Việc đo nồng độ cồn là một phương tiện quan trọng để ngăn chặn và kiểm soát nguy cơ tai nạn giao thông liên quan đến việc sử dụng cồn.. Để hướng tới mục tiêu an toàn giao thông, giảm thi
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
Việt Nam là một trong những quốc gia thuộc top đầu các nước sử dụng rượu, bia khi tham gia giao thông Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự an toàn giao thông trở thành vấn đề báo động đây chính là nguyên nhân hàng đầu gây tai nạn giao thông, khi điều khiển phương tiện bởi người lái xe thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy các biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đường không còn rõ ràng Người say cũng bốc đồng, không còn khả năng kiểm soát tốc độ cho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường rất dễ gây tai nạn Để hướng tới mục tiêu an toàn giao thông, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật giao thông đường bộ 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 rượu bia thì không lái xe”
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
Chính vì thế có nhiều rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồn đối với những người tham gia giao thông Thấy được tính chất cấp bách và quan trọng của vấn đề trên nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn chủ đề: “ Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo nồng độ cồn”, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời và cảnh báo sớm hiểm họa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một thói quen và ý thức tốt cho người tham gia giao thông
Các yêu cầu cơ bản
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống đo nồng độ cồn, chúng ta cần tìm hiểu qua một loạt các vấn đề quan trọng và phải đặt ra các vấn đề trọng tâm để đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng không chỉ đáp ứng mục tiêu cụ thể mà còn đáp ứng được những yêu cầu cơ bản như:
- Độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình đo nồng độ cồn:
Sự chính xác là yếu tố quyết định giữa việc cảnh báo một tình huống nguy hiểm và việc tạo ra cảnh báo giả mạo Điều này đặt ra yêu cầu cao về cảm biến nồng độ cồn, đặc biệt là về độ nhạy và độ chính xác trong môi trường đa dạng
- Thời gian phản ứng của hệ thống:
Khi phát hiện mức độ cồn vượt quá ngưỡng an toàn Điều này đặt ra yêu cầu về khả năng xử lý nhanh chóng của bộ xử lý trung tâm, cùng với sự tối ưu hóa của cảm biến nồng độ cồn để đảm bảo thời gian đáp ứng là tối thiểu
- Tính di động và tiện ích của hệ thống:
Chúng ta cần thiết kế một hệ thống linh hoạt, dễ mang theo và sử dụng ở nhiều vị trí khác nhau mà vẫn đảm bảo hiệu suất việc này liên quan đến kích thước và trọng lượng của thiết bị.
Phương pháp, phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Hiện nay có hai phương pháp đo nồng độ cồn thông dụng :
- Phương pháp đo nồng độ cồn trong máu 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 trong máu Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phòng thí nghiệm để đo đạc với độ chính xác cao
- 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
Nhóm chúng em nhận thấy rằng phương pháp xác định nồng độ cồn trong máu 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
Trong khi đó phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở hiện đang được sử phổ biến vì tính cơ động và thời gian đo nhanh chỉ khoảng 8 – 10 giây Điều này phù hợp với những yêu cầu cơ bản đã nêu ra ở trên Vì thế nhóm chúng em sẽ sử dụng phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở
1.3.2 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu Ở đề tài “Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo nồng độ cồn” nhóm em tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một hệ thống đo nồng độ cồn di động, sử dụng Board Arduino làm bộ xử lý trung tâm và cảm biến nồng độ cồn để đo lường và các thiết bị điều khiển tín hiệu cảnh báo Mục tiêu chính của nghiên cứu là tạo ra một sản phẩm linh hoạt, nhẹ nhàng, và dễ sử dụng có khả năng đo đạc chính xác nồng độ cồn trong hơi thở của người dùng
Ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài "Nghiên cứu và thiết kế hệ thống đo nồng độ cồn" là rất lớn Việc phát triển và triển khai hệ thống đo nồng độ cồn độc lập mang lại một giải pháp thực tế và hiệu quả để giảm nguy cơ tai nạn giao thông do lái xe dưới tác động của cồn Hệ thống này không chỉ là một công cụ cảnh báo cá nhân mà còn là một biện pháp phòng tránh rủi ro cho cả cộng đồng
Trong lĩnh vực an toàn giao thông, hệ thống có thể chủ động ngăn chặn những tình huống nguy hiểm trước khi chúng xảy ra Việc cảnh báo người lái xe về mức độ cồn quá mức an toàn không chỉ giúp bảo vệ tính mạng của họ mà còn giảm nguy cơ tạo ra các vụ tai nạn giao thông do tình trạng say rượu Bên cạnh đó, hệ thống này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao nhận thức và trách nhiệm cá nhân Người dùng sẽ được nhắc nhở về trạng thái nồng độ cồn của mình, từ đó khuyến khích họ thực hiện quyết định an toàn như không lái xe hoặc sử dụng phương tiện giao thông
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống
❖ Sơ đồ bao gồm các khối thành phần chính như sau:
- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống
- Khối xử lý trung tâm: Có chức năng thu thập và xử lý tín hiệu chung cho toàn hệ thống
- Khối cảm biến: Có chức năng cảm biến qua hơi thở để xác định có nống độ cồn hay không , sau đó sẽ gửi tín hiệu tới khối xử lý trung tâm
- Khối hiển thị: Sẽ hiển thị nồng độ đo được lên màn hình LCD và cảnh báo mức đo nồng độ cồn phụ thuộc vào mức độ cồn đo được
- Khối cảnh báo: Gồm đèn và còi báo nhằm cảnh báo khi kết quả đo được vượt quá nồng độ cho phép
❖ Giải thích sơ đồ khối:
Khi hệ thống hoạt động, toàn bộ hệ thống được cung cấp năng lượng để làm việc từ khối nguồn Khối cảm biến đo các giá trị môi trường sau đó gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm Khối xử lý trung tâm Arduino nhận các giá trị, tín hiệu được gửi về từ khối cảm biến sau đó giải mã, xử lý từ đó đưa ra các lệnh điều khiển tới các khối hiển thị và khối cảnh báo Các khối hiển thị và khối cảnh báo nhận lệnh từ khối xử lý trung tâm từ đó hiển thị thông giá trị đo cũng như cảnh báo nồng độ cồn đo được
Các thành phần của hệ thống
2.2.1 Khối cảm biến (Module MQ3)
Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu SnO2 Vật liệu này có tính đẫn 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 Cũng trong môi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 200℃thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 –
Hình 2.2: Hình ảnh thực và sơ đồ nguyên lý của cảm biến MQ3
Cảm biến MQ3 có 6 chân , vỏ và thân Mặc dù nó có 6 chân, nhưng ta có thể sử dụng 4 chân Hai trong số chúng là hệ thống đốt nóng, mà ta gọi là H và 2 cái còn lại là để kết nối nguồn và đất hay A và B
Nhìn tổng thể lớp cắt ngang bên trong MQ3, ta có thể thấy đó là một ống Alumina được bao phủ bởi SnO2, đó là thiếc Dioxit Và giữa chúng có một điện cực Aurum
Hình 2.3: Các thành phần bên trong cảm biến MQ3
Chúng ta có thể thấy cách các dây được kết nối Về cơ bản, ống alumina và cuộn dây là hệ thống sưởi ấm, các phần màu vàng, nâu và cuộn dây trong hình
Nếu cuộn dây được làm nóng, gốm SnO2sẽ trở thành chất bán dẫn, do đó có nhiều điện tích di chuyển hơn, có nghĩa là nó đã sẵn sàng để tạo ra dòng điện nhiều hơn
Sau đó, khi các phần tử rượu không khí gặp điện cực nằm giữa alumina và thiếc dioxit, ethanol sẽ đốt cháy thành axit axetic sau đó tạo ra nhiều dòng điện hơn Vì vậy, càng có nhiều phần tử rượu, chúng ta sẽ nhận được nhiều hơn Do sự thay đổi hiện tại này, chúng ta nhận được các giá trị khác nhau từ cảm biến
Module cảm biến MQ3 thích hợp cho việc phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở Phát hiện khí phát ra từ Etanol, Alcohol Đặc điểm của module cảm biến MQ3: Có bốn chân, điện áp cung cấp là nguồn 5V, Dout đầu ra là tín hiệu số (0 và 1), Aout đầu vào là tín hiệu tương tự, đèn Led sáng khi phát hiện có khí, GND cấp điện cực âm, đọ nhạy cao và chọn lọc tốt với ethanol, bền và ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh
Hình 2.4: Module cảm biến MQ3
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của module cảm biến MQ3
- VCC: Cung cấp năng lượng đầu vào
- GND: Mặt bằng cung cấp
- DO: Đầu ra tín hiệu số
- AO: Đầu ra tín hiệu tương tự
- Có thể điều chỉnh độ nhạy đầu ra
- Phản ứng nhanh, ổn định, nhạy cảm với rượu cồn
- Có 2 tín hiệu ra: tín hiệu số (D0) và tín hiệu tương tự (A0)
- Tiêu thụ hiện tại: 150 mA
Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ3 dựa trên sự biến thiên của điện trở, ở môi trường có nồng độ cồn càng lớn thì điện trở trong cảm biến sẽ càng nhỏ, tương ứng với điện áp ra của cảm biến gửi về vi điều khiển sẽ càng tăng Với mỗi một giá trị điện áp ra sẽ tương ứng với một giá trị PPM tương ứng PPM được sử dụng để đo nồng độ hóa học thường là trong dung dịch nước Nồng độ tan của 1 ppm là nồng độ chất tan của
- Ta có công thức chuyển đổi từ mg/l sang PPM:
𝑃(𝑘𝑔/𝑚 3 ) Trong đó: 𝐶 1 : Nồng độ cồn đo bằng ppm
𝐶 2 : Nồng độ cồn đo bằng mg/l
P : Khối lượng riêng của chất lỏng có cồn
2.2.2 Khối điều khiển (Arduino Uno R3)
Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…)
❖ Sơ đồ chân và thiết kế của Arduino Uno R3:
• Cáp USB: Đây là dây cáp thường được bán kèm theo bo, dây cáp dùng để cắm vào máy tính để nạp chương trình cho bo và dây đồng thời cũng lấy nguồn từ nguồn usb của máy tính để cho bo hoạt động Ngoài ra cáp USB còn được dùng để truyền dữ liệu
Hình 2.6: Sơ đồ chân của module Arduino Uno R3
9 từ bo Arduino lên máy tính Dây cáp có 2 đầu, đầu 1a được dùng để cắm vào cổng USB trên bo Arduino, đầu 1b dùng để cắm vào cổng USB trên máy tính.
• IC Atmega 16U2: IC này được lập trình như một bộ chuyển đổi USB - to- Serial dùng để giao tiếp với máy tính thông qua giao thức Serial (dùng cổng COM)
• Cổng nguồn ngoài: Cổng nguồn ngoài nhằm sử dụng nguồn điện bên ngoài như pin, bình acquy hay các adapter cho bo Arduino hoạt động Nguồn điện cấp vào cổng này là nguồn DC có hiệu điện thế từ 6V đến 20V, tuy nhiên hiệu điện thế tốt nhất mà nhà sản xuất khuyên dùng là từ 7 đến 12V
• Nút reset: Nút reset được sử dụng để reset lại chương trình đang chạy Đôi khi chương trình chạy gặp lỗi, người dùng có thể reset lại chương trình
• ICSP của ATmega 16U2: ICSP là chữ viết tắt của In-Circuit Serial Programming Đây là các chân giao tiếp SPI của chip Atmega 16U2 Các chân này thường ít được sử trong các dự án về Arduino
• Chân xuất tín hiệu ra: Có tất cả 14 chân xuất tín hiệu ra trong Arduino Uno, những chân có dấu ~ là những chân có thể băm xung (PWM), tức có thể điều khiển tốc độ động cơ hoặc độ sáng của đèn
Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống
2.3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Proteus
Proteus được sử dụng để mô phỏng, thiết kế và vẽ các mạch điện tử Nó được phát minh bởi Labcenter Electronics
Proteus là một phần mềm được sử dụng để mô phỏng hoạt động của các mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm này mô phỏng được hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC,
2.3.2 Mô phỏng hệ thống trên Proteus
❖ Mô tả hệ thống: Đo nồng độ cồn, cảnh báo vượt ngưỡng cho phép: Đọc giá trị cảm biến, tiến hành tính toán, so sánh các giá trị đo được để kết luận tình trạng sức khoẻ của người sử dụng thiết bị được hiển thị lên màn hình trên thiết bị Nếu vượt mức cho phép, thiết bị sẽ báo đèn, hiển thị cảnh báo lên màn hình và đồng thời dùng còi để cảnh báo Tiến hành mô phỏng các trường hợp xảy ra để xem kết quả hiển thị từ đó điều chỉnh chương trình cho tối ưu nhất :
Hình 2.12: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus
❖ Cách nối chân trên phần mềm mô phỏng:
- Các chân A0,GND của cảm biến MQ3 được kết nối với chân analog A0,GND trên Arduino Các chân VCC được nối với nguồn
- Các chân SDA,SCL,GND của LCD được nối với chân A4,A5,GND của Arduino thông qua I2C
- Led xanh,led đỏ nối với chân A8,A9 trên Arduino qua 2 điện trở 200 Ω.Còi báo nối với chân 13 của Arduino
❖ Hệ thống khi chưa phát hiện cồn:
Hình 2.13: Mô phỏng hệ thống khi chưa phát hiện cồn
❖ Hệ thống khi phát hiện cồn:
Khi thiết bị bắt đầu hoạt động, vi điều khiển Arduino giao tiếp, khởi tạo các giá trị hoạt động sau đó khởi tạo cho LCD1602 để phục vụ hiển thị các thông số, giá trị cũng như cảnh báo Sau khi khởi tạo toàn bộ hệ thống Arduino đọc giá trị đo nồng độ cồn từ cảm biến MQ3 20 lần và lấy giá trị trung bình của kết quả Sau khi có kết quả đo, vi điều khiển tiếp tục so sánh với giá trị 0.8mg/LNếu giá trị đo được thấp hơn thì Arduino báo đèn xanh và cho kết quả đo và thông báo ‘AN TOAN’ lên màn hình LCD sau đó kết thúc quá trình đo Nếu giá trị đo được vượt ngưỡng 0.8mg/L thì Arduino báo đèn đỏ và bật còi cảnh báo và hiển thị kết quả đo và thông báo ‘ NGUY HIEM’ lên LCD sau đó kết thúc quá trình đo
Hình 2.14: Mô phỏng hệ thống khi phát hiện cồn
Hình 2.15: Lưu đồ thuật toán
THIẾT KẾ VÀ THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG
Thiết kế khung hệ thống
❖ Mô tả khung hệ thống:
- Kích thước: 180mm x 120mm x 55mm
- Vật liệu: Bìa giấy cứng
- Các thành phần của hệ thống được cố định bên trong khung
- Mặt trước để lộ đầu đo cảm biến MQ3, màn hình hiển thị LCD, LED đơn thể hiện trạng thái hệ thống
- Nắp trên có thể đóng mở bằng bản lề nhỏ phía sau, thuận tiện cho việc thay thế, sửa chữa hệ thống
Hình 3.1: Bản vẽ khung cho hệ thống đo nồng độ cồn
Kết nối các thành phần hệ thống
- Chân A0 của cảm biến MQ3 được kết nối với chân analog A0 trên Arduino
- Chân VCC của cảm biến MQ3 được kết nối với nguồn 5V
- Chân GND của cảm biến MQ3 được kết nối với GND
❖ LCD sử dụng giao tiếp I2C:
- Chân SDA của LCD được kết nối với chân A4 trên Arduino
- Chân SCL của LCD được kết nối với chân A5 trên Arduino
- VCC của LCD được kết nối với nguồn 5V
- GND của LCD được kết nối với GND
- Chân dương kết nối với chân 8 trên Arduino
- Chân âm kết nối với GND
- Chân dương kết nối với chân 9 trên Arduino
- Chân âm kết nối với GND
- Chân dương kết nối với chân 13 trên Arduino
- Chân âm kết nối với GND
Hình 3.2: Sơ đồ nối mạch trong hệ thống
Mô hình hệ thống
Tiến hành đấu nối các linh kiện theo như thiết kế mạch điện-điện tử Chú ý các chân phải được cắm chắc chắn, sắp xếp gọn gàng tránh tình trạng chập cháy trong hệ thống Các linh kiện được sắp xếp khoa học đảm hệ thống hoạt động ổn định, giảm tối đa các rủi ro
Hình 3.3: Đấu nối, sắp xếp các linh kiện điện tử trong hệ thống
Sau khi tiến hành đấu nối ta đưa các linh kiện vào khung mô hình đã được thiết kế trước, tiến hành cố định các linh kiện vào đúng vị trí
Hình 3.4: Mô hình hệ thống đã được hoàn thiện
Đánh giá thử nghiệm
Sau khi hệ thống đã được hoàn thiện, ta tiến hành đánh giá thử nghiệm bằng những đầu vào thực tế (rượu) Kiểm tra lại các kết nối trước khi cấp nguồn điện cho hệ thống
❖ Một số lưu ý trước khi tiến hành thử nghiệm hệ thống:
- Cảm biến MQ3 cần được làm nóng trước khi sử dụng để đảm bảo độ chính xác khi đo lường Thời gian làm nóng thường kéo dài một khoảng thời gian ngắn từ 30 – 60 giây
- Sau quá trình làm nóng màn hình LCD sẽ hiển thị mức nồng độ cồn ổn định từ 0.25 – 0.5 mg/L Sai số xuất hiện do khả năng hạn chế của cảm biến
Ta tiến hành thử nghiệm dựa trên nồng độ cồn thực tế và nồng độ cồn do hệ thống hiển thị lên màn hình Đầu tiên uống một chén rượu sau đo chờ rượu đi vào cơ thể sau đó tiến hành thổi hơi thở vào đầu thu của module cảm biến MQ3 trên mô hình
Hình 3.5: Màn hình hiển thị của hệ thống khi mới khởi động
Hình 3.6: Kết quả đo thử nghiệm lần 1
Hình 3.7: Kết quả đo thử nghiệm lần 2
❖ Tổng hợp và phân tích kết quả thu được:
Bảng 3.1: Bảng phân tích kết quả thử nghiệm
Lần đo Nồng độ cồn thực tế
Nồng độ cồn đo được
- Sai số trung bình của hệ thống là 2%
- Hệ thống vẫn có sai số do chất lượng của cảm biến thấp và nhiễu từ môi trường
Hình 3.8: Kết quả đo thử nghiệm lần 3
