Đồ án: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO NỒNG ĐỘ CỒN

Để tích cực ngănchặn việc việc người điều khiển phương tiện giao thông trong tình trạng say rượu bia,theo nghị định 71/2012/NĐ – CP qui định người điều khiển các phượng tiện giaothông tr

Hà Nội - 2020

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Mục lục

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng biểu

Chương 1: Tổng quan về hệ thống

1.1 Giới thiệu chung.

Hiện nay, ở nước ta các tệ nạn xã hội ngày càng gia tăng mà một trong nhữngnguyên nhân chủ yếu đó là do uống nhiều rượu bia Rượu, bia là nguyên nhân chủ yếulàm giảm năng suất lao động, gây ra các tệ nạn xã hội như bạo lực, gia đình tan vỡ, vàđặc biệt gây ra các vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng

Việt Nam là quốc gia thuộc top đầu các nước sử dụng rượu, bia khi tham giagiao thông Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự an toàngiao thông trở thành vấn đề báo động đây chính là nguyên nhân hàng đầu gây tai nạngiao thông, khi điều khiển phương tiện bởi người lái xe thường phản ứng chậm, buồnngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy các biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đườngkhông còn rõ ràng Người say cũng bốc đồng, không còn khả năng kiểm soát tốc độcho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường rất dễ gây tai nạn Để tích cực ngănchặn việc việc người điều khiển phương tiện giao thông trong tình trạng say rượu bia,theo nghị định 71/2012/NĐ – CP qui định người điều khiển các phượng tiện giaothông trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 – 80 mg/lmáu hoặc 0,25 – 0,4 mg/l khí hơi khí thở sẽ bị phạt

Chính vì thế có nhiều rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồnđối với những người tham gia giao thông Thấy được tính chất cấp bách và quan trọngcủa vấn đề trên nhóm chúng em đã quyết định lựa chọn chủ đề: “ Xây dựng hệ thống

đo nồng độ cồn”, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời và cảnh báo sớm hiểmhọa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một thói quen và ý thức tốt cho người thamgia giao thông

1.2 Các yêu cầu cơ bản.

Hệ thống đo nồng độ cồn là hệ thống di động, giúp người dùng đo nồng độ cồn,cảnh báo cho người dùng cũng như người thân biết các thông số đo để có những giảipháp kịp thời, phòng tránh sự cố hiệu quả nhất Hệ thống sử dụng BoardSTM32F103C8 làm bộ xử lý trung tâm, cảm biến nồng độ cồn sẽ đo để truyền các tínhiệu về trung tâm xử lý Cùng một số thiết bị đầu ra như tín hiệu phát sáng (Led), còi

hú, module Sim nhận tín hiệu từ trung tâm sẽ gửi tin nhắn thông báo và cập nhật kếtlên app điện thoại

1.3 Phương pháp, phạm vi, và giới hạn nghiên cứu.

Hiện nay có nhiều phương pháp đo nồng độ như phương pháp đo nồng độ cồntrong máu, phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở Phương pháp đo nồng độ cồntrong máu là phương pháp được sử dụng để xác định lượng các chất kích thích và hoạtchất gây ảnh hưởng tới cơ thể con người trong máu Sử dụng các biện pháp hóa sinhtrong phòng thí nghiệm để đo đạc với độ chính xác cao Tuy nhiên phương pháp này

có nhược điểm là phải lấy mẫu máu của người cần kiểm tra tại cơ sở y tế, thông quaquy trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mới cho ra kết quả do đó gây tốn thờigian và không thể áp dụng trong các trường hợp cần kiểm tra nhanh, tại hiện trường.Phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở: Hơi thở của người say rượu sẽ có nồng độcồn cao Sử dụng các thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo nồng độ trong khôngkhí của không gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia Ta thấyrằng phương pháp xác định nồng độ cồn qua hơi thở hiện đang được sử phổ biến vìtính cơ động và thời gian đo nhanh chỉ khoảng 8 – 10 giây Vì thế nhóm chúng em sẽ

sử dụng phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở

Phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở đòi hỏi phải sử dụng nhưng linh kiện

và thiết bị có độ chính xác cao, nhưng nhóm chúng em chỉ có thể sử dụng nhưng loạilinh kiện thông dụng, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện tài chính nên độ tin cậy cònchưa cao Do vậy chúng em mới chỉ dừng lại ở việc xây dựng được hệ thống đo nồng

độ cồn sử dụng trong công việc học tập và nghiên cứu chưa có tính ứng dụng thực tếcao

1.4 Ý nghĩa thực tiễn.

Chủ đề “Xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn” của nhóm chúng em có ý nghĩathiết thức trong cuộc sống nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời và cảnh báosớm hiểm họa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một thói quen và ý thức tốt chongười tham gia giao thông Từ đó có thể hạn chế tối đã nhưng hậu quá đáng tiếc dorượu bia gây ra

Kết luận chương 1:

Trong chương này, nhóm chúng em đã tìm hiểu về những cơ sở lý thuyết củacác phương pháp đo nồng độ cồn hiện nay, cũng như ý nghĩa thực tiễn của chúng trongđời sống

Khối xử lý trung tâm tâm sử lý

Khối theo dõi

Khối cảnh báo Khối hiển thị

Bảng 2.1: So sánh thông số của cảm biến MQ3 và cảm biến AL6000

Ta có thể thấy rằng MQ3 có rất nhiều đặc điểm vượt trội hơn so với các dòngcác cảm biến màng oxit bán dẫn khác trên thị trường Nhiệt độ hoạt động và thang đonồng độ cồn của MQ3 khá lớn rất phù hợp cho công việc nghiên cứu và học tập Độchính xác cao, giá thành rẻ, nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng rất phù hợp với điều kiện củahọc sinh, sinh viên Vì những lý do đó mà nhóm chúng em quyết định lựa chọn cảmbiến MQ3 để sử dụng

Cảm biến MQ3

 Cấu tạo bên trong:

Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu SnO2 Vật liệu này có tính đẫn điện kémtrong môi trường không khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn Trong môitrường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm Cũng trong môitrường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 200 C°

thời gian phát hiện nồng độ cồn kéodài từ 3 – 5 phút

Hình 2.3: Hình thực tế và sơ đồ nguyên lý của cảm biến MQ3Cảm biến MQ3 có 6 chân , vỏ và thân Mặc dù nó có 6 chân, nhưng ta có thể sửdụng 4 chân Hai trong số chúng là hệ thống đốt nóng, mà ta gọi là H và 2 cái còn lại

là để kết nối nguồn và đất hay A và B

 Nguyên lý hoạt động:

Nhìn tổng thể lớp cắt ngang bên trong MQ3, ta có thể thấy đó là một ống

Alumina được bao phủ bởi SnO2, đó là Ddiooxxit thiếc Và giữa chúng có một điệncực Aurum Chúng ta có thể thấy cách các dây được kết nối Về cơ bản, ống alumina

và cuộn dây là hệ thống sưởi ấm, các phần màu vàng, nâu và cuộn dây trong hình

Hình 2.4: Các bộ phận bên trong MQ3

Nếu cuộn dây được làm nóng, gốm SnO2 sẽ trở thành chất bán dẫn, do đó cónhiều điện tích di chuyển hơn, có nghĩa là nó đã sẵn sàng để tạo ra dòng điện nhiềuhơn

Sau đó, khi các phần tử rượu không khí gặp điện cực nằm giữa alumina và thiếcdioxit, ethanol sẽ đốt cháy thành axit axetic sau đó tạo ra nhiều dòng điện hơn Vì vậy,càng có nhiều phần tử rượu, chúng ta sẽ nhận được nhiều hơn Do sự thay đổi hiện tạinày, chúng ta nhận được các giá trị khác nhau từ cảm biến

Hình 2.5: Sự thay đổi điện trở của cảm biến theo giá trị nồng độ cồn

Để chọn được đặc tính đầu ra của cảm biến là mối quan hệ của điện áp ra vớinồng độ cồn ta tính như sau:

- R0là điện trở của cảm biến tại nồng độ cồn là 0,4 mg/l

- R slà điện trở của cảm biến

- Tính toán giá trị thực của nồng độ cồn từ giá trị áp đo được( bỏ qua sựảnh hưởng của nhiệt đô và độ ẩm)

- Chọn dải đo từ 0,2 mg/l – 0,45 mg/l

Gọi x là giá trị nồng độ cồn, y là giá trị tỷ số 0

s R R

s R

R

Ta lại có R0 = Ω2k ,R1= Ω1k

.Dựa vào hình trên nên điện áp ra của cảm biến được tính theo công thức sau:

là tín hiệu tương tự, đèn Led sáng khi phát hiện có khí, GND cấp điện cực âm, đọ nhạycao và chọn lọc tốt với ethanol, bền và ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao và thời gianđáp ứng nhanh

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến MQ3

 Giao diện 4 chân:

- VCC: Cung cấp năng lượng đầu vào

- GND: Mặt bằng cung cấp

- DO: Đầu ra tín hiệu số

- AO: Đầu ra tín hiệu tương tự

- Phản ứng nhanh, ổn định, nhạy cảm với rượu cồn

- Có 2 tín hiệu ra: tín hiệu số (D0) và tín hiệu tương tự (A0)

Hiện nay có các loại Module Sim800L, Module sim 900A chọn Module Sim900A như một điện thoại nhưng có kích thước nhỏ Với mức điện áp hoạt động 5VDC– chuẩn điện áp thông dụng nhất với các loại vi điều khiển và cả giao tiếp máy tính,cũng như tính ổn định cao và đơn giản về sử dụng

Để hệ thống có thể gửi thông bao bằng tin nhắn , ở đây chúng em sử dụngModule SIM800L, với thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng được yêu cầu đề tài và tiết kiệm kinhphí

Hình 2.8: Module SIM800L

Thực hiện việc nhắn tin cảnh báo qua điện thoại của người thân biết khi nống

độ cồn đo được vượt mức an toàn

 Thông số kỹ thuật:

Nguồn cấp: 4.2VDC , có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên(như cổng USB, nguồn từ Board Arduino)

Khe cắm SIM : MICROSIMDòng khi ở chế độ chờ: 10 mADòng khi hoạt động: 100 mA đến 1A

DTR : Chân UART DTR, thường không xài

SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh (8 Ohm-0.87W).MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh

Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài)

RING : báo có cuộc gọi đếnGND: Chân Mass, cấp 0V

2.2.4 Khối hiển thị

Màn hình OLED 1.3” giao tiếp I2c cho khả năng hiện thị đẹp, sang trọng , rõnét với mức chi phí phù hợp, do sử dụng giao tiếp I2C ít tốn chân nên cho chất lượngđường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp, LED thích hợp cho các ứng dụng tiêt kiệmnăng lượng, môi trường hiện thị sáng hoặc các ứng dụng cần đến sự sang trọng

Hình 2.9: Màn hình OLED

Thông số kĩ thuật của màn hình OLED:

Điện áp sử dụng : 3.3 đến 5VDCCông suất tiêu thụ : 0.04W

Góc hiển thị : lớn hơn 160 độ

Số điểm hiển thị : 128x64 điểm

Độ rộng màn hình : 1.3 inch

Giao tiếp : SPI Driver : SSD1306

Sơ đồ chân giao tiếp:

Còi báo động:

Còi hú Buzzer 5 V được thiết kế phù hợp với các hệ thống báo động nhanhchóng và tức thời Với tiếng báo động dễ nghe trong 1 thiết kế nhỏ gọn Thường sửdụng trong các hệ thống báo động nhỏ, các thiết bị kiểm tra

Hình 2.10: Còi hú Buzzer

Thông số kĩ thuật:

Điện áp hoạt động: 4-8 VDC

Dòng điện tiêu thụ: <=30mA

Biện độ âm thanh: >85dB

Nhiệt độ hoạt động: -25 độ C đến + 85 độ C

Đèn led(đỏ):

Hình 2.11: Led diode quang đỏ

2.2.6 Khối nhập số điện thoại

Hình 2.12: Module bàn phím 4x4Module bàn phím 4x4 được sử dụng để nhập số điện thoại của người thân khinồng độ cồn vượt quá quy định cho phép

Thông số kỹ thuật:

Độ dài cáp: 88mm

Nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

Đầu nối ra 8 chân

Kích thước bàn phím: 77 x 69 mm

2.3 Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển

Vi xử lý ARM (Advance RISC Machine) là một loại vi xử lý 32-bit kiểu RISCđược sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng ARM được nghiên cứu và phát triển từnhững thập niên 80 của thế kỷ 20 bởi công ty Acorn, qua nhiều giai đoạn phát triểnkhác nhau với nhiều phiên bản của vi xử lý, ARM ngày càng chứng tỏ được sự ưu việtcủa vi xử lý trong phát triển các thiết bị

Vi xử lý ARM được thiết kế là trái tim của tất cả các thiết bị công nghệ từ điệnthoại di động, máy ảnh kỹ thuật số đến những thiết bị điều khiển trên ô tô… cung cấpcho các thiết bị có hiệu năng cao, chi phí hợp lý và sử dụng năng lượng một cách hiệuquả nhất Với sự tham gia của các tổ chức khác nhau, sự tích hợp vi xử lý ARM vàocác SOC (System On Chip) giúp cho vi xử lý ARM có khả năng tích hợp cao, được hỗ

trợ đầy đủ và nhanh chóng Trên thị trường hiện nay có rất nhiều dòng vi xử lý ARM,trong số đó không thể không nhắc đến dòng vi xử lý ARM Cortex – Mx là loại vi xử

lý được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực hệ thống nhúng.

Hình 2.13: Vi xử lý nhân ARMChính vì những mặt lợi thế của ARM mà nhóm chúng em đã quyết định lựachọn dòng vi điều khiển STM32F103 sử dụng dòng vi xử lý ARM STM32F103 làmột trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng nhưF0,F1,F2,F3,F4… STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3.STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz Giá thành cũng khá rẻ sovới các loại vi điều khiển có chức năng tương tự Mạch nạp cũng như công cụ lập trìnhkhá đa dạng và dễ sử dụng Dòng vi điều khiển STM32F103 còn có rất nhiều nhữngmặt mạnh hơn so với các dòng vi điều khiển khác như:

Hình 2.14: Vi điều khiển STM32F103

Sự tinh vi:

Thoạt nhìn thì các ngoại vi của STM32F103 cũng giống như những vi điềukhiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC Tuynhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị Ví dụ như bộ ADC 12-bit cótích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợnhiều chế độ chuyển đổi Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt sựkiện với tính năng input capture và tạo dạng sóng ở ngõ ra với output compare), mỗi

khối định thời có thể liên kết với các khối định thời khác để tạo ra một mảng các địnhthời tinh vi hơn

STM32 có hỗ trợ thêm tối đa 12 kênh DMA (Direct Memory Access) Mỗi kênh

có thể được dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghingoại vi đi với kích thước từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit Mỗingoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng để gửi hoặcđòi hỏi dữ liệu như yêu cầu

STM32F103 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao

Nó có thể hoạt động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72MHz và dòng tiêu thụ chỉ có 36mAvới tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động

Sự an toàn:

Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong môi trường khắckhe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều thiết bịngoại vi tinh vi Để đáp ứng các yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tínhnăng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất

Tính bảo mật:

Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại là nhu cầu bảomật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm Bộ nhớ Flash củaSTM32F103có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thông qua cổng Debug

Hình 2.15: Sơ đồ chân Board mạch STM32F103C8T6

Chức năng các chân chính của STM32F103C8T6 :

VBAT : cung cấp nguồn cho thanh nghi RTC và Backup

PA0 – PA15, PB0 – PB15… là các cổng vào ra của vi điều khiển

VSSA, VDDA : cung cấp điện áp tham chiếu cho ADC

VDD_1, VDD_2, VDD_3 : cung cấp nguồn cho vi điều khiển

VSS-1, VSS-2, VSS-3 : là các đất của vi điều khiển

PD0 OSC_IN, PD1 OSC_OUT : cung cấp thạch 2 cho vi điều khiển

NRST : chân reset của vi điều khiển

2.4 Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống

Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ3 dựa trên sự biến thiên của điện trở, ởmôi trường có nồng độ cồn càng lớn thì điện trở trong cảm biến sẽ càng nhỏ, tươngứng với điện áp ra của cảm biến gửi về vi điều khiển sẽ càng tăng Với mỗi một giá trịđiện áp ra sẽ tương ứng với một giá trị PPM tương ứng PPM được sử dụng để đonồng độ hóa học thường là trong dung dịch nước Nồng độ tan của 1 ppm là nồng độchất tan của 1/1000000 dung dịch

Ta có công thức chuyển đổi mg/l thành ppm như sau:

3 2

C2: nồng độ rượu tính bằng mg/l.

P : Khối lượng riêng của rượu (

3/

2.5 Phần mềm lập trình

Hệ sinh thái STM32Cube là một giải pháp phần mềm hoàn chỉnh cho các dòng

vi điều khiển STM32 và các dòng vi xử lý mà nó sử dụng STM32Cube là sự kết hợpcủa các công cụ phần mềm và các thư viện phần mềm nhúng:

• Đầy đủ các công cụ phần mềm hỗ trợ chạy trên máy tính giúp giải quyếttất cả những nhu cầu trong một chu trình phát triển dự án hoàn chỉnh

• Các phần mềm nhúng được thiết kế để chạy trên các dòng vi điều khiểnSTM32 và các vi xử lý tương ứng với nhiều chức năng khác nhau từ cácdriver cho từng ngoại vi của vi điều khiển đến những tính năng địnhhướng ứng dụng nâng cao

Hình 2.17: Giao diện phần mềm CubeMX

Keil C V5 là một trong những IDE tốt nhất hiện nay được các lập trình viên sửdụng để phát triển dòng vi điều khiển lõi ARM cho các ứng dụng nhúng