Hình 5.1: Sơ đồ mạch điện hệ thống.
5.2 Tính tốn lựa chọn thiết bị bảo vệ và vị trí cảm biến của hệ thống.
5.2.1 Chọn phương pháp bố trí cảm biến nồng độ cồn.
Bố trí 3 cảm biến ở quanh vùng không gian thở của người lái, trong đó hai cảm biến bố trí ở hai bên vị trí tựa đầu ở ghế ngồi người lái và một ở giữa vành lái, hướng đối diện trực tiếp với mặt người lái. Trong quá trình xe hoạt động, các cảm biến này kiểm soát và phát hiện nồng độ cồn từ hơi thở người lái. Các tín hiệu của cảm biến được đưa về bộ vi điều khiển. Trường hợp nồng độ cồn vượt quá giới hạn cho phép, bộ vi điều khiển sẽ kích hoạt mạch cảnh báo.
Hình 5.2: Lắp các cảm biến ở phần tựa đầu.
Hình 5.3: Lắp cảm biến ở gần vành lái.
Hình 5.4: Cảm biến lắp bên ghế phụ.
Trường hợp do người ngồi bên ghế phụ uống rượu, hơi thở của người này cũng sẽ làm cho nồng độ cồn trong không gian buồng lái tăng lên (mặc dù người lái không uống rượu). Để loại trừ khả năng hệ thống cảnh báo sai ở tình huống này, trong hệ thống cịn được bố trí thêm một cảm biến ở trước mặt hành khách ngồi bên ghế phụ
của buồng lái. Sử dụng thuật tốn so sánh tín hiệu gửi từ các cảm biến quanh ghế ngồi người lái và cảm biến ở ghế phụ tại thời điểm đo để phân biệt và loại trừ được trường hợp gây cảnh báo sai này.
Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ các cảm biến nồng độ cồn trong hơi thở người lái gửi về. Sau khi nhận tín hiệu từ thiết bị đo nồng độ cồn trong hơi thở người lái gửi về, bộ vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển đóng mạch relay và cho phép khởi động động cơ (trường hợp khơng có nồng độ cồn) hoặc khơng cấp tín hiệu điều khiển relay, đồng thời cấp tín hiệu kích hoạt các mạch cảnh báo.
Sau khi động cơ đã được khởi động, bộ vi xử lý sẽ nhận và xử lý các tín hiệu từ các cảm biến đo nồng độ cồn trong khơng gian buồng lái. Có 4 cảm biến đo nồng độ cồn trong khơng gian buồng lái. Trong đó 3 cảm biến sử dụng để phát hiện nồng độ cồn trong vùng không gian thở của người lái (một bố trí ở vùng vành lái, hai cảm biến bố trí ở hai bên tự đầu của ghế người lái), cảm biến thư tư được bố trí trước mặt người ngồi bên ghế phụ biến thứ tư được bố trí trước mặt người ngồi bên ghế phụ. Tại thời điểm đo, bộ vi xử lý sẽ xử lý các tín hiệu của 3 cảm biến đầu theo nguyên tắc ưu tiên cho tín hiệu báo nồng độ cồn cao nhất trong số 3 tín hiệu gửi về; So sánh các tín hiệu của cảm biến thứ tư với tín hiệu có mức cao nhất của 3 cảm biến đầu, nếu tín hiệu từ cảm biến thứ tư cao hơn có nghĩa nguồn làm tăng nồng độ cồn là do người ngồi bên ghế phụ uống rượu. Trường hợp ngược lại, nguyên nhân làm tăng nồng độ cồn là do người lái đã uống rượu. Các trị số ngưỡng của tín hiệu (liên quan đến giới hạn cảnh báo) được xác định qua tính tốn lý thuyết và hiệu chỉnh theo các số liệu thí nghiệm thực tế trên xe.
5.2.2 Tính tốn lựa chọn thiết bị bảo vệ mạch.
STT Tên linh kiện Số lượng Cường độ dòng
điện (A)
1 Đèn còi báo AD16-22SM 1 0.02
2 Cảm biến nhận dạng vân tay điện dung R503 1 0.04 3 Mạch giảm áp DC-DC Buck XL4015 có hiển thị 5A 1 5 4 Arduino R3 1 0.03
5 Mạch 1 relay 5V với opto cách ly 30A kích H/L
1 0.08
6 Mạch 2 Relay Với Opto Cách Ly Kích H/L (5VDC) 2 0.16 7 Màn hình LCD Text 2004 và mạch giao tiếp I2C 1 0.0006 8 Cảm biến nồng độ cồn MQ3 1 0.15
9 Máy khởi động Denso 1 120
10 Relay kiểm soát khởi động 1 30
Bảng 5.2: Cường độ dịng điện các tải.
Mơ hình sử dụng 2 loại nguồn khác nhau để cung cấp điện, 1 là ắc quy chỉ cấp 12V cho máy khởi động và relay kiểm sốt khởi động cịn lại là nguồn tổ ong thì cấp cho các thiết bị khác bao gồm cả 12V ( Đèn còi báo AD16-22SM, cảm biến nhận dạng vân tay điện dung R503, mạch giảm áp DC-DC Buck XL4015 có hiển thị 5A) và 5V thông qua mạch giảm áp (Arduino R3, mạch 1 relay 5V với opto cách ly 30A kích H/L, mạch 2 Relay Với Opto Cách Ly Kích H/L (5VDC), màn hình LCD Text 2004 và mạch giao tiếp I2C, cảm biến nồng độ cồn MQ3). Từ những điều trên, số liệu có được từ bảng 3.2, 𝐼đ𝑚= 𝐼1 + 𝐼2 +... và cộng 20% mức an toàn của cầu chì sẽ chọn 4 cầu chì để bảo vệ cho hệ thống bao gồm cầu chì 120A cho máy khởi động Denso, cầu chì 30A cho relay kiểm sốt khởi động, cầu chì 6A cho khối các tải sử dụng nguồn 12V từ nguồn tổ ong và cầu chi 0.7A cho khối các tải sử dụng nguồn 5V từ nguồn tổ ong thông qua mạch giảm áp.
5.3 Các bước hoạt động của mơ hình.
5.3.1 Lắp ráp mơ hình.
- Bước 1: Sử dụng mũi khoan 3mm, 8mm để khoan và lưỡi cắt 110mm để cắt 2 tấm mica.
Hình 5.5: Cắt và khoan tấm mica.
- Bước 2: Cố định các linh kiện trên tấm mica bằng súng bắn keo và bulong 2mm.
Hình 5.6: Cố định linh kiện.
Hình 5.7: Đi đường điện cho mơ hình.
5.3.2 Nạp chương trình điều khiển cho Arduino R3.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn ngữ này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++. Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, dùng một mơi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment).
Hình 5.8: Arduino IDE (Intergrated Development Environment).
1. Xác minh: Biên dịch và kiểm tra mã của bạn. Nó sẽ bắt lỗi cú pháp (như thiếu dấu chấm phẩy hoặc dấu ngoặc đơn).
2. Tải lên: Gửi mã của bạn tới bảng Arduino. Khi bạn nhấp vào nó, bạn sẽ thấy đèn trên bảng của bạn nhấp nháy nhanh chóng.
3. Mới: Các nút này mở ra một tab cửa sổ mã mới.
4. Mở: Nút này sẽ cho phép bạn mở một bản phác thảo hiện có.
5. Lưu: Thao tác này sẽ lưu bản phác thảo hiện đang hoạt động.
6. Serial Monitor: Thao tác này sẽ mở ra một cửa sổ hiển thị bất kỳ thông tin nối tiếp nào mà bảng Arduino của bạn đang truyền. Nó rất hữu ích để gỡ lỗi.
7. Tên phác thảo: Điều này hiển thị tên của bản phác thảo mà bạn hiện đang làm việc.
8. Vùng mã: Đây là vùng mà bạn viết mã cho bản phác thảo của mình.
9. Vùng thơng báo: Đây là nơi IDE cho bạn biết nếu có bất kỳ lỗi nào trong mã của bạn.
10. Bảng điều khiển Văn bản: Bảng điều khiển văn bản hiển thị các thơng báo lỗi hồn chỉnh. Khi gỡ lỗi, bảng điều khiển văn bản rất hữu ích.
11. Bo mạch và Cổng nối tiếp: Hiển thị cho bạn những lựa chọn bo mạch và cổng nối tiếp.
5.3.3 Vận hành mơ hình.
- Xác minh vân tay và nồng độ cồn.
Hình 5.10: Cảm biến vân tay và cảm biến nồng độ cồn.
- Nếu thỏa mãn 2 yêu cầu là đúng dấu vân tay và khơng có nồng độ cồn thì relay kiểm sốt khởi động sẽ đóng và cấp nguồn cho củ đề hoạt động. Nếu sai mẫu vân tay và có nồng độ cồn thì relay đèn cịi AD16 - 22SM sẽ đóng và hoạt động đồng thời LCD cũng sẽ hiện thị lượng nồng độ cồn đo được thơng qua cảm biến nồng độ MQ3 từ đó relay kiểm sốt khởi động mở và không cấp nguồn để khởi động củ đề.
Hình 5.11: LCD hiển thị nồng độ cồn, đèn cịi hoạt động và củ đề sẽ khơng
- Trong quá trình vận hành phương tiện cảm biến nồng độ cồn MQ3 sẽ hoạt động liên tục. Khi phát hiện nồng độ cồn từ cảm biến sẽ truyền tín hiệu đến Arduino R3, Arduino R3 phân tích và tính tốn thực hiện đóng relay để đèn cịi AD16 – 22SM hoạt động và hiển thị lượng nồng độ cồn đo được lên LCD. Arduino R3 thực hiện băm xung chân 5, 6 để giảm điện áp cấp cho cảm biến bàn đạp chân ga từ 5V xuống còn 1.2V (giảm nhỏ giọt 0.01V để đảm bảo an toàn cho người lái và phương tiện đang lưu thơng). Khi tắt ổ khóa điện thì tồn bộ hệ thống sẽ thực hiện lại từ đầu để khởi động củ đề.
Hình 5.12: Trạng thái hoạt động của mạch trong lúc vận hành khi khơng có nồng
độ cồn.
Hình 5.13: Trạng thái hoạt động của mạch trong lúc vận hành xe phát hiện nồng độ
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
6.1 Kết luận.
Qua các nội dung trình bày ở trên, luận văn đã hòan thành đúng các mục tiêu nghiên cứu cơ bản đưa ra:
- Nghiên cứu chọn phương pháp phát hiện nồng độ cồn ở vùng không gian người lái (vị trí khơng gian quanh ghế ngồi người lái trong buồng điều khiển) qua hai biện pháp kết hợp: đo trực tiếp nồng độ cồn trong hơi thở người lái trước khi cho phép khởi động động cơ và kiểm tra thường xuyên nồng độ cồn trong vùng không gian quanh ghế ngồi người lái. Phương pháp này hiện đang được nhiều quốc gia sử dụng và nhiều hãng xe trên thế giới cũng đã chế tạo hệ thống lắp trên xe của hãng.
- Xây dựng thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị phát hiện nồng độ cồn (bao gồm các việc chính là chọn lắp cảm biến báo nồng độ cồn, thiết kế chế tạo các mạch điện tử điều khiển, các thiết bị gá lắp…). các thiết bị của hệ thống làm việc chính xác, ổn định, tin cậy, phù hợp với điều kiện cơng nghệ chế tạo trong nước, có giá thành rẻ hơn các hệ thống nhập ngoại.
- Đã sử dụng các biện pháp ngăn chặn và cảnh báo. Với các biện pháp này sẽ nâng cao tính an tồn giao thơng cho xe cũng như ngăn chặn các hành vi lái xe trong tình trạng say rượu bia. Hệ thống phát hiện và cảnh báo đã được thiết kế, chế tạo trên cơ sở các linh kiện thiết bị mua trong nước. Các biện pháp ngăn chặn và cảnh báo này cho phép theo dõi, phát hiện trong suốt quá trình lái xe về tình trạng lái xe đã sử dụng các đồ uống có cồn; cung cấp thơng tin về tình trạng lái xe có nồng độ cồn trong hơi thở kịp thời về mạch điều khiển điện tử để đưa ra biện pháp vận hành an toàn cho người lái.
- Hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn đã được chế thử và hoạt động có hiệu quả cao, thực hiện phù hợp với khả năng công nghệ, linh kiện vật tư trong nước. Hệ thống này khi hoạt động không làm ảnh hưởng đến sự làm việc, tiện nghi người lái cũng như không can thiệp vào kết cấu các hệ thống trên xe. Lắp đặt hệ thống nhanh gọn.
- Các kết quả nghiên cứu của đồ án có thể phát triển ứng dụng rộng rãi trên các xe tải lắp ráp trong nước như một hệ thống chuẩn của xe hoặc dưới dạng các trang bị bổ sung cho các xe ơ tơ nói chung.
6.2 Hướng phát triển.
Do kiến thức về điện tử còn hạn chế, thiết bị dù đã đảm bảo các ưu cầu chính của đề tài đồ án đó là đo và cảnh báo chính xác nồng độ cồn trong hơi thở. Tuy nhiên thiết bị chưa thực sự ưu việt, chưa tích hợp được các cơng nghệ mới của kỉ nguyên công nghệ 4.0. Để xây dựng được một thiết bị hoàn hảo nhất là một chặng đường rất dài, những thúc đẩy công nghệ giúp cho các ý tưởng để tài có nền tảng để phát triển hồn thiệt thêm nữa. Trong đồ án, thiết bị có thể phát triển thêm các tính năng như: kết nối với smart phone, kết nối đồng bộ dữ liệu trực tiếp lên các server quản lý, giao tiếp với các phương tiện giao thơng thơng minh để đảm bảo an tồn…
Như đã đề cập thì đây là một đề tài đang có được sự quan tâm rất lớn từ xã hội. Có thể phát triển thành thiết bị nhỏ gọn được tích hợp trên các phương tiện giao thơng, đo nồng độ cồn, can thiệp vào quá trình vận hành của xe để đảm bảo an toàn khi phát hiện nồng độ cồn. Rất mong có được sự tham gia, góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện và đi vào ứng dụng trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] ThS. Dương Kim Anh, Vẽ AUTOCAD, Đại học Công nghệ Tp.HCM. [2] ThS. Nguyễn Thị Ngọc Anh, ThS. Võ Thị Bích Ngọc, Kỹ thuật điện tử, Đại học Công nghệ Tp.HCM.
[3] ThS. Phạm Bá Khiển, Cơ học máy, Đại học Công nghệ Tp.HCM.
[4] TS. Nguyễn Phụ Thượng Lưu, Hệ thống an tồn và ổn định trên ơ tô, Đại học Công nghệ Tp.HCM.
[5] ThS. Phạm Quốc Phương, Vi điều khiển, Đại học Công nghệ Tp.HCM.
[6] http://arduino.vn/bai-viet/42-arduino-uno-r3-la-gi [7] https://oto.edu.vn/tim-hieu-chi-tiet-cam-bien-vi-tri-ban-dap-ga/ [8] https://mlab.vn/index.php?_route_=20449-huong-dan-su-dung-module- cam-bien-nong-do-con-mq-3.html [9] https://iotmaker.vn/lcd-text-lcd2004.html [10] https://bachkhoadientu.vn/tim-hieu-co-ban-ve-nguon-xung-.html [11] https://iotmaker.vn/mach-chuyen-doi-i2c-cho-lcd.html [12] https://linhkienthanhcong.vn/mach-ha-ap-dc-dc-buck-5a-xl4015-vo-nhua- mica [13] https://news.oto-hui.com/may-khoi-dong-phan-loai-nguyen-ly-hoat-dong/ [14] http://mt.gov.vn/tk/tin-tuc/61625/cong-bo-ket-qua-nghien-cuu-anh huong- cua-uong-ruou--bia-den-dieu-khien-xe.aspx
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.
lcd.print("Hello, world!");
Serial.begin(9600);
pinMode(11,OUTPUT);// bàn đạp ga (kích mức thấp)
pinMode(12,OUTPUT);// bàn đạp ga (kích mức thấp)
pinMode(2,OUTPUT); // Củ đề nổ (kích mức cao)
pinMode(9,OUTPUT); // Cịi báo động (kích mức thấp)
pinMode(10,OUTPUT);// Cịi báo động (kích mức thấp)
pinMode(5,OUTPUT); //PWM tăng giảm điện áp ga
pinMode(6,OUTPUT); //PWM tăng giảm điện áp ga
digitalWrite(11,1); digitalWrite(12,1); digitalWrite(9,1); digitalWrite(10,1); } void loop() { int mq3 = analogRead(A0); Serial.println(mq3); current_time = millis(); if (current_time-previous_time>=100) {
if(mode==0) { mode_count++; if(mode_count>=100) { mode_count=0;
if(mq3 <= 300) // không say , Đề xe nổ máy xét điều kiện 2
{ mode=1; rl1_value=1; rl1_update=1; bz_update=1; bz_value=1; }
else // có say , Đề khơng nổ , Báo cịi
{ rl1_value=0; rl1_update=1; bz_update=1; bz_value=0; } } } else if(mode==1) {
if(mode1_count>100)
{
mode1_count=0;
if(analogRead(A0)>500) // Nếu đang chạy mà cịn say, thì ga giảm
{ ga_update=1; ga_value=0; mode=2; }else { ga_update=1; ga_value=1; } } } else if(mode==2) { c--; if(c<=0)c=0; analogWrite(5,c);
if(analogRead(A0)<500) // Nếu hết say, thì ga tăng
{
mode=3;
}
else if(mode==3) // ga tăng dần từ 0V đến 5v sau đó mới chuyển day relay về trạng thái ban đầu là 5v
{ c++; if(c>=255) { c=255; ga_update=1; ga_value=1; rl1_value=0; rl1_update=1; mode=0; } analogWrite(5,c); } //////////////////////////////////////////////////////////////////
if(bz_update==1) // Còi báo , LOW
{ bz_update=0; digitalWrite(9,bz_value); digitalWrite(10,bz_value); } if(rl1_update==1) // Đề nổ , HIGH {
rl1_update=0; digitalWrite(2,rl1_value); } if(ga_update==1) // LOW { ga_update=0; digitalWrite(11,ga_value); digitalWrite(12,ga_value); } } }
PHỤ LỤC B: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA CẢM BIẾN MQ3.
Tên thông số Giá trị Đơn vị
Ký 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 hoặc DC)
Tải đầu ra Điều chỉnh được Ω