Luận văn Thiết Kế, Chế Tạo Thiết Bị Đo Và Cảnh Báo Nồng Độ Cồn

Tình trạng sử dụng rượu bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự an toàn giao thông trở thành vấn đề báo động, đây chính là nguyên nhân hành đầu gây tai nạn giao thông, do điều khiển ph

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

SENGCHANTHA VONG Obe

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO

NỒNG ĐỘ CỒN TRONG HƠI THỞ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên, tháng 8 năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình thành và phát triển từ quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của TS Lê Hùng Linh Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt nghiệp là hoàn toàn trung thực

SENGCHANTHAVONG Obe

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS.Lê Hùng Linh, Khoa

Công nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, Phòng Đào tạo trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, đã truyền đạt những kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tham gia khóa học và quá trình hoàn thành luận văn

Và cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và bạn bè, những người đã ủng hộ, động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi có được kết quả như ngày hôm nay

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHảO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ CẢNH BÁO NồNG ĐỘ CỒN 2

1.1 Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn 2

1.2 Mục đích của đề tài 3

1.3 Phân tích bài toán 5

1.3.1 Yêu cầu bài toán 5

1.3.2 Giải pháp thiết kế 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ 8

2.1 Giới thiệu về Arduino 8

2.1.1 Tổng quan 8

2.1.2 Giới thiệu về Arduino Nano 9

2.1.3 Các cổng vào /ra 10

2.1.4 Các chân năng lượng 11

2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE 13

2.1.6 Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE 14

2.2 Cảm biến nồng độ cồn 17

2.2.1 Khái niệm nồng độ cồn 17

2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn 17

2.3 Giới thiệu về LCD 16x4 19

2.4 Giới thiệu về Module thời gian thực DS13307 27

2.4.1 Ghép nối DS1307 với vi điều khiển 28

2.4.2 Tổ chức thanh ghi trong DS1307 28

2.5 Module đọc thẻ nhớ SD 30

2.6 Điện trở 30

2.7 Tụ điện 31

2.8 Đèn LED 33

2.8.1 Về mặt điện tử 34

2.8.2 Chiết suất 34

2.8.3 Lớp tráng phủ 35

2.8.4 Hiệu suất và các thông số hoạt động 35

2.8.5 Tuổi thọ 36

2.8.6 Tính chất 37

CHƯƠNG 3: thiết kế, XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN 39

3.1 Sơ đồ khối 39

3.2 Nguyên lý hoạt động 40

3.3 Mạch nguyên lý 42

3.4 Lưu đồ thuật toán 42

3.5 kết quả 47

3.5.1 Kết quả thiết kế trên máy tính 47

3.5.2 Kết quả thực nghiệm 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1:Arduino Nano 8

Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino Nano 10

Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano 12

Hình 2.4: Giao diện của phần mềm IDE 13

Hình 2.5: Cảm biến nồng độ cồn 17

Hình 2.6: Chân của cảm biến 18

Hình 2.7 Sơ đồ mạch điện của cảm biến 19

Hình 2.8: Module LCD16v4 20

Hình 2.9:Module thời gian thực DS13307 27

Hình 2.10: Ghép nối DS1307 với Arduino 28

Hình 2.11: Module đọc thẻ nhớ SD 30

Hinh 2.12: Sơ đồ mã điện trở 31

Hình 2.13: Một loại tụ điện 31

Hình 2.14: Sơ đồ làm việc của tụ điện 32

Hình 2.15: Sơ đồ cầu tạo tụ điện 33

Hình 2.16: Hình ảnh và cấu tạo của đèn LED 33

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 39

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý vẽ bằng phần mềm 42

Hình 3.3: Lưu đồ chương trình đo nồng độ cồn 44

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán khởi tạo và đọc giá trị ngày giờ từ module DS1307 45

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán ghi dữ liệu vào thẻ nhớ 46

Hình 3.4: Sơ đồ đi dây khi đã phủ đồng 47

Hình 3.5: Thể hiện mạch in dạng đen trắng 47

Hình 3.6: Ảnh thiết bị sau khi hoàn thiện 48

Hình 3.7 Ảnh các chi tiết trên thiết bị 49

Hình 3.8: BẬT/TẮT thiết bị 50

Hình 3.9: Đo nồng độ cồn 50

Hình 3.10: Sấy cảm biến MQ3 51

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE 14

Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh 15

Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của MQ3 18

Bảng 2.4: Chức năng các chân của LCD 16x4 20

Bảng 2.5: Chức năng các chân RS và R/W 22

Bảng 2.6: Bảng mã ký tự 23

Bảng 2.7:Tập lệnh của LCD 24

Bảng 2.8:Các thanh ghi trong IC thời gian thực DS1307 29

Bảng 3.1: Cảm biến sử dụng trong hệ thống 40

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT Từ viết tắt Tên đầy đủ Chú thích

1 AVR AVR microcontrollers Vi điều khiển AVR

2 IDII Interraction Design

Instistute Ivrea Thiết kế tương tác Ivrea

3 LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

4 ARM Acorn RISC Machine Vi xử lý cấu trúc 32-bit

Mức điện áp chuẩn để đo được các điện áp cao hay thấp

collector

Điện áp cao(điện áp gópchung)

9 TTL Transistor-transistor

10 ADC Analog to Digital

11 IDE Integrated Development

MỞ ĐẦU

Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO thì bia rượu là nguyên nhân gây tai nạn hàng đầu cho người tham gia giao thông, đặc biệt ở Việt Nam luôn là quốc gia tiêu thụ lượng bia rượu đứng hàng đầu thế giới Nên việc tuyên truyền vận động người dân không tham gia giao thông khi đã sử dụng rượu bia là ưu tiên hàng đầu Ngoài ra việc trang bị cho các chiến sỹ cảnh sát giao thông những chiếc máy đo nồng độ cồn là hết sức cần thiết Khi đã có những chiếc máy đo nồng độ cồn này các chiến sỹ giao thông có thể kịp thời phát hiện, nhắc nhở, xử phạt những người tham gia giao thông mà có nồng độ cồn vượt mức quy định nhằm góp phần giảm thiểu số vụ tai nạn có thể xảy ra

Vì vậy việc đề xuất một thiết bị đo, và cảnh báo nồng độ cồn người vi phạm

và nồng độ cồn lên là cần thiết

Tuy nhiên hiện nay các thiết bị đo này trên thị trường là thiết bị ngoại nhập, giá thành cao, do đó việc nghiên cứu thiết kế ra thiết bị này là có nhu cầu thực tế

Mục đích nghiên cứu của đề tài

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn trong hơi thở với các đặc tính cơ bản sau:

- Thiết bị đo có thể đo và hiển thị kết quả đo trực quan ngay tại thiết bị

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu phần giám sát nồng độ cồn

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu cảm biến MQ3 và ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tìm hiểu về đặc tính, ứng dụng của cảm biến MQ3

CHƯƠNG 1 KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ

CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN 1.1 Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn

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

Việt Nam là quốc gia thuộc tốp đầu các nước sử dụng rượu, bia khi tham gia giao thông Tình trạng sử dụng rượu bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự

an toàn giao thông trở thành vấn đề báo động, đây chính là nguyên nhân hành đầu gây tai nạn giao thông, do điều khiển phương tiện Đọi người lái xe Đã sử dụng rươu, bia thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy các biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đường không còn rõ ràng, chân nên đến khi

xử lý không đúng và có thể gây ra tai nạn Người say cũng “bốc đồng”, không còn khả năng kiểm soát tốc độ cho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường rất

dễ gây tai nạn

Để hướng tới mục tiêu an toàn giao thông, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật đã đưa ra rất nhiều quy định mới, một trong số đó là quy định về nồng độ cồn cho phép khi điều khiển phương tiện giao thông Khẩu hiệu “Đã uống rượu bia thì không lái xe” đã khá quen thuộc với người dân Việt Nam Vì thế, để giảm thiểu tối đa tai nạn giao thông, Bộ giao thông vận tải đã đưa ra các mức xử phạt tương ứng với mức độ vi phạm của người tham gia giao thông

Theo thống kê, hàng năm ở nước ta khoảng 9,000 người tử vong do tai nạn giao thông Một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng tại nạn giao thông

là do người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông Những hậu quả của người uống rượu bị tại nạn trong lúc tham gia giao thông và hiện nay đang là nỗi lo lắng, bức xúc của cá nhân, gia đình và xã hội

Luật giao thông đường bộ năm 2008 quy định cấm người điều khiển xe ô

tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng đường dài mà hơi thở có nồng độ cồn, cấm

người điều khiển mô tô, xe gắn máy mà trong máu có nồng độ cồn vượt quá 50 miligam/ 100mililit máu hoặc 0,8 miligam/ 1lít khí thở Nhằm hạn chế tai nạn giao thông và tăng tính răn đe cho hành vi vi phạm về nồng độ cồn điều khiển phương tiện tham gia giao thông, từ ngày 01/08/2016 nâng mức phạt tiền và thời gian tạm giữ giấy phép lái xe của người sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông

1.2 Mục đích của đề tài

Sự an toàn khi tham gia giao thông:

Tai nạn giao thông là hiểm họa thường trực đối với mỗi người tham gia giao thông hàng ngày Trong khi đó, ở Việt Nam số lượng người và phương tiện giao thông ngày càng đông và tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông trên 100,000 người dân cao hơn mức trung bình của thế giới (thế giới: 18 người, Việt Nam 24 người – Báo cáo thống kê của Viện nghiên cứu giao thông Đại học Michigan UMTRI MỸ)

Theo thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia, năm 2013 cả nước

đã xảy ra 29.385 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.369 người bị thương 29.500 người, trung bình mỗi ngày có 26 người chết và 81 người bị trần thường vì tai nạn giao thông trên toàn quốc Trong năm 2014, toàn quốc đã xảy ra 10.772 vụ tai nạn giao thông, làm chết 3.928 người, bị thương 10.556 người

Hậu quả của tai nạn giao thông vô cùng đau thương và nặng nề Đó là sự mất mát về tính mạng con người, là gánh nặng cho gia đình người bị nạn và những người liên quan về cả tình cảm lẫn vấn đề kinh tế Đặc biệt, đó là hậu quả mà bản thân bị tai nạn gánh chịu khi không thể trở lại là những lạnh lặn bình thường mà trở thành phế nhân Những hậu quả trên cho thấy tai nạn giao thông hiện nay là mối nguy hiểm khôn cùng, là kẻ thù vô cùng nguy hiểm đối với mỗi người tham gia giao thông

Vậy vấn đề đặt ra là tại sao tai nạn giao thông ở đất nước chúng ta lại xảy

ra nhiều với số người chết và bị thương cao đến vậy?

Lý do có thể kể ra rất nhiều: Hệ thống hạ tầng giao thông yếu kém, chất lượng phương tiện giao thông không đáp ứng đúng các yêu cầu về kỹ thuật, ý thức

chấp hành luật giao thông và ý thức tham gia giao thông của người dân còn thấp Song chung quy lại, nguyên nhân cơ bản nhất vẫn là nguyên nhân từ phía con người

Khi tham gia giao thông, bản thân mỗi người phương tiện phải có trách nhiệm với an toàn của mình và của những người tham gia giao thông khác Nhưng trên thực tế, tình trạng người uống rượu bia vẫn tham giao thông, người tham gia giao thông lạng lách, đánh võng, phóng nhanh vượt ẩu, không đội mũ bảo hiểm, không chấp hành luật giao thông đấy là sự kém ý thức của người tham gia giao thông Đấy là những nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến sự an toàn của người

và phương tiện khi tham gia giao thông

Vậy để giảm thiểu được tình trạng mất an toàn khi tham gia giao thông cần phải thực hiện nhiều biện pháp có tính hệ thống và lâu dài, trong đó quan trọng hơn hết vẫn là công tác tuyên truyền, giáo dục ý thức tham gia giao thông an toàn cho người dân Trên các phương tiện thông tin đại chúng đã và đang có nhiều chương trình tuyên truyền nhằm nâng cao ý thức tham gia giao thông

Thời gian gần đây, những vi phạm về luật giao thông có biểu hiện diễn biến phức tạp, trong đó nguyên nhân liên quan rượu, bia được các chuyên gia đánh giá khá nghiêm trọng Đặc điểm của người điều khiển phương tiện sau khi uống rượu, bia thường là chạy tốc độ cao, lạng lách, không làm chủ được tay lái, phán đoán

và xử lý tình huống kém Do đó, say rượu bia thường có liên quan mật thiết với việc vi phạm tốc độ, vượt sai quy định, nguy cơ dẫn đến tai nạn giao thông đều cao

Theo thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia, khoảng 40% số vụ tai nạn giao thông và 11% số người tử vong do tai nạn liên quan đến rượu, bia Nguyên nhân gây tai nạn giao thông vẫn nằm ngoài vấn đề cơ bản là ý thức của người tham gia giao thông Trong đó, ý thức chấp hành luật giao thông của người dân còn rất yếu, thậm chí coi thường tính mạng của bản thân và gây tổn hại cho người khác

Các quy định đối với người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông:

Có thể nói rằng, quy định pháp luật về nồng độ cồn trong máu đối với người điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ nói riêng và các lĩnh vực giao thông khác tương đối đầy đủ và ngày càng chặt chẽ

Đối với giao thông đường bộ, uống rượu, bia có ảnh hưởng rất lớn đối với người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông như dễ vi phạm quy tắc giao thông, xử lý tình huống trên đường kém làm tăng nguy cơ gây tai nạn giao thông, Hành vi sử dụng rượu bia quá nồng độ cồn là điều nghiêm cấm đối với người điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ Mức độ quy định về nồng độ cồn trong máu ngày càng chặt chẽ, khắt khe hơn để bảo đảm an toàn cho người điều khiển phương tiện, hạn chế tai nạn giao thông

Để tích cực ngăn chặn việc người điều khiển phương tiện giao thông trong tình trạng say rượu bia, theo nghị định 46/2016/NĐ – CP quy định người điều khiển xe ô tô trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 – 80 miligam/100 mililit máu hoặc vượt quá 0,25 – 0,4 miligam/1 lít khí thở thì

sẽ bị phạt

Chính vì thế có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồn đối với những người tham gia giao thông Nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa tai nạn giao thông Đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn trong hơi thở” mang tính cộng đồng và xã hội cao, nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa kịp thời và cảnh báo sớm hiểm họa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một thói quen và ý thức tốt cho người tham gia giao thông

1.3 Phân tích bài toán

1.3.1 Yêu cầu bài toán

- Đề xuất chọn phương pháp phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở của người điều khiển phương tiện tham gia giao thông

- Thiết kế, thi công mạch đo cảnh báo nồng độ cồn

- Thử nghiệm hệ thống cảnh báo

Hiện nay có nhiều phương pháp phát hiện nồng độ cồn là:

Phương pháp đo nồng độ cồn trong máu: Đây là phương pháp được sử dụng

để xác định lượng các chất kích thích và hoạt chất gây ảnh hưởng tới cơ thể con người có trong máu Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong 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 qua quy trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm mới cho ra kết quả, do đó gây tốn thời gian 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 độ cồn cao Sử dụng các thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo nồng

độ cồn trong không khí của không gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia

Có nhiều phương pháp để pháp hiện trạng thái say của của người lái xe Qua tham khảo các kết quả nghiên cứu có nhận xét: các phương pháp xác định nồng độ cồn trong hơi thở hiện đang được sử dụng phổ biến Bởi vì, sử dụng cảm biến đo nồng độ cồn trong hơi chỉ cần thời gian khoảng 8 đến 10 giây

Vì thế trong đề tài tôi sẽ đi sâu vào thiết kế mạch đo và cảnh báo nồng độ cồn qua hơi thở

ta chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng độ cồn 80mg/lít khí thở

Ngoài ra kết quả đo còn được lưu lại vào thẻ nhớ SD để có thể mở ra xtôi lại khi cần thiết Các kết quả đo này được lưu tuần tự theo thời gian thực

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Vấn nạn điều khiển phương tiện giao thông sau khi đã sử dụng rượu bia ngày càng xảy ra thường xuyên Điều khiển các phương tiện giao thông trong khi Nồng độ cồn trong máu và hơi thở quá mức quy định cho phép, làm người điều khiển không làm chủ được phương tiện, xứ lí các tình huống khẩn cấp trở nên không chính xác, dễ gây tai nạn cho bản thân và những người tham gia giao thông xung quanh Cấp thiết cần có một thiết bị có thể đo và cảnh báo chính xác cho người tham gia giao thông về tình trạng cơ thể sau khi đã uống rượu bia

Luận văn phân tích kĩ lưỡng các trường hợp cần sử dụng thiết bị, mục đích chế tạo cũng như những lợi ích khi sử dụng thiết bị Song hành, luận văn cũng đảm bảo việc nghiên cứu, phân tích bài toán đo và cảnh báo nồng đọ cồn một cách

kĩ lưỡng, chính quy Từ đó đưa ra các phương pháp, giải pháp và định hướng thiết

kế thiết bị sao cho đạt được độ chính xác và hiệu quả cao nhất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ

2.1 Giới thiệu về Arduino

2.1.1 Tổng quan

Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005 Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm

vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác Ngoài ra mạch có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, Ethernetshield, sim900A, 800L…để tăng khả ứng dụng của mạch

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng

vi

xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,…

Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE Đây là phần mềm mã nguồn mở, và có thể được download từ trang web của Arduino

Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới cũng có nhiều board mạch vi điều khiển khác nhau Tuy nhiên Arduino có một số ưu điểm mà khiến nó trở nên nổi tiếng và hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Những ưu điểm đó là: rẻ, tương thích được với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng,

dễ ứng dụng, sử dụng nguồn mở và có thể kết hợp với nhiều module khác nhau

Hình 2.1:Arduino Nano

Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính Các bo mạch chính về cơ bản giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có độ khác nhau Một số bo mạch có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth Các bo

mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính Ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản cho tới phức tạp Trong đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino dù cho chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp

2.1.2 Giới thiệu về Arduino Nano

Arduino Nano là bản thu nhỏ của các bản như ArduinoUno R3 và các loại Arduino khác, Arduino Nano được thiết kế để sử dụng với breadboard nhưng vẫn đầy đủ chức năng như một board arduino bình thường khác

Arduino Nano sử dụng chip Atmega328-AU nên còn có thêm 2 chân Analog A6 và A7 mà các board sử dụng chip cắm không hề có Trên board tích hợp IC ổn áp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board nên board không cần sử dụng công tắc chọn nguồn Trên board Arduino Nano sử dụng IC chuyên dụng USB to COM là chip FTDI FT232RL hoặc CH340G

Thông số kỹ thuật:

 Vi điều khiển: Atmega328P

 Điện áp hoạt động: 5V

 Tần số hoạt động: 16 MHz

 Điện áp đầu vào khuyên dùng : 7V - 12V DC

 Điện áp vào giới hạn : 6-20V DC

 Số chân Digital I/O : 14 (6 chân hardware PWM)

 Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 2KB dùng bởi bootloader

 SRAM 2 KB (Atmega328)

 EEPROM 1 KB (Atmega328)

 Kích thước board : 0,73 x 1,70 (Inch)

Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino Nano

2.1.3 Các cổng vào /ra

Mạch ArduinoNano có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển Atmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối) Một số

chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua hai chân này Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, chúng ta không nên sử dụng hai chân này nếu không cần thiết

LED 13: trên Arduino Nano có một đèn led màu cam (ký hiệu chữ L) Khi

bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân

số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino Nano Broad có 8 chân analog (A0 → A7) cung cấp độ phân giải

tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng (0V → 5V) Với

chân AREF trên board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các

chân analog Tức là nếu chúng ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn

là 10bit

2.1.4 Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino NANO Khi

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Nano mình có thể

nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

VREF: của vi điều khiển trên Arduino Nano có thể được đo ở chân này nó

luôn là 5V Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi

chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương

với việc chân RESET được nối với GND qua một điện trở 10KΩ

Lưu ý:

Arduino Nano không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó chúng ta phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino Nano

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí

có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino Nano với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino Nano nếu vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino Nano

sẽ làm hỏng vi điều khiển

Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano

2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE

Phần này nói về giao diện của phần mềm IDE, hình bên dưới thể hiện những phần cơ bản nhất và thường dùng nhất để có thể học nhanh Arduino…Các chức năng

cơ bản của các biểu tượng trên phần mền được trình bày chi tiết ở các phần bên dưới

Hình 2.4: Giao diện của phần mềm IDE

Chức năng của từng phần như sau:

1, Nút kiểm tra chương trình: Dùng để kiểm tra xem chương trình được viết

có lỗi không Nếu chương trình bị lỗi thì phần mềm sẽ hiển thị thông tin lỗi ở vùng số 5

2, Nút nạp chương trình xuống bo Arduino: Dùng để nạp chương trình được viết xuống mạch Arduino Trong qua trình nạp, chương trình sẽ được kiểm tra lỗi trước sau đó mới thực hiện nạp xuống mạch Arduino

3, Hiển thị màn hình giao tiếp với máy tính: Khi nhấp vào biểu tượng kính

4 Vùng lập trình

3 Hiển thị màn hình giao tiếp với máy tính

2 Nút nạp chương trình xuống bo mạch

1 Nút kiểm tra

chương trình

5 Vùng thôngbáo thông tin

số mà người dùng muốn đưa lên màn hình Muốn đưa lên màn hình phải có lệnh Serial.print() mới có thể đưa thông số cần hiển thị lên màn hình

4, Vùng lập trình:Vùng này để người lập trình thực hiện lập trình

5, Vùng thông báo thông tin: Có chức năng thông báo các thông tin lỗi của chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình

2.1.6 Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE

Phần này sẽ đưa ra cấu trúc của một chương trình trong IDE, đồng thời giải thích một số lệnh thường được sử dụng để thuận tiện cho người dùng

Phần 1: Khai báo biến:

Đây là phần khai báo kiểu biến, tên các biến, định nghĩa các chân trên board một số kiểu khai báo biến thông dụng:

 define

Nghĩa của từ define là định nghĩa, hàm #define có tác dụng định nghĩa, hay còn gọi là gán, tức là gán một chân, một ngõ ra nào đó với một cái tên

Khai báo các kiểu biến khác như: int (kiểu số nguyên), float,…

Phần 2: Thiết lập (void setup())

Phần này dùng để thiết lập cho chương trình, cần nhớ rõ cấu trúc của nó void setup()

Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp:

Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh

Ký hiệu, câu lệnh Ý nghĩa

#define biến chân

Xác định câu lệnh này nhằm gán tên một biến vào một chân nào

; Lệnh này dùng để đọc giá trị analog tại chân muốn đọc

2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn

Hình 2.5: Cảm biến nồng độ cồn

Cảm biến MQ-3 được sử dụng để đo nồng độ cồn 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, tỷ lệ điện trở của cảm biến giảm gần 5 lần khi đo trong môi trường không khí sạch Tuy nhiên hiệu ứng pháp 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 60℃, thời gian cần thiết để phát hiện nồng độ cồn kéo dài khỏng 8 giây Cũng trong môi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 20℃ thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 đến 5 phút

Hình 2.6: Chân của cảm biến

 Giao diện có 4 chân

1 VCC hoạt động điện áp 5V

2 GND để kết nối GND

3 D0 đầu ra giao diện chuyển đổi kỹ thuật số (0 và 1)

4 A0 đầu ra tương tự

Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của MQ3

Chất phản ứng Cồn(ethanol)

Điện trở cảm biến 2÷ 20 KΩ tại nồng độ cồn 0,4mg/l

nồng độ cồn bằng 0 và 0,4mg/l

 Sơ đồ mạch điện của cảm biến

Hình 2.7 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 thương 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

2.3 Giới thiệu về LCD 16x4

LCD 16x4 là màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong bảng mã ACSII Màn hình sử dụng là màn hình text LCD 16x4 xanh dương, có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng là 16 ký tự, các ký tự có màu trắng và có

độ phân giải 7x5 pixel trên nền sáng xanh dương phát ra từ LCD

LCD 16x4 sử dụng driver HD44780 điều khiển và truy xuất dữ liệu LCD

LCD 16x4 nghĩa là loại có 4 dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được 20 ký tự Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện

- Hiển thị tối đa 16 ký tự trên 4 dòng

- Ngõ giao tiếp: 16 chân

- Chữ đen nền xanh lá hoặc xanh dương

Hình 2.8: Module LCD16v4

 Chức năng các chân của LCD16x4

Bảng 2.4: Chức năng các chân của LCD 16x4

4 RS

Chọn thanh ghi:

RS=0: chọn thanh ghi lệnh RS=1: chọn thanh ghi dữ liệu

Chọn thanh ghi đọc viết dữ liệu:

R/W=0: thanh ghi viết R/W=1: thanh ghi đọc

cho phép của chân E

Ở chế độ ghi: dữ liệu ở bus LCD chuyển vào thanh ghi bên

trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition)

Ở chế độ đọc: dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi

phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó

Thanh ghi DR: thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng RAM DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng RAM này gởi ra MPU (ở chế độ đọc) Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR, mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này vảo DDRAM hoặc CGRAM Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng RAM nội của HD44780 sẽ được chuyển ra DR để truyền cho MPU

Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữa

2 thanh ghi này khi giao tiếp với MPU Bảng sau đây tóm tắt lại các thiết lập đối với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp

Bảng 2.5: Chức năng các chân RS và R/W

RS R/W Chức năng

0 0 Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD

0 1 Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở

Khi thực hiện các hoạt động bên trong chip, mạch nội bên trong cần 1 khoảng thời gian để hoàn tất Khi đang thực thi các hoạt động bên trong chip như thế, LCD bỏ qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF lên để báo cho MPU biết nó đang bận Dĩ nhiên, khi xongviệc, nó sẽ đặt cờ BF lại mức 0

Bảng 2.6: Bảng mã ký tự