Thiết kế và thi công mạch cảnh báo nồng độ cồn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ  BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN Tp.Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2019 MỤC LỤC PHẦN TỔNG QUAN 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU THÔNG SỐ GIỚI HẠN PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mơ tả q trình hoạt động 1.2 Nguyên tắc hoạt động cảm biến nồng độ cồn MQ3 1.3 Nguyên tắc kết nối cảm biến MQ3 Arduino 1.4 Cách lập trình với Arduino 1.5 Cách đọc liệu từ cảm biến hiển thị liệu lên LCD oled 12 1.6 Hiển thị liệu lên LCD oled 13 1.7 Tìm hiểu buzzer 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 16 2.1 Giới thiệu 16 2.2 Thiết kế sơ đồ khối 16 2.3 Giải thích chức khối 16 2.4 Tính tốn lựa chọn linh kiện 18 2.5 Sơ đồ kết nối mạch 19 CHƯƠNG THIẾT KẾ PHẦN MỀM 19 3.1 Lưu đồ chương trình 20 3.2 Code chạy chương trình 20 CHƯƠNG THI CÔNG MẠCH 25 4.1 Chuẩn bị linh kiện 26 4.2 Kết nối mạch 27 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 29 5.1 Kết thực 29 5.2 Hướng phát triển 32 PHẦN KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG Hình Trang Hình 1.1 Cảm biến MQ-3 Hình 1.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến Hình 1.3 Sơ đồ kết nối Hình 1.4 Arduino IDE 10 Hình 1.5 Arduino toolbar 10 Hình 1.6 IDE menu 10 Hình 1.7 File menu 11 Hình 1.8 Edit menu 11 Hình 1.9 Sketch menu 12 Hình 1.10 Hình ảnh mặt trước mặt sau LCD OLED 12 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 16 Hình 2.2 Sơ đồ kết nối khối cảm biến 17 Hình 2.3 Sơ đồ khối hiển thị cảnh báo 17 Hình 2.4 Sơ đồ mạch 19 Hình 3.1 Lưu đồ thuật tốn 20 Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 28 Hình 5.1 sản phẩm hồn chỉnh 29 Hình 5.2 Trường hợp bạn tỉnh táo 29 Hình 5.3 Trường hợp bạn uống bia 30 Hình 5.4 Trường hợp bạn uống nhiều bia 30 Hình 5.5 Trường hợp bạn uống rượu 31 Hình 5.6 Trường hợp bạn say 31 Bảng Trang Bảng Các thông số kĩ thuật MQ-3 Bảng Sơ đồ chức chân 13 Bảng Danh sách linh kiện 26 ĐỒ ÁN PHẦN TỔNG QUAN GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Hiện nay, nước ta tệ nạn xã hội ngày gia tăng mà nguyên nhân chủ yếu uống nhiều rượu bia Rượu, bia nguyên nhân chủ yếu làm giảm suất lao động, gây tệ nạn xã hội bạo lực, gia đình tan vỡ, hư hỏng đặc biệt gây vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng đặc biệt nghiêm trọng Việt Nam quốc gia thuộc tốp đầu nước sử dụng rượu, bia tham gia giao thơng Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan nhiều nơi khiến trật tự an tồn giao thơng trở thành vấn đề báo động nguyên nhân hàng đầu gây tai nạn giao thông, điều khiển phương tiện người lái xe thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy biển báo, tín hiệu quan sát đường khơng rõ ràng nên có xử lý khơng gây tai nạn Người say "bốc đồng", khơng khả kiểm sốt tốc độ thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường dễ gây tai nạn Chính thế, có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề đo nồng độ cồn người tham gia giao thông Với thực tế trên, nhóm em xin tìm hiểu nghiên cứu đề tài “Thiết kế thi công mạch cảnh báo nồng độ cồn.” mang tính cộng đồng xã hội cao, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời cảnh báo sớm hiểm họa tai nạn giao thơng xảy ra, tạo nên thói quen ý thức tốt cho người tham gia giao thông MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU  Tạo thiết bị cảm biến cảnh báo nồng độ cồn từ môi trường dùng lập trình Arduino  Thiết bị có khả đưa cảnh báo với mức ngưỡng nồng độ cồn Trang ĐỒ ÁN ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Đối tượng nghiên cứu:  Nghiên cứu nguyên tắc hoạt động cảm biến nồng độ cồn  Nguyên tắc kết nối cảm biến Arduino  Tìm hiểu cách lập trình với Arduino, cách đọc liệu từ cảm biến, cách hiển thị liệu lên LCD oled  Phạm vi nghiên cứu:  Dùng lập trình Arduino kết hợp với cảm biến nồng độ cồn  Hiển thị giá trị nồng độ cảnh báo LCD oled  Không kết nối với thiết bị ngoại vi THÔNG SỐ GIỚI HẠN  Sử dụng nguồn pin 9V để cấp cho Arduino  Sử dụng nguồn 5V cho oled LCD cảm biến MQ3  Mạch sử dụng vi điều khiển  Không kết nối với thiết bị ngoại vi PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lý luận: thông qua việc đọc phân tích tài liệu cần thiết phục vụ cho đề tài… thu thập tài liệu liên quan hệ thống hóa sở lý luận, đưa quan điểm nghiên cứu cụ thể, rõ ràng, thuyết phục Phương pháp tiếp cận môi trường: qua khảo sát thực tiễn, nghiên cứu ứng dụng nhằm mang lại lợi ích thiết thực, có tính ứng dụng cao có khả phát triển mở rộng Trang ĐỒ ÁN PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mơ tả q trình hoạt động Máy phát nồng độ cồn có nhiệm vụ kiểm tra trực tiếp nồng độ cồn thở Bộ phận cảnh báo có nhiệm vụ phát tín hiệu cảnh báo nồng độ cồn vùng không gian thở trước mặt người sử dụng cao Chọn ngưỡng chặn cảnh báo, vào qui định luật giao thông, ta chọn ngưỡng ngăn chặn cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng độ cồn  Nếu nồng độ cồn đo 200µg/1 lít khí thở hiển thị “ Bạn tỉnh táo”  Nếu nồng độ cồn đo 200µg/1 lít khí thở 250µg/1lit hiển thị “ Bạn uống bia” led đỏ sáng  Nếu nồng độ cồn đo 250µg/1 lít khí thở 320µg/1lit hiển thị “ Bạn uống nhiều bia” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu , oled hiển thị mức phạt triệu – triệu  Nếu nồng độ cồn đo 320µg/1 lít khí thở 400µg/1lit hiển thị “Bạn uống rượu” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu, oled hiển thị mức phạt triệu-2 triệu  Nếu nồng độ cồn đo 400µg/1 lít khí thở hiển thị “Bạn say” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu, oled hiển thị mức phạt triệu-4 triệu 1.2 Nguyên tắc hoạt động cảm biến nồng độ cồn MQ3 Cảm biến MQ-3 sử dụng để đo nồng độ cồn Được làm từ vật liệu SnO2 Vật liệu có tính dẫn điện mơi trường khơng khí lại nhạy cảm với cồn Trong môi trường có nồng độ cồn cao, điện trở cảm biến giảm Từ bảng số liệu, tỷ lệ điện trở cảm biến giảm gần lần đo mơi trường khơng khí Tuy nhiên hiệu ứng phát nồng độ cồn Trang ĐỒ ÁN cảm biến phụ thuộc điều kiện nhiệt độ Khi nhiệt độ bề mặt cảm biến sấy nóng tới 600C thời gian cần thiết để phát nồng độ cồn kéo dài khoảng giây Cũng mơi trường đó, nhiệt độ bề mặt cảm biến 200C thời gian phát nồng độ cồn kéo dài từ đến phút Hình 1.1 Cảm biến MQ-3 Bảng Các thông số kĩ thuật MQ-3 Đơn vị Tên thơng số Giá trị Kí hiệu MQ-3 Chất phản ứng Cồn (ethanol) Dải đo 0,04- 0,4 mg/l Điện áp làm việc < 24 V Điện áp sấy 5± 0,2 V (AC DC) Tải đầu Điều chỉnh Ω Điện trở sấy 31± Ω Công suất sấy ≤ 900 mW Trang ĐỒ ÁN Điện trở cảm biến 2÷ 20 KΩ nồng độ cồn 0,4 mg/l Tỉ lệ điện trở cảm biến Độ nhạy ≥5 nồng độ cồn bằng 0,4mg/l Sơ đồ mạch điện cảm biến Hình 1.2 Sơ đồ mạch điện cảm biến Trong mạch điện cảm biến MQ3, có đầu dây áp đầu cảm biến, RL điện trở mạch nối nối tiếp với cảm biến, trị số cấp điện áp: VH điện áp cấp cho mạch sấy Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL điện RL điều chỉnh Các điện áp VH Vc thường cấp trị số Trong mạch đo, điện áp cấp Vol DC Các tín hiệu cảm biến gửi vi điều khiển để tính tốn xử lý Module cảm biến MQ-3 Cảm biến thích hợp cho việc phát nồng độ cồn thở Phát khí phát từ Etanol, Alcohol Đặc điểm module cảm biến MQ-3: Có bốn chân, điện áp cung cấp nguồn 5V, Dout đầu tín hiệu số (0 1), Aout đầu vào tín hiệu tương tự, đèn LED sáng phát có khí, GND cấp điện cực âm, độ nhạy cao chọn lọc tốt với ethanol, bền ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao thời gian đáp ứng nhanh Trang ĐỒ ÁN 3.1 Lưu đồ chương trình Hình 3.1 lưu đồ thuật tốn 3.2 Code chạy chương trình #include #include #include #include #define OLED_RESET const int buzzer = ; Trang 20 ĐỒ ÁN int led = ; int analogPin = 0; int val = 0; Adafruit_SSD1306 display(OLED_RESET); void setup() { Serial.begin(9600); display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); display.clearDisplay(); pinMode(buzzer,OUTPUT);// CHAN BUZZER pinMode(5, OUTPUT);//CHAN LED } void loop() { delay(100); val = readAlcohol(); printTitle(); printAlcohol(val); printAlcoholLevel(val); display.display(); Serial.print(val); Serial.println("ug/l"); delay(200); } void printTitle() Trang 21 ĐỒ ÁN { display.clearDisplay(); display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(22,0); display.println("DO NONG DO CON"); display.setCursor(76,8); display.println("ug/l"); } void printAlcohol(int value) { display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(48,8); display.println(val); } void printAlcoholLevel(int value) { display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(20,25); if(value=200 && value=250 && value=320 && value 400) { display.println("ban dang say"); digitalWrite(5,1); display.setTextSize(1); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(4,18); display.println("PHAT TRIEU-4 TRIEU"); digitalWrite(buzzer,1); Trang 24 ĐỒ ÁN tone(buzzer,3200); delay(800); digitalWrite(buzzer,0); noTone(buzzer); } } int readAlcohol() { int val = 0; int val1; int val2; int val3; display.clearDisplay(); val1 = analogRead(analogPin); delay(10); val2 = analogRead(analogPin); delay(10); val3 = analogRead(analogPin); val = (val1+val2+val3)/3; return val; } CHƯƠNG THI CÔNG MẠCH Trang 25 ĐỒ ÁN 4.1 Chuẩn bị linh kiện Dựa vào sở lý thuyết, sơ đồ khối mạch nguyên lý thiết kế trước để chuẩn bị linh kiện cho phần thi công mạch Bảng Danh sách linh kiện STT Tên linh kiện Arduino uno R3 Thông số  Nguồn nuôi mạc: 5V từ cổng USB 7-9v từ giắc tròn DCIN Cảm biến MQ3  Số chân Digital: 14 chân  Số chân PW: chân  Số chân Analog: chân  Dòng chân tối đa: 40mA  Dòng chân 3v3 tối đa: 150mA  Dung lượng nhớ Flash: 32 KB – ATmega328  Điện áp hoạt động: 5VDC-150mA  Tín hiệu Digital: &1 (0.1V & 3.3V) 150mA  Oled LCD Tín hiệu Analog: 0.1-0.3V  Độ phân giải: 128*64  Chip điều khiển: SSD1306  Điện áp: 3.3-5 v  Nhiệt độ hoạt động: -40°C đến 70°C  Loại giao diện: IIC/I2C giao diện Trang 26 ĐỒ ÁN Buzzer Led đơn màu đỏ  Nguồn: 3.5V - 5.5V  Dòng điện tiêu thụ: 80 dB  Nhiệt độ hoạt động: -20 °C đến +70 °C  Kích thước: Đường kính 12mm, cao 9,7mm  Màu Led: Màu đỏ  Kích thước Led: 10mm  Nguồn cấp: 5V 4.2 Kết nối mạch Trang 27 ĐỒ ÁN Hình 4.1 Sơ đồ kết nối Trang 28 ĐỒ ÁN CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết thực Hình 5.1 sản phẩm hoàn chỉnh Trường hợp nồng độ cồn đo 200µg/1 lít khí thở hiển thị “Bạn tỉnh táo” Hình 5.2 Trường hợp bạn tỉnh táo Trang 29 ĐỒ ÁN Trường hợp nồng độ cồn đo 200µg/1 lít khí thở 250µg/1lit hiển thị “Bạn uống bia” led đỏ sáng Hình 5.3 Trường hợp bạn uống bia Trường hợp nồng độ cồn đo 250µg/1 lít khí thở 320µg/1lit hiển thị“Bạn uống nhiều bia” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu , oled hiển thị mức phạt triệu-2 triệu Hình 5.4 Trường hợp bạn uống nhiều bia Trang 30 ĐỒ ÁN Trường hợp nồng độ cồn đo 320µg/1 lít khí thở 400µg/1lit hiển thị “Bạn uống rượu” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu, oled hiển thị mức phạt triệu-2 triệu Hình 5.5 Trường hợp bạn uống rượu Trường hợp nồng độ cồn đo 400µg/1 lít khí thở “Bạn say” led đỏ sáng đồng thời buzzer kêu, oled hiển thị mức phạt triệu-4 triệu Hình 5.6 Trường hợp bạn say Trang 31 ĐỒ ÁN 5.2 Hướng phát triển - Xây dựng thêm phần mềm gửi tin nhắn thông báo nồng độ cồn điện thoại người thân - Kết hợp đo nồng độ cồn từ điều khiển việc chạy xe máy người đo Nếu nồng độ cồn cao khơng cho xe khởi động Trang 32 ĐỒ ÁN PHẦN KẾT LUẬN Trong thời gian làm đề tài với hạn chế thời gian, tài liệu, sở vật chất hạn chế kiến thức đòi hỏi thân chúng em phải cố gắng tìm tòi nhiệt tình cơng việc nghiên cứu đề tài Đó kết thời gian dài nỗ lực nghiên cứu chúng em hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn Với đồ án này, bằng kiến thức học, chúng em tìm hiểu ứng dụng tạo sản phẩm phục vụ cho sống Từ dẫn dắt chúng em làm quen với việc ứng dụng kiến thức học vào thực tế, tạo khả tự lập nghiên cứu vấn đề Tuy nhiên trình làm việc chúng em khơng thể tránh khỏi sai sót Rất mong q thầy thơng cảm bảo Trang 33 ĐỒ ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Phú, Trương Ngọc Anh, Giáo Trình Vi Điều Khiển, khoa Điện-Điện Tử, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013 [2] Lê Mỹ Hà, Phạm Quang Huy, Lập trình IOT với Arduino, nhà xuất niên [3] Trần Thu Hà, Trương Thị Bích Ngà, Nguyễn Thị Lưỡng, Bùi Thị Tuyết Đan, Phù Thị Ngọc Hiếu, Dương Thị Cẩm Tú, Giáo Trình Điện Tử Cơ Bản, khoa Điện-Điện tử, trường ĐHSPKT, Tp.HCM, 2013 Trang 34 ... NGHIÊN CỨU  Tạo thi t bị cảm biến cảnh báo nồng độ cồn từ mơi trường dùng lập trình Arduino  Thi t bị có khả đưa cảnh báo với mức ngưỡng nồng độ cồn Trang ĐỒ ÁN ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN... phận cảnh báo gồm led đỏ buzzer để phát âm nồng độ cồn vượt mức quy định Oled hiển thị nồng độ cồn mức phạt tiền vi phạm 2.2 Thi t kế sơ đồ khối Từ yêu cầu đề tài, sơ đồ khối hệ thống thi t kế. .. xin tìm hiểu nghiên cứu đề tài Thi t kế thi cơng mạch cảnh báo nồng độ cồn. ” mang tính cộng đồng xã hội cao, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời cảnh báo sớm hiểm họa tai nạn giao thông