Thiết kế máy đo nồng độ cồn không dùng ống thổi kèm source code

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TPHCM  ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO MÔN HỌC VI XỬ LÝ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY ĐO NỒNG ĐỘ CỒN TRONG MÁU KHÔNG DÙNG ỐNG THỔI GVHD: PGS TS ĐẶNG THÀNH TÍN Lớp: VP2016 – VT - NL Nhóm: 13 Thành viên: Huỳnh Thế Hào Võ Nguyễn Gia Luật Tp.HCM Tháng 12/2019 1610875 1611944 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC HÌNH ẢNH .2 LỜI MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN MỤC TIÊU .4 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Điều chế biên độ: AM – Amplitude Modulation .7 Dãy phổ tín hiệu DSB NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 BỐ CỤC ĐỀ TÀI II CỞ SỞ LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐO NỒNG ĐỘ CỒN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN TRONG HƠI THỞ .6 CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CỒN MÀNG BÁN DẪN III TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN LINH KIỆN MẠCH ARDUINO CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CỒN MQ3 .10 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD 1602 15 MẠCH CHUYỂN ĐỔI I2C CHO LCD 17 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM DHT22 .18 MẠCH HẠ ÁP LM2596 19 CẢM BIẾN NỒNG ĐỘ CO2 CSS811 19 IV THIẾT KẾ HỆ THỐNG 20 PHẦN CỨNG 20 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 23 V KIỂM TRA KẾT QUẢ 24 VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .26 TÀI LIỆU THAM KHẢO .27 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy phòng Máy tính khoa Điện – Điện tử tạo môi trường học tập tận tình hướng dẫn và trang bị cho chúng em kiến thức quan trọng để làm tàng cho việc đào sâu tìm hiểu Đặc biệt, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đặng Thành Tín là người trực tiếp đưa đề tài, đưa định hướng nghiên cứu và giải vấn đề Các giải đáp thầy hỗ trợ cho chúng em nhiều giải thuật kiến thức tảng vi xử lý Trong quá trình học tập và làm việc với thầy, chúng em tiếp cận với nhiều kiến thức chuyên nghành quan trọng, giúp chúng em hoàn thành bài nghiên cứu này và là hành trang cho quá trình học tập và làm việc sau Mặc dù cố gắng để hoàn thành bài nghiên cứu theo yêu cầu và kịp tiến độ Tuy nhiên, thời gian, kiến thức và thiết bị có hạn, nhóm chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý từ các thầy để bài nghiên cứu hoàn thiện Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 16, tháng 12, năm 2019 Sinh viên thực hiện: Võ Nguyễn Gia Luật - 1611944 Huỳnh Thế Hào - 1610875 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1a: Cảm biến MQ3 10 Hình 1b: Sơ đồ mạch và kích thước cảm biến MQ3 10 Hình 2: Độ nhạy MQ3 các chất khí khác 11 Hình 3: Ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm đến cảm biến MQ3 11 Hình 4: Sơ dồ chân cảm biến nồng độ cồn MQ3 .12 Hình 5: Hàm tương quan Rs/Ro và nồng độ cồn .13 Hình 6a: LCD 1602 xanh dương 16 Hình 6b: 16 chân LCD 1602 16 Hình 7: Module I2C .18 Hình 8: Sơ đồ chân và các chức linh kiện điện tử DHT22 18 Hình 9: Module giảm áp LM2596 19 Hình 10: Cảm biến nồng độ CO2 CCS811 .20 Hình 11: Sơ đồ khối chức 20 Hình 12: Mơ sơ đồ kết nối linh kiện 22 Hình 13: Sản phẩm sau hoàn thiện 22 Hình 14: Sơ đồ giải thuật .23 LỜI NÓI ĐẦU Theo thống kê tổ chức y tể giới WHO bia rựơu là nguyên nhân gây tai nạn hàng đầu cho người tham gia giao thông, đặc biệt Việt Nam là quốc gia tiêu thụ lượng bia rượu đứng hàng đầu giới Việc trang bị cho các chiến sĩ cảnh sát giao thông máy đo nồng độ cồn là cần thiết Khi có máy đo nồng độ cồn này các chiến sĩ 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 Tuy nhiên, các loại máy thường sử dụng ngày yêu cầu người dùng phải thổi vào ống nên gây vệ sinh và khó chịu cho người sử dụng Còn các thiết bị đo không cần thổi thị trường là thiết bị ngoại nhập, giá thành cao Do việc nghiên cứu thiết kế “Thiết bị đo nồng độ cồn không dùng ống thổi” có độ xác chấp nhận và giá thành phù hợp là nhu cầu thực tế Bài báo cáo này trình bày nghiên cứu ứng dụng Arduino để thiết kế thiết bị đo nồng độ cồn cầm tay không dùng ống thổi Bằng việc sử dụng cảm biến bán dẫn màng SiO2 để điều chỉnh biến trở và trả giá trị điện áp tương ứng với nồng độ cồn thở Vì cảm biến nồng độ cồn phụ thuộc nhiều và nhiệt độ và độ ẩm môi trường nên cần kết hợp với cảm biến nhiệt độ, độ ẩm để hiệu chỉnh kết đo nồng độ cồn xác Đồng thời sử dụng Arduino để đọc, phân tích liệu và hiển thị giá trị nồng độ cồn lên màn hình Từ nồng độ cồn thở, ta suy nồng độ cồn máu phép tính gần pháp luật công nhận Máy đo nồng độ cồn thơng qua phân tích thở khơng cần ống thổi là phương pháp hữu hiệu đưa để tính toán nhanh chóng nồng độ cồn máu cách linh động, dễ dàng sử dụng với giá thành không quá cao Tuy nhiên, thực tế các phép hiệu chuẩn thực bài là các phép tính gần với độ xác cho phép và cảm biến bán dẫn màng SiO2 nhiều khuyết điểm độ nhạy nên kết đo đạc khơng xác tuyệt đối I TỔNG QUAN MỤC TIÊU “Thiết bị đo nồng độ cồn không dùng ống thổi” là thiết bị cầm tay đo giá trị nồng độ cồn máu độ xác cho phép, nhằm xác định sơ tình trạng say xỉn các tài xế tham gia giao thông Việc không dùng ống thổi giúp cho hình ảnh các máy đo độ cồn trở nên an toàn vệ sinh và chuyên nghiệp hơn, hỗ trợ cho các chiến sĩ cảnh sát giao thông tốt việc kiểm tra các đối tượng GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Với thời gian, trình độ chun mơn và chi phí có hạn, chúng em sử dụng các cảm biến có giá thành thấp và có bán rộng rãi thị trường Do đó, dù nhóm chúng em cố gắng để hoàn thành đề tài này giải các vấn đề sau:  Dùng cảm biến nồng độ cồn MQ3 (tích hợp module) đo nồng độ cồn thở, Do khơng dùng ống thổi, nên sau chúng em dùng cảm biến nồng độ CO2 để đo độ pha lỗng thở mũi để xác định xác nồng độ cồn thở phế nang Để đảm bảo kết xác nhất, chúng em dùng thêm cảm biến DHT22 để đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường để hiệu chỉnh cho cảm biến MQ3 Kết cuối hiển thị lên LCD là giá trị nồng độ cồn máu đối tượng  Tìm thuật toán và viết chương trình Arduino IDE  Thiết kế phần cứng thiết bị dễ sử dụng và nhỏ gọn NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để thực đề tài “Thiết kế thiết bị đo nồng độ cồn không dùng ống thổi”, chúng em tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: Nội dung 1: Tìm hiểu ngun lí đo nồng độ cồn Nội dung 2: Tìm hiêu ngun lí hoạt động các cảm biến đo nồng độ cồn Nội dung 3: Thiết kế sơ đồ khối cho thiết bị và lựa chọn linh kiện phù hợp Nội dung 4: Thực tính toán, thiết kế giải thuật và lập trình cho hệ thống Nội dung 5: Đo đạc và thi công phần cứng BỐ CỤC ĐỀ TÀI Bố cực bài báo cáo gồm có chương: Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu nghiên cứu bố cục đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày các lý thuyết, sở khoa học liên quan đến đề tài Chương 3: Tính tốn thiết kế hệ thống Chương này trình bày chi tiết mơ hình hệ thống bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động hệ thống Chương 4: Thi công hệ thống Dựa sơ đồ thiết kế, tiến hành thi công phần cứng và phần mềm cho hệ thống Chương 5: Kiểm tra đánh giá kết đạt Chương này trình bày kết đạt đồng thời đưa nhận xét và đánh giá với lý thuyết trình bày Chương Chương 6: Kết luận hướng phát triển đề tài Chương này tóm lược lại điều làm và hạn chế chưa khắc phục Đồng thời đưa giải pháp và hướng phát triển đề tài tương lai II CƠ SỞ LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐO NỒNG ĐỘ CỒN Khi người uống rượu, khoảng 20% ethanol hấp thu dày và 80% hấp thu ruột non Ethanol hấp thu từ ruột theo tĩnh mạch cửa đến gan Khoảng 90% lượng Ethanol tiêu thụ phân giải gan enzym ADH bào tương tế bào gan tạo thành acetaldehyde, phần lại hệ thống tĩnh mạch vận chuyển trở lại tim và phổi Một phần Ethanol lọc phổi và chuyển ngoài dạng thở, phần tiếp tục theo dòng tuần hoàn máu vào động mạch và chuyển khắp thể thông qua mạng lưới mao mạch, cuối thải ngoài dạng nước tiểu Vì vậy, đo xác nồng độ cồn máu cách lấy mẫu máu nước tiểu để phân tích các máy phân tích sinh hóa đại Ethanol là chất dễ bay hơi, đó, máu chứa ethanol vào phế nang phổi, ethanol máu chuyển sang dạng và thải ngoài với CO2 qua đường hô hấp Mặc dù nồng độ cồn thở phụ thuộc vào nồng độ cồn máu là mối tương quan chặt chẽ, tỷ lệ này phụ thuộc vào thời gian, và phụ thuộc vào các thông số sinh lý khác người, chiều cao, cân nặng, giới tính và tuổi tác… Do đó, theo ngun tắc khơng thể chuyển đổi xác tuyệt đối nồng độ cồn thở đo thành nồng độ cồn máu Tuy nhiên, khoảng thời gian từ đến sau uống rượu, tỷ lệ nồng độ cồn máu và nồng độ cồn thở tính xấp xỉ khoảng 2100:1 và pháp luật công nhận Nồng độ cồn thở là nồng độ khí và có đơn vị chuẩn là miligam ethanol lít khí thở (mg / L) Ngược lại, nồng độ cồn máu là nồng độ chất lỏng và có đơn vị chuẩn là %BAC đại diện cho khối lượng ethanol tính gam 100 mL máu CÁC NGHIÊN CỨU VỀ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN TRONG HƠI THỞ Để giải vấn đề đo nồng độ cồn thơng qua phân tích thở, có nhiều nghiên cứu thực nhờ sử dụng các cảm biến pin nhiên liệu, cảm biến bán dẫn quang phổ hồng ngoại Công nghệ sử dụng rộng rãi là dùng cảm biến pin nhiên liệu Các cảm biến này hoạt động cách sử dụng ethanol thở thở người để sinh dòng điện Đo giá trị dòng điện tìm giá trị nồng độ cồn thở tương ứng Cảm biến loại này có độ xác khá cao, độ nhạy dễ bị thay đổi theo thời gian sử dụng Một loại cảm biến khác thường sử dụng là cảm biến màng bán dẫn Trong cảm biến màng bán dẫn, ethanol hấp phụ lên bề mặt cảm biến Do độ dẫn cảm biến thay đổi tỷ lệ với nồng độ khí Sự thay đổi độ dẫn này chuyển đổi thành điện áp đầu giúp xác định giá trị nồng độ cồn tương ứng Loại cảm biến này có thị trường rộng, giá thành rẻ, độ nhạy cao và độ phục hồi tương đối nhanh, dù nhiều hạn chế độ xác Một phương pháp với độ xác cao sử dụng là dùng cảm biến khí ethanol nhờ hồng ngoại Dựa vào hấp thụ ánh sáng hồng ngoại phân tử khí ehthanol để xác định nồng độ ethanol tương ứng Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi có giá thành cao, và khó tìm thị trường mà thường sử dụng các phòng thí nghiệm các dự án lớn đòi hỏi độ xác cao Đối với cơng nghệ khơng dùng ống thổi, khí thở có nồng độ bị pha lỗng ảnh hưởng đến kết đo đạc Vào năm 2010, tiến sĩ Annika Kaisdotter Andersson dựa vào nồng độ CO2 thở để phát triển các kỹ thuật phân tích thở theo dõi nồng độ cồn Lượng carbon dioxide đo thở có liên quan đến nồng độ carbon dioxide phế nang dùng để đo độ pha loãng mẫu thở Dựa vào độ pha lỗng này, ta tính giá trị nồng độ cồn khí phế nang từ nồng độ cồn thở Ngoài ra, các nghiên cứu mối quan hệ nồng độ cồn máu và tuyến mồ hôi tiết Nồng độ cồn máu đo đạc thơng qua lấy mẫu mơ nhanh chóng nhờ vào sensor tatoo dán vào da đối tượng cần kiểm tra Phân tích tình hình phổ biến các loại cảm biến nồng độ cồn tại, với chi phí có giới hạn, nên bài báo cáo này chúng em lựa chọn phương pháp xác định giá trị nồng độ cồn máu nhờ vào phân tích thở, sử dụng cảm biến màng bán dẫn SnO2 kết hợp với cảm biến đo giá trị nồng độ CO2 thở để hiệu chỉnh kết mà không cần dùng ống thổi Ngoài ra, cảm biến bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường, nên cần dùng thêm cảm biến nhiệt độ và độ ẩm để lấy giá trị nhiệt độ và độ ẩm môi trường đưa vào hiệu chỉnh kết đo đạc Trong đó, Rs là giá trị biến trở nồng độ cồn thay đổi R0 là giá trị biến trở khơng khí có 0,4 mg / l rượu Dựa vào đặc tuyến Rs/R0 và nồng độ cồn khơng khí hình và cơng cụ Power Regression Analysis Excel, ta tìm hệ số a và b là: a = 0.5125 and b = - 0.675 Hình Hàm tương quan Rs/Ro nồng độ cồn Từ biểu thức (1) ta tìm tường minh mối quan hệ tỉ lệ (Rs/ Ro) cảm biến MQ3 và nồng độ cồn khơng khí (mg/l) sau: Từ ta cần phải giải hai vấn đề để tìm nồng độ cồn khơng khí Đầu tiên ta phải xác định giát trị R0 môi trường thử nghiệm có nồng độ ethanol vào khoảng 0,4 mg / l xem mơi trường Sau đó, ta phải xác định giá trị điện trở Rs mơi trường có nồng độ cồn tương ứng Dựa vào sơ đồ mạch điện cảm biến MQ3 hình 1b) ta tìm giá trị Rs tương ứng với điện áp tải RL sau: 13 Với điện áp cung cấp cho module MQ3 là: , giá trị mudule là: Khi đọc điện áp biến trở cảm biến tùy thuộc theo nồng độ ethanol, ta tính giá trị tương ứng với nồng độ ethanol Để tìm , nói trên, ta phải tạo mơi trường thử nghiệm có nồng độ ethanol vào khoảng 0,4 mg / l và đọc giá trị điện áp biến trở MQ3 Thơng qua thử nghiệm, ta tìm giá trị mơi trường có nồng độ ethanol vào khoảng 0,4 mg/l là 0.491 V Từ công thức (6) ta tìm Vì nhiệt độ và độ ẩm mơi trường có ảnh hưởng lớn đến độ xác cảm biến MQ3 Dựa vào đặc tuyến hình 3, xử dụng phân tích hồi quy phi tuyến phần mềm SPSS, ta tìm biểu thức biểu diễn mối quan hệ tỉ lệ Rs/ Ro và nhiệt độ độ ẩm môi trường sau: Với t và h là giá trị nhiệt độ và độ ẩm môi trường thu từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm Thay giá trị sau hiệu chỉnh, và từ biểu thức (3) ta tìm giá trị nồng độ ethanol tương ứng: Sau tìm giá trị nồng độ cồn thở, thực tính toán giá trị nồng độ CO2 thở và dựa vào mối quan hệ pha lỗng để tìm giá trị nồng độ cồn khí phế nang BrAC theo cơng thức: Với là giá trị nồng dộ phế nang, giá trị này kiểm nghiệm qua các nghiên cứu tính giá trị trung bình vào khoảng 40 mmHg hay 52631 ppm là giá trị nồng dộ ngoài thở, AC là giá trị nồng độ cồn thở, là giá trị nồng độ cồn phế nang Tỉ lệ hiệu chỉnh này có độ xác tùy thuộc vào độ loãng thở Khi đo khoảng cách gần, tỉ hệ hiệu chỉnh có độ xác khá cao Từ ước tính nồng độ cồn máu theo tỉ lệ: 14 MÀN HÌNH HIỂN THỊ LCD 1602 Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD 1602 (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều các ứng dụng vi điều khiển LCD 1602 có nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác như: khả 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 tài nguyên hệ thống, giá thành rẻ,… Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên lớp vỏ và đưa các chân giao tiếp cần thiết Chức chân LCD 1602: - Chân số - VSS : chân nối đất cho LCD nối với GND mạch điều khiển - Chân số - VDD : chân cấp nguồn cho LCD, nối với VCC=5V mạch điều khiển - Chân số - VE : điều chỉnh độ tương phản LCD - Chân số - RS : chân chọn ghi, nối với logic "0" logic "1": + Logic “0”: Bus DB0 - DB7 nối với ghi lệnh IR LCD (ở chế độ write) nối với đếm địa LCD (ở chế độ read) + Logic “1”: Bus DB0 - DB7 nối với ghi liệu DR bên LCD - Chân số - R/W : chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), nối với logic “0” để ghi nối với logic “1” đọc - Chân số - E : chân cho phép (Enable) Sau các tín hiệu đặt lên bus DB0DB7, các lệnh chấp nhận có xung cho phép chân này sau: + Ở chế độ ghi: Dữ liệu bus LCD chuyển vào ghi bên phát xung (high-to-low transition) tín hiệu chân E + Ở chế độ đọc: Dữ liệu LCD xuất DB0-DB7 phát cạnh lên (low-to-high transition) chân E và LCD giữ bus đến nào chân E xuống mức thấp 15 a) b) Hình a) LCD 1602 Xanh dương 5v, b) 16 chân LCD 1602 - Chân số đến 14 - D0 đến D7: đường bus liệu dùng để trao đổi thơng tin với MPU Có chế độ sử dụng đường bus này là: Chế độ bit (dữ liệu truyền đường, với bit MSB là bit DB7) và Chế độ bit (dữ liệu truyền đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7) - Chân số 15 - A : nguồn dương cho đèn - Chân số 16 - K : nguồn âm cho đèn Thông số kĩ thuật sản phẩm LCD 1602: - Điện áp MAX : 7V - Điện áp MIN : - 0,3V - Hoạt động ổn định : 2.7-5.5V - Điện áp mức cao : > 2.4 - Điện áp mức thấp :