BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
CẢNH BÁO, PHÒNG CHỐNG
HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
GVHD : Hà A Thồi
SVTH1: Trần Minh Tâm
MSSV : 15141277
SVTH2: Đỗ Thị Huệ
MSSV : 15141168

Tp. Hồ Chí Minh – 6/2019
i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Khóa:

2015

Lớp: 15141DT

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CẢNH BÁO,
PHÒNG CHỐNG HỎA HOẠN VÀ RÒ RỈ KHÍ GAS
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Hệ thống cảnh báo hỏa hoạn và rò rỉ khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu
như sau:
-

Hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến lửa, nhiệt độ, khí gas.

-

Hiển thị giá trị thu thập được lên LCD và trang web Thingspeak.com để theo

dõi nồng độ khí gas, nhiệt độ trong phòng.
-

Nếu phát hiện có gas, lửa hay nhiệt độ quá cao sẽ báo động bằng cách gọi, gửi

tin nhắn cho người sử dụng và mở quạt thông gió nhằm làm giảm nồng độ khí gas
trong không khí, kích hoạt máy bơm hoạt động dập tắt lửa.
2. Nội dung thực hiện:
-


-

Chạy thử nghiệm hệ thống.

-

Cân chỉnh hệ thống.

-

Viết luận văn

-

Báo cáo đề tài tốt nghiệp

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/02/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

10/06/2019

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Thầy Hà A Thồi

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


Nội dung

Tuần 3

Gặp GVHD để nghe phổ biến về yêu cầu làm
đồ án , tiến hành chọn đồ án
GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

(18/2 – 24/2)
Tuần 4
(25/2 – 3/3)
Tuần 5
(4/3 – 10/3)

Tuần 6
(11/3 – 17/3)
Tuần 7
(18/3 – 24/3)
Tuần 8
(25/3 – 31/3)
Tuần 9
(1/4 – 7/4)

Xác nhận
GVHD

Viết đề cương và lịch trình thực hiện đồ án tốt
nghiệp
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan tới đề tài:
cảm biến khí gas MQ2, cảm biến phát hiện

Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Lập trình code cho VDK và tiến hành thi
công mạch
Kiểm tra , cân chỉnh mạch thi công
Viết báo cáo nội dung đã làm
Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem
xét góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo
Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài.
Làm slide (6-10 cái), báo cáo với GVHD
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

v


LỜI CAM ĐOAN
Nhóm sinh viên – Đỗ Thị Huệ và Trần Minh Tâm xin cam đoan đây là đồ án
do nhóm tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Hà A Thồi. Nhóm chỉ tham khảo
các tài liệu trước đó và các nghiên cứu trên mạng online. Kết quả công bố trong khóa
luận tốt nghiệp là trung thực không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.

Tp.HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2019
SV thực hiện đồ án
( Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Minh Tâm


TÓM TẮT ............................................................................................................... xvi
Chương 1. TỔNG QUAN ...........................................................................................1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................1
1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................1
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .............................................................................2
1.4 GIỚI HẠN .........................................................................................................2
1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................3
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................4
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP .....................4
2.1.1 Khái niệm ...................................................................................................4
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp ....................................................4
2.1.2.1 Ứng dụng trong ngành thực phẩm ......................................................4
2.1.2.2 Ứng dụng trong thiết bị gia dụng ........................................................4
2.1.2.3 Ứng dụng làm nhiên liệu khí đốt ........................................................6
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas .......................................................7
2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ .......................................................7
2.2.1 Khái niệm ...................................................................................................7
2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ .......................................................................8
2.3 GIỚI THIỆU TIA LỬA ĐIỆN ..........................................................................8
2.3.1 Khái niệm ...................................................................................................8
2.3.2 Điều kiện tạo ra tia lửa điện .......................................................................9
2.3.3 Ứng dụng ....................................................................................................9
2.4 GIỚI THIỆU MẠNG DI ĐỘNG GSM.............................................................9
2.5 CÁC LOẠI MODULE SIM TRÊN THỊ TRƯỜNG .......................................11
2.5.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................12
2.5.1.1 Giao tiếp UART với vi điều khiển ....................................................12
2.5.1.2 Tập lệnh AT ......................................................................................12
viii



2.13.3 Giao tiếp I2C ..........................................................................................33
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ............................................38
3.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG .....................................................38
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHI TIẾT HỆ THỐNG ..................................38
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................38
3.2.1 Tính toán và thiết kế mạch .......................................................................40
ix


3.2.1.1 Cảm biến khí gas ...............................................................................40
3.2.1.2 Cảm biến lửa .....................................................................................42
3.2.1.3 Cảm biến nhiệt độ .............................................................................43
3.2.1.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 .............................................................45
3.2.1.5 Chuông báo động ..............................................................................46
3.2.1.6 Khối hiển thị ......................................................................................46
3.2.1.7 Module Wifi ESP8266 ......................................................................48
3.2.1.8 Mạch thu phát RF NRF24L01+ ........................................................50
3.2.1.9 Module SIM 800A MINI ..................................................................51
3.2.1.10 Khối xử lý trung tâm Arduino .........................................................52
3.2.1.11 Khối nguồn ......................................................................................54
3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ..................................................................55
3.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của khối thu thập dữ liệu........................................55
3.2.3.2 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm...............................................57
3.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm ........................................................58
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ........................................................................60
4.1 GIỚI THIỆU ...................................................................................................60
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................................60
4.2.1 Thi công khối thu thập dữ liệu .................................................................60
4.2.2 Khối xử lý trung tâm ................................................................................62
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................64

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Chương 2
Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ ....................................................................7
Hình 2. 2: Tia lửa điện ................................................................................................8
Hình 2. 3: Cấu trúc cơ bản của mạng di động ...........................................................10
Hình 2. 4: Module SIM 800A mini ...........................................................................11
Hình 2. 5: Module SIM 800l .....................................................................................11
Hình 2. 6: Module SIM 900A ...................................................................................11
Hình 2. 7: Giao tiếp UART giữa Module SIM và vi Arduino. ................................12
Hình 2. 8: Sơ đồ mạch tạo sóng RF đơn giản ...........................................................16
Hình 2. 9: Sơ đồ mạch thu sóng đơn giản .................................................................16
Hình 2. 10: Mạch thu phát 6 kênh 2.4 GHZ L24YK-RX4 .......................................17
Hình 2. 11: Mạch thu phát sóng RF NRF24L01+.....................................................17
Hình 2. 12: Mạch thu phát RF UART LC12S 2.4Ghz ..............................................17
Hình 2. 13: Giao tiếp SPI giữa thiết bị đầu và thiết bị cuối ......................................18
Hình 2. 14: Mạng LAN không dây ...........................................................................19
Hình 2. 15: Mạng không dây diện rộng ....................................................................19
Hình 2. 16: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA CP2102 ...................19
Hình 2. 17: Kit RF thu phát WIFI ESP8266 NodeMCU LUA V3 CH340 ..............20
Hình 2. 18: Mạch thu phát Wifi ESP8266 UART ESP-01 .......................................20
Hình 2. 19: Adapter 12V-1.5A ..................................................................................21
Hình 2. 20: Nguồn tổ ong 12V-10A .........................................................................22
Hình 2. 21: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch tăng áp........................................23
Hình 2. 22: Mạch tăng áp XL6009 4A......................................................................24
Hình 2. 23: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch hạ áp .................................................24
Hình 2. 24: Mạch hạ áp DC-DC LM2596 ................................................................25
Hình 2. 25: Động cơ xoay chiều một pha .................................................................25
Hình 2. 26: Hình ảnh Arduino Uno R3 .....................................................................28
Hình 2. 27: Arduino Nano .........................................................................................29
Hình 2. 28: Arduino Mega 2560 R3 .........................................................................30

Hình 3. 21: Sơ đồ khối của khối nguồn ....................................................................54
Hình 3. 22: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp ..................................................................54
Hình 3. 23: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp ...............................................................54
Hình 3. 24: Sơ đồ nguyên lý khối thu thập dữ liệu ...................................................55
Hình 3. 25: Sơ đồ khối xử lý trung tâm ....................................................................57
Hình 3. 26: Sơ đồ nguyên lý khối máy bơm .............................................................58
Chương 4
Hình 4. 1: PCB mặt sau khối thu thập.......................................................................60
Hình 4. 2: PCB mặt trước khối thu thập ...................................................................60
Hình 4. 3: Hình ảnh khối thu thập dữ liệu sau khi in ................................................61
Hình 4. 4: Khối thu thập sau khi đã lắp linh kiện .....................................................62
Hình 4. 5: PCB mặt sau của khối trung tâm..............................................................62
Hình 4. 6: PCB mặt trước của khối trung tâm ..........................................................63
Hình 4. 7: Hình ảnh khối xử lý trung tâm sau khi in ................................................63
Hình 4. 8: Hình ảnh hệ thống sau khi hoàn thiện hộp bảo vệ ...................................64
Hình 4. 9: Hình ảnh mô hình đề tài ...........................................................................64
Hình 4. 10: Lưu đồ khối thu thập dữ liệu ..................................................................65
Hình 4. 11: Lưu đồ đọc giá trị cảm biến ...................................................................66
Hình 4. 12: Lưu đồ truyền dữ liệu qua Module NRF24L01 .....................................67
Hình 4. 13: Lưu đồ chương trình truyền dữ liệu UART sang NodeMCU ................67
Hình 4. 14: Lưu đồ gửi dữ liệu lên Thingspeak ........................................................68
Hình 4. 15: Lưu đồ khối xử lý trung tâm ..................................................................69
Hình 4. 16: Giao diện Arduino IDE ..........................................................................70
Hình 4. 17: Chọn Arduino sử dụng ...........................................................................71
Hình 4. 18: Chọn cổng COM kết nối với Arduino ...................................................72
Hình 4. 19: Hình ảnh truy cập trang Web Thingspeak .............................................73
Hình 4. 20: Đăng nhập tên tài khoản và mật khẩu ....................................................74
Hình 4. 21: Chọn kênh quan sát ................................................................................74
Hình 4. 22: Hình ảnh dữ liệu trên Thingspeak ..........................................................74
Hình 4. 23: Quy trình thao tác sử dụng hệ thống ......................................................75

Bảng 4. 2: Bảng thống kê linh kiện sử dụng cho khối trung tâm..............................63

xv


TÓM TẮT
Hậu quả của sự cố cháy nổ và hỏa hoạn gây ra rất nặng nề và đáng báo động. Theo
như số liệu của Tổng cục Thống Kê (Bộ Kế hoạch và Đầu tư ) tính đến 4 tháng đầu
năm 2019 cả nước thiệt hại hơn 458 tỷ đồng, làm 10 người chết và mất tích, 19 người
bị thương. Nhằm nắm bắt được những số liệu trên và có thể hạn chế được phần nào
hậu quả mà hỏa hoạn và cháy nổ mang lại, nhóm em đã quyết định thiết kế và thi
công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa hoạn và rò rỉ khí gas.
Với mục tiêu là hệ thống có thể phát hiện được lửa và khí gas rò rỉ một cách
nhanh chóng và chính xác. Người dùng có thể giám sát nhiệt độ của môi trường tại
nơi đặt thiết bị từ xa thông qua internet. Phương thức cảnh báo đơn giản và thông
dụng như là gọi điện hay nhắn tin sẽ phù hợp đối mọi loại điện thoại di động có mặt
trên thị trường hiện nay. Nhóm sẽ thực hiện hệ thống thông qua việc tích lũy kiến
thức được học tại trường cũng như quan sát và nghiên cứu thực tiễn. Tất cả vì mục
đích hoàn thành được mô hình dễ lắp dặt, dễ sử dụng, tiết kiệm điện, mang lại cho
người dùng cảm giác tin cậy và an toàn.

xvi


xvii


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN

Chương 1. TỔNG QUAN


BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Hệ thống sẽ giúp hạn chế hiện tượng cháy nổ, rò rỉ khí gas, đảm bảo an toàn về
tính mạng cũng như tài sản cho người sử dụng.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đối với đồ án: “Thiết kế và thi công hệ thống cảnh báo, phòng chống hỏa
hoạn và rò rỉ khí gas” thì nội dung cần thực hiện bao gồm:
• NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về các nghiên cứu gần với đề tài đã có, những hạn chế
còn tồn tại từ đó đưa ra những giải pháp cho đề tài nhóm cần hướng tới.
• NỘI DUNG 2: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài: nguyên nhân cháy
nổ, rò rỉ khí gas,…
• NỘI DUNG 3: Tìm hiểu các giao thức truyền nhận giữa các module, truyền
nhận tín hiệu thông qua sóng cao tần.
• NỘI DUNG 4: Lựa chọn các cảm biến cũng như vi điều khiển phù hợp với hệ
thống.
• NỘI DUNG 5: Tìm hiểu IDE – môi trường lập trình cho Arduino

1.4 GIỚI HẠN
- Hệ thống chỉ sử dụng ở những phòng nhỏ phòng bếp: 3x3m, phòng khách:
5x5m, garage 5x5m
- Sử dụng động cơ bơm P385 12VDC, kích thước: 86x46x46 mm để phun nước
xử lí hỏa hoạn.
- Giám sát nhiệt độ, phát hiện lửa, rò rỉ khí gas bằng cảm biến và sử dụng vi
điều khiển Arduino Nano (5VDC) làm khối xử lí trung tâm.

• Chương 5: Kết Qủa, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này sẽ trình bày kết quả mà nhóm đã thực hiện so với mục tiêu ban
đầu, nhận xét hoạt động của hệ thống
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Tóm lược lại những điều nhóm đã thực hiện, đồng thời đưa ra hướng phát triển
để có được một đề tài hoàn thiện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU CÁC LOẠI KHÍ GAS TRONG CÔNG NGHIỆP
2.1.1 Khái niệm
Hiện nay, với đặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và thân thiện với môi trường
thì khí gas dần khẳng định được vị trí quan trọng trong đời sống của chúng ta
và đã góp phần tạo nên sự văn minh của xã hội. Lợi ích của gas là rất tích cực, được
sử dụng rộng rãi trong dân dụng, thương mại, vận tải và các ứng dụng công nghiệp.
Gas là hỗn hợp của các chất Hydrocacbon, trong đó thành phần chủ yếu là
khí Propane (C3H8), Butane (C4H10) và một số thành phần khác.
2.1.2 Ứng dụng của khí gas trong công nhiệp
Khí công nghiệp là loại nguyên liệu khí được sản xuât để sử dụng trong công
nghiệp. Các khí trong công nhiệp được sửu dụng nhiều nhất như: nitrogen, oxy,
caarbon dioxide, hydro, acetylen,…
Các loại khí công nghiệp được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác
nhau. Bao gồm các ngành công nghiệp nặng như dầu khí, hoá dầu, hóa chất, điện,
khai thác mỏ, luyện kim, kim loại. Và cũng được sử dụng trong các ngành dược phẩm,

Gas R410A có độ bay hơi cao hơn, và khi môi trường ở tầm thấp sẽ gây thiếu
oxi chính vì vậy mà phòng của bạn phải được thoáng khí nếu không sẽ rất nguy hiểm
khi có hiện tượng rò rỉ khí gas.
❖ Gas điều hòa R410A
Loại Gas R32 là loại gas mới nhất hiện nay, được ứng dụng sử dụng nhiều
nhất tại Nhật Bản. Loại gas này được phát minh ra nhằm thay thế cho loại gas R22
và loại R410A.
b. Tủ lạnh
Gas tủ lạnh được nằm trong các dây đồng có tác dụng chuyển tải nhiệt từ dàn
lạnh tới dàn nóng. Khí gas khi đi qua dàn lạnh sẽ hấp thụ nhiệt xung quanh dàn lạnh
để chuyển tới dàn nóng. Tại đây, khí gas sẽ được làm mát thông qua việc tản nhiệt ra
môi trường.
❖ Gas R12
Gas R12 là loại gas lâu đời nhất, được sử dụng phổ biến trong các tủ lạnh đời
cũ. Gas R12 bình thường có mùi hôi, khi đốt có màu xanh lá và mùi hắc, có thể gây
choáng và nhức đầu khi hít nhiều.
❖ Gas R134A
Do tính chất độc hại và gây nguy hiểm cho tầng Ozon của gas R12 nên gas
R134A được tạo ra để thay thế cho gas R12. Loại gas này được sử dụng phổ biến cho
nhiều loại tủ lạnh dân dụng hiện nay.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
❖ Gas R404
Gas R404 là loại gas chuyên dùng cho các tủ cấp đông. Loại gas này được
thiết kế dành riêng cho nhu cầu làm đông ở nhiệt độ sâu hơn đồng thời đảm bảo

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.3 Tính chất nguy hiểm cháy, nổ của gas
Khi thoát ra khỏi thiết bị chứa, gas chuyển thành thể khí nên rất khó bảo quản.
Mặt khác, do không có mùi, không có màu nên gas thoát ra thiết bị chứa rất khó phát
hiện, do đó nhà sản xuất phải đưa thêm vào hỗn hợp gas chất tạo ra mùi bắp cải thối
để dễ phát hiện gas bị rò rỉ.
Tỷ trọng của gas nặng hơn không khí (Propan gấp 1,55 lần; Butan gấp 2,07
lần) nên khi thoát khỏi thiết bị chứa, gas tích tụ ở những chỗ trũng trên mặt đất và tạo
thành hỗn hợp nguy hiểm cháy nổ.
Do nhiệt độ ngọn lửa của gas khi bị cháy rất cao (1900oC đến 1950oC) nên dễ
gây bỏng cho người và gia súc đồng thời gây cháy lan, khó khăn cho việc chữa cháy
(vận tốc cháy lan của Butan là 0,38m/s của Propan là 0,46m/s)

Hình 2. 1: Sự nguy hiểm khi gas phát nổ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
2.2.1 Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý không
có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng (thường
mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được. Sau đó các bộ phận xử lí trung tâm sẽ
thu nhận dạng tín hiệu điện trở hay điện áp đó để xử lí.
Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất ảnh
hưởng rất lớn đến nhiều tính chất của vật, việc đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng
trong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.



8