Lời nói đầu Trong sống ngày tồn nhiều rủi ro mà người trước gây hậu nghiêm trọng người tài sản Một rủi ro thường gặp hỏa hoạn Vì việc báo cháy tự động cần thiết để hạn chế rủi ro tác hại đám cháy gây cho người Ngày việc phòng cháy chữa cháy trở thành mối quan tâm hàng đầu nước ta Nó trở thành nghĩa vụ tồn dân Hằng ngày giờ, phương tiện truyền thông cố gắng đưa thơng tin phòng cháy chữa cháy cách thường xuyên, nhằm mục đích hạn chế tối đa vụ cháy xẩy hạn chế tối đa thiệt hại vụ cháy gây Cùng với phát triển nhanh chóng cơng nghệ kỹ thuật cảm biến việc báo cháy tự động trở nên dễ dàng hết, hệ thống giúp phát kịp thời vụ cháy sớm để giảm tối đa thiệt hại người tài sản Xuất phát từ ý tưởng ban đầu đó, nhóm F chúng em chọn đề tài:”Thiết kế hệ thống báo cháy tự động” cho môn đồ án Do thời gian hạn chế hiểu biết có hạn nên chắn q trình làm đồ án chúng em có nhiều thiếu sót, kính mong thầy hướng dẫn chân thành góp ý Lời cảm ơn Để hòan thành đồ án chúng em nhận hướng dẫn bảo chi tiết Giáo viên hướng dẫn Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Th.s Vũ Đức Trọng hướng dẫn dạy cho chúng em suốt trình thực đồ án Qua chúng em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô viện Điện cung cấp cho chúng em kiến thúc tảng giúp chúng em hoàn thành đồ án Trong trình thực đề tài, nhóm cố gắng khơng thể tránh khỏi số thiếu sót nên chúng em kính mong q thầy thơng cảm góp ý giúp chúng em hoàn thiện Chương 1: Lý thuyết chung cảnh báo cháy 1.Dấu hiệu nhận biết vụ cháy: -Lượng khí đặc trưng vụ cháy tăng cao (CO2,CO,khí ga…); kèm lượng khí O2 giảm , khơng khí bị oxi hóa mạnh -Nhiệt độ tăng cao -Có khói xuất -Có mùi cháy, khét - Nguyên liệu bị phá hủy 2.Phương án để cảnh báo cháy 2.1 Chỉ xét dấu hiệu a.Dựa vào dấu hiệu nhiệt độ:Dùng cảm biến nhiệt độ b.Có khói xuất hiện: Dùng cảm biến khói, quang trở, cảm biến hồng ngoại +Quang trở cảm biến hồng ngoại xác định có khói cách gián tiếp Quang trở bị thay đổi R thay đổi ánh sáng(Giảm có hàm số) Cảm biến hồng ngoại tương tự quang trở-đo thay đổi ảnh sáng để dự đoán có khói hay khơng c-Dựa vào cảm biến đo nồng độ khí 2.2 Kết hợp hai dấu hiệu -Kết hợp a với b: Lấy a làm để kiểm tra thường xuyên Khi kết hợp a b báo động để cảnh báo cháy -Kết hợp a với c -Kết hợp b với c 3.Các thành phần hệ thống 3.1.Trung tâm điều khiển: -Vi xử lý 3.2.Thiết bị đầu vào: -Đầu báo: báo khói, báo nhiệt, báo gas, báo lửa 3.3.Thiết bị đầu -Chuông báo động, còi báo động -Đèn báo động, đèn exit 4.Nguyên lý hoạt động hệ thống -Quy trình hoạt động hệ thống báo cháy quy trình khép kín Khi có tượng cháy (chẳng hạn nhiệt độ gia tăng đột ngột, có xuất khói tia lửa) thiết bị đầu vào (đầu báo) nhận tín hiệu truyền thông tin cố vi xử lý Tại xử lý thông tin nhận được, xác định vị trí nơi xảy cháy (thơng qua cảm biến) truyền thông tin đến thiết bị đầu (bảng hiển thị phụ, chng, còi, đèn), thiết bị phát tín hiệu âm thanh, ánh sáng để người nhận biết khu vực xảy cháy xử lý kịp thời Đầu báo: 5.1 Đầu báo khói: (Smoke Detector) -là thiết bị giám sát trực tiếp, phát dấu hiệu khói để chuyển tín hiệu khói trung tâm xử lý Thời gian đầu báo khói nhận truyền thông tin đến trung tâm báo cháy không 30s Mật độ môi trường từ 15% đến 20% Nếu nồng độ khói mơi trường khu vực vượt qua ngưỡng cho phép (10% -20%) thiết bị phát tín hiệu báo động trung tâm để xử lý - Các đầu báo khói thường bố trí phòng làm việc, hội trường, kho quỹ, khu vực có mật độ khơng gian kín chất gây cháy thường tạo khói trước * Đầu báo khói chia làm loại sau : a.Đầu báo khói dạng điểm Được lắp khu vực mà phạm vi giám sát nhỏ, trần nhà thấp (văn phòng, chung cư …) - Đầu báo khói Ion : Thiết bị tạo dòng ion dương ion âm chuyển động, có khói, khói làm cản trở chuyển động ion dương ion âm, từ thiết bị gởi tín hiệu báo cháy trung tâm xử lý b Đầu báo khói Quang (photo): Thiết bị bao gồm cặp đầu báo (một đầu phát tín hiệu, đầu thu tín hiệu) bố trí đối nhau, có khói xen đầu báo, khói làm cản trở đường truyền tín hiệu đầu báo, từ đầu báo gởi tín hiệu báo cháy trung tâm xử lý 5.1.1 Đầu báo khói dạng Beam - Gồm cặp thiết bị lắp hai đầu khu vực cần giám sát Thiết bị chiếu phát chiếu chùm tia hồng ngoại, qua khu vực thuộc phạm vi giám sát tới thiết bị nhận có chứa tế bào cảm quang có nhiệm vụ theo dõi cân tín hiệu chùm tia sáng Đầu báo hoạt động nguyên lý làm mờ ánh sáng đối nghịch với nguyên lý tán xạ ánh sáng (cảm ứng khói đầu báo) - Đầu báo khói loại Beam có tầm hoạt động rộng (15m x 100m), sử dụng thích hợp khu vực mà loại đầu báo khói quang điện tỏ khơng thích hợp, chẳng hạn nơi mà đám khói tiên liệu có khói màu đen - Hơn đầu báo loại Beam đương đầu với tình trạng khắc nghiệt nhiệt độ, bụi bặm, độ ẩm mức, nhiều tạp chất,… Do đầu báo dạng Beam đặt đằng sau cửa sổ có kiếng trong, nên dễ lau chùi, bảo quản – Đầu báo dạng Beam thường lắp khu vực có phạm vi giám sát lớn, trần nhà cao lắp đầu báo điểm (các nhà xưởng, …) 5.2 Đầu báo nhiệt: (Heat Detector) - Đầu báo nhiệt loại dùng để dò nhiệt độ môi trường phạm vi bảo vệ , nhiệt độ môi trường không thỏa mãn quy định đầu báo nhiệt nhà sản xuất quy định, phát tín hiệu báo động gởi trung tâm xử lý - Các đầu báo nhiệt lắp đặt nơi lắp đầu báo khói (nơi chứa thiết bị máy móc, Garage, buồng điện động lực, nhà máy, nhà bếp, …) a.Đầu báo nhiệt cố định -Là loại đầu báo bị kích hoạt phát tín hiệu báo động cảm ứng nhiệt độ bầu khơng khí chung quanh đầu báo tăng lên mức độ nhà sản xuất quy định (57o, 70o, 100o…) b Đầu báo nhiệt gia tăng Là loại đầu báo bị kích hoạt phát tín hiệu báo động cảm ứng tượng bầu khơng khí chung quanh đầu báo gia tăng nhiệt độ đột ngột khoảng 9oC / phút 5.3 Đầu báo ga (Gas Detector) - Là thiết bị trực tiếp giám sát, phát dấu hiệu có gas tỉ lệ gas tập trung vượt mức 0.503% (Propane/ Butane) gởi tín hiệu báo động trung tâm - Các đầu báo gas thường bố trí khoảng gần nơi có gas phòng vơ gas hay kho chứa gas Các đầu báo gas lắp tường, cách sàn nhà từ 10-16cm, tuyệt đối không phép lắp đặt sàn nhà 5.4 Đầu báo lửa (Flame Detector) - Là thiết bị cảm ứng tia cực tím phát từ lửa, nhận tín hiệu, gởi tín hiệu báo động trung tâm xử lý phát lửa - Được sử dụng chủ yếu nơi xét thấy có nguy hiểm cao độ, nơi mà ánh sáng lửa dấu hiệu tiêu biểu cho cháy (ví dụ kho chứa chất lỏng dễ cháy) - Đầu báo lửa nhạy cảm tia cực tím nghiên cứu tỉ mỉ để tránh tình trạng báo giả Đầu dò phát tín hiệu báo động trung tâm báo cháy có xung cảm ứng tia cực tím sau khoảng thời gian, thời kỳ 5s Chương : Các phương án chọn để thiết kế hệ thống(Dựa dấu hiệu vụ cháy) 1.Dựa vào dấu hiệu nhiệt độ: -Dùng cảm biến nhiệt độ.Cảm biến nhiệt độ LM35 loại cảm biến tương tự hay ứng dụng ứng dụng đo nhiệt độ thời gian thực Vì hoạt động xác với sai số nhỏ, đồng thời với kích thước nhỏ giá thành rẻ ưu điểm Vì cảm biến tương tự (analog sensor) nên ta dễ dàng đọc giá trị hàm analogRead Hình 1a Chân cảm biến Hình 1b Cảm biến nhiệt LM35 Hình 6.1b: Sơ đồ chân -LM 35 cảm biến analog -Nhiệt độ xác định cách đo hiệu điện ngõ LM35 -Đơn vị nhiệt độ: °C -Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C LM35 khơng cần phải canh chỉnh nhiệt độ sử dụng Độ xác thực tế: 1/4°C nhiệt độ phòng 3/4°C ngồi khoảng 2°C tới 150°C LM35 có hiệu cao, cơng suất tiêu thụ 60uA Cảm biến LM35 hoạt động cách cho giá trị hiệu điện định chân Vout (chân giữa) ứng với mức nhiệt độ -Ưu điểm: Dễ thực hiên với giá rẻ -Nhược điểm: Nếu dùng phương pháp dễ báo nhầm có nhiều mơi trường nhiệt độ cao khơng xẩy cháy hay nơi xẩy cháy nhiệt độ thay đổi đột ngột Có khói xuất hiện: -Dùng cảm biến khói, quang trở, cảm biến hồng ngoại Đây phương pháp đo mức độ khói để đưa cảnh báo cháy 2.1 Cảm biến khói - Cảm biến MQ135 cảm biến khí dùng thiết bị kiểm tra chất lượng khơng khí phát NH3, NOx, Ancol, Benzen, khói, CO2,… Với tính khoảng đo rộng, phát nhanh độ nhạy cao đặc biệt mạch đơn giản chi phí thấp nên ứng dụng rộng dãi cơng nghiệp dân dụng –Thông số kỹ thuật Điện áp heater: 5V±0.1 AC/DC Điện trở tải: thay đổi (2kΩ-47kΩ) Điện trở heater: 33Ω±5% Công suất tiêu thụ heater: 800mW Khoảng phát hiện: 10 - 300 ppm NH3, 10 - 1000 ppm Benzene, 10 - 300 Alcol Kích thước: 32mm*20mm Hình 2.1a Hình ảnh cảm biến Hình 2.1b Chân cảm biến -Ưu điểm: Dễ thực báo xác -Nhược điểm: Dễ hổng hóc linh kiện mạch điện tử 2.2 Quang trở -Quang trở 5mm điện trở có trở kháng thay đổi có thay đổi ánh sáng chiếu vào.Quang trở giảm trở kháng có ánh sáng tăng trở kháng ánh sáng yếu khơng có ánh sáng.Giá trị trở kháng đo từ vài trăm Ohm mega Ohm.Nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn Các đặc tính điện độ nhạy quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo Hình 2.2a Hình ảnh quang trở quang trở Hình 2.2b:Chân cảm biến ánh sáng dùng Lấy tính chất quang trở để làm mạch Khi có khói qua phần quang trở làm thay đổi cường độ ánh sáng mà quang trở nhận được, từ làm thay đổi điện trở Nắm tính chất phát đâu có khói bốc lên làm tiền đề -Ưu điểm: Dễ dàng làm dễ dàng sử dụng -Nhược điểm: Tính xác khơng cao 2.3 Cảm biến hồng ngoại -Ngun tắc hoạt động: Tất đối tượng với nhiệt độ không độ tuyệt đối phát nhiệt lượng dạng xạ Thường xạ vơ hình mắt người tỏa bước sóng hồng ngoại, phát thiết bị điện tử thiết kế cho mục đích Thuật ngữ thụ động trường hợp đề cập đến thực tế thiết bị PIR không tạo tỏa lượng cho mục đích phát Họ làm việc hoàn toàn cách phát lượng phát đối tượng khác cảm biến PIR khơng phát đo lường "sức nóng"; vào họ phát xạ hồng ngoại phát hay phản xạ từ đối tượng -Từ nguyên tắc hoạt động cảm biến, phát hồng ngoại Từ tạo điều kiện phát khói, nhiệt độ Ưu điểm: Dễ sử dụng, giá hợp lý Nhược điểm: Dễ bị nhiễu 3.Lượng khí CO2 tăng cao: Cảm biến đo nồng độ khí CO2 -Ứng dụng: Thích hợp cho mơi trường nhỏ hộ gia đình, nơi chưa gas B oard mạch có tích hợp cảm biến khí CO2 MG811, tùy chỉnh khuếch đại tín hiệu ngõ Cảm biến MG811 có độ nhạy cao với khí CO2 độ nhạy thấp với Alcohol khí CO Thích hợp cho mơi trường khơng khí bình thường, q trình lên men, mơi trường khép kín, phòng thí nghiệm, Điện áp ngõ mạch tăng theo độ tăng khí CO2 Thơng số kỹ thuật: -Dải đo khí CO: to 10000ppm -Ngõ tín hiệu tương tự số Có led báo mạch hoạt động led báo nguồn -Tốc độ hồi đáp độ nhạy cao, chạy ổn định, tuổi thọ dài -Thích hợp với ứng dụng có sử dụng vi điều khiển -Điện áp hoạt động: 6V DC Kích thước: 31 mm X 22mm X 29mm Ngồi dùng cảm biến khí ga MQ2 hay cảm biến khí Oxi Nếu dùng cảm biến đo khí tổng hợp Hình 3a Hình ảnh cảm biến chân cảm biến Hình 3c Thơng số cảm biến Ưu điểm: Chính xác Nhược điểm: Chi phí đắt Kết hợp tổng hợp phương án 4.1 Kết hợp Dùng cảm biến nhiệt độ với dùng cảm biến khói: Phương pháp có ưu điểm xác theo dõi ngày Nó giám sát hiệu Tuy nhiên dễ hổng linh kiện điện tử, cần kiểm tra thường xuyên 4.2 Kết hợp dùng cảm biến nhiệt độ với cảm biến đo nồng độ khí 4.3 Kết hợp cảm biến đo nồng độ khí với cảm biến khói Chương 3: Lựa chọn phương án thiết kế triển khai thực Đặt vấn đề: -Ở đám cháy dấu hiệu nhận biết rõ ràng vấn dấu hiệu khói Tuy nhiên để theo dõi ngày cần để ý đến nhiệt độ Vì để hệ thống cảnh báo cháy hoạt động hiệu ta dùng phương án dùng cảm biến nhiệt độ để theo dõi ngày dùng cảm biến khói để cảnh báo cháy Ngồi chi phí cho hệ thống rẻ, dễ dàng thực nên thuận tiện cho người thực Triển khai thực theo phương án định sẵn VOUT(0) IOUT Logic điện áp EOC Dòng trạng thái V V0 = 5V V0 = 0V -3 μA μA f Chọn kênh CHỌN KÊNH TƯƠNG TỰ IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 3.1 ĐƯỜNG ĐỊA CHỈ C L L L L H H H H B L L H H L L H H A L H L H L H L H g Đặc tính chuyển đổi Lược đồ thời gian 22 3.Phần code #include //khai bao ket noi LCD sbit lcd_rs = P1^0; sbit lcd_en = P1^1; sbit lcd_d4 = P1^4; sbit lcd_d5 = P1^5; sbit lcd_d6 = P1^6; sbit lcd_d7 = P1^7; 23 //Khai bao ket noi ADC0808 sbit adc_adda = P2^4; sbit adc_addb = P2^5; sbit adc_addc = P2^6; sbit adc_oe = P2^2; sbit adc_start = P2^0; sbit adc_eoc = P2^1; sbit adc_ale = P2^7; sbit adc_clock = P2^3; //sbit adc_vref = P1^2; #define adc_data P0 //#define adc_vref 2.5 //Ket noi voi Relay sbit relay_en = P1^3; unsigned int dem; //ham tao delay void delay_ms(unsigned int t) { unsigned int x, y; for(x=0;x4);//gui bit cao lcd_enable(); 25 lcd_send4(cmd);// gui bit thap lcd_enable(); } //Ham clear LCD void lcd_clear() { lcd_cmd(0x01); delay_ms(1); } //ham viet du lieu len LCD void lcd_write_data(unsigned char c) { lcd_rs = 1; //can ghi du lieu len LCD lcd_send4(c>>4);//gui bit cao lcd_enable(); lcd_send4(c);// gui bit thap lcd_enable(); } //ham khoi tao cho LCD hoat dong void lcd_init() { lcd_send4(0x00); delay_ms(20); lcd_rs=0; lcd_send4(0x03); 26 lcd_enable(); delay_ms(5); lcd_enable(); delay_ms(1); lcd_enable(); lcd_send4(0x02); lcd_enable(); lcd_cmd( 0x28 ); // giao thuc bit, hien thi hang, ki tu 5x8 lcd_cmd(0x01); //xoa man hinh lcd_cmd(0x0C); //bat hien thi tat tro } ////ham viet ky tu len mot vi tri bat ky tren LCD //void lcd_write(unsigned char row, unsigned char col, char c) //{ // unsigned char cmd; // cmd = (row==1?0x80:0xC0)+col-1;// cot -1) // lcd_cmd(cmd); // lcd_write_data(c); neu hang = thi tro o vi tri (0x80; //di chuyen tro den vi tri can den //} //ham viet chuoi ky tu void lcd_chuoi(char *str) { int i = 0; 27 while(str[i] != 0) { lcd_write_data(str[i]); i++; } } //ham viet chuoi ky tu len vi tri bat ky void lcd_chuoibatky(unsigned char row, unsigned char col, char *str) { unsigned char cmd; cmd = (row==1?0x80:0xC0) + col - 1; lcd_cmd(cmd); lcd_chuoi(str); } // NGAT TIMER //chuong trinh ngat timer0 void timer0overflow(void) interrupt { adc_clock = !adc_clock; } //chuong trinh ngat ngoai1 void external_interrupt(void) interrupt 28 { relay_en = 1; dem = 1; } // ADC //Ham khoi tao ADC void adc_init() { adc_start = 0; adc_ale = 0; adc_oe = 0; } //Ham doc ADC unsigned char adc_read(unsigned char kenh) { unsigned char ketqua; adc_adda = kenh & 0x01; //giu lai bit cua kenh adc_addb = kenh & 0x02; //giu lai bit cua kenh adc_addc = kenh & 0x04; adc_ale = 1; adc_start = 1; adc_ale = 0; adc_start =0; while(adc_eoc); //cho eoc het muc 29 while(!adc_eoc);//cho eoc het muc adc_oe = 1; ketqua = adc_data; adc_oe = 0; return ketqua; } // //Ham cau hinh cho Timer0 void timer0() { // TMOD &= 0xF0; // TMOD |= 0x01; //che 16 bit //// TMOD = 0x01; TMOD = 0x02; TH0 = 236; TL0 = 236;// tre 20us ET0=1;//cho phep ngat timer0 EX1 =1; //cho phep ngat ngoai EA=1; TR0=1;//chay timer0 } //Ham viet nhiet void nhietdo(unsigned int t) { lcd_cmd(0x02); 30 lcd_chuoi("Nhiet do: "); lcd_write_data(t%100/10 +0x30); lcd_write_data(t%10 +0x30); lcd_write_data(0xDF); lcd_write_data('C'); } void main() { unsigned char adc_value, adc_value1; unsigned int t; relay_en = 1; lcd_init(); adc_init(); timer0(); lcd_chuoi(" DO NHIET DO"); delay_ms(1000); lcd_clear(); lcd_chuoi("NGUYEN MINH DUC"); lcd_chuoibatky(2,1,"MSSV 20131018"); delay_ms(1000); lcd_clear(); lcd_chuoi("NGUYEN HONG DIEN"); lcd_chuoibatky(2,1,"MSSV 20130555"); delay_ms(1000); lcd_clear(); 31 while(1) { adc_value = adc_read(7); t = adc_value*1.0f; nhietdo(t); adc_value1 = adc_read(2); if(adc_value1 >= 0x80) { lcd_chuoibatky(2,1,"Co gas"); if(dem == 0) relay_en = 0; else relay_en = 1; } else { dem = 0; lcd_chuoibatky(2,1," "); relay_en = 1; nhietdo(t); } delay_ms(500); } } 32 Chương 4: Mô phỏng, chạy thử kết luận Mơ 33 Hình 1a Mơ tồn hệ thống 34 Hình 1b Mơ đo nhiệt độ Các phần mô chạy chương trình proteus 2.Chạy thử Hệ thống chạy thử có tính xác tương đối cao 3.Kết luận Hệ thống dùng để báo cháy với lý Bởi làm từ cảm biến khói, dấu hiệu hầu hết vụ cháy Có thể sử dụng hệ thống phạm vi gia đình, cơng xưởng, nhà máy hay cơng nghiệp nói chung Ngồi báo động chung cư, cảnh báo cháy rừng… Nếu khơng cần báo cháy hệ thống theo dõi nhiệt độ qua dùng động tác điều khiển kèm theo 35 Tài liệu tham khảo [1]Điện tử số-Lương Ngọc Hải, Lê Hải Sâm,Nguyễn Trinh Đường, Nguyễn Quốc Cường,Trần Văn Tuấn [2]Giáo trình vi xử lý 8051-Phạm Hùng Kim Khánh [3]Data sheet cảm biến dùng đồ án [4]Trang web linhkien69……… [5]Tài liệu hệ thống cảnh báo cháy internet, hình ảnh 36 ... trở 5mm điện trở có trở kháng thay đổi có thay đổi ánh sáng chiếu vào.Quang trở giảm trở kháng có ánh sáng tăng trở kháng ánh sáng yếu khơng có ánh sáng.Giá trị trở kháng đo từ vài trăm Ohm mega... cảm quang có nhiệm vụ theo dõi cân tín hiệu chùm tia sáng Đầu báo hoạt động nguyên lý làm mờ ánh sáng đối nghịch với nguyên lý tán xạ ánh sáng (cảm ứng khói đầu báo) - Đầu báo khói loại Beam có... thấy có nguy hiểm cao độ, nơi mà ánh sáng lửa dấu hiệu tiêu biểu cho cháy (ví dụ kho chứa chất lỏng dễ cháy) - Đầu báo lửa nhạy cảm tia cực tím nghiên cứu tỉ mỉ để tránh tình trạng báo giả Đầu dò