BÁO cáo m ôn học đồ án đo LƯỜNG và điều KHIỂN đề tài xây DỰNG và THIẾT kế hệ THỐNG đo NỒNG độ cồn

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



--- ---

BÁO CÁO M ÔN HỌC ĐỒ ÁN ĐO LƯỜNG VÀ
ĐIỀU KHIỂN
ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO
NỒNG ĐỘ CỒN
Sinh viên thực hiện: 1, Hoàng Quốc Bảo
Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 4-k13/ Cơ khí
2, Nguyễn Tùng Dương
Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 3-k13/ Cơ khí
3, Bùi Văn Hồng
Lớp/ Khoa: Cơ điện tử 4-k13/ Cơ khí
Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn Trường
Hà Nội - 2020


LƠI CẢM ƠN
Trong q trình làm Đồ án mơn học đo lường và điều khiển, chúng em đã gặp rất
nhiều khó khăn vì kiến thức thực tế cịn yếu, kinh nghiệm thiết kế chưa có, cũng như
việc sử dụng phần mềm thiết kế chưa thuần thục. Tuy nhiên, chúng em ln có được
sự hỗ trợ nhiệt tình của q thầy cơ trong khoa cơ khí, sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn
bè, người thân đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành nghiên cưu này.
Nay chúng em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc tới:
- TS.Nguyễn Văn Trường đã tận tình chỉ bảo cho chúng em trong suốt quá trình

làm đồ án cùng với những kinh nghiệm thiết thực của thầy đã giúp chúng em hoàn

thành tốt đồ án này.
- Các anh chị, bạn bè khoa Điện – Điện tử đã giúp đỡ, hỗ trợ kỹ thuật về phần

điều khiển điện tử.
- Gia đình cũng như tồn bộ bạn bè, anh em đã hỗ trợ từ vật chất đến tinh thần

cho chúng em.

2


Mục lục
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................... 2
Danh mục hình vẽ............................................................................................... 5
Danh mục bảng biểu........................................................................................... 6
Chương 1: Tổng quan về hệ thống...................................................................... 7
1.1. Giới thiệu chung...................................................................................... 7
1.2. Các yêu cầu cơ bản.................................................................................. 7
1.3. Phương pháp, phạm vi, và giới hạn nghiên cứu....................................... 8
1.4. Ý nghĩa thực tiễn...................................................................................... 8
Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống.............................................................. 9
2.1. Sơ đồ khối hệ thống................................................................................. 9
2.2. Phân tích và lựa chọn cảm biến................................................................ 9
2.2.1. Khối đo nồng độ cồn......................................................................... 9
2.2.2. Module cảm biến MQ3................................................................... 13
2.2.3. Khối thông báo............................................................................... 14
2.2.4. Khối hiển thị................................................................................... 16
2.2.5. Khối báo động................................................................................ 17
2.2.6. Khối nhập số điện thoại.................................................................. 18
2.3. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển...................................................... 18

2.4. Thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu......................................................... 22
2.5. Phần mềm lập trình................................................................................ 24
2.6. Mơ hình hóa và mơ phỏng hệ thống...................................................... 25
2.7. Phần mềm theo dõi................................................................................ 25
2.7.1. Tổng quan về phần mềm Visual Studio........................................... 25

3


2.7.2. Tổng quan về C# Winform.............................................................. 27
Chương 3: Chế tạo và thử nghiệm hệ thống..................................................... 28
3.1. Chế tạo các bộ phận cơ khí.................................................................... 28
3.2. Chế tạo các bộ phận điện - điện tử......................................................... 29
3.2.1. Thiết kế mạch in............................................................................. 29
3.2.2. Sơ đồ hệ thống................................................................................ 30
3.3. Xây dựng chương trình điều khiển........................................................ 30
3.3.1. Lưu đồ thuật tốn chương trình chính............................................. 31
3.3.2. Lưu đồ giải thuật các chương trình con........................................... 32
3.3.2.1. Chương trình con đo nồng độ cồn............................................ 32
3.3.2.2. Chương trình con gửi tin nhắn................................................. 33
3.3.2.3. Chương trình phần mềm theo dõi............................................. 34
3.4. Thử nghiệm và đánh giá hệ thống.......................................................... 35
Kết luận và kiến nghị........................................................................................ 38
Tài liệu tham khảo............................................................................................ 39

4


Danh mục hình vẽ
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống............................................................................ 9

Hình 2.2: Module Al6000................................................................................... 9
Hình 2.3: Hình thực tế và sơ đồ nguyên lý của cảm biến MQ3........................11
Hình 2.4: Các bộ phận bên trong MQ3............................................................. 11
Hình 2.5: Sự thay đổi điện trở của cảm biến theo giá trị nồng độ cồn..............12
Hình 2.6: Module MQ3.................................................................................... 13
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý của module cảm biến MQ3.................................... 13
Hình 2.8: Module SIM800L............................................................................. 14
Hình 2.9: Màn hình OLED............................................................................... 16
Hình 2.10: Cịi hú Buzzer................................................................................. 17
Hình 2.11: Led diode quang đỏ......................................................................... 18
Hình 2.12: Module bàn phím 4x4..................................................................... 18
Hình 2.13: Vi xử lý nhân ARM......................................................................... 19
Hình 2.14: Vi điều khiển STM32F103.............................................................. 19
Hình 2.15: Sơ đồ chân Board mạch STM32F103C8T6.................................... 21
Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống......................................................... 22
Hình 2.17: Giao diện phần mềm CubeMX....................................................... 24
Hình 2.18: Giao diện phần mềm Keil C V5...................................................... 25
Hình 2.19: Mơ phỏng hệ thống bằng phần mềm proteus.................................. 25
Hình 3.1: Bản vẽ thiết kế cơ khí....................................................................... 28
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lý vẽ bằng phần mềm Altinum................................... 29
Hình 3.3: Sơ đồ đi dây...................................................................................... 29
Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống đo nồng độ cồn vẽ trên phần mềm fritzing...............30

5


Hình 3.5: Lưu đồ thuật tốn chương trình chính............................................... 31
Hình 3.6: Lưu đồ thuật tốn đo nồng độ cồn.................................................... 32
Hình 3.7: Lưu đồ thuật tốn gửi tin nhắn.......................................................... 33
Hình 3.8: Lưu đồ thuật tốn chương trình theo dõi........................................... 34

Hình 3.9: Sản phẩm thực tế.............................................................................. 35
Hình 3.10: Giao diện chương trình theo dõi..................................................... 35

Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1: So sánh thông số của cảm biến MQ3 và cảm biến AL6000..............10
Bảng 2.2: Đặc điểm mức độ nhạy..................................................................... 23
Bảng 2.3: Bảng trạng thái say........................................................................... 23
Bảng 3.1: Bảng so sánh thực nghiệm đo nồng độ cồn......................................35

6


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 những
nguyên nhân chủ yếu đó là do uống nhiều rượu bia. Rượu, bia 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, và
đặc 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 gia
giao thơng. Tình trạng sử dụng rượu, bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự an tồn
giao thơng trở thành vấn đề báo động đây chính là nguyên nhân hàng đầu gây tai nạn
giao thông, khi điều khiển phương tiện bởi người lái xe thường phản ứng chậm, buồn
ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy các biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đường
khơng cịn rõ ràng. Người say cũng bốc đồng, khơng cịn khả năng kiểm sốt tốc độ
cho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường rất dễ gây tai nạn. Để tích cực ngăn
chặn việc việc người điều khiển phương tiện giao thơng trong tình trạng say rượu bia,
theo nghị định 71/2012/NĐ – CP qui định người điều khiển các phượng tiện giao
thông trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 – 80 mg/l
máu hoặc 0,25 – 0,4 mg/l khí hơi khí thở sẽ bị phạt.
Chính vì thế có nhiều rất nhiều cơng trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồn

đối với những người tham gia giao thông. Thấy được tính chất cấp bách và quan trọng
của 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 hiểm
họa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một thói quen và ý thức tốt cho người tham
gia giao thông.
1.2. 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 thơng số đo để có những giải
pháp kịp thời, phòng tránh sự cố hiệu quả nhất. Hệ thống sử dụng Board
STM32F103C8 làm bộ xử lý trung tâm, cảm biến nồng độ cồn sẽ đo để truyền các tín
hiệu về trung tâm xử lý. Cùng một số thiết bị đầu ra như tín hiệu phát sáng (Led), còi

7


hú, module Sim nhận tín hiệu từ trung tâm sẽ gửi tin nhắn thông báo và cập nhật kết
lên 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 cồn
trong máu, phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở. Phương pháp đo nồng độ cồn
trong máu 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 trong máu. Sử dụng các biện pháp hóa sinh
trong phịng 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 phịng thí nghiệm mới cho ra kết quả do đó gây tốn thời
gian và khơng 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 trong khơng
khí của khơng gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình trạng say rượu bia. Ta thấy
rằng phương pháp xác định nồng độ cồn qua hơi thở hiện đang được sử phổ biến vì

tính 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 loại
linh kiện thông dụng, giá thành rẻ phù hợp với điều kiện tài chính nên độ tin cậy cịn
chưa 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 tế
cao.
1.4. Ý nghĩa thực tiễn.
Chủ đề “Xây dựng hệ thống đo nồng độ cồn” của nhóm chúng em có ý nghĩa
thiết thức trong cuộc sống 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 thơng. Từ đó có thể hạn chế tối đã nhưng hậu quá đáng tiếc do
rượu bia gây ra.

Kết luận chương 1:
8


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

Chương 2: Xây dựng mơ hình hệ thống
2.1. Sơ đồ khối hệ thống

5V

3,3V

Khối đo nồng độ cồn

5V

Khối theo dõi
Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống

sử lý
1. Khối đo nồng độ cồn

Máy tính

Khối cảnh báo

phương pháp trên phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn được sử dụng
thơng dụng và phổ biến nhất. Có thể kể đến một số loại cảm biến màng oxit bán dẫn
trên thị trường hiện nay như: MQ3, AL6000, AL7000,…


9


Hình 2.2: Module Al6000
Bảng 2.1: So sánh thơng số của cảm biến MQ3 và cảm biến AL6000

T

Ta có thể thấy rằng MQ3 có rất nhiều đặc điểm vượt trội hơn so với các dòng
các cảm biến màng oxit bán dẫn khác trên thị trường. Nhiệt độ hoạt động và thang đo
nồng độ cồn của MQ3 khá lớn rất phù hợp cho cơng việc nghiên cứu và học tập. Độ

chính xác cao, giá thành rẻ, nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng rất phù hợp với điều kiện của
học sinh, sinh viên. Vì những lý do đó mà nhóm chúng em quyết định lựa chọn cảm
biến MQ3 để sử dụng.
Cảm biến MQ3
 Cấu tạo bên trong:

Cảm biến MQ3 được làm từ vật liệu

SnO
2

. Vật liệu này có tính đẫn điện kém

trong mơi trường khơng khí sạch nhưng lại rất nhạy cảm với hơi cồn. Trong mơi
trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở của cảm biến càng giảm. Cũng trong môi

10


trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là
kéo dài từ 3 – 5 phút.

200 C

thời gian phát hiện nồng độ cồn

Hình 2.3: Hình thực tế và sơ đồ nguyên lý của cảm biến MQ3
Cảm biến MQ3 có 6 chân , vỏ và thân. Mặc dù nó có 6 chân, nhưng ta có thể sử
dụng 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

SnO
2

, đó là Ddiooxxit thiếc. Và giữa chúng có một điện

cực 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

11


SnO2
Nếu cuộn dây được làm nóng, gốm

sẽ trở thành chất bán dẫn, do đó có

nhiều điện tích di chuyển hơn, có nghĩa là nó đã sẵn sàng để tạo ra dịng điện nhiều
hơn.
Sau đó, khi các phần tử rượu khơng khí gặp điện cực nằm giữa alumina và thiếc
dioxit, ethanol sẽ đốt cháy thành axit axetic sau đó tạo ra nhiều dịng điện hơn. Vì vậy,
càng có nhiều phần tử rượu, chúng ta sẽ nhận được nhiều hơn. Do sự thay đổi hiện tại
này, 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 với
nồng độ cồn ta tính như sau:
-

R
0

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

R

s là điện trở của cảm biến.
Tính tốn giá trị thực của nồng độ cồn từ giá trị áp đo được( bỏ qua sự

ảnh hưởng của nhiệt đô và độ ẩm).
-

Chọn dải đo từ 0,2 mg/l – 0,45 mg/l.

12


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

R
0

ta có:

Với x = 0,2 mg/l thì y =1,7 .
Với x = 0,45 mg/l thì y = 0,9.
Vậy ta suy ra được phương trình đường thẳng đi qua hai điểm trên là:

y

R

Ta lại có 0
Dựa vào hình trên nên điện áp ra của cảm biến được tính theo công thức sau:
U 5RL / (Rs

Mà

R

s

RL ) .

R0 ( 3,5x 2,4) 2000( 3,5x 2,4).

Vậy ta có mối liên hệ giữa giá trị nồng độ cồn và điện áp ra theo biểu thức sau:
x 0,829 0,714U
(mg/l).
2. Module cảm biến MQ3.

Hình 2.6: Module MQ3

Module cảm biến MQ3 thích hợp cho việc phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở.
Phát hiện khí phát ra từ Etanol, Alcohol. Đặc điểm của module cảm biến MQ3: Có bốn
chân, điện áp cung cấp là nguồn 5V, Dout đầu ra là tín hiệu số (0 và 1), Aout đầu vào
là tín hiệu tương tự, đèn Led sáng khi phát hiện có khí, GND cấp điện cực âm, đọ nhạy
cao và chọn lọc tốt với ethanol, bền và ổn định đáng tin cậy, độ nhạy cao và thời gian
đáp ứng nhanh.


13


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.

 Tính năng, đặc điểm:

-

Hoạt động điện áp 5V.

-

Có thể điều chỉnh độ nhạy đầu ra.

-

Đầu ra tương tự 0V – 5V.

-

Giá thấp.

-

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).

 Dự liệu Kỹ thuật:
-

Nồng đô: 0,05 – 10 mg/l.

-

Điện áp hoạt động: 5V

-

Tiêu thụ hiện tại: 150 mA.

-

Nhiệt độ hoạt động:

10 70 C

.

3. Khối thơng báo
Hiện nay có các loại Module Sim800L, Module sim 900A... chọn Module Sim
900A 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.

14


Để hệ thống có thể gửi thơng bao bằng tin nhắn , ở đây chúng em sử dụng
Module SIM800L, với thiết kế nhỏ gọn, đáp ứng được yêu cầu đề tài và tiết kiệm kinh
phí.

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.
 Thơng 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 : MICROSIM
Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA
Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1A.
Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến.
Kích thước: 25 mm x 22 cm

 Chức năng các chân:

VCC: Nguồn vào 4.2V.
TXD: Chân truyền Uart TX.
RXD: Chân nhận Uart RX.
DTR : Chân UART DTR, thường không xài.

15


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 khơng xài).
RING : báo có cuộc gọi đến
GND: Chân Mass, cấp 0V.

4. Khối hiển thị
Màn hình OLED 1.3” giao tiếp I2c cho khả năng hiện thị đẹp, sang trọng , rõ

nét với mức chi phí phù hợp, do sử dụng giao tiếp I2C ít tốn chân nên cho chất lượng
đường truyền ổn định và rất dễ giao tiếp, LED thích hợp cho các ứng dụng tiêt kiệm
năng lượng, môi trường hiện thị sáng hoặc các ứng dụng cần đến sự sang trọng.

Hình 2.9: Màn hình OLED
Thơng số kĩ thuật của màn hình OLED:
Điện áp sử dụng : 3.3 đến 5VDC
Cơng 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.

16


Giao tiếp : SPI Driver : SSD1306.

Sơ đồ chân giao tiếp:
VCC : 3,3 đến 5V.
GND : 0V.
MOSI : Master Out Slave In.
CS : Chip Select (kích mức thấp).
D/C : Data(mức cao) / Command (mức thấp).
5. Khối báo động
Nếu người dùng sử dụng quá nồng độ cho phép thì khối báo động sẽ thực hiện
chức năng báo động thông qua chuông báo động và gửi tin nhắn cnahr báo bằng cách
sử dụng module SIM 900A.

Còi báo động:
Còi hú Buzzer 5 V được thiết kế phù hợp với các hệ thống báo động nhanh

chóng và tức thời. Với tiếng báo động dễ nghe trong 1 thiết kế nhỏ gọn. Thường sử
dụng trong các hệ thống báo động nhỏ, các thiết bị kiểm tra...

Hình 2.10: Cịi hú Buzzer

17


Thơng số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 4-8 VDC.
Dịng 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
6. Khối nhập số điện thoại

Hình 2.12: Module bàn phím 4x4
Module bàn phím 4x4 được sử dụng để nhập số điện thoại của người thân khi
nồng độ cồn vượt quá quy định cho phép.
Thông số kỹ thuật:
Độ dài cáp: 88mm.

18


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 RISC
được sử dụng rộng rãi trong các thiết kế nhúng. ARM được nghiên cứu và phát triển từ
những thập niên 80 của thế kỷ 20 bởi công ty Acorn, qua nhiều giai đoạn phát triển
khác nhau với nhiều phiên bản của vi xử lý, ARM ngày càng chứng tỏ được sự ưu việt
của 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 điện
thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số đến những thiết bị điều khiển trên ô tô… cung cấp
cho các thiết bị có hiệu năng cao, chi phí hợp lý và sử dụng năng lượng một cách hiệu
quả nhất. Với sự tham gia của các tổ chức khác nhau, sự tích hợp vi xử lý ARM vào
các 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 dịng vi xử lý ARM,
trong số đó khơng thể khơng 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 ARM
Chính vì những mặt lợi thế của ARM mà nhóm chúng em đã quyết định lựa
chọn dòng vi điều khiển STM32F103 sử dụng dòng vi xử lý ARM. STM32F103 là một
trong những dịng chip phổ biến của ST với nhiều họ thơng dụng như
F0,F1,F2,F3,F4….. STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3.

19


STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Giá thành cũng khá rẻ so
với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự. Mạch nạp cũng như cơng cụ lập trình
khá đa dạng và dễ sử dụng. Dịng vi điều khiển STM32F103 cịn có rất nhiều những
mặt 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 điều
khiển khác, như hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC. Tuy
nhiên mỗi ngoại vi trên đều có rất nhiều đặc điểm thú vị. Ví dụ như bộ ADC 12-bit có
tích hợp một cảm biến nhiệt độ để tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi và hỗ trợ
nhiều chế độ chuyển đổi. Mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare (dùng để bắt sự
kiện 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 định
thời 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
ghi ngoại vi đi với kích thước từ (word) dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32-bit.
Mỗi ngoại vi có thể có một bộ điều khiển DMA (DMA controller) đi kèm dùng để gửi
hoặc đòi 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 dịng tiêu thụ chỉ có 36mA
với tất cả các khối bên trong vi điều khiển đều được hoạt động.
Sự an toàn:

20


Ngày nay các ứng dụng hiện đại thường phải hoạt động trong mơi trường khắc
khe, địi hỏi tính an tồn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều thiết bị
ngoại vi tinh vi. Để đáp ứng các yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung cấp một số tính
năng 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 bảo

mật mã chương trình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm. Bộ nhớ Flash của
STM32F103có thể được khóa để chống truy cập đọc Flash thơng qua cổng Debug.

Hình 2.15: Sơ đồ chân Board mạch STM32F103C8T6
Thông số kĩ thuật :
Vi điều khiển: STM32F103C8T6.
Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC
qua IC nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính.
Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz.
Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các ứng dụng RTC.
Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,...
Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset.
Kích thước: 53.34 x 15.24mm.
21


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

22

Nguyên lý hoạt động của cảm biến MQ3 dựa trên sự biến thiên của điện trở, ở
mơi trường có nồng độ cồn càng lớn thì điện trở trong cảm biến sẽ càng nhỏ, tương
ứng với điện áp ra của cảm biến gửi về vi điều khiển sẽ càng tăng. Với mỗi một giá trị
điện áp ra sẽ tương ứng với một giá trị PPM tương ứng. PPM được sử dụng để đo
nồng độ hóa học thường là trong dung dịch nước. Nồng độ tan của 1 ppm là nồng độ
chất tan của 1/1000000 dung dịch.
Ta có cơng thức chuyển đổi mg/l thành ppm như sau:

C1 ( ppm)
Trong đó

C
1

: nồng độ rượu tính bằng ppm.

2

: nồng độ rượu tính bằng mg/l.

C

P : Khối lượng riêng của rượu (

kg / m3

).

Bảng 2.2: Đặc điểm mức độ nhạy

Điện áp(V)

23