cơ tiềm ẩn
• LPG là chất dễ cháy; khi rò rỉ và tiếp xúc với nguồn lửa, nó có thể gây
cháy nổ nghiêm trọng. Ở nồng độ cao, LPG có thể thay thế oxy trong
không khí, gây ngạt thở.
• CO có độc tính cao, khi liên kết với hemoglobin trong máu, ngăn cản
việc vận chuyển oxy, dẫn đến ngộ độc và có thể gây tử vong. Triệu
chứng ngộ độc: Đau đầu, chóng mặt, buồn nôn, mệt mỏi; ở mức độ
nghiêm trọng hơn có thể gây mất ý thức và tử vong.
c. Phát hiện trong tự nhiên • LPG:
▪ Nhận biết bằng mùi: Nhờ chất tạo mùi được thêm vào, khi rò rỉ,
LPG có thể được phát hiện qua mùi đặc trưng.
▪ Tích tụ ở khu vực thấp: Do nặng hơn không khí, LPG thường lắng
đọng ở các khu vực thấp, như tầng hầm hoặc sàn nhà. • CO:
▪ Khó nhận biết bằng giác quan: Do không màu, không mùi, CO rất
khó phát hiện mà không có thiết bị chuyên dụng. lOMoAR cPSD| 61554836
▪ Nguồn phát sinh: CO thường sinh ra từ quá trình đốt cháy không
hoàn toàn của các nhiên liệu như than, gỗ, xăng, dầu. 2. Xác định nhu cầu
Trả lời cho bộ câu hỏi 5W1H a. What:
• Sản phẩm này sẽ giải quyết vấn đề gì?
 Phát hiện và cảnh báo rò rỉ khí gas (LPG) và khí độc (CO) để đảm
bảo an toàn cho con người và tài sản.
• Những tính năng quan trọng của sản phẩm là gì?
 Phát hiện khí rò rỉ, hiển thị nồng độ khí trên màn hình, cảnh báo
âm thanh hoặc tín hiệu đèn, có thể kết nối với hệ thống nhà thông minh.
• Người dùng mong muốn điều gì từ sản phẩm?
 Dễ sử dụng, chi phí hợp lý, cảnh báo nhanh và chính xác. b. Who:
• Ai là đối tượng người dùng chính của sản phẩm?
 Các hộ gia đình, nhà hàng, quán ăn, xưởng sản xuất, hoặc doanh
nghiệp sử dụng khí gas/LPG.
• Ai có nguy cơ cao gặp vấn đề liên quan đến rò rỉ khí gas hoặc khí CO?
 Người già, trẻ em, công nhân làm việc trong môi trường kín, hoặc
những người sống trong khu vực thường xuyên sử dụng khí gas. c. Why:
• Tại sao người dùng cần sản phẩm này?
 Vì rò rỉ khí gas và khí CO có thể gây nguy cơ cháy nổ, ngộ độc
khí hoặc thậm chí tử vong nếu không phát hiện kịp thời.
• Tại sao thị trường hiện nay lại là thời điểm phù hợp để phát triển sản phẩm này?
 Vì nhu cầu nâng cao an toàn trong các hộ gia đình và doanh
nghiệp ngày càng tăng, trong khi số lượng tai nạn do rò rỉ khí gas vẫn còn cao d. Where:
• Người dùng gặp vấn đề rò rỉ khí gas ở đâu nhiều nhất?
 Các khu vực đông dân cư, nơi sử dụng nhiều thiết bị gas như bếp
hoặc lò đốt, và các nhà xưởng có thông gió
• Sản phẩm này sẽ được sử dụng ở đâu?
 Trong nhà bếp, nhà hàng, quán ăn, xưởng sản xuất, hoặc bất kỳ
nơi nào có sử dụng khí gas hoặc có nguy cơ rò rỉ khí CO. e. When:
• Khi nào thị trường cần sản phẩm này nhất? lOMoAR cPSD| 61554836
 Khi tình trạng rò rỉ khí gas gây nguy hiểm gia tăng hoặc khi có
nhu cầu nâng cao an toàn trong nhà và nơi làm việc.
• Khi nào người dùng có khả năng sử dụng sản phẩm?
 Trong quá trình nấu ăn, vận hành máy móc hoặc làm việc ở những
môi trường dễ phát sinh khí độc/rò rỉ khí gas. f. How:
• Sản phẩm sẽ được thiết kế và vận hành như thế nào?
 Thiết bị sử dụng cảm biến khí MQ6 và MQ7 để phát hiện khí,
ADC ADS1115 để chuyển đổi tín hiệu, vi điều khiển 8051 xử lý
dữ liệu, và màn hình LCD hiển thị nồng độ khí.
• Sản phẩm sẽ giúp người dùng an toàn như thế nào?
 Phát hiện rò rỉ sớm, phát âm thanh và đèn cảnh báo để kịp thời xử
lý trước khi xảy ra nguy cơ.
III. CHỈ TIÊU KỸ THUẬT
Các chỉ tiêu đặt ra yêu cầu thiết bị phải đáp ứng, đồng thời là kết quả cần đạt
được trong quá trình kiểm thử sản phẩm.
1. Chỉ tiêu chức năng a. Cảm biến khí
• Hệ thống có khả năng nhận biết nồng độ khí gas và khí CO trong không
khí thông qua cảm biến khí gas và khí CO.
• Vi xử lý, thông qua ADC chuyển đổi giá trị điện áp từ cảm biến sang
giá trị raw digital (0 - 32768). ADC sẽ giao tiếp thông qua giao thức
I2C để truyền giá trị raw này về vi điều khiển, rồi vi điều khiển sẽ xử
lý để chuyển giá trị raw sang điện áp, rồi từ điện áp sang nồng độ khí trong không khí (PPM).
b. Hiển thị và điều khiển
• Hệ thống hiển thị nồng độ khí gas và khí CO trong không khí trên màn
hình LCD. Màn hình cần có kích thước đủ lớn và đèn nền để đảm bảo
người dùng có thể nhìn các thông số một cách dễ dàng.
• Hệ thống có các nút bấm để người dùng chuyển chế độ và thay đổi mức
cảnh báo của từng loại khí.
c. Lưu trữ mức cảnh báo
• Hệ thống cần phải lưu trữ mức cảnh báo mặc định hoặc do người dùng
đặt trong bộ nhớ tĩnh, dữ liệu không bị mất đi khi ngắt điện. d. Tần số phản hồi
• Hệ thống đọc các cảm biến và xuất kết quả ra màn hình mỗi 50ms.
• Hệ thống cung cấp phản hổi nhanh chóng, thời gian đo đạc, xuất kết
quả ra màn hình và bật cảnh báo không quá 500ms. e. Âm thanh cảnh báo
• Âm thành cảnh báo từ còi đạt 85 dB. lOMoAR cPSD| 61554836
2. Chỉ tiêu phi chức năng
a. Tính ổn định và độ bền
• Hệ thống cần hoạt động ổn định trong các điều kiện môi trường
khác nhau, bao gồm nhiệt độ dao động từ -20°C đến 70°C và độ ẩm từ 20% đến 85%.
• Các cảm biến và các linh kiện cần có độ bền cao để đảm bảo hiệu
suất nhận diện màu sắc không suy giảm trong suốt thời gian vận hành. b. Hình thức
• Sản phẩm được thiết kế gọn gàng, tiết kiệm diện tích.
• Vị trí nút bấm chuyển chế độ đươc sắp xếp logic c. Chí phí
• Các linh kiện được chọn lựa với chi phi hợp lý nhưng vẫn đảm bảo
đầy đủ chức năng. Lựa chọn những linh kiện phổ biến, cơ bản
nhằm dễ dàng thay thế, sửa chữa khi hỏng hóc d. An toàn
• Đảm bảo an toàn về điện để không gây nguy hiểm cho người dùng,
đặc biệt trong các ứng dụng tiếp xúc trực tiếp. lOMoAR cPSD| 61554836
IV. TRIỂN KHAI DỰ ÁN
NGƯỜI NGÀY NGÀY STT
TIÊU ĐỀ CÔNG VIỆC PHỤ BẮT ĐẾN TRÁCH ĐẦU HẠN 1
Lên ý tưởng và thiết lập dự án
1.1 Tìm hiểu các đề tài Bách, Minh 04/10 14/10 1.2 Lựa chọn đề tài Cả nhóm 14/10 14/10 Họp nhóm lần 1:14/10
- Thống nhất chọn đề tài.
- Phân công nhiệm vụ cho các thành viên nhóm
- Triển khai: Đặt ra chỉ tiêu, lựa chọn linh kiện, mô phỏng trên phần mềm Proteus.
1.3 Tìm hiểu lý thuyết cơ bản: Về các loại khí độc Minh 19/10 28/10
1.4 Lập các chỉ tiêu (Chức năng - Phi chức năng) Minh, Khải 03/11 06/11 2 Thiết kế sơ bộ 2.1 Vẽ sơ đồ khối Bách, Minh 07/11 16/11
2.2 Khào sát các linh kiện Bách, Minh 07/11 18/11
Tổng hợp, phân tích vai trò các khối, các linh 2.3 kiện trong hệ thống Minh 16/11 26/11
2.4 Mua các linh kiện và đồ dùng khác Khải 18/11 20/11
2.5 Thiết kế mạch nguyên lý trên Proteus Khải 21/11 23/11 3
Xây dựng chương trình phần mềm
Nghiên cứu cấu trúc project vi điều khiển 3.1 AT89S52 Cả nhóm 02/11 13/11 Họp nhóm lần 2: 4/11
- Thảo luận về cấu trúc hệ thống.
- Xây dựng kế hoạch thực hiện, đặt tiến độ các công việc.
- Triển khai: Lập trình phần mềm, làm mạch thử nghiệm trên board.
Lập trình phần mềm, mô phỏng phần mềm trên 3.2 Proteus và sửa đổi Bách 09/11 20/11
3.3 Mô tả chương trình phần mềm Bách 19/11 22/11
3.4 Vẽ lưu đồ thuật toán Bách 10/11 10/10
3.5 Cắm thử nghiệm mạch trên board Khải 20/11 21/11
3.6 Nhúng code vào mạch thử nghiệm Bách 21/11 21/11 lOMoAR cPSD| 61554836
NGƯỜI NGÀY NGÀY STT
TIÊU ĐỀ CÔNG VIỆC PHỤ BẮT ĐẾN TRÁCH ĐẦU HẠN
Sửa đổi, tối ưu code tới khi chạy ổn định trên 3.7 mạch thử nghiệm Bách 21/11 19/12 4
Đo kiểm và tối ưu Họp nhóm lần 3: 22/12
- Kiểm tra lại khả năng hoạt động của mạch thử nghiệm
- Bổ sung vào kế hoạch các công việc về đo kiểm thiết bị; phân công thành viên
phụ trách xây dựng phương án, quy trình đo kiểm.
- Triển khai: Đo kiểm hệ thống và khắc phục, tối ưu.
4.1 Đề xuất phương án đo kiểm và tiêu chuẩn đo Minh 23/12 23/12
4.2 Tiến hành đo kiểm các khối chức năng Khải, Bách 24/12 24/12
4.3 Xử lý số liệu đo và kết luận Minh 24/12 24/12
4.4 Tiến hành đo kiểm toàn bộ hệ thống (Lần 1) Khải, Bách 25/12 25/12 4.5 Xử lý số liệu đo Minh 25/12 25/12
Đưa ra kết luận và đề xuất các phương án chỉnh
4.6 sửa, tối ưu (Lần 1) Bách, Minh 25/12 25/12
4.7 Chỉnh sửa và tối ưu hệ thống (Lần 1) Cả nhóm 25/12 31/12
4.8 Tiến hành đo kiểm toàn bộ hệ thống (Lần 2) Khải, Bách 31/12 31/12
4.9 Xử lý số liệu đo và đưa ra kết luận Minh 01/01 01/01
4.10 Nghiệm thu, tổng kết Minh 01/01 01/01
Hệ thống trên mạch thử nghiệm hoạt động, đạt các tiêu chí đo trong lần đo thứ 2 5
Thi công mạch PCB và kiểm tra Họp nhóm lần 4: 04/1
- Nghiệm thu kết quả đo các chức năng của hệ thống trên mạch thử nghiệm.
- Triển khai: In mạch PCB và lập phương án đo kiểm đối với mạch in.
5.1 Thiết kế mạch in PCB Khải 01/01 03/01 5.2 In mạch PCB Khải, Bách 03/01 04/01
5.3 Đo đạc và kiểm tra mạch in (Lần 1) Minh, Khải 04/01 04/01 5.4 Xử lý số liệu đo Minh 05/01 05/01
Đưa ra kết luận và đề xuất các phương án chỉnh 5.5 sửa (Lần 1) Minh 05/01 05/01 5.6 Tìm, khắc phục lỗi Khải, Bách 05/01 09/01 lOMoAR cPSD| 61554836
NGƯỜI NGÀY NGÀY STT
TIÊU ĐỀ CÔNG VIỆC PHỤ BẮT ĐẾN TRÁCH ĐẦU HẠN
5.7 Đo đạc và kiểm tra mạch in (Lần 2) Khải, Bách 09/01 09/01
5.8 Xử lý số liệu đo và đưa ra kết luận Minh 10/01 10/01
5.9 Nghiệm thu, tổng kết Minh 10/01 10/01 6 Hoàn thiện 6.1 Đóng gói sản phẩm Khải 11/01 12/01
Tổng hợp kết quả các lần đo kiểm và ghi chú cá
6.2 nhân của các thành viên trong quá trình làm Cả nhóm 11/01 14/01
6.3 Tổng hợp, biên tập và hoàn thiện báo cáo Minh 12/01 16/01 Họp nhóm lần 5: 19/1 - Tổng kết dự án. - Kiểm tra lại báo cáo.
- Chuẩn bị cho buổi bảo vệ cuối khóa. lOMoAR cPSD| 61554836 V.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
1. Sơ đồ khối hệ thống
Hình 5.1. Sơ đồ khối hệ thống 2.
Tổng quan các khối Thành phần Khối Chức năng (linh kiện)
Đo đạc nồng độ của từng loại khí trong Cảm biến MQ6 Khối cảm biến
không khí, và xuất thông tin thông qua và MQ7 giá trị điện áp.
Chuyển đổi giá trị điện áp từ khối cảm Khối chuyển đổi ADS01115
biến sang giá trị raw digital, rồi gửi giá dữ liệu (ADC)
trị raw này cho khối xử lý
Nhận dữ liệu từ ADC rồi xử lý thông Vi điều khiển
tin, chuyển giá trị điện áp sang nồng độ Khối xử lý AT89S52 họ 8051
khí trong không khí. Điều khiển màn
hình, khối cảnh báo và khối lưu trữ LCD 16 ký tự x 2 Khối hiển thị dòng
Hiển thị nồng độ khí trong không khí
Cảnh báo cho người dùng khi nồng độ Khối cảnh báo Còi, đèn LED
khí trong không khí vượt quá mức cho phép
Lưu trữ mức cảnh báo mặc định hoặc IC EEPROM
người dùng tự đặt lâu dài, có thể thay Khối lưu trữ 24C64
đổi được và không bị mất dữ liệu khi
ngắt nguồn điện khỏi thiết bị
Bảng 5.1: Chức năng các khối
VI. PHÂN TÍCH CÁC KHỐI HỆ THỐNG 1. Khối cảm biến
Khối cảm biến làm nhiệm vụ đo đạc nồng độ của từng loại khí trong không khí,
và xuất thông tin thông qua giá trị điện áp.
a. So sánh và lựa chọn
Tiến hành so sánh MQ6 với MQ2: Thông số MQ-6 MQ-2 lOMoAR cPSD| 61554836 Giá thành 70.000 VNĐ / 5 60.000 VNĐ / 4 Dải phát hiện
200-10.000 ppm (5/5) 300-10.000 ppm (4/5) Độ nhạy Rất cao / 5 Trung bình / 3
Công suất tiêu thụ 0.75W / 4 0.8W / 3 Khả năng phân biệt khí Trung bình (3/5) Đa dạng khí (4/5)
Tốc độ phản hồi 10-30 giây / 5 20-30 giây / 4 Tổng điểm 27 22
Bảng 6.1: So sánh MQ6 – MQ2 So sánh MQ7 và ZE07-CO: Thông số MQ-7 ZE07-CO Giá thành 80.000 VNĐ / 5 500.000 VNĐ / 1 Dải phát hiện 20-2.000 ppm (4/5) 0-500 ppm (5/5) Độ nhạy Cao / 4 Rất cao / 5
Công suất tiêu thụ 0.75W / 3 0.3W / 5
Tốc độ phản hồi 10-30 giây / 4 5-10 giây / 5 Tổng điểm 22 25
Bảng 6.2: So sánh MQ7 – ZE07-CO
Sau khi so sánh, nhóm đánh giá 2 loại cảm biến khí gas và CO dễ mua, phổ
biến nhất, có giá thành hợp lý và sử dụng đạt hiệu quả cao hiện nay là cảm
biến MQ6 và MQ7. Do vậy nhóm đã lựa chọn hai loại cảm biến này.
b. Thông tin linh kiện Linh kiện sử dụng: Cảm biến MQ6 phát hiện khí
gas, MQ7 phát hiện khí CO: Tiêu chí MQ6 MQ7 Loại khí phát hiện LPG (Khí hóa lỏng), Carbon Monoxide Propane, Butane, (CO), một phần Methane, Ethanol, Methane và Hydrogen Hydrogen Dải nồng độ phát 200 - 10,000 ppm 10 - 2,000 ppm hiện Độ nhạy Tốt với LPG, Propane, Tốt với Carbon Butane Monoxide (CO) Điện áp hoạt động 5V DC 5V DC Thời gian làm 20 giây đến 1 phút 20 giây đến 1 phút nóng
Bảng 6.3: Thông số cảm biến MQ6 và MQ7 lOMoAR cPSD| 61554836
Hình 6.1: Cảm biến MQ6
Hình 6.2: Cảm biến MQ7
Họ cảm biến MQ là một dòng cảm biến khí gas phổ biến được sử dụng trong
nhiều ứng dụng khác nhau, từ hệ thống phát hiện rò rỉ khí gas cho đến các
thiết bị kiểm tra môi trường. Các cảm biến này có khả năng phát hiện nhiều
loại khí và được thiết kế với độ nhạy cao, chi phí thấp, phù hợp cho các dự
án DIY, Arduino, và các ứng dụng công nghiệp.
Nguyên lý hoạt động:
• Cảm biến MQ hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở của một
lớp oxit kim loại (thường là SnO₂ - thiếc dioxit) khi tiếp xúc với các
loại khí khác nhau. Khi khí mục tiêu tiếp xúc với bề mặt cảm biến, điện
trở bên trong thay đổi tỷ lệ thuận với nồng độ khí, tạo ra tín hiệu điện tương ứng. Cấu tạo:
• Lớp cảm biến: Là chất bán dẫn oxit kim loại, nhạy với các loại khí cụ thể.
• Hệ thống sưởi (Heater): Làm nóng bề mặt cảm biến để tăng khả năng phản ứng với khí.
• Mạch đầu ra: Cung cấp tín hiệu tương tự (analog) hoặc tín hiệu số (digital).
2. Khối chuyển đổi dữ liệu (ADC)
Chuyển đổi giá trị điện áp từ khối cảm biến sang giá trị raw digital, rồi gửi giá trị raw này cho khối xử lý.
a. So sánh và lựa chọn lOMoAR cPSD| 61554836 So sánh ADC0809 và ADS1115: Tiêu chí ADC0809 ADS1115 Độ phân giải 8-bit 16-bit Số kênh đầu 8 kênh đầu vào đa kênh
4 kênh đầu vào (có thể hoạt vào (Multiplexed)
động ở chế độ đơn hoặc vi sai) Dải điện áp 0V - Vref (thường là 5V
±6.144V (có thể điều chỉnh hoặc 3.3V) theo PGA - Programmable Gain Amplifier) Tốc độ
~100 kSPS (kilo-samples 860 SPS (samples per chuyển đổi per second) second) Giao tiếp Parallel I2C
Độ chính xác Thấp hơn (do 8-bit, sai số Cao hơn (16-bit, có độ chính
lớn hơn ở các giá trị nhỏ) xác cao để đo tín hiệu nhỏ)
Bảng 6.4: So sánh ADC0809 – ADS1115
Lựa chọn ADS1115 là hợp lý cho dự án vì sử dụng công nghệ mới hơn, dải
điện áp lớn hơn, sử dụng ít dây kết nối hơn, và chính xác hơn so với
ADC0809. Những ưu điểm này đủ để làm cho những nhược điểm của
ADS1115 so với ADC0809 là ít kênh đầu vào hơn, và tốc độ chuyển đổi thấp
hơn là không đáng kể, vì dự án chỉ sử dụng 2 kênh đầu vào của ADC và tốc độ quét thấp.
b. Thông tin linh kiện
ADS1115 là một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC - Analog to
Digital Converter) độ chính xác cao, do Texas Instruments sản xuất. Bộ
chuyển đổi này có kích thước nhỏ gọn, chính xác và tiết kiệm năng lượng.
Đây là lựa chọn lý tưởng cho các thiết kế hệ thống mới. lOMoAR cPSD| 61554836
Hình 6.3: ADS1115 Thông số kỹ thuật: Độ phân giải 16-bit Số lượng kênh
4 kênh đơn hoặc 2 kênh vi sai
Tốc độ lấy mẫu 860 mẫu/giây Giao tiếp I2C (7-bit địa chỉ)
Dải điện áp đầu vào
±6.144V (khi dùng bộ PGA tích hợp)
Điện áp nguồn cấp 2.0V đến 5.5V Dòng tiêu thụ 150 µA
Tích hợp bộ khuếch đại (PGA)
Có, khuếch đại từ 2/3x đến 16x
Chế độ hoạt động
Liên tục/chế độ tắt tự động sau khi đo
Nhiệt độ hoạt động -40°C đến 125°C Đóng gói SOP-10 hoặc VSSOP-10
Bảng 6.5: Thông số ADS1115 Sơ đồ chân:
• Chân 1 (ADD): Địa chỉ I2C, cho phép kết nối tối đa 4 thiết bị ADS1115 trên cùng một bus I2C.
• Chân 2-5 (AIN0 - AIN3): Các chân đầu vào tương tự, hỗ trợ đo vi sai hoặc đơn lẻ.
• Chân 6 (GND): Chân nối đất.
• Chân 7 (SDA): Giao tiếp dữ liệu I2C.
• Chân 8 (SCL): Giao tiếp đồng hồ I2C.
• Chân 9 (ALERT/RDY): Chân ngắt báo trạng thái (có thể lập trình để
báo kết quả đo xong hoặc vượt ngưỡng).
• Chân 10 (VDD): Chân cấp nguồn (từ 2.0V đến 5.5V). 3. Khối xử lý
a. So sánh và lựa chọn
Nhận dữ liệu từ ADC rồi xử lý thông tin, chuyển giá trị điện áp sang nồng
độ khí trong không khí. Điều khiển màn hình, khối cảnh báo và khối lưu trữ. lOMoAR cPSD| 61554836 Hình 6.4: AT89S52 So
sánh STM32F103C8T6 và AT89S52: Tiêu chí STM32F103C8T6 AT89S52 Kiến trúc ARM 32 bit 8051 core 8 bit Bộ nhớ Flash 64kb 8kb RAM 20kb 256 bytes ADC 12 bit (16 kênh) Không có Nguồn cung cấp 3.3V 5V Giá thành 100000 đồng 20000 đồng
Bảng 6.6: So sánh STM32F103C8T6 – AT89S52
Tuy STM32F103C8T6 hơn AT89S52 về mọi mặt, nhưng với một hệ thống
đơn giản, không cần quá nhiều sức mạnh xử lý để hoạt động, nên chỉ cần một
vi điều khiển 8 bit là đã có thể điều khiển được. Vì vậy, việc lựa chọn
AT89S52 là hợp lý hơn. Ngoài ra, hệ thống sử dụng IC ADC 16 bit ADS1115
ngoại, nên không cần đến một vi điều khiển có ADC nội. ADC nội trong
những vi điều khiển phổ thông thường có độ phân giải thấp và dễ nhiễu, nên
nhóm quyết định sử dụng ADC tách rời. Thêm nữa là AT89S52 hoạt động
cùng với mức điện áp 5V với vi điều khiển, không cần sử dụng thêm IC hạ
áp nếu sử dụng vi điều khiển 3.3V, cùng với mức giá rẻ chỉ 20000 đồng 1 vi điều khiển.
b. Thông tin linh kiện
AT89S52 là một chíp vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ
8051. AT89S52 là một bộ vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC, bộ nhớ
chương trình 8KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần.Với 32 chân có
thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter
có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao
thức truyền thông nối tiếp USART, SPI. Khả năng lập trình được watchdog
timer, hoạt động với 5 chế độ: Tạm ngừng, ngắt nguồn, bình thường, ngắt và lập trình.