Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật năng lượng: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo nồng độ cồn dùng vi điều khiển

Cấu trúc của luận văn gồm 03 chương, ngoài ra còn mục lục, danh mục từ viết tắt, bảng/hình vẽ, phụ lục và tài liệu tham khảo; cụ thể: Chương 1 - Tổng quan về cơ sở lý thuyết; chương 2 - Thiết kế, chế tạo máy đo nồng độ cồn dùng vi điều khiển và chương 3 - Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Mời các bạn tham khảo!

TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quá trình chuyển hóa đồ uống có cồn trong cơ thể

Đồ uống có cồn, hay còn gọi là ethyl alcohol (ethanol), là một chất lỏng được sản xuất từ quá trình lên men đường Thuật ngữ này thường chỉ các loại đồ uống như bia, rượu và rượu mạnh có khả năng gây say Độ rượu được xác định bởi tỷ lệ thể tích ethanol trong dung dịch; ví dụ, vodka có độ rượu 40%, nghĩa là trong 100 ml vodka có 40 ml ethanol.

Bảng 1.1 Độ rượu của một số loại đồ uống

Loại đồ uống Độ rượu Loại đồ uống Độ rượu

1.1.2 Chuyển hóa rượu trong cơ thể người và cơ chế gây độc

Khi rượu được uống, khoảng 20% được hấp thu tại dạ dày và 80% tại ruột non, với toàn bộ rượu hấp thu trong 30-60 phút Sau đó, 90% rượu được chuyển hóa tại gan, trong khi 5-10% còn lại được thải ra qua mồ hôi, hơi thở và nước tiểu Người lớn không nghiện có khả năng chuyển hóa khoảng 7-10g ethanol mỗi giờ, dẫn đến giảm nồng độ ethanol trong máu khoảng 15-20mg/dL/giờ Ngược lại, người nghiện rượu có thể chuyển hóa nhanh hơn, với nồng độ ethanol trong máu giảm từ 30-40 mg/dL/giờ Sau 6 giờ, nồng độ ethanol trong máu có thể giảm từ 90-240 mg/dL.

Ethanol gây độc cho các cơ quan trong cơ thể qua 2 cơ chế chính: qua hệ thống thần kinh và qua rối loạn chuyển hóa

Ethanol ảnh hưởng đến hệ thống thần kinh bằng cách làm giảm cả hai quá trình hưng phấn và ức chế, dẫn đến tăng khả năng mất kiểm soát hành vi.

Rượu được chuyển hóa tại gan qua hệ thống enzyme ADH, biến đổi ethanol thành acetaldehyde, một chất độc hại cho các cơ quan trong cơ thể Sau đó, gan tiếp tục chuyển hóa acetaldehyde thành acetate nhờ enzyme ALDH và glutathione, với acetate ít độc hơn và có thể được phân hủy thành năng lượng và CO2 Khả năng giải độc của gan phụ thuộc vào lượng enzyme và chất chống oxy hóa glutathione mà gan sản xuất Tuy nhiên, gan chỉ có thể sản sinh một lượng enzyme nhất định mỗi giờ, giới hạn khả năng chuyển hóa acetaldehyde.

Học viên: Vũ Trí Võ 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

1.1.3 Khái niệm nồng độ cồn trong máu

Trên thế giới, nồng độ cồn được đo bằng hai khái niệm chính là nồng độ cồn trong máu (BAC) và nồng độ cồn trong huyết thanh (SAC) Tuy nhiên, hầu hết các quốc gia quy định nồng độ cồn cho người lái xe dựa vào BAC Tỷ lệ quy đổi từ SAC sang BAC dao động từ 1,04 đến 1,26.

Tình hình sử dụng đồ uống có cồn và tai nạn giao thông

1.2.1 Thực trạng sử dụng đồ uống có cồn trên thế giới

Báo cáo của WHO năm 2004 về tình hình sử dụng chất có cồn toàn cầu chỉ ra sự khác biệt rõ rệt trong tỷ lệ người kiêng rượu, người nghiện rượu nặng và thường xuyên say xỉn giữa các quốc gia Cụ thể, tỷ lệ người kiêng rượu trong nhóm dân số trẻ tại Luxembourg chỉ đạt 2-5%, trong khi con số này lên tới 99,5% ở một số nước khác.

Tại Ấn Độ, tỷ lệ người nghiện rượu nặng chỉ chiếm từ 1-4%, trong khi ở Colombia, con số này cao hơn đáng kể, lên tới 31,8%.

Hình 1.1 Sử dụng chất có cồn và lái xe là yếu tố nguy cơ tử vong tai nạn giao thông

Tại Úc: tỷ lệ 7% chưa phản ánh hết tình hình thực tế do việc kiểm tra nồng độ cồn không được phép thực hiện ở người đã tử vong

Tại Bồ Đào Nha, dữ liệu thống kê về nồng độ cồn trong hơi thở của người điều khiển phương tiện chưa đầy đủ, vì không phải tất cả các tài xế đều được kiểm tra.

Thói quen uống rượu và lượng tiêu thụ có ảnh hưởng lớn đến khả năng điều khiển phương tiện sau khi sử dụng đồ uống có cồn Hình 1.2 minh họa sự khác biệt về mức độ sử dụng chất có cồn trên toàn cầu, từ điểm 1 (nguy cơ thấp nhất) đến điểm 4 (nguy cơ cao nhất) Đặc biệt, các quốc gia có thu nhập thấp và trung bình thường có tỷ lệ sử dụng rượu cao, dẫn đến nguy cơ cao hơn trong việc điều khiển phương tiện.

Hình 1.2 Tình hình sử dụng chất có cồn theo đơn vị trên thế giới

Theo Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO), tai nạn giao thông liên quan đến rượu bia có tỷ lệ cao và gây chấn thương nghiêm trọng, không chỉ cho người lái xe mà còn cho hành khách và người tham gia giao thông khác Ở các quốc gia có thu nhập cao, khoảng 20% tổng số ca tử vong do tai nạn giao thông đường bộ liên quan đến việc lái xe dưới ảnh hưởng của rượu bia Tại Mỹ, có tới nửa triệu người bị thương mỗi năm do những vụ tai nạn này.

Mỗi năm, 17.000 người chết do tai nạn giao thông liên quan đến việc lái xe dưới ảnh hưởng của rượu bia, trong đó 40% là tử vong Tại các nước thu nhập thấp và trung bình, tỷ lệ lái xe bị thương tích chết người từ 33% đến 69% và tỷ lệ lái xe bị chấn thương nặng từ 9% đến 29% đều liên quan đến việc sử dụng chất có cồn Ở Ấn Độ, tại Bangalore, 28% vụ tai nạn giao thông xảy ra ở nam giới từ 15 tuổi trở lên có liên quan đến việc sử dụng rượu, bia Tại Thái Lan, gần 45% nạn nhân thương tích do tai nạn giao thông có nồng độ cồn trong máu từ 0,1g/100ml trở lên.

1.2.2 Thực trạng sử dụng đồ uống có cồn tại Việt Nam Đối với nước ta, những năm gần đây, cùng với sự tăng trưởng các phương tiện mô tô, ô tô, số lượng các tai nạn giao thồn có nguyên nhân bởi người điều khiển phương tiện trọng tình trạng say rượu, bia ngày càng phổ biến đến mức báo động Kết quả điều tra tại 5 trung tâm chấn thương tại các bệnh viện lớn ở Hà Nội, tỉnh Yên Bái, tỉnh Bình Dương và Thành Phố Hồ Chí Minh từ tháng 8 đến tháng 10 năm 2009 trong tổng số 3774 bệnh nhân bị tai nạn giao thông đến viện có tới 67,5% số trường hợp

Theo thống kê từ 2574 ca cấp cứu, có 58,5% nạn nhân có nồng độ cồn trong máu vượt quá giới hạn cho phép 0,05mg/100ml Nghiên cứu tại bệnh viện Việt Đức và Sain Paul trong giai đoạn 2008-2009 cho thấy 62% nạn nhân tai nạn giao thông có nồng độ cồn trong máu Ngoài ra, Viện pháp y quốc gia đã xét nghiệm 500 nạn nhân tử vong và phát hiện 34% trong số họ có nồng độ cồn vượt mức cho phép.

Trên thế giới, mỗi quốc gia có quy định riêng về giới hạn nồng độ cồn trong máu (BAC) khi lái xe Một số nước như Australia, Hungary và Brunei nghiêm cấm lái xe khi có nồng độ cồn, với BAC quy định là 0,00% Trong khi đó, Mỹ, Malaysia và Singapore cho phép BAC tối đa là 0,08% Ở ngưỡng 0,08 BAC, khả năng gây tai nạn của tài xế tăng gấp 11 lần so với người không uống rượu Nhiều quốc gia cũng có quy định nghiêm ngặt về nồng độ cồn cho lái xe buýt và người dưới 21 tuổi, với giới hạn từ 0,00% đến 0,01% Tất cả các quốc gia đều áp dụng chế tài xử phạt nghiêm khắc đối với vi phạm, bao gồm phạt tiền, thu giấy phép lái xe, bồi thường thiệt hại và truy cứu trách nhiệm hình sự.

Luật Giao thông đường bộ năm 2008 tại Việt Nam cấm người điều khiển ô tô, máy kéo và xe máy chuyên dùng có nồng độ cồn trong máu hoặc hơi thở Đối với mô tô và xe gắn máy, mức nồng độ cồn trong máu không được vượt quá 50 miligram/100 mililit hoặc 0,25 miligram/1 lít khí thở Để giảm thiểu tai nạn giao thông và tăng cường tính răn đe đối với hành vi vi phạm nồng độ cồn khi tham gia giao thông, từ ngày 01/08/2016, mức phạt tiền và thời gian tạm giữ giấy phép lái xe sẽ được nâng lên đối với người sử dụng rượu bia.

Theo Khoản 8, Luật Giao thông đường bộ, việc điều khiển xe ô tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng khi có nồng độ cồn trong máu hoặc hơi thở là hành vi nghiêm cấm Đối với xe mô tô và xe gắn máy, nồng độ cồn trong máu vượt quá 50 miligam/100 mililít hoặc 0,25 miligam/1 lít khí thở cũng bị xử phạt Cụ thể, theo Điều 2, Nghị định 71/2012/NĐ-CP ngày 19 tháng 9 năm 2012, quy định xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực giao thông đường bộ áp dụng cho cả người điều khiển và người ngồi trên xe mô tô, xe gắn máy.

Học viên Vũ Trí Võ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử máy điện cần nắm rõ quy định về xử phạt vi phạm giao thông đường bộ Theo Điều 1 Nghị định 71/2012/NĐ-CP, người điều khiển xe có nồng độ cồn trong máu hoặc hơi thở sẽ bị phạt tiền từ 2.000.000 đồng đến 3.000.000 đồng nếu nồng độ cồn chưa vượt mức quy định Nếu nồng độ cồn từ 50 đến 80 miligam/100 mililít máu, mức phạt sẽ từ 8.000.000 đồng đến 10.000.000 đồng Đối với nồng độ cồn vượt quá 80 miligam/100 mililít máu, mức phạt sẽ từ 10.000.000 đồng đến 15.000.000 đồng, cùng với các hành vi không chấp hành yêu cầu kiểm tra của lực lượng chức năng.

Người điều khiển xe có nồng độ cồn trong máu hoặc hơi thở, nhưng chưa vi phạm mức quy định tại Điểm b Khoản 7 và Điểm a Khoản 8, sẽ bị phạt tiền từ 2.000.000 đồng đến 3.000.000 đồng.

Người điều khiển xe có nồng độ cồn trong máu từ 50 đến 80 miligam/100 mililít hoặc trong hơi thở từ 0,25 đến 0,4 miligam/1 lít sẽ bị phạt tiền từ 8.000.000 đồng đến 10.000.000 đồng.

Người điều khiển xe sẽ bị phạt tiền từ 10.000.000 đồng đến 15.000.000 đồng nếu có nồng độ cồn trong máu vượt quá 80 miligam/100 mililít hoặc trong hơi thở vượt quá 0,4 miligam/1 lít Ngoài ra, việc không chấp hành yêu cầu kiểm tra nồng độ cồn và chất ma túy của người kiểm soát giao thông cũng sẽ bị xử phạt tương tự.

Ảnh hưởng của đồ uống có cồn đến việc lái xe và nguy cơ tai nạn

Bảng 1.2: Ảnh hưởng của BAC đối với cơ thể và hành vi lái xe [9]

(g/100 ml) Những ảnh hưởng tới cơ thể

- Tăng nhịp tim và nhịp thở

- Giảm các chức năng thần kinh trung ương

- Mâu thuẫn khi thể hiện các hành vi cư xử

- Giảm khả năng phán đoán và sự ức chế

- Cảm thấy phấn chấn, thư giãn và thoải mái

- Giảm đau về mặt sinh lý ở hầu như toàn bộ cơ thể

- Giảm sự chú ý và cảnh giác, phản ứng chậm, làm giảm sự phối hợp và giảm sức mạnh của các cơ bắp

- Giảm khả năng đưa ra các quyết định dựa trên lý trí hoặc khả năng đánh giá

- Tăng sự lo âu và chán nản

- Phản ứng chậm một cách rõ ràng

- Suy giảm khả năng giữ cân bằng và di chuyển Suy giảm một số chức năng thị giác

- Nôn, đặc biệt nếu BAC tăng lên nhanh

- Suy yếu trầm trọng các giác quan, bao gồm sự giảm của nhận thức về các kích thích bên ngoài

- Suy yếu trầm trọng cơ vận động/thần kinh vận động, ví dụ như thường xuyên bị choáng, ngã

- Bất tỉnh, có thể so sánh với việc bị gây mê khi phẫu thuật Tử vong (nhiều trường hợp)

- Tử vong thường do suy hô hấp

Lái xe dưới ảnh hưởng của đồ uống có cồn làm tăng nguy cơ va chạm đáng kể so với những người có nồng độ cồn trong máu (BAC) bằng 0 Nguy cơ này gia tăng nhanh chóng khi nồng độ cồn trong máu tăng lên, và các nghiên cứu từ những năm 80, 90 cho đến năm 2002 đã khẳng định và củng cố những kết quả này.

Người lái xe ô tô và xe máy có nồng độ cồn trong máu (BAC) trên 0 là nhóm có nguy cơ cao hơn về thương tích giao thông so với những người không sử dụng rượu bia Nguy cơ va chạm gia tăng đáng kể khi mức BAC đạt 0,04g/100ml.

Lái xe trẻ chưa có kinh nghiệm có nguy cơ gặp tai nạn giao thông cao gấp 2,5 lần so với những tài xế dày dạn hơn khi nồng độ cồn trong máu (BAC) đạt từ 0,05g/100ml.

- Lái xe trẻ từ 20-29 tuổi: có nguy cơ cao gấp 3 lần so với nhóm trên 30 tuổi ở mọi mức BAC

- Lái xe tuổi vị thành niên: có nguy cơ bị va chạm giao thông tử vong gấp 5 lần so với nhóm tuổi trên 30 ở mọi mức BAC

Lái xe vị thành niên với nồng độ cồn BAC 0,03 g/100ml và chở từ 2 người trở lên có nguy cơ va chạm giao thông cao gấp 34 lần so với lái xe trên 30 tuổi không sử dụng chất có cồn và không chở khách.

Số lượng người không kiểm soát hành động sau khi uống rượu rất lớn, với nồng độ cồn 0,05mg/lít khí thở làm giảm khả năng suy nghĩ và gây kích động nhẹ Khi nồng độ tăng lên 0,1mg/lít, người uống gặp khó khăn trong việc cầm nắm và di chuyển, còn ở mức 0,2mg/lít, họ dễ bị ức chế và có biểu hiện giận dữ Nếu nồng độ cao hơn, người uống có thể bị lú lẫn và không nhận thức được môi trường xung quanh Tình trạng tai nạn và chấn thương sọ não do điều khiển phương tiện sau khi sử dụng rượu luôn ở mức đáng báo động.

Theo nghiên cứu của WHO, một đơn vị uống chuẩn tương đương với 10 gam cồn, bao gồm 30 ml rượu mạnh (40 độ), 100 ml rượu vang (13,5 độ), hoặc 330 ml bia Để duy trì nồng độ cồn trong máu dưới 50 miligam/100 mililít (hoặc dưới 0,25 miligam/lít khí thở) khi điều khiển xe máy, nam giới không nên uống quá 2 đơn vị trong giờ đầu tiên và không quá 1 đơn vị trong mỗi giờ tiếp theo Đối với phụ nữ, giới hạn là không quá 1 đơn vị và không uống quá 1 đơn vị trong mỗi giờ sau đó.

Theo Ủy ban An toàn Giao thông Quốc gia, 40% vụ tai nạn giao thông liên quan đến người điều khiển phương tiện uống rượu bia, trong khi 11% số ca tử vong trên đường có liên quan đến đồ uống này.

Rượu và bia chứa cồn có tác động ức chế lên hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng lái xe an toàn Việc tiêu thụ đồ uống có cồn làm giảm các kỹ năng cần thiết như vận động thần kinh, quan sát và cảm nhận, từ đó gia tăng nguy cơ tai nạn giao thông.

Học viên Vũ Trí Võ, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, cho biết rằng khả năng điều chỉnh và xử lý thông tin của người uống rượu bia sẽ suy giảm tương ứng với nồng độ cồn trong máu.

Bảng 1.3 Giới hạn BAC cho người điều khiển phương tiện tại các quốc gia và khu vực [12]

* Ảnh hưởng đến khả năng quan sát

Uống rượu, bia ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng giao tiếp giữa não bộ và mắt, làm giảm tầm quan sát và khả năng nắm bắt sự kiện xung quanh Người say rượu mất dần kỹ năng quan sát, phản ứng chậm hơn và khả năng kiểm soát cơ thể bị suy giảm.

* Ảnh hưởng đến khả năng nhận thức

Khi nồng độ cồn trong cơ thể cao, con người có thể mất khả năng nhận thức về thế giới xung quanh Ngay cả một lượng nhỏ cồn cũng có thể làm chậm quá trình nhận thức, ảnh hưởng tiêu cực đến hành vi và lời nói.

* Ảnh hưởng đến khả năng tập trung

Uống rượu bia ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ thần kinh trung ương, làm suy giảm khả năng thu thập và xử lý thông tin của con người, đặc biệt là khi tham gia giao thông Người lái xe cần xử lý nhiều thông tin từ các giác quan và đưa ra quyết định kịp thời để ứng phó với các tình huống phát sinh, điều này đòi hỏi sự phối hợp nhanh chóng và linh hoạt Theo giáo sư Godfrey Pearlson, người say xỉn thường lái xe với tốc độ cao do tác động của cồn lên tiểu não, khu vực điều khiển vận động, dẫn đến hành vi liều lĩnh như đánh võng do sự sai sót ở vỏ não trước.

Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của rượu bia phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cân nặng, giới tính, lượng uống và thời gian tác động Người có trọng lượng nhẹ dễ bị tác động xấu hơn, trong khi phụ nữ thường bị ảnh hưởng nặng nề hơn so với nam giới khi lái xe Lượng cồn trong máu tăng theo hàm mũ chứ không phải tuyến tính, và thời gian tác động kéo dài Sự ảnh hưởng của nồng độ cồn không diễn ra ngay lập tức mà cần một khoảng thời gian nhất định để phát tác.

Hình 1.3 thể hiện kết quả nghiên cứu về sự gia tăng nồng độ cồn trong máu và hơi thở sau khi tiêu thụ rượu, cũng như mối liên hệ với số vụ tai nạn giao thông Đồ thị cho thấy rằng nồng độ cồn trong máu không tăng ngay lập tức sau khi uống, mà cần một khoảng thời gian nhất định để nồng độ này tăng lên [4].

Hình 1.3 Mối quan hệ giữa số vụ tai nạn và thời gian đáp ứng tương ứng với nồng độ cồn trong máu của tài xế

Một số phương pháp xác định nồng độ cồn

1.4.1 Đo nồng độ cồn trong máu

Phân tích đo đạc trực tiếp mẫu máu là phương pháp chính xác nhất để xác định nồng độ cồn trong máu (BAC) và được sử dụng để xác định các chất kích thích có trong cơ thể Phương pháp này sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phòng thí nghiệm để đảm bảo độ chính xác cao Tuy nhiên, nhược điểm lớn là cần phải lấy mẫu máu tại cơ sở y tế, dẫn đến quy trình thử nghiệm kéo dài và không phù hợp cho các tình huống cần kiểm tra nhanh tại hiện trường.

1.4.2 Đo nồng độ cồn qua khí thở

Sử dụng thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo nồng độ trong không khí xung quanh người lái là phương pháp hiệu quả để đánh giá tình trạng say rượu, bia.

Nguyên lý đo nồng độ cồn trong hơi thở dựa vào sự bay hơi của cồn trong máu, khi cồn hòa lẫn với không khí qua phổi trong quá trình thở Hiện nay, thiết bị cầm tay được sử dụng phổ biến để phát hiện hàm lượng cồn trong hơi thở Nguyên tắc hoạt động của chúng là khi các phân tử cồn hấp phụ lên bề mặt màng (như bán dẫn ZnO hay các polymer dẫn như Polypyrrole), sẽ dẫn đến sự thay đổi độ dẫn của màng, từ đó hiển thị các chỉ số cụ thể.

Nồng độ cồn trong máu không tăng ngay lập tức sau khi tiêu thụ rượu, bia; mà cần một khoảng thời gian để nồng độ này gia tăng Sau đó, chỉ số nồng độ cồn trong hơi thở của người uống cũng sẽ tăng theo.

Hình 1.4 Cảnh sát kiểm tra nồng độ cồn của lái xe ô tô

1.4.3 Đo nồng độ cồn qua da

Dự án DADSS (Hệ thống phát hiện nồng độ cồn) đang được Hiệp hội An toàn Giao thông Đường bộ Mỹ, các hãng ôtô hàng đầu thế giới và Cơ quan An toàn Giao thông Cao tốc Quốc gia Mỹ hợp tác phát triển Công nghệ này được thiết kế để phát hiện nồng độ cồn trong máu của người lái, từ đó ngăn chặn xe di chuyển khi phát hiện lái xe say rượu, góp phần giảm thiểu thương vong do tai nạn giao thông Hiện tại, hai phương pháp nhận biết đang được nghiên cứu và thử nghiệm, bao gồm công nghệ cảm ứng và phân tích hơi thở.

Hệ thống cảm ứng của Hyundai sử dụng ánh sáng hồng ngoại (NIR) để đo nồng độ cồn trong máu qua bề mặt da ở đầu ngón tay, giúp nhận diện tình trạng say xỉn của tài xế Ngoài ra, Hyundai cũng phát triển công nghệ "đo sắc tố da" được tích hợp trên nút khởi động của xe hơi, nhằm nâng cao tính an toàn khi lái xe.

Hãng Toyota đang phát triển cảm biến phát hiện nồng độ cồn trong máu (BAC) qua lỗ chân lông trên bề mặt da, với khả năng lắp đặt trên vành lái hoặc tay nắm cần số Các cảm biến này sử dụng phương pháp NIR và điện hóa để xác định BAC thông qua tiếp xúc với da và mồ hôi Hiện tại, phương pháp này chủ yếu được áp dụng trong y tế để theo dõi lượng cồn trong mồ hôi của những người nghiện rượu Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian phát hiện lâu và độ trễ lớn, có thể lên tới 30 phút.

Hình 1.5 Công nghệ phát hiện nồng độ cồn DADSS

1.4.4 Xác định trạng thái say rượu, bia thông qua phản ứng nét mặt và mắt của người điều khiển xe

Người say rượu thường có biểu hiện mặt và mắt lờ đờ, không linh hoạt, với hướng nhìn không phù hợp với chuyển động của xe Hệ thống camera được sử dụng để kiểm tra phản ứng của người lái, bao gồm mức độ tập trung và phản ứng của mắt, tay với các điều kiện ngoại cảnh Máy tính phân tích các phản xạ của mắt và nét mặt để phát hiện trạng thái say rượu, bia Phương pháp này cũng được áp dụng để phát hiện hiện tượng buồn ngủ và ngủ gật ở những lái xe đường dài.

Các phương pháp phát hiện trạng thái say rượu của người lái xe rất đa dạng, nhưng mỗi phương pháp đều có những khuyết điểm riêng Chẳng hạn, cảm biến đo nồng độ cồn từ mồ hôi trên tay không thể phân biệt được giữa việc lái xe sau khi uống rượu hay khi tay vừa tiếp xúc với nước có pha cồn Hơn nữa, nồng độ cồn trong không gian xe có thể tăng cao nếu có nhiều hành khách say rượu.

Các hành vi bất thường và phản ứng chậm chạp của người lái không đủ để khẳng định chắc chắn rằng họ đang say rượu Tuy nhiên, việc hoàn thiện và kết hợp các công nghệ hiện có sẽ giúp phát hiện sớm và kiểm soát liên tục quá trình điều khiển của người lái.

Phát hiện sớm trạng thái say rượu là rất quan trọng để ngăn chặn người lái điều khiển xe Các biện pháp tích cực có thể được thực hiện như cảnh báo bằng âm thanh, đèn báo nguy màu đỏ, can thiệp vào mạch điện để ngăn khởi động động cơ, giảm tốc độ xe và gửi thông tin về trung tâm kiểm soát.

Hình 1.6 minh họa quá trình phát hiện cảnh báo ngủ gật và hành vi bất thường của lái xe thông qua việc phân tích phản ứng của nét mặt và ánh mắt của người điều khiển xe bằng công nghệ camera.

Hệ thống sử dụng hai camera hồng ngoại để theo dõi mắt và nét mặt của người lái xe trong suốt quá trình vận hành Điểm mạnh của camera hồng ngoại là khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện ánh sáng yếu, giúp theo dõi tình trạng của người lái ngay cả khi trời tối Dựa vào thời gian, tốc độ chớp mắt và biểu cảm khuôn mặt, hệ thống có khả năng cảnh báo khi phát hiện người lái có dấu hiệu mệt mỏi, ngủ gật hoặc say rượu.

Hình 1.6 Công nghệ phát hiện ngủ gật và hành vi bất thường của lái xe

Các đơn vị đo nồng độ cồn

Đơn vị đo nồng độ cồn trong máu phổ biến nhất là BAC, được sử dụng để xác định nồng độ cồn trong máu (BAC) và trong khí thở (BrAC) Nồng độ cồn trong máu thường được biểu diễn dưới dạng mg cồn/100ml máu (hay mg/100ml, mg/%) Đơn vị này được áp dụng tại nhiều quốc gia như Vương quốc Anh, Ai Len, Cyprus, Singapore, Thái Lan, Canada và phần lớn các nước Trung Đông Dải đo nồng độ cồn dao động từ 0 đến 500, trong đó giới hạn nồng độ cồn cho phép đối với người lái xe là 80.

Có nhiều cách biểu diễn nồng độ cồn, chẳng hạn như gram cồn trong một lít máu và Promille (g/L hoặc ‰ w/v) Hệ thống này phổ biến ở các nước nói tiếng Pháp, Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha Dải đo nồng độ cồn dao động từ 0.00 đến 6.00, trong đó trị số giới hạn nồng độ cồn cho phép đối với người lái xe là 0.80.

Biểu diễn nồng độ cồn trong 1 kg máu được gọi là Promille [w/w], ký hiệu là g/Kg hoặc ‰ w/w, thường được sử dụng ở các quốc gia nói tiếng Đức và vùng Scandinavia Đối với nồng độ cồn trong hơi thở, đơn vị BrAC được biểu diễn dưới dạng àg cồn/L khí thở (ký hiệu là àg/l hoặc àg/1000 ml), phổ biến ở New Zealand, Hà Lan và Botswana Dải đo nồng độ cồn trong máu (BAC) dao động từ 0 đến 2,000.

Biểu diễn nồng độ cồn trong khí thở, BAC 80 tương ứng với BrAC là 0.35 Đơn vị đo mg cồn/L khí thở phổ biến ở châu Âu, Nam Phi, Đài Loan và Nhật Bản có dải đo từ 0.00 tới 2.00 Trong khi đó, ở Hoa Kỳ và Úc, đơn vị đo mg cồn/210L khí thở (g/210) được sử dụng.

Dải đo nồng độ cồn trong máu (BAC) từ 000 tới 600 tương ứng với nồng độ BrAC là 080 khi BAC đạt 80 Để chuyển đổi giữa BAC và BrAC, mặc dù đều dựa trên tỷ lệ máu:hơi thở, nhưng tỷ lệ này khác nhau ở từng quốc gia Cụ thể, tỷ lệ là 2000:1 tại Pháp và Scandinavia, 2100:1 ở Hoa Kỳ, Úc và Triều Tiên, và 2300:1 tại Vương quốc Anh, Malaysia và Ai Len.

Tại Việt Nam, nồng độ cồn trong các kiểm tra người lái xe được quy định theo đơn vị mg cồn/100ml máu hoặc mg cồn/1l khí thở, theo các khoản 7 và 8 điều 8 NĐ 71/2012/NĐ-CP Đơn vị đo nồng độ cồn trong máu có thể được tính theo lít hoặc kg máu.

Bảng 1.4 Đơn vị đo nồng độ cồn trong máu tính theo thể tích và khối lượng máu Đơn vị tính

Ký hiệu Kích thước Tương đương với Sử dụng ở các nước

Australia, Bulgaria, France, Latvia, Lithuania, Netherlands, Poland, Romania, Spain, Switzerland, Turkey

BAC theo khối lượng/ml

Finland, Norway, Sweden, Denmark, Germany, Rusian Federation ppm 1/100,000 g/g

Bảng 1.5 Chuyển đổi giữa đơn vị đo BAC và BrAC

BrAC, mg/100ml BAC, g/l,%0,mg/ml

Một số máy đo nồng độ cồn trong thực tế

1.6.1 Máy đo nồng độ cồn trong hơi thở FC10

- Phần mềm Điều khiển bằng Menu: Hướng dẫn người dùng dễ dàng thực hiện quy trình kiểm tra bằng nhiều ngôn ngữ

- Xem lại kết quả đo mới nhất: Xem kết quả của lượt đo gần nhất

Gợi ý bằng hình ảnh và âm thanh giúp hiển thị đường cong luồng hơi thở và nồng độ cồn, đồng thời phát ra các lời nhắc âm thanh để đảm bảo việc đo lường được thực hiện chính xác.

Cảm biến áp lực thở chỉ bắt đầu đo khi đối tượng thổi hơi vào Đối với những trường hợp không hợp tác, cần áp dụng các biện pháp an ninh tăng cường để đảm bảo quá trình đo lường diễn ra an toàn và hiệu quả.

Kiểm tra nhanh chóng và liên tục cho phép phản ứng tức thì với kết quả âm tính trong vòng chưa đầy 10 giây, trong khi kết quả dương tính có thể được xử lý trong dưới 30 giây Điều này đảm bảo khả năng phục hồi ngay lập tức với kết quả âm tính và hỗ trợ kịp thời khi phát hiện kết quả dương tính.

- Chế độ Đo Người dùng Có thể lựa chọn: Chế độ Tự động, Thủ công và Thụ động

Thiết kế cứng cáp và chắc chắn với các thành phần bền bỉ, hộp đựng chắc chắn vừa vặn trong lòng bàn tay và kích thước phù hợp để dễ dàng bỏ vào túi áo sơ mi Tay cầm bằng cao su giúp bảo vệ thiết bị khỏi hư hại.

- Ngôn ngữ: Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ

- Phạm vi Phát hiện: 0 đến 0,600 BAC - 0,00 đến 2,85 mg/l

- Độ chính xác: ± 0,005 BAC đến 0,100 BAC.± 5% từ trên 0,100 đến 0,400 BAC

- Thời gian Phản ứng: Phản ứng tức thì với kết quả âm tính, dưới 10 giây với kết quả dương tính

- Thời gian Phục hồi: Phản ứng tức thì với kết quả âm tính, dưới 30 giây với kết quả dương tính

- Đơn vị Đo: BAC, mg/l, g/l, promille

- Màn hình: Màn hình đồ họa LCD với diện tích hiển thị 1,65" x 0,87" (42 x 22 mm) Tự động chiếu sáng nền khi sử dụng vào ban đêm

- Bơm Lấy mẫu: Bơm điện tử tự động khởi động Không cần mồi

- Nguồn điện: Bốn (4) pin kiềm AA hoặc pin sạc NiMH.160 giờ hoạt động, tương đương với 6.000 lượt đo với mỗi bộ pin

- Khối lượng Bao gồm Pin: 226 gam

Hình 1.7 Máy đo nồng độ cồn trong hơi thở FC10

1.6.2 Máy đo nồng độ cồn AL6000

- Mức hiển thị: “0”, “Low”, “High”

- Thời gian làm ấm thiết bị: 25 s

- Thời gian đáp ứng kết quả: 5 s

- Cảm biến: Loại bán dẫn

- Sử dụng miệng loe trong kiểu đo theo thể tích và không sử dụng cho đo theo mức

- Độ chính xác: ± 0.01% BAC tại 0.05% BAC

- Thời gian hoạt động : 200 lần đo đối với pin mới

- Âm thanh cảnh báo: 3 tiếng bip với LED hiển thị khi dò ra được nồng độ cồn

Hình 1.8 Máy đo nồng độ cồn AL6000

* Yêu cầu của các máy đo nồng độ cồn nói chung

- Chính xác về nồng độ cồn đo được

- Cài đặt và chỉnh sửa được thông số nồng độ cồn cảnh báo

- Cảnh báo qua đèn, qua còi

- Đảm bảo tính cơ động khi di chuyển máy đo

- Thông số nồng độ cồn đo được hiển thị lên LCD

- Sử dụng phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở người lái

- Sử dụng cảm biến có độ nhạy và độ ổn định cao

- Sử dụng vi điều khiển có bộ biến đổi ADC 10 bít trở lên.

Kết luận chương

Sau khi tiêu thụ rượu, bia, cơ thể con người trải qua nhiều biến đổi về khả năng chuyển hóa và bị ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, dẫn đến những tác hại nghiêm trọng Việc này không chỉ làm tăng cường các kích thích tiêu cực mà còn gây mất kiểm soát hành vi và nhận thức, có thể dẫn đến tử vong do ngộ độc rượu Đặc biệt, tình trạng lái xe sau khi uống rượu, bia đang trở thành một vấn đề xã hội nghiêm trọng, gây ra nhiều vụ tai nạn giao thông thảm khốc.

Có nhiều phương pháp để xác định nồng độ cồn của lái xe, bao gồm việc sử dụng thiết bị kiểm tra từ các hãng xe như Toyota, Nissan, Hyundai và các thiết bị được cung cấp bởi cảnh sát giao thông ở nhiều quốc gia như Mỹ, Pháp, Nga Trong số đó, phương pháp xác định nồng độ cồn qua mồ hôi và hơi thở được áp dụng phổ biến và hiệu quả.

So với phương pháp xác định nồng độ cồn qua mồ hôi, phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở cho kết quả nhanh hơn, chỉ mất 8 đến 10 giây, trong khi phương pháp mồ hôi cần tới gần 30 phút Do đó, hệ thống cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao Hơn nữa, phương pháp này không yêu cầu thiết bị điện tử phức tạp, không ảnh hưởng đến cơ thể, và không gây khó chịu cho người lái xe trong quá trình điều khiển phương tiện.

Tác giả đã quyết định sử dụng phương pháp đo nồng độ cồn qua hơi thở vì tính nhanh chóng, tiện lợi và không gây ảnh hưởng đến sức khỏe cũng như thời gian của người lái xe Phương pháp này giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng và nồng độ cồn trong cơ thể, từ đó ngăn chặn tình trạng lái xe khi say rượu, góp phần nâng cao ý thức và giảm thiểu tai nạn giao thông.

Yêu cầu của một hệ thống đo đạc kiểm tra cần phải hội tụ vào các yếu tố:

- Chính xác về nồng độ cồn đo được

- Cài đặt và chỉnh sửa được thông số nồng độ cồn cảnh báo

- Cảnh báo qua đèn, qua còi

- Đảm bảo tính cơ động khi di chuyển máy đo

- Thông số nồng độ cồn đo được hiển thị lên LCD

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐO NỒNG ĐỘ CỒN DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN

Phân tích nhiệm vụ

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một thiết bị đo nồng độ cồn cầm tay, giúp tăng cường tính cơ động và thuận tiện trong quá trình kiểm tra Thiết bị này không chỉ nâng cao ý thức của người tham gia giao thông mà còn góp phần giảm thiểu tai nạn giao thông.

Thiết kế và chế tạo thiết bị phát hiện nồng độ cồn bao gồm việc lựa chọn cảm biến phù hợp và thiết kế mạch cảnh báo nồng độ cồn qua hơi thở.

- Lắp đặt, thử nghiệm đánh giá hiệu quả làm việc của hệ thống phát hiện, cảnh báo nồng độ cồn mà đề tài đã thực hiện

- Hệ thống làm việc có độ tin cậy cao, giá thành hợp lý đảm bảo khả năng triển khai rộng rãi

Bộ điều khiển cảnh báo nồng độ cồn đã được thử nghiệm và chứng nhận bởi ban kỹ thuật đo lường kiểm nghiệm, sử dụng máy đo nồng độ cồn hiện có trên thị trường.

Lựa chọn phương án điều khiển

2.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Khối cảm biến nhận lệnh từ vi điều khiển để đọc nồng độ cồn, sau đó dữ liệu được thu thập và xử lý để hiển thị trên màn hình LCD Nếu nồng độ vượt quá mức cho phép, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng đèn hoặc âm thanh để thông báo cho người sử dụng.

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống

Hiện nay, thị trường có nhiều loại cảm biến đo nồng độ cồn, chủ yếu được phân loại thành hai nhóm: cảm biến phân tích quang phổ và cảm biến điện hóa.

Cảm biến quang phổ hoạt động dựa trên nguyên lý phân tích sự thay đổi quang phổ ánh sáng có bước sóng và vùng gần hồng ngoại (NDIR) khi tiếp xúc với không gian có nồng độ cồn.

Cảm biến NDIR bao gồm các thành phần chính như nguồn hồng ngoại, buồng mẫu, bộ lọc bước sóng và đầu dò hồng ngoại Khí được đưa vào buồng mẫu, nơi nồng độ khí được đo bằng phương pháp quang điện thông qua sự hấp thụ bước sóng hồng ngoại cụ thể Ánh sáng hồng ngoại đi qua buồng mẫu đến máy dò, với bộ lọc quang loại bỏ ánh sáng không cần thiết, chỉ cho phép bước sóng mà các phân tử khí mục tiêu hấp thụ đi qua Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn thường được điều chế để loại bỏ tín hiệu nền Để nâng cao hiệu quả quang học, cụm phản xạ có thể được sử dụng, với gương parabol giúp tập trung ánh sáng hồng ngoại về phía máy dò, tăng cường độ ánh sáng từ hai đến năm lần, và bề mặt phản xạ có thể được phủ vàng để tối ưu hóa khả năng hấp thụ tia hồng ngoại.

Cường độ ánh sáng hồng ngoại mà máy dò NDIR nhận được tỉ lệ nghịch với nồng độ khí mục tiêu trong buồng mẫu Khi nồng độ khí trong buồng là 0, máy dò sẽ tiếp nhận cường độ ánh sáng tối đa Tuy nhiên, khi nồng độ khí tăng lên, cường độ ánh sáng hồng ngoại mà máy dò nhận được sẽ giảm.

Hình 2.2 Nguyên lý máy đo nồng độ kiểu quang phổ

Cảm biến xác định nồng độ cồn có hai loại chính: cảm biến bán dẫn và cảm biến điện hóa, với nhiều cấu trúc khác nhau.

Cảm biến kiểu bán dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn theo nồng độ cồn trong hơi thở Với tính chính xác cao, giá thành hợp lý và độ bền tốt, cảm biến này được ứng dụng rộng rãi Tuy nhiên, nó cũng gặp phải nhược điểm là sự trôi điểm làm việc theo thời gian.

Học viên Vũ Trí Võ, 23 tuổi, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo dưỡng và hiệu chỉnh thiết bị đo thường xuyên Ngoài ra, một số cảm biến bán dẫn không chỉ nhạy cảm với cồn mà còn với các khí và chất bay hơi khác như khí thải xe cộ, khói thuốc lá và khí ga, dẫn đến khả năng gây ra cảnh báo sai.

Cảm biến Taguchi, một loại cảm biến điện hóa, sử dụng các chất bán dẫn có điện trở thay đổi theo nồng độ cồn trong không khí Chất bán dẫn phổ biến trong cảm biến này là SnO2, nổi bật với độ nhạy cao đối với cồn, đồng thời có độ nhạy thấp với khí ga, khói thuốc lá và các hợp chất benzin khác, đảm bảo điểm làm việc ổn định.

Cảm biến xác định nồng độ cồn kiểu điện hóa hoạt động dựa trên nguyên lý pin nhiên liệu, biến đổi năng lượng từ phản ứng cháy giữa cồn và oxy thành dòng điện Cường độ dòng điện tạo ra tỷ lệ thuận với nồng độ cồn trong mẫu hơi thở, mang lại độ chính xác và độ nhạy cao cùng khả năng làm việc ổn định.

Hình 2.3 Hình dạng thực tế của cảm biến MQ3

Hình 2.4 Thông số hình học của cảm biến MQ3

Dựa trên cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cảm biến đo nồng độ cồn, bài viết này tập trung vào cảm biến MQ3 do đáp ứng tốt các yêu cầu công nghệ như tốc độ phản hồi nhanh, độ chính xác cao, độ bền tốt, kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý, dễ dàng mua và thay thế.

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3

Tên thông số Giá trị Đơn vị

Dải đo 0,04-0,4 mg/ l Điện áp làm việc

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy đo nồng độ cồn dùng vi điều khiển
Tác giả	Vũ Trí Võ
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Trọng Các
Trường học	Trường Đại học Sao Đỏ
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2019
Thành phố	Hải Dương

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	1,84 MB