TỔNG QUAN VỀ MẠCH ĐO CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN
Mạch cảnh báo nồng độ cồn
Mạch đo cảnh báo nồng độ cồn là một hệ thống điện tử được thiết kế để phát hiện và đo lường nồng độ cồn trong không khí hoặc hơi thở của một người Mạch này thường sử dụng các cảm biến như MQ-3, có khả năng phản ứng với hơi ethanol và cho ra tín hiệu tương ứng với nồng độ cồn phát hiện được
-Mạch đo cảnh báo nồng độ cồn bao gồm:
Phát hiện: Sử dụng cảm biến để phát hiện sự hiện diện của cồn trong không khí hoặc hơi thở. Đo lường: Chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành giá trị đo lường nồng độ cồn.
Cảnh báo: Khi nồng độ cồn vượt quá ngưỡng an toàn, mạch sẽ phát ra tín hiệu cảnh báo như âm thanh, ánh sáng hoặc thông báo trên màn hình hiển thị
Tính toán và lựa chọn linh kiện
Các linh kiện có trong mạch gồm:
Giới thiệu các linh kiện
Diode là thiết bị cho phép dòng điện đi qua nó đi theo 1 hướng Ký hiệu: b) Phân loại
Diode chỉnh lưu thường: là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.
Hình 2.1: Diode chỉnh lưu thường
Diode Zener: còn gọi là diot ổn áp, là một loại điốt bán dẫn làm việc ở chế độ phân cực ngược trên vùng điện áp đánh thủng
Diode tín hiệu: là thiết bị điện tử bán dẫn sử dụng như một mạch chỉnh lưu đơn giản như mixer trong việc ghép các tín hiệu và làm công tắc để mở hoặc đóng mạch.
Còn được gọi là diode rào cản Nó là một diode bán dẫn có hoạt động chuyển mạch rất nhanh, nhưng điện áp rơi thuận thấp Khi một dòng điện chạy qua diode sẽ có một điện áp rơi nhỏ trên các cực của diode.Sự sụt giảm điện áp thấp hơn này mang lại tốc độ chuyển mạch cao hơn và hiệu quả hệ thống tốt hơn
Trong Diode Schottky, mối nối bán dẫn - kim loại được hình thành giữa chất bán dẫn và kim loại, do đó tạo ra rào cản Schottky Chất bán dẫn loại N đóng vai trò cực âm và mặt kim loại đóng vai trò cực dương của diode.
Diode quang (Photodiode): là một loại diode bán dẫn thực hiện chuyển đổi photon thành điện tích theo hiệu ứng quang điện Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia gamma Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện Tuỳ theo cách thức chế tạo, mà dòng điện này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn để làm nguồn điện như pin mặt trời.
Là loại diode có khả năng phát ra các ánh sáng hay các tia hồng ngoại, tử ngoại Một diot phát quang sẽ hoạt động dựa trên công nghệ bán dẫn Kết quả của quá trình khuếch tán này là khối P mang điện tích âm và khối N mang điện tích dương Khi chúng tiếp xúc với nhau thì các electron và lỗ trống sẽ tiếp xúc lại với nhau và hình thành ra nguyên tử trung hòa Quá trình này sẽ làm giải phóng năng lượng dưới dạng photon phát sáng hay là các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó.
Diode Laser: là thiết bị bán dẫn tương tự như đi-ốt ánh sáng (LED) Đi-ốt sử dụng mối nối PN để phát ra ánh sáng kết hợp tất cả các sóng có cùng tần số và pha Ánh sáng kết hợp được tạo ra bởi diode laser sẽ đi qua một quá trình khuếch đại ánh sáng hay còn gọi là kích thích bức xạ, được viết tắt là LASER.
Thực tế Diode cầu chỉ là một cách gọi khác khi bạn thực hiện lắp đặt đồng thời 4 chiếc Diode được mắc nối với nhau Thông thường chúng được dùng với mục đích chuyển đổi điện xoay chiều thành điện 1 chiều ở 2 chu kỳ bán kỳ.
Khi cấp nguồn cho diode theo mạch: Chân dương cấp vào chân dương anode của diode, chân âm nguồn cấp vào chân Cathode của diode Khi nguồn cấp lớn hơn 0.7V với chất bán dẫn loại Si hay 0.2V với chất bán dẫn loại Ge, thì diode dẫn hay còn gọi là phân cực thuận Lúc này dòng điện được đi qua diode
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý diode cầu
Ngược lại, khi chân dương nguồn cấp vào chân Cathode của diode và chân âm nguồn cấp vào chân Anode thì điốt không dẫn tức là không cho dòng điện chạy qua.
Người ta gọi trường hợp này là phân cực ngược
Diode có cực tính, điốt chỉ dẫn theo chiều thuận cực
Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch ghim áp phân cực cho transistor hoạt động
1.3.2 Điện trở Điện trở là một linh kiện điện tử thụ động trong mạch kí hiệu là R, dùng để cản trở dòng điện và phân chia điện áp trong mạch điện
Trong đó : U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).
I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).
R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω). Điện trở được chia thành 6 loại chính bao gồm: Điện trở cacbon Điện trở màng hay điện trở gốm kim loại Điện trở dây quấn Điện trở film Điện trở bề mặt Điện trở băng
Hình 2.10: Hình ảnh thực tế của điện trở.
Mã màu điện trở: Điện trở của điện trở và dung sai của nó được đánh dấu trên điện trở với các dải mã màu biểu thị giá trị điện trở Mã hóa màu điện trở sử dụng các dải màu để dễ dàng xác định giá trị điện trở của điện trở và dung sai phần trăm của nó Các mã màu được xem như là ký hiệu điện trở.
4 dải: chữ số, chữ số, số nhân, dung sai.
5 dải: chữ số, chữ số, chữ số, số nhân, dung sai.
6 dải: chữ số, chữ số, chữ số, số nhân, dung sai, hệ số nhiệt độ.
Hình 1.11: Hình ảnh màu điện trở 1.3.3 Biến trở
Biến trở là các thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn
Chúng có thể được sử dụng trong các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.
Ký hiệu biến trở trong sơ đồ mạch điện ở các dạng:
Nhìn từ bên ngoài, chúng ta dễ dàng nhận thấy biến trở có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính:
Cuộn dây được làm bằng hợp kim có điện trở suất lớn
Con chạy/chân chạy Cho khả năng chạy dọc cuộn dây để làm thay đổi giá trị trở kháng.
Chân ngõ ra gồm có 3 chân (3 cực) Trong số ba cực này, có hai cực được cố định ở đầu của điện trở Các cực này được làm bằng kim loại Cực còn lại là một cực di chuyển và thường được gọi là cần gạt Vị trí của cần gạt này trên dải điện trở sẽ quyết định giá trị của biến trở.
Các vật liệu có trở kháng là nguyên vật liệu chính được sử dụng để tạo ra những chiếc biến trở, cụ thể như sau:
Carbon hay còn được gọi là biến trở than: Đây là vật liệu phổ biến nhất cấu thành từ những hạt carbon Chi phí rẻ nên được sản xuất với số lượng lớn tuy nhiên độ chính xác không cao
Dây cuốn: Loại dây này thường sử dụng dây Nichrome với độ cách điện cao
THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH
Phân tích yêu cầu
- Mạch đo nồng độ cồn là một hệ thống điện tử được thiết kế để phát hiện và đo lường nồng độ cồn trong không khí hoặc hơi thở của một người Mạch này thường sử dụng các cảm biến như MQ-3, có khả năng phản ứng với hơi ethanol và cho ra tín hiệu tương ứng với nồng độ cồn phát hiện được
Nguyên lý hoạt động của mạch đo nồng độ cồn:
Cảm biến MQ-3 sử dụng nguyên tắc MOS (Metal Oxide Semiconductor), đo sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với cồn, còn được gọi là cảm biến oxit kim loại.
Khi cồn tiếp xúc với màng SnO2, phản ứng hóa học xảy ra, làm thay đổi điện trở của màng Thay đổi điện trở này được đo và chuyển đổi thành tín hiệu analog hoặc digital để xác định mức độ cồn trong không khí
Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống
Khối cảm biến: 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 xử lý: Có chức năng xử lý thông tin nhận từ khôi cảm biến và hiển thị ra khối cảnh báo
Khối xử lý Khối cảnh Khối cảm báo biến
Khối cảnh báo: Sẽ hiển thị nồng độ cần đo được ra LED
Nguyên lý hoạt động
Mạch cảnh báo nồng độ cồn thường sử dụng cảm biến khí ethanol để đo lường nồng độ cồn trong không khí Khi nồng độ cồn vượt quá mức quy định, mạch kích thích cảnh báo được kích hoạt, thông báo cho người sử dụng về tình trạng cần chú ý hoặc ngăn chặn việc sử dụng phương tiện giao thông.
Tổng quan thiết kế
Mạch cảnh báo nồng độ cồn thường bao gồm một cảm biến cồn để đo nồng độ cồn trong không khí Dữ liệu từ cảm biến này sau đó được chuyển vào một bộ xử lý để xác định liệu nồng độ cồn có vượt quá mức cho phép hay không Nếu nồng độ cồn cao, mạch sẽ kích hoạt một cảnh báo, thường thông qua âm thanh hoặc đèn cảnh báo Thiết kế này thường được tích hợp vào các thiết bị như alcolocks trong ô tô để đảm bảo an toàn giao thông.
Tính chọn linh kiện
Dùng cảm biến nồng độ cồn MQ3 MQ3 là bộ cảm biến sử dụng SiO2 làm vật liệu cảm ứng nồng độ cồn trong không khí, bộ cảm biến khí sẽ rất nhạy cảm ở những nơi có nồng độ không khí cao Đặc điểm của Module:
Nhảy cảm với rượu và ethanol Điện áp đầu ra tăng khi nồng độ khí đo được tăng Có thể điều chỉnh được độ nhạy cảm của module b) Khối xử lý
Sử dụng biến trở để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến cồn Khi cần điều chỉnh mức độ cảnh báo tương ứng với nồng độ cồn mông muốn.
Sử dụng biến trở để diều chỉnh ngưỡng cảnh báo nếu có, để dảm bảo rằng mạch sẽ phát tín hiệu cảnh báo khi nồng độ cồn vượt quá mức quy định.
Khi nồng độ vượt quá mức cảnh báo, sử dụng biến trở để điều chỉnh tín hiệu LED 2 IC LM358
IC LM358 có khả năng khuếch đại tín hiệu đầu vào, điều này là quan trọng trong việc đọc và xử lý tín hiệu từ cảm biến cồn Điều này giúp tăng cường độ nhạy của mạch đối với các biến thay đổi nhỏ trong nồng độ cồn.
Có thể sử dụng một trong hai bộ so sánh của IC để so sánh tín hiệu đo được với một ngưỡng quy định Khi nồng độ cồn vượt quá ngưỡng này, mạch có thể kích hoạt cảnh báo.
Kết nối IC LM358 với cảm biến cồn để xử lý tín hiệu đầu ra từ cảm biến và chuyển nó thành một tín hiệu có thể được sử dụng để đo lường nồng độ cồn.
Sử dụng các yếu tố điều chỉnh của IC để điều chỉnh độ nhạy của mạch đối với yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
IC LM358 thường hoạt động với nguồn cấp điện kép (+Vcc và -Vcc), điều này giúp nó phù hợp với nhiều môi trường ứng dụng.
Transistor C2383 có thể được sử dụng như một bộ khuếch đại cho tín hiệu đầu ra từ cảm biến cồn Nó có thể gia tăng mức tín hiệu để phù hợp với mức đầu vào yêu cầu của mạch.
Transistor có thể được sử dụng để so sánh tín hiệu từ cảm biến cồn với một ngưỡng cố định Khi nồng độ cồn vượt quá ngưỡng này, transistor có thể chuyển trạng thái và kích hoạt mạch cảnh báo.
Transistor C2383 có thể được sử dụng để kích hoạt các linh kiện cảnh báo như loa, LED hoặc relay Khi chuyển trạng thái, transistor sẽ cho phép dòng điện lớn chảy qua các linh kiện cảnh báo.
Relay có thể được sử dụng để kích hoạt cảnh báo, như loa cảnh báo hoặc đèn LED, khi nồng độ cồn vượt quá mức an toàn Khi relay chuyển đổi, nó mở đường cho dòng điện lớn chảy qua các linh kiện cảnh báo, làm cho chúng hoạt động.
Relay cũng có thể được sử dụng để ngắt nguồn cấp điện đến một phần của mạch hoặc toàn bộ mạch khi cần thiết Điều này có thể giúp ngăn chặn sự cung cấp năng lượng đến một thiết bị hoặc hệ thống nếu nồng độ cồn vượt quá mức quy định
Relay có thể được kết hợp với các linh kiện khác trong mạch để thực hiện các chức năng cụ thể khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Diode được sử dụng để bảo vệ mạch khỏi ngược điện áp từ các thành phần khác Điều này giúp ngăn chặn nguy cơ hỏng hóc mạch khi có biến động đột ngột trong nguồn cấp điện. c) Khối cảnh báo LED
LED thường được sử dụng như một phương tiện cảnh báo trực quan Khi nồng độ cồn vượt quá ngưỡng an toàn, LED có thể bật sáng để thông báo cho người sử dụng về tình trạng nguy hiểm.
Sơ đồ chi tiết
Với các linh kiện sau khi đã được lựa chọn chúng em đã tiến hành lắp mạch trên panel Kiểm tra và so sánh thấy mạch chạy tốt và ổn định Từ đó tiến tới hoàn thiện sản phẩm.
*Các bước làm sản phẩm
Bước 1: Chuyển từ nguyên lý sang sơ đồ mạch in, vẽ mạch.
Bước 2: Gia công mạch in bằng các thiết bị có sẵn.
Bước 3: Lắp linh kiện vào mạch in và hàn.
Bước 4: Sau khi hàn xong chạy thử sản phẩm.
Bước 5: Hiệu chỉnh lại mạch.
Tiến hành vẽ mạch trên proteus và in mạch ra giấy mạch
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM
Mục đích của việc khảo sát mạch đo nồng độ cồn thường liên quan đến việc đánh giá và kiểm soát tình trạng sử dụng rượu bia trong các tình huống.
Ngoài ra, việc khảo sát mạch đo nồng độ cồn còn giúp trong việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị đo nồng độ cồn chính xác hơn, từ đó có thể ứng dụng rộng rãi hơn trong y tế và an toàn giao thông Các thiết bị này có thể được thiết kế để sử dụng dễ dàng và cung cấp kết quả nhanh chóng, giúp ngăn chặn các hậu quả tiêu cực do sử dụng rượu bia gây ra.
Modun MQ-3 là một cảm biến nồng độ cồn phổ biến được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị đo nồng độ cồn Độ nhạy: Modun MQ-3 có độ nhạy cao với hơi ethanol, có thể phát hiện nồng độ cồn từ 25 đến 500 ppm. Độ chính xác: Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý điện trở, sử dụng một lớp màng mạ mỏng từ SnO2 (Oxit Thiếc) làm vật liệu chính Khi cồn tiếp xúc với màng SnO2, phản ứng hóa học xảy ra, làm thay đổi điện trở của màng, từ đó đo được nồng độ cồn
An toàn: Cảm biến được bao phủ bởi hai lớp lưới thép không gỉ mịn, giúp bảo vệ khỏi nguy cơ cháy nổ do tiếp xúc với cồn
Tín hiệu đầu ra: Có hai dạng tín hiệu đầu ra là Analog và TTL, với tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển Ứng dụng: Thích hợp cho việc giám sát tình trạng say rượu khi tham gia giao thông và có thể được tích hợp vào các dự án DIY với Arduino
