Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nồng độ cồn

LỜI NÓI ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo thống kê của tổ chức y tể thế giới WHO thì bia rựơu 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, giám sát và cảnh báo nồng độ cồn kết
hợp với truyền thông tin người vi phạm và nồng độ cồn lên server 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.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị đo nồng độ cồn 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
- Thiết bị có thể truyền kết quả đo và thông tin người vi phạm lên sever
- Giao diện người dùng đơn giản, dễ sử dụng
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
a) Đối tƣợng nghiên cứu
Nghiên cứu phần giám sát nồng độ cồn.
b) Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cảm biến Mq3 và ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tìm hiểu về đặc tính, ứng dụng của cảm biến Mq3. Từ đó viết
phần mềm giám sát kết quả đo.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a) Ý nghĩa khoa học của đề tài
Thiết kế phần hiển thị kết quả đo lên máy tính.
b) Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Thiết bị có thể được ứng dụng để đo nồng độ cồn trong giao thông và
truyền kết quả đo lên PC.


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN
1.1. Tổng quan về các loại cảm biến khí đo nồng độ cồn
1.1.1. Tổng quan về phƣơng pháp đo khí
Ngày nay, các cảm biến khí được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều các
lĩnh vực khác nhau như: kiểm soát môi trường sống và môi trường công nghiệp
nhằm đảm bảo sức khỏe và an toàn lao động; điều khiển tỷl ệ không khí - nhiên
liệu trong các động cơ đốt trong nhằm nâng cao hiệu suất của phản ứng cháy và
tiết kiệm nhiên liệu; điều khiển môi trường trên máy bay, tàu vũ trụ; phát hiện
hàng cấm tại các cửa khẩu và sân bay. Do đó, đòi hỏi các cảm biến phải có độ
nhạy cao, chọn lọc tốt và hoạt động ổn định.
Thành phần hỗn hợp khí cũng có thể được đo một cách chính xác bằng
các thiết bị phân tích như sắc ký khí, khối phổ, phổ hồng ngoại, biến đổi Fourier
hoặc bằng cách phối hợp các thiết bị này. Các thiết bị này thường rất đắt tiền,
khó vận hành, cồng kềnh và không thể vận hành ngoài môi trường. Trong các
trường hợp như vậy, cảm biến khí hoặc thiết bị đo dựa trên cảm biến khí là sự
lựa chọn phù hợp.
Nhiều dạng cảm biến đã được phát triển để phát hiện các chất hóa học
trong pha khí. Chúng bao gồm thiết bị quang dựa trên hiện tượng thay đổi màu
sắc hoặc phát huỳnh quang, thiết bị sóng âm bề mặt, các thiết bị điện hóa, hóa
điện trở/bán dẫn, diod kim loại - điện môi - bán dẫn, tranzito hiệu ứng trường và
một số dạng khác. Tuy nhiên, các cảm biến kiểu điện trở đặc biệt hấp dẫn do đa
dạng về vật liệu nhạy khí và các phương pháp chế tạo, giá thành rẻ, phạm vi ứng

dụng rộng và đem lại nhiều tiềm năng ứng dụng trong việc chế tạo cảm biến đa
hệ.
Cảm biến khí cho phép xác định thông tin về môi trường khí, dựa trên lớp
nhạy khí và phần chuyển tín hiệu điện. Việc phát hiện khí được dựa trên sự thay
đổi môi trường khí dẫn đến thay đổi các tính chất lớp nhạy khí và được chuyển
thành tín hiệu điện. Lớp nhạy khí được tối ưu hóa bằng việc lựa chọn vật liệu,
phần chuyển tín hiệu điện được tối ưu hóa bằng việc lựa chọn công nghệ thích


hợp. Trong số các cảm biến khí, các cảm biến dựa trên các vật liệu bán dẫn oxit
kim loại rất quan trọng do sự đa dạng vềvật liệu nhạy khí và phương pháp chế
tạo. Do vậy, các giải pháp thường được các nhà nghiên cứu lựa chọn là tìm quy
trình chế tạo vật liệu ổn định, giảm kích thước hạt xuống cỡ nano mét nhằm làm
tăng độ nhạy khí; lựa chọn vật liệu thích hợp cho độ chọn lọc cao với từng loại
khí. Các vật liệu nhạy khí được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi là SnO 2, TiO2,
In2O3, WO3
Để tăng độ chọn lọc của cảm biến dựa trên các vật liệu này, các nhà
nghiên cứu đã pha tạp vật liệu này với các kim loại có hoạt tính xúc tác cao như
Pt, Pd, Au hay trộn lẫn với các oxit kim loại khác.
1.1.2. Một số phƣơng pháp đo nồng độ cồn
1. Phương pháp đo dùng cảm biến bán dẫn
a. Nguyên lý chung
“Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất
khí trên bề mặt ở nhiệt độ từ 150 oC đến 500oC. Loại cảm biến này chủ yếu sử
dụng đo khí độc, rất ít sử dụng ứng dụng đo khí cháy hydrocarbon. Chất lượng
của cảm biến loại này phụ thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất.”
“Cảm biến loại này có tính lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đáp ứng bị
ảnh hưởng rất nhiều bởi độ ẩm môi trường; sự suy giảm độ nhạy cũng không
phát hiện được nếu không hiệu chuẩn lại; có thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liên
tục khí ở nồng độ cao; và có thể bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ chất silicone,

halocarbon.”
“Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ
ô-xít kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam),
được dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít
thiếc (SnO2), loại này không có tính chọn lọc và thường được dùng để phát hiện
sự thay đổi lớn lượng khí độc và khí cháy.”


b. Loại màng dày (SnO2)
“Loại này thường được cấu tạo bằng cách nung kết ô-xít thiếc lên một
điện cực bằng gốm.
Điện cực này có thể là một mặt phẳng với sợi nung ở một mặt còn lại
hoặc ở dạng ống với sợi nung xuyên qua ống (xem Hình 1.1).”
Cuộn dây

Lớp thiếc

Cuộn dây
Lớp thiếc

Hình 1.1. Cảm biến bán dẫn màng dầy thiếc ô-xít (SnO2)
“Cơ chế phát hiện khí ga loại này rất phức tạp, đặc biệt là với khí độc. Nó
là sự kết hợp các các phản ứng trên bề mặt bao gồm cả sự hấp thụ khí ga. Khi
cảm biến không được cấp nguồn, khí ga bám vào bề mặt dễ dàng hơn và hậu quả
là cảm biến phải mất rất nhiều giờ để ổn định lại, điều này xảy ra ngay cả khi
cảm biến bị mất cấp nguồn hay nhiệt độ làm việc thấp trong thời gian rất ngắn.
Với một lượng nhỏ độ ẩm hoặc ô-xy cũng có thể gây mất ổn định cho cảm biến,
thậm chí dừng làm việc cho đến khi các điều kiện làm việc bình thường được
phục hồi trở lại.”
c. Loại màng mỏng (VO3)

Loại này được cấu tạo bằng một vật liệu nền không dẫn điện gắn với hai
hoặc nhiều điện cực dẫn điện. Vật liệu ô-xít kim loại được gắn vào giữa các điện
cực. Các bộ phận này được nung nóng ở nhiệt độ làm việc thích hợp.


Bề mặt lớp ô-xít kim loại bình thường sẽ hấp thụ ô-xy và tạo ra một trường
điện từ đẩy các electron ra khỏi bề mặt. Khi có khí H2S, nó sẽ đẩy ô-xy (bằng
cách chiếm chỗ hoặc phản ứng), từ đó giải phóng các electron để dẫn điện, tức
nó thay đổi độ dẫn điện của chất bán dẫn. Độ dẫn điện của chất bán dẫn ô-xít
kim loại chính là nguồn tín hiệu.
d. Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến bán dẫn
Có 6 yếu tố ảnh hưởng đến đặc tính của cảm biến mà người sử dụng nên
biết để lựa chọn và đánh giá cảm biến bán dẫn: (1) lựa chọn ô-xít kim loại, (2)
nhiệt độ làm việc, (3) đặc tính hấp thụ khí, (4) độ ẩm, (5) nhiệt độ môi trường,
(6) quá trình hoạt động của cảm biến.
Nhiệt độ làm việc của cảm biến bán dẫn ảnh hưởng rất nhiều đến đường
đặc tính và độ nhạy của tín hiệu. Chính vì thế mà các nhà sản xuất luôn mong
muốn nhiệt độ làm việc của cảm biến luôn không đổi không phụ thuộc vào nhiệt
độ môi trường xung quanh, từ đó đường đặc tính tín hiệu mới được tuyến tính
hoá với độ chính xác cao.
Đặc tính hấp thụ khí ga của ô-xít bán dẫn là yếu tố cần thiết để cảm biến
loại này đo được nồng độ khí.Với lượng nhỏ nó có thể bị hấp thụ bởi các vật liệu
xung quanh, do đó vật liệu chế tạo cảm biến cần phải được lựa chọn kỹ càng.
Khả năng hấp thụ khí độc của nước là rất mạnh, nước ngưng tụ bám vào các lỗ
của bộ phận chống lửa sẽ làm mất tác dụng của cảm biến.
Nhiều cảm biến loại này có thể hoạt động không ổn định nếu không được
cấp nguồn ở môi trường có độ ẩm cao chỉ trong khoảng thời gian rất ngắn. Các
nhà sản xuất thường khuyến cáo nên hâm nóng cảm biến từ 15 phút đến 48 giờ
trước khi cảm biến hoạt động chính thức hoặc hiệu chỉnh cảm biến.
2. Phương pháp đo dùng phù kế

Là một cách làm thủ công để xác định nồng độ cồn trong rượu. Dùng
cho các hộ dân nấu rượu theo kiểu ủ men, trưng cất, kiểm tra nồng độ rượu
mà họ nấu ra.


- Cách thực hiện:“Lấy một ống nhựa nhỏ, bịt kín đầu dưới lại, đổ đầy
rượu vào, rồi thả cồn kế vào, chú ý đáy cồn kế không được chạm vào đáy
ống đựng rượu, quan sát vạch tương ứng trên cồn kế với bề mặt thoáng
của cồn trong ống đựng cho chúng ta biết nồng độ cồn trong rượu.”
-Ưu điểm:“rất dễ làm, giá thành cồn kế rẻ, nhanh chóng, thuận tiện.”
-Nhược điểm: “Chỉ đo được nồng độ cồn trong rượu ở dạng lỏng (khi
đo phải có một lượng tương đối lớn, khoảng gần 1 bát con rượu.

Hình 1.2: Đo nồng độ cồn dùng phù kế


3. Phương pháp đo dùng cảm biến fuel cell

Hình 1.3: Cảm biến fuel cell đo nồng độ cồn
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này: Dựa theo nguyên lý của Pin
nhiên liệu.
Ưu điểm: Hoạt động chính xác và tin cậy. Đầu cảm biến được gia
cố bằng kim loại, giúp tăng cường độ bền, tránh gãy hỏng cảm biến khi tháo và
cắm ống thổi. Sử dụng tế bào cảm biến nhiên liệu hoá học tiên tiến chất lượng
cao, có uy tín trên thế giới, phạm vi làm việc: 0,000 – 3.000mg/l, nhiệt độ
vận hành: từ 0°C đến 60 °C, được sử dụng trong các dụng cụ đo alcohol
chuyên nghiệp của cảnh sát giao thông của rất nhiều nước trên thế giới.
Nhược điểm: Rất ít thông tin về cảm biến, tìm mua cảm biến khó
khăn dù là đặt hàng ở nước ngoài và hiện tại chưa có nơi nào tại Việt Nam bán
cảm biến này.

4. Phương pháp đo dùng cảm biến màng oxit bán dẫn

Hình 1.4: Cảm biến màng oxit bán dẫn
Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi hiện nay.Dựa trên sự thay đổi
độ dẫn điện của màng mỏng bán dẫn khi hấp thụ chất khí trên bề mặt ở nhiệt độ
từ 150 oC đến 500oC.


Cảm biến loại này có tính lựa chọn thấp, độ nhạy và thời gian đáp ứng bị
ảnh hưởng rất nhiều bởi độ ẩm môi trường; sự suy giảm độ nhạy cũng không
phát hiện được nếu không hiệu chuẩn lại; có thể bị hỏng hoàn toàn nếu đo liên
tục khí ở nồng độ cao; và có thể bị nhiễm độc bởi một lượng nhỏ chất silicone,
halocarbon.
Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng thông dụng nhất được làm từ ôxít kim loại: loại cảm biến màng mỏng được làm từ VO3 (Tri-ô-xít Vonfam),
được dùng chủ yếu phát hiện khí hydro-sunfua; Loại màng dày làm từ ô-xít
thiếc (SnO2), loại này không có tính chọn lọc và thường được dùng để phát hiện
sự thay đổi lớn lượng khí.
1.2. Một số cảm biến đo nồng độ cồn trên thị trƣờng
Bảng 1.1. Một số cảm biến đo nồng độ cồn trên thị trường

1.3. Hiện trạng thiết bị đo nồng độ cồn trong giao thông hiện nay
Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị đo nồng độ cồn, nhưng phần lớn mới
chỉ có chức năng hiển thị nồng độ cồn ngay tại thiết bị mà chưa có chức năng
lưu trữ thông tin nồng độ cồn và thông tin người tham gia giao thông một cách


tự động. Việc lưu trữ này là hết sức cần thiết không chỉ để cơ quan chức năng có
thể thống kê một cách chính xác và nhanh chóng số lượng người tham gia giao
thông mà có nồng độ cồn vượt ngưỡng nồng độ cồn cho phép, mà còn giúp
người tham gia giao thông vi phạm có thể xem lại dễ dàng những lần mình vi

phạm để rút ra bài học cho bản thân, một ý nghĩa khác của việc lưu trữ tự động
thông tin nồng độ cồn và thông tin người vi phạm.


Chƣơng 2. PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ
2.1. Phân tích nhiệm vụ và yêu cầu thiết kế
2.1.1Nhiệm vụ
Thiết kế thiết bị đo nồng độ cồn 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
- Thiết bị có thể truyền kết quả đo và thông tin người vi phạm lên sever
- Giao diện người dùng đơn giản, dễ sử dụng
- Là một thiết bị cẩm tay nên phải nhỏ gọn và dễ dàng sử dụng
2.1.2. Yêu cầu
 Gia công các mạch của thiết bị đo
 Sử dụng truyền tin không dây
 Xây dựng giao diện web cho người dùng có thể truy cập và xem thông
tin các lần kiểm tra nồng độ cồn.
 Thử nghiệm sự hoạt động của thiết bị đo
2.1.3.Mô hình tổng quan của thiết bị đo
Mô hình tổng quan của thiết bị bao gồm các khối chức năng như sau:

Hình 2.1: Mô hình tổng quan của thiết bị
 Xây dựng mô hình thu thập thông tin nồng độ cồn và thông tin người
tham gia giao thông vi phạm tương ứng. Mô hình sẽ sử dụng vi điều khiển dòng


STM 32. Các thông tin thu thập được sẽ được truyền lên sever để phục vụ mục
đích thu thập, lưu trữ, hiển thị và xử lý.
 Tìm hiểu phương thức truyền tin không dây, định nghĩa các gói tin dữ
liệu. Phần này chúng ta có thể sử dụng nhiều phương pháp, tuy nhiên em đang

thử nghiệm và nghiên cứu phương pháp truyền tin không dây wiffi, Với phương
pháp này cũng có rất nhiều ưu điểm, rất phù hợp (thông tin được truyền trực tiếp
lên server không thông phải thông qua máy trạm), dễ dàng chủ động về mặt
công nghệ, giá thành rẻ.
 Xây dựng hệ thống lưu trữ và giao diện trên Web nhằm hỗ trợ người dùng
chỉ cần truy cập qua trình duyệt Web (mà không cần cài đặt bất cứ phần mềm
nào lên thiết bị của mình) để có được thông tin của mình.
2.1.4.Mô hình thu thập
Bao gồm:
 Dùng cảm biến MQ3 để đo nồng độ cồn người tham gia giao thông.
 Sử dụng bàn phím 4x3 để nhập số chứng minh nhân dân của người
tham gia giao thông vào thiết bị đo.
2.1.5.Phƣơng thức truyền tin không dây
Hiện nay để truyền tin không dây có rất nhiều phương thức như: Internet,
Zigbee, Radio…thì em đưa ra ý tưởng sử dụng module wiffi esp8266 nhằm thử
nghiệm và áp dụng vào đề tài với những ưu điểm như:
 Truyền trực tiếp gói tin lên server mà không cần thông qua máy trạm
nên rất phù hợp để ứng dụng cho thiết bị đo yêu cầu gọn, nhỏ, nhẹ.
 Dễ dàng sử dụng.
 Tốc độ truyền 9600 bps phù hợp với ứng dụng không yêu cầu tốc độ
quá cao như thiết bị đo nồng độ cồn này.
 Chi phí thiết bị thấp.


2.2. Hệ thống thu thập, xử lý, truyền thông sử dụng vi điều khiển
2.2.1. Giới thiệu chung về vi điều khiển STMF32F103C8T6
Vi điều khiển STM32F103C8T6 là họ vi điều khiển 32 bit của hãng
TexasInstrument với 64-128 Kb bộ nhớ Flash, USB 2.0 full-speed, CAN, 7 bộ
Timer, 2 bộ ADC và 9 giao diện kết nối, với các thông số kỹ thuật như sau:
 Tiết kiệm năng lượng, đáp ứng yêu cầu thời gian thực khắt khe, hoạt

động ổn định trong môi trường công nghiệp.
 Tần số hoạt động tối đa là 72 MHz.
 Bộ nhớ FLASH lên đến 64Kbytes, bộ nhớ SRAM lên đến 20Kbytes.
 Có 2x10 kênh ADC 12 bit, 4x16 bit Timer.
 Hỗ trợ chuẩn truyển thông: 3 USART, 2 I2C, 2 SPI, 1 USB, 1 CAN.
Sơ đồ chân chức năng của vi điều khiển STM32F103C8T6 được thể hiển
trên hình sau.

Hình 2.2. Sơ đồ chân của vi điều khiển STM32F103C8T6
Chức năng của các chân chính vi điều khiển như sau:
 VBAT: cung cấp nguồn cho thanh ghi 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 anh 1 cho vi điều
khiển.
 PC12 OSC_IN, PC13_OSC_OUT: Cung cấp thạch anh 2 cho vi điều
khiển.
 NRST: Chân reset của vi điều khiển.
2.2.2. Module ADC trong STM32F103C8T6
ADC là bộ chuyển đồi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, ADC trong
STM32F1 là ADC có độ phân giải 12 bit với 10 kênh
2.3.

Cài đặt Webserver
Web Server (máy phục vụ Web) là máy tính mà trên đó cài đặt phần mềm

cung cấp dịch vụ trang Web, đôi khi người ta cũng gọi chính phần mềm đó là
Web Server. Tất cả các Web Server đều hiểu và chạy được các file *.htm và
*.html, ngoài ra khi cài đặt thêm mỗi Web Server có thể phục vụ thêm một số
kiểu file chuyên biệt chẳng hạn như các chuẩn *.asp, *.aspx... của IIS (... của
Microsoft);

*.php...;.

Một

số

webserver

thông

dụng

là

Apache

(www.apache.org), IIS (), Sun Java System Web Server
(www.oracle.com).
Web Server thường là một máy chủ có dung lượng lớn, tốc độ cao, được
dùng để lưu trữ thông tin như một ngân hàng dữ liệu, chứa những trang website
đã được thiết kế cùng với những thông tin liên quan khác (như các mã Script,
các chương trình, và các file Multimedia). Web Server có khả năng gửi đến máy
khách những trang Web thông qua môi trường Internet (hoặc Intranet) qua giao
thức HTTP - giao thức được thiết kế để gửi các file đến trình duyệt Web (Web

Browser), và các giao thức khác.
Bất kỳ một máy tính nào cũng có thể trở thành một Web Server bởi việc cài
đặt lên nó một chương trình phần mềm Server Software và sau đó kết nối vào
Internet.
Giống như những phần mềm khác mà bạn đã từng cài đặt trên máy tính của
mình, Web Server Software cũng chỉ là một ứng dụng phần mềm. Nó được cài


đặt, và chạy trên máy tính dùng làm Web Server, nhờ có chương trình này mà
người sử dụng có thể truy cập đến các thông tin của trang Web từ một máy tính
khác ở trên mạng (Internet, Intranet). Khi máy tính của bạn kết nối đến một Web
Server và gửi đến yêu cầu truy cập các thông tin từ một trang Web nào đó, Web
Server Software sẽ nhận yêu cầu và gửi lại cho bạn những thông tin mà bạn
mong muốn.
Web Server Software còn có thể được tích hợp với CSDL (Database), hay
điều khiển việc kết nối vào CSDL để có thể truy cập và kết xuất thông tin từ
CSDL lên các trang Web và truyền tải chúng đến người dùng. Thông thường
Server hoạt động liên tục 24/24 giờ, 7 ngày một tuần và 365 ngày một năm, để
phục vụ cho việc cung cấp thông tin trực tuyến. Vị trí đặt server đóng vai trò
quan trọng trong chất lượng và tốc độ lưu chuyển thông tin từ server và máy tính
truy cập.
2.4.

Phân tích và lƣạ chọn thiết bị
Các thiết bị đã được lựa chọn như sau:
 Vi điều khiển STM32F103C8T6.
 Module Wifi ESP8266.
 Cảm biến nồng độ cồn MQ3.
 Màn hình hiển thị LCD 16x2.
 Bàn phím.

 Thiết bị phát Wifi không dây (Router 3G).

2.4.1. Vi điều khiển STM32F103C8T6
Khối xử lý trung tâm cần đáp ứng các yêu cầu sau:
 Hoạt động ổn đỉnh và bền trong công nghiệp.
 Có đầy đủ module và chức năng cần thiết để kết nối với cảm biển và
thực hiện các

chức năng mở rộng trong đồ án.

 Bộ nhớ dữ liệu và chương trình đủ lớn để đọc và lưu trữ giá trị từ cảm
biến.


 Quen thuộc và dễ sử dụng.
2.4.2. Module Wifi ESP8266

Hình 2.3. Module Wifi ESP8266
Module Wifi ESP8266 có các đặc tính sau:
 Khoảng cách truyền 100m (trong môi trường k có vật cản) và 400m
nếu có anten và router thích hợp.
 Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
 Hoạt động ở tần số 2.4 GHz.
 Điện áp hoạt động chuẩn 3.3V.
 Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART tốc độ baund rate có thể lên đến
115200.
 Có 3 chế độ hoạt động Client, Access Point, Both Client and Access
Point.
 Hỗ trợ cả 2 giao tiếp UDP, TCP.
 Làm việc như máy chủ có thể kết nối 5 máy con.

 Nhỏ gọn, giá rẻ, dễ sử dụng.
Với những ưu điểm và tính năng như trên Module Wifi ESP8266 rất thích
hợp cho thiết bị đo cầm tay.


Hình 2.4. Sơ đồ chân của module Wifi ESP8266.
 VCC : Cung cấp nguồn cho Module Wifi.
 RESET : Reset module.
 GPIO0, GPIO2, CH_PD : Các chân vào ra của module.
 GND : Là chân đất của module.
 U3_TX : Là chân truyền theo chẩn UART.
 U3_RX : Là chân nhận theo chuẩn UART.
2.4.3. Cảm biến nồng độ cồn MQ3

Hình 2.5. Cảm biến nồng độ cồn MQ3
Cảm biến nồng độ cồn có các đặc tính sau :
 Nhạy với cồn, đáp ứng nhanh, độ nhạy lớn, ổn định và bền.
 Dải đo là từ 0.05mg/L – 10mg/L.
 Điện áp ra tuyến tính từng đoạn so với giá trị nồng độ cồn đo được.
 Điện áp hoạt động 5V.


 Nhỏ gọn, chi phí thấp dễ sử dụng.
Cảm biến có nguyên tắc hoạt động đơn giản, khi khí có cồn thổi vào cảm
biến thì cảm biến sẽ thay đổi điện trở, thông qua một mạch điện tử đơn giản ta
có được thay đổi điện áp ra tuyến tính so với nồng độ cồn. (Rl là điện trở tải 200
KΩ)

Hình 2.6. Sơ đồ mạch điện tử của cảm biến.

Hình 2.7. Sự thay đổi điển 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 :
- R0 là điện trở của cảm biến tại nồng độ cồn là 0.4 mg/l.
- Rs là điện trở của cảm biến.
- Tính toán giá trị thực của nồng độ cồn từ giá trị điện áp đo được
(bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm):
- Chọn dải đo là từ 0.2 mg/l – 0.45 mg/l.
Gọi x là giá trị nồng độ cồn, y là giá trị tỷ số Rs/Ro thìta 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 2 điểm trên là:
y= Rs/R0 = -3,5.x +2,4

(2.1)

Ta lại có R0=2KΩ, Rl=1KΩ
Dựa vào hình 2.7 nên điện áp ra của cảm biến được tính theo công
thức sau đây:
U=5RL/ (Rs +RL)

(2.2)

Mà Rs = R0.(-3,5.x+2,4) = 2000.(-3,5.x+2,4)

(2.3)

Vậy mối quan hệ giữa giá trị nồng đồ cồn và điện áp ra theo biểu

thức sau:
x = 0.829 – 0.714/U (mg/l)

Hình 2.8. Sơ đồ chân của cảm biến nồng độ cồn Mq3.

(2.4)


VCC : Cung cấp nguồn 5V cho cảm biến.
GND : Cung cấp đất cho cảm biến.
DOUT : Chân ra mức 0 nếu có cồn, mức 1 nếu không có cồn.
AOUT : Chân ra tương tự tuyến tính với nồng độ cồn.
2.4.4. Màn hình hiển thị LCD 16x2
Khối hiển thị để hiển thị thông tin nồng đô cồn và thông tin người bị kiểm
tra nồng độ cồn. Ở khối hiển thị ta sử dụng LCD 16x2 với khả năng hiển thị 16
ký tự /hàng và có 2 hàng với sơ đồ chân và chức năng như hình sau:

Hình 2.9. Sơ đồ chân của màn hình LCD 16x2.
Chức năng các chân như sau:
 VSS,VDD: Nối với đất và nguồn cho LCD.
 RS, RW, E: Các chân cho phép, điều khiển LCD.
 D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7: Các chân dữ liệu.
Đây là loại màn hình rất phổ biến, dễ sử dụng, giá thành hợp lý, hiện thị tốt
thông tin nồng độ cồn và người vi phạm nên rất phù hợp với đề tài.
2.4.5. Bàn phím
Với yêu cầu nhập thông tin người tham gia giao thông được kiểm tra nồng
đô cồn(CMND) , thêm vào đó là 3 nút điều khiển thiết bị (SEND, CLEAR,
START), em thiết kế loại bàn phím ma trận 5x3 như sau:

Hình 2.10. Bàn phím

Hình 2.11. Sơ đồ mạch bàn phím

Hình 2.12. Sơ đồ mạch các phím điều khiển.


2.4.6. Thiết bị phát Wifi không dây (Router 3G)
Với các yêu cầu này em chọn Router Wifi 3G Vodafone R208 do Huawei
sản xuất với các thông số kỹ thuật sau:
 Dùng được sim 3G của nhiều nhà mạng khác nhau ở Việt Nam.
 Pin dung lượng 3000 mAh, thời gian làm việc liên tục 12 tiếng.
 Có thể kết nối tới 10 thiết bị cùng một lúc.
 Khoảng cách truyền 100m.
 Tốc đô truyền là 5.76 Mbps.
 Dễ dàng cài đặt và sử dụng.

Hình 2.13. Router Wifi 3G Vodafone R208.


2.4.7. Sever
 Dung lượng 2000MB.
 Băng thông 100000MB.
 Database: SQL, MySQL, MySQLi.
 Ngôn ngữ: ASP/ASP.net/PHP.
 Có thể gửi dữ liệu lên cũng như lấy dữ liệu về thông qua một giao
diện Web mà em xây dựng (sử dụng các công cự PHP, HTML,
MySQL, CSS).

Chƣơng 3: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO NỒNG CỒN SỬ DỤNG CẢM BIẾN
MQ3 TRONG AN TOÀN GIAO THÔNG
Trong chương này, em trình bày về các thiết kế chi tiết như:
 Thiết kế thiết bị đo.
 Thiết kế Server, giao diện Web.
3.1.

Thiết kế chi tiết thiết bị đo

Hình 3.1. Sơ đồ các thành phần của thiết bị đo.
Các chức năng của từng thành phần cấu thành nên thiết bị đo đã được nói ở
chương 2. Với các thiết bị ngoại vi và yêu cầu ghép nối như đã trình bày, ta có
bảng sơ đồ chân của vi điều khiển và các ngoại vi như sau:


Bảng 3.1. Sơ đồ chân của vi điều khiển với ngoại vi.
STT

Khối sử dụng

Tên chân

1

Khối cảm biến MQ3

PA0

2

Khối module Wifi Esp8266

PA9, PA10

3

Khối bàn phím

PA2, PA3, PA4, PB3, PB4, PB5,
PB6, PB7, PB8, PB9

4

Khối LCD

PA8, PA11, PA12, PB0, PB1,
PA5, PA6, PA7

5

Led chỉ thị

PA5, PA15

Mạch nguyên lý được thiết kế trên phần mềm Altium 10.
 Khối vi điều khiển và khối mở rộng.

Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý khối VĐK và khối mở rộng