THIẾT KẾ MẠCH ĐO NỒNG ĐỘ CỒN HƠI THỞ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

Đồ án này trình bày về thiết kế mạch đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM. Mạch sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 là bộ xử lý chính. Sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn MQ-3 để đo nồng độ cồn trong khí thở. Cảm biến trả về tín hiệu analog nên sử dụng cổng ADC 12bit của vi điều khiển. Vì chân ADC của vi điều khiển chỉ chịu được điện áp tối đa 3.3V nên sử dụng hai điện trở làm bộ chia đôi áp. Độ chính xác của cảm biến MQ-3 chưa được tốt, tuy nhiên về mặt định tính thì kết quả cũng tương đối tin cạy. Tốc độ còn thấp chỉ 1- 2 lần/phút. Chưa thể hiệu chỉnh lại kết quả phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm. Sử dụng buzzer làm để thông báo. Sử dụng chống rung nút nhấn bằng cách xóa cờ chờ interrupt tránh trường hợp bấm một lần mà đo nhiều lần do cơ chế xử lý chờ ngắt của vi điều khiển. Cuối cùng để hiển thị kết quả đo nồng độ cồn và mức vi phạm từ 0-3 sử dụng màn hình LCD 1602 theo chuẩn I2C.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o ĐỒ ÁN TIẾN HÀNH THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ MẠCH ĐO NỒNG ĐỘ CỒN HƠI THỞ SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM GVHD: TS Trương Quang Vinh TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2021 Lời cảm ơn GVHD: TS Trương Quang Vinh LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trương Quang Vinh – GVHD em môn học “Đồ án tiến hành thực nghiệm” trang bị cho em kiến thức, kỹ cần có để hồn thành đề tài “Đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM” Tuy trình thực đề tài, kiến thức chuyên ngành hạn chế nên em cịn nhiều thiếu sót tìm hiểu, đánh giá trình bày đề tài Rất mong nhận quan tâm, góp ý thầy/ cô giảng viên môn để đề tải em đầy đủ hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng năm 2021 Sinh viên i Đồ án tiến hành thực nghiệm GVHD: TS Trương Quang Vinh TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày thiết kế mạch đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM Mạch sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 xử lý Sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn MQ-3 để đo nồng độ cồn khí thở Cảm biến trả tín hiệu analog nên sử dụng cổng ADC 12bit vi điều khiển Vì chân ADC vi điều khiển chịu điện áp tối đa 3.3V nên sử dụng hai điện trở làm chia đơi áp Độ xác cảm biến MQ-3 chưa tốt, nhiên mặt định tính kết tương đối tin cạy Tốc độ thấp 1- lần/phút Chưa thể hiệu chỉnh lại kết phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm Sử dụng buzzer làm để thông báo Sử dụng chống rung nút nhấn cách xóa cờ chờ interrupt tránh trường hợp bấm lần mà đo nhiều lần chế xử lý chờ ngắt vi điều khiển Cuối để hiển thị kết đo nồng độ cồn mức vi phạm từ 0-3 sử dụng hình LCD 1602 theo chuẩn I2C ii MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Nhiệm vụ đề tài LÝ THUYẾT 2.1 Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 2.2 Cảm biến nhiệt độ LM35 2.3 Bộ hiển thị LCD 16x2 a Thông số kỹ thuật .4 b Nguyên lý hoạt động 2.4 Vi điều khiển KIT STM32F103C8T6 a Thông số kỹ thuật .8 b Nguyên lý THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 22 3.1 Yêu cầu thiết kế 22 3.2 Phân tích thiết kế 23 3.3 Sơ đồ khối chi tiết 23 3.4 Sơ đồ mạch chi tiết 24 3.5 Sơ đồ giải thuật 25 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 27 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 28 5.1 Kết luận 28 5.2 Hướng phát triển 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Figure Thơng số kỹ thuật cảm biến MQ3 .2 Figure Sơ đồ nguyên lý module cảm biến MQ3 Figure Đặc tuyến độ nhạy MQ3[1] Figure Đặc tuyến VRL - C RL=4.7k  Figure Sự ảnh hưởng nhiệt độ độ ẩm với MQ3 Figure LM35 [2] Figure Đặc tuyến nhiệt độ - điện áp [2] Figure LCD 1602 .5 Figure Sơ đồ khối HD44780 [3] Figure 10 Chức chân RS R/W theo mục đích sử dụng .7 Figure 11 Address Counter Update [3] Figure 12 KIT STM32F103C8T6 Blue-Pil[4] Figure 13 Sơ đồ khối STM32F103xx[5] Figure 14 Clock Tree .10 Figure 15 Clock control Register (RCC_CR) 10 Figure 16 Clock configuration register (RCC_CFGR) 11 Figure 17 Clock interrupt register (RCC_CIR) 11 Figure 18 Basic structure of a standard I/O port bit .11 Figure 19 Port bit configuration table 12 Figure 20.Ouput MODE bits 12 Figure 21 NVIC of Cortex-M processor [6] 13 Figure 22 Interrupt mask register (EXTI_IMR) .14 Figure 23 Rising trigger selection register (EXTI_RTSR) 14 Figure 24 Falling trigger selection register (EXTI_FTSR) 14 Figure 25 Software interrupt event register (EXTI_SWIER) 14 Figure 26 Mức độ ngắt ưu tiên NVIC [7] 15 Figure 27 Timing Diagram 15 Figure 28 ADC Status register (ADC_SR) 16 Figure 29 ADC Control Register (ADC_CR1) 16 Figure 30 ADC Control Register (ADC_CR2) 16 Figure 31 ADC sample time register (ADC_SMPR2) 17 Figure 32 DMA block diagram in connectivity line devices 18 Figure 33 Summary of DMA1 requests for each channel .18 Figure 34 DMA interrupt status register (DMA_ISR) .19 Figure 35 DMA channel x configuration register (DMA_CCRx) 19 Figure 36 DMA channel x number of data register (DMA_CNDTRx) 19 Figure 37 DMA channel x peripheral address register (DMA_CPARx) 19 Figure 38 DMA channel x memory address register (DMA_CMARx) 19 Figure 39 TIMx control register (TMx_CR1) .20 Figure 40 TIMx status register (TIMx_SR) 20 Figure 41 TIMx counter (TIMx_CNT) .20 Figure 42 TIMx prescaler (TIMx_PSC) 20 Figure 43 TIMx auto-reload register (TIMx_ARR) 21 Figure 44 I2C bus protocol .21 Figure 45 I2C control register (I2C_CR1) 21 Figure 46 I2C control register (I2C_CR2) .22 Figure 47 I2C own address register (I2C_OAR1) 22 Figure 48 I2C data register (I2C_DR) 22 Figure 49 I2C status register (I2C_SR1) .22 Figure 50 I2C Clock control register (I2C_CCR) 22 Figure 51 Sơ đồ khối chi tiết 23 Figure 52 Sơ đồ mạch chi tiết 24 Figure 53 Lưu đồ giải thuật cho vi điều khiển .25 Figure 54 Lưu đồ xử lý ADC 26 Figure 55 Hình vẽ giá trị sensor, Max, Min 27 Figure 56 Kết thi công .27 Đồ án tiến hành thực nghiệm GVHD: TS Trương Quang Vinh GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Hiện nay, tỉ lệ sử dụng rượu bia tham gia giao thông cịn tồn việc gây nguy hiểm cho người tham gia giao thông khác phạt lỗi vi phạm nặng Vậy nên nhu cầu kiểm nồng độ cồn trước lái xe người điều khiển phương tiện giao thông tăng cao Từ dẫn đến mong muốn thiết kế mạch đo nồng độ cồn khí thở 1.2 Nhiệm vụ đề tài Nhiệm vụ đề tài đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM Để thực nhiệm vụ em đặt nhiệm vụ nhỏ sau: Nội dung 1: Tìm hiểu đề tài Nội dung 2: Tìm hiểu cảm biến đo nồng độ cồn, nhiệt độ Nội dung 3: Tìm hiểu hiển thị kết Nội dung 4: Tìm hiểu dịng vi điều khiển ARM Nội dung 5: Tìm hiểu giao tiếp vi điểu khiển với thiết bị ngoại vi Nội dung 6: Thiết kế thực phần cứng Nội dung 7: Hiệu chỉnh, chuẩn độ kết dựa đánh giá kết Nội dung 8: Viết báo cáo tổng hợp LÝ THUYẾT 2.1 Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 - Cảm biến MQ3 hoạt động dựa nguyên tắc điện trở thay đổi C2H5OH bay tác động lên lớp SnO2 phủ cảm biến Ứng dụng đo nồng độ cồn khơng khí, thở, có thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy cao, hoạt động ổn định thời gian dài Figure Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3 Figure Sơ đồ nguyên lý module cảm biến MQ3 - Nhiệm vụ yêu cầu cần đo giá trị nồng độ cồn nên cần xác định giá trị Rs/R0 từ suy giá trị nồng độ cồn dựa vào Figure - Vì giá trị R0 khơng đổi nên cần tính giá trị R0 cịn Rs tính thơng qua giá trị analog đo Figure Đặc tuyến độ nhạy MQ3[1] - Cũng dựa vào đồ thị, khơng khí Rs/R0=1 Vậy nên cần tính Rs khơng khí ta tính R0 với công thức: �0 = �� - Rs tính theo cơng thức chia áp: �� = - (1) ��� − �2 �2 �0 (2) Để xác định giá trị nồng độ cồn cần phải tuyến tính hóa đường đặc tuyến Rs/Ro – C Đế xác hơn, tuyến tính hóa hai điểm đồ thị - Một cách khác, nhà sản xuất tiến hành thực nghiệm với RL=R2=4.7k  Đo VRL từ đồ thị tìm giá trị nồng độ cồn Figure Đặc tuyến VRL - C RL=4.7k  - Tuyến tính hóa Figure thành ba đoạn thẳng: + Nếu 2.3  VRL  3.5 y 475 x 1585   12 : y  475x 1517 + Nếu 3.5  VRL  3.9 y  550x 1810 : Với y=C (ppm), x=VRL (V) + Nếu VRL  3.9 : mg / l  C(%)  46.1  273  1013  C( ppm) 192 105 (3) ... án trình bày thiết kế mạch đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM Mạch sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 xử lý Sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn MQ-3 để đo nồng độ cồn khí thở Cảm biến... vụ đề tài đo nồng độ cồn khí thở sử dụng vi điều khiển ARM Để thực nhiệm vụ em đặt nhiệm vụ nhỏ sau: Nội dung 1: Tìm hiểu đề tài Nội dung 2: Tìm hiểu cảm biến đo nồng độ cồn, nhiệt độ Nội dung... khác phạt lỗi vi phạm nặng Vậy nên nhu cầu kiểm nồng độ cồn trước lái xe người điều khiển phương tiện giao thông tăng cao Từ dẫn đến mong muốn thiết kế mạch đo nồng độ cồn khí thở 1.2 Nhiệm vụ