Đồ án Kỹ thuật: đồ án thiết kế hệ thống báo cháy thông minh qua điện thoại

Báo cáo đồ án thiết kế hệ thống báo cháy thông minh qua điện thoại sử dụng PIC 18F4520 với cảm biến khí gas và nhiệt độ để phát hiện cháy nổ

• Tác giả: Đinh Ngọc Anh
• Người hướng dẫn: Th. Phạm Văn Chiến
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Báo Cháy Thông Minh Qua Điện Thoại Sử Dụng PIC 18F4520, Cảm Biến Khí Gas Và Cảm Biến Nhiệt
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Hệ thống Báo cháy Thông minh

Đồ án thiết kế hệ thống báo cháy thông minh là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm bảo vệ tính mạng và tài sản của con người. Trong bối cảnh hiện nay, khi việc sử dụng khí gas trong nấu ăn và công nghiệp đã trở nên phổ biến ở hầu hết các gia đình và doanh nghiệp, nguy hiểm từ rò rỉ khí gas và cháy nổ ngày càng gia tăng. Đồ án này tập trung vào việc phát triển một hệ thống báo cháy tự động sử dụng công nghệ vi điều khiển PIC 18F4520 kết hợp với các cảm biến khí gas MQ2 và cảm biến nhiệt độ LM35. Mục đích chính là phát hiện sớm các tình huống nguy hiểm và gửi cảnh báo trực tiếp đến người dùng qua điện thoại, giúp ngăn ngừa các thảm họa hỏa hoạn trước khi chúng xảy ra.

1.1. Vai trò và Ý nghĩa của Hệ thống Báo cháy Thông minh

Hệ thống báo cháy thông minh đóng vai trò vô cùng quan trọng trong bảo vệ an toàn cho con người. Với khả năng phát hiện khí gas rò rỉ và nhiệt độ cao bất thường, hệ thống có thể cảnh báo sớm để tránh hỏa hoạn. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài nằm ở khả năng gửi thông báo qua điện thoại cho chủ nhân, cho phép họ can thiệp kịp thời. Điều này giảm thiểu rủi ro cháy nổ, bảo vệ tài sản gia đình và an toàn sinh mạng của mọi người trong ngôi nhà.

1.2. Nguyên lý Hoạt động Cơ bản

Nguyên lý hoạt động của đồ án thiết kế hệ thống báo cháy dựa trên việc sử dụng cảm biến đa chức năng để phát hiện nguy hiểm. Cảm biến khí gas MQ2 phát hiện nồng độ khí gas, trong khi cảm biến nhiệt độ LM35 giám sát nhiệt độ môi trường. Khi các thông số vượt quá giới hạn an toàn, vi điều khiển PIC 18F4520 sẽ kích hoạt module SIM800L để gửi tin nhắn cảnh báo đến điện thoại người dùng, đồng thời kích hoạt còi báo động để cảnh báo tại chỗ.

II. Cấu trúc Hệ thống và Các Thành phần Chính

Cấu trúc hệ thống báo cháy thông minh được thiết kế một cách hợp lý để đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy. Hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm được tích hợp chặt chẽ. Vi điều khiển PIC 18F4520 là trái tim của hệ thống, xử lý tất cả các tín hiệu từ cảm biến. Mạch giảm áp Buck LM2596 đảm bảo cung cấp điện áp ổn định cho các linh kiện. Module SIM800L cung cấp kết nối mạng di động để gửi SMS cảnh báo. Các cảm biến được gắn tại những vị trí chiến lược để phát hiện khí gas và nhiệt độ hiệu quả, tạo nên một hệ thống báo cháy hoàn chỉnh có khả năng phát hiện nhanh và thông báo kịp thời.

2.1. Vi điều khiển PIC 18F4520 Bộ não của Hệ thống

Vi điều khiển PIC 18F4520 là bộ xử lý trung tâm của hệ thống báo cháy, với nhiều tính năng ưu việt. Nó có 8 kênh ADC cho phép chuyển đổi tín hiệu analog từ các cảm biến thành dữ liệu số. Bộ nhớ ROM và EEPROM lưu trữ chương trình điều khiển và dữ liệu cấu hình. Với tốc độ xử lý nhanh, PIC 18F4520 có thể xử lý đa nhiệm, theo dõi nhiều cảm biến cùng lúc, đảm bảo không có tín hiệu báo động khí gas rò rỉ hay cháy nào bị bỏ sót.

2.2. Module SIM800L và Kết nối Viễn thông

Module SIM800L là thành phần quan trọng cho phép hệ thống báo cháy giao tiếp với người dùng qua mạng di động. Module này hỗ trợ gửi SMS, gọi điện và truyền dữ liệu GPRS. Khi vi điều khiển phát hiện khí gas cao hoặc nhiệt độ bất thường, nó sẽ lệnh cho module SIM800L gửi thông báo cảnh báo ngay lập tức đến điện thoại người dùng, cho dù họ ở đâu xa đi nữa, đảm bảo an toàn tối đa cho ngôi nhà.

III. Các Cảm biến Sử dụng trong Đồ án

Các cảm biến là những thành phần then chốt trong đồ án thiết kế hệ thống báo cháy. Cảm biến khí gas MQ2 được thiết kế đặc biệt để phát hiện khí gas với độ nhạy cao, có thể cảm nhận nồng độ khí gas ngay từ mức thấp trước khi tình huống trở nên nguy hiểm. Cảm biến nhiệt độ LM35 cung cấp đo đạc nhiệt độ chính xác trong phạm vi -55°C đến +150°C. Cả hai cảm biến này hoạt động độc lập nhưng đồng bộ, tạo nên một hệ thống phát hiện toàn diện. Khi một trong cảm biến phát hiện sự bất thường, vi điều khiển sẽ xác nhận lại bằng cảm biến khác để tránh báo động giả, đảm bảo tính chính xác của hệ thống báo cháy.

3.1. Cảm biến Khí Gas MQ2 Phát hiện Rò rỉ Gas

Cảm biến MQ2 sử dụng công nghệ cảm biến từ điện trở, có thể phát hiện nhiều loại khí bao gồm LPG, CH4, CO. Khi nồng độ khí gas thay đổi, điện trở của cảm biến cũng thay đổi theo, tạo ra tín hiệu analog được gửi đến ADC của PIC 18F4520. Cảm biến MQ2 có thời gian phản ứng nhanh, giúp hệ thống báo cháy phát hiện khí gas rò rỉ trong vòng vài giây, cho phép can thiệp nhanh chóng trước khi hỏa hoạn xảy ra.

3.2. Cảm biến Nhiệt độ LM35 Giám sát Nhiệt độ Môi trường

Cảm biến LM35 là cảm biến nhiệt độ tuyến tính, cung cấp điện áp đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ. Nó có độ chính xác cao với sai số chỉ ±0.5°C và phản ứng rất nhanh. Cảm biến LM35 được sử dụng để giám sát nhiệt độ phòng, nếu nhiệt độ vượt quá mức đặt sẵn, hệ thống sẽ phát cảnh báo cháy, tức là có khả năng hỏa hoạn. Sự kết hợp giữa phát hiện khí gas và nhiệt độ giúp hệ thống báo cháy có độ tin cậy cao hơn.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng Phát triển

Đồ án thiết kế hệ thống báo cháy thông minh có ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Nó có thể được lắp đặt trong gia đình để bảo vệ toàn bộ ngôi nhà, hoặc được triển khai trong các công xưởng để giám sát an toàn cho người lao động. Hệ thống báo cháy cũng có thể được tích hợp vào các tòa nhà cao tầng và các cơ sở công cộng để tăng cường bảo vệ. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp AI để học hỏi hành vi người dùng, kết nối với các dịch vụ khẩn cấp để gọi cảnh sát/cứu hỏa tự động, và sử dụng IoT để quản lý nhiều hệ thống từ một ứng dụng di động duy nhất, tạo nên một giải pháp bảo vệ toàn diện cho an toàn cộng đồng.

4.1. Ứng dụng trong Gia đình và Công xưởng

Hệ thống báo cháy thông minh là giải pháp lý tưởng cho gia đình hiện đại nơi sử dụng khí gas hàng ngày. Với giá thành phải chăng và dễ cài đặt, mọi gia đình đều có thể lắp đặt hệ thống này. Trong công xưởng, hệ thống báo cháy giúp bảo vệ tài sản và an toàn lao động. Chủ xưởng có thể theo dõi tình trạng thông qua ứng dụng di động, và nhân viên sẽ nhận được cảnh báo tức thì nếu có khí gas rò rỉ hoặc cháy.

4.2. Hướng Phát triển Tương lai với IoT và AI

Trong tương lai, đồ án báo cháy thông minh có thể được nâng cấp với công nghệ IoT để kết nối nhiều cảm biến trong một hệ thống tập trung. Tích hợp AI sẽ cho phép hệ thống báo cháy dự đoán nguy hiểm dựa trên dữ liệu lịch sử. Kết nối trực tiếp với dịch vụ khẩn cấp như cảnh sát và cứu hỏa sẽ tự động gửi thông tin khi phát hiện cháy, giảm thời gian ứng cứu và cứu người hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Sơ lược về đề tài [1] 1. Giới thiệu về hệ thống báo cháy Hệ thống báo cháy là một hệ thống gồm nhiều thiết bị hoạt động cùng nhau giúp phát hiện và cảnh báo sự cố cháy thông qua những thiết bị hình ảnh âm thanh khi có sự thay đổi của các yếu tố môi trường ví dụ như khói, lửa, carbon monoxide hoặc các trường hợp khẩn cấp khác. Các báo động này có thể được kích hoạt tự động thông quá các đầu báo cháy hoặc qua các thiết bị kích hoạt báo cháy thủ công.

Báo động có thể là tiếng chuông, tiếng còi và đèn báo cháy. Tùy thuộc vào từng quốc gia và nhà sản xuất thiết bị mà âm thanh báo cháy có thể được cài đặt ở một số tần số nhất định và nhiều âm khác nhau gồm thấp, trung bình và cao. Vai trò và ý nghĩa 1. Vai trò Hệ thống báo cháy có một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho con người và hạn chế thiệt hại và tài sản trước các trường hợp hỏa hoạn.

Hệ thống báo cháy bảo vệ bạn 24 giờ mỗi ngày, khi bạn thức, khi bạn ngủ, khi bạn ra ngoài, … Các hệ thống báo cháy tự động hiện nay rất thông minh, chúng có thể: - Thông báo cho mọi người biết về sự hiện diện của đám cháy để mọi người có thể nhanh chóng đưa ra các phương án sơ tán, cứu chữa kịp thời. - Tự động gọi dịch vụ cứu hỏa. - Cho biết chính xác vị trí đám cháy để đội cứu hỏa có thể đến đó càng sớm càng tốt. - Giảm thiểu các báo động giả gây phiền nhiễu do các thiết bị báo cháy cũ gây ra.

- Trong trường hợp có lỗi hệ thống sẽ cho biết chính xác vấn đề nằm ở đâu. Ý nghĩa Để khắc phục những hậu quả trên và làm giảm tỉ lệ thiệt hại xuống mức thấp nhất, mạch cảm biến khí gas sẽ có nhiệm vụ báo động cho người sử dụng biết khi 10 phát hiện có sự rò rỉ khí gas ra ngoài, giúp người dùng 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 tổn thất không đáng có. Chỉ với một khoản kinh phí nhỏ, nhưng nó sẽ đảm bảo an toàn cho mọi gia đình hay các công ty xí nghiệp đều có thể sử dụng, tránh rủi ro trong quá trình làm việc.

Và người dùng sẽ không phải lo ngại đến giá thành của sản phẩm. Nguyên lý hoạt động của hệ thống báo cháy Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.1: Sơ đồ hoạt động hệ thống báo cháy hoàn chỉnh Hệ thống báo cháy hoàn chỉnh có 3 nhóm thiết bị trong mỗi hệ thống báo cháy bao gồm tủ trung tâm, thiết bị đầu vào và thiết bị đầu ra. Tủ trung tâm là “bộ não” của hệ thống; về cơ bản, nó nhận dữ liệu từ các thiết bị đầu vào, xử lý các dữ liệu đó và sau đó kích hoạt các thiết bị đầu ra. Các hoạt động của tủ trung tâm được lập trình theo các tình huống báo cháy; các tình huống này nên được xác định bởi các chuyên gia theo tính chất của tòa nhà.

Hệ thống báo cháy thường được cài đặt để làm việc dưới 3 chế độ: trạng thái giám sát, trạng thái sự cố và trạng thái báo cháy. 11 12 Trạng Thái Giám Sát Khi không có đám cháy hay sự cố lỗi nào, hệ thống báo cháy sẽ hoạt động ở trạng thái giám sát. Ở chế độ này, trong mạch vẫn luôn có dòng điện đi qua; tủ trung tâm báo cháy liên tục gửi tín hiệu và nhận tín hiệu từ các thiết bị đầu vào và đầu ra trong hệ thống. Trạng Thái Sự Cố Trong trường hợp tủ trung tâm gửi tín hiệu đi nhưng không nhận được tín hiệu phản hồi hoặc nhận được tín hiệu báo lỗi, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái sự cố.

Tùy thuộc vào sự cố đó là gì mà đèn trên tủ trung tâm tương ứng với lỗi sẽ sáng lên. Khi lỗi được khắc phục, hệ thống sẽ trở về chế độ giám sát. Trạng Thái Báo Cháy Khi có sự cố cháy, thiết bị đầu vào có thể được kích hoạt tự động hoặc thủ công tùy thuộc vào cơ chế làm việc của chúng. Khi các thiết bị đầu vào được kích hoạt, chúng sẽ gửi tín hiệu đến tủ trung tâm rằng có trường hợp khẩn cấp.

Sau đó, tủ trung tâm kích hoạt các thiết bị đầu ra và đưa ra các cảnh báo hình ảnh (bảng hiển thị phụ), âm thanh (còi/chuông báo cháy), ánh sáng (đèn báo cháy), … Các Lỗi Thường Gặp Khi Sử Dụng Hệ Thống Báo Cháy Giống như nhiều thiết bị khác, đôi khi hệ thống báo cháy sẽ phát sinh các lỗi bất ngờ dẫn đến không hoạt động, hoạt động không ổn định hoặc phát tín hiệu sai. Những lỗi thường gặp nhất bao gồm: - Chuông không thể bật hoặc báo đèn khi hết pin - Thiết bị đầu vào được lắp đặt sai vị trí nên không nhận được những tín hiệu như khói, lửa, khí gas, … - Hệ thống báo cháy không được bảo trì đúng cách dẫn đến hư hỏng. - Phụ thuộc quá nhiều vào đầu báo khói hoặc đầu báo nhiệt: vì đầu báo nhiệt và đầu báo khói phát hiện các yếu tố khác nhau của đám cháy, nên việc sử dụng cả hai là điều vô cùng quan trọng. Đầu báo nhiệt sẽ chỉ kích hoạt khi nhiệt độ phòng được nâng lên đến một nhiệt độ nhất định; ngược lại, đầu báo khói sẽ chỉ truyền tín 13 hiệu khi có quá nhiều khói trong không khí.

Do đó, tốt nhất, bạn nên sử dụng kết hợp cả hai loại đầu báo cháy này trong tòa nhà của mình. Yêu cầu, tiêu chuẩn của hệ thống Trong phần này sẽ giới thiệu những yêu cầu và tiêu chuẩn thiết kế cơ bản về hệ thống báo cháy dựa trên các tiêu chuẩn đã được ban hành tại Việt Nam. Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.2: Lắp đặt hệ thống báo cháy Các Tiêu Chuẩn Về Hệ Thống Báo Cháy Tại Việt Nam - TCVN 5738:2001: Hệ thống báo cháy- Yêu cầu kỹ thuật - TCVN 7568-14:2015: Hệ thống báo cháy- Phần 14: Thiết kế, lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng các hệ thống báo cháy trong nhà và xung quanh tòa nhà Các Tiêu Chuẩn Nước Ngoài Tiêu Biểu Về Hệ Thống Báo Cháy - ISO 7240-14:2013: Hệ thống phát hiện và báo cháy - BS 5839-1: Hệ thống phát hiện và báo cháy cho các tòa nhà - Tiêu chuẩn Anh - NFPA 72: Mã báo cháy quốc gia Mỹ 14 1. Cấu trúc hệ thống báo cháy Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.3: Các thiết bị báo cháy Một hệ thống báo cháy hoàn chỉnh thường sẽ được cấu thành từ các thiết bị chính bao gồm tủ trung tâm, thiết bị đầu vào, thiết bị đầu ra, nguồn điện, dây dẫn.

Ngoài ra, một số hệ thống còn có thêm hệ thống báo cháy liên lạc cảnh báo bằng giọng nói. Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.4: Tủ trung tâm điều khiển báo cháy Tủ trung tâm điều khiển báo cháy là thành phần trung tâm của cả hệ thống. Nó có vai trò cung cấp năng lượng và thực hiện các chức năng như là: - Nhận tín hiệu từ đầu báo cháy tự động, cảm biến và phát hiện tín hiệu báo động cháy, chỉ thị nơi xảy ra sự cố. - Có thể truyền tín hiệu phát hiện cháy qua thiết bị truyền tín hiệu đến nơi nhận tin báo cháy hoặc/và đến các thiết bị phòng cháy tự động.

15 - Kiểm tra sự làm việc bình thường của hệ thống, chỉ thị sự cố của hệ thống như chập mạch, đứt dây,. - Có thể tự động điều khiển mọi hoạt động của các thiết bị ngoại vi khác. Thiết bị đầu vào của một hệ thống báo cháy là một thiết bị nhạy cảm với các hiện tượng liên quan đến sự cháy (nhiệt độ tăng cao, khói, tia lửa, ánh sáng, …). Chúng có nhiệm vụ tiếp nhận thông tin tại nơi xảy ra sự cố cháy và truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy.

Thiết bị đầu vào gồm các đầu báo cháy và công tắc khẩn báo cháy thủ công. Thiết bị đầu ra nhận tín hiệu từ trung tâm báo cháy truyền đến và phát đi tín hiệu bằng âm thanh (còi, chuông), ánh sáng (đèn), hình ảnh (bảng hiển thị phụ) để thông báo cho mọi người biết về sự hiện diện của đám cháy và các phương án cần thiết (thường là sơ tán). Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.5: Nút nhấn khẩn Công tắc khẩn được lắp đặt ở những nơi dễ thấy của hành lang, các cầu thang để sử dụng khi cần thiết. Thiết bị báo cháy này cho phép người sử dụng chủ động truyền thông tin báo cháy bằng cách nhấn hoặc kéo vào công tắc khẩn, báo động khẩn cấp cho mọi người đang hoạt động trong tòa nhà biết đến và các biện pháp xử lý hỏa hoạn và di tản nhanh chóng thông qua lối thoát hiểm.

Công tắc khẩn gồm các loại bao gồm: - Công tắc khẩn tròn, vuông. - Công tắc khẩn kính vỡ. 16 - Công tắc khẩn dạng kéo. Module Giám Sát Với hệ thống báo cháy địa chỉ, thiết bị đầu vào sẽ có thêm module giám sát.

Module giám sát có nhiệm vụ giám sát trạng thái của thiết bị, thông thường là giám sát tiếp điểm NO (bình thường mở), NC (bình thường đóng). Riêng module giám sát cho đầu báo thì thường có thêm nhiệm vụ cấp nguồn cho đầu báo. Có thể sử dụng module giám sát cho đầu báo để giám sát tất cả các thiết bị nhưng module giám sát các thiết bị khác thì không giám sát được đầu báo. Tùy theo chức năng mà module giám sát sẽ được chia thành nhiều loại: - Module giám sát đầu báo cháy - Module giám sát cho công tắc dòng chảy - Module giám sát cho nút ấn báo cháy - Module giám sát các thiết bị ngoại vi khác.

Module điều khiển được sử dụng để tích hợp các hệ thống báo cháy và các hệ thống điện hoặc cơ khí khác trong tòa nhà. Khi xảy ra cháy, các module đầu ra kiểm soát các hệ thống khác trong trường hợp hỏa hoạn để thực hiện các phương án đã được lập trình: thang máy có thể được hạ xuống tầng 1, hệ thống thông gió hút khói hoạt động, … Chuông báo cháy được đặt tại phòng bảo vệ, phòng trực ban, hành lang, cầu thang và những khu vực đông người để thông báo cho người xung quanh biết sự cố cháy đang xảy ra để có phương án xử lý, sơ tán kịp thời. 17 Hình TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.6: Chuông Báo Cháy Đèn báo cháy có công dụng phát tín hiệu báo động bằng ánh sáng, mỗi loại đèn có chức năng khác nhau và được lắp đặt ở các vị trí thích hợp.