Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tai nạn giao thông đường bộ xuất phát từ việc người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia, có nồng độ cồn trong máu hoặc hơi thở vượt ngưỡng cho phép là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản cho xã hội. Nhằm hỗ trợ kiểm soát hành vi tham gia giao thông và nâng cao ý thức chấp hành luật giao thông đường bộ, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình phát hiện nồng độ cồn" được thực hiện bởi nhóm tác giả Hồ Quang Phúc và Vũ Phúc Khang dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thanh Hải tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, tháng 08/2017). Đề tài kết hợp giữa phần cứng đo lường nồng độ cồn thông qua cảm biến khí, vi điều khiển xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu không dây qua Bluetooth đến điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android để cảnh báo người dùng.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo một mô hình phần cứng có khả năng đo đạc chính xác nồng độ cồn trong hơi thở người dùng và phát tín hiệu cảnh báo tại chỗ.
  2. Tìm hiểu, lựa chọn và tích hợp cảm biến đo nồng độ cồn MQ3, vi điều khiển Arduino Nano (ATmega328P) và module truyền thông không dây Bluetooth HC-06.
  3. Xây dựng ứng dụng trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android bằng môi trường Android Studio nhằm tiếp nhận dữ liệu từ khối điều khiển, phân tích và hiển thị kết quả đo cùng các mức cảnh báo tương ứng.
  4. Thiết kế, tính toán và thi công hoàn chỉnh khối xử lý trung tâm, khối nguồn di động có tích hợp mạch chỉ thị dung lượng pin.
  5. Kết nối liên khối, tiến hành chạy thử nghiệm, hiệu chuẩn thông số đo và đánh giá hoạt động thực tế của mô hình tích hợp trên mũ bảo hiểm người điều khiển phương tiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nồng độ cồn (khí ethanol) trong hơi thở người điều khiển phương tiện; kỹ thuật xử lý tín hiệu tương tự sang số (ADC); kỹ thuật truyền thông không dây tầm ngắn qua chuẩn Bluetooth; lập trình hệ thống nhúng và phát triển ứng dụng di động trên nền tảng Android.
  • Phạm vi và giới hạn thông số:
    • Dải đo nồng độ cồn được thiết kế trong khoảng từ 0 đến 2 mg/l.
    • Khoảng cách đo hiệu quả của cảm biến cồn giới hạn trong phạm vi 3 cm tính từ nguồn hơi thở đến bề mặt cảm biến.
    • Cự ly truyền nhận dữ liệu không dây qua module Bluetooth giữa bộ điều khiển trên mũ bảo hiểm và điện thoại thông minh không vượt quá 20 m.
    • Ứng dụng di động chỉ hỗ trợ các thiết bị sử dụng hệ điều hành Android.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài vận dụng tổng hợp các cơ sở lý thuyết về linh kiện bán dẫn, vi điều khiển kiến trúc AVR, giao thức truyền thông nối tiếp và cấu trúc hệ điều hành di động, cụ thể:

Khung lý thuyết và linh kiện sử dụng

  • Cảm biến khí cồn MQ3: Cảm biến hoạt động dựa trên vật liệu bán dẫn thiếc đioxit ($SnO_2$) phủ trên ống gốm nhôm oxit ($Al_2O_3$), bên trong có cuộn dây sinh nhiệt và hai cực Aurum (vàng). Trong không khí sạch, $SnO_2$ có độ dẫn điện thấp. Khi tiếp xúc với ethanol ở nhiệt độ cao, ethanol bị oxy hóa thành axit axetic, giải phóng điện tử làm giảm điện trở cảm biến ($R_S$) và tăng dòng điện chạy qua tải.
  • Vi điều khiển Arduino Nano: Sử dụng vi điều khiển 8-bit ATmega328P của hãng Atmel (tần số 16 MHz, bộ nhớ Flash 32KB, SRAM 2KB, EEPROM 1KB), tích hợp bộ chuyển đổi ADC 10-bit với 8 kênh ngõ vào tương tự (A0 - A7) và giao tiếp nạp chương trình qua chip chuyển đổi UART-USB CH340.
  • Truyền thông Bluetooth và Module HC-06: Sử dụng băng tần ISM 2.48 GHz, chipset CSR BC417 kết hợp bộ nhớ Flash ngoài 8Mbit, hỗ trợ chuẩn Bluetooth V2.0 Class 2. Module được cấu hình ở chế độ Data Mode (vai trò Slave, tốc độ Baud mặc định 9600 bps, mã PIN ghép nối 1234) và giao tiếp với vi điều khiển thông qua hai đường truyền dữ liệu UART nối tiếp bất đồng bộ (TXD, RXD).
  • Hệ điều hành Android: Nền tảng di động phát triển trên nền nhân Linux phiên bản 2.6, cấu trúc gồm 5 tầng chính (Linux Kernel, Libraries C/C++, Android Runtime với Dalvik Virtual Machine, Application Framework và Applications). Ứng dụng được lập trình bằng ngôn ngữ Java trên Android Studio.

Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu

  • Phương pháp đo gián tiếp và chuyển đổi ADC: Điện trở cảm biến $R_S$ tỉ lệ nghịch với nồng độ cồn. Mạch sử dụng ngõ ra tương tự (Analog Output) nối tiếp với điện trở tải $R_L = 1\text{ k}\Omega$. Điện áp $V_{RL}$ được đọc qua kênh ADC 10-bit của Arduino Nano theo công thức: $$V_{RL} = \text{Digital} \times \frac{5}{1023}$$ Từ đó, giá trị điện trở cảm biến thực tế được tính toán: $$R_S = \frac{(5 - V_{RL}) \times R_L}{V_{RL}}$$
  • Phương pháp xấp xỉ đường cong bằng MATLAB (Curve Fitting Toolbox): Do đặc tuyến quan hệ giữa tỉ số $R_S/R_0$ và nồng độ cồn có tính chất phi tuyến mạnh, nhóm tác giả trích xuất dữ liệu mẫu từ datasheet của nhà sản xuất, sau đó áp dụng hàm xấp xỉ dạng hàm mũ bậc hai exp2 ($f(x) = a \cdot e^{bx} + c \cdot e^{dx}$) trong MATLAB để tìm phương trình chuyển đổi chính xác nhất giữa giá trị $R_S/R_0$ và nồng độ cồn (mg/l) với phần dư sai số xấp xỉ bằng 0.
  • Phương pháp thực nghiệm xác định hằng số $R_0$: Trong không khí sạch, tỉ lệ $R_S/R_0 = 100$. Nhóm tiến hành đo lường thực tế $R_S$ trong điều kiện phòng thí nghiệm 5 lần liên tiếp để lấy giá trị trung bình:
Lần đo thực nghiệm Giá trị điện trở $R_S$ ($\Omega$)
1 44.400
2 46.532
3 45.555
4 45.021
5 45.212
Giá trị trung bình ($\overline{R_S}$) 45.159

Từ kết quả trên, giá trị điện trở chuẩn trong không khí sạch được cố định cho toàn bộ thuật toán đo là: $$R_0 = \frac{\overline{R_S}}{100} = \frac{45159}{100} = 451,59\ \Omega \approx 450\ \Omega$$

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module phân tán, tối ưu hóa kích thước nhằm phục vụ lắp đặt trực tiếp trên nón bảo hiểm $\frac{3}{4}$ đầu.

1. Kiến trúc phần cứng và tính toán thiết kế

Toàn bộ sơ đồ khối của hệ thống bao gồm 6 khối chức năng:

  • Khối cảm biến (MQ3): Chuyển đổi nồng độ cồn trong không khí thành tín hiệu điện áp liên tục, kết nối với chân A7 của Arduino Nano.
  • Khối điều khiển trung tâm (Arduino Nano): Thực hiện đọc tín hiệu tương tự, số hóa qua ADC, tính toán tỉ số $R_S/R_0$, xác định nồng độ cồn và truyền dữ liệu định kỳ qua giao tiếp UART (chân D0/RX và D1/TX) tới module Bluetooth. Mạch sử dụng thạch anh ngoài 16 MHz kèm 2 tụ lọc nhiệt 15 pF.
  • Khối truyền thông (HC-06): Thiết lập đường truyền không dây trung gian với điện thoại thông minh ở tốc độ Baud 9600.
  • Khối chỉ thị tại chỗ: Sử dụng LED 2 màu loại Cathode chung (3 chân) điều khiển qua các chân xuất mức logic của vi điều khiển, kết hợp điện trở hạn dòng $330\ \Omega$ để báo trạng thái hoạt động bình thường (xanh) hoặc cảnh báo vượt ngưỡng (đỏ nhấp nháy).
  • Khối nguồn và mạch báo nguồn di động:
    • Nguồn cấp sử dụng 2 cell pin sạc Lithium mắc nối tiếp ($2 \times 3,7\text{ V} = 7,4\text{ V}$), đi qua IC ổn áp tuyến tính LM7805 để tạo nguồn ổn định 5 VDC.
    • Tổng dòng tiêu thụ của hệ thống được tính toán theo bảng:
Tên linh kiện / Module Điện áp định mức (VDC) Dòng điện định mức (mA)
Board Arduino Nano 5 30
Module cảm biến MQ3 5 150
Module Bluetooth HC-06 5 40
LED 2 màu chỉ thị 5 10
Tổng dòng tiêu thụ danh định 5 230
  • Mạch báo dung lượng pin 4 cấp: Sử dụng IC khuếch đại thuật toán (Op-Amp) cấu hình thành 4 bộ so sánh điện áp. Mạch dùng một Diode Zener ghim điện áp chuẩn 3 V kết hợp mạng điện trở phân áp ($R_3, R_4, R_5$) đưa vào các ngõ vào đảo ($V^-$). Ngõ vào không đảo ($V^+$) lấy mẫu từ điện áp nguồn thông qua cầu phân áp ($R_2, R_6$). Đầu ra của 4 Op-Amp điều khiển 4 LED đơn thông qua các điện trở hạn dòng $220\ \Omega$ ($R_{\text{hạn dòng}} = \frac{4\text{ V} - 1,8\text{ V}}{10\text{ mA}} = 220\ \Omega$), cho phép hiển thị 3 trạng thái nguồn: pin đầy (4 LED sáng), pin yếu (1 đến 3 LED sáng tùy mức áp) và pin cực yếu ($V_{\text{nguồn}} < 3\text{ V}$, toàn bộ LED tắt).

2. Thiết kế phần mềm và thuật toán điều khiển

  • Phần mềm vi điều khiển (Firmware): Được lập trình trên Arduino IDE. Sử dụng ngắt định thời Timer1 và Timer2 để định chu kỳ lấy mẫu ADC, tính toán trung bình giá trị đo, xử lý lọc nhiễu và đóng gói dữ liệu gửi qua cổng nối tiếp UART theo chu kỳ thời gian thực.
  • Ứng dụng trên điện thoại thông minh (Android App): Được phát triển trên môi trường Android Studio, bao gồm các chức năng:
    • Quản lý người dùng: Màn hình đăng ký tài khoản, đăng nhập hệ thống và lưu trữ thông tin.
    • Giao tiếp Bluetooth: Quét tìm thiết bị HC-06, kết nối tự động hoặc thủ công qua cổng COM ảo (RFCOMM/SPP).
    • Thuật toán xử lý và cảnh báo: Tiếp nhận chuỗi dữ liệu nồng độ cồn, hiển thị chỉ số tức thời trên giao diện số và thanh trạng thái màu; đưa ra các cấp độ cảnh báo (Bình thường, Vượt ngưỡng cho phép, Vượt ngưỡng khẩn cấp); đồng thời lưu trữ lịch sử các lần đo.

3. Thi công, đóng gói và tích hợp

  • Mạch in (PCB) được thiết kế trên phần mềm Proteus và Eagle, tách thành 2 bo mạch độc lập: Bo mạch xử lý trung tâm và Bo mạch khối nguồn - báo nguồn.
  • Phần cứng được gia công hàn linh kiện hoàn chỉnh, đóng gói trong hộp bảo vệ bằng vật liệu mica trong suốt cắt laser và gắn chắc chắn vào thân nón bảo hiểm $\frac{3}{4}$ đầu, bố trí đầu dò cảm biến MQ3 hướng về phía vị trí miệng của người đội nón.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục của đồ án tốt nghiệp được tổ chức thành 6 chương với các nội dung chi tiết như sau:

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng tai nạn giao thông liên quan đến nồng độ cồn; phân tích xu hướng phát triển của thiết bị di động Android và các chuẩn truyền thông không dây (Bluetooth, RF, Wi-Fi, NFC, LoRa). Xác định rõ mục tiêu chế tạo mô hình đo nồng độ cồn ứng dụng trên mũ bảo hiểm, liệt kê 6 nội dung nghiên cứu trọng tâm và xác lập các giới hạn kỹ thuật (dải đo $0 - 2\text{ mg/l}$, khoảng cách cảm biến 3 cm, cự ly Bluetooth 20 m).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp chi tiết các kiến thức nền tảng về nguyên lý hoạt động và thông số kỹ thuật của cảm biến khí bán dẫn MQ3 ($SnO_2$, công suất nhiệt $P_H \le 900\text{ mW}$, dải điện trở $2\text{ k}\Omega - 20\text{ k}\Omega$); kiến trúc vi điều khiển AVR ATmega328P trên board Arduino Nano, bộ chuyển đổi ADC 10-bit, các khối định thời Timer/Counter và nguyên lý truyền thông nối tiếp UART. Giới thiệu tổng quan về chuẩn không dây Bluetooth, các chế độ hoạt động của module HC-06 (Command Mode/Data Mode, chipset BC417); cùng cấu trúc ngăn xếp 5 tầng của hệ điều hành Android và máy ảo Dalvik.

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống và phân tích chức năng từng khối. Trình bày chi tiết phương pháp tính toán điện trở cảm biến $R_S$, thực nghiệm đo $R_S$ trong phòng để xác định hằng số $R_0 = 450\ \Omega$. Ứng dụng công cụ Curve Fitting Toolbox trên phần mềm MATLAB với hàm exp2 để xấp xỉ đường đặc tuyến phi tuyến từ datasheet nhà sản xuất và xuất ra phương trình toán học giải thuật đo. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho khối vi điều khiển trung tâm, khối Bluetooth HC-06, khối chỉ thị LED 2 màu Cathode chung ($R = 330\ \Omega$), khối nguồn ổn áp 5V dùng LM7805 từ 2 cell pin Lithium 7,4V và khối báo nguồn 4 cấp dùng 4 mạch so sánh Op-Amp kết hợp Diode Zener 3V. Tổng hợp toàn bộ sơ đồ nguyên lý toàn mạch.

Chương 4: Thi công hệ thống

Trình bày quy trình thiết kế mạch in (PCB) trên Proteus và Eagle, các bước gia công bo mạch, lắp ráp linh kiện và kiểm tra tĩnh/động cho khối xử lý trung tâm và khối nguồn. Mô tả chi tiết việc thiết kế vỏ hộp bảo vệ bằng mica, đóng gói các khối và gắn kết lên mô hình nón bảo hiểm $\frac{3}{4}$ đầu. Trình bày các lưu đồ thuật toán điều khiển của vi điều khiển (chương trình chính, ngắt Timer1, ngắt Timer2, đọc ADC) và lưu đồ thuật toán ứng dụng Android (đăng nhập, đăng ký, kết nối Bluetooth, xử lý dữ liệu, hiển thị cảnh báo và ghi nhật ký lịch sử).

Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày hình ảnh sản phẩm thực tế sau khi thi công hoàn chỉnh bao gồm phần cứng gắn trên nón bảo hiểm và giao diện ứng dụng vận hành trên điện thoại thông minh Android. Đánh giá chi tiết kết quả mô phỏng trên MATLAB, biểu đồ sai số xấp xỉ đặc tuyến, hoạt động của mạch chỉ thị dung lượng pin 4 LED. Nhận xét về độ ổn định truyền nhận không dây, thời gian đáp ứng của cảm biến, tính thẩm mỹ, độ an toàn và tính tiện dụng của mô hình khi thử nghiệm thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối với cả phần cứng lẫn phần mềm di động; khẳng định tính khả thi của mô hình phát hiện nồng độ cồn gắn trên nón bảo hiểm; đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hoàn thiện và mở rộng đề tài trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

  • Về phần cứng: Chế tạo thành công 02 khối bo mạch hoạt động ổn định gồm Khối xử lý trung tâm tích hợp cảm biến MQ3, Arduino Nano, HC-06 và Khối nguồn di động 7,4V/5V tích hợp mạch báo pin 4 cấp Op-Amp. Mạch tiêu thụ dòng danh định khoảng 230 mA, đảm bảo thời lượng hoạt động liên tục khi sử dụng 2 cell pin sạc Lithium. Mạch báo pin phản hồi chính xác 3 mức trạng thái điện áp nguồn.
  • Về thuật toán đo lường: Xây dựng thành công phương trình hàm mũ bậc hai xấp xỉ đặc tuyến phi tuyến $R_S/R_0$ qua công cụ Curve Fitting Toolbox của MATLAB, cho sai số mô phỏng triệt tiêu về mức xấp xỉ 0 so với dữ liệu mẫu trong datasheet, giúp vi điều khiển tính toán nhanh và chính xác nồng độ cồn trong dải $0 - 2\text{ mg/l}$.
  • Về phần mềm di động: Hoàn thiện ứng dụng Android trên Android Studio với đầy đủ tính năng kết nối không dây Bluetooth (tự động nhận diện HC-06 qua Baudrate 9600, PIN 1234), hiển thị giá trị nồng độ cồn theo thời gian thực, tự động đổi màu giao diện và phát tín hiệu cảnh báo trực quan theo 3 cấp độ (Bình thường, Vượt ngưỡng, Khẩn cấp), đồng thời lưu trữ lịch sử đo đạc.
  • Tích hợp mô hình: Đóng gói toàn bộ hệ thống trong vỏ mica chuyên dụng và lắp đặt gọn gàng trên nón bảo hiểm $\frac{3}{4}$ đầu, LED 2 màu nhấp nháy đỏ trên thân nón khi phát hiện hơi thở có nồng độ cồn vượt ngưỡng.

2. Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng mô hình vào việc chế tạo nón bảo hiểm thông minh dành cho người đi xe máy, giúp người dùng tự kiểm tra nồng độ cồn trước khi vận hành phương tiện.
  • Đề xuất tích hợp thêm cơ chế khóa khởi động động cơ xe máy thông qua kết nối không dây khi nồng độ cồn trong hơi thở người lái vượt mức cho phép theo quy định pháp luật.

3. Đóng góp tự nêu của đề tài

  • Đưa ra giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh kết hợp giữa đo lường nồng độ cồn bằng cảm biến điện hóa - bán dẫn và giám sát qua thiết bị di động cá nhân với chi phí thấp.
  • Giải quyết triệt để bài toán phi tuyến tính của cảm biến khí MQ3 bằng công cụ toán học xấp xỉ hàm số trên MATLAB, thay thế các phương pháp tính tuyến tính gần đúng có sai số cao.
  • Thiết kế thành công mạch chỉ thị dung lượng pin lưu động 4 cấp thuần phần cứng sử dụng Op-Amp so sánh, giúp người dùng chủ động kiểm soát nguồn năng lượng của thiết bị di động trên mũ bảo hiểm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Cảm biến MQ3 cần thời gian sấy nóng cuộn nhiệt ($P_H \le 900\text{ mW}$) để đạt trạng thái cân bằng nhiệt hóa học, làm tiêu tốn năng lượng pin đáng kể và cần thời gian khởi động trước khi đo.
  • Dải đo còn hẹp ($0 - 2\text{ mg/l}$) và phạm vi khoảng cách đo của cảm biến bị giới hạn trong khoảng cách gần ($3\text{ cm}$), đòi hỏi người dùng phải phà hơi thở trực tiếp vào vị trí cảm biến trên nón.
  • Chuẩn kết nối Bluetooth HC-06 (Class 2) có cự ly hoạt động thực tế giới hạn trong vòng 10 - 20 m và dễ bị suy hao khi có vật cản.
  • Ứng dụng di động mới chỉ được phát triển và tương thích trên nền tảng Android, chưa hỗ trợ các hệ điều hành khác như iOS.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu sử dụng các loại cảm biến cồn thế hệ mới có độ chọn lọc cao hơn, giảm dòng tiêu thụ cuộn sấy và nâng cao độ nhạy ở khoảng cách đo xa hơn.
  • Thiết kế mạch in dạng module dán (SMD) hai lớp để thu nhỏ tối đa kích thước bo mạch, tăng tính thẩm mỹ và an toàn khi tích hợp ngầm bên trong cấu trúc nón bảo hiểm.
  • Phát triển thêm phiên bản ứng dụng trên hệ điều hành iOS và xây dựng cơ sở dữ liệu đám mây để lưu trữ, giám sát lịch sử vi phạm nồng độ cồn từ xa.
  • Mở rộng chức năng điều khiển relay ngắt nguồn hệ thống đánh lửa/khởi động của xe máy khi phát hiện nồng độ cồn vượt mức quy định nhằm ngăn chặn triệt để hành vi lái xe sau khi uống rượu bia.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống nhúng đo lường - điều khiển từ khâu tính toán lý thuyết, mô phỏng toán học trên MATLAB, thiết kế mạch in PCB trên Proteus/Eagle đến lập trình vi điều khiển AVR.
  • Lập trình viên và sinh viên ngành Công nghệ Thông tin: Tham khảo kiến trúc ứng dụng Android giao tiếp Bluetooth thời gian thực qua giao thức SPP (Serial Port Profile) sử dụng Android Studio và ngôn ngữ Java.
  • Các kỹ sư phát triển sản phẩm IoT/Smart Wearable: Tham khảo phương pháp thiết kế khối nguồn lưu động dùng pin Lithium kết hợp IC 7805 và mạch chỉ thị pin 4 cấp dùng Op-Amp không phụ thuộc vào bộ điều khiển số; cũng như giải pháp xử lý đường cong cảm biến phi tuyến bằng công cụ Curve Fitting.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến MQ3 hoạt động dựa trên nguyên lý vật lý và hóa học nào để đo nồng độ cồn?
Cảm biến MQ3 sử dụng chất bán dẫn thiếc đioxit ($SnO_2$) phủ trên lõi gốm $Al_2O_3$ và cuộn sưởi nhiệt. Khi cuộn sưởi được cấp điện áp $5,2\text{ V}$, $SnO_2$ trở thành vật liệu dẫn điện. Khi hơi thở chứa ethanol tiếp xúc với bề mặt điện cực vàng (Aurum), ethanol bị oxy hóa thành axit axetic, làm tăng nhiệt độ ống và giải phóng các hạt dẫn điện, dẫn đến điện trở cảm biến $R_S$ giảm và dòng điện chạy qua điện trở tải $R_L$ tăng lên, tạo ra tín hiệu điện áp tương tự tỷ lệ với nồng độ cồn.

2. Nhóm tác giả đã giải quyết bài toán phi tuyến tính của đường đặc tuyến cảm biến MQ3 như thế nào?
Nhóm tác giả đã thu thập bảng dữ liệu mẫu quan hệ giữa tỉ số $R_S/R_0$ và nồng độ cồn từ datasheet của nhà sản xuất, sau đó đưa vào phần mềm MATLAB và sử dụng công cụ Curve Fitting Toolbox với hàm xấp xỉ mũ bậc hai exp2 ($f(x) = a \cdot e^{bx} + c \cdot e^{dx}$). Kết quả mô phỏng cho thấy phần dư sai số xấp xỉ bằng 0, từ đó thiết lập phương trình toán học giải tích nạp vào vi điều khiển để tính toán chính xác nồng độ cồn thay vì dùng xấp xỉ tuyến tính.

3. Hệ thống tiêu thụ bao nhiêu điện năng và khối nguồn di động được thiết kế như thế nào?
Tổng dòng điện định mức của hệ thống là $230\text{ mA}$ ở điện áp $5\text{ VDC}$ (gồm Arduino Nano: $30\text{ mA}$, MQ3: $150\text{ mA}$, HC-06: $40\text{ mA}$, LED 2 màu: $10\text{ mA}$). Khối nguồn sử dụng 2 cell pin Lithium $3,7\text{ V}$ mắc nối tiếp tạo điện áp $7,4\text{ V}$, sau đó đi qua IC ổn áp LM7805 (chịu tải tối đa $1\text{ A}$) để hạ áp xuống $5\text{ V}$ ổn định cấp cho toàn mạch. Mạch tích hợp thêm 4 bộ so sánh Op-Amp với Diode Zener $3\text{ V}$ để điều khiển 4 LED báo mức pin.

4. Module Bluetooth HC-06 được cấu hình và giao tiếp với vi điều khiển như thế nào?
Module HC-06 sử dụng chipset CSR BC417, giao tiếp với Arduino Nano thông qua 2 chân UART là D0 (RX) và D1 (TX) với mức logic 3,3V/5V và tốc độ Baud mặc định 9600 bps. Module hoạt động ở chế độ Data Mode với vai trò Slave, cho phép điện thoại thông minh Android dò tìm và ghép nối qua mã PIN mặc định 1234 nhằm tạo kênh truyền dữ liệu nối tiếp không dây trong phạm vi dưới 20 m.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công mô hình phát hiện nồng độ cồn" của sinh viên Hồ Quang Phúc và Vũ Phúc Khang đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu đề ra trong việc kết hợp phần cứng nhúng và ứng dụng di động Android để đo lường, cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở. Đề tài nổi bật với việc áp dụng công cụ Curve Fitting trên MATLAB để mô hình hóa chính xác đặc tuyến phi tuyến của cảm biến khí MQ3 và thiết kế mạch nguồn lưu động chỉ thị 4 cấp pin bằng Op-Amp. Sản phẩm được thi công, đóng gói hoàn chỉnh và chứng minh tính khả thi cao khi ứng dụng thực tế trên nón bảo hiểm nhằm hỗ trợ giảm thiểu tai nạn giao thông do rượu bia.