Chương 1 đã trình bày tổng quan về vấn đề cảnh báo khí gas rò rỉ, nhấn mạnh vào tầm quan trọng của việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị cảnh báo hiệu quả. Tiếp theo, đồ án sẽ tiến hành phân tích chi tiết về các phương pháp và công nghệ hiện có, cũng như đề xuất giải pháp mới cho vấn đề này. 8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ GAS VÀ NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM 2.1 Thiết kế tổng quát Sơ đồ khối của mạch Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch Sơ đồ khối hệ thống: Hệ thống bao gồm các khối chức năng chính sau: Khối cảm biến: Gồm cảm biến khí gas và cảm biến nhiệt độ độ ẩm. 9 Chức năng: thu thập dữ liệu về nồng độ khí gas và các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm trong môi trường.
Khối xử lý: Nhận dữ liệu từ các cảm biến. Xử lý dữ liệu: Phân tích nồng độ khí gas để phát hiện rò rỉ. Cập nhật giá trị nhiệt độ độ ẩm hiện tại. Điều khiển các khối khác theo logic cài đặt.
Khối hiển thị: Hiển thị thông tin nồng độ khí gas, nhiệt độ và độ ẩm trên màn hình LCD hoặc LED. Cung cấp giao diện cho người dùng tương tác với hệ thống (nếu có). Khối cảnh báo: Kích hoạt còi, đèn báo động khi phát hiện rò rỉ khí gas vượt quá ngưỡng cho phép. Có thể kết nối với hệ thống thông gió để tự động kích hoạt khi cần thiết.
Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho các khối chức năng khác trong hệ thống. Yêu cầu khối: Khối cảm biến: Cảm biến khí gas: Loại cảm biến: MQ-2, MQ-8, TGS2602 hoặc tương thích. Độ nhạy cao với khí gas mục tiêu (ví dụ: LPG, CO, Methane). Thời gian đáp ứng nhanh.
Hoạt động ổn định trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ thay đổi. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm: Loại cảm biến: DHT11, DHT22, SHT30 hoặc tương thích. Độ chính xác cao. Hoạt động ổn định trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ thay đổi.
Khối xử lý: Vi điều khiển: Arduino Uno, ESP32, ESP8266 hoặc tương thích. Thuật toán xử lý dữ liệu: Lọc nhiễu cho tín hiệu từ cảm biến. Chuyển đổi tín hiệu cảm biến sang đơn vị đo phù hợp.2 Thiết kế chi tiết Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết của mạch 2.1 Tính toán các linh kiện chi tiết Linh kiện cần thiết: Linh kiện Số lượng Hãng bán Ghi chú ESP32 1 Banlinhkien MQ-2 1 Banlinhkien DHT11 1 Banlinhkien LCD_I2C 1 Banlinhkien Điện trở 2 Banlinhkien Giá trị 1k Led 2 Banlinhkien Nút nhấn 2 Banlinhkien 4 chân ( 12x12x10mm) ESP32: Vi điều khiển chính. MQ-2: Cảm biến khí gas và khói.
DHT11: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm. Điện trở: Các điện trở cần thiết để bảo vệ và điều chỉnh dòng điện. 11 Dây nối và breadboard: Để kết nối các linh kiện với nhau. Nguồn cấp điện: Đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng điện cho toàn bộ mạch.
Kết nối ESP32 và DHT11: DHT11 có 4 chân: VCC, GND, DATA, và NC (Not Connected, không dùng). Kết nối: Chân VCC của DHT11 kết nối với 3. Chân GND của DHT11 kết nối với GND của ESP32. Chân DATA của DHT11 kết nối với một chân GPIO bất kỳ của ESP32 (ví dụ GPIO 4).
Điện trở pull-up: Kết nối một điện trở 10kΩ giữa chân VCC và DATA của DHT11 để đảm bảo tín hiệu ổn định.3: Cảm biến DHT kết nối với vi điều khiển Sơ đồ thuật toán: 12 2. Kết nối ESP32 và MQ-2: MQ-2 có 4 chân: VCC, GND, AOUT (Analog Output), và DOUT (Digital Output). Kết nối: Chân VCC của MQ-2 kết nối với 3.3V hoặc 5V của ESP32 (tùy thuộc vào loại MQ-2 bạn dùng, thường là 5V). Chân GND của MQ-2 kết nối với GND của ESP32.
Chân AOUT của MQ-2 kết nối với một chân ADC của ESP32 (ví dụ GPIO 36 hoặc GPIO 39). Chân DOUT của MQ-2 kết nối với một chân GPIO bất kỳ của ESP32 (nếu bạn muốn sử dụng đầu ra số). Điện trở và linh kiện bảo vệ: Điện trở cho DHT11: 10kΩ pull-up giữa VCC và DATA. Điện trở cho MQ-2: Thường không cần điện trở thêm nếu bạn sử dụng đầu ra analog (AOUT), nhưng nếu bạn sử dụng đầu ra số (DOUT), bạn có thể cần một điện trở để điều chỉnh tín hiệu.4: Cảm biến MQ2 kết nối với vi điều khiển Sơ đồ thuật toán: 2.2 Giới thiệu về các linh kiện Tổng quan về ESP32 14 ESP32-WROOM-32 là module MCU mạnh mẽ và đa dụng được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế mạch PCB Wifi Bluetooth và BLE.
Sản phẩm được ứng dụng phổ biến trong các đề tài liên quan đến IoT hiện nay. Chúng có thể ứng dụng trong các mạng Sensor tiết kiệm điện năng đến những ứng dụng yêu cầu độ phức tạp hơn rất nhiều, như giải mã đoạn MP3 đến mã hóa các loại âm thanh, … Cấu tạo cơ bản của ESP32. ESP sở hữu 1 lõi được gọi là chip ESP32-D0WDQ6. Chip nhúng được thiết kế để nâng cao khả năng mở rộng và tùy biến rất cao.
Thiết kế ESP32 có 2 lõi CPU hoạt động 1 cách độc lập có thể dễ dàng điều khiển. Tần số clock có thể điều chỉnh dễ dàng từ 80MHZ lên đến 240MHZ. Trong quá trình sử dụng người lập trình có thể tắt CPU để có thể sử dụng thiết bị ở chế độ công suất thấp. Qua đó theo dõi được sự thay đổi và vượt ngưỡng.
ESP32 được tích hợp các bộ tương tác ngoại vi khá phong phú như: cảm biến Hall, cảm biến điện dung, SD card, SPI tốc độ cao, I2S, I2C hay SPI tốc độ cao. Các thiết bị ngoại vi. - GPIO (General Purpose Input/Output Interface): ESP32 với số lượng lớn chân GPIO tùy thuộc vào từng phiên bản module, mỗi chân được tích hợp nhiều chức năng khác nhau bằng cách lập trình thanh ghi. - ADC (Analog to Digital Converter): ESP32 tích hợp ADC 12-bit và hỗ trợ đo 18 kênh.
Với thiết lập thích hợp, ADC có thể được cấu hình để đo điện áp tối đa 18 chân. - DAC (Digital to Analog Converter): ESP32 có hai kênh DAC 8-bit được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu analog, được tích hợp điện trở và bộ đệm. 15 - Bộ điều khiển SDIO/SPI: SP32 tích hợp giao tiếp thiết bị S phù hợp với tiêu chuẩn S O, hỗ trợ các tính năng sau: Chế độ truyền SPI, SPIO 1 bit, SPIO 4 bit, truy cập trực tiếp đến máy chủ, ngắt để bắt đầu truyền dữ liệu, kích thước khối dữ liệu lên đến 512 byte - UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter): ESP32 tích hợp ba UART: UART1, UART2, UART3 cung cấp chuẩn giao tiếp bất đồng bộ (RS232 và RS485) với tốc độ lên đến 5Mbps, có thể truy cập bởi bộ điều khiển MA hoặc trực tiếp bởi PU. - I2C Interface (Inter-Integrated Circuit): SP32 có hai giao tiếp 2, có thể vận hành ở chế độ master hoặc slave phụ thuộc vào người sử dụng cấu hình, nó hỗ trợ: Chế độ tiêu chuẩn (100Kbit/s), Chế độ nhanh (400 Kbit/s), Tốc độ lên đến 5MHz, Chế độ kép.
- I2S Interface (Inter-IC Sound): Hai giao tiếp 25 có sẵn trên SP32, có thể hoạt động ở chế độ master hoặc slave. Và được cấu hình để hoạt động ở độ phân giải 8/16/32/48/64bit làm kênh đầu vào hoặc đầu ra. Hỗ trợ tần số từ 10KHz đến 40KHz. - Điều khiển hồng ngoại từ xa (Infrared Remote controller): bộ điều khiển hồng ngoại từ xa hỗ trợ 8 kênh điều khiển truyền và nhận.
Hỗ trợ các giao thức hồng ngoại khác nhau. - Bộ đếm (Pulse counter): bộ đếm counter có 7 chế độ. Ổn tín hiệu đầu vào bao gồm 2 tín hiệu xung và 2 tín hiệu điều khiển. Khi bộ đếm đạt được đến ngưỡng đặt, thì một interrupt được tạo ra.
- PWM (Pulse Width Modulation): bộ điều khiển độ rộng xung (PWM) được sử dụng để điều khiển động cơ kỹ thuật số và đèn thông minh. - SPI (Serial Peripheral Interface): ESP32 có 3 SPI (SPI, HSPI, VSPI) ở chế độ master và slave, SP có thể kết nối đến lash/SRAM và L. Các kết nối không dây. ESP32 có khả năng kết nối đến các điểm truy cập.
16 Trở thành 1 điểm truy cập (Access Point mode hay Soft-AP). Lúc thành ESP trở thành trung tâm kết nối liên kết thông tin. Các Station kết nối với Access-Point chính là ESP32 tạo nên. - Bluetooth Bluetooth: BLE và v4.
Việc hỗ trợ cả bluetooth khiến tăng tính tương tác cho ESP32. Chúng có thể kết nối với các thiết bị như là chuột, bàn phím, hay các thiết bị thông minh như điện thoại, laptop khi mà không có Wi-Fi. Bạn có thể lựa chọn tùy biến chức năng này là BLE hay Bluetooth Classic. Tùy theo các yêu cầu về tốc độ và năng lượng mà project cần thiết.
Tổng quan về MQ-2 MQ2 là một loại cảm biến khí gas, được sản xuất từ chất bán dẫn SnO2. Ban đầu, chất này không nhạy với không khí sạch, nhưng khi tiếp xúc với chất gây cháy, khả năng dẫn điện của nó sẽ thay đổi ngay lập tức. Điều này đã tạo điều kiện cho việc tích hợp nó vào mạch đơn giản, chuyển đổi độ nhạy thành tín hiệu điện. Trong môi trường không khí sạch, cảm biến MQ2 xuất ra mức điện áp thấp.
Tuy nhiên, khi nồng độ khí gây cháy xung quanh tăng lên, giá trị điện áp xuất ra cũng tăng theo. MQ2 thể hiện hiệu suất cao trong việc phát hiện khí hóa lỏng như LPG, H2 và các chất khí gây cháy khác. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến trong cả ngành công nghiệp và sử dụng dân dụng, nhờ vào mạch điện đơn giản và chi phí sản xuất thấp. Thông số kỹ thuật cảm biến khí gas mq2: Nguồn hoạt động: 5V Loại dữ liệu: Analog Phạm vi phát hiện rộng Tốc độ phản hồi nhanh và độ nhạy cao Mạch đơn giản Ổn định trong việc sử dụng lâu dài Nguyên lý hoạt động: Cảm biến khí gas MQ2 hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng hóa học khi tiếp xúc với các khí trong môi trường.
Nguyên tắc hoạt động của nó là khi các khí như CO, LPG, methane, Hydro, khói. tiếp xúc với phần tử bên trong cảm biến, điều này dẫn đến giải 17 phóng electron vào Thiếc Dioxide, cho phép dòng điện chạy qua cảm biến một cách tự do. Khi phần tử cảm biến được làm nóng, nó tạo ra phản ứng hóa học với các khí tiếp xúc, làm thay đổi điện trở của phần tử cảm biến. Cảm biến MQ2 đo lường các thay đổi này và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện analog hoặc digital.
Ứng dụng của MQ-2: Khi nói đến việc đo hoặc phát hiện một loại Khí cụ thể, các cảm biến Khí dòng MQ là những cảm biến được sử dụng phổ biến nhất. Các cảm biến này có thể được mua dưới dạng module hoặc chỉ có cảm biến đơn.