Trên cơ sở phương pháp xây dựng hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn đã chọn ở trên, luận văn đã tiến hành tính toán, chọn lựa các phần tử, xây dựng thiết kế các mạch nối ghép và giao tiếp thành phần của hệ thống, đảm bảo hệ thống làm việc ổn định và hiệu quả nhất. Sau đó ở chương 4 sẽ tiến hành các thí nghiệm trong các điều kiện phòng thí nghiệm và thí nghiệm trên xe. Nhằm đánh giá sự làm việc của hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở của người lái xe cao quá mức quy định.
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 không 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 không 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 toàn giao thông 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 hòa đang hoạt động. Hình 4.2 mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến kiểu quang phổ.
Hình 4.2. 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 trôi 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 không chỉ nhạy cảm với cồn mà còn nhạy cảm với một số khí và
chất bay hơi khác có trên ô tô như khí xả hoặc khói thuốc lá và do đó đôi 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 môi trường không 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 không 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 môi trường không 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 (hình 4.2).
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 môi trường có xúc tác) thành dòng 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 (hình 4.3).
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:
Ở ca tốt, lượng oxi giảm xuống theo phương trình: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
Phản ứng tổng hợp là quá 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 4.3. Cảm biến đo nồng độ cồn kiểu bán dẫn Hình 4.4. Thiết bị đo nồng độ cồn kiểu Fuel cell
Cảm biến kiểu pin nhiên liệu chỉ phản ứng với cồn trong không 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 không yêu 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 MQ3.Hình 4.5 trình bày hình dạng kết cấu và các kích thước hình học của cảm biến
a)
Hình 4.5. Cảm biến MQ3 a) Hình dạng
b) Các kích thước
b)
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
Điện trở sấy 31±3 Ω
Công suất sấy ≤900 mW
Điện trở cảm biến 2÷20 kΩ tại nồng độ cồn 0,4 mg/l
Độ nhạy ≥5 Tỉ lệ điện trở cảm biến khi nồng
độ cồn bằng 0 và 0,4mg/l Bảng 1.4. Thông số kỹ thuật của cảm biến MQ3
Sơ đồ mạch điện của cảm biến trình bày trên hình 4.6. Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu SnO2. Vật liệu này có tính dẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn. Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm. Từ bảng số liệu 1.4, tỷ lệ điện trở của cảm biến giảm gần 5 lần khi đo trong môi trường không khí sạch và môi trường có nồng độ
còn 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 môi 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 môi trường không khí quanh vùng ghế ngồi người lái.
Hình 4.6. 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 toán xử lý (sơ đồ hình 4.6)
3.5.2. Phương án bố trí các cảm biến trên xe.
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 (xem hình 4.7 và 4.8). 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 4.7. Lắp các cảm biến ở phần tựa đầu Hình 4.8. Lắp cảm biến ở gần vành lái
Hình 4.9. 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 còn được bố trí thêm một cảm biến ở trước mặt hành khách ngồi bên ghế phụ của buồng lái (hình 4.9). Sử dụng thuật toán 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 và từ thiết bị đo trực tiếp 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 nồng độ cồn thấp hơn trị số giới hạn cho phép) hoặc không 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 không gian buồng lái. Có 4 cảm biến đo nồng độ cồn trong không 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, hình 4.7 và 4.8), 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 toán lý thuyết và hiệu chỉnh theo các số liệu thí nghiệm thực tế trên xe.
Các biện pháp cảnh báo trong sơ đồ mô tả ở hình 3.8 bao gồm tín hiệu còi, tín hiệu đen đỏ khi phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở hoặc trong vùng không gian thở của người lái cao quá mức cho phép. Mạch cảnh báo còn có chức năng kết nối với hệ thống giám sát hành trình GPS. Khi vi điều khiển gửi tín hiệu kích hoạt mạch cảnh báo, một tín hiệu cũng được gửi tới bộ giám sát hành trình để gửi về trung tâm điều khiển. Với biện pháp này, thông tin về chiếc xe ô tô đang hoạt động với người lái ở tình trạng say rượu bia sẽ được gửi về trung tâm điều hành, thanh tra giao thông để kịp thời xử lý, ngăn chặn không cho xe tiếp tục tham gia giao thông.
Hình 5.0. Sơ đồ khối của hệ thống phát hiện và cảnh báo nồng độ cồn
Hình 5.0 trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống phát hiện, cảnh báo nồng độ cồn mà luận văn đã nghiên cứu thiết kế. Các thiết bị, bộ phận chính của hệ thống gồm có: hệ thống các cảm biến đo nồng độ cồn (4 cảm biến) làm nhiệm vụ đo nồng độ cồn trong vùng không gian thở của người lái (xem hình 4.1, 3 cảm biến chính) và người ngồi bên ghế phụ (cảm biến phụ); Thiết bị cầm tay (thiết bị thổi) đo nồng độ cồn trong hơi thở người lái cùng mạch phát tín hiệu vô tuyến RF làm nhiệm vụ đo nồng độ cồn trong hơi thở người lái trước mỗi lần thao tác khởi động động cơ; Các thiết bị của hệ thống cảnh báo gồm có mạch đen, còi và thiết bị GPS làm nhiệm vụ cảnh báo và truyền thông tin về trung tâm giám sát mỗi khi phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở người lái cũng như nồng độ cồn trong vùng không gian thở của người lái vượt quá các giới hạn quy định; Hệ thống kiểm soát mạch khởi động động cơ bao gồm một relay kiểm soát mạch khởi động lắp nối tiếp giữa khóa điện và relay khởi động của hệ thống điện trên xe. Hệ thống này làm hai nhiệm vụ: không cho phép khởi động động cơ nếu người lái xe chưa thổi vào ống thổi của thiết bị thổi (kiểm tra nồng độ cồn trong hơi thở người lái trước khi cho phép khởi động) và cho phép/không cho phép khởi động động cơ khi kết quả kiểm tra nồng độ cồn trong hơi thở chưa quá giới hạn, hoặc quá giới hạn cho phép. Bộ vi xử lý kết hợp mạch thu RF làm nhiệm vụ tiếp nhận các tín hiệu gửi về từ thiết bị thổi, các cảm biến và tính toán xử lý rồi đưa các tín hiệu phù hợp điều khiển sự làm việc của mạch relay kiểm soát khởi động cũng như mạch cảnh báo. Nguồn điện sử dụng chính cho hệ thống là nguồn ắc quy của xe, qua các mạch biến đổi và ổn áp để cấp các điện áp ổn định phù hợp với thiết bị của hệ thống.
Các giai đoạn làm việc của hệ thống.
Để việc tính toán thiết kế cũng như lắp ráp vận hành kiểm tra dễ dàng thuận lợi, hệ thống được cấu trúc dưới dạng các module độc lập, sau đó tiến hành nối ghép các môdule lại thành hệ thống hoàn chỉnh.
- Module phát hiện nồng độ cồn trong vùng không gian làm việc của người lái;
- Module thiết bị đo nồng độ cồn trong hơi thở người lái (thiết bị thổi); - Module các mạch cảnh báo (đen, còi);
- Module kết nối GPS;
- Module mạch kiểm soát chế độ khởi động động cơ; - Mdule mạch vi xử lý;
- Module nguồn.
Hình 5.1 các module của hệ thống phát hiện cảnh báo nồng độ cồn trên ôtô Hoạt động của hệ thống có thể chia thành hai giai đoạn: giai đoạn khởi động động cơ và giai đoạn xe đang vận hành (sau khi động cơ đã làm việc).Ở giai đoan đầu, sau khi bật khóa điện tới nấc IG, người lái phảỉ thổi trực tiếp vào thiết bị thổi (xem hình 4.0), trong khoảng 8 đến 10 sec là thời gian cần thiết cho thiết bị hoạt động phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở. Nếu nồng độ cồn trong hơi thở (thổi qua ống thổi của thiết bị) nhỏ hơi giới hạn cho phép, đen báo màu xanh trên thân thiết bị thổi sẽ sáng và cho phép người lái bật khóa điện sang nấc ST để thực hiện quá trình khởi