Chương 1 Phân tích bài toán (20 trang) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH 2 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN Giáo viên hướng dẫn Sinh viên t[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực Lớp: Hưng Yên 2021 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1 Tổng quan đo cảnh báo nồng độ cồn 1.2 Mục đích đề tài .4 1.3 Phân tích toán 1.3.1 Yêu cầu toán 1.3.2 Giải pháp thiết kế CHƯƠNG 2: PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN .6 2.1 Sơ đồ khối 2.1.1 Chức nhiệm vụ khối .6 2.1.2 Nguyên lí hoạt động toàn mạch 2.2 Lựa chọn linh kiện 2.2.1 KIT Arduino UNO R3 2.2.2 Module cảm biến MQ3 .10 2.2.3 LCD 1602a .13 2.2.4 Giao tiếp I2C 14 2.3 Ngơn ngữ lập trình phần mềm phụ trợ 15 2.3.1 Ngôn ngữ lập trình 15 2.3.2 Phần mềm phụ trợ .18 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THỰC THI 23 3.1 Thiết kế phần cứng 23 3.2 Thiết kế phần mềm 23 3.2.1 Lưu đồ thuật toán 24 3.2.2 Mã nguồn chương trình 25 3.3 Một số hình ảnh sản phẩm 27 KẾT LUẬN .30 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .30 TÀI LIỆU THAM KHẢO 31 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 Theo Bộ công an tháng đầu năm 2021, nước xảy 6.300 vụ tai nạn giao thông, 4.400 người bị thương 3.000 người chết Và tất vụ giao thông đường bộ, tỷ lệ tai nạn uống bia rượu chiếm đến 70 - 90% Theo Nghị định 100/2019/NĐ-CP người điều khiển xe mô tô, xe gắn máy (kể xe máy điện), loại xe tương tự xe mô tô, xe gắn máy đường mà máu thở có nồng độ cồn bị phạt sau: - Có nồng độ cồn máu thở chưa vượt 50 miligam/100 mililít máu chưa vượt 0,25 miligam/1 lít khí thở bị phạt tiền từ 2.000.000 đồng đến 3.000.000 đồng (Nghị định 46/2016/NĐ-CP không quy định mức phạt tiền với trường hợp này) - Có nồng độ cồn máu thở vượt 50 miligam đến 80 miligam /100 mililít máu vượt 0,25 miligam đến 0,4 miligam/1 lít khí thở bị phạt tiền từ 4.000.000 đồng đến 5.000.000 đồng (Mức phạt theo Nghị định 46 từ 1.000.000 đồng đến 2.000.000 đồng) Nghị định 100/2019/NĐ-CP có hiệu lực từ ngày 01/01/2020 1.2 Mục đích đề tài *Sự an tồn tham gia giao thông Tai nạn giao thông hiểm họa thường trực người tham gia giao thơng hàng ngày Trong đó, Việt Nam số lượng người phương tiện tham gia giao thông ngày đơng tỷ lệ người chết tai nạn giao thông 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 toàn 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 thông vô đau thương nặng nề * 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, khơng làm chủ tay lái, phán đốn 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 thơng cao Nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa tai nạn giao thông Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo đo nồng độ cồn” chúng em 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 toán 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 là: 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 hơng khí khơng gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia 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 MQ3, ta chọn ngưỡng ngăn chặn cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng độ cồn 0,05 mg/lit khí thở CHƯƠNG 2: PHẦN CỨNG THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN 2.1 Sơ đồ khối 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 LCD 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 lượng 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 KIT Arduino UNO R3 KIT Arduino UNO R3 có khả lập trình sử dụng chip AVR Atmega328 Atmel với đặc điểm chức sau: Phần mềm Arduino: gọi sketches, tạo máy tính có tích hợp mơi trường phát triển (IDE) IDE cho phép viết, chỉnh sửa code chuyển đổi cho phần cứng hiểu IDE dùng để biên dịch nạp vào Arduino ( trình sử lý gọi UPLOAD) Phần cứng Arduino: Là board Arduino nơi thực thi chương trình lập trình Các board điều khiển đáp trả tín hiệu điện, thành phần ghép trực tiếp vào để tương tác với giới thực để cảm nhận truyền thơng Ví dụ cảm biến bao gồm thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa thiết bị hiển thị Hầu hết board Arduino sử dụng kết nối kiểu USB dùng để cấp nguồn upload liệu cho board Arduino Hình 2.2 Hình ảnh KIT Arduino Uno R3 Arduino Uno sử dụng vi điều khiển board để xử lý tất kết nối USB Chíp dán nhỏ (ATmega8U2) nằm gần cổng cắm dây kết nối kiểu USB Cho phép nạp chương trình quản lý thiết bị USB khác cắm vào Chíp ATMega328 chứa chương trình nạp để thực thi chương trình lập trình Trên hầu hết board Arduino sử dụng chip FTDI cung cấp giải pháp cho vấn đề kết nối với cổng nối tiếp máy tính Ngồi Arduino Uno nhà sản xuất cung cấp nhiều board khác như: Arduino Fio, Arduino Nano, Arduino Mega 2560 Với tùy vào ứng dụng chọn loại board nhỏ board hỗ trợ nhiều chân TX RX Arduino 2560 Cấu trúc phần cứng Arduino sau: * Thơng số kỹ thuật Hình 2.3 Mặt Arduino Uno R3 Trên board có cổng USB connector để cắm vào máy tính, đèn báo nguồn màu xanh Có cơng tắc Reset, pin giao tiếp, LED chân 13 led báo truyền nhận nối tiếp Ngoài cịn có cổng đọc tín hiệu số tín hiệu tương tự chân chức PWM truyền nhận liệu nối tiếp Các chân giao tiếp I2C phục vụ giao tiếp hai dây SDA SCL, thơng số kỹ thuật Arduino: - Vi điều khiển ATMega328 - Điện áp hoạt động 5V - Đầu vào điện áp 7-12V - Điện áp đầu vào tới hạn 6-20V - Chân vào số 14 chân (trong có chân băm xung PWM) - Chân đầu vào tương tự có chân - Dòng DC vào chân 40mA - Dòng đầu chân 3.3V 50mA - Bộ nhớ Flash 32 Kb (ATMega328) 0.5 Kb sử dụng cho bootloader - SRAM Kb (ATMega328) - EEPROM Kb (ATMega328) - Tần số 16 MHz Trong mạch sử dụng chíp vi điều khiển ATMega328 ATMega16U2 với chức sau: ATMega16U2 kết nối với cổng USB chứa chương trình bootloader để nạp chương trình, ATMega 328 chứa chương trình lập trình để thực thi ứng dụng Hình 2.4 Sơ đồ ngun lý Arduino * Nguồn ni Arduino hỗ trợ thông qua kết nối USB với nguồn cung cấp điện bên Các nguồn lượng lựa chọn tự động, hệ thống vi điều khiển hoạt động nguồn cung cấp bên từ 6V đến 20V nên cung cấp lớn 7V Tuy nhiên thể cung cấp 5V hệ thống vi điều khiển khơng ổn định Nếu sử dụng nhiều 12V chuyển đổi điện áp nóng mạnh, phạm vi khuyến nghị 7V đến 12V - Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino dùng nguồn điện bên (khác với nguồn 5V lấy từ USB nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng) Chúng ta cung cấp nguồn thông qua chân - Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển phận khác bo mạch cung cấp nguồn cho thiết bị ngoại vi kết nối tới bo mạch - Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho thiết bị cảm biến - Chân GND : Chân nối đất * Chân giao tiếp đầu vào đầu Trong số 14 chân tín hiêu số cấu hình để làm chân nhận liệu vào từ thiết bị ngoại vi làm chân để truyền tín hiêu thiết bị ngoại vi Bằng cách sử dụng chức pinMode(), digitalWrite() digitalRead() hoạt động điện áp 5V Mỗi chân cung cấp nhận dòng điện tối đa 50 mA có điện trở kéo nội (ngắt kết nối theo mặc định) 20-50 KΩ Ngồi có số chân có chức khác - Chân (Rx) : Chân dùng để nhận liệu nối tiếp - Chân (Tx) : Chân dùng để truyền liệu nối tiếp - Chân 3: Chân ngắt - Chân 3, 5, 6, 9, 10 11: Chân để điều chế độ rộng xung PWM - Chuẩn giao tiếp SPI: Sử dụng chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) - Chuẩn giao tiếp I2C: Sử dụng chân đầu vào tương tự A4 (SDA) A5 (SCL) - Chân Aref : Tham chiếu điện áp đầu vào analog * Ứng dụng Arduino Trong thực tế Arduino có nhiều ứng dụng khả xử lý linh hoạt, phần cứng dễ dàng tích hợp vào hệ thống khác Do ứng dụng hầu hết hệ thống điều khiển tự động từ đơn giản từ thiết bị báo cháy báo ga, đo thơng số mơi trường (nồng độ khí, nhiệt đơ, độ ẩm, ánh sáng), hay phức tạp xử lý máy in 3D Ngồi Arduino cịn ứng dụng cơng nghệ giải trí thiết kế robot dị đường, tay cầm điều khiển Arduino cịn kết hợp ghép nối với thiết bị điện tử khác kết nối với máy tính nhúng raspberry để thu thập liệu gửi lên mạng internet, hay ghép nối với board mở rộng WiFi, Ethernet Shield 2.2.2 Module cảm biến MQ3 Cảm biến MQ-3 sử dụng để đo nồng độ cồn Được làm từ vật liệu SnO Vật liệu có tính dẫn điện mơi trường khơng khí lại nhạy cảm với cồn Trong môi trường có nồng độ cồn cao, điện trở cảm biến 10 ... 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. .. bia 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... 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