Nghiên cứu Khoa học
MÁY ĐO NỒNG ĐỘ CỒN
Giải pháp là tạo ra một thiết bị có đầy đủ các tính năng cơ bản, nhưng cần thiết nhất vẫn là khả năng đo chính xác được nồng độ cồn có trong cơ thể, việc này phụ thuộc rất nhiều vào cảm biến mình chọn và giải thuật để xử lý đưa ra thông số hiển thị.
- Khối nguồn: Tạo nguồn 5V cung cấp cho khối hiển thị và nguồn 3.3V cung cấp cho khối xử lý và khối cảm biến.
- Khối cảm biến: đọc nồng độ cồn trong hơi thổi vào, sau đó gửi tín hiệu Analog cho khối xử lý.
- Khối xử lý: nhận tín hiệu Analog từ khối cảm biến, xử lý thuật toán và đưa kết quả lên khối hiển thị.
- Khối hiển thị: hiển thị kết quả đo được lên màn hình LCD, và báo loa với đèn nếu người sử dụng có nồng độ cồn vượt mức quy định xử phạt. Sẽ có 3 mức cảnh báo: bình thường, vi phạm và nồng độ quá cao hiển thị lên màn hình.
- Khối thông khí: khối này sẽ hút không khí có hơi cồn trong cảm biến, nhờ vậy, người sử dụng tiếp theo sẽ nhanh hơn, không phải chờ cảm biến sạch khí.
Cách thức hoạt động: khi khởi động thiết bị, loa sẽ phát ra tiếng bíp, nhắc nhở người dùng thổi vào để lấy dữ liệu; sau khi thổi vào, cảm biến sẽ đọc dữ liệu từ luồng khí đó, sau đó gửi dữ liệu đến MCU msp430g2553 để xử lý. Tại khối xử lý, sau khi tính toán, MCU sẽ gửi dữ liệu lên khối hiển thị, cho biết nồng độ cồn trong hơi thở của người sử dụng, tình trạng sức khỏe hiện tại có nên tham gia giao thông hay không, đồng thời khối thông khí sẽ kích hoạt máy quạt nhằm hút hết khí bên trong khối cảm biến ra bên ngoài.
Thiết kế phần cứng
1.1. Module Cảm biến nồng độ cồn MQ-3
Trên thị trường có rất nhiều loại module cảm biến nồng độ cồn từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, chúng đến từ Trung Quốc, Đài Loan hay Nhật Bản, nhưng chúng đều có điểm trung là có 1 chân trả về tín hiệu Analog, 1 chân nối Vcc và 1 chân nối GND. Ngoài ra, một số module còn trả về tín hiệu Digital, dựa vào mức điện áp chênh lệch giữa 2 chân Vcc và GND.
Dưới đây là một số loại có trên thị trường:
Sau khi nghiên cứu kỹ các sản phẩm có trên thị trường chúng em đã chọn cảm biến nồng độ cồn MQ-3, bởi nó có khả năng trả về tín hiệu Digital và Analog, hoạt động ổn định và biên độ đọc dữ liệu phù hợp với yêu cầu của đề tài.
- Cảm biến nồng độ cồn MQ-3 là cảm biến thích hợp cho việc phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở. Phát hiện khí phát ra từ Etanol, Alcohol. Độ nhạy cao và thời gian đáp ứng nhanh. Cảm biến cung cấp một đầu ra tương tự dựa trên nồng độ cồn.
- Thông số kỹ thuật:
o Kích thước: 32 x 22 x 27 mm
o Chip chính: LM393, MQ-3 cảm biến khí.
o Điện áp cung cấp: DC 5V.
o Có 2 dạng tín hiệu đầu ra dạng Analog và TTL.
o Tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. (đầu ra tín hiệu mức thấp có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển).
o Đầu ra tương tự 0 ~ 5V, nồng độ cồn càng cao điện áp càng cao.
o Độ nhạy cao và chọn lọc tốt với hơi ethanol.
o Bền và ổn định đáng tin cậy.
o Nhạy và phục hồi nhanh.
- Chức năng chân:
o VCC Hoạt động điện áp 5V
o GND để kết nối GND
o D0 đầu ra giao diện chuyển đổi kỹ thuật số (0 và 1)
o A0 đầu ra giao diện tương tự
2.2. Khối hiển thị
- Màn hình text LCD1602 xanh dương sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự. Loa buzzer phát tiếng beep khi được cấp nguồn (từ 1.5V đến 9V); âm phát ra cách 10cm từ 75dB đến 85dB; nhiệt độ chịu được từ -20ºC đến +70ºC.
v Module ADC 10bit của MSP430x2xx là module chuyển tín hiệu tưng tự thành tín hiệu số 10bit, hỗ trợ việc đọc với tốc độ tối đa 200ksps (Tức là chu kỳ 200.000 lần lấy mẫu/s), có chế độ truyền dữ liệu DTC (Truyền dữ liệu đến bất cứ đâu trong bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU). Đặc điểm cơ bản:
- ADC 10 bit tốc độ lấy mẫu 200ksps
- Chọn điện áp tham chiếu 1.5V hoặc 2.5V VCC hay điện áp tham chiếu ngoài
- 8 kênh chuyển đổi, kênh cảm biến nhiệt độ bên trong chip
- Chuyển đổi đơn kênh, lặp 1 kênh, trình tự, lặp đi lặp lại
- Tự động truyền dữ liệu vào bộ nhớ (Chức năng tượng tự DMA,ưu điểm so với các dòng VĐK đời cũ)
v ADC 10bit có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp đầu vào, so sánh với điện áp tham chiếu và xuất ra thanh ghi ADC10MEM. Điện áp tham chiếu là VR+ và VR-. Giá trị số hóa của điện áp đầu vào tính bằng công thức sau:
Trong đó :
v Khi tín hiệu đầu vào cao hơn hoặc bằng VR+ thì Nadc = 1023 và khi nhỏ hơn VR- thì bằng 0. Kết quả có thể lưu ở dạng thường hoặc mã bù 2. Lõi ADC được điều khiển bằng 2 thanh ghi ADC10CTL0 và ADC10CTL1. Lõi chỉ hoạt động khi bit ADC10ON =1. Bit ENC = 0 thì mới cho phép chỉnh sửa thông số các thanh ghi ADC và khi ENC =1 thì việc chuyển đổi mới được thực hiện.
v ADC10 có thể dùng được cả nguồn xung nội và ngoại từ MCLK, SMCLK, ACLK, từ chân ADC10OSC bằng ADC10SEELx trong thanh ghi ADC10CTL1. Cần chú ý khi dùng nguồn xung ngoại từ chân ADC10OSC là tần số cấp không được quá 5Mhz tùy dòng.
v Thực chất trong mỗi chip MSP430 chỉ có một bộ chuyển đổi ADC, các cổng cần chuyển đổi ADC sẽ được lần lượt kết nối với bộ ADC qua một bộ MUX. Các cổng được phép chuyển đổi ADC có thể được chọn từ thanh ghi ADC10AEx, cần phải quan tâm đến các thanh ghi này vì các cổng khi được chọn ở chế độ ADC sẽ loại bỏ các bộ buffer input và output của chức năng GPIO, từ đó cho phép tiết kiệm điện.
v Điện áp tham chiếu của ADC có thể chọn rất đa dạng , từ nguồn cấp nội 1.5V 2.5V hay nguồn cấp ngoài VCC hoặc từ chân VREF+ và VREF - .
- REFON = 1 , Điện áp tham chiếu nội được chọn.
o REF2_5=1, Điện áp tham chiếu là 2.5V
o REF2_5=0, Điện áp tham chiếu là 1.5V
- REFOUT = 1, Điện áp tham chiếu ngoài được sử dụng nếu chip có sẵn pin Vref+ và Vref- tương ứng ở chân A4 và A3.
Khi sử dụng điện áp tham chiếu ngoại thì nên tắt nguồn điện áp tham chiếu nội để bảo vệ nguồn.
v Có 4 chế độ hoạt động cho ADC. Thay đổi bit CONSEQx (trong thanh ghi ADC10CTL1) để chọn chế độ hoạt động. Kết quả lưu trong ADC10MEM.
- Biến đổi từng kênh
o CONSEQx = 00
o Kênh cần biến đổi ADC được chọn từ bit INCHx.Bit ADC10SC dùng để kích hoạt sự biến đổi.ENC phải được đảo trạng thái sau mỗi lần biến đổi.
- Biến đổi 1 dãy kênh
o CONSEQx = 01
o Biến đổi 1 dãy kênh,bắt đầu ở kênh được chọn trong INCHx,kết thúc ở A0. Bit ADC10SC dùng để kích hoạt sự biến đổi.ENC phải được đảo trạng thái sau mỗi lần biến đổi.
- Biến đổi từng kênh lặp lại
o CONSEQx = 10
o Kênh được chọn trong INCHx được lấy mẫu và biến đổi liên tục
- Biến đổi dãy kênh lặp lại
o CONSEQx = 11
o Dãy kênh bắt đầu ở INCHx và kết thúc ở A0 được lấy mẫu và biến đổi lần lượt.
v Khi MSC = 1 và CONSEQx > 0 thì cạnh lên đầu tiên của SHI sẽ kích hoạt biến đổi. Sự biến đổi vẫn tiếp tục cho đến khi dãy kênh được biến đổi xong mặc dù trong quá trình biến đổi xuất hiện những xung cạnh lên ở tín hiệu kích hoạt SHI. Chức năng của Bit ENC không thay đổi khi sử dụng Bit MSC.
4. Thiết kế phần mềm
III. KẾT QUẢ THU ĐƯỢC
Sản phẩm có 1 nút nhấn để bắt đầu kiểm tra và 1 nút reset để đưa chương trình chạy lại như ban đầu. Ngoài ra, hộp còn có 2 đèn led hiển thị và 1 loa nhỏ bên trong để báo khi có nồng độ cồn vượt mức quy định
Sau khi hoàn thành chúng tôi đã thử nghiệm bằng cách uống rượu và đo, với mỗi lần uống 1 ly là 1 lần lấy mẫu. Kết quả đã cho thấy độ sai lệch không đáng kể.
Bảng thông số thử nghiệm(dùng rượu 40º, uống và chờ 30 phút):
|
Số ly |
Kết quả đo(mg/l khí thở) |
|
1 |
0.15 |
|
2 |
0.25 |
|
3 |
0.37 |
Từ bảng thông số trên ta thấy, chỉ cần uống 2 ly nhỏ rượu 40º thì bạn đã có thể bị vi phạm luật an toàn giao thông. Gan cần 1h để chuyển hóa 12-14 g cồn, hay nói cách khác, mất 1h để chuyển hóa 35g rượu nặng (tương đương với 1 lon bia hoặc 44ml rượu); do đó, để không bị phạt và an toàn cho sức khỏe thì chỉ nên uống 1 lon cách nhau 1h, và uống không quá 2 lon/ ngày.
Bảng giá chi tiết 1 sản phẩm:
|
STT |
TÊN LINH KIỆN |
GIÁ (đồng) |
|
1 |
Msp430g2553 |
30000 |
|
2 |
MQ-3 |
85000 |
|
3 |
LCD 16x2 |
45000 |
|
4 |
Pin 9V |
10000 |
|
5 |
Các linh kiện khác |
30000 |
|
TỔNG TIỀN |
200000 |
|
Như vậy giá làm ra một sản phẩm có khả năng đo được chính xác nồng độ cồn trong hơi thở là khoảng 200000 đồng, rẻ hơn rất nhiều so với các sản phẩm trên thị trường. Do đó, đây có thể là một sản phẩm đáng túi tiền mà mọi người có thể tự trang bị để mỗi khi cần có thể kiểm soát được tình trạng sức khỏe của bản thân.
IV. KẾT LUẬN
Sản phẩm làm ra với mong muốn được mọi người sử dụng như một thiết bị y tế gia đình, nên yêu cầu hơn hết là đơn giản dễ sử dụng mà phải hợp túi tiền của người dân. Sản phẩm đã hoàn thành mặc dù chưa được như mong muốn, thiết bị vẫn còn khá to vì phụ thuộc nhiều vào các linh kiện, nhưng đã đạt được 3 tiêu chí đó là: đơn giản dễ sử dụng, rẻ tiền và độ chính xác khá cao.
Tương lai có thể phát triển để thêm được nhiều chức năng mới như đo nhịp tim hay kiểm tra tình trạng stress…
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC DUY TÂN
Phòng 503 - K7/25 Quang Trung, Tp Đà Nẵng
(0236) 3827111(Ext 503)
feee@duytan.edu.vn
