Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TEL: 0909.232.620
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 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:
HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG
KHÍ GAS
GVHD: Hà A Thồi
SVTH: Đoàn Thanh Đủ
MSSV: 14141068
Tp. Hồ Chí Minh – 07/2018
i

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN –
ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –
Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ MSSV: 14141068
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành: 41
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1
Khóa: 2014 Lớp: 1414DT2
I. TÊN ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
Hệ thống giám sát và báo động khí gas được thực hiện với các số liệu ban đầu
như sau:
- Hệ thống thu thập dữ liệu về nồng độ khí gas theo giá trị % để giám sát
nồng độ khí gas có ở trong không khí.
- Hiển thị giá trị thu thập được trên LCD và trên trang web Thingspeak.com
để theo dõi tình trạng nồng độ khí gas trong không khí.
- Nếu phát hiện nồng độ khí gas trong không khí tăng lên, có rò rỉ khí gas
nguy hiểm sẽ báo động thông qua còi báo động, tin nhắn sms và gọi điện.
2. Nội dung thực hiện
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.
- Thiết kế và thi công mạch nguồn.
- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu
lên web, khối báo động qua tin nhắn, khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF.
- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm.
- Viết code cho Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.
- Viết code cho ESP8266 NodeMCU.
- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên.
ii

- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch.
- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Cân chỉnh hệ thống.
- Viết luận văn.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/3/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/6/2018
V. HỌ VÀ TÊN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Hà A Thồi
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP
iii

TRƯỜNG ĐH. SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN –
ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –
Y SINH Tp. HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2018
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Đoàn Thanh Đủ
Lớp: 1414DT2C MSSV:14141068
Tên đề tài: HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ BÁO ĐỘNG KHÍ GAS
Tuần/ngày Nội dung
Xác nhận
GVHD
Tuần 1
- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án,
tiến hành chọn đồ án.
(19/3 –25/3)
- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.
Tuần 2 - Viết đề cương
(26/3 – 1/4) - Viết lịch trình làm đề tài.
-Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài:
Tuần 3 Cảm biến khí gas MQ2, Arduino Uno R3, Arduino
Mega 2560, ESP8266 NodeMCU, LCD 16x2,
(2/4 – 8/4)
Module NRF24L01 thu phát sóng vô tuyến,
Module Sim 900a mini.
Tuần 4 - Tìm hiểu về giao tiếp giữa cảm biến, các module
và thiết bị cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển
(9/4 – 15/4) thứ cấp.
- Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị
Tuần 5
cảnh báo với Arduino ở bộ điều khiển trung tâm.
- Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng
(16/4 – 22/4) các khối.
- Tính toán thiết kế khối nguồn.
Tuần 6
- Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn
mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch.
(23/4 – 29/4)
- Vẽ PCB.
Tuần 7 - Lập trình code cho VDK và tiến hành thi công
(30/4 – 6/5) mạch
iv

(7/5 – 13/5) mạch
(14/5 –20/5) mạch
Tuần 10 - Kiểm tra mạch thi công.
(21/5 – 27/5) - Viết báo cáo những nội dung đã làm.
Tuần 11
- Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét
góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo.
(28/5 – 3/6)
- Nộp quyển báo cáo và báo cáo đề tài.
Tuần 12
- Làm slide (6-10 slide), báo cáo với GVHD.
(4/6 – 10/6)
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
v

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này nhóm chúng tôi thực hiện dựa trên sách vở và nghiên cứu từ tài liệu
online để hoàn thiện đề tài, không sao chép từ bất cứ công trình nào đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Đoàn Thanh Đủ
vi

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Hà A Thồi đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia
sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu, tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện để chúng em hoàn
thành tốt đề tài.
Em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Điện - Điện Tử đã
tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.
Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 1414DT2 đã chia sẻ trao đổi
kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Cảm ơn đến cha mẹ đã tạo điều kiện tốt nhất về kinh tế và tinh thần để con hoàn
thành tốt đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Đoàn Thanh Đủ
vii

MỤC LỤC
Nội dung Trang
Trang phụ bìa .............................................................................................................. i
Nhiệm vụ đồ án ..........................................................................................................ii
Lịch trình................................................................................................................... iv
Lời cam đoan............................................................................................................. vi
Lời cảm ơn ............................................................................................................... vii
Mục lục....................................................................................................................viii
Liệt kê hình ảnh......................................................................................................... xi
Liệt kê bảng...............................................................................................................xv
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..................................................................................................... 4
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG............................................................................. 4
2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm............................................................................. 4
2.2.2 LCD 16x2..................................................................................................11
2.2.3 Module cảm biến khí MQ-2......................................................................15
2.2.4 Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU .................................................................17
2.2.5 Module thu phát sóng RF..........................................................................21
2.2.6 Module Sim900A mini..............................................................................25
2.2.7 Module Relay 1 kênh 5V ..........................................................................29
2.2.8 Còi báo động 12V .....................................................................................31
2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU................................................................32
2.3.1 Giao tiếp Serial – UART...........................................................................32
viii

2.3.2 Chuẩn truyền thông SPI ............................................................................33
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ..............................................................34
3.1 GIỚI THIỆU....................................................................................................34
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.....................................................34
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.....................................................................34
3.2.2 Tính toán và thiết kế..................................................................................35
3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống...................................................................43
3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...............................................................................46
3.3.1 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................46
3.3.2 Phần mềm lập trình ...................................................................................55
3.3.3 Trang Web ThingSpeak.com ....................................................................64
Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG.....................................................................67
4.1 GIỚI THIỆU....................................................................................................67
4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG.................................................................................67
4.2.1 Thi công board mạch.................................................................................67
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ...................................................................................70
4.2.3 Thi công hộp bảo vệ..................................................................................71
4.2.4 Tài liệu hướng dẫn sử dụng thao tác.........................................................74
Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ................................................75
5.1 GIỚI THIỆU....................................................................................................75
5.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ..................................................................................75
5.2.1 Sử dụng cảm biến......................................................................................75
5.2.2 Sử dụng Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.......................................75
5.2.3 Đưa dữ liệu lên web Thingspeak.com dùng ESP8266 NodeMCU...........76
5.2.4 Truyền nhận thông tin qua lại dùng sóng vô tuyến (RF) ..........................76
5.2.5 Sử dụng module Sim thực hiện cuộc gọi và gửi tin nhắn.........................76
5.3 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM...........................................................................77
5.3.1 Hình ảnh hệ thống khi hoàn thành và đang hoạt động..............................77
5.3.2 Tình trạng hệ thống khi không có khí gas rò rỉ.........................................78
5.3.3 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1........................................80
5.3.4 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 2........................................83
5.3.5 Tình trạng hệ thống khi rò rỉ khí gas khu vực 1 và 2................................86
5.4 NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ...............................................................................88
ix

5.4.1 Nhận xét ....................................................................................................88
5.4.2 Đánh giá ....................................................................................................89
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIẾN..........................................90
6.1 KẾT LUẬN......................................................................................................90
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN...................................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................91
PHỤ LỤC..................................................................................................................92
x

LIỆT KÊ HÌNH ẢNH
Hình Trang
Chương 2
Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 .............................................................. 5
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3................................................... 6
Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3........................................ 7
Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560 R3............................. 7
Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino............................................ 9
Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino...................................................... 9
Hình 2.7 Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino...............................................10
Hình 2.8 Mô hình xe robot dò đường sử dụng Arduino ...........................................10
Hình 2.9 Hình dáng của loại LCD 16x2 ...................................................................11
Hình 2.10 Sơ đồ chân của LCD 16x2 .......................................................................11
Hình 2.11 Hình ảnh thực tế cảm biến khí MQ-2.......................................................15
Hình 2.12 Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2 ..................................17
Hình 2.13 Mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266 .....................................................18
Hình 2.14 Sơ đồ chân kit Wifi ESP8266 NodeMCU................................................21
Hình 2.15 Module thu phát sóng RF nRF24L01.......................................................22
Hình 2.16 Kích thước và vị trí các chân của module nRF24L01 .............................22
Hình 2.17 Sơ đồ chân nRF24L01 cho 1 khối QDN20 4x4.......................................23
Hình 2.18 Sim900A...................................................................................................25
Hình 2.19 Phần giao tiếp simcard .............................................................................26
Hình 2.20 Mạch kiểm tra trạng thái kết nối của sim900A........................................27
Hình 2.21 Module GSM GPRS Sim 900A Mini ......................................................29
Hình 2.22 Module relay 1 kênh 5V...........................................................................30
Hình 2.23 Còi báo động 12V ....................................................................................31
Hình 2.24 Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 VDK và VDK với PC...............................32
Chương 3
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................34
Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến MQ-2 với Arduino UNO......................................36
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với LCD .......................................................36
xi

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với LCD....................................................37
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Relay và loa ...........................................37
Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với Relay và loa........................................38
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 với ESP8266 MCU.............................38
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với module thu phát sóng nRF24L01 ..........39
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module thu phát sóng nRF24L01.......39
Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module Sim900A mini. ....................40
Hình 3.11 Mạch nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp..............................................42
Hình 3.12 Mạch nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm..........................................42
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khố xử lý thứ cấp ..........................................................43
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm......................................................44
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch......................................................................44
Hình 3.16 Lưu đồ chương trình chính trung tâm ......................................................46
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình khu vực 1................................................................48
Hình 3.18 Lưu đồ chương trình khu vực 2................................................................49
Hình 3.19 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 1 ............................50
Hình 3.20 Lưu đồ chương trình con nhận cảnh báo từ khu vực 2 ............................51
Hình 3.21 Lưu đồ chương trình con hiển thị LCD....................................................51
Hình 3.22 Lưu đồ chương trình con kiểm tra nguy hiểm .........................................52
Hình 3.23 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 1 ..................................................53
Hình 3.24 Lưu đồ chương trình con Truyền nRF 2 ..................................................54
Hình 3.25 Lưu đồ chương trình con gửi tin nhắn báo nguy hiểm.............................54
Hình 3.26 Lưu đồ chương trình con gọi điện thoại báo nguy hiểm..........................55
Hình 3.27 Nhấp vào Windows Zip file for non admin install...................................56
Hình 3.28 Nhấp vào JUST OWNLO để tải phần mềm.............................................57
Hình 3.29 Chọn nơi lưu file và bấm Start Download. ..............................................57
Hình 3.30 Giải nén file vừa tải..................................................................................57
Hình 3.31 Giao diện của Arduino IDE......................................................................58
Hình 3.32 Chạy file exe, sau đó nhấn Next...............................................................59
Hình 3.33 Nhấn Install khi có yêu cầu xác nhận.......................................................59
Hình 3.34 Quá trình cài đặt diễn ra...........................................................................60
Hình 3.35 Nhấn Finish để kết thúc quá trình cài đặt.................................................60
Hình 3.36 Vị trí các chức năng cơ bản......................................................................61
xii

Hình 3.37 Mở ví dụ trong Arduino IDE....................................................................62
Hình 3.38 Chọn Board để kết nối board thực tế với phần mềm ...............................63
Hình 3.39 Chọn cỗng COM board thực tế liên kết với máy tính..............................64
Hình 3.40 Đăng ký một tài khoản miễn phí..............................................................65
Hình 3.41 Tạo Data Channel.....................................................................................65
Hình 3.42 Lấy URL cần thiết để upload dữ liệu.......................................................66
Hình 3.43 Xem các dữ liệu này trong channel..........................................................66
Chương 4
Hình 4.1 Mạch PCB bộ xử lí trung tâm ....................................................................68
Hình 4.2 Mạch PCB trạm thu khu vực 1 và 2...........................................................68
Hình 4.3 Hình ảnh thực tế mạch trung tâm mặt trên khi hoàn thành........................70
Hình 4.4 Hình ảnh thực tế mạch trung tâm mặt dưới khi hoàn thành.......................70
Hình 4.5 Hình ảnh thực tế mạch khu vực 1 và 2 mặt trên khi hoàn thành................71
Hình 4.6 Hình ảnh thực tế mạch khu vực 1 và 2 mặt trên khi hoàn thành................71
Hình 4.7 Tấm PVC Foam..........................................................................................72
Hình 4.8 Bên ngoài hộp bảo vệ.................................................................................73
Hình 4.9 Bên trong hộp bảo vệ .................................................................................73
Chương 5
Hình 5.1 Trạm thu Khu Vực 1 đang hoạt động.........................................................77
Hình 5.2 Trạm thu Khu Vực 2 đang hoạt động.........................................................77
Hình 5.3 Bộ xứ lí trung tâm đang hoạt động.............................................................78
Hình 5.4 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 1 khi chưa có rò rỉ khí gas..................78
Hình 5.5 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 2 khi chưa có rò rỉ khí gas..................79
Hình 5.6 Bộ xử lí trung tâm khi chưa có rò rỉ khí gas ..............................................79
Hình 5.7 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi không rò rỉ...................................80
Hình 5.8 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 2 khi không rò rỉ...................................80
Hình 5.9 LCD của trạm thu 1 khi khu vực 1 rò rỉ.....................................................81
Hình 5.10 LCD của trạm thu 2 khi khu vực 1 rò rỉ...................................................81
Hình 5.11 LCD của bộ xử lí trung tâm khi khu vực 1 rò rỉ ......................................81
Hình 5.12 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi khu vực 1 rò rỉ...........................82
Hình 5.13 Cuộc gọi đến khi khu vực 1 rò rỉ..............................................................82
Hình 5.14 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 1 rò rỉ .....................................................83
Hình 5.15 LCD trạm thu 1 khi khu vực 2 rò rỉ .........................................................83
xiii

Hình 5.16 LCD trạm thu 2 khi khu vực 2 rò rỉ .........................................................84
Hình 5.17 LCD bộ xử lí trung tâm khi khu vực 2 rò rỉ.............................................84
Hình 5.18 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 2 khi khu vực 2 rò rỉ...........................84
Hình 5.19 Cuộc gọi đến khi khu vực 2 rò rỉ..............................................................85
Hình 5.20 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 2 rò rỉ .....................................................85
Hình 5.21 LCD và loa cảnh báo của trạm thu 1 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ.................86
Hình 5.22 LCD trạm thu 2 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ..................................................86
Hình 5.23 LCD bộ xử lí trung tâm khi khu vực 1 và 2 rò rỉ .....................................86
Hình 5.24 Biểu đổ nồng độ khí gas khu vực 1 khi khu vực 1 và 2 rò rỉ...................87
Hình 5.25 Cuộc gọi đến khi khu vực 1 và 2 rò rỉ......................................................87
Hình 5.26 Tin nhắn cảnh báo khi khu vực 1 và 2 rò rỉ .............................................88
xiv

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng Trang
Chương 2
Bảng 2.1 Chức năng các chân của LCD....................................................................12
Bảng 2.2 Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng.................................14
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cảm biến MQ-2............................................................16
Bảng 2.4 Chế độ boot up của ESP và cấu hình chân GPIO tương ứng ....................19
Bảng 2.5 Các chế độ chính của nRF24L01...............................................................24
Bảng 2.6 Trạng thái của đèn .....................................................................................27
Chương 3
Bảng 3.1 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí thứ cấp .....................40
Bảng 3.2 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí trung tâm..................41
Bảng 3.3 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí thứ cấp. .......................41
Bảng 3.4 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí trung tâm.....................41
Chương 4
Bảng 4.1 Bảng thống kê linh kiện sử dụng ...............................................................69
xv

TÓM TẮT
Ngày nay với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ với những
ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới chúng ta đã và đang ngày một
thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng
loạt những thiết bị với đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn
nhẹ là những yếu tố rất cần thiết cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao. Một
trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển
thiết bị, giám sát môi trường từ xa. Chính những điều đó đã góp phần rất lớn giúp
con người có những thiết bị ngày một thông minh và cảnh báo con người tránh được
các nguy hiểm không phát hiện xử lí kịp thời.
Nhìn chung, đề tài giám sát và báo động khí gas được các sinh viên thực hiện
ở các đồ án môn học xoay quanh các nội dung như: Thu thập giá trị cảm biến và báo
động bằng chuông và sms. Và nó chỉ có duy nhất 1 board mạch được sử dụng để
đảm nhận xử lí mọi việc. Do đó, việc thiết kế và thi công một mô hình “Hệ thống
giám sát và báo động khí gas” là một nhu cầu hết sức cần thiết và đây chính là lý do
mà nhóm nghiên cứu quyết định chọn đề tài này. Đề tài này không những là một
thực tại khách quan mà nó còn đóng vai trò đặc biệt quan trọng thực sự hiện tại
cũng như trong tương lai sau này.
Nội dung chính đề tài
• Sử dụng Arduino Mega 2560 làm vi điều khiển cho bộ xử lí trung tâm.
• Sử dụng Arduino Uno R3 làm vi điều khiển cho bộ xử lí thứ cấp.
• Dùng kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU đưa dữ liệu lên web.
• Giám sát giá trị cảm biến ở các khu vực qua biểu đồ trên web thingspeak.com
• Cảnh báo từ xa thông qua cuộc gọi và tin nhắn sms.
xvi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Chương 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay có lẽ khí gas chắc không còn xa lạ với mọi nhà bởi nó rất hữu ích
giúp ta ở hầu hết mọi hoạt động từ nấu nướng ở gia đình đến áp dụng nhiều trong
các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp…Nhưng khi sử dụng nó cũng tồn tại các
mối nguy hiểm như: có rò rỉ ta không phát hiện kịp thời mà tiếp xúc và vô tình ngửi
phải sẽ ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tín mạng. Thậm chí, khi có tia lửa trong vùng
không gian tồn tại khí gas sẽ gây ra cháy nổ.
Chính vì tồn tại những rủi ro hết sức nguy hiểm đó nên nhóm chúng em đã
chọn và nghiên cứu một giải pháp đề phòng tránh đó là “Hệ thống giám sát và báo
động khí gas” thông minh. Hệ thống sẽ gồm nhiều bộ sử dụng cảm biến khí gas và
đặt ở các vị trí có nguy cơ rò rỉ để thu thập tình trạng rò rỉ khí gas ở nơi đó. Khi có
nguy hiểm sẽ gửi tín hiệu bằng sóng vô tuyến về bộ xử lí trung tâm để bộ xử lí trung
tâm điều khiển gửi tín nhắn, gọi điện đến chủ nhà hay phòng bảo vệ để báo động có
rò rỉ khí gas và cụ thể là nơi nào. Nhờ đó họ sẽ có biện pháp xử lí kịp thời. Bên cạnh
đó, hệ thống còi báo động trong toàn hệ thống cũng sẽ báo động và hiển thị thông
tin nơi rò rỉ lên màn hình LCD để mọi đang có ý định đi đến hoặc đi ngang khu vực
nguy hiểm đó tránh xa. Không dừng lại ở đó hệ thống còn được kết nối với internet
và đưa dữ liệu liệu lên web giúp ta có thể giám sát từ xa.
1.2 MỤC TIÊU
- Thu thập dữ liệu nồng độ khí gas hiển thị lên LCD.
- Khi một khu vực trong hệ thống gặp nguy hiểm, cả hệ thống đều báo động
và nhận biết được đó là khu vực nào để hiển thị lên LCD.
- Kết nối wi-fi cho hệ thống và đưa dữ liệu lên web thingspeak.com.
- Điều khiển mở loa báo động khi phát hiện rò rỉ khí gas nguy hiểm.
- Báo nguy hiểm thông qua gọi điện và tin nhắn điện thoại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Xác định mục tiêu và giới hạn đề tài.
- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết.
- Thiết kế khối cảm biến, khối hiển thị, khối báo động tại chỗ, khối up dữ liệu
lên web, khối báo động qua tin nhắn, khối truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF.
- Thiết kế và thi công bộ xử lí thứ cấp, bộ xử lí trung tâm.
- Thiết kế và thi công mạch nguồn.
- Viết code cho Arduino Mega 2560, Arduino Uno R3.
- Viết code cho ESP8266 NodeMCU.
- Tạo tài khoản trên web thingspeak.com để liên kết và đưa dữ liệu lên.
- Thiết kế hộp bảo vệ cho board mạch.
- Lắp ráp các board mạch, cảm biến vào hộp bảo vệ.
- Chỉnh sửa các lỗi điều khiển, lỗi lập trình và lỗi của các thiết bị.
- Chạy thử nghiệm hệ thống.
- Cân chỉnh hệ thống.
- Viết sách luận văn.
- Báo cáo đề tài tốt nghiệp.
1.4 GIỚI HẠN
- Số lượng trạm thu cảm biến: 2.
- Hệ thống chỉ ở mức độ giám sát và cảnh báo từ xa.
- Chưa kiểm tra giá trị cảm biến offline bằng điện thoại được.
- Sử dụng module sim900A mini gọi điện và gửi tin nhắn cho 1 thuê bao lập
trình trước.
- Giám sát dữ liệu từ xa qua biểu đồ được thingspeak.com vẽ sẵn ở những nơi
có kết nối internet hoặc 3G, 4G.
- Đề tài được thiết kế hộp bảo vệ với chất liệu: bìa cứng.

1.5 BỐ CỤC
Với đề tài: “Hệ thống giám sát và báo động khí gas” thì bố cục đồ án như sau:
• Chương 1: Tổng Quan.
Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề
tài, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đề tài.
• Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
Chương này trình bày giới thiệu phần cứng của hệ thống điều khiển, các chuẩn
giao tiếp trong quá trình truyền – nhận dữ liệu.
• Chương 3: Tính Toàn Thiết Kế.
Chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của các
board mạnh của hệ thống: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều điều khiển thứ
cấp, mạch nguồn cung cấp điện áp – dòng điện cho từng bộ xử lí trong hệ thống.
• Chương 4: Thi Công Hệ Thống.
Chương này trình bày về sơ đồ mạch in PCB, cách lập trình, cách kiểm tra các
mạch của toàn bộ hệ thống. Bên cạnh đó là hình ảnh thực tế, cũng như kết quả mà
hệ thống có tính đến thời điểm hiện tại.
• Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày kiến thức, cũng như kỹ năng mà nhóm được sau
khi thực hiện đề tài như: sử dụng các cảm biến, truyền – nhận thông tin qua wifi hay
sóng RF, điều khiển các thiết bị bằng board Arduino Mega 2560, board Arduino
Uno R3 và đưa dữ liệu lên web dùng ESP8266 NodeMCU.
• Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển.
Chương này trình bày những kết quả mà đề tài đạt được, đồng thời đưa ra hướng
phát triển để có được một đề tài hoàn thiện và đáp ứng được nhu cầu cho cuộc sống
hiện đại như ngày nay.

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU
Trong chương này là các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ
dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài.
2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
- Thiết bị đầu vào: Module cảm biến khí MQ-2.
- Thiết bị đầu ra: LCD 16x2, Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU, Còi báo động
- Thiết bị vừa là thiết bị đầu vào vừa là thiết bị đầu ra: Module Sim900a
mini, Module thu phát sóng RF nRF24L01.
- Thiết bị điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560.
- Chuẩn truyền thông: SPI, UART.
- Thiết bị giám sát: Laptop, điện thoại có kết nối internet.
2.2.1 Bộ điều khiển trung tâm
Trên thị trường có rất nhiều vi điều khiển để xử lý hệ thống như: vi điều khiển
hãng Microchip (tiêu biểu PIC 16F887, 18F4550, vi điều khiển hãng ATMEL
(AT89C52), RASPBERRY PI, ARDUINO.
Với đề tài này nhóm đang thực hiện chúng em lựa chọn bộ điều khiển trung
tâm là Arduino Uno R3, Arduino Mega 2560 R3.
❖
Giới thiệu về Arduino Uno R3
Arduino Uno R3 là một board điều khiển phù hợp nhất cho những người mới
bắt đầu sử dụng vi xử lí ATmega328. Nó có 14 đầu vào / đầu ra số (trong đó 6 chân
có thể được sử dụng làm đầu ra PWM), 6 đầu vào analog, một thạch anh thạch anh
16 MHz, một kết nối USB, một jack cắm điện, một đầu ICSP và một nút reset. Nó chứa
mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển; chỉ đơn giản kết nối nó với một máy tính bằng
cáp USB hoặc sử dụng nó với một bộ chuyển đổi AC sang DC hoặc pin để
bắt đầu. Bạn có thể làm việc với UNO mà không phải lo lắng quá nhiều về việc làm sai,
kịch bản xấu nhất bạn có thể gặp là thay thế chip với một vài đô la và bắt đầu lại.

Hình 2.1 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3
❖
Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3
▪
Vi xử lý: Atmega328
▪
Điện áp hoạt động: 5V
▪
Điện áp đầu vào: 7-12V
▪
Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V
▪
Chân vào/ra (I/O) số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM)
▪
Chân vào tương tự: 6
▪
Chân I/O số PWM: 6
▪
Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA
▪
Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
▪
Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp
khởi động.
▪
SRAM: 2 KB (ATmega328)
▪
EEPROM: 1 KB (ATmega328)
▪
Xung nhịp: 16MHz
❖
Giới thiệu Arduino Mega 2560
Arduino Mega 2560 R3 là sản phẩm tiêu biểu cho dòng mạch Mega là dòng
board mạch có nhiều cải tiến so với Arduino Uno (54 chân digital IO và 16 chân
analog IO). Đặc biệt bộ nhớ flash của MEGA được tăng lên một cách đáng kể, gấp
4 lần so với những phiên bản cũ của UNO R3. Điều này cùng với việc trang bị 3

timer và 6 cổng interrupt khiến board mạch Mega hoàn toàn có thể giải quyết được
nhiều bài toán hóc búa, cần điều khiển nhiều loại động cơ và xử lý song song nhiều
luồng dữ liệu số cũng như tương tự.
Ngoài việc phát triển được ưu tiên, việc kế thừa cũng được đặc biệt lưu ý. Trên
mạch MEGA các chân digital vẫn từ 0-13, analog từ 0-5 và các chân nguồn tương
tự thiết kế của UNO. Do vậy chúng ta dễ dàng phát triển nghiên cứu theo kiểu gắp
ghép module từ Arduino UNO bê sang Arduino Mega.
Hình 2.2 Hình ảnh thực tế Arduino Mega 2560 R3
❖
Thông số kỹ thuật Arduino Mega 2560
▪
Vi xử lý: ATmega2560
▪
Điện áp hoạt động: 5V
▪
Điện áp đầu vào (được đề nghị): 7-12V
▪
Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V
▪
Số lượng chân I/O: 54 chân (trong đó có 15 chân PWM)
▪
Số lượng chân Input Analog: 16
▪
Dòng điện DC mỗi I/O: 20 mA
▪
Dòng điện DC với chân 3.3V: 50 mA
▪
Bộ nhớ Flash: 256KB trong đó có 8KB sử dụng cho trình nạp khởi động.
▪
SRAM: 8KB
▪
EEPROM: 4KB
▪
Xung nhịp: 16 MHz

❖
Các thành phần chức năng chính của Arduino Uno R3, Mega2560
Hình 2.3 Các thành phần chức năng của Arduino Uno R3
Hình 2.4 Các thành phần chức năng của Arduino Mega 2560
USB Connector:
Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB
chúng ta có thể Upload chương trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là
nguồn cho Arduino.
Power Jack:
Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài
thông qua jack cắm 2.1mm (cực dương ở giữa) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và
GND để cấp nguồn cho Arduino.

Board mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 12 volt. Chúng ta có
thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mức điện áp lớn hơn 5 volt. Và nếu
sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tượng nóng và làm hỏng board mạch.
Khuyết cáo nên dùng nguồn ổn định từ 5 đến dưới 12 volt.
Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage): các chân này dùng để lấy nguồn ra từ
nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lưu ý: không được cấp nguồn vào các
chân này vì sẽ làm hỏng Arduino.
GND: chân mass.
Chip ATmega328, Chip ATmega2560:
Chip ATmega328 có 32KB bộ nhớ flash trong đó 0.5 KB sử dụng cho trình
nạp khởi động.
Chip ATmega2560 có 256KB bộ nhớ flash trong đó 8KB sử dụng cho trình
nạp khởi động
Digital I/O pins:
Arduino UNO có 14 chân digital, Arduino Mega 2560 có 54 chân digital với
chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và
digitalRead() để điều khiển các chân.
Cũng trên 14 chân digital của Uno và 54 chân digital của Mega này chúng ta
còn một số chân chức năng đó là: Serial: 0 và 1. Dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx)
dữ liệu nối tiếp TTL. Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của
một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp.
PWM (pulse width modulation): 6 chân PWM trên board mạch Uno và 16
chân PWM trên board mạch Mega. Các chân PWM giúp chúng ta có thể sử dụng nó
để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn…
Reset button: Dùng để reset Arduino.

❖
Một số ứng dụng cơ bản của Arduino
Trong công nghiệp
Arduino là trung tâm của bộ xử lí nên được dùng làm bộ nhớ trung tâm trong
các hệ thống điều khiển tự động như băng chuyền, hệ thống đếm hàng, hệ thống tự
động đóng chai trong các nhà máy nước ngọt….
Hình 2.5 Hệ thống đếm hàng tự động sử dụng Arduino
Nhỏ gọn, đơn giản nhưng nhiều Arduino có thể kết hợp lại với nhau tạo nên
nhưng hệ thống lớn như nhà máy điện mặt trời, các robot công nghiệp…
Hình 2.6 Máy in 3D sử dụng công nghệ Arduino
Trong dân dụng
Arduino được biết đến như là một thiết bị nhỏ gọn, rẻ và dễ dàng tương tác
nên được sử dụng rất nhiều trong dân dụng.

Các hệ thống điều khiển các thiết bị từ xa, hệ thống chống trộm, ngôi nhà
thông minh… Tất cả đề thân thiện và dễ dàng sử dụng.
Với giá thành rẻ và dễ dàng lắp đặt, ngày càng có nhiều sản phẩm được hoàn
thiện trong lĩnh vực này.
Hình 2.7 Hệ thống nhà thông minh sử dụng Arduino
Trong học tập
Với ưu điểm giá rẻ và mã nguồn mở, Arduino dễ dàng trở thành một trợ thủ đắc
lực dành cho các bạn sinh viên muốn thỏa mãn niềm đam mê sáng tạo với công nghệ.
Chỉ cần có một tí hiểu biết về lập trình, các bạn có thể dễ dàng tạo ra nhưng
sản phẩm đơn giản dành riêng cho mình như xe điều khiển từ xa, các demo đo nhiệt
độ, điều khiển thiết bị qua điện thoại…
Arduino mang lại khả năng sáng tạo không giới hạn cho các bạn sinh viên, là
môi trường học tập rèn luyện lí tưởng để nắm bắt sự phát triển vượt bậc của công
nghệ.
Hình 2.8 Mô hình xe robot dò đường sử dụng Arduino

2.2.2 LCD 16x2
❖
Giới thiệu LCD
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong
rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng
hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ
họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn
rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẽ…
❖
Tổng quan về LCD 16x2 HD44780
Hình dáng, kích thước
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, trên hình
dưới đây là loại LCD thông dụng là LCD 16x2.
Hình 2.9 Hình dáng của loại LCD 16x2
Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên
trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này được đánh số thứ
tự và đặt tên như hình:
Hình 2.10 Sơ đồ chân của LCD 16x2

Chức năng các chân
Bảng 2.1 Chức năng các chân của LCD
Chân Ký hiệu Mô tả
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân
này với GND của mạch điều khiển.
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối
chân này với VCC=5V của mạch điều khiển.
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.
4 RS Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS
với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn
thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi
lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với
bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read).
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi
dữ liệu DR bên trong LCD.
5 R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân
R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi,
hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.
6 E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt
lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có
1 xung cho phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD
chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi
phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín
hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra
DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high
transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi
nào chân E xuống mức thấp.

7 - 14 DB0 - DB7 Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin
với MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:
+ Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8
đường, với bit MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4
đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 - Nguồn dương cho đèn nền
16 - GND cho đèn nền
* Ghi chú: Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua
các chân DBx.
Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD
thông qua các chân DBx.
❖
Các thanh ghi
Chíp HD44780 có 2 thanh ghi 8-bit quan trọng: Thanh ghi lệnh IR (Instructor
Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)
Thanh ghi IR:
Để điều khiển LCD, người dùng phải “ra lệnh” thông qua tám đường bus
DB0-DB7. Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng. Người dùng chỉ
việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR.
Nghĩa là, khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chíp HD44780 sẽ tra
bảng mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó.
VD:
Lệnh “hiển thị màn hình” có địa chỉ lệnh là 00001100 (DB7…DB0).
Lệnh “hiển thị màn hình và con trỏ” có mã lệnh là 00001110.
Thanh ghi DR:
Thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8-bit để ghi vào vùng RAM DDRAM hoặc
CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gởi ra cho
MPU (ở chế độ đọc). Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên trong
chíp sẽ tự động ghi thông tin này vào DDRAM hoặc CGRAM. Hoặc khi thông tin về

địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ
được chuyển ra DR để truyền cho MPU.
=> Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữ
2 thanh ghi này khi giao tiếp với MPU.
Bảng sau đây tóm tắt lại các thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục
đích giao tiếp.
Bảng 2.2 Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng
RS R/W Chức năng
0 0 Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD
0 1 Đọc cờ BF ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở
DB0-DB6
1 0 Ghi vào thanh ghi DR
1 1 Đọc dữ liệu từ DR
❖
Khởi tạo LCD:
Khởi tạo là việc thiết lập các thông số làm việc ban đầu. Đối với LCD, khởi tạo
giúp thiết lập các giao thức làm việc giữa LCD và MPU. Việc khởi tạo chỉ được thực
hiện 1 lần duy nhất ở đầu chương trình điều khiển LCD và bao gồm các thiết lập sau:
▪
Display clear: Xóa/không xóa toàn bộ nội dung hiển thị trước đó.
▪
Function set: Kiểu giao tiếp 8bit/4bit, số hàng hiển thị 1hàng/2hàng, kiểu
kí tự 5x8/5x10.
▪
Display on/off control: Hiển thị/tắt màn hình, hiển thị/tắt con trỏ, nhấp
nháy/không nhấp nháy.
▪
Entry mode set: các thiết lập kiểu nhập kí tự như: Dịch/không dịch, tự
tăng/giảm (Increment).

2.2.3 Module cảm biến khí MQ-2
❖
Giới thiệu về cảm biến khí MQ-2
Vật liệu nhạy cảm của cảm biến khí MQ-2 là SnO2, có độ dẫn thấp trong không khí trong lành. Khi tồn tại khí đốt
mục tiêu, độ dẫn điện của cảm biến sẽ cao hơn cùng với nồng độ khí tăng lên.
Bộ cảm biến khí MQ-2 có độ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen,
cũng có thể được sử dụng cho Methane và hơi đốt khác, với chi phí thấp và thích
hợp cho các ứng dụng khác nhau
Hình 2.11 Hình ảnh thực tế cảm biến khí MQ-2
❖
Tổng quan về cảm biến khí MQ-2
Đặc tính
▪
Độ nhạy tốt với khí đốt trong phạm vi rộng
▪
Độ nhạy cao đối với LPG, Propane và Hydrogen
▪
Tuổi thọ cao và chi phí thấp
▪
Mạch đơn giản
Ứng dụng
▪
Máy dò rò rỉ gas trong nước
▪
Máy dò khí đốt công nghiệp
▪
Máy dò khí xách tay

❖
Thông số kỹ thuật
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cảm biến MQ-2
Mẫu số MQ-2
Loại cảm biến Bán dẫn
Tiêu chuẩn đóng gói Bakelite (Black Bakelite)
Khí phát hiện Khí đốt dễ cháy, khói thuốc
Nồng độ 300-10000ppm (Nồng độ khí gas)
Mạch điện Điện áp mạch ≤ 24
Điện áp sưởi 5.0V±0.2V ACorDC
Điện trở tải Có thể điều chỉnh được
Đặc tính Điện trở sưởi 31Ω±3Ω（Nhiệt độ phòng）
Công suất ≤ 900
sưởi tiêu thụ
Điện trở cảm 2KΩ-20KΩ (trong 2000ppm 3 8)
giác
Độ nhạy S (trong không khí)/ ( 1000 4)
≥5
Độ dốc α ≤0.6(
5000 /
3000 4)
Điều kiện Nhiệt độ, độ ẩm 20℃±2℃；65%±5%RH
Kiểm tra mạch tiêu :5.0V±0.1V；
chuẩn :5.0V±0.1V
Thời gian nóng sơ bộ Hơn 48 giờ
❖
Tìm hiểu module cảm biến khí gas MQ-2
Module cảm biến khí gas MQ-2 là sự tích hợp thêm cho cảm biến MQ-2 một
mạch điện đơn giản để khi cảm biến phát hiện khí dễ cháy thì độ nhạy của cảm
biến tăng lên, cũng như độ dẫn điện cũng cao hơn dựa vào đó mạch điện đơn
giản sẽ chuyển sang tín hiệu tương tự hay tín hiệu số cho người dùng tiện sử dụng.

Hình 2.12 Hình ảnh thực tế module cảm biến khí Gas MQ-2
Module được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng do mạch đơn
giản, nhỏ gọn và chi phí thấp. Có cả 2 tín hiệu đầu ra: Analog (A0), Digital (D0) và
điện áp sử dụng 5V.
2.2.4 Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU
ESP8266 được phát triển bởi Espressif để cung cấp giải pháp giao tiếp Wifi
cho các thiết bị IoT. Điểm đặc biệt của dòng ESP8266 là nó được tích hợp đầy đủ
tính năng internet ngay bên trong chip với kích thước rất nhỏ chỉ 5x5mm nên các
board sử dụng ESP8266 không cần kích thước board lớn cũng như không cần nhiều
linh kiện xung quanh. Ngoài ra, giá thành của ESP8266 cũng rất thấp đủ để hấp dẫn
các nhà phát triển sản phẩm IoT.
❖
Tổng quan về ESP8266
Cấu trúc phần cứng của dòng chip sử dụng ESP8266 có thể tóm tắt như sau:
▪
Sử dụng 32-bit MCU core có tên là Tensilica
▪
Tốc độ xung hệ thống có thể thiết lập ở 80MHz hoặc 160MHz
▪
Không tích hợp bộ nhớ Flash để lưu chương trình
▪
Tích hợp 50KB RAM để lưu dữ liệu ứng dụng khi chạy
▪
Có đầy đủ các ngoại vi chuẩn để giao tiếp như 17 GPIO, 1 Slave SDIO, 3
SPI, 1 I2C, 1 I2S, 2 UART, 2 PWM.
▪
Tích hợp các mạch RF để truyền nhận dữ liệu ở tần số 2.4GHz.
Do không hỗ trợ bộ nhớ Flash nên các board sử dụng ESP8266 phải gắn thêm
chip Flash bên ngoài và thường là Flash SPI để ESP8266 có thể đọc chương trình
ứng dụng với chuẩn SDIO hoặc SPI.

Dưới đây là mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266:
Hình 2.13 Mạch nguyên lý đầy đủ cho ESP8266
Chúng ta có thể thấy board ESP8266 chỉ cần thạch anh và SPI flash chip và
vài linh kiện điện trở rất đơn giản. Do đó việc tích hợp giao tiếp Wifi vào board ứng
dụng với ESP8266 rất dễ dàng và nhanh chóng.
Công ty Espressif cũng cung cấp khá đầy đủ tài liệu và công cụ phần mềm để
các nhà phát triển sản phẩm có thể nhanh chóng làm quen và phát triển ứng dụng
với ESP8266.
Về mô hình lập trình ứng dụng với ESP8266, chúng ta có thể chia làm 2 loại
như sau:
▪
Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông qua AT
commands.
▪
Lập trình firmware trực tiếp vào ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK cung
cấp bởi Espressif.

❖
Các chế độ Boot up của ESP8266
Do ESP8266 không tích hợp Flash bên trong chip để lưu code ứng dụng nên
chúng ta phải lưu code ứng dụng trong bộ nhớ ngoài bao gồm chip SPI Flash hoặc
SDCard. Chúng ta có thể kết nối 1 số chân GPIO để báo cho ESP8266 nơi lưu code
ứng dụng để từ đó ESP8266 có thể đọc code và thực thi.
Các chế độ boot up của ESP và cấu hình chân GPIO tương ứng như sau:
Bảng 2.4 Chế độ boot up của ESP và cấu hình chân GPIO tương ứng
Chân MTD0 chính là chân GPIO15 của ESP8266. Chúng ta có thể kết nối điện
trở kéo lên/kéo xuống hoặc dùng nút nhấn… trên board tạo tín hiệu High/Low cho
các chân để chọn bộ nhớ chứa code trên board mà ESP8266 có thể đọc vào và thực
thi (ví dụ như SPI Flash chip, SDCard). Ngoài ra ESP8266 còn chế độ cho phép
truyền code ứng dụng từ máy tính thông qua UART và lưu vào bộ nhớ SPI Flash
trên board. Chúng ta sẽ dùng chế độ này để nạp code mới cho các board ESP8266.
❖
Các loại module cho ESP8266 trên thị trường
Ngoại trừ module ESP-WROOM-02 được phát triển bởi chính Espressif cho
mục đích nghiên cứu các tính năng của ESP8266, các module ứng dụng phổ biến
hiện nay của ESP8266 đều được phát triển bởi công ty AI-Thinker
Hiện tại có khá nhiều module khác nhau cho ESP8266 được sản xuất bởi công
ty AI-Thinker. Đặc điểm khác nhau giữa các module này bao gồm:
▪
Loại anten sử dụng (PCB anten, chip anten hoặc gắn anten ngoài).
▪
Dung lượng của chip Flash SPI trên board.
▪
Kích thước board của module.
▪
Có gắn khung nhôm chống nhiễu hay không.
▪
Số lượng pin GPIO đưa ra chân kết nối.

Hiện tại AI-Thinker sản xuất 14 loại module cho ESP từ module ESP-01 đến
ESP-14.
Ở thị trường VN thì 3 module là ESP-01, ESP-07 và ESP-12 (loại ESP dùng
cho kit ESP8266 MCU) khá phổ biến.
❖
Giới thiệu Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU
Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi
SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình
biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập
trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.
Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU được dùng cho các ứng dụng cần kết
nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan
đến IoT.
Kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU sử dụng chip nạp và giao tiếp UART
mới và ổn định nhất là CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên tất cả các hệ điều
hành Window và Linux, đây là phiên bản nâng cấp từ các phiên bản sử dụng IC nạp
giá rẻ CH340.
❖
Thông số kỹ thuật Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU
▪
Chip: ESP8266 Wifi SoC (ESP-12)
▪
WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n
▪
Điện áp hoạt động: 3.3V
▪
Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
▪
Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire,
trừ chân D0)
▪
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V)
▪
Bộ nhớ Flash: 4MB
▪
Giao tiếp: Cable Micro USB
▪
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
▪
Tích hợp: TCP/IP
▪
Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU – Lua

❖
Sơ đồ chân Kit Wi-fi ESP8266 NodeMCU
Hình 2.14 Sơ đồ chân kit Wifi ESP8266 NodeMCU
Có tới 17 chân GPIO. Chúng có thể được gán cho các chức năng khác nhau.
Mỗi GPIO có thể được cấu hình với kéo lên (ngoại trừ XPD_DCDC, được cấu hình
kéo xuống).
Các chân này được ghép với các chức năng khác như I2C, I2S, UART, PWM,
Điều khiển từ xa IR, v.v.
Tất cả các chân IO kỹ thuật số được bảo vệ khỏi điện áp quá mức với mạch
đảo được kết nối giữa mạch dẫn và ground. Điện áp đảo thường là khoảng 6V, và
điện áp giữ là 5.8V.
Các thiết bị đầu ra cũng được bảo vệ khỏi điện áp đảo ngược với điốt.
2.2.5 Module thu phát sóng RF
❖
Giới thiệu về module thu phát sóng RF nRF24L01 2.4 Ghz
Module sử dụng chip truyền sóng nRF24L01 ưu việt về tốc độ truyền, khoảng
cách, độ nhạy, bổ sung thêm pipelines, buffers, và tính năng auto-retransmit nhưng
vẫn tương thích ngược với phiên bản cũ về cách sử dụng ...nRF24L01 hoạt động
trên dải tần 2.4GHz và sử dụng giao tiếp SPI, khoảng cách tối đa trong điều kiện
không vật cản lên đến 100m.

Hình 2.15 Module thu phát sóng RF nRF24L01
❖
▪
Điện thế hoạt động: 1.9V - 3.6V
▪
Có sẵn anthena sứ 2.4GHz.
▪
Truyền được 100m trong môi trường mở với 250kbps baud.
▪
Tốc độ truyền dữ liệu qua sóng: 250kbps to 2Mbps.
▪
Tự động bắt tay (Auto Acknowledge).
▪
Tự động truyền lại khi bị lỗi (auto Re-Transmit).
▪
Multiceiver - 6 Data Pipes.
▪
Các chân IO đều chịu được điện áp vào 5V.
▪
Lập trình được kênh truyền sóng trong khoảng 2400MHz đến 2525MHz
(chọn được 125 kênh).
▪
Thứ tự chân giao tiếp: GND, VCC, CS, CSN, SCK, MOSI, MISO, IQR
Hình 2.16 Kích thước và vị trí các chân của module nRF24L01
❖
Ứng dụng
▪
Chuột không dây, bàn phím, cần điều khiển
▪
Truyền thông dữ liệu không dây
▪
Hệ thống báo động và an ninh
▪
Tự động hóa nhà
▪
Giám sát
▪
Ô tô

▪
Từ xa
▪
Thiết bị thể thao thông minh
▪
Đồ chơi
❖
Sơ đồ chân và chức năng các chân của Chip nRF24L01
Sơ đồ chân chip nRF24L01
Hình 2.17 Sơ đồ chân nRF24L01 cho 1 khối QDN20 4x4
Bảng 2.5 Sơ đồ chân và chức năng các chân module nRF24L01
Chân Tên Chức năng Mô tả
1 CE Đầu vào số Cho phép hoạt động chế độ RX hay TX
2 CSN Đầu vào số Lựa chọn chip cho giao thức SPI
3 SCK Đầu vào số Xung giữ nhịp cho giao thức SPI
4 MOSI Đầu vào số Đường dữ liệu vào nếu là chip Slave
5 MISO Đầu ra số Đường dữ liệu ra nếu là chip Slave, với
3 trạng thái lựa chọn
6 IRQ Đầu ra số Chân ngắt Maskable
7 VDD Nguồn Nguồn cung cấp (+3V DC)
8 VSS Nguồn 0V
9 XC2 Đầu ra tương tự Chân thạch anh 2
10 XC1 Đầu vào tương Chân thạch anh 1
tự

11 VDD_PA Nguồn ngõ ra Nguồn cung cấp (1.8V) đến bộ khuếch
đại công suất
12 ANT1 RF Giao diện phần phát hoặc thu sóng vô
tuyến 1
13 ANT2 RF Giao diện phần phát hoặc thu sóng vô
tuyến 2
14 VSS Nguồn 0V
16 IREF Nguồn ngõ vào Dòng chuẩn
17 VSS Nguồn 0V
19 DVDD Nguồn ngõ ra Điện áp nguồn dương cấp cho mục
đích ghép kênh
20 VSS Nguồn 0V
❖
Mô tả chức năng
Chế độ hoạt đông
NRF24L01 có thể được cài đặt ở các chế độ chính sau đây tùy thuộc vào mức
độ I/O và thanh ghi cấu hình:
Bảng 2.6 Các chế độ chính của nRF24L01
Chế độ
Thanh ghi Thanh ghi
CE Trạng thái FIFO
PWR_UP PRIM_RX
Chế độ RX 1 1 1 -
Chế độ TX 1 0 1 Dữ liệu trong TX FIFO
Chế độ TX 1 0 1→0 Ở chế độ TX tới khi gói
dữ liệu truyền hoàn tất
Trang thái chờ-II 1 0 1 TX FIFO rỗng
Trạng thái chờ-I 1 - 0 Không có gói dữ liệu nào
truyền đến
Tắt nguồn 0 - - -

Chế độ chờ
Chế độ chờ-I được sử dụng để giảm mức tiêu thụ trung bình trong khi vẫn duy
trì thời gian khởi động ngắn. Trong chế độ này, một phần của dao động thạch anh
vẫn đang hoạt động. Trong chế độ chờ-II một số bộ đệm đồng hồ được hoạt động
thêm so với chế độ chờ-I. Chế độ chờ-II xảy ra khi CE ở mức cao trên thiết bị PTX
với TX FIFO rỗng. Nội dung từ cấu hình được duy trì trong chế độ chờ. Giao diện
SPI có thể được kích hoạt.
Chế độ ngắt nguồn
Tắt nguồn trong nRF24L01 thì bị vô hiệu hóa với mức tiêu thụ hiện tại tối thiểu.
Khi vào chế độ này, thiết bị không hoạt động, nhưng tất cả các thanh ghi ghi giá trị
sẵn có từ giao diện SPI được duy trì trong khi tắt nguồn và giao diện SPI có thể
được kích hoạt (CSN = 0). Tắt nguồn được điều khiển bởi bit PWR_UP trong thanh
ghi CONFIG.
2.2.6 Module Sim900A mini
❖
Giới thiệu Sim900A
Hình 2.18 Sim900A
Sim900A là được xem như là một chiếc điện thoại với các chức năng từ cơ
bản như: nghe gọi, nhắn tin cho đến GPRS …
Giao tiếp vật lý trong ứng dụng điện thoại của SIM900A là 60 chân, nó cung
cấp tất cả các giao diện vật lý giữa module Sim và bo mạch của khách hàng:
▪
Có Serial port và Debug port giúp dễ dàng hơn trong việc phát triển ứng
dụng.

▪
Một kênh audio bao gồm Input của Microphone và Ouput của Speaker.
▪
Có thể dễ dàng được cấu hình bằng lệnh AT qua cổng giao tiếp nối tiếp.
▪
Giao tiếp với simcard giống như điện thoại di động.
SIM900A hỗ trợ giao thức TCP/IP, rất hữu ích cho việc truyền dữ liệu trên
Internet.
SIM900A được thiết kế với công nghệ tiết kiệm năng lượng vì vậy mức tiêu
thụ chỉ ở mức 1.5mA ở trong chế độ SLEEP.
Để hiện thực việc nhắn tin qua sim900A thì chỉ cần Serial port của Sim900A
để gửi, nhận các AT command.
❖
Tổng quan Module Sim900A
Mạch nguồn:
Sim900A đòi hỏi nguồn khá khắt khe. Cụ thể, nguồn cung cấp cho SIM900A
là nguồn DC 3,2V – 4,8V. Dòng điện cung cấp phải lớn hơn hoặc bằng 2A. Trong
quá trình khởi động SIM900A, áp sẽ bị sụt áp. Nếu dòng cung cấp không đủ, điện
áp sẽ bị sụt xuống dưới mức yêu cầu và SIM900A không thể khởi động được.
Nếu điện áp lớn hơn 4.8V thì sim900A sẽ bị cháy.
Phần giao tiếp với sim card:
Sim900A hỗ trợ 2 loại SIM Card: 1.8V và 3V. Sim900A sẽ tự xác định loại
sim nào và cấp nguồn.
Sim 900A hỗ trợ sử dụng loại sim 6 chân.
Hình 2.19 Phần giao tiếp simcard

Đèn thông tin trạng thái của sim900A.
Để kiểm tra trạng thái kết nối của sim900A với mạng thì dùng đèn netlight.
Hình 2.20 Mạch kiểm tra trạng thái kết nối của
sim900A Bảng 2.7 Mô tả các chân giao tiếp simcard
Tên chân Kí hiệu Chức năng
C1 SIM_VDD Cung cấp nguồn cho Simcard
C2 SIM_RST Reset Simcard
C3 SIM_CLK Khóa Simcard
C5 GND Nối GND
C6 VPP Không kết nối
C7 SIM_DATA Đường dữ liệu Simcard vào ra
Bảng 2.8 Trạng thái của đèn
Trạng thái Chức năng của GSM/GPRS
Off GSM không hoạt động
64ms On/ 800ms Off GSM không tìm thấy mạng
64ms On/ 3000ms Off GSM đang kết nối mạng
64ms On/ 300ms Off Đang kết nối GPRS

Giao tiếp với module sim900A qua AT conmand:
Việc điều khiển Sim900a được thực hiện thông qua việc truyền các lệnh AT
(các lệnh này thường bắt đầu bằng “AT”, dùng để điều khiển các thiết bị tương tác
với mạng.
Ví dụ:
Lệnh AT để gửi một tin nhắn :
AT+CMGS=”+84908556993”
Lệnh AT để lấy danh sách tin nhắn:
AT+CMGL=”ALL”
Lệnh AT để đọc tin nhắn:
AT+GMGR = 1
Lệnh AT để xoá tin nhắn:
AT+CMGD=1
❖
Giới thiệu module GSM GPRS Sim900A Mini
Module GSM GPRS Sim900A Mini được thiết kế nhỏ gọn với chi phí thấp
nhưng vẫn đảm bảo được khả năng hoạt động tốt. Mạch được thiết kế ra các chân cơ
bản của SIM900A, tích hợp khe sim kích cỡ thông thường và Anten. Mạch
SIM900A được thiết kế để có khả năng cấp nguồn trực tiếp 5V và nguồn không cần
phải có dòng lớn (nhờ có diod và tụ bù), có thể cấp trực tiếp từ 5V của Arduino
hoặc từ cổng usb máy tính, các chân GIPO của SIM900A cũng có thể giao tiếp trực
tiếp ở mức logic 3-5VDC.
❖
Thông số kỹ thuật:
▪
IC chính: Sim900A
▪
Nguồn cấp: 4.5-5V, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở
lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino). Nên dùng nguồn 2A để đảm
bảo hiệu suất hoạt động của SIM.
▪
Tích hợp khe Sim kích thước chuẩn.
▪
Tích hợp led báo trạng thái Sim900A
▪
Tích hợp tụ bù điện dung cao và Diod giảm áp để có thể cấp 5VDC và
nguồn dòng thấp.

▪
Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA
▪
Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A.
▪
Kích thước: 2.5 cm x 3.1 cm
Hình 2.21 Module GSM GPRS Sim 900A Mini
❖
▪
VCC: Nguồn vào 5V.
▪
TXD: Chân truyền Uart TX.
▪
RXD: Chân nhận Uart RX.
▪
Headphone: Chân phát âm thanh.
▪
Microphone: Chân nhận âm thanh (phải gắn thêm Micro từ GND vào
chân này thì mới thu được tiếng).
▪
GND: Chân Mass, cấp 0V.
2.2.7 Module Relay 1 kênh 5V
❖
Giới thiệu về module Relay 1 kênh 5V
Module Relay 1 kênh 5V gồm 1 relay điện áp hoạt động ở mức 5VDC, đầu ra
điều khiển hiệu điện tối đa ở mức 250V 10A đối với điện áp xoay chiều AC và 30V
với điện áp 1 chiều DC.

Hình 2.22 Module relay 1 kênh 5V
Module relay 1 kênh nhỏ gọn chuyên nghiệp, khả năng chống nhiễu tốt và khả
năng cách điện tốt. Trong module đã có sẵn mạch kích relay sử dụng IC cách ly
quang và transistor giúp cách ly hoàn toàn mạch vi điều khiển với relay bảo đảm vi
điều khiển hoạt động ổn định.
Có sẵn header rất tiện dụng khi kết nối với vi điều khiển. Có các lỗ bắt vít rất
tiện lợi dễ lắp đặt trong hệ thống mạch.
Mạch điều khiển relay 1 kênh này sử dụng chân kích mức Thấp (0V), khi có
tín hiệu 0V vào chân IN thì relay sẽ nhảy qua thường Mở của Relay.
Ứng dụng với relay module khá nhiều bao gồm cả điện DC hay AC.
❖
Tổng quan về module relay 1 kênh 5V
Ứng dụng
▪ Dùng để điều khiển thiết bị điện 220V qua Relay.
▪ Nhận tín hiệu từ vi điều khiển: 8051; AVR; PIC; Arduino;... để điều
khiển các thiết bị.
▪ Có thể nhận từ các loại module cảm biến: CB Ánh Sáng; CB Khí; CB
Rung;... để đóng ngắt các thiết bị.
▪
VCC: nối với nguồn 5V.
▪
GND: nối với 0V.
▪
IN: nối với dây tín hiệu điều khiển relay.
❖
▪
Kích thước: 53mm (chiều dài)*28.3mm (chiều rộng)*19.3mm (H)
▪
Trọng lượng: 18g.
▪
Màu sắc: Đen

▪
Bốn lỗ để bắt vít cố định có đường kính 3.1mm, dễ dàng lắp đặt trong
hệ thống mạch
▪
Opto cô lập, tốt chống nhiễu.
▪
Có đèn báo đóng ngắt trên Relay.
▪
Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.
▪
Đầu ra điện thế đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A.
2.2.8 Còi báo động 12V
❖
Giới thiệu về còi báo động 12V
Còi báo động 12V là một loại thiết bị phát âm thanh, reo lên khi được cấp điện
nguồn 12V DC.
Hình 2.23 Còi báo động 12V
❖
Thông số kĩ thuật
▪
Màu: Đen + đỏ
▪
Vật liệu: nhựa ABS
▪
DB: 105dB
▪
Công suất: ~15W
▪
Dòng cung cấp: khoảng 0.5A
▪
Điện áp nguồn vào: 12V DC
▪
Đường kính còi: 50mm
▪
Kích thước: 7 * 6 * 5cm / 2.8 * 2.4 * 2in
▪
Khối lượng: 33g.

❖
Nguyên lý hoạt động
Còi hú báo động JC688 dùng điện 12V, tích hợp sẵn âm thanh, có 4 đèn led
nhỏ bên trong, khi có dòng điện âm và dương vào thì còi sẽ kêu và hú âm thanh,
nghe như là còi báo động của cảnh sát
Còi có 1 lỗ vít để cố định vào một vị trí cần cảnh báo.
Còi có 4 led nhỏ bên trong nhấp nháy đẹp nên rất dễ thu hút sự chú ý.
Cố định đế trước dễ dàng và an toàn cho lắp đặt vừa là một chiếc còi đặc biệt lại
là một đèn led trang trí khi sử dụng, lắp đặt dễ dàng với hai điện 2 cực âm, dương.
2.3 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
2.3.1 Giao tiếp Serial – UART
UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter. Là kiểu
truyền thông tin nối tiếp không đồng bộ thường là một mạch tích hợp. Mục đích của
UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào
Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi
điều khiển…
Hình 2.24 Truyền dữ liệu qua lại giữa 2 vi điều khiển và giữa vi điều khiển với PC

2.3.2 Chuẩn truyền thông SPI
SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm
quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền
thông “4 dây” vì 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO
(Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).
▪
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ
nên cần 1 đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1-bit dữ liệu đến
hoặc đi.
▪
MISO - Master Input / Slave Output: nếu là chip Master thì đây là
đường Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của
Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
▪
MOSI - Master Output / Slave Input: nếu là chip Master thì đây là
đường Output còn nếu là chip Slave thì MOSI lại là Input. MOSI của
Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
▪
SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip
Slave đường SS sẽ mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo
đường SS của một Slave nào đi xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra
giữa Master và Slave đó.

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 GIỚI THIỆU
Trong chương này trình bày về cách tính toán, sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý các
board mạch của hệ thống.
3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Với các yêu cầu đưa ra nhóm thực hiện đã hình thành sơ đồ khối như sau:
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống

❖
Chức năng các khối
Khối nguồn: Cung cấp nguồn hoạt động cho hệ thống.
Khối cảm biến khí gas: Đo nồng độ khí gas và gửi về Arduino xử lí.
Khối hiển thị LCD: Hiển thị nồng độ khí gas đo được và trạng thái an
toàn hay nguy hiểm.
Khối báo động tại chỗ: Phát ra tiếng báo động tại chỗ khi cảm biến ở bất
cứ nơi đâu trong hệ thống phát hiện có nguy hiểm.
Khối thu phát sóng RF: Thu phát sóng RF để giao tiếp giữa khối xử lý
thứ cấp và khối xử lý trung tâm.
Khối báo động qua tin nhắn: Gửi tin nhắn cho số điện thoại đã đặt trước
khi phát hiện có khí gas rò rỉ quá chuẩn cho phép.
Khối đưa dữ liệu lên web: Thu thập dữ liệu cảm biến đưa lên trang web
để tiện theo dõi.
Khối xử lý thứ cấp (tại chỗ đặt cảm biến): Thu nhận dữ liệu từ cảm biến
và xử lý, nếu vượt quá giới hạn cho phép thì gửi tín hiệu báo nguy hiểm cho
khối xử lí trung tâm xử lý.
Khối xử lý trung tâm: Hiển thị nơi xảy ra rò rỉ khí lên màn LCD, đồng
thời gửi tin nhắn cảnh báo đến số điện thoại đặt trước cũng như là gửi tín
hiệu đến tất cả các khối xử lí thứ cấp để mở chuông báo động toàn hệ thống
khi nhận được tín hiệu báo nguy hiểm từ bất kì khối xử lí thứ cấp nào.
3.2.2 Tính toán và thiết kế
❖
Tính toán khối cảm biến
Khối cảm biến đo đạc giá trị của khí gas rò rỉ.
Điện áp hoạt động của cảm biến khí Gas MQ-2 là 5V.
Dòng tiêu thụ là 180mA.

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối cảm biến MQ-2 với Arduino UNO
❖
Tính toán khối hiển thị
LCD 26x2 được điều khiển bằng 4 đường dữ liệu D4 tới D7 và 2 chân điều
khiển được nối với chân E và chân RS của LCD.
Sử dụng biến trở 10KΩ để điều chỉnh độ tương phản của màn hình LCD từ chân
VE.
LCD 16x2 hoạt động với nguồn điện áp 5V, dòng hoạt động 160mA.
Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với LCD

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với LCD
❖
Tính toán khối báo động tại chỗ
Module Relay 1 kênh 5V gồm 1 relay điện áp hoạt động ở mức 5VDC, đầu ra
điều khiển hiệu điện tối đa ở mức 250V 10A đối với điện áp xoay chiều AC.
Dòng tiêu thụ của relay là 80mA.
Dùng chuông báo động điện áp hoạt động 12V để làm loa báo động.
Hình 3.5 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với Relay và loa

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với Relay và loa
❖
Tính toán khối đưa dữ liệu lên web
Khối đưa dữ liệu lên web dùng kit ESP8266 MCU
Điện áp hoạt động của ESP8266 MCU là 5V và dòng hoạt động là 300mA.
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối Arduino Mega 2560 với ESP8266 MCU

❖
Khối thu phát sóng RF
Sử dụng module thu phát sóng nRF24L01 2.4GHz giao tiếp trong hệ thống.
Module thu phát sóng nRF24L01 2.4GHz gửi và nhận dữ liệu giao tiếp giữa khối
trung tâm và khối thu thập dữ liệu tại chỗ.
Module hoạt động với điện áp 3.3V, dòng hoạt đọng động là 45mA.
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối Arduino UNO với module thu phát sóng nRF24L01
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module thu phát sóng nRF24L01

❖
Khối báo động qua tin nhắn
Dùng module sim 900A mini thực hiện gửi tin nhắn tới thuê bao đã lưu sẵn để
báo động khi có nguy hiểm rò rỉ khí gas.
Module sim 900A mini dùng nguồn cấp: 4.5-5V, có thể sử dụng với nguồn
dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino). Nên dùng
nguồn 2A để đảm bảo hiệu suất hoạt động của SIM.
Hình 3.10 Sơ đồ kết nối Arduino MEGA với module Sim900A mini.
❖
Tính toán điện áp và dòng điện và thiết kế khối nguồn
Khối nguồn cung cấp nguồn cho hệ thống bao gồm khối xử lý thứ cấp, khối xử
lý trung tâm và các thiết bị đi kèm.
Bảng 3.1 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí thứ cấp
STT Tên linh kiện Dòng định Số lượng Tổng dòng điện A
mức mA
1 nRF24L01 45 1 0.045
Tổng cộng 0.045

Bảng 3.2 Các linh kiện sử dụng nguồn 3.3V trong khối xử lí trung tâm.
mức mA
1 nRF24L01 45 1 0.045
Tổng cộng 0.045
Bảng 3.3 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí thứ cấp.
mức mA
1 LCD 16x2 160 1 0.16
2 MQ-2 180 1 0.18
3 RELAY 80 1 0.08
Tổng cộng 0.42
Bảng 3.4 Các linh kiện sử dụng nguồn 5V trong khối xử lí trung tâm.
mức mA
1 LCD 16x2 160 1 0.16
2 Sim900A mini 2000 1 2
3 RELAY 80 1 0.08
Tổng cộng 2.24

Từ những tính toán trên, ta sẽ thiết kế 1 khối nguồn 5V 3A cho khối xử lí
trung tâm và 1 khối nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp.
Hình 3.11 Mạch nguồn 5V 1A cho khối xử lí thứ cấp
Hình 3.12 Mạch nguồn 5V 3A cho khối xử lí trung tâm

3.2.3 Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống
❖
Sơ đồ nguyên lí bộ xử lí thứ cấp
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý thứ cấp

❖
Sơ đồ nguyên lí bộ xử lí trung tâm
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý trung tâm
❖
Sơ đồ nguyên lí toàn hệ thống
Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch

❖
Giải thích nguyên lí toàn hệ thống
Cảm biến khí gas MQ-2 ở các nơi liên tục thu thập giá trị khí gas từ môi
trường về so sánh với ngưỡng cho phép do người dùng đặt. Bên cạnh đó, những số
liệu thu được đó sẽ được up lên web thingspeak.com qua module ESP8266 MCU và
vẽ thành biểu đồ nhầm dễ dàng kiểm soát. Khi nồng độ khí gas chưa vượt quá giới
hạn thì cho phép thì các kênh cảnh báo là chuông, module sim900a sẽ không có tín
hiệu gì. LCD hiện thị trạng thái an toàn.
Khi nồng độ khí gas vượt quá mức cho phép khối xử lí thứ cấp sẽ gửi tín hiệu
cảnh báo đến khối xử lí trung tâm qua Module thu phát sóng RF nRF24L01 2.4 Ghz.
Tín hiệu cảnh báo đó là 1 mã riêng biệt mà khối xử lí trung tâm có thể phân biệt với các
khối xử lí thứ cấp khác. Sau khi nhận được tín hiệu cảnh báo chuông ở khối xử lí trung
tâm sẽ reo lên đồng thời gửi tin nhắn, gọi điện đến số điện thoại được cài đặt thông báo
rằng nồng độ khí gas vượt quá mức cho phép. LCD ở khối xử lí trung tâm hiển thị khu
vực của khối xử lí thứ cấp nào đang rò rỉ. Song song đó khối xử lí trung tâm cũng sẽ
gửi tín hiệu đến tất cả các khối xử lí thứ cấp khác để phát tín hiệu cho chuông reo và
hiển thị lên LCD khu vực nào đang xảy ra rò rỉ để có biện pháp phòng chống kịp thời,
hướng di chuyển hợp lí tránh khu vực nguy hiểm.

3.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
3.3.1 Lưu đồ giải thuật
Sau khi cấp nguồn 220V hệ thống bắt đầu hoạt động. Bộ xử lý khu vực tiến
hành đo nồng độ khí gas sau đó gửi về bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm kiểm
tra giá trị vừa nhận, đồng thời gửi dữ liệu lên trang web thingspeak.com để theo dõi.
Nếu phát hiện có rò rỉ khí gas sẽ mở báo động tại chỗ, và gửi tín hiệu tới các bộ xử
lý khu vực mở báo động. Đồng thời bộ xử lý trung tâm gửi tin nhắn sms tới thuê
bao cài đặt trước sau đó gọi điện tới số điện thoại báo có nguy hiểm.
❖
Lưu đồ chương trình chính trung tâm:
Begin
Khởi tạo LCD, UART, SPI
Serial, Sim900, nRF, IO
Khai báo các biến và các giá trị ban đầu
Nhận tín hiệu từ NRF 1
Nhận tín hiệu từ NRF 2
Hiển thị LCD
Gửi dữ liệu lên Web
Kiểm tra nguy hiểm
Truyền tín hiệu đến NRF 1
Truyền tín hiệu đến NRF 2
Gửi sms
Gọi
End
Hình 3.16 Lưu đồ chương trình chính trung tâm

❖
Giải thích lưu đồ
Khi cấp nguồn 220V vào mạch trung tâm. Bộ xử lí trung tâm nhận khởi tạo
các giá trị ban đầu, các tập lệnh khởi tạo các module. Sau đó nhận dữ liệu cảm biến
từ các khu vực gửi về, hiển thị các giá trị vừa nhận ứng với từng khu vực trên LCD.
Sau đó gửi dữ liệu lên trang web thingspesk.com để theo dõi.
Bộ xử lí trung tâm kiểm tra dữ liệu khu vực gửi về có vượt mức cho phép là
20%. Nếu khu vực 1 nồng độ khí gas lớn hơn 20% thì mở loa cảnh báo tại trung
tâm, hiển thị KV1 NGUY HIEM trên dòng 1 LCD. Trung tâm gửi tín hiệu nguy
hiểm đến các khu vực. Sau đó gửi tin nhắn sms báo nguy hiểm ở khu vực 1 và gọi
tới số thuê bao cài đặt sẵn.
Nếu khu vực 2 nồng độ khí gas lớn hơn 20% thì mở loa cảnh báo tại trung
tâm, hiển thị KV2 NGUY HIEM trên dòng 1 LCD. Trung tâm gửi tín hiệu nguy
Nếu cả 2 khu vực nồng độ khí gas lớn hơn 20% thì mở loa cảnh báo tại trung
tâm, hiển thị KV1,2 NGUY HIEM trên dòng 1 LCD. Trung tâm gửi tín hiệu nguy
Nếu cả 2 khu vực nồng độ khí gas nhỏ hơn 20% thì tắt loa cảnh báo tại trung
tâm, hiển thị AN TOAN trên dòng 1 LCD. Trung tâm gửi tín hiệu an toàn đến các
khu vực.

❖
Lưu đồ giải thuật khu vực 1
Begin
Khởi tạo LCD, UART, SPI
Serial, nRF, IO
Đọc giá trị cảm biến
Chuyển giá trị cảm biến theo %
Hiển thị giá trị KV1 ở dòng 2 LCD
Gửi dữ liệu cảm biến về trung tâm
Nhận dữ liệu trả về từ trung tâm
sai
KV1 nguy hiểm
đúng
Mở chuông
Hiển thị KV1 NGUY HIEM dòng 1 LCD
sai
KV2 nguy hiểm
đúng
Mở chuông
Hiển thị KV12 NGUY HIEM dòng 1 LCD
sai
KV1,2 nguy hiểm
đúng
Mở chuông
Hiển thị KV1,2 NGUY HIEM dòng 1 LCD
Tắt chuông
Hiển thị AN TOAN dòng 1 LCD
End
Hình 3.17 Lưu đồ chương trình khu vực 1
❖
Giải thích lưu đồ chương trình khu vực 1
Khi cắm nguồn mạch khởi động và tiến hành khởi tạo các giá trị ban đầu, các
tập lệnh khởi tạo các module. Sau đó cập nhật giá trị cảm biến ở khu vực 1, chuyển
giá trị về dạng %. Sau đó hiển thị giá trị này ở dòng 2 LCD, gửi giá trị cảm biến
dạng % về trung tâm.
Nhận tín hiệu từ trung tâm và kiểm tra. Nếu tín hiệu bằng 100 thì mở loa báo
nguy hiểm, hiển thị KV1 NGUY HIEM ở dòng 1 LCD

Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc

Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc

Similar to Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Hệ thống giám sát và báo động khí gas.doc