BÁO cáo m ôn học đồ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN đề tài xây DỰNG và THIẾT kế hệ THỐNG đo NỒNG độ cồn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI  - - BÁO CÁO M ÔN HỌC ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NỒNG ĐỘ CỒN Sinh viên thực hiện: 1, Hoàng Quốc Bảo Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 4-k13/ Cơ khí 2, Nguyễn Tùng Dương Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 3-k13/ Cơ khí 3, Bùi Văn Hồng Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 4-k13/ Cơ khí Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường Hà Nội - 2020 LỜI CẢM ƠN Trong trình làm Đồ án môn học đo lường điều khiển, chúng em gặp nhiều khó khăn kiến thức thực tế cịn yếu, kinh nghiệm thiết kế chưa có, việc sử dụng phần mềm thiết kế chưa thục Tuy nhiên, chúng em ln có hỗ trợ nhiệt tình q thầy khoa khí, giúp đỡ nhiệt tình bạn bè, người thân tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành nghiên cứu Nay chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc tới: - TS.Nguyễn Văn Trường tận tình bảo cho chúng em suốt trình làm đồ án với kinh nghiệm thiết thực thầy giúp chúng em hoàn thành tốt đồ án - Các anh chị, bạn bè khoa Điện – Điện tử giúp đỡ, hỗ trợ kỹ thuật phần điều khiển điện tử - Gia đình toàn bạn bè, anh em hỗ trợ từ vật chất đến tinh thần cho chúng em Mục lục LỜI CẢM ƠN Danh mục hình vẽ .5 Danh mục bảng biểu Chương 1: Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung .7 1.2 Các yêu cầu 1.3 Phương pháp, phạm vi, giới hạn nghiên cứu .8 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Sơ đồ khối hệ thống .9 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến 2.2.1 Khối đo nồng độ cồn .9 2.2.2 Module cảm biến MQ3 13 2.2.3 Khối thông báo 14 2.2.4 Khối hiển thị 16 2.2.5 Khối báo động .17 2.2.6 Khối nhập số điện thoại 18 2.3 Phân tích lựa chọn điều khiển .18 2.4 Thiết kế mạch đo xử lý tín hiệu .22 2.5 Phần mềm lập trình 24 2.6 Mơ hình hóa mơ hệ thống .25 2.7 Phần mềm theo dõi .25 2.7.1 Tổng quan phần mềm Visual Studio 25 2.7.2 Tổng quan C# Winform 27 Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống 28 3.1 Chế tạo phận khí 28 3.2 Chế tạo phận điện - điện tử .29 3.2.1 Thiết kế mạch in 29 3.2.2 Sơ đồ hệ thống 30 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển .30 3.3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình 31 3.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình 32 3.3.2.1 Chương trình đo nồng độ cồn 32 3.3.2.2 Chương trình gửi tin nhắn 33 3.3.2.3 Chương trình phần mềm theo dõi 34 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống 35 Kết luận kiến nghị 38 Tài liệu tham khảo 39 Danh mục hình vẽ Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống Hình 2.2: Module Al6000 Hình 2.3: Hình thực tế sơ đồ nguyên lý cảm biến MQ3 11 Hình 2.4: Các phận bên MQ3 11 Hình 2.5: Sự thay đổi điện trở cảm biến theo giá trị nồng độ cồn 12 Hình 2.6: Module MQ3 13 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý module cảm biến MQ3 13 Hình 2.8: Module SIM800L 14 Hình 2.9: Màn hình OLED 16 Hình 2.10: Cịi hú Buzzer 17 Hình 2.11: Led diode quang đỏ 18 Hình 2.12: Module bàn phím 4x4 18 Hình 2.13: Vi xử lý nhân ARM .19 Hình 2.14: Vi điều khiển STM32F103 19 Hình 2.15: Sơ đồ chân Board mạch STM32F103C8T6 21 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống 22 Hình 2.17: Giao diện phần mềm CubeMX .24 Hình 2.18: Giao diện phần mềm Keil C V5 25 Hình 2.19: Mơ hệ thống phần mềm proteus .25 Hình 3.1: Bản vẽ thiết kế khí .28 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý vẽ phần mềm Altinum 29 Hình 3.3: Sơ đồ dây 29 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống đo nồng độ cồn vẽ phần mềm fritzing 30 Hình 3.5: Lưu đồ thuật tốn chương trình 31 Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn đo nồng độ cồn 32 Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán gửi tin nhắn .33 Hình 3.8: Lưu đồ thuật tốn chương trình theo dõi 34 Hình 3.9: Sản phẩm thực tế 35 Hình 3.10: Giao diện chương trình theo dõi 35 Danh mục bảng biểu Bảng 2.1: So sánh thông số cảm biến MQ3 cảm biến AL6000 10 Bảng 2.2: Đặc điểm mức độ nhạy 23 Bảng 2.3: Bảng trạng thái say 23 Bảng 3.1: Bảng so sánh thực nghiệm đo nồng độ cồn 35 Chương 1: Tổng quan hệ thống 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay, nước ta tệ nạn xã hội ngày gia tăng mà nguyên nhân chủ yếu uống nhiều rượu bia Rượu, bia nguyên nhân chủ yếu làm giảm suất lao động, gây tệ nạn xã hội bạo lực, gia đình tan vỡ, đặc biệt gây vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng đặc biệt nghiêm trọng Việt Nam quốc gia thuộc top đầu nước sử dụng rượu, bia tham gia giao thơng Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan nhiều nơi khiến trật tự an tồn giao thơng trở thành vấn đề báo động nguyên nhân hàng đầu gây tai nạn giao thông, điều khiển phương tiện người lái xe thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy biển báo, tín hiệu quan sát đường khơng cịn rõ ràng Người say bốc đồng, khơng cịn khả kiểm sốt tốc độ thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường dễ gây tai nạn Để tích cực ngăn chặn việc việc người điều khiển phương tiện giao thơng tình trạng say rượu bia, theo nghị định 71/2012/NĐ – CP qui định người điều khiển phượng tiện giao thông đường mà máu thở có nồng độ cồn vượt 50 – 80 mg/l máu 0,25 – 0,4 mg/l khí khí thở bị phạt Chính có nhiều nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề đo nồng độ cồn người tham gia giao thơng Thấy tính chất cấp bách quan trọng vấn đề nhóm chúng em định lựa chọn chủ đề: “ Xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn”, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời cảnh báo sớm hiểm họa tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên thói quen ý thức tốt cho người tham gia giao thông 1.2 Các yêu cầu Hệ thống đo nồng độ cồn hệ thống di động, giúp người dùng đo nồng độ cồn, cảnh báo cho người dùng người thân biết thơng số đo để có giải pháp kịp thời, phòng tránh cố hiệu Hệ thống sử dụng Board STM32F103C8 làm xử lý trung tâm, cảm biến nồng độ cồn đo để truyền tín hiệu trung tâm xử lý Cùng số thiết bị đầu tín hiệu phát sáng (Led), cịi hú, module Sim nhận tín hiệu từ trung tâm gửi tin nhắn thông báo cập nhật kết lên app điện thoại 1.3 Phương pháp, phạm vi, giới hạn nghiên cứu Hiện có nhiều phương pháp đo nồng độ phương pháp đo nồng độ cồn máu, phương pháp đo nồng độ cồn thở Phương pháp đo nồng độ cồn máu phương pháp sử dụng để xác định lượng chất kích thích hoạt chất gây ảnh hưởng tới thể người máu Sử dụng biện pháp hóa sinh phịng thí nghiệm để đo đạc với độ xác cao Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm phải lấy mẫu máu người cần kiểm tra sở y tế, thông qua quy trình thử nghiệm phịng thí nghiệm cho kết gây tốn thời gian áp dụng trường hợp cần kiểm tra nhanh, trường Phương pháp đo nồng độ cồn thở: Hơi thở người say rượu có nồng độ cồn cao Sử dụng thiết bị đo nồng độ cồn từ thở đo nồng độ khơng khí khơng gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia Ta thấy phương pháp xác định nồng độ cồn qua thở sử phổ biến tính động thời gian đo nhanh khoảng – 10 giây Vì nhóm chúng em sử dụng phương pháp đo nồng độ cồn qua thở Phương pháp đo nồng độ cồn qua thở đòi hỏi phải sử dụng linh kiện thiết bị có độ xác cao, nhóm chúng em sử dụng loại linh kiện thông dụng, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện tài nên độ tin cậy cịn chưa cao Do chúng em dừng lại việc xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn sử dụng công việc học tập nghiên cứu chưa có tính ứng dụng thực tế cao 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chủ đề “Xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn” nhóm chúng em có ý nghĩa thiết thức sống nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời cảnh báo sớm hiểm họa tai nạn giao thơng xảy ra, tạo nên thói quen ý thức tốt cho người tham gia giao thơng Từ hạn chế tối hậu đáng tiếc rượu bia gây Kết luận chương 1: Trong chương này, nhóm chúng em tìm hiểu sở lý thuyết phương pháp đo nồng độ cồn nay, ý nghĩa thực tiễn chúng đời sống Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 5V 3,3V Khối đo nồng độ cồn 5V Khối xử lý trung tâm tâm Khối theo dõi Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống sử lý 2.2 Phân tích lựa chọn cảm biến Máy tính Khối đo nồng độ cồn Trên giới có nhiều phương pháp đo nồng dộ cồn như: phương Khối cảnh báo Khốicảm hiểnbiến thị bán dẫn, phương pháp đo dùng phù kế, phương pháp đo dùng pháp đo dùng cảm biến fuel cell, phương pháp đo dùng cám biến màng oxit bán dẫn Trong phương pháp phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn sử dụng thông dụng phổ biến Có thể kể đến số loại cảm biến màng oxit bán dẫn thị trường như: MQ3, AL6000, AL7000,… Hình 2.2: Module Al6000 Bảng 2.1: So sánh thông số cảm biến MQ3 cảm biến AL6000 Thông số Cảm biến MQ3 Cảm biến AL6000 Điện áp hoạt động 3.3 – 5V 3.3 V Phạm vi sử dụng Nghiên cứu học tập Công nghiệp Nhiệt độ hoạt động 10 70C 10  40C Thang đo nồng độ cồn 0,05  10mg / l  2mg / l Độ xác 5% 0,05% Giá thành Giá thấp Giá cao Ta thấy MQ3 có nhiều đặc điểm vượt trội so với dòng cảm biến màng oxit bán dẫn khác thị trường Nhiệt độ hoạt động thang đo nồng độ cồn MQ3 lớn phù hợp cho công việc nghiên cứu học tập Độ xác cao, giá thành rẻ, nhỏ gọn dễ dàng sử dụng phù hợp với điều kiện học sinh, sinh viên Vì lý mà nhóm chúng em định lựa chọn cảm biến MQ3 để sử dụng Cảm biến MQ3  Cấu tạo bên trong: Cảm biến MQ3 làm từ vật liệu SnO2 Vật liệu có tính đẫn điện mơi trường khơng khí lại nhạy cảm với cồn Trong mơi trường có nồng độ cồn cao, điện trở cảm biến giảm Cũng mơi 10 Hình 2.19: Mơ hệ thống phần mềm proteus 2.7 Phần mềm theo dõi g quan phần mềm Visual Studio • Visual Studio gì? Hình 2.18: Giao diện phần mềm Visual studio   26 Microsoft Visual Studio mơi trường phát triển tích hợp (IDE) từ Microsoft Nó sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, trang web, ứng dụng web dịch vụ web Visual Studio sử dụng tảng phát triển phần mềm Microsoft Windows API, Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store Microsoft Silverlight Nó sản xuất hai ngôn ngữ máy mã số quản lý Visual Studio bao gồm trình soạn thảo mã hỗ trợ IntelliSense cải tiến mã nguồn Trình gỡ lỗi tích hợp hoạt động trình gỡ lỗi mức độ mã nguồn gỡ lỗi mức độ máy Cơng cụ tích hợp khác bao gồm mẫu thiết kế hình thức xây dựng giao diện ứng dụng, thiết kế web, thiết kế lớp thiết kế giản đồ sở liệu Nó chấp nhận plug-in nâng cao chức hầu hết cấp bao gồm thêm hỗ trợ cho hệ thống quản lý phiên (như Subversion) bổ sung thêm công cụ biên tập thiết kế trực quan cho miền ngôn ngữ cụ thể cơng cụ dành cho khía cạnh khác quy trình phát triển phần mềm Visual Studio hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình khác cho phép trình biên tập mã gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) ngôn ngữ lập trình Các ngơn ngữ tích hợp gồm có C, C++ C++/CLI (thông qua Visual C++), VB.NET (thông qua Visual Basic.NET), C# (thông qua Visual C#) F# (như Visual Studio 2010) Hỗ trợ cho ngôn ngữ khác J++/J#, Python Ruby thông qua dịch vụ cài đặt riêng rẽ Nó hỗ trợ XML/XSLT, HTML/XHTML, JavaScript CSS Tổng quan C# Winform Được sử dụng với mục đích xây dựng GUI sử dụng Windows Forms, bố trí dùng để xây dựng nút điều khiển bên khóa chúng vào bên cạnh mẫu Điều khiển trình bày liệu liên kết với nguồn liệu như: Cơ sở liệu truy vấn 27 Hình 2.22: Giao diện chương trình C# Winform Kết luận chương 2: Trong chương chúng em xây dựng sơ đồ khối hệ thống từ có cách nhìn khách quan phận chính, chức phận mối quan hệ chúng, giúp cho việc lựa chọn cảm biến vi điều khiển dễ dàng Cụ thể nhóm chúng em định lựa chọn vi điều khiển cảm biến sau:  Vi điều khiển STM32F103C8T6  Module cảm biến nồng độ cồn MQ3  Màn hình OLED  Cịi hú buzzer  Module Sim800L  Keypad 4x4  Phần mềm theo dõi 28 Ngoài chương này, chúng em thiết kế mạch đo, mơ hình hóa mơ hệ thống đồng thời xử lý tín hiệu chuyển từ cảm biến Chương 3: Chế tạo thử nghiệm hệ thống 3.1 Chế tạo phận khí Hình 3.20: Bản vẽ thiết kế khí 29 3.2 Chế tạo phận điện - điện tử Thiết kế mạch in Hình 3.21: Sơ đồ nguyên lý vẽ phần mềm Altinum Sau thiết kế xong sơ đồ nguyên lý tiến hành vẽ mạch PCB lớp thủ cơng Với kích thước board … để gắn board STM32F103C8T6 kết nối cảm biến kiểm tra nồng độ cồn MQ-3, đèn led, buzzer, nút nhấn, hình Oled Hình 3.22: Sơ đồ dây 30 Sơ đồ hệ thống Hình 3.23: Sơ đồ hệ thống đo nồng độ cồn vẽ phần mềm fritzing 3.3 Xây dựng chương trình điều khiển Thiết bị có chức lựa chọn sử dụng nút nhận:  Chức thứ nhất: Đo nồng độ cồn, cảnh báo vượt mức cho phép: Đọc giá trị từ cảm biến, tiến hành tính tốn, so sánh giá trị đo được kết luận tính hình sực khỏe người sử dụng hiển thị hình thiết bị Nếu vượt mức cho phép, thiết bị báo đèn có chng cảnh báo  Chức thứ hai: Gửi tin nhắn cảnh báo điện thoại liệu lên chương trình theo dõi: Nếu nồng độ cồn người sử dụng vượt mức cho phép, hệ thống gửi tin nhắn đến người thân thông qua module sim 800L, đồng thời gửi liệu lên chương trình theo dõi 31 Lưu đồ thuật tốn chương trình Hình 3.24: Lưu đồ thuật tốn chương trình  Giải thích lưu đồ: Quy trình bắt đầu với việc khai báo thư viện, biến sử dụng chương trình Sau đó, khởi tạo giao thức giao tiếp chân vi điều khiển sử dụng 32 Vào chương trình chính, bắt đầu hình chờ thiết bị, ta chọn chức sử dụng thơng qua chương trình chọn chế độ sử dụng Khi chọn xong hình hiển thị giao diện chương trình Lưu đồ giải thuật chương trình ng trình đo nồng độ cồn Hình 3.25: Lưu đồ thuật tốn đo nồng độ cồn  Giải tích lưu đồ: Bắt đầu sử dụng có nút nhấn đo lại kết ta cần đo lại Chương trình đọc giá trị từ cảm biến MQ-3, sau tính tốn độ cồn So sánh kết với mức quy định cài sẵn Tùy tình giá trị đo mà hệ 33 thống thị kết tương ứng lên hình hiển thị Nếu kết vượt mức quy định, thiết bị sáng đèn đồng thời báo chng cảnh báo 3.3.2.2 Chương trình gửi tin nhắn Hình 3.26: Lưu đồ thuật tốn gửi tin nhắn  Giải thích lưu đồ: 34 Chương trình đọc giá trị từ cảm biến MQ-3, sau tính tốn độ cồn So sánh kết với mức quy định cài sẵn Nếu nồng độ cồn vượt mức cho phép hệ thống gửi tin nhắn cảnh báo cho người thân 3.3.2.3 Chương trình phần mềm theo dõi Hình 3.27: Lưu đồ thuật tốn chương trình theo dõi  Giải thích lưu đồ: 35 Chương trình đọc giá trị từ cảm biến MQ-3, sau tính tốn độ cồn So sánh kết với mức quy định cài sẵn Nếu nồng độ cồn vượt mức cho phép hệ thống gửi liệu nồng độ cồn lên chương trình theo dõi 3.4 Thử nghiệm đánh giá hệ thống Hình 3.28: Sản phẩm thực tế 36 Hình 3.29: Giao diện chương trình theo dõi Hình 3.30: Tin nhắn cảnh báo gửi từ hệ thống 37 Bảng 3.4: Bảng so sánh thực nghiệm đo nồng độ cồn STT Uống lon Tigger (mg/L) Thiết bị đo (mg/L) Sai số 0.2 0.21 5% 0.2 0.19 5% 0.2 0.22 10% 0.2 0.21 5% 0.2 0.23 15% Sai số trung bình thiết bị: 8% Thiết bị đo giá trị nồng độ cồn, sai sơ cịn cao độ xác cảm biến cịn thấp Kết luận chương 3: Trong chương chúng em xây dựng vẽ khí, sơ đồ hệ thống lưu đồ thuật toán hệ thống, so sánh kết đo từ hệ thống với kết thực tế, từ 38 Kết luận kiến nghị  Kết luận Với mục tiêu đưa ra, để giải hoàn thành yêu cầu ban đầu nhận biết đo nồng độ cồn Cảnh báo mức vượt nồng độ cồn cho phép bật thông báo thiết bị gửi tin nhắn thông báo cho người thân kết đo cập nhật lưu lại để việc giám sát trở nên dễ dàng  Kiến nghị Như đề cập đề tài giành quan tâm từ xã hội Với mong muốn hệ thống đo nhóm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi thực tiễn Nhóm đưa số hướng phát triển để đề tài hồn thiện hơn: - Sử dụng cảm cơng nghiệp có độ xác cao - Sự dụng phương thức tiên tiến để thực việc giao tiếp trạm xử lý trung tâm xử lý - Cải tiến mơ hình thành module tích hợp để giảm kích thước hệ thống 39 Tài liệu tham khảo [ P Q Huy, Vi điểu khiển ứng dụng STM32 dành cho người tự học, NXB 1] Bách Khoa Hà Nội [ L C Trung, Lập trình Điều khiển với STM32, NXB Khoa học kỹ thuật [ T Đ Nhơn, Hướng dẫn sử dụng STM32, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM [ "https://tapit.vn/," [ "www.banlinhkien.vn," [ www.linhkienvn.vn 2] 3] 4] 5] 6] 40 ... nối c? ?m biến ki? ?m tra nồng độ cồn MQ-3, đèn led, buzzer, nút nhấn, hình Oled Hình 3.22: Sơ đồ dây 30 Sơ đồ hệ thống Hình 3.23: Sơ đồ hệ thống đo nồng độ cồn vẽ phần m? ? ?m fritzing 3.3 Xây dựng chương... chúng em dừng lại việc xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn sử dụng cơng việc học tập nghiên cứu chưa có tính ứng dụng thực tế cao 1.4 Ý nghĩa thực tiễn Chủ đề ? ?Xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn? ?? nh? ?m. .. bình thiết bị: 8% Thiết bị đo giá trị nồng độ cồn, sai sơ cịn cao độ xác c? ?m biến thấp Kết luận chương 3: Trong chương chúng em xây dựng vẽ khí, sơ đồ hệ thống lưu đồ thuật toán hệ thống, so sánh