TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
TRUNG TÂM CNTT
KHOA CƠ KHÍ

---

---

Bài tập lớn mơn:Đồ án đo lường và điều khiển
Đề tài:Xây dựng hệ thống báo cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói
và cảm biến nhiệt trở âm
Giáo viên hướng dẫn:TS.Nguyễn Văn Trường
Lớp: Cơ điện tử
Khóa:ĐH-K13
Sinh viên thực hiện:

Hà Nội – 2020


Mục lục

Lời nói đầu
Trong cuộc sống hiện đại, việc phịng cháy chữa cháy đang trở thành mối quan tâm
hàng đầu vì quanh ta ln 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 trị rất
quan trọng, giúp ngăn chặn và xử lí kịp thời các đám cháy khi con người chưa thể xử lí
và can thiệp được.

Xuất phát từ nhu cầu trên, nhóm chúng em đã chọn đề tài:” Xây dựng hệ thống báo
cháy đơn giản sử dụng cảm biến khói và cảm biến nhiệt trở âm”. Hệ thống giúp phát
hiện các nguy cơ cháy từ sự rò rỉ gas, các khí dễ cháy. Từ đó sẽ có hướng xử lí như

ngắt chng cảnh báo hoặc ngắt điện, kích hoạt hệ thống chữa cháy.

2


Chương 1: Tổng quan về hệ thống
1.1:Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khi khoa học công nghệ phát triển một cách mạnh mẽ, việc ứng dụng
cho các hệ thống ngày càng trở nên phổ biến vào đời sống, từ những ứng dụng đơn
giản như: điều khiển LED, bật tắt thiết bị điện tử… đến những ứng dụng cho xã hội
như: Điều khiển đèn giao thông, hệ thống cầu thang máy, cửa tự động…
Với những kiến thức đã được học, nhóm em quyết định thiết kế mơ hình phát hiện
khí gas và tia lửa để cảnh báo cháy. Với ý tưởng trên, nhóm em mong muốn góp
phần bảo vệ những gia đình hay cơng ty có sử dụng khí gas được an toàn hơn tránh
tai nạn đáng tiếc
1.2:Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng chính là cảm biến báo khói MQ2 và cảm biến nhiêt trở MF58.
Mơ hình này phù hợp với hệ thống báo cháy, hỏa hoạn ở nơi có khơng gian nhỏ
gần thiết bị sử dụng dụng khí gas trong các hộ gia đình, tập thể hay cơng ty…
1.3:Mục đích nghiên cứu
- Thiết kế mơ hình cảm biến phát hiện khí gas và tia lửa phịng tránh nguy cơ
xảy ra hỏa hoạn, đảm bảo an tồn cho những khơng gian hẹp có sử dụng khí
gas
- Củng cố lại những kiến thức đã học và nghiên cứu, đặc biệt là môn Cảm biến
và hệ thống đo
- Đây đồng thời cũng có thể là đồ án môn mà chúng em nghiêm cứu và phát triển
thêm ở năm cuối
1.4:Nhiệm vụ nghiên cứu
Em đi sâu vào nghiên cứu những vấn đề chính sau đây:
- Tìm hiểu về vi điều khiển mà trọng tâm là Arduino UNO R3 phần cứng và tập

lệnh.
- Tìm hiểu về cảm biến nhiệt điện trở MF58, cảm biến khí gas MQ2, và cảm biến
tia lửa.
Tìm hiểu về ngơn ngữ lập trình C.
Viết chương trình cho Arduino UNO R3, và các cảm biến MF58, MQ2.
Tìm hiểu những phần mềm thiết kế mạch điện tử như Proteus…
Tìm hiểu về vật liệu cơ khí chế tạo khung hệ thống sản phẩm.
1.5:Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập các thông tin liên quan đến hệ thống.
- Phân thích, thiết kế và lập trình cho hệ thống.
- Thử nghiệm và vận hành hệ thống
1.6:Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Giải quyết vấn đề an toàn trong không gian hẹp như khu bếp trong các hộ gia
đình hay các nơi kinh doanh bình gas
- Giảm bớt chi phí lắp đặt hệ thống an tồn khác mà vẫn đảm bảo độ hiểu quả
3


Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống:

: Đường đi tín hiệu điện
: Đường phản hồi tín hiệu

Khối cảm
biến báo
khói
Khối xử lí


Khối phát tín
hiệu

Khối cảm biến
nhiệt độ

Khối nguồn

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng từng khối:
• Khối cảm biến khói: Sử dụng module cảm biến khói có nhiệm vụ phát
hiện khói và đưa thơng tin về khối xử lý.
• Khối cảm biến nhiệt độ : sử dụng cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ phát
hiện nhiệt độ cao và đưa thơng tin về khối xử lí.
• Khối xử lý: Sử dụng bộ điều khiển dùng để giao tiếp với các khối cảm
biến nhiệt độ, cảm biến khói và đưa thơng tin đến khối phát tín hiệu ra.
• Khối phát tín hiệu: Sử dụng cịi báo và đèn có nhiệm vụ báo động cho mọi
người biết khi có cháy xảy ra.
4


• Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện DC có điện áp 9V để cung cấp cho hoạt
động của mạch.
2.2 Phân tích và lựa chọn cảm biến

a)Cảm biến nhiệt độ
-Có 4 loại cảm biến nhiệt độ: cặp nhiệt độ, nhiệt điện trở, bán dẫn, thermistor.
Bảng 1:Các loại cảm biến nhiệt độ

Nội dung

Thermocouple

RTD

Thermistor

Chất bán dẫn

(Cặp nhiệt độ)

(Nhiệt kế điện
trở)

(nhiệt điện trở)

Dải đo

200-1750℃

-200-650℃

-100-350℃

-50-100℃

Độ chính
xác


0.5-5℃

0.1-1℃

0.1-1.5℃

1-5℃

Thời gian
đáp ứng

Nhanh(0.1-3s)

Chậm(1-5s)

Nhanh(0.1-3s)

Chậm(5-10s)

Phạm vi
hoạt động

Lị nhiệt, mơi
trường khắc
nghiệt, đo nhớt
máy nén,…

Gia cơng vật
liệu, hóa chất,…


Bảo vệ cuộn dây
động cơ và mạch
điện tử

Đo nhiệt độ
khơng khí,
bảo vệ mạch
điện tử,..

Chi phí

Thấp(dưới 100k)

Cao(trên 200k)

Thấp(dưới 50k)

Thấp(dưới
50k)

Nguyên lý
hoạt động

Nhiệt độ thay đổi
cho ra sức điện
động thay đổi

Nhiệt độ thay
đổi thì điện trở
giữa hai đầu

kim loại cũng
thay đổi

Sự thay đổi điện
trở khhi nhiệt độ
thay đổi

Sự phân cực
của các chất
bán dẫn bị
ảnh hưởng
của nhiệt độ

5


-Từ thông số của bảng 1 kết hợp với yêu cầu đề bài thì nhóm em quyết định
chọn thermistor bởi vì nó phù hợp nhất để đo trong khoảng nhiệt độ từ 0 đến
60℃ đồng thời thời gian phản hồi nhanh mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao, chi
phí mua cảm biến cũng thấp.
-Nhóm em sẽ chọn cảm biến MF58 để đo và kiểm tra nhiệt độ bởi vì thiết bị làm
việc ở mức nhiệt <60℃, giá thành rẻ.

Hình 2.2: Cảm biến nhiệt trở MF58
Sơ lược về cảm biến
-MF58 là một nhiệt điện trở NTC, sản xuất bằng cách sử dụng một sự kết hợp
của gốm sứ và kỹ thuật bán dẫn, và bao bọc bằng thủy tinh tinh khiết
-Các tính năng:
•


Phạm vi trở kháng : 0.1 ~ 5000KΩ

•

Nhiệt độ hoạt động: -45 ~ 300 oC

•

Cảm ứng nhiệt nhanh, độ nhạy cao.

-Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến sẽ cản trở dịng điện của một vật dẫn điện và sau đó chuyển từ điện
năng sang nhiệt năng.
Quan hệ giữa độ lớn của trở kháng và nhiệt độ: ΔR=k*Δt
Đây là nhiệt trở NTC cho nên độ lớn của trở kháng tỉ lệ với nhiệt độ tuy nhiên
hệ số k âm

6


-Ứng dụng
• Kiểm sốt nhiệt độ và kiểm tra thiết bị gia đình, chẳng hạn như bếp cảm
ứng, điện áp nồi hơi, nồi cơm điện, lò điện, bể khử trùng, lị vi sóng, lị
nướng, ấm điện
• Nhiệt độ đo lường và bù nhiệt các thiết bị tự động hóa văn phịng, chẳng
hạn như máy in, máy photocopy, ...
• Đo lường và kiểm tra nhiệt độ của ngành công nghiệp, y tế, bảo vệ môi
trường, dự báo thời tiết, thiết bị chế biến thực phẩm, vv
• Bảo vệ nhiệt độ pin và bộ sạc pin.
• Bù nhiệt vịng lặp thiết bị, mạch tích hợp, bộ dao động tinh thể và cặp

nhiệt điện

b)Cảm biến khói
-Có nhiều loại cảm biến giúp phát hiện cháy nổ:cảm biến khí
gas(MQ2,MQ5,MQ7,…),đèn led hồng ngoại,…
+Đèn led hồng ngoại:độ nhạy với khí gas khơng cao,thời gian đáp ứng chậm.
+Cảm biến khí gas: độ nhạy cao với các khí gas,khí dễ gây cháy nổ,thời gian
đáp ứng nhanh hơn so với đèn led hồng ngoại.

7


-Nhóm em chọn module cảm biến khí gas MQ2 cho hệ thống cảnh báo cháy bởi:
+ Cảm biến khí gas MQ2 là một trong những loại cảm biến được sử dụng để
nhận biết: LPG, i-butan, Propane, Methane , Alcohol, Hydrogen, Smoke và khí
gas.
+MQ2 có độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh.
+Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài.
+Phạm vi giá trị cảm biến để nhận biết nồng độ khí gas của MQ2 phù hợp hơn
so với các loại cảm biến khác (MQ5,MQ7,…).

Hình 2.3: Module cảm biến khí gas MQ2

Sơ lược về cảm biến:
• VCC: Chân cấp nguồn cho cảm biến, điện áp sử dụng 5V.
• GND: Chân nối đất cho cảm biến.
• AOUT: Đầu ra ADC
• DOUT: Đầu ra Digital (So sánh khi phát hiện khí)

8



Module MQ2 là thiết bị dùng để cảm biến khí, trong đó có tác dụng cảm biến
khói. Khi khơng có khói DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mức cao, khi có
khói thì DOUT của cảm biến đưa ra giá trị ở mức thấp.
Cấu tạo cảm biến MQ-2:
Đây là cách cảm biến trông như thế nào khi loại bỏ lưới bên ngồi. Cấu trúc
hình ngơi sao được hình thành bởi phần tử cảm biến và sáu chân kết nối kéo dài ra
ngoài đế Bakelite. Trong số sáu, hai dây dẫn (H ) chịu trách nhiệm làm nóng phần tử
cảm biến và được kết nối qua cuộn dây Niken-Crom , hợp kim dẫn điện nổi tiếng.

Hình 2.4:Cấu tạo bên trong cảm biến MQ-2
Bốn dây dẫn còn lại (A & B ) chịu trách nhiệm cho tín hiệu đầu ra được kết nối
bằng dây bạch kim . Các dây này được kết nối với phần thân của phần tử cảm biến và
truyền tải những thay đổi nhỏ trong dòng điện đi qua phần tử cảm biến.

9


Hình 2.5:Cấu tạo bên ngồi của phần tử cảm biến

Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm nhơm Oxit (
lớp phủ Thiếc Dioxit (

SnO2

Al2O3

) và có một


). Thiếc Dioxit là vật liệu quan trọng nhất nhạy cảm với

khí dễ cháy. Tuy nhiên, đế gốm chỉ đơn thuần là tăng hiệu quả sưởi ấm và đảm bảo
vùng cảm biến được làm nóng đến nhiệt độ làm việc liên tục.

Hình 2.6: Cấu tạo bên trong của phần tử cảm biến

Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ-2:

Hình 2.7: Miêu tả hoạt động của cảm biến MQ-2
10


•

Khi thiếc đioxit (các hạt bán dẫn) được nung nóng trong khơng

khí ở nhiệt độ cao, oxy sẽ bị hấp phụ trên bề mặt. Trong khơng khí sạch, các
điện tử cho trong thiếc điơxít bị hút về phía ơxy được hấp thụ trên bề mặt của
vật liệu cảm ứng. Điều này ngăn cản dịng điện chạy qua.
•
Khi có mặt các khí khử, mật độ bề mặt của oxy bị hấp phụ giảm
khi nó phản ứng với các khí khử. Sau đó, các điện tử được giải phóng vào thiếc
điơxít, cho phép dịng điện chạy tự do qua cảm biến.

Thơng số kỹ thuật của cảm biến MQ-2:
•
•
•
•

•
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Nguồn hoạt động: 5V
Loại dữ liệu: Analog
Phạm vi phát hiện rộng
Mạch đơn giản
Ổn định khi sử dụng trong thời gian dài
Thời gian đáp ứng: ≤10s
Thời gian phục hồi: ≤ 30s
Trở kháng khi nóng: 31Ω ± 3Ω
Dịng tiêu thụ khi nóng: ≤ 180mA
Điện áp khi nóng: 5.0V ± 0.2V
Năng lượng khi nóng: ≤ 900mW
Điện áp đo: ≤ 24V
Điều kiện làm việc:
+ Nhiệt độ: -20 ℃ ~ 55 ℃

+ Độ ẩm: ≤ 95% RH
+ Hàm lượng oxy mơi trường: 21%
•
Điều kiện bảo quản:

•
+ Nhiệt độ: -20 ℃ ~ 70 ℃
+ Độ ẩm: ≤ 70% RH

11


Hình 2.8: Mạch ứng dụng của cảm biến
2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

-Chúng ta có thể sử dụng IC ổn áp hoặc PIC để điều khiển.Tuy nhiên để thuận tiện cho
việc sử dụng nhóm em chọn Arduino để điều khiển hệ thống bởi: Arduino có thể sử
dụng ngay. Vì Arduino là một bộ hồn chỉnh gồm bộ nguồn 5V, một ổ ghi, một bộ dao
động, một vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED và các giắc cắm. Chúng ta không
cần phải suy nghĩ về các kết nối lập trình hoặc bất kỳ giao diện nào khác. Chỉ cần cắm
nó vào cổng USB của máy tính.
Arduino Uno R3 là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi
Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR
Atmega328P.
Phiên bản hiện tại của Arduino Uno R3 đi kèm với giao diện USB, 6 chân đầu
vào analog, 14 cổng kỹ thuật số I / O được sử dụng để kết nối với các mạch điện tử,
thiết bị bên ngồi. Trong đó có 14 cổng I / O, 6 chân đầu ra xung PWM cho phép các
nhà thiết kế kiểm soát và điều khiển các thiết bị mạch điện tử ngoại vi một cách trực
quan.
Arduino Uno R3 được kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua USB để giao
tiếp với phần mềm lập trình IDE, tương thích với Windows, MAC hoặc Linux
Systems, tuy nhiên, Windows thích hợp hơn để sử dụng. Các ngơn ngữ lập trình như C
và C ++ được sử dụng trong IDE.
Ngồi USB, người dùng có thể dùng nguồn điện ngoài để cấp nguồn cho bo
mạch.

12


Hình 2.9: Mạch vi điều khiển Arduino Uno R3

Có một số chân I / O Digital và analog được đặt trên bo mạch hoạt động ở mức
logic 5V với dòng từ khoảng từ 20mA đến 40mA
Thơng số kỹ thuật:
► Chíp ATMEGA328P-PU
► Nguồn Cấp: 7-12V
► Dòng Max chân 5V: 500mA
► Dòng Max 3.3V: 50mA
► Dòng Max Chân I/O: 30mA
13


►14 Chân Digital I/O (6 chân PWM)
►6 Chân Analog Inputs
► 32k Flash Memory
► 16Mhz Clock Speed
► SRAM 2 KB
► EEPROM 1 KB
► Đèn LED: Arduino Uno đi kèm với đèn LED tích hợp được kết nối thơng
qua chân 13. Cung cấp mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương ứng tắt.
► Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino. Khác
với 5V được cung cấp qua cổng USB. Pin này được sử dụng để cung cấp điện áp tồn
mạch thơng qua jack nguồn, thơng thường khoảng 7-12VDC
► 5V: Chân 5V được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino được cấp
nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của bo mạch hoặc giắc nguồn DC.
► USB: Hỗ trợ điện áp khoảng 5V trong khi Vin và Power Jack hỗ trợ dải điện

áp trong khoảng từ 7V đến 20V.
► GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino
► Reset: Chân reset để thiết lập lại về ban đầu
► IOREF: Chân này rất hữu ích để cung cấp tham chiếu điện áp cho Arduino
► PWM: PWM được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10, 11. Các chân này được
cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
► SPI: Chân này được gọi là giao diện ngoại vi nối tiếp. Các chân 10 (SS), 11
(MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI.
► AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để cung cấp
điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
► TWI: Chân Giao tiếp TWI được truy cập thông qua thư viện dây. Chân A4 và
A5 được sử dụng cho mục đích này.
14


► Serial Communication: Giao tiếp nối tiếp được thực hiện thông qua hai
chân 0 (Rx) và 1 (Tx).
► Rx: Chân này được sử dụng để nhận dữ liệu trong khi chân Tx được sử dụng
để truyền dữ liệu.
► External Interrupts (Ngắt ngoài): Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các
ngắt ngoài.

15


2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Mạch đo gồm có:
• Mạch Arduino Uno R3
• Dây dẫn

• 1 đèn LED
• 1 loa
• 2 điện trở 220 Ohm
• 3 điện trở 10k
• Nhiệt trở MF58
• Module cảm biến khí gas MQ2
• Module cảm biến quang
Mạch được thiết kế như sau:
• Đèn led được mắc nối tiếp điện trở 220 ohm.Cực dương cắm ở chân
Digital 13.Cực âm nối với GND của Arduino.
• Loa mắc nối tiếp với điện trở 220 ohm thứ hai.Cực dương nối với chân
Digital 3.Cực âm nối với GND của Arduino.
• 2 module cảm biến đều có 4 chân như nhau: VCC, GND,Ao và Do.VCC
của 2 cảm biến nối với chân 5V ở phía Analog. GND nối với GND.Chân
Ao của MQ2 nối với A0 của Arduino. Chân Ao của cảm biến quang nối
với chân A1 của Arduino.
• Mắc nối tiếp 3 điện trở 10k với nhau và nối tiếp với nhiệt trở MF58.1 đầu
cụm điện trở này nối với chân 5V của Arduino.Đầu còn lại nối chân
GND.Giữa cụm điện trở 10k và nhiệt trở,cắm dây dẫn nối từ đó tới chân
Analog A2.

16


2.5. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống (Nếu có)

Hình

2.10:Mạch mơ phỏng


17


2.6:Lưu đồ thuật tốn

Bắt đầu

J=Cảm biến khí gas

J=0
Kết thúc

S

Đ

Chng báo kêu

Xử lí tín hiệu

Đèn báo sáng

Giải thích lưu đồ:
Lưu đồ trên bắt đầu ta gán J là cảm biến khí gas. Tiếp tục chương trình ta xem đầu ra
của cảm biến khí gas có ở mức thấp khi đó ta cũng có hai trường hợp:
-

Trường hợp 1: J=1 chương trình kết thúc.
Trường hợp 2: J=0 chương tiếp tục đưa dữ hiệu về xử lý.


Khi nhận được dữ hiệu từ khối cảm biến khí gas lúc này bộ xử lý sẽ phát tín hiệu cho
đèn báo động. Và đồng thời chng báo động sẽ kêu lên.

18


Chương 3:Chế tạo và thử nghiệm hệ thống
3.1:Bảng chi tiết các thiết bị cần cho hệ thống

Tên thiết
bị,vật tư

Arduino
Uno

MQ2
sensor

Cảm biến
nhiệt trở
âm(NTC)

Số
lượng

Thơng số kĩ thuật

Mục
đích sử
dụng


1

Bộ điều
khiển
trung
tâm

1

Cảm
biến
phát
hiện khí
gas

1

Phát
hiện và
kiểm
sốt
nhiệt độ

19


1

Cịi báo

hiệu

Đèn led

1

Cảnh
báo khi
có khí
gas

Board test

1

Cắm dây
tiết

2

Dẫn điện
từ nguồn
tới các
bộ phận

Cịi báo

Dây dẫn
test board


3.2:Q trình xây dựng thiết bị trên thực tế và lắp ráp mạch

20


a)Arduino Uno R3

Hình 3.1:Arduino

b)Cảm biến MQ2

Hình 3.2:MQ2

c)Cảm biến nhiệt trở âm MF58
21


Hình 3.3:MF58

Ngồi ra cịn có cịi báo, đèn led, board test,dây dẫn…

d)Lắp ráp thành mơ hình

Hình 3.4:Board test

Hình 3.5:Dây dẫn

22



Hình 3.6:Mơ hình

3.3:Thử
và đánh giá hệ thống

nghiệm

-Khi chưa có khí gas,hệ thống vẫn hoạt động bình thường khơng có tín hiệu
thơng báo:

Hình 3.7

-Khi có khí gas,đèn
động kêu lên để báo

báo sáng còi báo
hiệu:

23


Hình 3.8

3.4:Đồ thị biểu diễn giữa tín hiệu đầu ra (nồng độ khí ga) theo thời gian.

24


Nhận xét:
- Từ đồ thị trên ta có thể thấy khi có khí gas thì nồng độ mà cảm biến MQ2

đưa ra khá ổn định ( ở mức 585ppm đến 610ppm).
*Đánh giá: Hệ thống rất nhạy với khí gas.Thời gian phản hồi nhanh khoảng 12s.

25