Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nồng độ cồn

LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Theo thống kê tổ chức y tể giới WHO bia rựơu nguyên nhân gây tai nạn hàng đầu cho người tham gia giao thông, đặc biệt Việt Nam quốc gia tiêu thụ lượng bia rượu đứng hàng đầu giới Nên việc tuyên truyền vận động người dân không tham gia giao thông sử dụng rượu bia ưu tiên hàng đầu Ngoài việc trang bị cho chiến sỹ cảnh sát giao thông máy đo nồng độ cồn cần thiết Khi có máy đo nồng độ cồn chiến sỹ giao thơng kịp thời phát hiện, nhắc nhở, xử phạt người tham gia giao thơng mà có nồng độ cồn vượt mức quy định nhằm góp phần giảm thiểu số vụ tai nạn xảy Vì việc đề xuất thiết bị đo, giám sát cảnh báo nồng độ cồn kết hợp với truyền thông tin người vi phạm nồng độ cồn lên server cần thiết Tuy nhiên thiết bị đo thị trường thiết bị ngoại nhập, giá thành cao, việc nghiên cứu thiết kế thiết bị có nhu cầu thực tế Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị đo nồng độ cồn với đặc tính sau: - Thiết bị đo đo hiển thị kết đo trực quan thiết bị - Thiết bị truyền kết đo thơng tin người vi phạm lên sever - Giao diện người dùng đơn giản, dễ sử dụng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a) Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu phần giám sát nồng độ cồn b) Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cảm biến Mq3 ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu tìm hiểu đặc tính, ứng dụng cảm biến Mq3 Từ viết phần mềm giám sát kết đo Ý nghĩa khoa học thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học đề tài Thiết kế phần hiển thị kết đo lên máy tính b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài Thiết bị ứng dụng để đo nồng độ cồn giao thông truyền kết đo lên PC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1 Tổng quan loại cảm biến khí đo nồng độ cồn 1.1.1 Tổng quan phƣơng pháp đo khí Ngày nay, cảm biến khí ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác như: kiểm sốt mơi trường sống môi trường công nghiệp nhằm đảm bảo sức khỏe an toàn lao động; điều khiển tỷl ệ khơng khí - nhiên liệu động đốt nhằm nâng cao hiệu suất phản ứng cháy tiết kiệm nhiên liệu; điều khiển môi trường máy bay, tàu vũ trụ; phát hàng cấm cửa sân bay Do đó, đòi hỏi cảm biến phải có độ nhạy cao, chọn lọc tốt hoạt động ổn định Thành phần hỗn hợp khí đo cách xác thiết bị phân tích sắc ký khí, khối phổ, phổ hồng ngoại, biến đổi Fourier cách phối hợp thiết bị Các thiết bị thường đắt tiền, khó vận hành, cồng kềnh khơng thể vận hành ngồi mơi trường Trong trường hợp vậy, cảm biến khí thiết bị đo dựa cảm biến khí lựa chọn phù hợp Nhiều dạng cảm biến phát triển để phát chất hóa học pha khí Chúng bao gồm thiết bị quang dựa tượng thay đổi màu sắc phát huỳnh quang, thiết bị sóng âm bề mặt, thiết bị điện hóa, hóa điện trở/bán dẫn, diod kim loại - điện mơi - bán dẫn, tranzito hiệu ứng trường số dạng khác Tuy nhiên, cảm biến kiểu điện trở đặc biệt hấp dẫn đa dạng vật liệu nhạy khí phương pháp chế tạo, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng đem lại nhiều tiềm ứng dụng việc chế tạo cảm biến đa hệ Cảm biến khí cho phép xác định thơng tin mơi trường khí, dựa lớp nhạy khí phần chuyển tín hiệu điện Việc phát khí dựa thay đổi mơi trường khí dẫn đến thay đổi tính chất lớp nhạy khí chuyển thành tín hiệu điện Lớp nhạy khí tối ưu hóa việc lựa chọn vật liệu, phần chuyển tín hiệu điện tối ưu hóa việc lựa chọn cơng nghệ thích hợp Trong số cảm biến khí, cảm biến dựa vật liệu bán dẫn oxit kim loại quan trọng đa dạng vềvật liệu nhạy khí phương pháp chế tạo Do vậy, giải pháp thường nhà nghiên cứu lựa chọn tìm quy trình chế tạo vật liệu ổn định, giảm kích thước hạt xuống cỡ nano mét nhằm làm tăng độ nhạy khí; lựa chọn vật liệu thích hợp cho độ chọn lọc cao với loại khí Các vật liệu nhạy khí nghiên cứu ứng dụng rộng rãi SnO 2, TiO2, In2O3, WO3 Để tăng độ chọn lọc cảm biến dựa vật liệu này, nhà nghiên cứu pha tạp vật liệu với kim loại có hoạt tính xúc tác cao Pt, Pd, Au hay trộn lẫn với oxit kim loại khác 1.1.2 Một số phƣơng pháp đo nồng độ cồn Phương pháp đo dùng cảm biến bán dẫn a Nguyên lý chung “Dựa thay đổi độ dẫn điện màng mỏng bán dẫn hấp thụ chất khí bề mặt nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC Loại cảm biến chủ yếu sử dụng đo khí độc, sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon Chất lượng cảm biến loại phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất.” “Cảm biến loại có tính lựa chọn thấp, độ nhạy thời gian đáp ứng bị ảnh hưởng nhiều độ ẩm môi trường; suy giảm độ nhạy không phát khơng hiệu chuẩn lại; bị hỏng hồn tồn đo liên tục khí nồng độ cao; bị nhiễm độc lượng nhỏ chất silicone, halocarbon.” “Có hai loại cảm biến loại sử dụng thông dụng làm từ ơ-xít kim loại: loại cảm biến màng mỏng làm từ VO3 (Tri-ơ-xít Vonfam), dùng chủ yếu phát khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ơ-xít thiếc (SnO2), loại khơng có tính chọn lọc thường dùng để phát thay đổi lớn lượng khí độc khí cháy.” b Loại màng dày (SnO2) “Loại thường cấu tạo cách nung kết ơ-xít thiếc lên điện cực gốm Điện cực mặt phẳng với sợi nung mặt lại dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem Hình 1.1).” Cuộn dây Lớp thiếc Cuộn dây Lớp thiếc Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) “Cơ chế phát khí ga loại phức tạp, đặc biệt với khí độc Nó kết hợp các phản ứng bề mặt bao gồm hấp thụ khí ga Khi cảm biến khơng cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hậu cảm biến phải nhiều để ổn định lại, điều xảy cảm biến bị cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp thời gian ngắn Với lượng nhỏ độ ẩm ơ-xy gây ổn định cho cảm biến, chí dừng làm việc điều kiện làm việc bình thường phục hồi trở lại.” c Loại màng mỏng (VO3) Loại cấu tạo vật liệu không dẫn điện gắn với hai nhiều điện cực dẫn điện Vật liệu ơ-xít kim loại gắn vào điện cực Các phận nung nóng nhiệt độ làm việc thích hợp Bề mặt lớp ơ-xít kim loại bình thường hấp thụ ô-xy tạo trường điện từ đẩy electron khỏi bề mặt Khi có khí H2S, đẩy ơ-xy (bằng cách chiếm chỗ phản ứng), từ giải phóng electron để dẫn điện, tức thay đổi độ dẫn điện chất bán dẫn Độ dẫn điện chất bán dẫn ô-xít kim loại nguồn tín hiệu d Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến bán dẫn Có yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính cảm biến mà người sử dụng nên biết để lựa chọn đánh giá cảm biến bán dẫn: (1) lựa chọn ô-xít kim loại, (2) nhiệt độ làm việc, (3) đặc tính hấp thụ khí, (4) độ ẩm, (5) nhiệt độ mơi trường, (6) q trình hoạt động cảm biến Nhiệt độ làm việc cảm biến bán dẫn ảnh hưởng nhiều đến đường đặc tính độ nhạy tín hiệu Chính mà nhà sản xuất mong muốn nhiệt độ làm việc cảm biến không đổi không phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường xung quanh, từ đường đặc tính tín hiệu tuyến tính hố với độ xác cao Đặc tính hấp thụ khí ga ơ-xít bán dẫn yếu tố cần thiết để cảm biến loại đo nồng độ khí.Với lượng nhỏ bị hấp thụ vật liệu xung quanh, vật liệu chế tạo cảm biến cần phải lựa chọn kỹ Khả hấp thụ khí độc nước mạnh, nước ngưng tụ bám vào lỗ phận chống lửa làm tác dụng cảm biến Nhiều cảm biến loại hoạt động khơng ổn định khơng cấp nguồn mơi trường có độ ẩm cao khoảng thời gian ngắn Các nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 trước cảm biến hoạt động thức hiệu chỉnh cảm biến Phương pháp đo dùng phù kế Là cách làm thủ công để xác định nồng độ cồn rượu Dùng cho hộ dân nấu rượu theo kiểu ủ men, trưng cất, kiểm tra nồng độ rượu mà họ nấu - Cách thực hiện:“Lấy ống nhựa nhỏ, bịt kín đầu lại, đổ đầy rượu vào, thả cồn kế vào, ý đáy cồn kế không chạm vào đáy ống đựng rượu, quan sát vạch tương ứng cồn kế với bề mặt thoáng cồn ống đựng cho biết nồng độ cồn rượu.” -Ưu điểm:“rất dễ làm, giá thành cồn kế rẻ, nhanh chóng, thuận tiện.” -Nhược điểm: “Chỉ đo nồng độ cồn rượu dạng lỏng (khi đo phải có lượng tương đối lớn, khoảng gần bát rượu Hình 1.2: Đo nồng độ cồn dùng phù kế Phương pháp đo dùng cảm biến fuel cell Hình 1.3: Cảm biến fuel cell đo nồng độ cồn Nguyên lý hoạt động cảm biến này: Dựa theo nguyên lý Pin nhiên liệu Ưu điểm: Hoạt động xác tin cậy Đầu cảm biến gia cố kim loại, giúp tăng cường độ bền, tránh gãy hỏng cảm biến tháo cắm ống thổi Sử dụng tế bào cảm biến nhiên liệu hố học tiên tiến chất lượng cao, có uy tín giới, phạm vi làm việc: 0,000 – 3.000mg/l, nhiệt độ vận hành: từ 0°C đến 60 °C, sử dụng dụng cụ đo alcohol chuyên nghiệp cảnh sát giao thông nhiều nước giới Nhược điểm: Rất thơng tin cảm biến, tìm mua cảm biến khó khăn dù đặt hàng nước ngồi chưa có nơi Việt Nam bán cảm biến Phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn Hình 1.4: Cảm biến màng oxit bán dẫn Đây loại cảm biến sử dụng rộng rãi nay.Dựa thay đổi độ dẫn điện màng mỏng bán dẫn hấp thụ chất khí bề mặt nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC Cảm biến loại có tính lựa chọn thấp, độ nhạy thời gian đáp ứng bị ảnh hưởng nhiều độ ẩm môi trường; suy giảm độ nhạy khơng phát khơng hiệu chuẩn lại; bị hỏng hồn tồn đo liên tục khí nồng độ cao; bị nhiễm độc lượng nhỏ chất silicone, halocarbon Có hai loại cảm biến loại sử dụng thông dụng làm từ ơxít kim loại: loại cảm biến màng mỏng làm từ VO3 (Tri-ơ-xít Vonfam), dùng chủ yếu phát khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ơ-xít thiếc (SnO2), loại khơng có tính chọn lọc thường dùng để phát thay đổi lớn lượng khí 1.2 Một số cảm biến đo nồng độ cồn thị trƣờng Bảng 1.1 Một số cảm biến đo nồng độ cồn thị trường 1.3 Hiện trạng thiết bị đo nồng độ cồn giao thông Hiện có nhiều loại thiết bị đo nồng độ cồn, phần lớn có chức hiển thị nồng độ cồn thiết bị mà chưa có chức lưu trữ thơng tin nồng độ cồn thông tin người tham gia giao thông cách tự động Việc lưu trữ cần thiết không để quan chức thống kê cách xác nhanh chóng số lượng người tham gia giao thơng mà có nồng độ cồn vượt ngưỡng nồng độ cồn cho phép, mà giúp người tham gia giao thơng vi phạm xem lại dễ dàng lần vi phạm để rút học cho thân, ý nghĩa khác việc lưu trữ tự động thông tin nồng độ cồn thông tin người vi phạm  Hàm phục vụ ngắt void EXTI4_IRQHandler(void) { if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line4) != RESET) { flag4=1; flag=4; EXTI->PR = EXTI_Line4; delay_ms(100); } } 3.2.2 Lƣu đồ thuật tốn Hình 3.8 Lưu đồ chương trình  Lưu đồ chương trình ngắt nhận USART Hình 3.9 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt nhận USART  Lưu đồ chương trình phục ngắt ngồi cho phím START Hình 3.10 Lưu đồ chương trình phục ngắt ngồi cho phím START Khi có ngắt xuất (Bấm phím START) ta gán biến Flag=4, Flag4=1, xóa cờ ngắt  Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím CLEAR Hình 3.11 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím CLEAR Khi có ngắt xuất (bấm phím CLEAR) gán biến Flag=3, xóa cờ ngắt  Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím SEND Hình 3.12 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím SEND Khi có ngắt xuất (bấm phím SEND) thực gán phím Flag=2, xóa cờ ngắt 3.3 Kết thực thiết kế thiết bị đo Hình 3.13 Thiết bị đo hồn chỉnh Hình 3.14 Thiết bị đo kết nối Wifi Hình 3.15 Thiết bị đo đo khơng khí khơng có cồn Hình 3.16 Thiết bị đo gửi thông tin lên server thành công Thiết bị sau chế tạo thử nghiệm hoạt động theo yêu cầu cần thiết đề đo nồng độ cồn, hiển thị LCD, nhập chứng minh nhân dân, truyền thông lên server thành công KẾT LUẬN Sau thời gian thực đề tài tốt nghiệp hướng dẫn tận tình cô giáo Th.s Trần Thị Phương Thảo giúp đỡ thầy cô môn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với nội dung sau” - Tìm hiểu tổng quan thiết bị đo nồng độ cồn - Nghiên cứu cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến đo nồng độ cồn Mq3 - Xây dựng phương án thiết kế thiết bị đo nồng độ cồn an tồn giao thơng - Thiết kế, chế tạo thành cơng thiết bị đo nồng độ cồn: Thiết bị chạy tốt, có khả hiển thị kết đo LCD, lưu trữ gửi kết đo lên Web qua mạng wifi Trong trình thực đồ án giúp em nắm công việc để tiến hành xây dựng, thiết kế triển khai thiết bị đo thực tế Đồng thời, giúp em củng cố lại kiến thức học năm học trường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Datasheet STM32F103C8T6, Datasheet MQ3, Datasheet ESP8266 [2] Nguyễn Văn Hòa (chủ biên ) - Hồng Sỹ Hồng - Bùi Đăng Thảnh "Giáo trình đo lường điện cảm biến đo lường", [3] Đào Đức Thịnh, “Slide lập trình C cho hệ thống nhúng” [4] Các tài liệu trang http://icviet.vn/ [5] Các tài liệu trang http://icviet.vn/ [6] Đào Trung Kiên, “Slide kỹ thuật lập trình Slide CSDL” [7] Các tài liệu trang http://www.w3schools.com/ [8] Các tài liệu trang http://mcu.banlinhkien.vn/ MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1 Tổng quan loại cảm biến khí đo nồng độ cồn 1.1.1 Tổng quan phương pháp đo khí 1.1.2 Một số phương pháp đo nồng độ cồn 1.2 Một số cảm biến đo nồng độ cồn thị trường 1.3 Hiện trạng thiết bị đo nồng độ cồn giao thông Chƣơng PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 11 2.1 Phân tích nhiệm vụ yêu cầu thiết kế 11 2.1.1 Nhiệm vụ 11 2.1.2 Yêu cầu 11 2.1.3 Mơ hình tổng quan thiết bị đo 11 2.1.4 Mơ hình thu thập 12 2.1.5 Phương thức truyền tin không dây 12 2.2 Hệ thống thu thập, xử lý, truyền thông sử dụng vi điều khiển 13 2.2.1 Giới thiệu chung vi điều khiển STMF32F103C8T6 13 2.2.2 Module ADC STM32F103C8T6 14 2.3 Cài đặt Webserver 14 2.4 Phân tích lưạ chọn thiết bị 15 2.4.1 Vi điều khiển STM32F103C8T6 15 2.4.2 Module Wifi ESP8266 16 2.4.3 Cảm biến nồng độ cồn MQ3 17 2.4.4 Màn hình hiển thị LCD 16x2 20 2.4.5 Bàn phím 20 2.4.6 Thiết bị phát Wifi không dây (Router 3G) 22 2.4.7 Sever 23 Chƣơng 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG CỒN SỬ DỤNG CẢM BIẾN MQ3 TRONG AN TOÀN GIAO THÔNG 24 3.1 Thiết kế chi tiết thiết bị đo 24 3.2 Các thuật tốn cho vi điều khiển 28 3.2.1 Các hàm giao tiếp 28 3.2.2 Lưu đồ thuật tốn 35 3.3 Kết thực thiết kế thiết bị đo 40 KẾT LUẬN 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 DANH MỤC BẢNG BIỂU Hình 1.1 Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ơ-xít (SnO2) Hình 1.2: Đo nồng độ cồn dùng phù kế Hình 1.3: Cảm biến fuel cell đo nồng độ cồn Hình 1.4: Cảm biến màng oxit bán dẫn 10 Hình 2.1: Mơ hình tổng quan thiết bị 12 Hình 2.2 Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103C8T6 13 Hình 2.3 Module Wifi ESP8266 16 Hình 2.4 Sơ đồ chân module Wifi ESP8266 17 Hình 2.5 Cảm biến nồng độ cồn MQ3 17 Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện tử cảm biến 18 Hình 2.7 Sự thay đổi điển trở cảm biến theo giá trị nồng độ cồn 18 Hình 2.8 Sơ đồ chân cảm biến nồng độ cồn Mq3 19 Hình 2.9 Sơ đồ chân hình LCD 16x2 20 Hình 2.10 Bàn phím 21 Hình 2.11 Sơ đồ mạch bàn phím 21 Hình 2.12 Sơ đồ mạch phím điều khiển 21 Hình 2.13 Router Wifi 3G Vodafone R208 22 Hình 3.1 Sơ đồ thành phần thiết bị đo 24 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối VĐK khối mở rộng 25 Hình 3.3 Khối kết nối cảm biến nồng độ cồn MQ3 25 Hình 3.4 Khối kết nối với bàn phím 26 Hình 3.5 Khối kết nối với module Wifi Esp8266 26 Hình 3.6 Khối nguồn 5V 3.3V 27 Hình 3.7 Khối LCD 27 Hình 3.8 Lưu đồ chương trình 35 Hình 3.9 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt nhận USART 36 Hình 3.10 Lưu đồ chương trình phục ngắt ngồi cho phím START 37 Hình 3.11 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím CLEAR 38 Hình 3.12 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt ngồi cho phím SEND 39 Hình 3.13 Thiết bị đo hoàn chỉnh 40 Hình 3.14 Thiết bị đo kết nối Wifi 40 Hình 3.15 Thiết bị đo đo khơng khí khơng có cồn 41 Hình 3.16 Thiết bị đo gửi thơng tin lên server thành công 41 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số cảm biến đo nồng độ cồn thị trường Bảng 3.1 Sơ đồ chân vi điều khiển với ngoại vi .25 ... ÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ 2.1 Phân tích nhiệm vụ yêu cầu thiết kế 2.1.1Nhiệm vụ Thiết kế thiết bị đo nồng độ cồn với đặc tính sau: - Thiết bị đo đo hiển thị kết đo trực quan thiết bị - Thiết. .. số cảm biến đo nồng độ cồn thị trƣờng Bảng 1.1 Một số cảm biến đo nồng độ cồn thị trường 1.3 Hiện trạng thiết bị đo nồng độ cồn giao thông Hiện có nhiều loại thiết bị đo nồng độ cồn, phần lớn... đề tài Thiết kế phần hiển thị kết đo lên máy tính b) Ý nghĩa thực tiễn đề tài Thiết bị ứng dụng để đo nồng độ cồn giao thông truyền kết đo lên PC CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1