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
động; nếu nồng độ cồn cao quá mức cho phép, hệ thống sẽ ngắt mạch relay khởi động, không cho phép khởi động động cơ (mặc dù có bật khóa điện sang nấc ST),
đồng thời đen cảnh báo màu đỏ, còi và mạch nối với thiết bị GPS tác động cảnh báo. Trong giai đoạn này module phát hiện nồng độ cồn, nguồn cấp cho cảm biến
không hoạt động.
Hình 5.2. Sơ đồ hoạt động trong giai đoạn khởi động
Module nguồn cấp cho vi điều khiển là mạch biến đổi và ổn định điện áp một chiều. Đầu vào là điện áp 12 vol cấp từ khóa điện (nấc IG), đầu ra là điện áp DC 5 vol cấp cho mạch của bộ vi xử lý.
Module thiết bị thổi là một thiết bị đo nồng độ cồn trong hơi thở cầm tay, được bổ sung thêm chức năng truyền tín hiệu không dây bằng sóng vô tuyến. Môđun thiết bị thổi được sử dụng khi người lái muốn khởi động động cơ. Sau khi người lái thổi vào ống thổi của thiết bị đo nồng độ cồn cầm tay, sẽ có tín hiệu báo động hoặc an toàn về nồng độ cồn trong hơi thở người lái truyền về môđun vi điều khiển. Dựa vào tín hiệu này môđun vi điều khiển sẽ cho phép khởi động (nếu tín
hiệu gửi về là an toàn) hoặc không cho phép khởi động đồng thời cảnh báo (nếu tín hiệu gửi về là báo động).
Module kiểm soát khởi động hoạt động ngay khi người lái bật khóa điện, nhằm ngăn không cho người lái khởi động động cơ khi chưa có tín hiệu xác nhận an toàn từ môđun thiết bị thổi.
Module cảnh báo có nhiệm vụ cảnh báo bằng tín hiệu ánh sáng, âm thanh và/hoặc gửi tín hiệu báo động GPS về trung tâm điều hành khi hệ thống phát hiện người người lái trong tình trạng say rượu bia. Tín hiệu ánh sáng, âm thanh trong buồng lái có tác dụng cảnh báo người lái và hành khách (nếu có) trong tình huống người lái có biểu hiện say rượu bia. Tín hiệu GPS gửi về trung tâm điều khiển nhằm thông báo tới cơ quan chức năng trong trường hợp phát hiện lái xe say rượu bia để có những biện pháp xử lý kịp thời.
Ở giai đoạn khi xe đang vận hành, hệ thống sử dụng các cảm biến nồng độ cồn lắp tại các vị trí trong xe để phát hiện trạng thái say rượu của người lái, từ đó phát tín hiệu cảnh báo tương ứng (hình 4.4). Các cảm biến đo nồng độ cồn được cấp điện áp +5V DC khi có tín hiệu điều khiển từ bộ vi điều khiển.
Hình 5.3. Các module hoạt động trong giai đoạn xe đang vận hành
Module đo nồng độ cồn gồm các cảm biến và mạch cảm biến nồng độ cồn trong không khí, gắn ở các vị trí tựa đầu ghế ngồi người lái và trước mặt người ngồi bên ghế phụ trong buồng lái. Module này có nhiệm vụ phát hiện và gửi tín hiệu nồng độ cồn trong không khí quanh khu vực lắp đặt (bao gồm khu vực không gian
người lái và khu vực không gian người ngồi bên ghế phụ) về vi điều khiển trong quá trình ôtô vận hành theo chu kỳ làm việc.
Module nguồn.
Module nguồn làm nhiệm vụ cấp điện áp làm việc cho vi xử lý, các cảm biến của hệ thống và các mạch công suất. Sơ đồ khối của mạch nguồn trình bày trên hình 4.5.
Hình 5.4. Sơ đồ khối module nguồn
Điện áp định mức cấp cho các vi mạch điện tử là DC 5 vol. Trên xe ô tô thường sử dụng điện áp 12 vol. Nguồn điện áp 5 vol để cấp cho mạch điện tử điều khiển không yêu cầu công suất lớn, tuy nhiên lại yêu cầu về ổn định điện áp cung cấp. Sử dụng vi mạch ổn áp IC 2596-5.0 với các thông số trình bày trong bảng 1.5
Bảng 1.5. Các thông số của IC 2596-5.0
Sơ đồ mạch module nguồn dùng vi điều khiển IC LM 2596-5.0 được trình bày trên hình 4.6.
Chức năng và các thông số của các phần tử trong module trình bày trong bảng 1.6.
TT Phần tử Giá trị Chức năng
1 Ổn áp LM2596 – 5.0 Ổn áp từ +12V => +5V
2 Tụ CIN 680µF Lọc điện áp đầu vào
3 Điốt D1 1N5824 Bảo vệ quá áp điện áp ra
4 Cuộn cảm L1 33µH Lọc dòng đầu ra
5 Tụ COUT 220µF Lọc điện áp đầu ra
Bảng 1.6. Chức năng và thông số của các phần tử của module nguồn
Module nguồn cấp cho các cảm biến sử dụng hai vi mạch IC 2596-5.0. Do mỗi IC 2576-5.0 có trị số dòng điện cực đại là 3A, ứng với công suất cực đại là 5V×3A=15W, trong khi đó 5 cảm biến nồng độ cồn có công suất cực đại là 25W cho nên việc sử dụng 2 vi mạch IC2596 để cấp điện áp cho các cảm biến nồng độ cồn là hợp lý. Khác với yêu cầu về nguồn cấp cho vi điều khiển cần hoạt động liên tục khi ôtô vận hành, mạch nguồn cấp cho cảm biến hoạt động gián đoạn theo chu kỳ (xem mục 3.4 ). Tín hiệu điều khiển mạch cấp nguồn cho cảm biến lấy từ bộ vi xử lý. Sử dụng một relay để nối mạch DC 12vol từ khóa điện (cực IG) tới mạch nguồn IC2596 theo tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển. Hình 5.6 là sơ đồ khối của module nguồn cấp cho các cảm biến.
Hình 5.6. Sơ đồ khối mạch nguồn cấp cho cảm biến.
Module vi xử lý.
Module này có vai trò quan trọng quyết định các chế độ làm việc của hệ thống. Sử dụng các bộ vi xử lý có khả năng lập trình để nhận thông tin từ các mạch xử lý tín hiệu cảm biến, tiến hành các tính toán theo chương trình và đưa ra tín hiệu điều khiển tới các mạch công suất, cơ cấu chấp hành của mạch cảnh báo…Đề tài đã chọn vi điều khiển Atmega8. Đây là vi điều khiển có khả năng lập trình, thuộc họ AVR của hãng Atmel Corporation với các đặc điểm và chức năng chính như sau:
- Loại vi xử lý 8 bit với 128Kbyte Flash có khả năng lập trình - 2 bộ Timer/Counter 8bit, 1 bộ Timer/Counter 16bit.
- 8 kênh chuyển đổi tương tự-số 10 bit. - 1 bộ giao tiếp theo chuẩn USART. - Giao tiếp theo chuẩn SPI.
- Điện áp làm việc từ 2,7-5,5V. - Dải tần số làm việc từ 0 tới 16Mhz.