Khóa luận tốt nghiệp Điện công nghiệp: Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng smartphone

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:114

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng smartphone" là thiết kế một mô hình có thể đo được nồng độ cồn trong hơi thở người và phát tín hiệu cảnh báo. Mô hình có thể ứng dụng trong chế tạo mũ bảo hiểm để hạn chế người tham gia giao thông sử dụng rượu bia.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Điện công nghiệp: Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng smartphone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NÓN BẢO HIỂM PHÁT HIỆN NỒNG ĐỘ CỒN BẰNG SMARTPHONE Ngành: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Chuyên ngành: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nghiêm Hoàng Hải Sinh viên thực hiện: Phạm Xuân Bách MSSV: 1311020057 Trương Hoàng Thái Bảo MSSV: 1311020063 Lớp: 13DDC03 TP. Hồ Chí Minh, 2017
LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi cam đoan Đồ án tốt nghiệp là công trình nghiên cứu của bản thân chúng tôi dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Nghiêm Hoàng Hải. Các kết quả công bố trong Đồ án tốt nghiệp “Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng Smartphone” là trung thực và không sao chép từ công trình nào khác. Nhóm thực hiện đề tài Phạm Xuân Bách – Trương Hoàng Thái Bảo iii
LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đầu tiên chúng tôi xin gửi tới thầy Nghiêm Hoàng Hải, mặc dù thầy rất bận trong công việc giảng dạy, nhưng thầy đã đồng ý hướng dẫn đồ án tốt nghiệp cho nhóm chúng tôi. Trong quá trình làm đồ án, thầy luôn chỉ bảo, nhắc nhở để chúng tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành đồ án đúng tiến độ. Bên cạnh đó, cùng với những lời nhận xét, góp ý của thầy cũng giúp chúng tôi có những định hướng đúng đắn hơn khi thực hiện đề tài. Chúng tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý thầy cô trong khoa Cơ Điện-Điện Tử. Quý thầy cô là những người đã dạy dỗ, truyền đạt cho chúng tôi từ những kiến thức cơ bản nhất, đồng thời thường xuyên giúp đỡ rất nhiệt tình khi chúng tôi có khó khăn trong vấn đề nghiên cứu đề tài, không những thế còn tạo điều kiện hết sức thuận lợi để chúng tôi có được môi trường, điều kiện nghiên cứu tốt nhất có thể. Cuối cùng, chúng tôi không quên gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, người thân và bạn bè là nguồn động viên to lớn hỗ trợ chúng tôi về mặt tinh thần cũng như vật chất để chúng tôi có thêm động lực và tự tin để hoàn thành đồ án này. Nhóm thực hiện đề tài Phạm Xuân Bách – Trương Hoàng Thái Bảo iv
MỤC LỤC Trang PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ..................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN .............................................................................................. iv MỤC LỤC ....................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. vii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... xi LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................... 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ........................................................................................................... 2 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 2 1.4 GIỚI HẠN ............................................................................................................ 2 1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................ 2 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................... 4 2.1 CẢM BIẾN CỒN MQ3 ........................................................................................ 4 2.1.1 Khái niệm về cảm biến .................................................................................. 4 2.1.2 Cảm biến MQ3 .............................................................................................. 4 2.1.3 Cấu tạo của cảm biến..................................................................................... 4 2.1.4 Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 5 2.2 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO .................................................................. 6 2.2.1 Khái niệm vi điều khiển ................................................................................ 6 2.2.2 Board vi điều khiển Arduino Nano ............................................................... 6 2.2.3 Bộ ADC trong Arduino Nano ....................................................................... 8 2.2.4 Timer/Counter trong Arduino Nano .............................................................. 8 2.2.5 Giao tiếp UART trong Arduino Nano ........................................................... 9 2.3 GIỚI THIỆU VỀ BLUETOOTH........................................................................ 10 2.3.1 Khái niệm về Bluetooth ............................................................................... 10 2.3.2 Các đặc điểm của Bluetooth ........................................................................ 11 2.3.3 Ưu nhược điểm của Bluetooth .................................................................... 12 2.3.4 Module Bluetooth HC-06 ............................................................................ 12 2.4 GIỚI THIỆU HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID ...................................................... 14 v
2.4.1 Android là gì? .............................................................................................. 14 2.4.2 Ưu nhược điểm của Android ....................................................................... 15 2.4.3 Kiến trúc cơ bản của hệ điều hành Android ................................................ 16 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. .................................................. 21 3.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 21 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ............................................................................ 21 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ....................................................................... 21 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch .......................................................................... 22 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ......................................................................... 34 CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................... 35 4.1 GIỚI THIỆU ....................................................................................................... 35 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG .................................................................................... 35 4.2.1 Thi công bo mạch ........................................................................................ 35 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ...................................................................................... 36 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ........................................................... 36 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ............................................................................... 36 4.3.2 Thi công mô hình ........................................................................................ 38 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .................................................................................. 39 4.4.1 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................... 39 4.4.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ......................................................... 50 4.4.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại .............................................................. 51 4.5 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ................................................................................. 57 CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ............................... 66 5.1 KẾT QUẢ ........................................................................................................... 66 5.2 NHẬN XÉT ........................................................................................................ 67 5.3 ĐÁNH GIÁ ......................................................................................................... 68 CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 71 6.1 KẾT LUẬN......................................................................................................... 71 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RH: Relative Humidity RF: Radio Frequency NFC: Near Field Communication LoRa: Long Range TI: Texas Intruments IC: Integated Circuit I/O: Input/Output MCU: Micro Controller Unit UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter PC: Personal Computer PDA: Personal Digital Assistant AT: Attention USB: Universal Serial Bus VM: Virtual Machine API: Application Programming Interface ID: Identification EN: Enable LCD: Liquid Crytal Dislay GLCD: Graphic Liquid Crytal Dislay Op-Amp: Operational Amplifier IDE: Integrated Development Environment RAM: Random Access Memory vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Trang Hình 2.1. Cảm biến MQ3 ............................................................................................... 4 Hình 2.2. Sơ đồ chân cảm biến MQ3 ............................................................................. 4 Hình 2.3. Lõi nhôm khi chưa đun nóng.......................................................................... 5 Hình 2.4. Lõi nhôm sau khi được đun nóng ................................................................... 5 Hình 2.5. Hệ thống vi điều khiển cơ bản ........................................................................ 6 Hình 2.6. Sơ đồ và chức năng chân Arduino Nano ........................................................ 7 Hình 2.7. Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART ........................................................ 9 Hình 2.8. Nguyên lý hoạt động chuẩn UART .............................................................. 10 Hình 2.9. Biểu tượng bluetooth .................................................................................... 10 Hình 2.10. Ứng dụng Bluetooth điều khiển các thiết bị ngoại vi ................................. 11 Hình 2.11. Module Bluetooth HC-06 ........................................................................... 13 Hình 2.12. Các phiên bản của Android ........................................................................ 15 Hình 2.13. Kiến trúc ngăn xếp của hệ thống Android .................................................. 17 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ...................................................................................... 21 Hình 3.2. Ứng dụng mô hình trên nón bảo hiểm .......................................................... 22 Hình 3.3. Sơ đồ kết nối cảm biến với vi điều khiển ..................................................... 22 Hình 3.4. Module cảm biến MQ3 ................................................................................. 23 Hình 3.5. Sơ đồ nối dây module cảm biến MQ3 .......................................................... 23 Hình 3.6. Biểu đồ đặc tuyến quan hệ giữa điện trở cảm biến với nồng độ một số khí có trong không khí ở điều kiện chuẩn ................................................................................ 25 Hình 3.7. Hai bảng dữ liệu mẫu ................................................................................... 27 Hình 3.8. Kết quả sau khi chạy mô phỏng MATLAB ................................................. 28 Hình 3.9. Sai số thu được sau khi mô phỏng................................................................ 29 Hình 3.10. Phương trình đường đặc tuyến thu được .................................................... 29 Hình 3.11. Sơ đồ nối dây vi điều khiển trong Broad Arduino Nano............................ 30 Hình 3.12. Sơ đồ nối dây mạch nạp CH340 trong Arduino Nano ............................... 31 Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý của khối Module Bluetooth ............................................. 31 Hình 3.14. Module Bluetooth HC-06 thực tế ............................................................... 32 Hình 3.15. Led hai màu ba chân thực tế ....................................................................... 32 Hình 3.16. Sơ đồ hai loại led hai màu .......................................................................... 32 Hình 3.17. Sơ đồ kết nối led hai màu Cathode chung với MCU ................................. 33 Hình 3.18. Sạc dự phòng Romoss ACE 10 .................................................................. 34 Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ........................................................................ 34 viii
Hình 4.1. Sơ đồ mạch in khối xử lý trung tâm ............................................................. 35 Hình 4.2. Hình ảnh thực tế khối xử lý trung tâm ......................................................... 36 Hình 4.3. Vỏ mica của khối xử lý trung tâm ................................................................ 37 Hình 4.4. Đóng gói khối xử lý trung tâm ..................................................................... 37 Hình 4.5. Nón bảo hiểm ¾ đầu ..................................................................................... 38 Hình 4.6. Lưu đồ chương trình chính ........................................................................... 39 Hình 4.7. Lưu đồ chương trình ngắt báo tràn Timer1 .................................................. 42 Hình 4.8. Lưu đồ chương trình ngắt báo tràn Timer2 .................................................. 43 Hình 4.9. Lưu đồ chương trình đo nồng độ cồn ........................................................... 44 Hình 4.10. Lưu đồ chương trình chính lập trình Android ............................................ 45 Hình 4.11. Lưu đồ nút nhấn đăng ký ............................................................................ 46 Hình 4.12. Lưu đồ nút nhấn đăng nhập ........................................................................ 47 Hình 4.13. Lưu đồ xử lý dữ liệu và cảnh báo ............................................................... 48 Hình 4.14. Lưu đồ nút nhấn kết nối.............................................................................. 49 Hình 4.15. Giao diện phần mềm Arduino IDE............................................................. 50 Hình 4.16. Phần mềm Android Studio ......................................................................... 52 Hình 4.17. Cấu trúc trang thiết kế giao diện trong Tab Design ................................... 52 Hình 4.18. Cấu trúc trang thiết kế giao diện trong Tab Text ....................................... 54 Hình 4.19. Lựa chọn thiết bị cài đặt ............................................................................. 54 Hình 4.20. Giao diện màn hình đăng nhập ................................................................... 56 Hình 4.21. Giao diện màn hình đăng ký ....................................................................... 56 Hình 4.22. Giao diện màn hình hiển thị ....................................................................... 57 Hình 4.23. Các bước cài đặt Ứng dụng trên điện thoại ................................................ 58 Hình 4.24. Led báo trên khối trung tâm và cảm biến sáng ......................................... 58 Hình 4.25. Giao diện khi mới khởi động Ứng dụng..................................................... 59 Hình 4.26. Lỗi đăng nhập không thành công ............................................................... 59 Hình 4.27. Giao diện trang đăng ký ............................................................................. 60 Hình 4.28. Lỗi khi tạo tài khoản không thành công ..................................................... 60 Hình 4.29. Đăng ký tài khoản thành công .................................................................... 61 Hình 4.30. Giao diện khi đăng nhập thành công .......................................................... 61 Hình 4.31. Led báo mạch đã sẵn sàng hoạt động ......................................................... 62 Hình 4.32. Giao diện khi nồng độ cồn bình thường ..................................................... 62 Hình 4.33. Cảnh báo khi nồng độ cồn vượt ngưỡng cho phép ..................................... 63 Hình 4.34. Cảnh báo khi nồng độ cồn vượt ngưỡng khẩn cấp ..................................... 63 Hình 4.35. Led báo nhấp nháy màu đỏ trên nón bảo hiểm........................................... 64 Hình 4.36. Giao diện lịch sử nồng độ cồn .................................................................... 64 ix
Hình 4.37. Giao diện kết thúc Ứng dụng ..................................................................... 65 Hình 4.38. Thông tin và hướng dẫn sử dụng ................................................................ 65 Hình 5.1. Kết quả mô hình sau khi thi công ................................................................. 66 Hình 5.2. Ứng dụng trên SmartPhone .......................................................................... 66 Hình 5.3. Đường đặc tuyến từ datasheet của nhà sản xuất ........................................... 69 Hình 5.4. Kết quả sau khi mô phỏng ............................................................................ 69 Hình 5.5. Sai số thu được sau khi mô phỏng................................................................ 70 x
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3 .................................................................. 5 Bảng 3.1. Giá trị RS đo trong môi trường điều kiện phòng ......................................... 26 Bảng 3.2. Liệt kê các điện áp và dòng các linh kiện sử dụng trong mạch ................... 33 Bảng 4.1. Bảng phân bố tài nguyên của một Project .................................................... 52 xi
LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, tai nạn giao thông đang là vấn nạn gây nhức nhối cho xã hội. Hằng năm số vụ tai nạn giao thông không hề suy giảm, ngược lại nó còn tăng lên rất nhiều. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông, một trong số đó là do người điều khiển phương tiện giao thông sử dụng rượu bia, nồng độ cồn trong máu quá mức cho phép. Người điều khiển phương tiện giao thông sử dụng rượu bia không chỉ gây họa cho bản thân và gia đình mà còn gây liên lụy đến những con người vô tội xung quanh. Như vậy ý tưởng thiết kế một mô hình có khả năng phát hiện được nồng độ cồn trong hơi thở người điều khiển phương tiện giao thông và cảnh báo là một ý tưởng mang tính thực tiễn và cần thiết. Do đó, nhóm đã chọn thực hiện đề tài: “Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng Smartphone”. Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị chạy hệ điều hành Android, đồng thời có thể đo được nồng độ cồn trong hơi thở và hiển thị lên SmartPhone của người sử dụng. Để thực hiện được đề tài, nhóm đã áp dụng các kiến thức của bộ môn vi xử lý, điện tử cơ bản. Nghiên cứu về cách sử dụng Board vi điều khiển Arduino Nano, cảm biến đo nồng độ cồn MQ3. Tìm hiểu về công nghệ Bluetooth, tìm hiểu và lập trình các ứng dụng trên Android sử dụng phần mềm Android Studio. Nhóm thực hiện đề tài Phạm Xuân Bách – Trương Hoàng Thái Bảo xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, tai nạn giao thông đang là vấn nạn gây nhức nhối cho xã hội. Mỗi ngày, các phương tiện thông tin đại chúng đều có bản tin về số lượng các vụ tai nạn giao thông xảy ra trên địa bàn cả nước. Hằng năm số vụ tai nạn giao thông vẫn không hề suy giảm, ngược lại nó còn tăng lên rất nhiều. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra tai nạn giao thông, một trong số đó là do người điều khiển phương tiện giao thông sử dụng rượu bia, nồng độ cồn trong máu quá mức cho phép. Người điều khiển phương tiện giao thông sử dụng rượu bia không chỉ gây họa cho bản thân và gia đình mà còn gây liên lụy đến những con người vô tội xung quanh. Như vậy ý tưởng thiết kế một mô hình có khả năng phát hiện được nồng độ cồn trong hơi thở người điều khiển phương tiện giao thông và cảnh báo là một ý tưởng mang tính thực tiễn và cần thiết. Khoa học công nghệ trên thế giới ngày càng phát triển mạnh mẽ và có những bước tiến đáng kể. Đó là sự xuất hiện của những chiếc SmartPhone trong nhiều năm gần đây. Chúng ngoài những tính năng cơ bản của một chiếc điện thoại di động như nghe, gọi, nhắn tin mà còn sở hữu những ứng dụng vô cùng hiện đại ngang tầm với một chiếc máy tính xách tay như lướt web, xem phim, nghe nhạc, xem báo,... Ngày nay SmartPhone được sử dụng rất phổ biến trong cuộc sống. Chúng trở thành vật bất ly thân đối với mỗi con người. SmartPhone ngoài những ứng dụng có sẵn, chúng ta vẫn có thể tự tạo cho riêng mình một ứng dụng phục vụ những nhu cầu của chúng ta. Và để làm được điều đó, ta sẽ cần đến một công cụ chuyên về lập trình trên SmartPhone chạy hệ điều hành Android đó là Android Studio.[3] Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh. Hiện nay, có khá nhiều công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wifi, Bluetooth, NFC, Lora,…Trong đó, Bluetooth là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật.[4-5] 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Do đó, chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: “Nón bảo hiểm phát hiện nồng độ cồn bằng Smartphone”. Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị chạy hệ điều hành Android, đồng thời có thể đo được nồng độ cồn trong hơi thở và hiển thị lên SmartPhone của người sử dụng. 1.2 MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài là thiết kế một mô hình có thể đo được nồng độ cồn trong hơi thở người và phát tín hiệu cảnh báo. Mô hình có thể ứng dụng trong chế tạo mũ bảo hiểm để hạn chế người tham gia giao thông sử dụng rượu bia. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Tìm hiểu và lựa chọn cảm biến đo nồng độ cồn, module kết nối Bluetooth, vi xử lý.  Viết ứng dụng Android để SmartPhone nhận tín hiệu từ khối điều khiển và đưa ra cảnh báo.  Thiết kế và thi công các module khối xử lý trung tâm, khối nguồn và báo nguồn.  Kết nối các module lại với nhau.  Chạy thử, kiểm tra và cân chỉnh mô hình.  Viết sách luận văn tốt nghiệp.  Báo cáo đồ án tốt nghiệp. 1.4 GIỚI HẠN  Nồng độ cồn đo được trong khoảng 0 cho đến 2 mg/l.  Cảm biến chỉ đo nồng độ trong phạm vi 3 cm.  Phạm vi kết nối không dây giữa mô hình và SmartPhone không quá 20 m.  Ứng dụng chỉ tương thích với hệ điều hành Android. 1.5 BỐ CỤC  Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày khái quát về công nghệ Bluetooth, kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android cũng như các thông số và ý nghĩa của các linh kiện chính sử dụng cho thiết kế bộ điều khiển (vi điều khiển Arduino Nano, module Bluetooth HC-06, module cảm biến nồng độ cồn MQ3).  Chương 3: Tính Toán và Thiết Kế Chương này sẽ trình bày sơ đồ khối của hệ thống, đưa ra các phương án thực hiện và lựa chọn phương án tối ưu nhất để tính toán tìm được phương trình đo nồng độ cồn từ datasheet của nhà sản xuất. Ngoài ra chương này còn trình bày cách thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối cũng như sơ đồ nguyên lý toàn mạch.  Chương 4: Thi công hệ thống Chương này sẽ gồm có 2 phần là kết quả thi công phần cứng và kết quả hình ảnh mô phỏng ứng dụng hiển thị trên màn hình Smartphone. Chương này còn trình bày phần yêu cầu đối với phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lưu đồ hoạt động của chương trình. Ngoài ra còn trình bày các yêu cầu cần có đối với phần mềm điều khiển trên điện thoại từ đó làm cơ sở để viết ứng dụng trên điện thoại.  Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được sau thời gian thực hiện đề tài gồm có hình ảnh về sản phẩm (bộ điều khiển và ứng dụng trên điện thoại), đánh giá sai số, tính ổn định của hệ thống, thời gian đáp ứng của hệ thống, tính thẩm mỹ, tính an toàn, tính dễ sử dụng, tính bảo mật, …  Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển Chương này sẽ đưa ra những kết luận sau khi hoàn thành sản phẩm, các hướng phát triển của đề tài để có thể phát triển sản phẩm tốt hơn trong tương lai. 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CẢM BIẾN CỒN MQ3 2.1.1 Khái niệm về cảm biến Cảm biến là thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi các tác nhân vật lý như nhiệt độ, độ ẩm,… thành các tín hiệu điện áp và dòng điện để vi xử lý có thể đọc được. Có hai loại cảm biến là cảm biến ngõ ra số và cảm biến ngõ ra tương tự. [1] 2.1.2 Cảm biến MQ3 Cảm biến MQ3 là cảm biến khí dùng để phát hiện cồn trong không khí. Nó được cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ dẫn điện thấp với không khí sạch. Nhưng khi trong môi trường có cồn, độ dẫn điện của nó thay đổi ngay. Hình 2.1. Cảm biến MQ3 2.1.3 Cấu tạo cảm biến MQ3 Cảm biến MQ3 cấu tạo gồm 6 chân và bên trong có một ống hình trụ làm bằng aluminum oxide (Al2O3) và tin dioxide (SnO2). Bên trong ống hình trụ này là cuộn dây sinh nhiệt nối với 2 chân H (Heat). Chân A được nối với nguồn, chân B nối ngõ ra. Hình 2.2. Sơ đồ chân cảm biến MQ3 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.4 Nguyên lý hoạt động Về cơ bản ống là lõi nhôm oxit được phủ bởi lớp tin dioxide, giữa 2 lớp có 1 điện cực Aurum (màu đen). Hình 2.3. Lõi nhôm khi chưa đun nóng Khi cuộn dây trong lõi nóng lên, SnO2 sẽ trở thành vật liệu dẫn điện. Khi ethanol (cồn) tiếp xúc với điện cực Aurum sẽ bốc cháy thành axit axetic, kết quả là nhiệt độ của ống tăng lên, dòng chảy qua ống tăng. Ta thu được kết quả của cảm biến. Hình 2.4. Lõi nhôm sau khi được đun nóng Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3 Điện áp vào VC ≤ 24 VDC Điện áp làm nóng VH 5.0V ± 0.2V AC hoặc DC Điện trở tải RL Tự điều chỉnh Điện trở làm nóng RH 31 ± 3Ω (Nhiệt độ phòng) Công suất làm nóng PH ≤ 900mW Điện trở cảm biến RS 2kΩ - 20kΩ Nhiệt độ T 20 ± 5°C Độ ẩm H 65 ± 5%RH 5
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 2.2.1 Khái niệm về vi điều khiển Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các module thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài.[2] Hình 2.5. Hệ thống vi điều khiển cơ bản Có rất nhiều hãng sản xuất vi điều khiển, nổi tiếng là TI, Microchip, Atmel, ... Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm khác nhau, vì yêu cầu của đề tài này dùng chức năng vi điều khiển không quá phức tạp nên hầu hết các vi điều khiển đều có thể dùng được, ở đây ta cân nhắc về vấn đề thông dụng, nhỏ gọn và khả năng phát triển trong tương lai của vi điều khiển nên ta chọn dòng vi điều khiển AVR của hãng Atmel. Ở đây, ta dùng Board Arduino Nano được tích hợp sẵn Vi điều khiển ATmega328P họ 8bit và chip nạp CH340 vì thế ta tiết kiệm được thời gian hàn mạch, việc chỉnh sửa phần cứng và chương trình được thực hiện dễ dàng hơn. 2.2.2 Board vi điều khiển Arduino Nano Arduino Nano là phiên bản thu nhỏ của Arduino UNO sử dụng vi xử lý ATmega328P, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình có trên Arduino UNO đều có trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng IC dán của ATmega328P nên sẽ có thêm 2 chân Analog so với phiên bản IC chân cắm Arduino UNO. 6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6. Sơ đồ và chức năng chân Arduino Nano  Một vài thông số của Arduino Nano:  Arduino Nano sử dụng vi điều khiển ATmega328P.  Điện áp hoạt động: 5 VDC.  Tần số hoạt động: 16 MHz.  Dòng điện áp: 30 mA.  Điện áp giới hạn: 6-12 VDC.  Số chân Analog: 8 (độ phân giải 10bit).  Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA.  Các chân năng lượng:  GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Nano.  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.  Bộ nhớ của Arduino Nano:  32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng thường thì ít khi nào phải sử dụng quá 20KB bộ nhớ này.  2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. 7
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Chú ý: khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.  1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): tương tự như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây mà không phải lo bị mất khi mất điện giống như dữ liệu trên SRAM. 2.2.3 Bộ ADC trong Arduino Nano 2.2.3.1 Khái niệm ADC ADC (Analog-to-digital converter) hay mạch chuyển đổi tương tự ra số là một linh kiện bán dẫn thực hiện chức năng là chuyển đổi một đại lượng vật lý tương tự liên tục nào đó (thường là điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn của đại lượng đó. Mỗi bộ ADC được đặt trưng bởi độ phân giải (Step Size). Độ phân giải của ADC được định nghĩa là độ thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra ở đầu ra số bởi kết quả của một thay đổi ở đầu vào tương tự. Độ phân giải phụ thuộc vào số bit chuyển đổi của ADC. Số bit chuyển đổi càng cao thì độ phân giải càng lớn. 2.2.3.2 Bộ ADC trong Arduino Nano Trong Arduino Nano có hỗ trợ 8 chân analog (A0 → A7): cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board có thể đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10 bit. Công thức tính độ phân giải ADC của Arduino Nano được tính như sau: 𝑉𝑅𝐸𝐹 SS= (2.1) 210 −1 Trong đó: VREF là điện áp tham chiếu đặt vào chân AREF trên board. Nếu không cấp nguồn chân này thì mặc định VREF = 5V. 2.2.4 Timer/Counter trong Arduino Nano 2.2.4.1 Khái niệm Timer/Counter Timer/Counter là các module độc lập với MCU. Chức năng chính của các bộ Timer/Counter như tên gọi của chúng là định thời (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian…) và đếm sự kiện. 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2.4.2 Timer/Counter trong Arduino Nano Arduino Nano sử dụng dòng vi điều khiển ATMega328P của AVR. Bên trong vi điều khiển này có 3 bộ Timer/Counter. Timer/Counter0 (8 bit), Timer/Counter1 (16 bit), Timer/Counter2 (8 bit). 2.2.5 Giao tiếp UART trong Arduino Nano 2.2.5.1 Khái niệm giao tiếp UART UART là chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ (Universal Asynchronous Receiver – Transmitter) dùng để truyền nhận dữ liệu giữa 2 hệ thống và không có phân biết chủ- tớ, giữa các hệ thống là ngang cấp nhau. Chuẩn UART gồm một đường phát dữ liệu và một đường nhận dữ liệu. Để truyền nhận dữ liệu giữa 2 hệ thống với nhau thì cả hai hệ thống phải tự tạo xung clock (CK) có cùng tần số. (Tốc độ baud) Hình 2.7. Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART 2.2.5.2 Nguyên lý hoạt động Khi ở trạng thái chờ, mức điện áp của thiết bị truyền ở mức 1 (high). Khi bắt đầu truyền dữ liệu, START bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho thiết bị nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra. Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7. Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền. Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong. Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu. 9