Đề tài mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến mq3

HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM Khoa Điện tử Viễn thơng ĐỒ ÁN MƠN HỌC TÊN ĐỀ TÀI: “MẠCH ĐO NỒNG ĐỘ CỒN SỬ DỤNG CẢM BIẾN MQ3 ” GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THS VÕ PHI SƠN SINH VIÊN: NGUYỄN TRUNG THÀNH MÃ SỐ SINH VIÊN: 1853020010 LỚP: 18ĐHĐT01 TP Hồ Chí Minh – 05/2021 HỌC VIỆN HÀNG KHƠNG VIỆT NAM Khoa Điện tử Viễn thơng ĐỒ ÁN MƠN HỌC TÊN ĐỀ TÀI: “MẠCH ĐO NỒNG ĐỘ CỒN SỬ DỤNG CẢM BIẾN MQ3 ” GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: THS VÕ PHI SƠN SINH VIÊN: NGUYỄN TRUNG THÀNH MÃ SỐ SINH VIÊN: 1853020010 LỚP: 18ĐHĐT01 TP Hồ Chí Minh – 05/2021 HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG HÀNG KHƠNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ tên sinh viên: NGUYỄN TRUNG THÀNH Mã số sinh viên: 1853020010 Lớp: 18ĐHĐT01 Tên đồ án môn học: “Mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến Mq3” Nhiệm vụ đồ án:  Thiết kế thi cơng mạch điện tử có chức nhận biết, đo hiển thị nồng độ cồn có thở  Nội dung chính:  Thiết kế thi cơng mạch điện tử có độ xác ổn định cao, kích thước nhỏ  Nghiên cứu hoạt động, chức cảm biến Mq3 chức năng, ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A Ngày giao đồ án mơn học: Ngày hồn thành đồ án môn học: Họ tên người hướng dẫn: 13/03/2021 15/05/2021 Ths Võ Phi sơn TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2021 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:  Nội dung thực hiện:  Hình thức trình bày:  Tổng hợp kết quả: Điểm số: Điểm chữ: (Quy định thang điểm lấy điểm trịn theo quy định trường) TP Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 05 năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Lời cảm ơn Trong thời gian thực đề tài, với bảo giúp đỡ tận tình Thầy Võ Phi Sơn, đến đề tài: “Mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến Mq3” hồn thành Tơi cố gắng vận dụng kiến thức học, tham khảo qua tài liệu liên quan qua Internet để giải yêu cầu đề tài Tuy nhiên thời gian kiến thức hạn chế nhiều vấn đề nên trình thực cịn thiếu xót hạn chế Tơi mong nhận ý kiến góp ý thầy cô khoa ý tưởng thiết kế mơ hình sản phẩm để sản phẩm hồn thiện Cuối xin cảm ơn quý thầy tạo điều kiện tốt để tơi hoàn thành đề tài thời gian sớm Mục lục LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài: 1.2 Mục tiêu nghiên cứu: 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.4 Phương pháp nghiên cứu: 1.5 Kết cấu đề tài: CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài: 2.2 Các khái niệm lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu: 2.3 Các linh kiện sử dụng đề tài: 2.3.1 Bộ nguồn: 2.3.2 Các linh kiện sử dụng: 2.4 Các quy định phủ Nồng độ cồn thể: 22 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN 25 3.1 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động mạch: 25 3.1.1 Sơ đồ khối toàn mạch: 25 3.1.2 Nguyên lý hoạt động toàn mạch: 25 3.2 Sơ đồ nguyên lý: 26 3.3 Lưu đồ thuật toán: 27 CHƯƠNG IV: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ 28 4.1 Thi công mạch phần mềm: 28 4.1.1 Phần mềm sử dụng: 28 4.1.2 Thuật toán nạp vào PIC: 28 4.2 Thi công mạch phần cứng: 31 4.3 Mạch thực tế: 34 4.4 Kết kiểm thử mạch: 37 CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40 5.1 Kết luận: 40 5.1.1 Kết hoạt động mạch so với mục tiêu đề ra: 40 5.1.2 Ưu điểm: 40 5.1.3 Nhược điểm 40 5.2 Kiến nghị: 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Bộ nguồn sử dụng Hình 2.2: Sơ đồ mạch nguyên lý cảm biến Hình 2.3: Các kích thước mặt cắt Mq3 Hình 2.4: Đồ thị độ nhạy Mq3 với thông số liên quan Hình 2.5: Sự phụ thuộc điển hình Mq3 vào nhiệt độ độ ẩm Hình 2.6: Cảm biến Mq3 Hình 2.7: Sơ đồ mạch điện cảm biến Hình 2.8: Hình ảnh mặt trước mặt sau module cảm biến Mq3 Hình 2.9: Hình ảnh mặt trước mặt sau LCD Hình 2.10: Các chân PIC 16F877A Hình 2.11: Sơ đồ khối chức PIC Hình 3.1: Sơ đồ khối tồn mạch Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý Hình 4.1: Màn hình bắt đầu Proteus 8.8 Hình 4.2: Mạch Layout - PCB Hình 4.3: Mặt sau mạch bảng đồng sau in Hình 4.4: Mặt diện mạch bảng đồng sau in Hình 4.5: Mạch phía sau hồn thành Hình 4.6: Mạch phía sau hồn thành Hình 4.7: Mạch tổng thể sau hồn thành DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Linh kiện sử dụng Bảng 2: Các điều kiện làm việc tiêu chuẩn Bảng 3: Các điều kiện môi trường Bảng 4: Các đặc tính nhạy cảm Bảng 5: Các phận nguyên vật liệu tạo cảm biến Bảng 6: Các thông số kỹ thuật Mq3 Bảng 7: Tên gọi chức chân Bảng 8: Tên chức chân PIC 16F877A Bảng 9: Các mức phạt thay đổi theo nghị định Bảng 10: Kết đo thử nghiệm Bảng 11: Kết đo thử nghiệm với thực phẩm dung dịch có chứa cồn HỌC VIỆN HÀNG KHƠNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG HK CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc KẾ HOẠCH LÀM ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN TRUNG THÀNH MSSV: 1853020010 LỚP: 18ĐHĐT01 Tên đề tài: Mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến Mq3 Họ tên giáo viên hướng dẫn: Ths Võ Phi Sơn Kế hoạch tiến độ: Tuần 13 – 19/03/21 Tuần 20 – 26/03/21 Tuần 27 – 02/04/21 Tuần 3 - 09/04/21 Tuần 10 – 16/04/21 Tuần 17 – 23/04/21 Tuần 24 – 30/04/21 Tuần 01 – 07/05/21 Tuần 08 – 14/05/21 Nộp bảo vệ đồ án 15 – 21/05/21 Công việc thực Xác nhận GVHD Ghi Giao đề tài Nghiên cứu mạch nguyên lý Nghiên cứu mạch vẽ mạch nguyên lý Thiết kế mạch nguyên lý Thực mạch in BÁO CÁO GIỮA KỲ VỚI GVHD Thi công mạch Chạy thử nghiệm Viết báo cáo Hoàn thành báo cáo mạch sản phẩm Nộp bảo vệ đồ án TP HCM, ngày 15 tháng 05 năm 2021 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) LỜI NĨI ĐẦU Chúng ta thấy hậu nghiêm trọng bia rượu gây nguy hiểm Nó khơng nguy hiểm thân người tham gia giao thơng mà cịn nguy hiểm tới người xung quanh, có tai nạn xảy tổn thất to lớn thân họ, gia đình xã hội Sau xin giới thiệu mạch đo nồng độ cồn  đề tài tơi đề cao tính di động linh hoạt thiết bị Thiết bị thiết kế nhỏ gọn, để cặp cốp xe sử dụng nguồn đa dạng Với yêu cầu đặt ra:  Thiết bị đo hiển thị kết trực quan hình  Giao diện người dùng đơn giản, dễ sử dụng sửa chữa  Báo động nồng độ cồn vượt mức cho phép LCD 3.3 Lưu đồ thuật toán: BẮT ĐẦU KHI TẠO PORT KHI TẠO ADC ĐỌC TRUNG BÌNH ADC 100 LẦN HIỂN THỊ DC > 25 SAI ĐÚNG BẬT LOA TẮT LOA 27 CHƯƠNG IV: THI CƠNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Thi cơng mạch phần mềm: 4.1.1 Phần mềm sử dụng:  Proteus 8.8 Hình 4.1: Màn hình bắt đầu Proteus 8.8  Proteus công cụ chuyên mô mạch điện tử Đây phần mềm hàng Labcenter Electronics, mơ hầu hết linh kiện điện tử thơng dụng Chính proteus chế tạo chạy thử mach đơn giản phức tạp nên dùng giảng dạy, phịng thí nghiệm điện tử thực hành vi xử lý…  Proteus phần mềm miễn phí với mã nguồn mở sử dụng rộng rãi dạy học  Bố Trí Linh Kiện – Mạch PCB: 4.1.2 Thuật toán nạp vào PIC: #include #device #fuses adc=10 // BO CHUYEN DOI ADC 10 BIT hs #use delay (clock=20M) #define LCD_ENABLE_PIN PIN_b2 DU LIEU RA MAN HINH 28 //// CHAN ENABLE XUAT #define LCD_RS_PIN PIN_b4 //// CHAN RS LUA CHON THANH GHI #define LCD_RW_PIN PIN_b3 //// CHAN RW CHE DO DOC HOAC GHI #define LCD_DATA4 PIN_D7 //// #define LCD_DATA5 PIN_D6 //// #define LCD_DATA6 PIN_D5 //// #define LCD_DATA7 PIN_D4 //// XUAT DU LIEU #include unsigned int32 adc,dc,i; // 2^16 = 65.536 void main() { // khoi tao port set_tris_a(0x03); // 0000 0011 ANDLOG DAU VAO VDK NAC 1, DAU RA NAC set_tris_d(0x00); set_tris_c(0x00); lcd_init(); setup_adc(adc_clock_div_2); // khoi tao adc setup_adc_ports(AN0); while(true) { adc=0; set_adc_channel(0); for(i=0;i=50) dc=(dc-50); else dc=(50-dc); lcd_gotoxy(1,1); // X : COT chay tu - 16, Y: HANG chay tu lcd_putc("NONG DO: "); lcd_putc(dc/100+0x30); lcd_putc("."); lcd_putc(dc/10%10+0x30); lcd_putc(dc%10+0x30); lcd_putc("% if(dc>25) "); // 0.25 { output_high(pin_d1); lcd_gotoxy(1,2); lcd_putc("QUA NONG DO CON "); } else { output_low(pin_d1); lcd_gotoxy(1,2); 30 lcd_putc("NONG DO CHO PHEP"); } } } LCD hiển thị theo mã ASCII PIC truyền đến, giống hiển thị ký tự Khi hiển thị từ 0-9 khơng có nghĩa bạn truyền giá trị 0-9 mà truyền mã ASCII số 0-9 tới PIC; ta gửi (giá trị + 0x30) LCD hiển thị số tương ứng Hình 4.2: Mạch Layout-PCB  Từ mạch nguyên lý, tiến hành xếp linh kiện để tạo border mạch nhở gọn, thẩm mĩ để dễ tiến hành thi công mạch  Sau xếp xong linh kiện, ta tiến hành chạy thử mạch 3D sau mạch chạy ta xuất file PDF mạch in giấy in mạch (Khổ A4) 4.2 Thi công mạch phần cứng: Bước 1: Mua linh kiện Bước 2: Lắp ráp chạy thử mạch Breadboard Bước 3: In mạch giấy in Bước 4: Ủi mạch lên bảng đồng Ta sử dụng bảng đồng lớp dùng giấy bóng để in mạch 31 Sau có bảng mạch giấy in, ta tiến hành cắt border đồng (lưu ý border đồng vừa lớn mạch in để dễ dàng thi công) Sau ta điều chỉnh giấy in cho ngắn với border mạch (lưu ý để giấy in lên mặt đồng) Sử dụng bàn để tiến hành ủi mạch (để bàn nóng tiền hành ủi mạch) để mực dính lên border đồng (lưu ý ửi tay để mực in bám lên border mạch, thời gian ủi khoảng 10 - 15 phút, tránh trường hợp ủi không tay dừng sớm mực in không bám hết lên border đồng) Tiếp đến trước gỡ giấy khỏi border ta nhúng qua nước để làm giảm nhiệt để mực in dính hồn toàn qua lớp đồng Bước 5: Rửa board mạch sau ủi Khi gỡ border ta nhúng border đồng vào dung dịch bột sắt hòa với nước theo tỉ lệ 1:1, đợi khoảng 15 phút phần đồng thừa bị trơi hết ta cịn lại phần đồng cần thiết để tạo thành đường dây nối Rửa bảng đồng, lau khô ta tiến hành khoan mạch khoan nhỏ Ta cần chọn độ lớn mũi khoan phù hợp với lỗ cắm linh kiện để không bị rộng bé Bước 6: Hàn linh kiện lên board đồng Sau khoan bắt đầu gắn linh kiện lên mạch hàn, cần kết hợp sơ đồ nguyên lý, mạch PCB, mạch in 3D để gắn vị trí chân linh kiện Hình 4.3: Mặt sau mạch bảng đồng sau in 32 Hình 4.4: Mặt diện mạch bảng đồng sau in Sử dụng chì hàn mũi hàn chuyên dụng để thực việc cố định chân linh kiện, yêu cầu linh kiện hàn chắc, mũi hàn khơng thừa chì, khơng bị dính qua đường dây mũi hàn khác Ta gắn linh kiện hàn để tránh trường hợp nhiều linh kiện bị dính chân 33 4.3 Mạch thực tế: Hình 4.5: Mạch phía sau hồn thành 34 Hình 4.6: Mạch phía sau hồn thành 35 Hình 4.7 Mạch tổng thể sau hồn thành 36 4.4 Kết kiểm thử mạch: Khi có mạch, ta tiến hành kiểm tra xem linh kiện có dính hay khơng, khơng dính ta tiến hành cấp nguồn cho mạch Khi thiết bị chạy bắt đầu thổi khí có cồn vào cảm biến Mq3 để thí nghiệm so sánh kết Đo thử nghiệm: STT Kết Mạch không hoạt động Nguyên nhân Giải pháp Mối hàn linh kiện Hàn lại chưa tốt mối nối Kiểm tra lại Mạch không hoạt động Khối nguồn cung cấp khối nguồn cung cấp đồng hồ VOM Lắp ngược cực âm Mạch không hoạt dộng dương khối nguồn cho mạch đo nguồn vào mạch đo Cảm biến Mq3 Vệ sinh xử loa báo liên tục dính cồn thừa thí lý cảm biến khơng dừng nghiệm trước Mq3 hiển thị lên LCD không Phần code nạp vào VĐK lỗi xác Đã kiểm tra khối dương cuả Mạch hoạt động Mạch hoạt động Lắp lại cực âm Mạch hoạt động bình nguồn, mối hàn thường linh kiện, code nạp cho VĐK cảm biến Mq3 Bảng 10: Kết đo thử nghiệm 37 Sửa lại phần code nạp vào VĐK Theo dõi kiểm tra thiết bị tiếp tục Kết thử đo nồng độ cồn cảm biến mq3: Làm thí nghiệm sau mạch hoạt động bình thường thực phẩm dung dịch có chứa cồn ví dụ như: Nước súc miệng Listerine có chứa cồn Nước táo lên men Bia khơng cồn Baravia Hoa (Khóm, Nho, Bưởi) Bia (Heineken, Halogen) Cồn y tế 70 độ STT Kết đo Vật thí Hiển thị Kết NONG DO CHO Khơng có cảnh PHEP báo loa NONG DO CHO Khơng có cảnh PHEP báo loa Nước súc NONG DO CHO Khơng có cảnh miệng PHEP báo loa Cồn y tế QUA NONG DO Có cảnh báo loa nghiệm 0.12mg/L 0.11 mg/L 0.22 mg/L 0.26 mg/L Hoa Hoa CON 0.23 mg/L 0.19 mg/L 0.30 mg/L Nước táo NONG DO CHO Khơng có cảnh lên men PHEP báo loa Bia khơng NONG DO CHO Khơng có cảnh cồn PHEP báo loa Bia QUA NONG DO Có cảnh báo loa CON Bảng 11: Kết đo thử nghiệm với thực phẩm dung dịch có chứa cồn Khi sử dụng thực phẩm hay đồ uống có nồng độ cồn máy cho kết có nồng độ cồn Tùy thuộc vào nồng độ cồn có thở mà đo 38 cảm biến Mq3 hiển thị lên LCD kết khác Mạch đo cảnh báo lên LCD kết hợp loa báo nồng độ cồn vượt 0,25mg/L khí thở (Hiển thị LCD 0.25mg/L) Mức độ cảm biến Mq3 không cao nên cho kết không xác Với thực phẩm hoa nước táo lên men, hay nước súc miêng đo cảm biến có nồng độ cồn, bạn cần súc miệng lại chờ khoảng 5-7p nồng độ cồn thở hết Các thí nghiệm mang tính chất tham khảo cảnh báo thiết bị đo nồng độ cồn có thở Mức cảnh báo thiết bị 0,25mg/L khí thở theo quy định cũ giao thồng vận tải Ngày 30/12/2019, Thủ tướng Chính phủ ký ban hành Nghị định 100/2019/NĐ-CP quy định xử phạt vi phạm hành lĩnh vực giao thông đường đường sắt Nghị định tăng mức xử phạt tối đa hành vi vi phạm quy định nồng độ cồn, ma túy Nghị định bổ sung quy định xử phạt vi phạm nồng độ cồn mức xe mơ tơ theo Luật Phịng, chống tác hại rượu bia; bổ sung quy định xử phạt doanh nghiệp vận tải sử dụng người lái xe mà thể có chất ma túy Theo quy định Luật phòng chống tác hại rượu, bia 2019 từ 01/01/2020 cấm Điều khiển phương tiện giao thơng mà máu thở có nồng độ cồn Vì cần tuân thủ theo đạo phủ “ĐÃ UỐNG RƯỢU BIA THÌ KHÔNG LÁI XE” 39 PHẦN III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận: 5.1.1 Kết hoạt động mạch so với mục tiêu đề ra: Mạch thực tế chạy với lý thuyết yêu cầu đề Với thiết bị thổi nồng độ cồn xử lý trung tâm thiết kế Bài báo trình bày biện pháp đo nồng độ cồn người điều khiển phương tiện giao thông thực tế biện pháp đo nồng độ cồn qua thở phương pháp đo hiệu Phần cứng thiết kế đơn giản, sử dụng số linh kiện tối thiểu, dễ mua nước, giá thành rẻ 5.1.2 Ưu điểm: Mạch có hiệu suất làm việc cao, giá thành sản phẩm phù hợp với đa số người sử dụng, mạch đơn giản dễ sử dụng sữa chữa 5.1.3 Nhược điểm Tuy nhiên có vài nhược điểm đáng lưu ý với mạch đo nồng độ cồn là: thiết kế lớn so với máy đo nồng độ cồn thực tế, tuổi thọ không cao linh kiện sử dụng có giá thành rẻ, mức độ nhạy xác cảm biến Mq3 thấp khơng xác cho lần đo 5.2 Kiến nghị: Do thiết bị có vị trí quan trọng công nghiên cứu sống Nên cần phát triển kiểu dáng, thiết kế chất lượng sản phẩm để tạo thiết bị tốt để phù hợp với đối tượng sử dụng 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO Wikipedia.com Mạch điện tử - Trương Văn Tám (Đại học Cần Thơ) Nhập môn điện tử - Dư Quang Bình (Đại học cơng nghệ thơng tin) Chính phủ nước cộng hồ xã hội chủ nghĩa Việt Nam Nghị định 71/2012/NĐ–CP 2-012 PGS.TS Nguyễn Thị Thiềng Ảnh hưởng sử dụng rượu/bia nạn nhân bị tai nạn giao thông nhập viện Việt Đức Saint –Paul Kỷ yếu khoa học 20 năm thành lập Viện Dân số vấn đề xã hội, NXB Đại học Kinh tế Quốc dân, Hà Nội – tháng 3/2012 Jones, A W.; Beylich, K M.; Bjørneboe, A.; Ingum, J.; Mørland, J Measuring ethanol in blood and breath forlegal purposes: Variability between laboratories and between breath-test instruments Clin Chem 1992, 38, 743– 747 PGS.TS Tô Đăng Hải.Giáo trình thơng tin di động NXB Khoa Học Kỹ thuật Hà Nội – 2007 Ban kỹ thuật đo lường ĐLVN/TC 17 “Phương tiện đo Hoá lý” Phương tiện đo lượng cồn thở quy trình kiểm định Breath alcohol tester – Verification procedures ĐLVN 107: 2012 Viện Đo lường Việt Nam đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng ban hành, Hà Nội – 2012 Alcohol detection Technologies (2010), American Beverage Institute 10 PGS.TS Tơ Đăng Hải.Giáo trình thơng tin di động NXB Khoa Học Kỹ thuật Hà Nội – 2007 11 Sharukh Khan & Shahabar Khan Hight sensitive alcohol sensor with auto car ignition disable function International Journal of scientific & Engeneering research, Volume 4, Issue10, october-2013, ISSN 2229-518 41