Báo cáo Kỹ thuật xung số tương tự và kỹ thuật đo lường điều khiển Đề tài: CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CỒN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐHQG HÀ NỘI KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HÓA  BÁO CÁO Đề tài: CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CỒN MQ-3 Giảng viên hướng dẫn : Ths Phạm Đình Tn Nhóm sinh viên thực : Nhóm Trần Đình Chính : 17020246 Đặng Văn Duẩn : 17020252 Trương Văn Bình : 17020242 Bùi Thái Trung : 17020441 Nguyễn Thanh Tùng : 17020464   CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH U CẦU BÀI TỐN ĐO VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1 Tổng quan đo cảnh báo nồng độ cồn Hiện nay, nước ta tệ nạn xã hội ngày gia tăng mà nguyên nhân chủ yếu uống nhiều rượu bia Rượu nguyên nhân chủ yếu làm giảm suất lao động, gây tệ nạn xã hội bạo lực, gia đình tan vỡ, hư hỏng đặc biệt gây vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng đặc biệt nghiêm trọng Việt Nam quốc gia thuộc tốp đầu nước sử dụng rượu, bia tham gia giao thơng Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan nhiều nơi khiến trật tự an toàn 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 nên có xử lý khơng gây tai nạn Người say "bốc đồng", khơng cịn khả kiểm sốt tốc độ thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường dễ gây tai nạn Để hướng tới mục tiêu an tồn giao thơng, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật đưa nhiều quy định mới, số quy định nồng độ cồn cho phép điều khiển phương tiện giao thông Khẩu hiệu “Đã uống rượu bia khơng lái xe” quen thuộc với người dân Việt Nam Vì thế, để giảm thiểu tối đa tai nạn giao thông, Bộ giao thông vận tải đưa mức xử phạt tương ứng với mức độ vi phạm người tham gia giao thông Bước đầu tuyên truyền cho quy định luật, y tế, Ủy ban an tồn giao thơng quốc gia, tổ chức y tế giới phối hợp tổ chức buổi hội thảo “rượu bia tai nạn giao thông” Các thông điệp buổi hội thảo đưa ra: “Điều khiển xe tình trạng có men rượu vi phạm pháp luật – Đã uống khơng lái” Theo thống kê, hàng năm nước ta khoảng 9.000 người tử vong tai nạn giao thơng Một ngun nhân dẫn đến tình trạng tai nạn giao thông người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia tham gia giao thông Những hậu người uống rượu bị tai nạn lúc tham gia giao thông nỗi lo lắng, xúc cá nhân, gia đình xã hội Luật Giao thơng đường năm 2008 quy định cấm người điều khiển xe ô tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng đường mà máu thở có nồng độ cồn; cấm người điều khiển mô tô, xe gắn máy mà máu có nồng độ cồn vượt 50miligam/ 100 mililit máu 0,25 miligam/ 1lít khí thở Nhằm hạn chế tai nạn giao thơng tăng tính răn đe cho hành vi vi phạm nồng độ cồn điều khiển phương tiện tham gia giao thông, từ ngày 01/08/2016 nâng mức phạt tiền thời gian tạm giữ giấy phép lái xe người sử dụng rượu bia tham gia giao thơng 1.2 Mục đích đề tài * Sự an tồn tham gia giao thơng: Tai nạn giao thông hiểm họa thường trực người tham gia giao thông hàng ngày Trong đó, Việt Nam số lượng người phương tiện tham gia giao thông ngày đông tỷ lệ người chết tai nạn giao thơng 100 000 người dân cao mức trung bình giới (thế giới: 18 người, Việt Nam 24 người - Báo cáo thống kê Viện nghiên cứu giao thông Đại học Michigan UMTRI Mỹ) Theo thống kê Ủy ban an tồn giao thơng quốc gia, năm 2013 nước xảy 29.385 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.369 người, bị thương 29.500 người, trung bình ngày có 26 người chết 81 người bị thương tai nạn giao thơng tồn quốc Trong tháng đầu năm 2014, toàn quốc xảy 10.772 vụ tai nạn giao thông, làm chết 3.928 người, bị thương 10.556 người Hậu tai nạn giao thơng vơ đau thương nặng nề Đó mát tính mạng người, gánh nặng cho gia đình người bị nạn người liên quan tinh cảm lẫn vấn đề kinh tế Đặc biệt, hậu mà thân người bị tai nạn gánh chịu trở lại lành lặn bình thường mà trở thành phế nhân Những hậu cho thấy tai nạn giao thông mối nguy hiểm khôn cùng, kẻ thù vô nguy hiểm người tham gia giao thông Vậy vấn đề đặt tai nạn giao thông đất nước lại xảy nhiều với số người chết bị thương cao đến vậy? Lý kể nhiều: Hệ thống hạ tầng giao thông yếu kém, chất lượng phương tiện giao thông không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, ý thức chấp hành luật giao thông ý thức tham gia giao thơng người dân cịn thấp Song lại, nguyên nhân nguyên nhân từ phía người Khi tham gia giao thơng, thân người chủ phương tiện phải có trách nhiệm với an tồn người tham gia giao thơng khác Nhưng thực tế, tình trạng người uống rượu bia tham giao thông, người tham gia giao thơng lạng lách, đánh võng, phóng nhanh vượt ẩu, không đội mũ bảo hiểm, không chấp hành luật giao thông ý thức người tham gia giao thơng Cịn phía người có trách nhiệm liên quan cảnh sát giao thơng, kiểm định chất lượng phương tiện cịn tồn tượng tiêu cực Đấy nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn người phương tiện tham gia giao thông Vậy để giảm thiệu tình trạng an tồn tham gia giao thông cần phải thực nhiều biện pháp có tính hệ thống lâu dài, quan trọng hết công tác tuyên truyền, giáo dục ý thức tham gia giao thơng an tồn cho người dân Trên phương tiện thông tin đại chúng có nhiều chương trình tun truyền nhằm nâng cao ý thức tham gia giao thông * Mức độ nguy hiểm uống rượu bia mà tham gia giao thông: Thời gian gần đây, vi phạm luật giao thơng có biểu diễn biến phức tạp, nguyên nhân liên quan rượu, bia chuyên gia đánh giá nghiêm trọng Đặc điểm người điều khiển phương tiện sau uống rượu, bia thường chạy tốc độ cao, lạng lách, không làm chủ tay lái, phán đoán xử lý tình Do đó, say rượu bia thường có liên quan mật thiết với việc vi phạm tốc độ, tránh, vượt sai quy định, sai phần đường So với quốc gia khu vực, nước ta có mức tiêu thụ rượu, bia vào loại lớn, chế tài việc kiểm soát vi phạm quy định nồng độ cồn thiếu chặt chẽ, nên tai họa nguy dẫn đến tai nạn giao thông cao Theo thống kê Uỷ ban an tồn giao thơng quốc gia, khoảng 40% số vụ tai nạn giao thông 11% số người tử vong tai nạn liên quan đến rượu, bia Nguyên nhân gây tai nạn giao thơng khơng nằm ngồi vấn đề ý thức người tham gia giao thơng Trong đó, ý thức chấp hành luật giao thông người dân cịn yếu, chí coi thường tính mạng thân gây tổn hại cho người khác * Các qui định người điều khiển phương tiện tham gia giao thơng: Có thể nói rằng, quy định pháp luật nồng độ cồn máu người điều khiển phương tiện giới đường nói riêng lĩnh vực giao thơng khác tương đối đầy đủ ngày chặt chẽ Đối với giao thơng đường bộ, uống ruợu, bia có ảnh hưởng lớn người điều khiển phương tiện tham gia giao thông dễ vi phạm quy tắc giao thơng, xử lý tình đường làm tăng nguy gây tai nạn giao thơng, hành vi nguy hiểm, pháp luật Việt Nam đưa quy định hành vi sử dụng rượu bia nồng độ vào điều nghiêm cấm người điều khiển phương tiện giới đường Mức độ quy định nồng độ cồn máu ngày chặt chẽ, khắt khe để bảo đảm an toàn cho người điều khiển phương tiện, hạn chế tai nạn giao thơng Để tích cực ngăn chặn 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 xe ô tô đường mà máu thở có nồng độ cồn vượt 50 - 80 miligam/100 mililít máu vượt 0,25 - 0,4 miligam/1 lít khí thở bị phạt Chính có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề đo nồng độ cồn người tham gia giao thơng Nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa tai nạn giao thông Đề tài : “Nghiên cứu xây dựng mạch cảnh báo nồng độ cồn” mang tính cộng đồng xã hội cao, 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 thơng 1.3 Phân tích tốn 1.3.1 Yêu cầu toán - Đề xuất chọn phương pháp phát nồng độ cồn thở người điều khiển phương tiện tham gia giao thông - Thiết kế, thi công mạch đo cảnh báo nồng độ cồn - Thử nghiệm hệ thống cảnh báo Hiện có nhiều phương pháp phát nồng độ cồn : Phương pháp đo nồng độ cồn máu: Đây phương pháp sử dụng để xác định lượng chất kích thích hoạt chất gây ảnh hưởng tới thể người có 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, thơng 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 Có nhiều phương pháp để phát trạng thái say rượu người lái xe Qua tham khảo kết nghiên cứu có nhận xét: phương pháp xác định nồng độ cồn qua thở sử dụng phổ biến Bởi vì, sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn thở cần thời gian khoảng đến 10 giây Vì đề tài chúng em sâu vào thiết kế mạch đo cảnh báo nồng độ cồn qua thở 1.3.2 Giải pháp thiết kế Hệ thống phát nồng độ cồn có nhiệm vụ kiểm tra trực tiếp nồng độ cồn thở Hệ thống cảnh báo có nhiệm vụ phát tín hiệu cảnh báo nồng độ cồn vùng không gian thở trước mặt người sử dụng cao mức quy định Chọn ngưỡng ngăn chặn cảnh báo: vào qui định luật giao thông, vào độ nhạy sai số điện áp đầu cảm biến đo nồng độ cồn MQ-3, ta chọn ngưỡng ngăn chặn cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng độ cồn 0,05 mg/lit khí thở CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN 2.1 Sơ đồ khối Khối nguồn Khối cảm biến Khối điều khiển Khối hiển thị cảnh báo Hình 2.1 Sơ đồ khối 2.1.1 Chức nhiệm vụ khối - Khối nguồn: Có chức cung cấp lượng cho toàn hệ thống - Khối cảm biến đầu vào: có chức cảm biến qua thở để xác định có nồng độ cồn hay khơng, sau gửi tín hiệu tới khối điều khiển - Khối điều khiển: có chức điều khiển khối hiển thị cảnh báo nhận tín hiệu từ cảm biến - Khối hiển thị: hiển thị nồng độ cồn đo lên hình LED 16x2 cảnh báo mức độ nồng độ cồn phụ thuộc vào mức độ cồn đo 2.1.2 Ngun lí hoạt động tồn mạch Đầu tiên khối nguồn cấp nguồn cho hệ thống gồm khối điều khiển, khối cảm biến khối hiển thị Khối cảm biến thu tín hiệu từ mơi trường truyền khối điều khiển dạng tín hiệu tương tự, sau qua chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, đầu tín hiệu dạng tín hiệu số, sau tín hiệu vi điều khiển tiếp nhận xử lý tính tốn đưa kết nồng độ cồn có lít khí thở vào đưa cảnh báo cho người sử dụng, tín hiệu cảnh báo kết đưa đến khối hiển thị khối tiếp nhận hiển thị thông tin nồng độ cồn lời cảnh báo 2.2 Lựa chọn linh kiện 2.2.1 Module cảm biến MQ3 Cảm biến MQ-3 sử dụng để đo nồng độ cồn Được làm từ vật liệu SnO2 Vật liệu có tính dẫn điện mơi trường khơng khí lại nhạy cảm với cồn Trong mơi trường có nồng độ cồn cao, điện trở cảm biến giảm Từ bảng số liệu, tỷ lệ điện trở cảm biến giảm gần lần đo mơi trường khơng khí Tuy nhiên hiệu ứng phát nồng độ cồn cảm biến phụ thuộc điều kiện nhiệt độ Khi nhiệt độ bề mặt cảm biến sấy nóng tới 600C, thời gian cần thiết để phát nồng độ cồn kéo dài khoảng giây Cũng mơi trường đó, nhiệt độ bề mặt cảm biến 20 0C thời gian phát nồng độ cồn kéo dài từ đến phút Hình 2.5 Cảm biến MQ-3 Các thông số kĩ thuật MQ-3: Tên thơng số Giá trị Đơn vị Kí hiệu MQ-3 Chất phản ứng Cồn (ethanol) Dải đo 0,04- 0,4 mg/l Điện áp làm việc < 24 V Điện áp sấy 5± 0,2 V (AC DC) Tải đầu Điều chỉnh Ω Điện trở sấy 31± Ω Công suất sấy ≤ 900 mW Điện trở cảm biến 2÷ 20 KΩ nồng độ cồn 0,4 mg/l ≥5 Tỉ lệ điện trở cảm biến nồng độ cồn 0,4mg/l Độ nhạy Sơ đồ mạch điện cảm biến Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện cảm biến Trong mạch điện cảm biến MQ3, có đầu dây áp đầu cảm biến, RL điện trở mạch nối nối tiếp với cảm biến, trị số cấp điện áp: V H điện áp cấp cho mạch sấy Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL điện RL điều chỉnh Các điện áp V H Vc thường cấp trị số Trong mạch đo, điện áp cấp Vol DC Các tín hiệu cảm biến gửi vi điều khiển để tính tốn xử lý Module cảm biến MQ-3 Cảm biến thích hợp cho việc phát nồng độ cồn thở Phát khí phát từ Etanol, Alcohol Đặc điểm module cảm biến MQ-3: Có bốn chân, điện áp cung cấp nguồn 5V, Dout đầu tín hiệu số (0 1), Aout đầu vào tín hiệu tương tự, đèn LED sáng phát có khí, GND cấp điện cực âm, độ nhạy cao chọn lọc tốt với ethanol, bền ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao thời gian đáp ứng nhanh 10 Chương THIẾT KẾ VÀ THỰC HÀNH 3.1 Thiết kế phần cứng 3.1.1 Mạch mô 51 52 53 3.2 Thiết kế phần mềm 3.2.1 CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI GIÁ TRỊ ANALOG THÀNH GIÁ TRỊ NỒNG ĐỘ CỒN Phương trình : F(x) Trong F1, X1 F0, x0 điểm lấy từ đồ thị : F0 = 1, x0 = 0,4 F1 = 0,2, x1 = F(x)  F(x) Bây có mối quan hệ Rs mgL: =  mgL = Tính Rs thơng qua mạch phân áp : Rs = (Vi*RL) / Vo – RL 54 Vo = ADC*Vi/1024; Trong : Rs : biến trở thay đổi theo nồng độ cồn R0 : giá trị Rs khơng khí( chưa có cồn ) RL : trở kháng tải phân áp ( Chọn RL=200K theo datasheet ) 3.2.2Code chương trình 55 #define F_CPU 8000000UL #include /* Define CPU Frequency e.g here 8MHz */ /* Include AVR std library file */ #include /* Include Delay header file */ #include #define LCD_Dir DDRD /* Define LCD data port direction */ #define LCD_Port PORTD /* Define LCD data port */ #define RS PD0 /* Define Register Select pin */ #define EN PD2 /* Define Enable signal pin */ void LCD_Command(unsigned char); void LCD_Char(unsigned char); void LCD_Init(void); void LCD_String(char*); void LCD_String_xy(char, char, char*); void LCD_Clear(); uint16_t Read_ADC(unsigned char); int main() { LCD_Init(); DDRA = 0x00; ADMUX |= (1