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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng này trình bày khái quát về công nghệ Bluetooth, kiến thức cơ bản về hệ điều hành Android cũng nhƣ 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). Chƣơng 3: Tính Toán và Thiết Kế Chƣơng này sẽ trình bày sơ đồ khối của hệ thống, đƣa ra các phƣơng án thực hiện và lựa chọn phƣơng án tối ƣu nhất để tính toán tìm đƣợc phƣơng trình đo nồng độ cồn từ datasheet của nhà sản xuất.
Ngoài ra chƣơng này còn trình bày cách thiết kế sơ đồ nguyên lý từng khối cũng nhƣ sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chƣơng 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. Chƣơng này còn trình bày phần yêu cầu đối với phần mềm điều khiển của vi điều khiển và lƣu đồ hoạt động của chƣơng 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.
Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chƣơng này sẽ trình bày các kết quả đạt đƣợc 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, … Chƣơng 6: Kết Luận và Hƣớng Phát Triển Chƣơng này sẽ đƣa ra những kết luận sau khi hoàn thành sản phẩm, các hƣớng phát triển của đề tài để có thể phát triển sản phẩm tốt hơn trong tƣơng lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.1 CẢM BIẾN CỒN MQ3 2.1 Khái niệm về cảm biến Cảm biến là thiết bị điện tử có chức năng chuyển đổi các tác nhân vật lý nhƣ nhiệt độ, độ ẩm,… thành các tín hiệu điện áp và dòng điện để vi xử lý có thể đọc đƣợc. Có hai loại cảm biến là cảm biến ngõ ra số và cảm biến ngõ ra tƣơng tự.2 Cảm biến MQ3 Cảm biến MQ3 là cảm biến khí dùng để phát hiện cồn trong không khí.
Nó đƣợc cấu tạo từ chất bán dẫn SnO2. Chất này có độ dẫn điện thấp với không khí sạch. Nhƣng khi trong môi trƣờng có cồn, độ dẫn điện của nó thay đổi ngay. Cảm biến MQ3 2.3 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 đƣợc nối với nguồn, chân B nối ngõ ra. Sơ đồ chân cảm biến MQ3 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 do an CHƢƠNG 2.4 Nguyên lý hoạt động Về cơ bản ống là lõi nhôm oxit đƣợc phủ bởi lớp tin dioxide, giữa 2 lớp có 1 điện cực Aurum (màu đen). Lõi nhôm khi chƣa 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 đƣợc kết quả của cảm biến. Lõi nhôm sau khi đƣợc đun nóng Bảng 2. Thông số kỹ thuật cảm biến MQ3 Điện áp vào VC ≤ 24 VDC Điện áp làm nóng VH 5.2V 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 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 do an CHƢƠNG 2.2 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 2.1 Khái niệm về vi điều khiển Vi điều khiển là một máy tính đƣợc tích hợp trên một chíp, nó thƣờng đƣợc 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 nhƣ bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tƣơng tự và tƣơng tự sang số,. Ở máy tính thì các module thƣờng đƣợc xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. 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 ƣu và nhƣợc 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 đƣợc, ở đây ta cân nhắc về vấn đề thông dụng, nhỏ gọn và khả năng phát triển trong tƣơng lai của vi điều khiển nên ta chọn dòng vi điều khiển AVR của hãng Atmel.
Ở đây, ta dùng Board Arduino Nano đƣợc tích hợp sẵn Vi điều khiển ATmega328P họ 8bit và chip nạp CH340 vì thế ta tiết kiệm đƣợc thời gian hàn mạch, việc chỉnh sửa phần cứng và chƣơng trình đƣợc thực hiện dễ dàng hơn.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 chƣơng trình có trên Arduino UNO đều có trên Arduino Nano, một ƣu 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. 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 lƣợng: 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. 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 đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển.
Sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ đƣợc dùng cho bootloader nhƣng thƣờng 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 lƣu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 7 do an CHƢƠNG 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): tƣơng tự nhƣ 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 nhƣ dữ liệu trên SRAM.3 Bộ ADC trong Arduino Nano a) Khái niệm ADC ADC (Analog-to-digital converter) hay mạch chuyển đổi tƣơng tự ra số là một linh kiện bán dẫn thực hiện chức năng là chuyển đổi một đại lƣợng vật lý tƣơng tự liên tục nào đó (thƣờng là điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn của đại lƣợng đó. Mỗi bộ ADC đƣợc đặt trƣng bởi độ phân giải (Step Size). Độ phân giải của ADC đƣợc 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 tƣơng 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. b) 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 đƣa 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 đƣợc tính nhƣ sau: SS= (2.1) 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.4 Timer/Counter trong Arduino Nano a) Khái niệm Timer/Counter Timer/Counter là các module độc lập với MCU. Chức năng chính của các bộ Timer/Counter nhƣ tên gọi của chúng là định thời (tạo ra một khoảng thời gian, đếm thời gian…) và đếm sự kiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 8 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT b) 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.5 Giao tiếp UART trong Arduino Nano a) 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 đƣờng phát dữ liệu và một đƣờng 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. Giao tiếp 2 hệ thống dùng chuẩn UART b) 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 đƣợc gửi xong.