[PIC] Hệ Thống Phát Hiện Khí Gas Và Khói Cảnh Báo Qua SMS Sử Dụng PIC16F877A

 

Hệ Thống Phát Hiện Khí Gas Và Khói Cảnh Báo Qua SMS

Mở đầu

Lý do chọn đề tài

Hiện nay do nhu cầu sử dụng nguồn năng lượng là khí gas ngày càng tăng, cùng với đó là nguy cơ cháy nổ do rò rỉ khi sử dụng khí gas cũng ngày một nhiều cho nên nhu cầu cấp thiết hiện nay khi sử dụng khí gas làm sao giảm được các sự cố không đáng có của khí gas gây ra cho người sử dụng.

Để giải quyết được vấn đề trên chúng ta nên biết sử dụng khí gas một cách an toàn hạn chế sự cố như khóa van sau khi sử dụng, kiểm tra van và bếp định kỳ hoặc lắp thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas. Trong đó việc lắp thiết bị cảnh báo rò rỉ khí gas là một biện pháp ưu tiên được đưa lên hàng đầu về độ an toàn, với kết cấu đơn giản và giá cả hợp lý, đây là sự lựa chọn hàng đầu cho người tiêu dùng về các thiết bị lắp đặt.

Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu tổng quát

Phát hiện một cách nhanh chóng và kịp thời đưa ra cảnh báo khi phát hiện cháy, khói, lửa hay rò rỉ khí gas để tránh những sự cố cháy nổ không đáng có cho người dùng.

Mục tiêu cụ thể

- Cảnh báo bằng còi và màn hình LCD 16X2 khi phát hiện khí gas hoặc khói.
- Cảnh báo qua tin nhắn điện thoại khi phát hiện gas hoặc khói.
- Thực hiện việc mở cửa sổ và bật thông gió để có thể làm thoát khí gas và khói ra ngoài.
- Đảm bảo an toàn, chính xác và kịp thời.

Nội dung thực hiện

- Dùng cảm biến MQ2, MQ3 để có thể phát hiện khí gas và khói.

- Cảnh báo bằng còi, màn hình lcd và qua tin nhắn khí phát hiện khí gas và khói.
- Đồng thời thực hiện việc mở cửa và bật thông gió để giúp thoát khí gas và khói ra ngoài.

Phương pháp tiếp cận

- Áp dụng kiến thức đã học vào lập trình.
- Sử dụng các tài liệu liên quan để hỗ trợ việc lập trình.
- Tham khảo ý kiến đóng góp của giảng viên hướng dẫn.
- Tham khảo trên mạng Internet.

Kết quả dự kiến

- Mạch hoạt động đúng với các chức năng đặt ra.
- Đảm báo được tính án toàn và chuẩn xác.

Cơ sở lý thuyết

Linh kiện điện tử, vi điều khiển, cảm biến

Vi điều khiển PIC16F877A

Xem tại: Giới thiệu về PIC16F877A

Cảm biến

a. Cảm biến khí gas MQ2

● Cấu trúc bên trong của cảm biến khí MQ2.
▪ Lớp vở ngoài của cảm biến MQ2.
Cảm biến thực sự được bao bọc trong hai lớp lưới thép không gỉ tốt được gọi là Mạng chống cháy nổ. Nó đảm bảo rằng bộ phận làm nóng bên trong cảm biến sẽ không gây nổ, vì nó đang cảm nhận khí dễ cháy.

Hình 1: Cảm biến MQ2

Nó cũng cung cấp sự bảo vệ cho cảm biến và lọc bỏ các hạt lơ lửng để chỉ các phần tử khí mới có thể đi qua bên trong buồng. Lưới được liên kết với phần còn lại của cơ thể thông qua một vòng kẹp mạ đồng.

▪ Cấu tạo bên trong

Hình 2: Cấu tạo bên trong cảm biến MQ2

Đây là cách cảm biến trông như thế nào khi loại bỏ lưới bên ngoài. Cấu trúc hình ngôi 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 đốt nóng phần tử cảm biến và được kết nối qua cuộn dây Niken-Crom, hợp kim dẫn điện nổi tiếng.
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.

Hình 3: Phần tử cảm biến

Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm nhôm Oxit (AL2O3) và có một lớp phủ Thiếc Dioxit (SnO2). 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 4: Cuộn dây Niken-Crom và gốm

Vì vậy, cuộn dây Niken-Crom và gốm dựa trên Oxit nhôm tạo thành một Hệ thống sưởi; trong khi dây Bạch kim và lớp phủ Thiếc Dioxit tạo thành Hệ thống cảm biến.
● Tính năng.
MQ-2 sử dụng phần tử SnO2 có độ dẫn điện thấp hơn trong không khí sạch, khi khí dễ cháy tồn tại, cảm biến có độ dẫn điện cao hơn, nồng độ chất dễ cháy càng cao thì độ dẫn điện của SnO2 sẽ càng cao và được tương ứng chuyển đổi thành mức tín hiệu điện. MQ-2 là cảm biến khí có độ nhạy cao với LPG, Propane và Hydrogen, mê-tan (CH4) và hơi dễ bắt lửa khác, với chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng khác nhau.
Cảm biến xuất ra cả hai dạng tín hiệu là Analog và Digital, tín hiệu Digital có thể điều chỉnh mức báo bằng biến trở.

Hình 5: Module Cảm biến khí gas MQ2

● Sơ đồ chân cảm biến MQ2.

Hình 6: Sơ đồ chân cảm biến MQ2

Thông tin các chân của cảm biến MQ2

Bảng 1: Thông tin các chân của cảm biến MQ2

Đặc trưng:

▪ Điện áp hoạt động là + 5V

▪ Có thể được sử dụng để đo hoặc phát hiện LPG, Alcohol, Propane, Hydrogen, CO và thậm chí cả methane
▪ Điện áp đầu ra tương tự: 0V đến 5V
▪ Điện áp đầu ra kỹ thuật số: 0V hoặc 5V (TTL Logic)
▪ Có thể được sử dụng như một cảm biến kỹ thuật số hoặc tương tự
▪ Độ nhạy của chân kỹ thuật số có thể được thay đổi bằng cách sử dụng chiết áp
▪ Hệ thống sưởi tiêu thụ: <800mw
▪ Phạm vi nồng độ: 200 - 10000ppm

Linh kiện điện tử

a. Module sim800l
● Giới thiệu về Module sim800l
Module sim800L dùng điều khiển thiết bị hoặc cảnh báo từ xa thông qua mạng di động như gọi điện, nhắn tin, GPRS. Dễ giao tiếp với các họ vi điều khiển như Pic, 8051, AVR, Arduino…
Module Sim 800l được ứng dụng rộng rãi ngoài thực thế, các phòng thông minh, ngôi nhà thông minh, IOT…

Hình 7: Module Sim800L

Thông số kỹ thuật Module sim800L

Bảng 2: Thông số kỹ thuật

● Chức năng các chân của module sim 800L
- VCC: Nguồn vào 4.2V.
- TXD: Chân truyền Uart TX.
- RXD: Chân nhận Uart RX.
- DTR: Chân UART DTR, thường không xài.
- SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh.
- MICP, MICN: ngõ vào âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh.
- Reset: Chân khởi động lại Sim800L.
- RING: báo có cuộc gọi đến
- GND: Chân Mass, cấp 0V.

● Tập lệnh AT của Module sim800L cần giao tiếp vi điều khiển
Các lệnh chung
- Lệnh: AT<CR><LF>
- Mô tả: Kiểm tra đáp ứng của Module Sim 900A, nếu trả về OK thì
Module hoạt động
- Lệnh: ATE[x]<CR><LF>
- Mô tả: Chế độ echo là chế độ phản hồi dữ liệu truyền đến của module Sim 900A, x = 1 bật chế độ echo , x = 0 tắt chế độ echo (bạn nên tắt chế độ này khi giao tiếp với vi điều khiển)
- Lệnh: AT+IPR= [baud rate] <CR><LF>
- Mô tả: cài đặt tốc độ giao tiếp dữ liệu với Module Sim800C, chỉ cài được các tốc độ sau
- baud rate: 0 (auto), 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200
- Lệnh: AT&W<CR><LF>
- Mô tả: lưu lại các lệnh đã cài đặt

Các lệnh điều khiển cuộc gọi
- Lệnh: AT+CLIP=1<CR><LF>
- Mô tả: Hiển thị thông tin cuộc gọi đến
- Lệnh: ATD[Số_điện_thoại]; <CR><LF>
- Mô tả: Lệnh thực hiện cuộc gọi
- Lệnh: ATH<CR><LF>

- Mô tả: Lệnh thực hiện kết thúc cuộc gọi, hoặc cúp máy khi có cuộc gọi đến
- Lệnh: ATA<CR><LF>
- Mô tả: Lệnh thực hiện chấp nhận khi có cuộc gọi đến
Các lệnh điều khiển tin nhắn
- Lệnh: AT+CMGF=1<CR><LF>
- Mô tả: Lệnh đưa SMS về chế độ Text, phải có lệnh này mới gửi nhận tin nhắn dạng Text
- Lệnh: AT+CMGS = ”Số_điện _thoại”<CR><LF>
- Đợi đến khi có ký tự ‘>’ được gửi về thì đánh nội dung tin nhắn
- Gửi mã Ctrl+Z hay 0x1A hoặc giá trị 26 để kết thúc nội dung và gửi tin nhắn
- Mô tả: Lệnh gửi tin nhắn
- Lệnh: AT+CMGR=x<CR><LF>
- x là địa chỉ tin nhắn cần đọc
- Mô tả: Đọc một nhắn vừa gửi đến, lệnh được trả về nội dung tin nhắn, thông tin người gửi, thời gian gửi
- Lệnh: AT+CMGDA= ”DEL ALL”<CR><LF>
- Mô tả: Xóa toàn bộ tin nhắn trong các hộp thư
- Lệnh: AT+CNMI=2,2<CR><LF>
- Mô tả: Hiển thị nội dung tin nhắn ngay khi có tin nhắn đến
b. Màn hình LCD.

Hình 8: Màn hình LCD1602

Thiết kế mạch điện tử

Mạch điện tử bao gồm các linh kiện điện tử như: Điện trở, bóng bán dẫn, tụ điện, cuộn cảm, điốt, vi mạch…Được nối bằng các dây dẫn với các bộ phận của nguồn. Để thực hiện một nhiệm vụ nào đó trong kỹ thuật điện tử.
Sự kết hợp của các thành phần và dây dẫn cho phép thực hiện các thao tác đơn giản hoặc phức tạp. Có thể truyền tín hiệu có thể được khuếch đại. Các tính toán có thể được thực hiện, và dữ liệu có thể được di chuyển từ nơi này sang nơi khác.
Nguyên tắc chung để thiết kế mạch điện tử:
● Bám sát, đáp ứng yêu cầu thiết kế.
● Mạch thiết kế đơn giản, tin cậy.
● Thuận tiện khi lắp đặt, vận hành và sửa chữa.
● Hoạt động chính xác.
● Linh kiện có sẵn trên thị trường

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống

Trong môi trường không khí sạch, đầu ra của cảm biến MQ2 sẽ xuất ra một dòng điện áp nhỏ. Nếu khi có khí gas rò rỉ với nồng độ vượt ngưỡng cho phép sẽ kích hoạt cảm biến MQ2 xuất ra điện áp ở mức cao và khuếch đại để ra còi báo và đèn led cảnh báo cho người dùng biết có khí gas rò rỉ.

Phân tích và thiết kế hệ thống

Đặc tả yêu cầu hệ thống

Các yêu cầu chức năng

- Cảnh báo kịp thời khi phát hiện rò rỉ khí gas
- Không cần người điều khiển.
- Sử dụng cảm biến MQ2,MQ3 đề phát hiện rò rỉ khí gas
- Đảm bảo an toàn cảnh báo chính xác

Các yêu cầu phi chức năng

- Độ chính xác cao.
- Giá thành tương đối rẻ.

Thiết kế hệ thống

Thiết kế phần cứng cho hệ thống

a. Sơ đồ khối

Hình 9: Sơ đồ khối hệ thống

b. Sơ đồ nguyên lý

Hình 10: Sơ đồ nguyên lý

Thiết kế phần mềm cho hệ thống

a) Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi cảm biến không có tín hiệu gì thì sẽ báo cho người dùng thông qua khối hiển thị rằng vẫn an toàn. Khi có cảm biến nhận được tin hiệu thì sẽ thông báo có gas hoặc khói thông qua khối hiển thị và còi sẽ được bật lên đồng thời sẽ tự động mở cửa sổ và máy thông gió giúp thoát khí gas và khói ra ngoài.
Ngoài ra khi có khí gas hoặc khói thì mỗi 15s hệ thống sẽ gửi thông báo đến số điện thoại của người dùng, người dùng có thể tắt các tin nhắn và còi báo động tại nhà bằng cánh gửi lại hệ thống tin nhắn đã được quy định trước.
b) Lưu đồ thuật toán hệ thống

Hình 11: Lưu đồ thuật toán

Tích hợp và đánh giá hệ thống

Xây dựng và tích hợp hệ thống

Thiết kế phần cứng

Lập trình phần mềm cho hệ thống

Phần mềm PIC C Complier
Phần mềm CCS là trình biên dịch lập trình ngôn ngữ C cho Vi điều khiển PIC của hãng Microchip.
Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dịch riêng biệt cho 3 dòng PIC khác nhau đó là:
● PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes.
● PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes.
● PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit.

Tích hợp hệ thống

● Mạch phải đúng nguyên lý, hoạt động đúng chức năng.
● Lựa chọn linh kiện phù hợp với bài toán.
● Các chân giao tiếp với vi điều khiển và module được nối với nhau, tương thích với chương trình đã viết.

Kiểm thử và đánh giá hệ thống

● Đo khoảng cách từ đầu cảm biến đến vật cản.
● Kiểm tra khoảng cách có nằm trong khoảng đo được.
● Màn hình hiển thị thông tin chính xác chức năng hệ thống.

Hướng dẫn vận hành hệ thống

● Hệ thống hoạt động ổn định với bộ nguồn trong khoảng 9V – 12V DC.

● Sau khi cấp nguồn hệ thống sẽ chờ khoảng 10 giây để khởi động module sim. Sau khi khởi động thành công sẽ gửi tin nhắn thông báo về điện thoại.
● Khi cảm biến phát hiện có khí gas rò rỉ hoặc khói, lửa thì còi cảnh báo sẽ kêu và gửi tin nhắn về điện thoại.

Kết luận

Kết quả đạt được 

● Cách làm việc với vi điều khiển họ PIC.
● Cách giao tiếp giữa vi điều khiển với các module chức năng.
● Cách giao tiếp với module SIM 800L.

Hạn chế của đề tài

● Đồ án chưa có nhiều chức năng.
● Cần đưa thêm cảnh báo khi ngoài khoảng cách có thể đo.

Hướng phát triển của đề tài

● Thêm chức năng cài đặt khoảng cách đo, kiểm tra khoảng cách cần đo.
● Tích hợp thêm còi cảnh báo ngoài khoảng cách đo.

Download Project

Mô phỏng Proteus: Tại đây

Code CCS: Tại đây

Báo cáo (PDF): Tại đây

Báo cáo (PowerPoint): Tại đây

Xem video cách vận hành hệ thống: Đang cập nhật...

Chúc Các Bạn Thành Công!