Đồ Án: Mạch cảm biến khí gas – Tài liệu text

Đồ Án : Mạch cảm biến khí gas

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản không thiếu của tài liệu tại đây ( 406.67 KB, 15 trang )

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 LỜI CẢM ƠN L ời đầu tin em xin chân thành cảm ơn tổng thể quí thầy / cô giáo đã hướng dẫn và chỉ bảo rất là tận tình trong thời hạn em làm Đồ án Môn Học 1 vừa mới qua, đặc biệt quan trọng là khoa Cơ – Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện kèm theo thuận tiện nhất cho em hòan thành đồ án này. Em cũng vô cùng biết ơn Thầy Lê Quốc Đán là người trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo rất là tận tình cho em hòan thành Đồ án Mạch Cảm Biến Khí Gas này. Vì lần đầu làm đồ án và phong cách thiết kế xây đắp mạch với kiến thức và kỹ năng và thời hạn hạn chế nên sẽ không tránh khỏi nhiều sai sót. Với ước mong học hỏi, em rất mong nhận được sự góp ý của quí thầy, cô giáo chỉ bảo, hướng dẫn thêm để em rút kinh nghiệm tay nghề cho những đồ án tiếp theo được tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm năm nay Sinh viên triển khai 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khi khoa học công nghệ tiên tiến tăng trưởng một cách can đảm và mạnh mẽ, việc

ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biếnhơn, nhất là với thời đại mà các hệ thống nhúng đang lên ngôi. Từ nhữngứng dụng đơn như đồng hồ kĩ thuật số, máy chơi nhạc MP3… đến những ứng dụngcho xã hội như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy, cửa tự động … cho đếnnhững ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, phi thuyền không ngườilái, kiểm soát nhà máy hạt nhận… .Với những kiến thức đã được học và tìm hiểu từ trường học và khoa họccông nghệ của cuộc sống hiện đại, em cũng có mong muốn góp thêm phầnnào vào sự phát triển xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩmcó ích cho cuộc sống. Em xin giới thiệu một sản phẩm rất thiết thực chocuộc sống của chúng ta:”Mạch cảm biến khí gas“.Với ý tưởng trên em mong muốn được góp phần bảo vệ cho những gia đình,tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được an toàn hơn. Mạch phát hiệnsự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo cho chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ rakhỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn đáng tiếc xảy ra.Phần trình bày chi tiết về cảm biến khí gas gồm hai phần, p hần thứ nhất làphần giới thiệu chung, mô tả những chuẩn trên đường Line và các hướng, phươngpháp dùng để thiết kế mạch cảm biến khí gas. Phần thứ hai là phần quan trọng nhất,phần này mô tả các hoạt động và nguyên lý thiết kế mạch dựa trên những chuẩn củađường Line, đặc biệt ở đây ta dùng cảm biến MQ2.2ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1MỤC LỤC

3ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CHƯƠNG I : TỔNG QUAN1.1: Lý do chọn đề tài-Hằng năm đất nước ta gánh chịu rất nhiều hậu quả thương tâm từ các vụ nổbình gas, đã có biết bao nạn nhân xấu số, biết bao giọt nước mắt rơi xuốngkhi chứng kiến người thân mình ra đi,chưa dừng lại ở đó, hậu quả ấy vẫnmãi dai dẳng bám lấy những người may mắn sống xót với những thương tật,nỗi đau về thể xác, tinh thần đang từng ngày từng ngày dày vò họ. Nhiềucông ty từ những tập đoàn danh tiếng, có máu mặt trên thị trường, bỗngphút chốc trở thành đám tro tàn,công sức, tài sản, con người bị vùi lấptrong khói lửa. Chứng kiến nỗi đâu ấy, lại là một người học điện tử và sẽtrở thành kĩ sư trong tương lai, càng thôi thúc em phải có trách nhiệm đẩylùi vụ nổ khí gas đến mức thấp nhất có thể. Và mạch cảm biến khí gas củaem ra đời từ đó.1.2: Mục tiêu đề tài–Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp, mạchcảm biến khí gas sẽ có nhiệm vụ báo động cho người dùng khi phát hiện có sự rò rỉkhí gas ra ngoài, giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại, đề phòng những

chuyện không mong muốn xảy ra. Đối với những công ty lớn sẽ tránh được những tổnthất không đáng có.Chỉ với một khoản kinh phí nhỏ, nhưng đảm bảo an toàn cho mọi gia đình hay cáccông ty xí nghiệp đều có thể sử dụng, tránh rủi ro trong quá trình làm việc. Và khôngphải lo ngại đến giá thành sản phẩm.4ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1: Tổng quan thiết kế–Ta cần thiết kế ba khối chính cho mạch: khối nguồn, khối cảm biến khí gas và khốibáo động.Mạch này được thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM (phần triệu) đến 10.000PPM.Khi nồng độ khí gas ở trong khu vực cao thì đầu OUT của mô-đun sẽ ở mức cao. Tínhiệu này sẽ đến IC 555, đây được coi như một máy phát âm tần( nó tạo ra xung) vàchân Output của IC được nối với loa đưa ra tín hiệu cảnh báo.Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta dùng module cảm biến khí gas MQ2 đặt gần chỗ đặtbình gas khoảng 15cm.Sử dụng loa 12v để hú báo động và LED phát sáng khi có rò rỉ khí gas.2.2: Các linh kiện dùng trong mạch thiết kế-

-*Cảm biến MQ21. Giới thiệu:MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí có thể gây cháy. Nó được cấu tạo từchất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch. Nhưng trongmôi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó thay đổi ngay. Chính nhờ đặc điểm nàyngười ta thêm vào mạch đơn giản để biến đổi từ độ nhạy này sang điện áp.Khi môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăngkhi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao.MQ2 hoạt động rất tốt trong môi trường khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gâycháy khác. Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơngiản và chi phí thấp.SƠ ĐỒ CHÂNMQ25ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1Hình 2.2.1 : hình dáng của MQ2-Trong đó :+ Chân 1,3 là chân A+ Chân 2,5 là chân B+ Chân 4,6 là chân C

-Sơ đồ mắc MQ2Hình 2.2.2: Sơ đồ mắc MQ2-Trong mạch có hai chân đầu ra là Aout và Dout, trong đó:Aout: điện áp ra tương tự. Nó chạy từ 0.3 đến 4.5V, phụ thuộc vào nồng độ khí xungquanh MQ2.Dout: điện áp ra số, giá trị 0.1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí màMQ2 đo được.Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần đến viđiều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnh6ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1–báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout=1, đèn LED tắt. Khinồng độ khí đo được lớn hơn nồng độ 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 cảnhbáo khác.Một điều khó khăn khi làm việc với MQ2 là chúng ta khó có thể quy từ điện áp Aoutvề 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 bị này, để xác định điểm cảnh báo em làm như sau:+ Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1+ Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ra. Ta tháy giá trị Aout tăng lên, khi đạt khoảng cáckhí gas từ bật lửa hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí bắt đầu nguy hiểm, ta ghi lạigiá trị Vout 2. Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo. Nếu giá trị đo được lớnhơn còi hú sẽ rú lên cảnh báo.+ Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2.*IC 555Hình 2.2.3: Hình dáng IC555-555 là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xungvuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản,điều chế được độrộng xung. Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện. Cấu tạorất đơn giản nhưng hoạt động tốt, bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện ápVCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn.+ Điện áp đầu vào : 2 – 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555,NE7555..)7ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1+ Dòng điện cung cấp : 6mA – 15mA+ Điện áp logic ở mức cao : 0.5 – 15V+ Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 – 0.06V+ Công suất lớn nhất là : 600mW* Các chức năng của 555:

+ Là thiết bị tạo xung chính xác+ Máy phát xung+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại) Các dạng hình dáng chân của 555 trong thực tế:Hình 2.2.4 : Hình dáng IC555 trong thực tếHình 2.2.5: cấu tạo bên trong của IC5558ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1Cấu tạo bên trong của IC5552 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS):+ 2 OP-amp có tác dụng so sánh điện áp+ Transistor để xả điện.+ Bên trong gồm 3 điện trở mắc nối tiếp chia điện áp VCC thành 3 phần.Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương củaOp-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [1] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3VCC, chân R của FF = [1] và FF được resetNguyên lý hoạt động của IC 555:-Trong quá trình hoạt động bình thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ dao động quanhđiện áp Vcc/3 -> 2Vcc/3. (Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên)- Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp ban đầu là Vcc/3, và kết thúc nạp ởthời điểm điện áp trên C bằng 2Vcc/3.Nạp điện với thời hằng là (Ra+Rb)C.

– Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp ban đầu là 2Vcc/3, và kết thúc xả ở thờiđiểm điện áp trên C bằng Vcc/3. Xả điện với thời hằng là Rb.C.- Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời gian nạp điện, mức 0 là xả điện. LM358-LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép công suất thấp, hoạt động ở nguồn điện ápthấp 3V hoặc điện áp cao 32V, với dòng tĩnh khoảng 1/5 dòng tĩnh của LM741.•1.2.3.Các đặc trưng của LM358Công suất cực máng thấp .Có 2 bộ khuếch đại thuật toán bên trong IC, độ lợi rất cao.Tương thích với nhiều loại mạch logic.•Các tính năng của thuật toán1. Bảo vệ quá áp lối ra2. Tăng khuếch đại vi sai lối vào3. Dòng cung cấp lối vào thấp4. Dải tín hiệu cùng pha mở rộng tới nguồn âm5. Hoạt động với nguồn đơn ( 3V – 32V).9

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1•Sơ đồ chân LM358Hình 2.2.7: Sơ đồ chân của LM358Các thông số kỹ thuật của LM358Hình 2.2.8 : Bảng datasheet của LM35810ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH3.1 : Sơ đồ khốiKHỐINGUỒNKHỐICẢMBIẾN KHÍGASKHỐI XỬLÝKHỐI

BÁOĐỘNG•Khối Nguồn : cung cấp nguồn cho hệ thống, ta có thể chọn nguồn +5V hoặc+ 12V. Các linh kiện cần dùng cho khối nguồn :+ Điện trở thường 1kOhm đến+ Tụ điện 100nF, 10nF+ Đèn led• Khối Cảm Biến Khí Gas : Khi xảy ra hiện tượng rò rỉ khí ga thì khối nàynhận biết được lượng khí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo hay chưa, rồi pháttín các tín hiệu báo về khối xử lý. Khối cảm biến khí gas gồm:+ Module cảm biến MQ2 ( nguồn 5V, AOUT đầu ra ADC và DOUT đầu raDigital)• Khối xử lý : Khối xử lý có nhiệm vụ xử lý và điều hành chung hoạt động củatàn bộ hệ thống. Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khốicảnh báo chấp hành hoạt động khi có rò rì khí gas.• Khối báo động: Báo động cho người dùng biết có sự rò rỉ khí gas, ở đây gồm có :+ Đèn led+ Loa3.2 : Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến khí gasJ1R2123

4R32208A7D2CVU1:ALEDA2THLS164

K2TRGND3LM358C1100nFC310nF1110k3Kéo Khung Ra Có Sơ Đồ Bên Trong :D10k

1R1QDC5RV1CONN-H2D1LED3RK21U28

24Module Cam bien Khi GasJ2R410kVCCAnalog Out555C2SPEAKER10nF1k11ĐỒ ÁN MÔN HỌC 13.2.1: Tính toán các thông số cho khối nguồn-

Dựa vào công thức : R = (Vcc – Vled)/Iled- Led hoạt động ở mức 1.8V đến 3V dòng từ 10 đến 20mA. Nếu muốn led hoạtđộng bình thường ở nguồn 5V thì : Gía trị điện trở nhỏ nhất : (5V-3V)/20mA = 0.1 kôm = 100 ôm.- Gía trị lớn nhất : (5V-1.8V)/10mA = 0.32 k ôm = 320 ôm.- Do đó ta chọn điện trở trong khoảng 100 ôm đến 320 ômở mạch này em chọnđiện trở 220 ôm .- Tụ C1 gắn với led nhằm ổn định dòng làm cho dòng chảy ổn định dẫn đến ledsáng ổn định và không bị chập chờn.3.2.2: Tính toán các thông số cho khối cảm biến khí gas- Ở đây nguồn vào em sử dụng nguồn 5V mà module cảm biến MQ2thì chỉchịu được điện áp chạy qua nó không được vượt quá 5V nên ở đây em gắn thêm điệntrở R1 = 1k để làm giảm dòng qua nó, tránh hư hỏng. Mặc khác trong quá trình sửdụng khi đo nồng độ khí gas thì MQ2 sẽ nóng dần lên, trường hợp không gắn R1 thìnó sẽ rất nóng, làm giảm tuổi thọ của MQ2 xuống.3.2.3: Tính toán thông số cho khối xử lý–Sử dụng biến trở VR10K có tác dụng chỉnh độ nhạy của LM358, làm thay đổi điện ápcủa mạch điện.Nếu mắc 2 đầu vào nguồn 5VDC thì không sao, nhưng nếu mắc một chân giữa C(chân biến đổi) vào một cực và đầu kia mắc vào cực còn lại mà vặn vẹo thì biến trở sẽhỏng.Dùng biến trở mà điều chỉnh trực tiếp loa thì bị bóc khét chắc, do đó ta mới gắn biếntrở vào LM358 nhằm mục đích khuếch đại điện áp của mạch.Đối với IC555, chân số 5 được nối với đất qua một tụ lọc C3=10nf nhằm ổn định điện

áp của các mức ngưỡng loại bỏ bất kì tiếng ồn và ngăn cản xung quay trở lại nguồncung cấp. Mặc khác ta cũng có thể gắn chân 5 vào tụ 0,01uf hay các tụ khác nõ cũngđóng vai trò như trên, nhưng vì ở khối báo động em cũng sử dụng đến tụ 10nf, nên emlàm vậy để tiết kiệm chi phí và tiện sử dụng.12ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1-Sử dụng công thức :T = 0.7 x (R1+2R2) x C1 và f = 1.4/ [(R1+2R2) x C1]T : thời gian của một chu kì toàn phần tính bằng (s)f : Tần số dao động tính bằng (Hz)R1: Điện trở tính bằng ohmR2: Điện trở tính bằng ohmC1: Tụ điện tính bằng Fara(F)T = Tm + TsT : chu kì toàn phầnTm = 0.7 x (R1+R2) x C1Tm: thời gian điện mức caoTs = 0.7 x R2 x C1Ts : thời gian điện mức thấpÁp dụng công thức ta có : Tm = 0.7 x (10k + 10k) x 10nf = 1.4×10^ -4 (s)Ts = 0.7 x 10k x 10nf = 7×10^-11 (s)Vậy tần số f = 1/( Tm + Ts )-

= 1/ (1.4×10^ -4 (s) + 7×10^-11 (s) )= 7.14 ( kHz)Mà loa thì kêu ở tần số 50 Hz đến 15 KHz do đó thỏa : nên em chọn R3= 10k, R4 =10k, C2 = 10nf .Lm358 dùng trong mạch có chức năng so sánh điện áp, điện áp ra từ cảm biến khí gassẽ được so sánh với mức báo động (ta dùng biến trở để chỉnh chân 3 của LM358bằng với điện áp ra VOUT2 khi có khí gas rò rỉ: để làm ngưỡng cảnh báo). Khi điệnáp dưới ngưỡng này thì điện áp ra sẽ ở mức1. Nếu điện áp vượt ngưỡng báo động thìđiện áp ra =0, dẫn đến loa sẽ hú còi báo có khí ra rò rỉ tới người sử dụng.3.3: Nguyên lý hoạt động của mạch- Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động. Ở trạng thái bìnhthường không có khí gas ( nồng độ khí gas mà MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép),Dout = 1, led tắt, khối báo động không hoạt động. Khi phát hiện có khí gas rò rỉ (nồngđộ khí gas đo được lớn hơn mức cho phép ), Dout =0, led sáng, tín hiệu này sẽ đếnIC555, đây được coi như một máy phát tần (vì nó tạo xung) và chân OUT PUT (chân3) được nối với loa để đưa tín hiệu ra ngoài dẫn đến khối báo động hoạt động, đèn ledsáng và loa kêu báo hiệu cho người dùng biết có khí gas rò rỉ.13ĐỒ ÁN MÔN HỌC 13.4: Sơ đồ mạch thi công3.5 : Sơ đồ mạch in3.6: Đo đạc, kiểm tra các thông số hoạt động của mạch- Khi cấpnguồn 5v vào, nếu hoạt động thì module cảm biến Mq2 led xanh sáng, sau đó ta dùng VOM để kiểm tra chân Aout (chân 2 ) của module cảm biến MQ2, vàchỉnh chân 3 của biến trở để làm ngưỡng báo cho MQ2.- Xả khí gas vào, dùng thang đo 2.5V để đo chân Aout của module MQ2, nhận

thấy điện áp tăng từ 0.5V đến 250V ( tức là trong khoảng này khí gas sẽ kêu). Sau đó ,ta chỉnh chân 3 của biến trở về 1V, để với nồng độ khí gas thấp (ở đây ta dùng khí gastừ hột quẹt) thì module cảm biến khí gas cũng có thể cảm nhận được và loa kêu. Cònnếu muốn đo khí gas có nồng độ lớn thì chỉnh chân 3 của biến trở về gần giá trị 250V.14ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN4.1: Kiểm nghiệm quá trình hoạt động của mạch- Sau quá trình đo đạc và kiểm tra, khi cấp nguồn vào mạch hoạt động tốt,module MQ2 có độ nhạy cao, khi có khí gas rò rỉ thì cả đèn led sáng và loa lập tức húcòi báo tới người sử dụng có khí gas rò rỉ.4.2: Ưu, khuyết điểm của mạch- Ưu điểm :+ Có tính ứng dụng cao+ Dễ thi công và sử dụng+ Chi phí thi công thấp-Khuyết điểm :+ Trong quá trình sử dụng, khi nấu ăn cũng có một lượng khí gas thoát rangoài và loa cũng kêu, mạch này vẫn chưa đo được thông số chính xác ở ngưỡng nguyhiểm của khí gas đối với người sử dụng mà báo còi, mà chỉ cẩn có khí gas rò rỉ thì nóvẫn kêu. Nên không tạo được độ chính xác cao.+ Mạch hàn còn xấu, do đi hơi sát nên khiến một số linh kiện bị chạm vàonhau.TÀI LIỆU THAM KHẢO1.

2.3.4.5.6.7.www.Datasheet.IC555www.Datasheet.lm358www.datasheet.mq2www.Dientuvietnam.comĐiện tử 1-Ths Nguyễn Thị Ngọc Anh – ĐH Công Nghệ TPHCMĐiện tử 2 – TS Võ Đình Tùng- ĐH Công Nghệ TPHCMLuận văn tốt nghiệp tìm hiểu về IC 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó15

ứng dụng các thiết bị điện tử vào đời sống cũng ngày càng trở nên phổ biếnhơn, nhất là với thời đại mà các mạng lưới hệ thống nhúng đang lên ngôi. Từ nhữngứng dụng đơn như đồng hồ đeo tay kĩ thuật số, máy chơi nhạc MP3 … đến những ứng dụngcho xã hội như đèn giao thông vận tải, bộ trấn áp trong nhà máy sản xuất, cửa tự động hóa … cho đếnnhững ứng dụng mang tính quy mô, tầm cỡ như Robot, con thuyền không ngườilái, trấn áp xí nghiệp sản xuất hạt nhận …. Với những kỹ năng và kiến thức đã được học và tìm hiểu và khám phá từ trường học và khoa họccông nghệ của đời sống văn minh, em cũng có mong ước góp thêm phầnnào vào sự tăng trưởng xã hội bằng cách học hỏi và đưa ra những sản phẩmcó ích cho đời sống. Em xin trình làng một mẫu sản phẩm rất thiết thực chocuộc sống của tất cả chúng ta : ” Mạch cảm biến khí gas “. Với sáng tạo độc đáo trên em mong ước được góp thêm phần bảo vệ cho những mái ấm gia đình, tập thể hay công ty có sử dụng khí Gas được bảo đảm an toàn hơn. Mạch phát hiệnsự rò rỉ khí Gas sẽ cảnh báo nhắc nhở cho tất cả chúng ta biết được có khí Gas bị rò rỉ rakhỏi bình chứa hoặc ống dẫn để tránh được những tai nạn thương tâm đáng tiếc xảy ra. Phần trình diễn chi tiết cụ thể về cảm biến khí gas gồm hai phần, p hần thứ nhất làphần ra mắt chung, miêu tả những chuẩn trên đường Line và các hướng, phươngpháp dùng để phong cách thiết kế mạch cảm biến khí gas. Phần thứ hai là phần quan trọng nhất, phần này miêu tả các hoạt động giải trí và nguyên tắc phong cách thiết kế mạch dựa trên những chuẩn củađường Line, đặc biệt quan trọng ở đây ta dùng cảm biến MQ2. ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1M ỤC LỤCĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CH ƯƠNG I : TỔNG QUAN1. 1 : Lý do chọn đề tàiHằng năm quốc gia ta gánh chịu rất nhiều hậu quả thương tâm từ các vụ nổbình gas, đã có biết bao nạn nhân xấu số, biết bao giọt nước mắt rơi xuốngkhi tận mắt chứng kiến người thân mình ra đi, chưa dừng lại ở đó, hậu quả ấy vẫnmãi dai dẳng bám lấy những người suôn sẻ sống xót với những thương tật, nỗi đau về thể xác, ý thức đang từng ngày từng ngày dày vò họ. Nhiềucông ty từ những tập đoàn lớn nổi tiếng, có máu mặt trên thị trường, bỗngphút chốc trở thành đám tro tàn, sức lực lao động, gia tài, con người bị vùi lấptrong khói lửa. Chứng kiến nỗi đâu ấy, lại là một người học điện tử và sẽtrở thành kĩ sư trong tương lai, càng thôi thúc em phải có nghĩa vụ và trách nhiệm đẩylùi vụ nổ khí gas đến mức thấp nhất hoàn toàn có thể. Và mạch cảm biến khí gas củaem sinh ra từ đó. 1.2 : Mục tiêu đề tàiĐể khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp, mạchcảm biến khí gas sẽ có trách nhiệm báo động cho người dùng khi phát hiện có sự rò rỉkhí gas ra ngoài, giúp người sử dụng kịp thời khóa bình gas lại, đề phòng nhữngchuyện không mong ước xảy ra. Đối với những công ty lớn sẽ tránh được những tổnthất không đáng có. Chỉ với một khoản kinh phí đầu tư nhỏ, nhưng bảo vệ bảo đảm an toàn cho mọi mái ấm gia đình hay cáccông ty nhà máy sản xuất đều hoàn toàn có thể sử dụng, tránh rủi ro đáng tiếc trong quy trình thao tác. Và khôngphải quan ngại đến giá tiền mẫu sản phẩm. ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CH ƯƠNG III : CƠ SỞ LÝ THUYẾT2. 1 : Tổng quan thiết kếTa cần thiết kế ba khối chính cho mạch : khối nguồn, khối cảm biến khí gas và khốibáo động. Mạch này được phong cách thiết kế để phát hiện khí Gas từ 200PPM ( phần triệu ) đến 10.000 PPM.Khi nồng độ khí gas ở trong khu vực cao thì đầu OUT của mô-đun sẽ ở mức cao. Tínhiệu này sẽ đến IC 555, đây được coi như một máy phát âm tần ( nó tạo ra xung ) vàchân Output của IC được nối với loa đưa ra tín hiệu cảnh báo nhắc nhở. Để phát hiện sự rò rỉ khí gas ta dùng module cảm biến khí gas MQ2 đặt gần chỗ đặtbình gas khoảng chừng 15 cm. Sử dụng loa 12 v để hú báo động và LED phát sáng khi có rò rỉ khí gas. 2.2 : Các linh phụ kiện dùng trong mạch phong cách thiết kế * Cảm biến MQ21. Giới thiệu : MQ2 là cảm biến khí, dùng để phát hiện các khí hoàn toàn có thể gây cháy. Nó được cấu trúc từchất bán dẫn SnO2. Chất này có độ nhạy cảm thấp với không khí sạch. Nhưng trongmôi trường có chất gây cháy, độ dẫn của nó biến hóa ngay. Chính nhờ đặc thù nàyngười ta thêm vào mạch đơn thuần để biến hóa từ độ nhạy này sang điện áp. Khi thiên nhiên và môi trường sạch điện áp đầu ra của cảm biến thấp, giá trị điện áp đầu ra càng tăngkhi nồng độ khí gây cháy xung quanh MQ2 càng cao. MQ2 hoạt động giải trí rất tốt trong môi trường tự nhiên khí hóa lỏng LPG, H2, và các chất khí gâycháy khác. Nó được sử dụng thoáng rộng trong công nghiệp và gia dụng do mạch đơngiản và ngân sách thấp. SƠ ĐỒ CHÂNMQ2ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1H ình 2.2.1 : hình dáng của MQ2Trong đó : + Chân 1,3 là chân A + Chân 2,5 là chân B + Chân 4,6 là chân CSơ đồ mắc MQ2Hình 2.2.2 : Sơ đồ mắc MQ2Trong mạch có hai chân đầu ra là Aout và Dout, trong đó : Aout : điện áp ra tựa như. Nó chạy từ 0.3 đến 4.5 V, nhờ vào vào nồng độ khí xungquanh MQ2. Dout : điện áp ra số, giá trị 0.1 nhờ vào vào điện áp tham chiếu và nồng độ khí màMQ2 đo được. Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn thuần, không cần đến viđiều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn cảnhĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức được cho phép thì Dout = 1, đèn LED tắt. Khinồng độ khí đo được lớn hơn nồng độ khí được cho phép, Dout = 0, đèn LED sáng. Ta hoàn toàn có thể ghép nối vào mạch Realy để tinh chỉnh và điều khiển bật tắt đèn, còi, hoặc thiết bị cảnhbáo khác. Một điều khó khăn vất vả khi thao tác với MQ2 là tất cả chúng ta khó hoàn toàn có thể quy từ điện áp Aoutvề giá trị nồng độ ppm. Rồi từ đó hiển thị và cảnh báo nhắc nhở theo ppm. Do giá trị điện áptrả về từng loại khí khác nhau, lại bị ảnh hưởng tác động nhiệt độ, nhiệt độ nữa. Trong thiết bị này, để xác lập điểm cảnh báo nhắc nhở em làm như sau : + Đầu tiên đo trạng thái không khí sạch, giá trị thu được Vout1 + Cho khí gas từ bật lửa rò rỉ ra. Ta tháy giá trị Aout tăng lên, khi đạt khoảng chừng cáckhí gas từ bật lửa hài hòa và hợp lý rồi tương ứng với nồng độ khí khởi đầu nguy hại, ta ghi lạigiá trị Vout 2. Ta chọn giá trị Vout2 là giá trị ngưỡng cảnh báo nhắc nhở. Nếu giá trị đo được lớnhơn còi hú sẽ rú lên cảnh báo nhắc nhở. + Chỉnh chân biến trở để điện áp đo tại chân 3 của L358 = Vout2. * IC 555H ình 2.2.3 : Hình dáng IC555555 là một loại linh phụ kiện khá là thông dụng giờ đây với việc thuận tiện tạo được xungvuông và hoàn toàn có thể đổi khác tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn thuần, điều chế được độrộng xung. Nó gồm op-amp so sánh điện áp, mạch lật và transistor để xả điện. Cấu tạorất đơn thuần nhưng hoạt động giải trí tốt, bên trong gồm 3 điện trở mắc tiếp nối đuôi nhau chia điện ápVCC thành 3 phần, tạo nên điện áp chuẩn. + Điện áp nguồn vào : 2 – 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555.. ) ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1 + Dòng điện cung ứng : 6 mA – 15 mA + Điện áp logic ở mức cao : 0.5 – 15V + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03 – 0.06 V + Công suất lớn nhất là : 600 mW * Các tính năng của 555 : + Là thiết bị tạo xung đúng mực + Máy phát xung + Điều chế được độ rộng xung ( PWM ) + Điều chế vị trí xung ( PPM ) ( Hay dùng trong thu phát hồng ngoại )  Các dạng hình dáng chân của 555 trong trong thực tiễn : Hình 2.2.4 : Hình dáng IC555 trong thực tếHình 2.2.5 : cấu trúc bên trong của IC555ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1C ấu tạo bên trong của IC5552 con OPAM, 3 con điện trở, 1 transitor, 1 FF ( ở đây là FF RS ) : + 2 OP-amp có tính năng so sánh điện áp + Transistor để xả điện. + Bên trong gồm 3 điện trở mắc tiếp nối đuôi nhau chia điện áp VCC thành 3 phần. Cấu tạo này tạo nên điện áp chuẩn. Điện áp 1/3 VCC nối vào chân dương củaOp-amp 1 và điện áp 2/3 VCC nối vào chân âm của Op-amp 2. Khi điện áp ở chân 2 nhỏ hơn 1/3 VCC, chân S = [ 1 ] và FF được kích. Khi điện áp ở chân 6 lớn hơn 2/3 VCC, chân R của FF = [ 1 ] và FF được resetNguyên lý hoạt động giải trí của IC 555 : Trong quy trình hoạt động giải trí thông thường của 555, điện áp trên tụ C chỉ giao động quanhđiện áp Vcc / 3 -> 2V cc / 3. ( Xem dường đặc tính tụ điện phóng nạp ở trên ) – Khi nạp điện, tụ C nạp điện với điện áp khởi đầu là Vcc / 3, và kết thúc nạp ởthời điểm điện áp trên C bằng 2V cc / 3. Nạp điện với thời hằng là ( Ra + Rb ) C. – Khi xả điện, tụ C xả điện với điện áp khởi đầu là 2V cc / 3, và kết thúc xả ở thờiđiểm điện áp trên C bằng Vcc / 3. Xả điện với thời hằng là Rb. C. – Thời gian mức 1 ở ngõ ra chính là thời hạn nạp điện, mức 0 là xả điện.  LM358LM358 là bộ khuếch đại thuật toán kép hiệu suất thấp, hoạt động giải trí ở nguồn điện ápthấp 3V hoặc điện áp cao 32V, với dòng tĩnh khoảng chừng 1/5 dòng tĩnh của LM741. 1.2.3. Các đặc trưng của LM358Công suất cực máng thấp. Có 2 bộ khuếch đại thuật toán bên trong IC, độ lợi rất cao. Tương thích với nhiều loại mạch logic. Các tính năng của thuật toán1. Bảo vệ quá áp lối ra2. Tăng khuếch đại vi sai lối vào3. Dòng cung ứng lối vào thấp4. Dải tín hiệu cùng pha lan rộng ra tới nguồn âm5. Hoạt động với nguồn đơn ( 3V – 32V ). ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1S ơ đồ chân LM358Hình 2.2.7 : Sơ đồ chân của LM358Các thông số kỹ thuật kỹ thuật của LM358Hình 2.2.8 : Bảng datasheet của LM35810ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CH ƯƠNG III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH3. 1 : Sơ đồ khốiKHỐINGUỒNKHỐICẢMBIẾN KHÍGASKHỐI XỬLÝKHỐIBÁOĐỘNGKhối Nguồn : phân phối nguồn cho mạng lưới hệ thống, ta hoàn toàn có thể chọn nguồn + 5V hoặc + 12V. Các linh phụ kiện cần dùng cho khối nguồn : + Điện trở thường 1 kOhm đến + Tụ điện 100 nF, 10 nF + Đèn led • Khối Cảm Biến Khí Gas : Khi xảy ra hiện tượng kỳ lạ rò rỉ khí ga thì khối nàynhận biết được lượng khí ga rò rỉ đã đến mức cảnh báo nhắc nhở hay chưa, rồi pháttín các tín hiệu báo về khối giải quyết và xử lý. Khối cảm biến khí gas gồm : + Module cảm biến MQ2 ( nguồn 5V, AOUT đầu ra ADC và DOUT đầu raDigital ) • Khối giải quyết và xử lý : Khối giải quyết và xử lý có trách nhiệm giải quyết và xử lý và quản lý chung hoạt động giải trí củatàn bộ mạng lưới hệ thống. Nhận tín hiệu từ khối cảm biến và phát tín hiệu cho khốicảnh báo chấp hành hoạt động giải trí khi có rò rì khí gas. • Khối báo động : Báo động cho người dùng biết có sự rò rỉ khí gas, ở đây gồm có : + Đèn led + Loa3. 2 : Sơ đồ nguyên tắc của mạch cảm biến khí gasJ1R2R3220D2CVU1 : ALEDTHLS1TRGNDLM358C1100nFC310nF10kKéo Khung Ra Có Sơ Đồ Bên Trong : D10kR1DCRV1CONN-H2D1LEDU2Module Cam bien Khi GasJ2R410kVCCAnalog Out555C2SPEAKER10nF1k11ĐỒ ÁN MÔN HỌC 13.2.1 : Tính toán các thông số kỹ thuật cho khối nguồnDựa vào công thức : R = ( Vcc – Vled ) / Iled – Led hoạt động giải trí ở mức 1.8 V đến 3V dòng từ 10 đến 20 mA. Nếu muốn led hoạtđộng thông thường ở nguồn 5V thì : Gía trị điện trở nhỏ nhất : ( 5V-3 V ) / 20 mA = 0.1 kôm = 100 ôm. – Gía trị lớn nhất : ( 5V-1. 8V ) / 10 mA = 0.32 k ôm = 320 ôm. – Do đó ta chọn điện trở trong khoảng chừng 100 ôm đến 320 ômở mạch này em chọnđiện trở 220 ôm. – Tụ C1 gắn với led nhằm mục đích không thay đổi dòng làm cho dòng chảy không thay đổi dẫn đến ledsáng không thay đổi và không bị chập chờn. 3.2.2 : Tính toán các thông số kỹ thuật cho khối cảm biến khí gas – Ở đây nguồn vào em sử dụng nguồn 5V mà module cảm biến MQ2thì chỉchịu được điện áp chạy qua nó không được vượt quá 5V nên ở đây em gắn thêm điệntrở R1 = 1 k để làm giảm dòng qua nó, tránh hư hỏng. Mặc khác trong quy trình sửdụng khi đo nồng độ khí gas thì MQ2 sẽ nóng dần lên, trường hợp không gắn R1 thìnó sẽ rất nóng, làm giảm tuổi thọ của MQ2 xuống. 3.2.3 : Tính toán thông số kỹ thuật cho khối xử lýSử dụng biến trở VR10K có công dụng chỉnh độ nhạy của LM358, làm thay đổi điện ápcủa mạch điện. Nếu mắc 2 đầu vào nguồn 5VDC thì không sao, nhưng nếu mắc một chân giữa C ( chân biến hóa ) vào một cực và đầu kia mắc vào cực còn lại mà vặn vẹo thì biến trở sẽhỏng. Dùng biến trở mà kiểm soát và điều chỉnh trực tiếp loa thì bị bóc khét chắc, do đó ta mới gắn biếntrở vào LM358 nhằm mục đích mục tiêu khuếch đại điện áp của mạch. Đối với IC555, chân số 5 được nối với đất qua một tụ lọc C3 = 10 nf nhằm mục đích không thay đổi điệnáp của các mức ngưỡng vô hiệu bất kể tiếng ồn và ngăn cản xung quay trở lại nguồncung cấp. Mặc khác ta cũng hoàn toàn có thể gắn chân 5 vào tụ 0,01 uf hay các tụ khác nõ cũngđóng vai trò như trên, nhưng vì ở khối báo động em cũng sử dụng đến tụ 10 nf, nên emlàm vậy để tiết kiệm ngân sách và chi phí ngân sách và tiện sử dụng. 12 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1S ử dụng công thức : T = 0.7 x ( R1 + 2R2 ) x C1 và f = 1.4 / [ ( R1 + 2R2 ) x C1 ] T : thời hạn của một chu kì toàn phần tính bằng ( s ) f : Tần số xê dịch tính bằng ( Hz ) R1 : Điện trở tính bằng ohmR2 : Điện trở tính bằng ohmC1 : Tụ điện tính bằng Fara ( F ) T = Tm + TsT : chu kì toàn phầnTm = 0.7 x ( R1 + R2 ) x C1Tm : thời hạn điện mức caoTs = 0.7 x R2 x C1Ts : thời hạn điện mức thấpÁp dụng công thức ta có : Tm = 0.7 x ( 10 k + 10 k ) x 10 nf = 1.4 x10 ^ – 4 ( s ) Ts = 0.7 x 10 k x 10 nf = 7×10 ^ – 11 ( s ) Vậy tần số f = 1 / ( Tm + Ts ) = 1 / ( 1.4 x10 ^ – 4 ( s ) + 7×10 ^ – 11 ( s ) ) = 7.14 ( kHz ) Mà loa thì kêu ở tần số 50 Hz đến 15 KHz do đó thỏa : nên em chọn R3 = 10 k, R4 = 10 k, C2 = 10 nf. Lm358 dùng trong mạch có công dụng so sánh điện áp, điện áp ra từ cảm biến khí gassẽ được so sánh với mức báo động ( ta dùng biến trở để chỉnh chân 3 của LM358bằng với điện áp ra VOUT2 khi có khí gas rò rỉ : để làm ngưỡng cảnh báo nhắc nhở ). Khi điệnáp dưới ngưỡng này thì điện áp ra sẽ ở mức1. Nếu điện áp vượt ngưỡng báo động thìđiện áp ra = 0, dẫn đến loa sẽ hú còi báo có khí ra rò rỉ tới người sử dụng. 3.3 : Nguyên lý hoạt động giải trí của mạch – Khi ta cấp nguồn 5V vào mạch, module MQ2 hoạt động giải trí. Ở trạng thái bìnhthường không có khí gas ( nồng độ khí gas mà MQ2 đo được thấp hơn mức được cho phép ), Dout = 1, led tắt, khối báo động không hoạt động giải trí. Khi phát hiện có khí gas rò rỉ ( nồngđộ khí gas đo được lớn hơn mức được cho phép ), Dout = 0, led sáng, tín hiệu này sẽ đếnIC555, đây được coi như một máy phát tần ( vì nó tạo xung ) và chân OUT PUT ( chân3 ) được nối với loa để đưa tín hiệu ra ngoài dẫn đến khối báo động hoạt động giải trí, đèn ledsáng và loa kêu báo hiệu cho người dùng biết có khí gas rò rỉ. 13 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 13.4 : Sơ đồ mạch thi công3. 5 : Sơ đồ mạch in3. 6 : Đo đạc, kiểm tra các thông số kỹ thuật hoạt động giải trí của mạch – Khi cấpnguồn 5 v vào, nếu hoạt động giải trí thì module cảm biến Mq2 led xanh sáng, sau đó ta dùng VOM để kiểm tra chân Aout ( chân 2 ) của module cảm biến MQ2, vàchỉnh chân 3 của biến trở để làm ngưỡng báo cho MQ2. – Xả khí gas vào, dùng thang đo 2.5 V để đo chân Aout của module MQ2, nhậnthấy điện áp tăng từ 0.5 V đến 250V ( tức là trong khoảng chừng này khí gas sẽ kêu ). Sau đó, ta chỉnh chân 3 của biến trở về 1V, để với nồng độ khí gas thấp ( ở đây ta dùng khí gastừ hột quẹt ) thì module cảm biến khí gas cũng hoàn toàn có thể cảm nhận được và loa kêu. Cònnếu muốn đo khí gas có nồng độ lớn thì chỉnh chân 3 của biến trở về gần giá trị 250V. 14 ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1CH ƯƠNG IV : KẾT LUẬN4. 1 : Kiểm nghiệm quy trình hoạt động giải trí của mạch – Sau quy trình đo đạc và kiểm tra, khi cấp nguồn vào mạch hoạt động giải trí tốt, module MQ2 có độ nhạy cao, khi có khí gas rò rỉ thì cả đèn led sáng và loa lập tức húcòi báo tới người sử dụng có khí gas rò rỉ. 4.2 : Ưu, khuyết điểm của mạch – Ưu điểm : + Có tính ứng dụng cao + Dễ xây đắp và sử dụng + Chi tiêu kiến thiết thấpKhuyết điểm : + Trong quy trình sử dụng, khi nấu ăn cũng có một lượng khí gas thoát rangoài và loa cũng kêu, mạch này vẫn chưa đo được thông số kỹ thuật đúng mực ở ngưỡng nguyhiểm của khí gas so với người sử dụng mà báo còi, mà chỉ cẩn có khí gas rò rỉ thì nóvẫn kêu. Nên không tạo được độ đúng mực cao. + Mạch hàn còn xấu, do đi hơi sát nên khiến một số ít linh phụ kiện bị chạm vàonhau. TÀI LIỆU THAM KHẢO1. 2.3.4.5.6.7.www. Datasheet. IC555www. Datasheet. lm358www.datasheet. mq2www. Dientuvietnam. comĐiện tử 1 – Ths Nguyễn Thị Ngọc Anh – ĐH Công Nghệ TPHCMĐiện tử 2 – tiến sỹ Võ Đình Tùng – ĐH Công Nghệ TPHCMLuận văn tốt nghiệp tìm hiểu và khám phá về IC 555 và các mạch điện tử ứng dụng của nó15