Khối phát hiện và cảnh báo

Chương 3 : Phương pháp giải quyết đề tài

3.1 Khối phát hiện và cảnh báo

3.1.1 Chọn cảm biến nồng độ cồn.

Có nhiều loại cảm biến đo nồng độ cồn đang được các trung tâm nghiên cứu và hãng xe sử dụng, tuy nhiên theo nguyên lý hoạt động có thể chia ra hai loại chính là cảm biến kiểu phân tích quang phổ và cảm biến kiểu điện hóa.

Cảm biến kiểu quang phổ hoạt động theo nguyên lý phân tích sự thay đổi quang phổ ánh sáng có bước sóng vùng gần hồng ngoại (Near Infrared -NIR) khi chiếu vào vùng khơng gian có nồng độ cồn. Cảm biến này có kích thước đủ nhỏ dễ dàng bố trí ở vị trí tùy ý thích hợp trong vùng khơng gian người lái hoặc ở dạng các thiết bị cầm tay (bút thử). Các ưu điểm cơ bản của loại cảm biến này là có thể đo từ xa.

Có nhiều loại cảm biến đo nồng độ cồn đang được các trung tâm nghiên cứu và hãng xe sử dụng. Một số hãng xe lắp cảm biến này trên vành tay lái hoặc ở ghế tựa đầu của người lái. Các thí nghiệm của Cục an tồn giao thơng quốc gia - NHTSA (Mỹ) cho thấy cảm biến loại này có thể phát hiện nồng độ cồn bên trong xe cả khi cửa kính xe hạ xuống tới một nửa hoặc điều hịa đang hoạt động.

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến kiểu quang phổ.

Cảm biến xác định nồng độ cồn kiểu điện hóa có nhiều kết cấu khác nhau. Các cảm biến để đo nồng độ cồn loại này còn gọi là các cảm biến phân tích khí thở (breathalyzer). Có nhiều kết cấu khác nhau song chủ yếu là loại cảm biến kiểu bán dẫn và cảm biến kiểu điện hóa.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến kiểu bán dẫn là sử dụng một chất bán dẫn có độ dẫn điện thay đổi theo nồng độ cồn trong mẫu hơi thở. Cảm biến này được sử dụng khá rộng rãi vì tính chính xác, giá thành rẻ và độ bền của nó. Tuy nhiên cảm biến kiểu

bán dẫn cũng có một số nhược điểm như sự trơi điểm làm việc theo thời gian, do đó yêu cầu phải thường xuyên bảo dưỡng và hiệu chỉnh mỗi lần đo. Ngoài ra, một số cảm biến kiểu bán dẫn khơng chỉ nhạy cảm với cồn mà cịn nhạy cảm với một số khí và chất bay hơi khác có trên ơ tơ như khí xả hoặc khói thuốc lá và do đó đơi khi gây cảnh báo sai.

Loại cảm biến sử dụng trên các xe của hãng Volvo, Nissan là các cảm biến hoạt động theo nguyên lý làm thay đổi mầu của chất phản ứng (các tinh thể perovskite) trong mơi trường khơng khí có chứa hơi ethanol (cồn). Breathalyzer là thiết bị phát hiện nồng độ cồn đang được sử dụng rộng rãi. Nhiều hãng xe (xe Volvo Alcoguard 2008- Thụy Điển) đã tích hợp thiết bị này với mạch khởi động động cơ tạo thành hệ thống khóa liên động khơng cho phép khởi động động cơ khi người lái được phát hiện trong hơi thở có nồng độ cồn cao quá mức cho phép. Các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu thiết bị phát hiện nồng độ cồn trên cơ sở phản ứng hóa học của tinh thể gốm canxi titanat (CaTiO3) ở dạng kích thước nano với hơi ethanol.

Các cảm biến sử dụng các chất bán dẫn có điện trở thay đổi theo nồng độ cồn trong mơi trường khơng khí (thường gọi là cảm biến Taguchi) cũng thuộc loại cảm biến điện hóa. Các chất bán dẫn thường được sử dụng trong cảm biến này là oxit thiếc (SnO2) có độ nhạy cảm với cồn cao (trong khi hợp chất này lại có độ nhạy cảm thấp đối với khí ga, khói thuốc lá, các hợp chất benzin khác) và điểm làm việc ổn định.

Một loại cảm biến xác định nồng độ cồn kiểu điện hóa khác hoạt động theo nguyên lý pin nhiên liệu (fuel cell): biến đổi năng lượng của phản ứng cháy giữa cồn và oxy (trong mơi trường có xúc tác) thành dịng điện. Cường độ dòng điện của pin tạo ra tỉ lệ thuận với nồng độ cồn trong mẫu hơi thở. Loại cảm biến này có độ chính xác và độ nhạy cao, khả năng làm việc ổn định.

Nguyên lý làm việc của cảm biến như sau: khi người sử dụng thổi vào cảm biến, cồn chứa trong hơi thở sẽ bị oxi-hóa thành axit acetic.

- Ở cực a nốt xảy ra phản ứng:

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

- Phản ứng tổng hợp là q trình oxi – hóa cồn thành axit acetic và nước: CH3CH2OH + O2 → CH3COOH + H2O

Dòng điện sinh ra do phản ứng hóa học này sẽ tỉ lệ với lượng cồn chứa trong hơi thở của người sử dụng. Cảm biến kiểu pin nhiên liệu có giá thành đắt hơn cảm biến kiểu bán dẫn, nhưng nó lại có những ưu điểm hơn hẳn cảm biến kiểu bán dẫn cả về độ nhạy, thời gian phát hiện cũng như độ bền.

Hình 3.2: Cảm biến đo nồng độ cồn kiểu bán dẫn (bên trái), Thiết bị đo nồng

độ cồn kiểu Fuel cell (bên phải).

Cảm biến kiểu pin nhiên liệu chỉ phản ứng với cồn trong khơng khí do đó đảm bảo tính chính xác trong nhận biết, tránh các trường hợp nhận biết nhầm do có lẫn các thành phần khí khác. Cảm biến kiểu pin nhiên liệu có độ ổn định dài hơn, do đó khơng u cầu phải hiệu chỉnh thường xuyên, điều này cho phép sử dụng thiết bị lâu hơn mà không phải hiệu chỉnh.

Sau khi phân tích, xem xét khả năng công nghệ và điều kiện cung cấp trong nước (mua cảm biến), đề tài đã sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn kiểu bán dẫn

Hình 3.3: Hình dạng kết cấu và các kích thước hình học của cảm biến.

Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu SnO2. Vật liệu này có tính dẫn điện kém trong mơi trường khơng khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn. Trong mơi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm. Từ bảng số liệu trên, tỷ lệ điện trở của cảm biến giảm gần 5 lần khi đo trong môi trường khơng khí sạch và mơi trường có nồng độ cịn 0,4 mg/l. Tuy nhiên hiệu ứng phát hiện nồng độ cồn của cảm biến này còn phụ thuộc điều kiện nhiệt độ. Khi nhiệt độ bề mặt cảm biến được sấy nóng tới 600C, thời gian cần thiết để phát hiện nồng độ cồn kéo dài khoảng 8 giây. Cũng trong mơi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 200C thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 đến 5 phút. Cảm biến MQ3 không nhạy cảm với khói thuốc lá, xăng, dầu vì vậy nó có khả năng phát hiện chính xác nồng độ cồn trong mơi trường khơng khí quanh vùng ghế ngồi người lái.

Hình 3.4: Sơ đồ mạch điện của cảm biến.

Trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm biến, RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện áp: VH là

điện áp cấp cho mạch sấy và Vc điện áp cấp cho cảm biến, VRL là điện của RL có thể điều chỉnh được. Các điện áp VH và Vc thường được cấp cùng trị số. Trong mạch đo, các điện áp này được cấp 5 vol DC. Các tín hiệu ra của cảm biến được gửi về bộ vi điều khiển để tính tốn xử lý.

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối chân cảm biến nồng độ cồn MQ3.

Gồm 4 chân:

- VCC : 2,5V - 5V. - DOUT : Digital output. - AOUT: Analog output. - GND : nối đất.

3.1.2 Cảm biến nhận dạng vân tay điện dung R503.

Cảm biến vân tay trong đề tài đóng vai là 1 trong 2 bước cần xác minh đúng để khởi động phương tiện (Khơng có nồng độ cồn và đúng mẫu vân tay đăng kí), phải thỏa mãn đủ và đúng 2 điều kiện thì relay máy khởi động mới đóng và cấp nguồn hoạt động cho củ đề. Ngoài ra cảm biến vân tay cũng đóng vai trị như là 1 biện pháp an ninh an toàn đảm bảo chỉ đúng chủ phương tiện giao thơng đã đăng kí dấu vân tay mới khởi động được phương tiện.

Hình 3.6: Cảm biến nhận dạng vân tay điện dung R503.

3.1.3 Mạch giải mã và điều khiển cảm biến vân tay K215 V1.2.

Hình 3.7: Mạch giải mã và điều khiển cảm biến vân tay K215 V1.2.

Hướng dẫn bảng điều khiển:

- Khi gạt cơng tắc sang vị trí 2, khi có vân tay đúng mạch sẽ đóng relay từ 1 đến 20 giây sau đó mở lại, tùy chỉnh thời gian bằng biến trở (thích hợp cho dùng khóa từ)

- Khi gạt cơng tắc vị trí 1, relay sẽ đóng khi có vân tay đúng và giữ nguyên trạng thái relay, nhấn vân tay lại lần nữa để mở relay.

Các chức năng:

- Chức năng 1: Chỉ nhận vân tay đã đăng ký. Cách thực hiện: nhấn 1 lần nút Set, đèn nhấp nháy liên tục, đưa vân tay vào còi kêu 3 lần là đã đăng ký thành công, tiếp tục đăng ký các vân tay cịn lại, nếu khơng module sẽ tự thoát sau 10 giây.

- Chức năng 2: Trở về mặc định của nhà sản xuất (Nhận tất cả vân tay) .Cách thực hiện: Nhấn giữ nút Set khoảng 3 giây, bỏ qua tiếng kêu đầu tiên, sau đó thả tay ra.

- Xóa vân tay cũ: Cách thực hiện: ta bật chức năng 2, sau đó thực hiện chức năng 1 các vân tay cũ sẽ bị xóa, chỉ giữ lại 1 vân tay mới đăng ký.

Hình 3.8: Sơ đồ mạch giải mã và điều khiển cảm biến vân tay K215 V1.2.

Hình 3.9: Sơ đồ kết nối mạch giải mã và điều khiển cảm biến vân tay K215 V1.2.

3.1.4 Màn hình LCD Text 2004 và mạch giao tiếp I2C.

LCD 2004 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dịng với mỗi dịng 20 ký tự, màn hình có độ bền cao. Ứng dụng vào trong mơ hình hiển thị thơng số mức nồng độ cồn và dòng điện. Trong đề tài màn hình LCD có tác dụng hiển thị lượng

nồng độ cồn trong hơi thở nếu có và mốc thời gian 10 giây cần để kiểm tra nồng độ cồn lúc mới khởi động hệ thống để khởi động máy khởi động. Với màn hình LCD đề tài sẽ giải quyết được vấn đề người điều khiển phương tiện có thể biết được chích xác lượng nồng độ cồn trong hơi thở nếu có từ đó sẽ cân nhắc hơn về quyết định có nên tiếp tục điều khiển phương tiện giao thông trên đường đồng thời LCD cũng sẽ giúp các cơ quan chức năng kiểm soát và xử phạt hiệu quả hơn với các đối tượng có nồng độ cồn điều khiển phương tiện giao thơng.

Hình 3.10: Màn hình LCD Text 2004.

Hình 3.11: Sơ đồ chân của màn hình LCD Text 2004.

Chân 1 - VSS Chân nối đất cho LCD được nối với GND của mạch điều khiển.

Chân 2 - VDD Chân cấp nguồn cho LCD, được nối với VCC=5V của mạch điều khiển.

Chân 3 - VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

Chân 5 - R/W Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write), được nối với logic “0” để ghi hoặc nối với logic “1” đọc

Chân 6 – E Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên Bus

DB0 - DB7 - Logic “0”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ ghi/Write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ đọc/Read).

- Logic “1”: Bus DB0 - DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh DR bên trong LCD.

Chân 15 - A Cực dương LED nền

Chân 16 - K Cực âm LED nền

Bảng 3.1: Các chân của màn hình LCD Text 2004.

LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và chiếm dụng nhiều chân trên vi điều khiển. Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16×2 (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì mạch IC2 chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.

Hình 3.13: Sơ đồ đấu nối mạch giao tiếp I2C với LCD Text 2004.

3.1.5 AD16 - 22SM Đèn Còi Báo Màu Vàng 28mm 12V.

Đèn còi báo AD16 – 22SM sử dụng trong đề tài có tác dụng khi phát hiện nồng độ cồn thông qua cảm biến nồng độ cồn MQ3 thì đèn cịi báo sẽ hoạt động liên tục cho tới khi xác minh được là khơng cịn nồng độ cồn trong hơi thở.

Hình 3.14: Đèn cịi báo AD16-22SM.

Hình 3.16: Sơ đồ mạch điện đèn còi báo AD16-22SM. 3.2 Khối kiểm sốt q trình khởi động. 3.2 Khối kiểm sốt q trình khởi động.

3.2.1 Máy khởi động.

Máy khởi động thực chất là một motor DC kích từ nối tiếp (motor điện một chiều) tạo ra momen quay để truyền cho trục khuỷu, giúp trục khuỷu quay được với số vòng quay nhất định để động cơ khỏi động được và sau khi động cơ đã tự làm việc thì máy khởi động phải được tách ra một cách tự động. Tốc độ quay tối thiểu để khởi động động cơ khác nhau tuỳ theo cấu trúc động cơ và tình trạng hoạt động, thường từ 40 - 60 vòng/phút đối với động cơ xăng và từ 80 - 100 vịng/phút đối với động cơ Diezen.

Hình 3.17: Sơ đồ mạch điện hệ thống khởi động trên ô tô.

Yêu cầu đối với hệ thống khởi động:

- Máy khởi động phải quay được trục khuỷu động cơ với tốc độ thấp nhất mà động cơ có thể nổ được.

- Moment truyền động phải đủ để khởi động động cơ. - Phải bảo đảm khởi động lại được nhiều lần.

- Nhiệt độ làm việc không được quá giới hạn cho phép.

- Chiều dài, điện tở của dây dẫn nối từ ắc quy đến máy khởi động phải nằm trong giới hạn quy định, thông thường nhỏ hơn 1 mét.

- Tỉ số truyền từ bánh răng của máy khởi động và bánh răng của bánh đà nằm trong giới hạn từ 9 đến 18.

Công tắc khởi động:

- Khi công tắc khởi động được cấp điện, cuộn dây sẽ trở thành nam châm điện và thu hút thanh sắt xuống. Chuyển động của thanh sắt đóng hai tiếp điểm, cấp điện từ ắc quy đến máy khởi động. Thanh sắt có lị xo hồi vị nên khi ngừng cấp điện cho công tắc khởi động, các tiếp điểm mở ra và máy khởi động ngừng làm việc.

- Ngoài ra, nếu động cơ đã hoạt động và motor khởi động vẫn hoạt động, động cơ sẽ dẫn động ngược lại motor với tốc độ cao hơn nhiều lần dẫn đến hư hỏng. Vì vậy, motor khởi động được trang bị khớp một chiều nhằm tránh trường hợp này.

Hình 3.18: Công tắc khởi động.

Máy khởi động được cấu thành bởi: - Công tắc từ.

- Vỏ máy khởi động.

- Chổi than và giá đỡ chổi than. - Bộ truyền bánh răng giảm tốc. - Ly hợp khởi động.

- Bánh răng dẫn động khởi động và then xoắn.

Hình 3.19: Cấu tạo máy khởi động.

Phân loại máy khởi động: Gồm có 3 loại máy khởi động [Máy khởi động loại giảm tốc, Máy khởi động loại bánh răng hành tinh, Máy khởi động PS (Mô tơ giảm tốc hành tinh – roto thanh dẫn)].

Hình 3.21: Máy khởi động loại bánh răng hành tinh.

Hình 3.22: Máy khởi động PS.

Nguyên lí của máy khởi động: - Hút vào:

o Khi bật khóa điện vị trí START, dịng điện của ắc quy vào cuộn giữ và cuộn kéo. Sau đó dịng điện đi từ cuộn kéo tới phần ứng thơng qua cuộn cảm làm quay phần ứng với tốc độ thấp. Việc tạo ra lực điện từ trong các cuộn giữ và cuộn kéo làm từ hóa lõi cực và do vậy piston của công tắc từ bị kéo vào lõi cực của nam châm điện. Nhờ sự kéo này mà bánh răng dẫn động khởi động dễ bị đẩy ra và ăn khớp với vành răng bánh đà đồng thời đĩa tiếp xúc sẽ bật cơng tắc chính lên.

Hình 3.23: Ngun lý hoạt động lúc hút vào.

- Giữ:

o Khi cơng tắc chính bật lên thì khơng có dịng điện chạy qua cuộn giữ cuộc cảm và cuộn ứng nhận trực tiếp dòng điện từ ắc quy. Cuộn dây phần ứng sau đó bắt đầu quay với vận tốc cao và động cơ được khởi động. Ở thời điểm này piston được giữ nguyên tại vị trí chỉ nhờ lực điện