HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ
KHOA ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG

THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG

Đề tài: Thiết kế thiết bị cảnh báo khí gas

Nhóm sinh viên:

1. Lê Văn Bắc

2. Phong Ngọc Lộc
3. Đỗ Thị Mơ
4. Cao Đình Thiện

Giảng viên bộ mơn:

Dương Phúc Phần

Hà Nội - 2022


Mục lục
I.
2.1.1.


2.2. Thiết kế phần mềm

I. Giải pháp thiết kế
I.1.

Sơ đồ khối
giải pháp

II.
I.2.

Phân tích chức năng các khối

III.Cảm biến khí gas MQ2: Dùng để phát hiện sự rị rỉ khí gas
IV. Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống

16


V.

Khối điều khiển trung tâm: Gồm STM32

và ESP8266: Nhận tín hiệu từ
cảm

biến khí gas, phát ra cịi và gửi các thông

VI.

số cho khối hiển thị

VII.

Khối cảnh báo: Gồm một loa phát ra cảnh báo khi nhận được tín


hiệu từ
khối điều khiển trung tâm
VIII. Khối hiển thị: Gồm một màn hình LCD 16x2, hiển thị các thông số
nhận
được từ khối điều khiển trung tâm


IX.
II.1.
X.

II. Thiết kế hệ thống
Thiết kế phần cứng

II.l.l.Giới thiệu STM32F103C8T6

XI.
XII.
XIII. STM32F103C8T6 là một trong những vi điều khiển tầm trung thuộc họ
STM32F103x8 theo kiến trúc vi mạch RISC. Bo mạch Blue Pill có chi phí thấp
có thể thay thế cho các bo mạch STM khác của hãng STMicroelectronics. Giá
của Blue Pill ở khoảng 2-3 $.


XIV. Bộ vi điều khiển STM32F103C8T6 có các chân GPIO, bộ xử lý, bộ nhớ, cổng
USB, bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital và các thiết bị ngoại vi
khác. Một lõi ARM Cortex với tốc độ đáng kinh ngạc 72 MHz và hiệu suất năng
lượng tương đối.
XV.


Bo mạch STM32F103C8T6 blue-pill có lõi ARM 32-bit Cortex-M3 RISC với

bộ dao động bên trong 4 -16 MHz. Nó là một chip cơng nghệ flash CMOS. Chip
này có 37 chân GPIO và 10 chân Analog. Nó có một số giao thức giao tiếp hiện
đại như CAN và USB.

XVI. Các thiết bị ngoại vi cung cấp khả năng điều khiển vượt trội bo mạch vì nó hoạt
động với điện áp rất thấp, vì vậy nó phù hợp cho các ứng dụng cơng suất thấp.
Nó có một bộ watchdog và window watchdog timer để bo mạch vận hành chính
xác các dịng lệnh.
II.1.1.1. Thơng số kĩ thuật
XVII. Đặc tính và thiết bị ngoại vi

XVIII.

XIX. Kiến trúc vi mạch

XX. RISC

XXI. Số lượng chân

XXII. 47

XXIII.
XXV.

XXIV.

XXVI.


SRAM
Debug đường truyền dữ liệu nối tiếp

khả dụng

20 kiloBytes


XXVII.
I.2.
B
ộ nhớ
flash
I.4.
T
ốc độ
CPU
I.6.
Cổng
kết nối USB
I.8.
ADC

I.3.
64/1
28
KiloBytes
I.5.
72

MHz (tối
đa)
I.7.
Mi
c
r
o

I.9.
S
ố bộ
hẹn giờ
I.10.
Giao tiếp
truyền thơng
I.11.
M
odule
USB
I.13.
I2C

I.12.
Có

I.14.
SPI
I.15.
Nhiệt
độ hoạt động

I.17.
Dòng điện
sink/source
I.19.
Điện
áp hoạt
động

I.16.
-40 0
C - 105 0 C
I.18.
6 mA
I.20.
2.0V 3.6V


XXVIII.
XXIX.
XXX.
XXXI.
XXXII.
XXXIII.
XXXIV.
XXXV.
XXXVI.
XXXVII.
XXXVIII.
XXXIX.
XL.

XLI.
XLII.
XLIII.
XLIV.
XLV.
XLVI.
XLVII.
XLVIII.
XLIX.
L.
LI.
LII.
LIII.
LIV.
LV.
LVI.
LVII.
LVIII.
LIX.


LX.
LXI. Module USART
LXII. Bộ tạo dao động bên trong

4-16 MHz

LXIII.

Có


Bộ hẹn giờ watchdog (WWDT)

LXIV.Debug JTAG
LXV. > Một số đặc tính:
•

Kiểm tra theo chu kỳ (CRC) để đảm bảo độ chính xác của dữ liệu dữ
liệu

•

Có ba tùy chọn boot khác nhau (thông qua flash hoặc bộ nhớ hệ thống
hoặc SRAM) để reset bộ nhớ flash qua USART1

•

7 bộ timer khác nhau để có các tốc độ lấy mẫu giá trị analog khác nhau

•

Một giao thức nối tiếp JTAG (Joint Test Action Group) để gỡ lỗi và
kiểm tra bộ vi điều khiển

•

Xung nhịp PLL để tạo sự ổn định bằng cách xử lý tín hiệu đầu ra và
đầu vào.
LXVI.
tín hiệu


• Bộ timer Watchdog để quan sát các lỗi trong quá trình nhận và truyền


II.1.1.2.

Sơ đồ chân

LXVII.

LXVIII.

LXIX.
LXX. Kiểu chân
LXXIII.
Powe
r
LXXVI.

LXXI. Tên chân

LXXIV.
LXXVII.

- 3,3V
- 5V

LXXIX.

LXXX.


- GND

LXXXII.

LXXXIII.

LXXII.
LXXV.
động đầu ra
LXXVIII.
ở cổng USB
LXXXI.
bên ngồi
LXXXIV.

Mơ tả
1. Điện áp hoạt
2. Chân cấp nguồn
hoặc nguồn 5V
3. Chân nối đất


LXXXV.
Châ
n Analog
LXXXVIII.

LXXXVI.
PB0-PB1


PA0-PA7,

LXXXVII. Chân ADC độ
phân giải 10, 12-


LXXXIX. bit
XC. Chân I / O

XCI.
PA0-PA15, PB0PB15, PC13XCII.

XCIV.Ngắt ngoài

XCVIII.

PWM

PC15

XCV.
PA0-PA15, PB0PB15, PC13XCVI.

XCIII.
37 chân I / O đa
chức năng

XCVII.


Chân ngắt

PC15

XCIX.
PA0-PA3, PA6PA10, PB0-

CI. 15 chân điều chế độ rộng
xung

C. PB1, PB6-PB9
CII. Giao tiếp dữ
liệu nối
tiếp ( UART )

CIII.
TX1, RX1, TX2,
RX2, TX3,
CIV.RX3
CVII.
SCK0,

CVI. SPI

CV. Chân RTS, CTS USART

MISO0, MOSI0,

CIX.


2 chân SPI

CXII.
CAN

Chân Bus của mạng

CXV.

Chân dữ liệu I2C và

CVIII.
MISO1, MOSI1,
SCK1, CS0
CXI.
CAN0RX

CX. CAN
CXIII.

I2C

CAN0TX,

CXIV.
SCL1, SCL2,
SDA1, SD2

chân xung
nhịp


CXVI.
Đèn
LED tích hợp

CXVII.

PC13

CXVIII.

Đèn LED chỉ thị


•

Ngắt ngoài: Ngắt phần cứng được thực thi khi phát hiện sự thay đổi của
các tín hiệu bên ngồi.

•

PWM: Tổng cộng 15 chân điều chế độ rộng xung để tạo tín hiệu điện áp
tương tự analog từ các đầu ra PWM digital.

•

RTS / CTS: Request-to-Send / Clear-to-Send là một giao thức đảm bảo
kiểm sốt việc truyền và nhận dữ liệu.

•


SPI : giao thức để giao tiếp giữa bộ vi điều khiển và thiết bị ngoại vi.

•

CAN: đường bus truyền dữ liệu theo hai hướng.

•

I2C : Một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp khác để truyền dữ liệu đồng
bộ.

II.1.2.Cảm biến khí gas MQ2
CXIX.

MQ2 là 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
khơng khí sạch. Nhưng khi trong mơi 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.


CXX.

CXXI.
CXXII.

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.
CXXIII.

MQ2 hoạt động rất tốt trong mơi 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.
II.1.2.1. Thơng số kĩ thuật
•

Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

•

Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

•

Led đỏ báo nguồn vào, Led xanh báo gas

•

IC so sánh : LM393

•

VCC: 3.3V-5V



•

GND: 0V


•

DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

•

AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

•

Cấu tạo từ chất bản dẫn Sno2

•

Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)

- Dạng tín hiệu : TTL đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực
tiếp Relay, Cịi cơng suất nhỏ...)
- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở
- Sử dụng LM393 để chuyển AO --> DO

CXXIV.



CXXV.

CXXVI.
CXXVII. II.1.2.2. Sơ đồ chân

CXXVIII.
CXXIX.

Sơ đồ chân MQ2


CXXX.
CXXXII.

CXXXI.

CXXXIII. - Trong đó:
CXXXIV. o Chân 1,3 là A
CXXXV. o Chân 2,5 là B
CXXXVI. o Chân 4,6 là C

Dòng ckũ MQ2


CXXXVII.
CXXXVIII. AO D0 GND vcc
CXXXIX.

II.1.2.3. Ứng dụng

CXL. Được sử dụng để phát hiện cácloại khí như :
CXLI.

+ LPG : là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, ở thể khí. LPG trong

dân dụng
và cơng nghiệp chủ yếu có thành phần gồm Propane
CXLII.

+ Iso Butan ( C4H10 )

CXLIII.

+ Propan : C3H8

CXLIV.

+ Mêtan : CH4

CXLV.

+ Rượu : ROH


CXLVI.

+ Hydrogen

CXLVII. + Khói
II.1.2.4. Ưu điểm và nhược điêm


>

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 khơng khí sạch, giá trị thu được Vout1. Cho khí ga
từ bật lửa rị 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.
•

II.1.3.


Giới thiệu màn hình hiển thị LCD 16x2


CXLVIII.

Thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử

dụng
trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK. LCD 1602 có rất nhiều ưu
điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng
(chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiềugiao
thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài ngun hệ thống, giá
thành rẻ,...
CXLIX.

CL.
2.1.3.1. Thơng số kĩ thuật
- Điện áp MAX : 7V
- Điện áp MIN : - 0,3V
- Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V
- Điện áp ra mức cao : > 2.4
- Điện áp ra mức thấp : <0.4V
- Dòng điện cấp nguồn : 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động : - 30 - 75 độ C


CLI. 2.I.3.2. Sơ đồ chân

CLII.


CLIII.
CLIV. - Chân số 1 - VSS : chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch
điều
khiển
- Chân số 2 - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch
điều khiển
- Chân số 3 - VE : điều chỉnh độ tương phản của LCD
- Chân số 4 - RS : chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic
"1":
CLV.

+ Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của

LCD (ở
chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ
“đọc” - read)


CLVI. + Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nôi với thanh ghi dữ liệu DR
bên trong
CLVII.

LCD

- Chân sô 5 - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nôi với
logic
“0” để ghi hoặc nôi với logic “1” đọc
- Chân sô 6 - E : chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên
bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân

này
như sau:
CLVIII.

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh

ghi bên
trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
CLIX.

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi

phát hiện
cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi
nào chân E xuông mức thấp
- Chân sô 7 đến 14 - D0 đến D7: 8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi
thơng
tin với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ
liệu
được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ
liệu
được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7)


- Chân sô 15 - A : nguồn dương cho đèn nền
- Chân sô 16 - K : nguồn âm cho đèn nền


CLX. II.1.4.Mạch nguyên lý
CLXI.


CLXII.
CLXIII. II.1.5.Mạch phần cứng
CLXIV. II.2. Thiết kế phần mềm - Arduino IDE
CLXV.

Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated Development

Environment) là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code để
nạp vào bo mạch Arduino.