Thiết kế mô hình kiểm tra nồng độ cồn dùng vi điều khiển PIC16F877A

Đồ án tốt nghiệp trình bày chi tiết mô hình kiểm tra nồng độ cồn sử dụng vi điều khiển PIC16F877A. Bao gồm cơ sở lý thuyết, thiết kế và thi công.

• Tác giả: Nguyễn Thị Tuyết Mai
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đắc Hải
• Trường học: Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Kiểm Tra Nồng Độ Cồn Cho Người Lái Xe Trước Khi Tham Gia Giao Thông Sử Dụng Vi Điều Khiển 16F877A
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Máy Đo Nồng Độ Cồn Sử Dụng PIC16F877A

Máy đo nồng độ cồn là thiết bị quan trọng trong kiểm soát an toàn giao thông hiện đại. Với tỷ lệ tai nạn giao thông do bia rượu ngày càng tăng, việc phát triển các hệ thống đo nồng độ cồn trở thành ưu tiên hàng đầu. Đồ án này trình bày thiết kế mô hình kiểm tra nồng độ cồn sử dụng vi điều khiển PIC16F877A, một giải pháp kỹ thuật hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Hệ thống được thiết kế với nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ sử dụng cho các chiến sỹ cảnh sát giao thông và công chúng. Cảm biến MQ-3 là thành phần chính phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở, kết hợp với LCD 1602 để hiển thị kết quả đo lường một cách rõ ràng và chính xác.

1.1. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy Đo Nồng Độ Cồn

Máy đo nồng độ cồn có ứng dụng rộng rãi trong kiểm soát giao thông và công tác tuần tra của lực lượng cảnh sát. Thiết bị này giúp phát hiện sớm tài xế vi phạm quy định, từ đó ngăn chặn các tai nạn giao thông và bảo vệ tính mạn người dân. Ngoài lĩnh vực giao thông, hệ thống đo nồng độ cồn còn được ứng dụng trong các bệnh viện, phòng khám để kiểm tra sức khỏe và theo dõi tình trạng rượu trong máu của bệnh nhân.

1.2. Các Loại Máy Đo Nồng Độ Cồn Phổ Biến

Trên thị trường hiện có nhiều loại máy đo nồng độ cồn khác nhau như Alcohol meter HT-611 đo trong hơi thở, máy đo độ cồn LH-J80 trong rượu, và khúc xạ kế REF-511. Tuy nhiên, hệ thống dùng vi điều khiển như PIC16F877A có ưu điểm về tính chính xác cao, khả năng xử lý dữ liệu tốt, và chi phí sản xuất thấp hơn so với các thiết bị nhập khẩu.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Công Nghệ Vi Điều Khiển

Vi điều khiển PIC16F877A là một trong những bộ vi xử lý phổ biến nhất trong các ứng dụng công nghiệp và điều khiển tự động. Kiến trúc Harvard của PIC16F877A cho phép xử lý dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả. Module ADC tích hợp giúp chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến MQ-3 thành dữ liệu digital có thể xử lý bởi vi điều khiển. Giao tiếp I2C được sử dụng để kết nối LCD 1602 hiển thị kết quả đo. Bộ nhớ EEPROM của PIC16F877A cho phép lưu trữ thông số cấu hình và dữ liệu kiểm soát của hệ thống.

2.1. Đặc Điểm Của Vi Điều Khiển PIC16F877A

PIC16F877A sở hữu 40 chân GPIO linh hoạt, 256 byte RAM, 8 kB EEPROM và 14 kB ROM chương trình. Tần số clock tối đa lên đến 20 MHz đảm bảo tốc độ xử lý cao. Module PWM tích hợp cho phép điều khiển độ sáng LED, trong khi USART hỗ trợ truyền thông serial. Ngôn ngữ lập trình cho PIC16F877A thường là C hoặc Assembly, dễ học và triển khai.

2.2. Cảm Biến MQ 3 Và Nguyên Lý Hoạt Động

Cảm biến MQ-3 là cảm biến hóa học nhạy cảm với ethanol trong hơi thở. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi tiếp xúc với cồn. Đầu ra analog từ MQ-3 được khuếch đại qua mạch khuếch đại điện áp rồi đưa vào ADC của PIC16F877A. Giá trị đo được sau chuyển đổi ADC sẽ tương ứng với nồng độ cồn trong máu.

III. Cấu Trúc Nguyên Lý Hoạt Động Và Thiết Kế Mạch

Sơ đồ khối hệ thống bao gồm ba phần chính: khối cảm biến MQ-3, khối xử lý trung tâm sử dụng PIC16F877A, và khối hiển thị LCD 1602. Lưu đồ thuật toán mô tả quá trình khởi tạo hệ thống, đọc dữ liệu cảm biến, xử lý tín hiệu ADC, so sánh ngưỡng, và hiển thị kết quả. Sơ đồ nguyên lí chi tiết các kết nối giữa các linh kiện, bao gồm mạch lọc tín hiệu cho cảm biến, mạch khuếch đại tín hiệu, và mạch điều khiển LED cảnh báo. Mạch in được thiết kế compact và dễ lắp ráp, sử dụng các linh kiện thông dụng giá rẻ.

3.1. Thiết Kế Khối Cảm Biến Và Xử Lý Tín Hiệu

Khối cảm biến gồm cảm biến MQ-3, mạch lọc RC để loại bỏ nhiễu tần số cao, và mạch khuếch đại điện áp sử dụng op-amp. Tín hiệu output từ cảm biến dao động từ 0V đến 5V, phù hợp với đầu vào ADC của PIC16F877A. Điều chỉnh độ nhạy cảm biến thông qua biến trở trên mạch.

3.2. Thiết Kế Khối Hiển Thị Và Cảnh Báo

LCD 1602 hiển thị giá trị nồng độ cồn dưới dạng số nguyên hoặc thập phân, dễ đọc và hiểu rõ. Giao tiếp I2C giảm số chân kết nối so với chế độ 4-bit parallel. LED đỏ sáng lên khi nồng độ cồn vượt ngưỡng an toàn được định trước, đèn buzzer phát ra âm thanh cảnh báo để cảnh báo tài xế.

IV. Kết Quả Đạt Được Và Hướng Phát Triển

Đồ án thiết kế máy đo nồng độ cồn đã hoàn thành thành công với các chức năng cơ bản phù hợp với yêu cầu ban đầu. Hệ thống đã được kiểm thử với nhiều mẫu đo thử nghiệm và cho kết quả đáng tin cậy. Độ chính xác của phép đo đạt khoảng ±5%, thời gian phản hồi nhanh chóng trong vòng 3-5 giây. Thiết bị có khả năng hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ môi trường từ -10°C đến 50°C. Mô hình được thiết kế nhỏ gọn, dễ mang theo và sử dụng trong thực tế. Trong tương lai, hệ thống có thể được nâng cấp thêm giao tiếp Bluetooth để truyền dữ liệu wireless đến điện thoại thông minh.

4.1. Các Chức Năng Đã Triển Khai Thành Công

Hệ thống đã thực hiện thành công đọc dữ liệu từ cảm biến MQ-3, xử lý tín hiệu ADC với độ phân giải 10-bit, hiển thị kết quả trên LCD 1602 rõ ràng, so sánh với ngưỡng an toàn được lập trình sẵn, và kích hoạt cảnh báo bằng LED + buzzer. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ C và biên dịch bằng MPLAB, hoạt động ổn định và không lỗi.

4.2. Các Hạn Chế Và Hướng Cải Tiến

Một số hạn chế của mô hình hiện tại bao gồm thời gian warm-up của cảm biến hơi lâu (khoảng 30 giây), không có lưu trữ dữ liệu lịch sử, giao diện chỉ là LCD văn bản. Hướng phát triển có thể thêm bộ nhớ SD card để ghi log dữ liệu, kết nối WiFi/4G để báo cáo tổng hợp, hoặc ứng dụng Android/iOS cho kiểm soát từ xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÁY ĐO NỒNG ĐỘ CỒN 1. Giới thiệu về máy đo nồng độ cồn Máy đo nồng độ cồn hay còn được gọi là khúc xạ kế đo độ cồn điện tử là một loại thiết bị đo chuyên dụng thuộc dòng máy kiểm tra nước được dùng để đo nồng độ cồn trong rượu, bia, trong các loại nước, nước ép, trong hơi thở. Các máy đo nồng độ cồn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: sản xuất và chế biến rượu, nước giải khát, nước ép hoa quả. Các máy đo nồng độ cồn có thiết kế gọn nhẹ, tiện dụng, cùng nhiều các công nghệ và tính năng tiên tiến cho tốc độ đo nhanh và độ chính xác cao.

Chúng rất đa dạng về chủng loại, mẫu mã, thương hiệu.cũng như các thể đáp ứng đa dạng nhu cầu của người dùng. Ứng dụng của các máy đo nồng độ cồn trong thực tế Hình 1.1: Máy đo nồng cồn trong thực tế [4] 10 Các máy đo nồng độ cồn được ứng dụng trong các ứng ngành nghề, hoạt động:  Sản xuất rượu, bia, các loại nước giải khát, nước ép hoa quả: xác định, theo dõi và kiểm tra được nồng độ cồn trong nguồn nguyên liệu, các bán thành phẩm và thành phẩm cuối cùng. Đảm bảo nồng độ cồn trong các sản phẩm đạt tiêu chuẩn quy định đối với chất lượng sản phẩm và an toàn vệ sinh thực phẩm.  Kiểm tra nồng độ cồn trong hơi thở: cảnh sát giao thông sử dụng các máy đo để xác định được nồng độ cồn trong hơi thở của người tham gia giao thông để hạn chế xẩy ra tai nạn giao thông, giảm thiểu các tổn hại về con người cũng như tài sản.

và áp dụng các biện pháp xử phạt phù hợp, đúng đắn; ứng dụng trong các công trường, nhà máy xí nghiệp để kiểm tra nồng độ cồn trong hơi thở của công nhân, nhân viên để đảm bảo trạng thái làm việc và an toàn lao động. Một số máy đo nồng độ cồn phổ biến trong thực tế 1. Máy đo nồng độ cồn trong hơi thở Alcohol meter HT-611 Hình 1.2: Máy đo nồng độ cồn trong hơi thở Alcohol meter HT-611 [5] 11  Loại máy đo độ cồn này có thiết kế đơn giản, dễ sử dụng nhằm xác định nồng độ cồn của rượu thông qua hơi thở của một cá nhân nào đó.  Tốc độ phát hiện nhanh chóng cho độ chính xác cao.

 Có cảnh báo bằng âm thanh khi phát hiện nồng độ vượt ngưỡng.  Máy xác định nồng độ cồn hoàn toàn tự động khi đối đối tượng đó thổi vào hình chóp để lấy mẫu khí. Mẫu khí sẽ được phân tích một cách nhanh chóng, màn hình hiển thị LCD cho phép hiển thị kết quả rõ rang nhất. Theo đó, trong vòng vài giây, một ánh sáng màu sẽ xuất hiện, với một giai điệu tiếng bíp, cho biết rằng mẫu có chứa rượu hay không.

[5] Thông số kỹ thuật:  Phát hiện khoảng: 0,000-0,20% bac & 0.  Độ chính xác: +/- 10% 0,05% bac.  Thời gian hoạt động: 15-30S.  Tự động tắt nguồn: trong khoảng 1 phút.

Ứng dụng: văn phòng, nhà máy, xí nghiệp, công trường, cảnh sát. Máy đo độ cồn trong rượu LH-J80  Máy đo độ cồn LH-J80 hay còn gọi là cồn kê, là một thiết bị quang học được thiết kế đặc biệt cho việc đo độ cồn trong các loại: rượu vang, rượu hoa quả, rượu nho… phục vụ cho ngành công nghiệp sản xuất rượu.  Thiết kế nhỏ gọn, tiện dụng, hỗ trợ tính năng tự động điều chỉnh nhiệt độ do ảnh hưởng của môi trường nên giúp đưa ra kết quả đo tin cậy. [5] Thông số kỹ thuật:  Dải đo độ cồn: 0 – 80%.

12  Quy mô tối thiểu: 0.  Phạm vi điều chỉnh nhiệt độ: 10 oC – 30 oC.  Thân máy bằng nhôm nhẹ.  Dễ dàng sử dụng và hiệu chỉnh.3: Máy đo độ cồn trong rượu LH-J80 [5] 1.

Khúc xạ kế đo nồng độ cồn REF- 511  Thiết bị đo độ cồn này là một thiết bị được thiết kế đặc biệt cho việc đo độ cồn của rượu, rượu vang nho, nước hoa quả ép… phục vụ cho ngành công nghiệp sản xuất rượu cũng như trong công nghiệp chế biến hoa quả.  Thiết kế nhỏ gọn, tiện dụng, phạm vi đo lớn với độ chính xác cao.  Hỗ trợ tính năng tự động điều chỉnh nhiệt độ do ảnh hưởng của môi trường nên giúp đưa ra kết quả đo tin cậy. [5] Thông số kĩ thuật:  Dải đo: 0 – 80% w/w.

 Quy mô tối thiểu: 0.  Phạm vi điều chỉnh nhiệt độ: 10oC – 30oC.4: Khúc xạ kế đo nồng độ cồn REF- 511 [5] 1. Nguyên lý máy đo nồng độ cồn trong hơi thở [5]  Gần đây máy đo nồng độ cồn là vật dụng cần thiết để các CSGT kiểm tra nồng độ rượu trong hơi thở của các tài xế. Vậy bạn có biết nguyên lý hoạt động của máy đo nồng độ cồn không?  Thành phần chính của các loại nước uống có cồn là rượu etylic.

Đă ›c tính của rượu etylic là dễ bị oxi hóa. Có rất nhiều chất oxi hóa có thể tác dụng với rượu nhưng người chọn mô ›t chất oxi hóa là crom(VI)oxit CrO3. Đây là mô ›t chất oxi hóa rất mạnh, là chất ở dạng kết tinh thành tinh thể màu vàng da cam. Bô ›t oxit CrO3 khi gă p› rượu etylic sẽ bị khử thành oxit Cr2O3 là mô ›t hợp chất có màu xanh đen.

 Các cảnh sát giao thông sử dụng các dụng cụ phân tích rượu etylic có chứa CrO3. Khi tài xế hà hơi thở vào dụng cụ phân tích trên, nếu trong hơi thở có chứa hơi rượu thì hơi rượu sẽ tác dụng với CrO3 và 14 biến thành Cr2O3 có màu xanh đen. Dựa vào sự biến đổi màu sắc mà dụng cụ phân tích sẽ thông báo cho cảnh sát biết được mức đô › uống rượu của tài xế. Những phương pháp xác định nồng độ cồn trong máu [5] Có 3 phương pháp xác định nồng độ cồn có trong máu:  Thổi vào máy đo nồng độ dựa trên phản ứng hóa học có liên quan đến cồn để tạo ra những màu sắc khác nhau, từ đó suy ra tỉ lệ cồn.

 Dùng kỹ thuật tia hồng ngoại để đo quang phổ của hơi thở đi qua, nồng độ cồn có trong hơi thở khác nhau sẽ cho màu khác nhau.  Phương pháp mới nhất là dựa trên nguyên lý tế bào pin nhiên liệu, hệ thống senso của máy sẽ phát hiện phản ứng hóa học giải phóng axit axetic, proton, electron từ hơi thở. Từ đó sẽ suy ra lượng cồn trong máu.  Những tay bợm nhậu nước ngoài thường rỉ tai nhau những cách qua mặt máy đo nồng độ cồn như: ngậm vài đồng xu trong miệng sau khi uống, nuốt một chút nước xúc miệng, ăn thực phẩm có mùi khó chịu, ngậm trà khô… nhưng thực ra những phương pháp này chỉ thỉnh thoảng lừa được những cái máy đo nồng độ cũ theo phương pháp phản ứng hóa học, chúng gây ra sự lúng túng cho chiếc máy, ngoài ra không thể qua mặt những máy đo hiện đại bằng phương pháp quang phổ.

Cuối cùng là nếu xác định phải uống bia rượu “không say không về” trong một bữa tiệc, tốt nhất hãy sử dụng dịch vụ taxi, uber hay grab. Vấn đề còn tồn tại  Giá thành cao.  Máy đo nồng độ cồn của các nhà sản xuất ngoài thị trường có thiết lập sẵn các mức cảnh báo cố định, do vậy không thể hiển thị các giá trị theo mong muốn. 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.

Quy định về nồng độ cồn và các mức phạt Rượu, bia là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra tai nạn giao thông, nhiều người vẫn chưa ý thực được hậu quả nghiêm trọng sẽ có thể xảy ra khi điều khiển phương tiện tham gia giao thông mà trong người có nồng độ cồn vượt mức cho phép. Vậy nồng độ cồn bao nhiêu thì bị phạt? Căn cứ quy định tại Khoản 8 Điều 8 Luật giao thông đường bộ năm 2008: “Điều 8. Các hành vi bị nghiêm cấm: Điều khiển xe ô tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 miligam/100 mililít máu hoặc 0,25 miligam/1 lít khí thở.” [10] Tuy nhiên, căn cứ theo quy định tại Khoản 1 Điều 35 Luật phòng chống tác hại của rượu bia quy định: Điều 35. Sửa đổi, bổ sung khoản 8 Điều 8 của Luật Giao thông đường bộ số 23/2008/QH12 đã được sửa đổi, bổ sung một số điều theo Luật số 35/2018/QH14 như sau: “Điều khiển phương tiện tham gia giao thông đường bộ mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn”.

[10] Như vậy, theo quy định này pháp luật nghiêm cấm người điều khiển phương tiện tham gia giao thông đường bộ mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn. Do đó, trường hợp điều khiển xe máy tham gia giao thông nếu kiểm tra trong máu và hơi thở có nồng độ cồn thì sẽ bị xử phạt.[10] Căn cứ vào quy định tại Điểm c Khoản 6; Điểm c Khoản 7 Điểm e Khoản 8 và điểm đ, e, g Khoản 10 Điều 6 Nghị định 100/2019/NĐ-CP: “Điều 6. Xử phạt người điều khiển xe mô tô, xe gắn máy (kể cả xe máy điện), các loại xe tương tự xe mô tô và các loại xe tương tự xe gắn máy vi phạm quy tắc giao thông đường bộ” 16 Hình 2.1: Kiểm tra nồng độ cồn trực tiếp [10] 6. Phạt tiền từ 2.000 đồng đối với người điều khiển xe thực hiện một trong các hành vi vi phạm sau đây: c) Điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn nhưng chưa vượt quá 50 miligam/100 mililít máu hoặc chưa vượt quá 0,25 miligam/1 lít khí thở.

Phạt tiền từ 4.000 đồng đối với người điều khiển xe thực hiện một trong các hành vi vi phạm sau đây: c) Điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50 miligam đến 80 miligam/100 mililít máu hoặc vượt quá 0,25 miligam đến 0,4 miligam/1 lít khí thở. Phạt tiền từ 6.000 đồng đối với người điều khiển xe thực hiện một trong các hành vi vi phạm sau đây: e) Điều khiển xe trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 80 miligam/100 mililít máu hoặc vượt quá 0,4 miligam/1 lít khí thở;” 10.