Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở (Luận văn thạc sĩ0

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

i


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.
Học viên

SENGCHANTHAVONG Obe

ii


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.

iii


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

iv


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

v


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

vi


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

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên đầy đủ

TT Từ viết tắt

AVR microcontrollers

Chú thích
Vi điều khiển AVR

1

AVR

2

IDII

3

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình tinh thể lỏng

4

ARM

Acorn RISC Machine

Vi xử lý cấu trúc 32-bit

5

I/O

Input/Output

Tín hiệu vào/ra

Interraction Design
Instistute Ivrea

Thiết kế tương tác Ivrea

Mức điện áp chuẩn để đo
6

GND

được các điện áp cao hay

Ground

thấp
7

Vcc

8

AREF

9

TTL

10

ADC

11

12

IDE

MCU

Voltage common

Điện áp cao(điện áp

collector

gópchung)

AnalogReference

Điện áp mẫu

Transistor-transistor
logic
Analog to Digital

Logic chuẩn bán dẫn
Bộ chuyển tương tự sang số

Converter
Integrated Development
Environment

Trình soạn thảo, biên dịch và
nạp chương trình cho
Arduino.

Microcontroller Unit

viii

Bộ vi điều khiển


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.

1


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
2


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
3


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:
4

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:

5

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.
1.3.2. Giải pháp thiết kế
Hệ thống phát hiện nồng độ cồn có nhiệm vụ chính là kiểm tra thực tiếp
nồng độ cồn trong hơi thở. Hệ thống cảnh báo phát các tín hiệu cảnh báo khí nồng
độ còn trong vùng không gian thở trước mặt của người sử dụng cao quá mức quy
định. Chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo: căn cứ vào các qui định của luật giao
thông, căn cứ vào độ nhạy và sai số điện áp đầu ra của cảm biến đo nồng độ cồn,
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.

6


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.

7


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
8


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

9


 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

10


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.

11


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

12


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
1. Nút kiểm tra
chương trình

2. Nút nạp chương

trình xuống bo mạch

3. Hiển thị màn
hình giao tiếp với
máy tính

4. Vùng lập trình

5. Vùng thôngbáo
thông tin

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
lúp thì phần giao tiếp với máy tính sẽ được mở ra. Phần này sẽ hiển thị các thông
13


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()
{
……..
}
Cấu trúc của nó có dấu ngoặc nhọn ở đầu và ở cuối, nếu thiếu phần này khi
kiểm tra chương trình thì chương trình sẽ báo lỗi.
Phần này dùng để thiết lập các tốc độ truyền dữ liệu, kiểu chân là chân ra
hay
chân vào.
Trong đó:
Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE

14


Dùng để truyền dữ liệu từ board
Serial.begin(9600);

Arduino
lên máy tính.

pinMode(biến, kiểu vào hoặc ra); Dùng để xác định kiểu chân là vào hay
ví dụ: pinMode(ChanDO, INPUT) ra

Phần 3: Vòng lặp
Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các
nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn, thường bắt đầu bằng:
void loop()
{
……
}
Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp:
Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh
Ký hiệu, câu lệnh

Ý nghĩa
Dấu // dùng để giải thích, khi nội dung giải thích nằm
trên 1

//

dòng, khi kiểm tra chương trình thì phần kiểm tra sẽ bỏ
qua
phần này, không kiểm tra.

/*

Ký hiệu này cũng dùng để giải thích, nhưng giải thích

…..

dành

*/

cho một đoạn, tức có thể xuống dòng được.

15


Xác định câu lệnh này nhằm gán tên một biến vào một
#define biến chân chân nào
đó. Ví dụ #define LED 13
Dùng để tắt, mở 1 chân ra. Ở đây trạng thái chân có thể
digitalWrite

là

(chân,trạng thái);

HIGH hoặc LOW
Ví dụ: digitalWrite(led,HIGH);

analogWrite

Có nghĩa dùng để băm xung (PWM), thường dùng để
điều

(chân,giá trị);

digitalRead(chân)
;
analogRead(chân)
;

khiển tốc độ động cơ, độ sáng led,…
Read nghĩa là đọc, lệnh này dùng để đọc giá trị digital
tại
chân muốn đọc
Lệnh này dùng để đọc giá trị analog tại chân muốn đọc
Delay nghĩa là chờ, trì hoãn, duy trì. Lệnh này dùng để
duy

Delay(thời gian);

trì trạng thái đang thực hiện chờ một thời gian. Thời
gian ở
đây được tính bằng mili giây, 1 giây bằng 1 nghìn mili
giây

Serial.print()

In ra màn hình máy tính, lệnh này in không xuống dòng
In ra màn hình máy tính, in xong xuống dòng, giá trị

Serial.println()

tiếp
theo sẽ được in ở dòng kế tiếp

16


If()
{
Các câu lệnh
}
Else ()
{

If nghĩa là nếu, sau if là dấu (), bên trong dấu ngoặc là
một
biểu thức so sánh

Các câu lệnh
}
2.2. Cảm biến nồng độ cồn.
2.2.1. Khái niệm nồng độ cồn.
Nồng độ cồn là một đại lượng đo chỉ hàm lượng cồn (etanol) có trong thức
uống có cồn (tính theo phần trăm thể tích). Độ cồn được làm theo cấp Gay-Lusac
(đặt theo tên nhà hóa học pháp Joseph Louis Gay- Lussc)
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

17