GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ở nước ta các tệ nạn xã hội ngày càng gia tăng mà một trong những nguyên nhân chủ yếu đó là do uống nhiều rượu bia Rượu bia là nguyên nhân chủ yếu làm giảm năng suất lao động, gây ra các tệ nạn xã hội như bạo lực, gia đình tan vỡ, con cái hư hỏng và đặc biệt gây ra các vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng. Để hướng tới mục tiêu an toàn giao thông, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật đã đưa ra rất nhiều quy định mới, một trong số đó là quy định về nồng độ cồn cho phép khi điều khiển phương tiện giao thông Khẩu hiệu “Đã uống rượu bia thì không lái xe” đã khá quen thuộc với người dân Việt Nam Vì thế, để giảm thiểu tối đa tai nạn giao thông, Bộ giao thông vận tải đã đưa ra các mức xử phạt tương ứng với mức độ vi phạm của người tham gia giao thông Bước đầu tuyên truyền cho quy định này của luật, bộ y tế, Ủy ban an toàn giao thông quốc gia, tổ chức y tế thế giới đã phối hợp tổ chức buổi hội thảo “rượu bia và tai nạn giao thông” Các thông điệp buổi hội thảo đưa ra: “Điều khiển xe trong tình trạng có men rượu là vi phạm pháp luật – Đã uống thì không lái”.
Theo thống kê, hàng năm ở nước ta khoảng 9.000 người tử vong do tai nạn giao thông Một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng tai nạn giao thông là do người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông Những hậu quả của người uống rượu bị tai nạn trong lúc tham gia giao thông và hiện nay đang là nỗi lo lắng, bức xúc của cá nhân, gia đình và xã hội.
Nhận thức được sự nguy hiểm của rượu bia tới việc điều khiển phương tiện giao thông Tôi đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến Mq3” để tiến hành nghiên cứu và thiết kế.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu: Thiết kế và thi công mạch đo nồng độ cồn sử dụng cảm biến MQ3, thông báo khi vượt ngưỡng cho phép quy định về độ cồn
Khi hoạt động, mạch sẽ hiển thị 2 trạng thái:
+ Mức nồng độ cồn lúc ban đầu ( khi cảm biến chưa tiếp xúc với nồng độ cồn). Cảm biến sẽ hiển thị nồng độ cồn (mg/L) và thông báo “ Ổn định” khi chưa vượt ngưỡng nồng độ cồn cho phép.
+ Mức nồng độ cồn khi cảm biến phát hiện có sự thay đổi nồng độ cồn và sẽ hiển thị nồng độ cồn (mg/L) và thông báo “Vi phạm” khi mức nồng độ cồn vượt quá mức cho phép.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cảm biến MQ3 ( cảm biến nồng độ cồn) Bo mạch điều khiển Arduino Uno R3, phần mềm viết chương trình hoạt động cho mạch Arduino, phần mềm mô phỏng Proteus.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được thực hiện phục vụ cho mục đích học tập tại
Khoa điện tử viễn thông hàng không - Học viện Hàng Không Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu về cảm biến nồng độ cồn, nguyên lí hoạt động của máy đo nồng độ cồn, các phương pháp sử dụng Proteus và chương trình Arduino trên internet.
Phương pháp thực nghiệm: Thi công mạch điện tử có khả năng đo và hiển thị và cảnh báo nồng độ cồn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài
Có nhiều phương pháp đo nồng độ cồn:
Phương pháp đo nồng độ cồn trong máu: Đây là phương pháp được sử dụng để xác định lượng các chất kích thích và hoạt chất gây ảnh hưởng tới cơ thể con người có trong máu Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phòng thí nghiệm để đo đạc với độ chính xác cao Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là phải lấy mẫu máu của người cần kiểm tra tại cơ sở y tế, thông qua quy trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mới cho ra kết quả do đó gây tốn thời gian và không thể áp dụng trong các trường hợp cần kiểm tra nhanh, tại hiện trường.
Phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở: Hơi thở của người say rượu sẽ có nồng độ cồn cao Sử dụng các thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo nồng độ trong không khí của không gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia.
Qua tìm hiểu thực tế, ta thấy rằng phương pháp xác định nồng độ cồn qua hơi thở hiện đang được sử dụng phổ biến vì tính cơ động và thời gian đo rất nhanh,khoảng 1-2 giây Vì thế tôi sẽ tìm hiểu phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở.Phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở đòi hỏi phải sử dụng linh kiện và thiết bị có độ chính xác cao, nhưng ở đây tôi chỉ dùng linh kiện thông dụng, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện tài chính và phục vụ cho học tập nên độ tin cậy còn chưa cao Do vậy nên tôi chỉ dừng lại ở việc xây dựng được hệ thống đo nồng độ cồn sử dụng trong học tập và nghiên cứu nên chưa có tính ứng dụng thực tế cao.
Các linh kiện sử dụng trong đề tài
Cổng USB của Arduino Uno có thể kết nối với máy tính để bàn hoặc máy tính xách tay thông qua 1 sợi cáp Khi Arduiuno Uno được cấp nguồn từ CPU của máy tính bàn, hoặc laptap, hoặc được kết nối với sạc dự phòng Khi có dòng điện, vi điều khiển Arduino trong mạch sẽ hoạt động.
2.2.2 Các linh kiện được sử dụng
2.2.2.1 Arduino Uno Định nghĩa: Arduino Uno R3 là một module có tích hợp nhiều linh kiện, trong đó sử dụng vi điều khiển Atmega328 làm trung tâm xử lý Bên cạnh đó mã nguồn sử dụng cho Arduino được viết và biên dịch trên phần mềm “Arduino IDE”.
Các thông số của Arduino Uno R3:
Vi điều khiển Atmega328 họ 8 bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ Khoảng 30 mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12V DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20V DC
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
32 KB (Atmega328) với 0.5 KB dùng bởi bootloader
EEPROM 1 KB (Atmega328) Ứng dụng:
Với khả năng lập trình cho các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh cho các bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART,
SPI, I2C,…thì Arduino Uno R3 rất phù hợp để đảm nhận các chức năng nhận và xuất dữ liệu để điều khiển mô hình.
Cảm biến MQ-3 được sử dụng để đo nồng độ cồn Được làm từ vật liệu SnO2. Vật liệu này có tính dẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm Tỷ lệ điện trở của cảm biến giảm gần 5 lần khi đo trong môi trường không khí sạch Tuy nhiên hiệu ứng phát hiện nồng độ cồn của cảm biến này còn phụ thuộc điều kiện nhiệt độ Khi nhiệt độ bề mặt cảm biến được sấy nóng tới 600C, thời gian cần thiết để phát hiện nồng độ cồn kéo dài khoảng 8 giây Cũng trong môi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 200C thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 đến 5 phút. Ưu điểm:
- Độ nhạy cao đối với rượu và giảm độ nhạy đối với benzin.
- Thời gian cho kết quả nhanh, độ nhạy cao và chính xác.
- Hoạt động ổn định và độ bền cao.
- Kết cấu mạch đơn giản. Ứng dụng:
- Thích hợp trong việc kiểm tra nồng độ cồn trong cơ thể.
6Hình 3 Cảm biến MQ3 o Điều kiện làm việc tiêu chuẩn:
Ký hiệu Tên tham số Điều kiện kỹ thuật Chú ý
Vc Điện áp mạch 5V ± 0.1 AC OR DC
VH Điện áp gia nhiệt 5V ± 0.1 AC OR DC
PH Công suất tiêu thụ Thấp hơn 750 mW o Điều kiện môi trường:
Ký hiệu Tên tham số Điều kiện kỹ thuật Chú ý Tao Nhiệt độ sử dụng -10 C - 50 0 0 C
Tas Nhiệt độ lưu trữ -20 C - 70 C 0 0
RH Độ ẩm Thấp hơn 95% Rh
O2 Nồng độ OXY 21% (DKTC) Giá trị tối thiểu của OXY là nồng độ có thể ảnh hưởng tới độ nhạy trên 2%
Giá trị tối thiểu là 2%
Hình 4 Các mặt cắt của MQ3
2.2.2.3 Điện trở Định nghĩa: Điện trở là linh kiện điện tử thụ động trong mạch điện có ký hiệu R.
Nó là đại lượng đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật liệu.
- Hạn chế cường độ dòng điện chảy trong mạch.
- Có thể kết hợp với một số linh kiện điện tử khác để tạo thành mạch chia điện áp.
Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD 1602 có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả năng hiển thị kí tự đa dạng (chữ, số, kí tự đồ họa); dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tiêu tốn rất ít tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ…
Thông số kĩ thuật của sản phẩm LCD 1602:
- Điện áp ra mức cao: > 2.4
- Điện áp ra mức thấp: < 0.4
- Dòng điện cấp nguồn: 350uA - 600uA
- Nhiệt độ hoạt động: - 30 - 75 độ C
- Sơ đồ chức năng và các chân
Chân số 1-VSS Chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển Chân số 2-VDD Chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC 5V của mạch điều khiển Chân số 3-VE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân số 4-RS Chân chọn thanh ghi, được nối với logic "0" hoặc logic "1":
+ 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 Chân số 5-R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic
“0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc Chân số 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 này như sau:
+ ™ chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E
+ ™ 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
10 được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp Chân số 7 đến
8 đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này là: Chế độ 8 bit (dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ 4 bit (dữ liệu được truyền trên 4 đường từ
DB4 tới DB7, bit MSB là DB7) Chân số 15 - A Nguồn dương cho đèn nền
Chân số 16 – K Nguồn âm cho đèn nền
Các qui định của chính phủ về nồng độ cồn trong cơ thể
Theo Nghị định 100, mức phạt đối với người uống rượu, bia lái xe là một trong những mức phạt tăng mạnh nhất, được phân ra 3 mức phạt tùy theo nồng độ cồn đo được từ tài xế.
Mức 1: Chưa vượt quá 50mg/100ml máu hoặc 0,25mg/1l khí thở
Mức 2: Vượt quá 50mg đến 80mg/100ml máu hoặc quá 0,25mg đến 0,4mg/1l khí thở
Mức 3: Vượt quá 80 mg/100 ml máu hoặc vượt quá 0,4 mg/1l khí thở
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
Khối cảm biến đầu vào: Có chức năng cảm biến qua hơi thở để xác định có nồng độ cồn hay không, sau đó nó sẽ gửi tín hiệu tới khối điều khiển.
Khối điều khiển: Có chức năng điều khiển khối hiển thị và cảnh báo khi nhận được tín hiệu từ cảm biến.
Khối hiển thị: Sẽ hiển thị nồng độ cồn đo được lên màn hình LCD và cảnh báo mức độ nồng độ cồn phụ thuộc vào mức độ cồn đo được lên màn hình
3.2 Nguyên lí hoạt động Đầu tiên khối nguồn cấp nguồn cho hệ thống gồm khối điều khiển, khối cảm biến và khối hiển thị Khối cảm biến thu tín hiệu từ môi trường truyền về khối điều khiển dạng tín hiệu tương tự, sau khi đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số, ở đầu ra tín hiệu ở dạng tín hiệu số, sau đó tín hiệu này được vi điều khiển tiếp nhận và xử lý tính toán rồi đưa ra kết quả là nồng độ cồn có trong 1 lít khí thở căn cứ vào đó đưa ra cảnh báo cho người sử dụng, tín hiệu cảnh báo và kết quả này
Hình 7 Sơ đồ khối toàn mạch được đưa đến khối hiển thị khối này tiếp nhận và hiển thị thông tin về nồng độ cồn và lời cảnh báo.
Hình 8 sơ đồ nguyên lí trên phần mềm Proteus
Hình 9 Lưu đồ thuật toán
Hình 10 Mạch in của mạch độ cồn trên phần mềm Proteus?
LCD hiển thị theo mã ASCII của PIC truyền đến, nó giống như hiển thị ký tự Khi hiển thị từ 0-9 không có nghĩa là bạn truyền giá trị 0-9 mà là truyền mã ASCII của số 0-9 tới PIC; ta gửi (giá trị + 0x30) LCD sẽ hiển thị số tương ứng.
Từ mạch nguyên lý, tiến hành sắp xếp các linh kiện để tạo ra border mạch nhỏ gọn, thẩm mĩ để dễ tiến hành thi công mạch.
Sau khi sắp xếp xong linh kiện, ta tiến hành chạy thử mạch 3D sau khi mạch chạy được ta xuất file PDF mạch in ra giấy in mạch (Khổ A4).
THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ
THI CÔNG MẠCH
Bước 2: Lắp ráp và chạy thử mạch trên Breadboard.
Bước 3: In mạch ra giấy in.
Bước 4: Ủi mạch lên bảng đồng Ta sử dụng bảng đồng một lớp và dùng giấy bóng để in mạch
Bước 5: Rửa board mạch sau khi ủi.
Khi gỡ border ta sẽ nhúng border đồng vào dung dịch bột sắt hòa với nước theo tỉ lệ 1:1, đợi khoảng 15 phút những phần đồng thừa sẽ bị trôi đi hết và ta còn lại những phần đồng cần thiết để tạo thành đường dây nối.
Làm sạch bảng đồng, lau khô và ta tiến hành khoan mạch bằng khoan nhỏ.
Ta cần chọn độ lớn của mũi khoan phù hợp với lỗ cắm linh kiện để không bị rộng cũng như bé quá.
Bước 6: Hàn linh kiện lên board đồng.
Sau khi khoan chúng ta bắt đầu gắn linh kiện lên mạch và hàn, cần kết hợp sơ đồ nguyên lý, mạch PCB, mạch in 3D để gắn đúng vị trí chân của linh kiện.
Hình 11 Mặt sau của bản đồng
Hình 12 mặt trước của bản đồng
Sử dụng chì hàn và mũi hàn chuyên dụng để thực hiện việc cố định chân linh kiện, yêu cầu linh kiện hàn chắc, mũi hàn không thừa chì, không bị dính qua đường dây hoặc mũi hàn khác Ta có thể gắn từng linh kiện và hàn để tránh trường hợp nhiều linh kiện bị dính chân nhau.
Hình 13 mặt sau của mạch sau khi hoàn thành
Hình 14 mặt trước của mạch sau khi hoàn thành
4.4 Kết quả kiểm thử mạch
Khi đã có mạch, ta tiến hành kiểm tra mạch bằng cách dùng đồng hồ VOM để kiểm tra thông mạch hay chưa, kiểm tra linh kiện các mối hàn
STT Kết quả Nguyên nhân Giải pháp
1 Mạch không hoạt động Mối hàn của linh kiện chưa tốt
Hàn lại các mối nối
2 Mạch không hoạt động Khối nguồn cung cấp
Kiểm tra lại khối nguồn cung cấp bằng đồng hồ VOM
Lắp ngược cực âm và dương của khối nguồn cho mạch đo
Lắp lại cực âm và dương cuả nguồn vào mạch đo
Mạch hoạt động nhưng luôn hiển thị nồng độ còn mức cao
Cảm biến Mq3 còn dính cồn thừa ở thí nghiệm trước
Vệ sinh và xử lý cảm biến Mq3
Mạch hoạt động bình thường Đã kiểm tra khối nguồn, mối hàn các linh kiện, code nạp cho VĐK và cảm biến Mq3
Theo dõi và kiểm tra thiết bị tiếp tục
Hình 15 Mạch khi chưa có nồng độ cồn
Hình 16 Mạch khi đưa khẩu trang có tẩm cồn gần cảm biến
Khi sử dụng các thực phẩm hay đồ uống có nồng độ cồn thì máy sẽ cho kết quả có nồng độ cồn Tùy thuộc vào nồng độ cồn có trong hơi thở mà khi đo bằng cảm biến Mq3 sẽ hiển thị lên LCD các kết quả khác nhau Mạch đo sẽ cảnh báo lên LCD và kết hợp loa báo khi nồng độ cồn vượt quá 0,25mg/L khí
23 thở (Hiển thị trên LCD 0.25mg/L) Mức độ chính các của cảm biến Mq3 không cao nên cho các kết quả không được chính xác.
KẾT LUẬN
5.1.1 Kết quả hoạt động của mạch so với mục tiêu đề ra:
Mạch đo được mức nồng độ cồn theo từng giây, và có hiển thị trên màn hình LCD về nồng độ cồn, và đưa ra thông báo để người dùng biết rằng đã vi phạm về nồng độ cồn hay chưa
Mạch hoạt động ổn định, giá thành sản phẩm phù hợp với đa số người sử dụng, mạch đơn giản dễ sử dụng và sửa chữa.
Tuổi thọ không cao do các linh kiện sử dụng có giá thành rẻ, mức độ nhạy và chính xác của cảm biến Mq3 khá thấp không chính xác cho các lần đo.
Mạch đo và cảnh báo nồng độ cồn này có thể phát triển thêm như là lắp đặt vào hệ thống buồng lái (cabin) của ô tô để thực hiện các biện pháp phát hiê ›n, ngăn chặn và cảnh báo sớm trước khi cho phép xe khởi hành, cũng như kiểm soát liên tục trong quá trình người lái điều khiển xe tham gia giao thông Hệ thống kiểm soát này ngăn chặn không cho phép khởi động động cơ và cảnh báo bằng các tín hiệu ánh sáng, âm thanh khi phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở cao quá mức quy định.
