Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở

i
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
SENGCHANTHA VONG Obe
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO
NỒNG ĐỘ CỒN TRONG HƠI THỞ
LUẬN VĂN THẠC SỸ
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA
Thái Nguyên, tháng 8 năm 2019

ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hoàn toàn được hình
thành và phát triển từ quan điểm của chính cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn chỉ bảo
của TS. Lê Hùng Linh. Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt nghiệp là
hoàn toàn trung thực.
Học viên
SENGCHANTHAVONG Obe

iii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS.Lê Hùng Linh, Khoa
Công nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông,
người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận
văn.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, Phòng Đào tạo trường
Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông, đã truyền đạt những kiến thức và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập của mình.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tham gia khóa học và quá trình hoàn thành luận
văn.
Và cuối cùng, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và
bạn bè, những người đã ủng hộ, động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi có
được kết quả như ngày hôm nay.

iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................ iii
MỤC LỤC..................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. KHảO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ CẢNH
BÁO NồNG ĐỘ CỒN.....................................................................................................2
1.1. Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn...........................................................2
1.2. Mục đích của đề tài ...............................................................................................3
1.3. Phân tích bài toán..................................................................................................5
1.3.1. Yêu cầu bài toán .............................................................................................5
1.3.2. Giải pháp thiết kế............................................................................................6
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ ......................................8
2.1. Giới thiệu về Arduino ...........................................................................................8
2.1.1. Tổng quan. ......................................................................................................8
2.1.2. Giới thiệu về Arduino Nano. ..........................................................................9
2.1.3. Các cổng vào /ra. ..........................................................................................10
2.1.4. Các chân năng lượng. ...................................................................................11
2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE........................................................................13
2.1.6. Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE ..................................14
2.2. Cảm biến nồng độ cồn. .......................................................................................17
2.2.1. Khái niệm nồng độ cồn.................................................................................17
2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn ...................................................................................17
2.3. Giới thiệu về LCD 16x4......................................................................................19
2.4. Giới thiệu về Module thời gian thực DS13307...................................................27
2.4.1. Ghép nối DS1307 với vi điều khiển .............................................................28
2.4.2. Tổ chức thanh ghi trong DS1307..................................................................28
2.5. Module đọc thẻ nhớ SD ......................................................................................30

v
2.6 Điện trở ...............................................................................................................30
2.7. Tụ điện. ...............................................................................................................31
2.8 Đèn LED ..............................................................................................................33
2.8.1 Về mặt điện tử................................................................................................34
2.8.2 Chiết suất .......................................................................................................34
2.8.3 Lớp tráng phủ.................................................................................................35
2.8.4 Hiệu suất và các thông số hoạt động .............................................................35
2.8.5 Tuổi thọ..........................................................................................................36
2.8.6 Tính chất ........................................................................................................37
CHƯƠNG 3: thiết kế, XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN.......................39
3.1. Sơ đồ khối. ..........................................................................................................39
3.2. Nguyên lý hoạt động...........................................................................................40
3.3. Mạch nguyên lý...................................................................................................42
3.4. Lưu đồ thuật toán. ...............................................................................................42
3.5. kết quả .................................................................................................................47
3.5.1. Kết quả thiết kế trên máy tính.......................................................................47
3.5.2. Kết quả thực nghiệm.....................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................55

vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1:Arduino Nano...................................................................................................8
Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino Nano.......................................................................10
Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano .............................................................................12
Hình 2.4: Giao diện của phần mềm IDE .......................................................................13
Hình 2.5: Cảm biến nồng độ cồn...................................................................................17
Hình 2.6: Chân của cảm biến ........................................................................................18
Hình 2.7. Sơ đồ mạch điện của cảm biến......................................................................19
Hình 2.8: Module LCD16v4..........................................................................................20
Hình 2.9:Module thời gian thực DS13307 ....................................................................27
Hình 2.10: Ghép nối DS1307 với Arduino ..................................................................28
Hình 2.11: Module đọc thẻ nhớ SD...............................................................................30
Hinh 2.12: Sơ đồ mã điện trở ........................................................................................31
Hình 2.13: Một loại tụ điện ...........................................................................................31
Hình 2.14: Sơ đồ làm việc của tụ điện ..........................................................................32
Hình 2.15: Sơ đồ cầu tạo tụ điện. ..................................................................................33
Hình 2.16: Hình ảnh và cấu tạo của đèn LED...............................................................33
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................................39
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý vẽ bằng phần mềm .............................................................42
Hình 3.3: Lưu đồ chương trình đo nồng độ cồn............................................................44
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán khởi tạo và đọc giá trị ngày giờ từ module DS1307........45
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán ghi dữ liệu vào thẻ nhớ. ...................................................46
Hình 3.4: Sơ đồ đi dây khi đã phủ đồng........................................................................47
Hình 3.5: Thể hiện mạch in dạng đen trắng ..................................................................47
Hình 3.6: Ảnh thiết bị sau khi hoàn thiện......................................................................48
Hình 3.7. Ảnh các chi tiết trên thiết bị. .........................................................................49
Hình 3.8: BẬT/TẮT thiết bị..........................................................................................50
Hình 3.9: Đo nồng độ cồn. ............................................................................................50
Hình 3.10: Sấy cảm biến MQ3......................................................................................51

vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE..................................................14
Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh....................................................................................15
Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của MQ3....................................................................18
Bảng 2.4: Chức năng các chân của LCD 16x4..............................................................20
Bảng 2.5: Chức năng các chân RS và R/W...................................................................22
Bảng 2.6: Bảng mã ký tự...............................................................................................23
Bảng 2.7:Tập lệnh của LCD..........................................................................................24
Bảng 2.8:Các thanh ghi trong IC thời gian thực DS1307 .............................................29
Bảng 3.1: Cảm biến sử dụng trong hệ thống.................................................................40

viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT Từ viết tắt Tên đầy đủ Chú thích
1 AVR AVR microcontrollers Vi điều khiển AVR
2 IDII
Interraction Design
Instistute Ivrea
Thiết kế tương tác Ivrea
3 LCD Liquid Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng
4 ARM Acorn RISC Machine Vi xử lý cấu trúc 32-bit
5 I/O Input/Output Tín hiệu vào/ra
6 GND Ground
Mức điện áp chuẩn để đo
được các điện áp cao hay
thấp
7 Vcc
Voltage common
collector
Điện áp cao(điện áp
gópchung)
8 AREF AnalogReference Điện áp mẫu
9 TTL
Transistor-transistor
logic
Logic chuẩn bán dẫn
10 ADC
Analog to Digital
Converter
Bộ chuyển tương tự sang số
11 IDE
Integrated Development
Environment
Trình soạn thảo, biên dịch và
nạp chương trình cho
Arduino.
12 MCU Microcontroller Unit Bộ vi điều khiển

1
MỞ ĐẦU
Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO thì bia rượu là nguyên nhân
gây tai nạn hàng đầu cho người tham gia giao thông, đặc biệt ở Việt Nam luôn là
quốc gia tiêu thụ lượng bia rượu đứng hàng đầu thế giới. Nên việc tuyên truyền
vận động người dân không tham gia giao thông khi đã sử dụng rượu bia là ưu tiên
hàng đầu. Ngoài ra việc trang bị cho các chiến sỹ cảnh sát giao thông những chiếc
máy đo nồng độ cồn là hết sức cần thiết. Khi đã có những chiếc máy đo nồng độ
cồn này các chiến sỹ giao thông có thể kịp thời phát hiện, nhắc nhở, xử phạt những
người tham gia giao thông mà có nồng độ cồn vượt mức quy định nhằm góp phần
giảm thiểu số vụ tai nạn có thể xảy ra.
Vì vậy việc đề xuất một thiết bị đo, và cảnh báo nồng độ cồn người vi phạm
và nồng độ cồn lên là cần thiết.
Tuy nhiên hiện nay các thiết bị đo này trên thị trường là thiết bị ngoại nhập,
giá thành cao, do đó việc nghiên cứu thiết kế ra thiết bị này là có nhu cầu thực tế.
Mục đích nghiên cứu của đề tài
Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn trong hơi thở với các
đặc tính cơ bản sau:
- Thiết bị đo có thể đo và hiển thị kết quả đo trực quan ngay tại thiết bị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu phần giám sát nồng độ cồn.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cảm biến MQ3 và ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tìm hiểu về đặc tính, ứng dụng của cảm biến MQ3.

2
CHƯƠNG 1. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ
CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN
1.1.Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn
Hiện nay, các tệ nạn xã hội ngày càng gia tăng mà một trong những nguyên
nhân chủ yếu đó là do uống nhiều rượu bia. Rượu là nguyên nhân chủ yếu làm
giảm năng suất lao động, gây ra các tệ nạn xã hội như bạo lực, gia đình tan vỡ,
con cái hư hỏng và đặc biệt gây ra các vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng.
Việt Nam là quốc gia thuộc tốp đầu các nước sử dụng rượu, bia khi tham
gia giao thông. Tình trạng sử dụng rượu bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự
an toàn giao thông trở thành vấn đề báo động, đây chính là nguyên nhân hành đầu
gây tai nạn giao thông, do điều khiển phương tiện Đọi người lái xe Đã sử dụng
rươu, bia thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy các
biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đường không còn rõ ràng, chân nên đến khi
xử lý không đúng và có thể gây ra tai nạn. Người say cũng “bốc đồng”, không còn
khả năng kiểm soát tốc độ cho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn đường rất
dễ gây tai nạn.
Để hướng tới mục tiêu an toàn giao thông, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật đã
đưa ra rất nhiều quy định mới, một trong số đó là quy định về nồng độ cồn cho
phép khi điều khiển phương tiện giao thông. Khẩu hiệu “Đã uống rượu bia thì
không lái xe” đã khá quen thuộc với người dân Việt Nam. Vì thế, để giảm thiểu
tối đa tai nạn giao thông, Bộ giao thông vận tải đã đưa ra các mức xử phạt tương
ứng với mức độ vi phạm của người tham gia giao thông.
Theo thống kê, hàng năm ở nước ta khoảng 9,000 người tử vong do tai nạn
giao thông. Một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng tại nạn giao thông
là do người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông.
Những hậu quả của người uống rượu bị tại nạn trong lúc tham gia giao thông và
hiện nay đang là nỗi lo lắng, bức xúc của cá nhân, gia đình và xã hội.
Luật giao thông đường bộ năm 2008 quy định cấm người điều khiển xe ô
tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng đường dài mà hơi thở có nồng độ cồn, cấm

3
người điều khiển mô tô, xe gắn máy mà trong máu có nồng độ cồn vượt quá 50
miligam/ 100mililit máu hoặc 0,8 miligam/ 1lít khí thở. Nhằm hạn chế tai nạn
giao thông và tăng tính răn đe cho hành vi vi phạm về nồng độ cồn điều khiển
phương tiện tham gia giao thông, từ ngày 01/08/2016 nâng mức phạt tiền và thời
gian tạm giữ giấy phép lái xe của người sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông.
1.2.Mục đích của đề tài
Sự an toàn khi tham gia giao thông:
Tai nạn giao thông là hiểm họa thường trực đối với mỗi người tham gia
giao thông hàng ngày. Trong khi đó, ở Việt Nam số lượng người và phương tiện
giao thông ngày càng đông và tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông trên 100,000
người dân cao hơn mức trung bình của thế giới (thế giới: 18 người, Việt Nam 24
người – Báo cáo thống kê của Viện nghiên cứu giao thông Đại học Michigan
UMTRI MỸ).
Theo thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia, năm 2013 cả nước
đã xảy ra 29.385 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.369 người bị thương 29.500
người, trung bình mỗi ngày có 26 người chết và 81 người bị trần thường vì tai nạn
giao thông trên toàn quốc. Trong năm 2014, toàn quốc đã xảy ra 10.772 vụ tai nạn
giao thông, làm chết 3.928 người, bị thương 10.556 người.
Hậu quả của tai nạn giao thông vô cùng đau thương và nặng nề. Đó là sự
mất mát về tính mạng con người, là gánh nặng cho gia đình người bị nạn và những
người liên quan về cả tình cảm lẫn vấn đề kinh tế. Đặc biệt, đó là hậu quả mà bản
thân bị tai nạn gánh chịu khi không thể trở lại là những lạnh lặn bình thường mà
trở thành phế nhân. Những hậu quả trên cho thấy tai nạn giao thông hiện nay là
mối nguy hiểm khôn cùng, là kẻ thù vô cùng nguy hiểm đối với mỗi người tham
gia giao thông.
Vậy vấn đề đặt ra là tại sao tai nạn giao thông ở đất nước chúng ta lại xảy
ra nhiều với số người chết và bị thương cao đến vậy?
Lý do có thể kể ra rất nhiều: Hệ thống hạ tầng giao thông yếu kém, chất
lượng phương tiện giao thông không đáp ứng đúng các yêu cầu về kỹ thuật, ý thức

4
chấp hành luật giao thông và ý thức tham gia giao thông của người dân còn thấp...
Song chung quy lại, nguyên nhân cơ bản nhất vẫn là nguyên nhân từ phía con
người.
Khi tham gia giao thông, bản thân mỗi người phương tiện phải có trách
nhiệm với an toàn của mình và của những người tham gia giao thông khác. Nhưng
trên thực tế, tình trạng người uống rượu bia vẫn tham giao thông, người tham gia
giao thông lạng lách, đánh võng, phóng nhanh vượt ẩu, không đội mũ bảo hiểm,
không chấp hành luật giao thông... đấy là sự kém ý thức của người tham gia giao
thông. Đấy là những nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến sự an toàn của người
và phương tiện khi tham gia giao thông.
Vậy để giảm thiểu được tình trạng mất an toàn khi tham gia giao thông cần
phải thực hiện nhiều biện pháp có tính hệ thống và lâu dài, trong đó quan trọng
hơn hết vẫn là công tác tuyên truyền, giáo dục ý thức tham gia giao thông an toàn
cho người dân. Trên các phương tiện thông tin đại chúng đã và đang có nhiều
chương trình tuyên truyền nhằm nâng cao ý thức tham gia giao thông.
Thời gian gần đây, những vi phạm về luật giao thông có biểu hiện diễn biến
phức tạp, trong đó nguyên nhân liên quan rượu, bia được các chuyên gia đánh giá
khá nghiêm trọng. Đặc điểm của người điều khiển phương tiện sau khi uống rượu,
bia thường là chạy tốc độ cao, lạng lách, không làm chủ được tay lái, phán đoán
và xử lý tình huống kém. Do đó, say rượu bia thường có liên quan mật thiết với
việc vi phạm tốc độ, vượt sai quy định, nguy cơ dẫn đến tai nạn giao thông đều
cao.
Theo thống kê của Ủy ban an toàn giao thông quốc gia, khoảng 40% số vụ
tai nạn giao thông và 11% số người tử vong do tai nạn liên quan đến rượu, bia.
Nguyên nhân gây tai nạn giao thông vẫn nằm ngoài vấn đề cơ bản là ý thức của
người tham gia giao thông. Trong đó, ý thức chấp hành luật giao thông của người
dân còn rất yếu, thậm chí coi thường tính mạng của bản thân và gây tổn hại cho
người khác.
Các quy định đối với người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông:

5
Có thể nói rằng, quy định pháp luật về nồng độ cồn trong máu đối với người
điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ nói riêng và các lĩnh vực giao thông
khác tương đối đầy đủ và ngày càng chặt chẽ.
Đối với giao thông đường bộ, uống rượu, bia có ảnh hưởng rất lớn đối với
người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông như dễ vi phạm quy tắc
giao thông, xử lý tình huống trên đường kém làm tăng nguy cơ gây tai nạn giao
thông, Hành vi sử dụng rượu bia quá nồng độ cồn là điều nghiêm cấm đối với
người điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ. Mức độ quy định về nồng độ cồn
trong máu ngày càng chặt chẽ, khắt khe hơn để bảo đảm an toàn cho người điều
khiển phương tiện, hạn chế tai nạn giao thông.
Để tích cực ngăn chặn việc người điều khiển phương tiện giao thông trong
tình trạng say rượu bia, theo nghị định 46/2016/NĐ – CP quy định người điều
khiển xe ô tô trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50
– 80 miligam/100 mililit máu hoặc vượt quá 0,25 – 0,4 miligam/1 lít khí thở thì
sẽ bị phạt.
Chính vì thế có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồn đối
với những người tham gia giao thông. Nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa tai
nạn giao thông. Đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn
trong hơi thở” mang tính cộng đồng và xã hội cao, nhằm mục đích chủ động ngăn
ngừa kịp thời và cảnh báo sớm hiểm họa về tai nạn giao thông xảy ra, tạo nên một
thói quen và ý thức tốt cho người tham gia giao thông
1.3.Phân tích bài toán
1.3.1. Yêu cầu bài toán
- Đề xuất chọn phương pháp phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở của người
điều khiển phương tiện tham gia giao thông.
- Thiết kế, thi công mạch đo cảnh báo nồng độ cồn.
- Thử nghiệm hệ thống cảnh báo.
Hiện nay có nhiều phương pháp phát hiện nồng độ cồn là:

6
Phương pháp đo nồng độ cồn trong máu: Đây là phương pháp được sử dụng
để xác định lượng các chất kích thích và hoạt chất gây ảnh hưởng tới cơ thể con
người có trong máu. Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phòng thí nghiệm để
đo đạc với độ chính xác cao. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là phải
lấy mẫu máu của người cần kiểm tra tại cơ sở y tế, thông qua quy trình thử nghiệm
trong phòng thí nghiệm mới cho ra kết quả, do đó gây tốn thời gian và không thể
áp dụng trong các trường hợp cần kiểm tra nhanh, tại hiện trường.
Phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở: hơi thở của người say rượu sẽ
có nồng độ cồn cao. Sử dụng các thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo nồng
độ cồn trong không khí của không gian thở trước mặt người lái để đánh giá tình
trạng say rượu bia.
Có nhiều phương pháp để pháp hiện trạng thái say của của người lái xe.
Qua tham khảo các kết quả nghiên cứu có nhận xét: các phương pháp xác định
nồng độ cồn trong hơi thở hiện đang được sử dụng phổ biến. Bởi vì, sử dụng cảm
biến đo nồng độ cồn trong hơi chỉ cần thời gian khoảng 8 đến 10 giây.
Vì thế trong đề tài tôi sẽ đi sâu vào thiết kế mạch đo và cảnh báo nồng độ
cồn qua hơi thở.
1.3.2. Giải pháp thiết kế
Hệ thống phát hiện nồng độ cồn có nhiệm vụ chính là kiểm tra thực tiếp
nồng độ cồn trong hơi thở. Hệ thống cảnh báo phát các tín hiệu cảnh báo khí nồng
độ còn trong vùng không gian thở trước mặt của người sử dụng cao quá mức quy
định. Chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo: căn cứ vào các qui định của luật giao
thông, căn cứ vào độ nhạy và sai số điện áp đầu ra của cảm biến đo nồng độ cồn,
ta chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng độ cồn 80mg/lít
khí thở.
Ngoài ra kết quả đo còn được lưu lại vào thẻ nhớ SD để có thể mở ra xtôi
lại khi cần thiết. Các kết quả đo này được lưu tuần tự theo thời gian thực.

7
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Vấn nạn điều khiển phương tiện giao thông sau khi đã sử dụng rượu bia
ngày càng xảy ra thường xuyên. Điều khiển các phương tiện giao thông trong khi
Nồng độ cồn trong máu và hơi thở quá mức quy định cho phép, làm người điều
khiển không làm chủ được phương tiện, xứ lí các tình huống khẩn cấp trở nên
không chính xác, dễ gây tai nạn cho bản thân và những người tham gia giao thông
xung quanh. Cấp thiết cần có một thiết bị có thể đo và cảnh báo chính xác cho
người tham gia giao thông về tình trạng cơ thể sau khi đã uống rượu bia.
Luận văn phân tích kĩ lưỡng các trường hợp cần sử dụng thiết bị, mục đích
chế tạo cũng như những lợi ích khi sử dụng thiết bị. Song hành, luận văn cũng
đảm bảo việc nghiên cứu, phân tích bài toán đo và cảnh báo nồng đọ cồn một cách
kĩ lưỡng, chính quy. Từ đó đưa ra các phương pháp, giải pháp và định hướng thiết
kế thiết bị sao cho đạt được độ chính xác và hiệu quả cao nhất.

8
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ
2.1. Giới thiệu về Arduino
2.1.1. Tổng quan.
Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên Ý
thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005. Mạch Arduino được sử dụng để cảm
nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau. Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm
vụ từ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác.
Ngoài ra mạch có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc
thẻ từ, Ethernetshield, sim900A, 800L…để tăng khả ứng dụng của mạch
Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng
vi
xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM, Atmel 32-bit,….
Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE. Đây là phần
mềm mã nguồn mở, và có thể được download từ trang web của Arduino.
Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới cũng có nhiều board mạch vi điều
khiển khác nhau. Tuy nhiên Arduino có một số ưu điểm mà khiến nó trở nên nổi
tiếng và hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Những ưu điểm đó là: rẻ,
tương thích được với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng,
dễ ứng dụng, sử dụng nguồn mở và có thể kết hợp với nhiều module khác nhau.
Hình 2.1:Arduino Nano

9
Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng
dụng về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo
mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính.
Các bo mạch chính về cơ bản giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình
như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có độ khác nhau. Một số bo
mạch có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các bo
mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính. Ví dụ như
tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ...
Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản cho
tới phức tạp. Trong đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino dù cho chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp.
2.1.2. Giới thiệu về Arduino Nano.
Arduino Nano là bản thu nhỏ của các bản như ArduinoUno R3 và các loại
Arduino khác, Arduino Nano được thiết kế để sử dụng với breadboard nhưng vẫn
đầy đủ chức năng như một board arduino bình thường khác.
Arduino Nano sử dụng chip Atmega328-AU nên còn có thêm 2 chân
Analog A6 và A7 mà các board sử dụng chip cắm không hề có. Trên board tích
hợp IC ổn áp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board nên board
không cần sử dụng công tắc chọn nguồn. Trên board Arduino Nano sử dụng IC
chuyên dụng USB to COM là chip FTDI FT232RL hoặc CH340G.
Thông số kỹ thuật:
 Vi điều khiển: Atmega328P
 Điện áp hoạt động: 5V
 Tần số hoạt động: 16 MHz
 Điện áp đầu vào khuyên dùng : 7V - 12V DC
 Điện áp vào giới hạn : 6-20V DC
 Số chân Digital I/O : 14 (6 chân hardware PWM)
 Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 2KB dùng bởi bootloader

10
 SRAM 2 KB (Atmega328)
 EEPROM 1 KB (Atmega328)
 Kích thước board : 0,73 x 1,70 (Inch)
Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino Nano
2.1.3. Các cổng vào /ra.
Mạch ArduinoNano có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.
Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là
40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều
khiển Atmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối). Một số
chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino có thể giao tiếp với thiết bị khác
thông qua hai chân này. Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nối Serial
không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, chúng ta không nên sử dụng hai chân
này nếu không cần thiết
LED 13: trên Arduino Nano có một đèn led màu cam (ký hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino Nano Broad có 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

11
chân AREF trên board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các
chân analog. Tức là nếu chúng ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng
các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn
là 10bit.
2.1.4. Các chân năng lượng.
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino NANO. Khi
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
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 mình có thể
nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
VREF: của vi điều khiển trên Arduino Nano có thể được đo ở chân này nó
luôn là 5V. Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi
chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua một điện trở 10KΩ.
Lưu ý:
Arduino Nano không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó chúng ta phải
hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino
Nano.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho
các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí
có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino Nano với điện áp dưới
6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328.

12
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
Nano nếu vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino Nano
sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano

13
2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE
Phần này nói về giao diện của phần mềm IDE, hình bên dưới thể hiện những
phần cơ bản nhất và thường dùng nhất để có thể học nhanh Arduino…Các chức năng
cơ bản của các biểu tượng trên phần mền được trình bày chi tiết ở các phần bên dưới.
Hình 2.4: Giao diện của phần mềm IDE
Chức năng của từng phần như sau:
1, Nút kiểm tra chương trình: Dùng để kiểm tra xem chương trình được viết
có lỗi không. Nếu chương trình bị lỗi thì phần mềm sẽ hiển thị thông tin lỗi ở
vùng số 5.
2, Nút nạp chương trình xuống bo Arduino: Dùng để nạp chương trình được
viết xuống mạch Arduino. Trong qua trình nạp, chương trình sẽ được kiểm tra lỗi
trước sau đó mới thực hiện nạp xuống mạch Arduino.
3, Hiển thị màn hình giao tiếp với máy tính: Khi nhấp vào biểu tượng kính
lúp thì phần giao tiếp với máy tính sẽ được mở ra. Phần này sẽ hiển thị các thông
4. Vùng lập trình
3. Hiển thị màn
hình giao tiếp với
máy tính
2. Nút nạp chương
trình xuống bo mạch
1. Nút kiểm tra
chương trình
5. Vùng thôngbáo
thông tin

14
số mà người dùng muốn đưa lên màn hình. Muốn đưa lên màn hình phải có lệnh
Serial.print() mới có thể đưa thông số cần hiển thị lên màn hình.
4, Vùng lập trình:Vùng này để người lập trình thực hiện lập trình.
5, Vùng thông báo thông tin: Có chức năng thông báo các thông tin lỗi của
chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình.
2.1.6. Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE
Phần này sẽ đưa ra cấu trúc của một chương trình trong IDE, đồng thời giải
thích một số lệnh thường được sử dụng để thuận tiện cho người dùng.
Phần 1: Khai báo biến:
Đây là phần khai báo kiểu biến, tên các biến, định nghĩa các chân trên board
một số kiểu khai báo biến thông dụng:
 define
Nghĩa của từ define là định nghĩa, hàm #define có tác dụng định nghĩa, hay
còn gọi là gán, tức là gán một chân, một ngõ ra nào đó với một cái tên.
Khai báo các kiểu biến khác như: int (kiểu số nguyên), float,…
Phần 2: Thiết lập (void setup())
Phần này dùng để thiết lập cho chương trình, cần nhớ rõ cấu trúc của nó
void setup()
{
……..
}
Cấu trúc của nó có dấu ngoặc nhọn ở đầu và ở cuối, nếu thiếu phần này khi
kiểm tra chương trình thì chương trình sẽ báo lỗi.
Phần này dùng để thiết lập các tốc độ truyền dữ liệu, kiểu chân là chân ra
hay
chân vào.
Trong đó:
Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE

15
Serial.begin(9600);
Dùng để truyền dữ liệu từ board
Arduino
lên máy tính.
pinMode(biến, kiểu vào hoặc ra);
ví dụ: pinMode(ChanDO, INPUT)
Dùng để xác định kiểu chân là vào hay
ra
Phần 3: Vòng lặp
Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các
nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn, thường bắt đầu bằng:
void loop()
{
……
}
Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp:
Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh
Ký hiệu, câu lệnh Ý nghĩa
//
Dấu // dùng để giải thích, khi nội dung giải thích nằm
trên 1
dòng, khi kiểm tra chương trình thì phần kiểm tra sẽ bỏ
qua
phần này, không kiểm tra.
/*
…..
*/
Ký hiệu này cũng dùng để giải thích, nhưng giải thích
dành
cho một đoạn, tức có thể xuống dòng được.

16
#define biến chân
Xác định câu lệnh này nhằm gán tên một biến vào một
chân nào
đó. Ví dụ #define LED 13
digitalWrite
(chân,trạng thái);
Dùng để tắt, mở 1 chân ra. Ở đây trạng thái chân có thể
là
HIGH hoặc LOW
Ví dụ: digitalWrite(led,HIGH);
analogWrite
(chân,giá trị);
Có nghĩa dùng để băm xung (PWM), thường dùng để
điều
khiển tốc độ động cơ, độ sáng led,…
digitalRead(chân)
;
Read nghĩa là đọc, lệnh này dùng để đọc giá trị digital
tại
chân muốn đọc
analogRead(chân)
;
Lệnh này dùng để đọc giá trị analog tại chân muốn đọc
Delay(thời gian);
Delay nghĩa là chờ, trì hoãn, duy trì. Lệnh này dùng để
duy
trì trạng thái đang thực hiện chờ một thời gian. Thời
gian ở
đây được tính bằng mili giây, 1 giây bằng 1 nghìn mili
giây
Serial.print() In ra màn hình máy tính, lệnh này in không xuống dòng
Serial.println()
In ra màn hình máy tính, in xong xuống dòng, giá trị
tiếp
theo sẽ được in ở dòng kế tiếp

17
If()
{
Các câu lệnh
}
Else ()
{
Các câu lệnh
}
If nghĩa là nếu, sau if là dấu (), bên trong dấu ngoặc là
một
biểu thức so sánh
2.2. Cảm biến nồng độ cồn.
2.2.1. Khái niệm nồng độ cồn.
Nồng độ cồn là một đại lượng đo chỉ hàm lượng cồn (etanol) có trong thức
uống có cồn (tính theo phần trăm thể tích). Độ cồn được làm theo cấp Gay-Lusac
(đặt theo tên nhà hóa học pháp Joseph Louis Gay- Lussc)
2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn
Hình 2.5: Cảm biến nồng độ cồn.
Cảm biến MQ-3 được sử dụng để đo nồng độ cồn. Được làm từ vật liệu
SnO2. Vật liệu này có tính dẫn điện kém trong môi trường không khí sạch nhưng
lại rất nhạy cảm với hơi cồn. Trong môi trường có nồng độ cồn càng cao, điện trở
của cảm biến càng giảm. Từ bảng số liệu, tỷ lệ điện trở của cảm biến giảm gần 5
lần khi đo trong môi trường không khí sạch. Tuy nhiên hiệu ứng pháp hiện nồng

18
độ cồn của cảm biến này còn phụ thuộc điều kiện nhiệt độ. Khi nhiệt độ bề mặt
cảm biến được sấy nóng tới 60℃, thời gian cần thiết để phát hiện nồng độ cồn kéo
dài khỏng 8 giây. Cũng trong môi trường đó, khi nhiệt độ bề mặt cảm biến là 20℃
thời gian phát hiện nồng độ cồn kéo dài từ 3 đến 5 phút.
Hình 2.6: Chân của cảm biến
 Giao diện có 4 chân
1. VCC hoạt động điện áp 5V
2. GND để kết nối GND
3. D0 đầu ra giao diện chuyển đổi kỹ thuật số (0 và 1)
4. A0 đầu ra tương tự
Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của MQ3
Tên thông số Giá trị Đơn vị
Ký hiệu MQ3
Chất phản ứng Cồn(ethanol)
Dải đo 0,04 - 0,4 Mg/l
Điện áp làm việc <24 V
Điện áp sấy 5 ± 0,2 V(AC hoặc DC)
Tải đầu ra Điều chỉnh được Ω
Điện trở sấy 31 ± 3 Ω
Công suất sấy ≤ 900 mw
1
2
3
4

19
Điện trở cảm biến 2÷ 20 KΩ tại nồng độ cồn 0,4mg/l
Độ nhạy ≥ 5 Tỉ lệ điện trở cảm biến khi
nồng độ cồn bằng 0 và
0,4mg/l
 Sơ đồ mạch điện của cảm biến.
Hình 2.7. Sơ đồ mạch điện của cảm biến.
Trong mạch điện của cảm biến MQ3, có 2 đầu dây áp đầu ra của cảm biến,
RL là điện trở mạch ra được nối nối tiếp với cảm biến, trị số được cấp điện áp: VH
là điện áp cấp cho mạch sấy và VC điện áp cấp cho cảm biến, VRL là điện của RL
có thể điều chỉnh được. Các điện áp VH và Vc thương được cấp cùng trị số. Trong
mạch đo, các điện áp này được cấp 5 Vol DC. Các tín hiệu ra của cảm biến được
gửi về bộ vi điều khiển để tính toán xử lý.
2.3. Giới thiệu về LCD 16x4
LCD 16x4 là màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị chữ hoặc số trong
bảng mã ACSII. Màn hình sử dụng là màn hình text LCD 16x4 xanh dương, có
khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng là 16 ký tự, các ký tự có màu trắng và có
độ phân giải 7x5 pixel trên nền sáng xanh dương phát ra từ LCD.
LCD 16x4 sử dụng driver HD44780 điều khiển và truy xuất dữ liệu LCD.
LCD 16x4 nghĩa là loại có 4 dòng và mỗi dòng chỉ hiển thị được 20 ký tự.
Đây là loại màn hình được sử dụng rất phổ biến trong các loại mạch điện.
Thông số kỹ thuật
- Điện áp hoạt động: 4.5-5VDC
𝑉𝐻
𝑉𝐶 𝑉𝑅𝐿
GND
𝑅𝐿
B
B
H
A
A
H

20
- Kích thước: 86.96 x 60 x 13 mm
- Dòng tiêu thụ: 2.0 – 5.0mA
- IC chính driver HD44780.
- Điện thế LCD nhận biết mức cao (𝑉𝑂𝐻): 2.4V
- Điện thế LCD nhận biết mức thấp(𝑉𝑂𝐿): 0.4V
- Nhiệt độ hoạt động : -10°C đến 60°C
- Hiển thị tối đa 16 ký tự trên 4 dòng
- Ngõ giao tiếp: 16 chân
- Chữ đen nền xanh lá hoặc xanh dương
Hình 2.8: Module LCD16v4
 Chức năng các chân của LCD16x4
Bảng 2.4: Chức năng các chân của LCD 16x4
Chân Ký hiệu Mô tả
1 VSS GND
2 VDD Nguồn cấp cho LCD
3 V0 Điều chỉnh độ tương phản

21
4 RS
Chọn thanh ghi:
RS=0: chọn thanh ghi lệnh
RS=1: chọn thanh ghi dữ liệu
5 R/W
Chọn thanh ghi đọc viết dữ liệu:
R/W=0: thanh ghi viết
R/W=1: thanh ghi đọc
6 E
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt
lên
bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1
xung
cho phép của chân E.
Ở chế độ ghi: dữ liệu ở bus LCD chuyển vào thanh ghi
bên
trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low
transition)
Ở chế độ đọc: dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7
khi
phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và
được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức
thấp.
7 - 14 DB0 – DB7
Chân truyền dữ liệu. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus
này:
Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với
bit
MSB là bit DB7.
Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 4 đường từ
DB4
đến DB7, với bit MSB là bit DB7.

22
15 A Cực dương led nền
16 K Cực âm led nền
Các thanh ghi
Chip HD44780 có 2 thanh ghi 8 bit quan trọng: thanh ghi lệnh IR (Instructor
Register) và thanh ghi dữ liệu DR (Data Register)
Thanh ghi IR: để điều khiển LCD, người dùng phải ra lệnh thông qua 8
đường bus DB0-DB7. Mỗi lệnh được nhà sản xuất LCD đánh địa chỉ rõ ràng.
Người dùng chỉ việc cung cấp địa chỉ lệnh bằng cách nạp vào thanh ghi IR.
Nghĩa là khi ta nạp vào thanh ghi IR một chuỗi 8 bit, chip HD44780 sẽ tra bảng
mã lệnh tại địa chỉ mà IR cung cấp và thực hiện lệnh đó.
Thanh ghi DR: thanh ghi DR dùng để chứa dữ liệu 8 bit để ghi vào vùng
RAM DDRAM hoặc CGRAM (ở chế độ ghi) hoặc dùng để chứa dữ liệu từ 2 vùng
RAM này gởi ra MPU (ở chế độ đọc). Nghĩa là, khi MPU ghi thông tin vào DR,
mạch nội bên trong chíp sẽ tự động ghi thông tin này vảo DDRAM hoặc CGRAM.
Hoặc khi thông tin về địa chỉ được ghi vào IR, dữ liệu ở địa chỉ này trong vùng
RAM nội của HD44780 sẽ được chuyển ra DR để truyền cho MPU.
Bằng cách điều khiển chân RS và R/W chúng ta có thể chuyển qua lại giữa
2 thanh ghi này khi giao tiếp với MPU. Bảng sau đây tóm tắt lại các thiết lập đối
với hai chân RS và R/W theo mục đích giao tiếp.
Bảng 2.5: Chức năng các chân RS và R/W
RS R/W Chức năng
0 0 Ghi vào thanh ghi IR để ra lệnh cho LCD
0 1
Đọc cờ bận ở DB7 và giá trị của bộ đếm địa chỉ ở DB0-
DB6
1 0 Ghi vào thanh ghi DR
1 1 Đọc dữ liệu từ DR
Cờ báo bận (Busy Flag)

23
Khi thực hiện các hoạt động bên trong chip, mạch nội bên trong cần 1
khoảng thời gian để hoàn tất. Khi đang thực thi các hoạt động bên trong chip như
thế, LCD bỏ qua mọi giao tiếp với bên ngoài và bật cờ BF lên để báo cho MPU
biết nó đang bận. Dĩ nhiên, khi xongviệc, nó sẽ đặt cờ BF lại mức 0.
Bảng 2.6: Bảng mã ký tự

24
Bảng 2.7:Tập lệnh của LCD
Tên lệnh Hoạt động
Clear
Display
Mã lệnh DBx = DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
DBx = 0 0 0 0 0 0 0 1
Lệnh Clear Display (xóa hiển thị) sẽ ghi một khoảng trống-
blank vào tất cả ô nhớ trong DDRAM, sau đó trả bộ đếm địa
AC=0, trả lại kiểu hiện thị gốc nếu nó bị thay đổi. Nghĩa là: tắt
hiển thị, con trỏ đổi về góc trái (hàng đầu tiên), chế độ tăng
AC.
Return
home
DBx = 0 0 0 0 0 0 1 *
Lệnh Return home trả bộ đếm địa chỉ AC về 0, trả lại kiểu hiển
thị gốc nếu nó bị thay đổi. Nội dung của DDRAM không thay
đổi.
Entry
mode set
DBx = 0 0 0 0 0 1 [I/D] [S]
I/D: Tăng (I/D=1) hoặc giảm (I/D=0) bộ đếm địa chỉ hiển thị
AC 1 đơn vị mỗi khi có hành động ghi hoặc đọc vùng
DDRAM. Vị trí con trỏ cũng di chuyển theo sự tăng giảm này.
S: Khi S=1 toàn bộ nội dung hiển thị bị dịch sang phải (I/D=0)
hoặc
sang trái (I/D=1) mỗi khi có hành động ghi vùng DDRAM. Khi
S=0: không dịch nội dung hiển thị. Nội dung hiển thị không
dịch khi đọc DDRAM hoặc đọc/ghi vùng CGRAM.
Display
on/off
control
DBx = 0 0 0 0 1 [D] [C] [B]
D: Hiển thị màn hinh khi D=1 và ngược lại. Khi tắt hiển thị, nội
dung
DDRAM không thay đổi.
C: Hiển thị con trỏ khi C=1 và ngược lại.
B: Nhấp nháy ký tự tại vị trí con trỏ khi B=1 và ngược lại.

25
Cursor
or
display
shift
DBx = 0 0 0 1 [S/C] [R/L] * *
Lệnh Cursor or display shift dịch chuyển con trỏ hay dữ liệu
hiển thị
sang trái mà không cần hành động ghi/đọc dữ liệu. Chi tiết sử
dụng
xem bảng dưới đây:
S/
C
R
/
L
Hoạt động
0 0 Dịch vị trí con trỏ sang trái
0 1 Dịch vị trí con trỏ sang phải
1 0
Dịch toàn bộ nội dung hiển thị sang trái, con trỏ
cũng dịch theo
1 1
Dịch toàn bộ nội dung hiển thị sang phải, con trỏ
cũng dịch theo
Function
set
Mã lệnh
DB
x
DB
7
DB
6
DB5 DB4
DB
3
DB2 DB1 DB0
DB
x
0 0 0 [DL] [N] [F] * *
DL: Khi DL = 1, LCD giao tiếp với MPU bằng giao thức 8 bit
(từ bit DB7 đến DB0). Ngược lại, giao thức giao tiếp là 4 bit
(từ bit DB7 đến bít DB0). Khi chọn giao thức 4 bít, dữ liệu
được truyền / nhận 2 lần liên tiếp, với 4 bít cao gởi/nhận trước, 4
bít thấp gởi/nhận sau.
N: Thiết lập hàng hiển thị.
F: Thiết lập kiểu ký tự.
Set
CGRA
M
address
DBx = 0 1 [ACG][ACG][ACG][ACG][ACG][ACG]
Lệnh này ghi vào AC địa chỉ của CGRAM. Kí hiệu [AGG] chỉ
1 bit của chuỗi dữ liệu 6 bit. Ngay sau lệnh này là lệnh đọc/ghi
dữ liệu từ CGRAM tại địa chỉ đã được chỉ định.

26
Read BF
and
address
DBx = [BF][AC][AC][AC] [AC][AC][AC][AC]
Khi cờ BF bật, LCD đang làm việc và lệnh tiếp theo (nếu có) sẽ
bị bỏ qua nếu cờ BF chưa về mức thấp. Cho nên, khi lập trình
điều khiển, bạn phải kiểm tra cờ BF trước khi ghi dữ liệu vào
LCD.
Khi đọc cờ BF, giá trị AC cũng được xuất ra các bit [AC]. Nó
là địa chỉ của CGRAM hay DDRAM là tùy thuộc vào lệnh
trước đó
Write
data to
CGRAM
or
DDRAM
DBx = [Write data]
Khi thiết lập RS=1, R/W=0, dữ liệu cần ghi được đưa vào các
chân
DBx từ mạch ngoài sẽ được LCD chuyển vào trong LCD tại
địa chỉ
được xác định từ lệnh ghi địa chỉ trước đó.
Sau khi ghi, bộ đếm địa chỉ AC tự động tăng/giảm 1 tùy theo
thiết lập entry mode.
Write
data to
CGRAM
or
DDRAM
DBx = [Write data]
Khi thiết lập RS=1, R/W=0, dữ liệu cần ghi được đưa vào các
chân
DBx từ mạch ngoài sẽ được LCD chuyển vào trong LCD tại
địa chỉ
được xác định từ lệnh ghi địa chỉ trước đó.
Sau khi ghi, bộ đếm địa chỉ AC tự động tăng/giảm 1 tùy theo
thiết lập entry mode.
Read
data
from
CGRAM
or
DDRAM
DBx = [Read data]
Khi thiết lập RS=1, R/W=1, dữ liệu từ CGRAM/DDRAM được
chuyển ra MPU thông qua các chân DBx. Sau khi đọc, AC tự
động tăng/giảm 1 tùy theo thiết lập Entry mode, tuy nhiên nội
dung hiển thị không bị dịch bất chấp chế độ Entry mode.

27
2.4. Giới thiệu về Module thời gian thực DS13307
Hình 2.9:Module thời gian thực DS13307
DS1307 là chip thời gian thực hay RTC (Read time clock). Đây là một IC
tích hợp cho thời gian bởi vì tính chính xác về thời gian: Thứ, ngày,tháng, năm,
giờ, phút, giây. DS1307 được chế tạo bởi Dallas. Chip này có 7 thanh ghi 8 bit
mỗi thanh ghi này chứa : Thứ , ngày, tháng, năm, giờ , phút, giây. Ngoài ra
DS1307 còn chứa 1 thanh ghi điều khiển ngõ ra phụ và 56 thanh ghi trống các
thanh ghi này có thể dùng như là RAM. DS1307 được đọc thông qua chuẩn truyền
thông I2C nên do đó để đọc được và ghi từ DS1307 thông qua chuẩn truyền thông
này. Do nó được giao tiếp chuẩn I2C nên cấu tạo bên ngoài nó rất đơn giản. Ví dụ
1 dạng đóng vỏ của DS1307 như sau :
Trên là hai dạng cấu tạo của DS1307. Chip này có 8 chân và chúng ta hay
dùng là dạng Dip và các chân nó được mô tả như sau :
+ X1 và X2 là đầu vào dao động cho DS1307. Cần dao động thạch anh
32.768Khz.
+ Vbat là nguồn nuôi cho chip. Nguồn này từ ( 2V- 3.5V) ta lấy pin có
nguồn 3V. Đây là nguồn cho chip hoạt động liên tục khi không có nguồn Vcc mà
DS1307 vẫn hoạt động theo thời gian

28
+ Vcc là nguồn cho giao tiếp I2C. Điện áp cung cấp là 5V chuẩn và được
dùng chung với vi xử lý. Nếu mà Vcc không có mà Vbat có thì DS1307 vẫn hoạt
động bình thường nhưng mà không ghi và đọc được dữ liệu.
+ GND là nguồn Mass chung cho cả Vcc và Vbat
+ SCL và SDA là hai bus dữ liệu của DS1307. Thông tin truyền và ghi đều
được truyền qua 2 đường truyền này theo chuẩn I2C
2.4.1. Ghép nối DS1307 với vi điều khiển
Do DS1307 giao tiếp chuẩn I2C nên việc ghép nối nó với vi điều khiển
khá đơn giản và theo datasheet đưa ra sơ đồ sau:
Hình 2.10: Ghép nối DS1307 với Arduino
Ds1307 chỉ giao tiếp với vi điều khiển với 2 đường truyền SCL và SDA
nên do đó trên vi xử lý cần phải xác định chân nào trên vi xử lý có SCL và SDA
để nối với DS1307
2.4.2. Tổ chức thanh ghi trong DS1307.
Cấu tạo bên trong của DS1307 bao gồm mạch nguồn, dao động, logic và
con trỏ ,thanh ghi thực hiện việc ghi đọc. Do trong các bài toán chúng ta thường
sử dụng DS1307 cho đồng hồ thời gian thực nên do đó chúng ta chỉ quan tâm đến
việc ghi đọc các thanh ghi cần thiết (sec, min, hour…)
Trong bộ nhớ của DS1307 có tất cả 64 thanh ghi địa chỉ từ 0 đến 63 và
được bắt đầu từ 0x00 đến 0x3F nhưng trong đó chỉ có 8 thanh ghi đầu là thanh

29
ghi thời gian thực nên sẽ đi sâu vào 8 thanh ghi (chức năng và địa chỉ thanh ghi
thời gian thực này). Nhìn vào bảng thanh ghi trong datasheet ta sẽ thấy như sau :
Mạch ghi đọc thẻ Micro SD card
 Tương thích với cả nguồn 5V và 3.3V.
 Hỗ trợ khe cắm Micro SD.
 Hỗ trợ việc ghi âm và phát lại cho lượng âm thanh lớn.
 Giao tiếp thông qua chuẩn SPI (4 Pin): MOSI, SCK, MISO và SS.
Đây là các thanh ghi giữ thời gian của DS1307, chúng ta sẽ dựa vào bảng
này
để đọc/ghi IC DS1307 qua I2C.
Bảng 2.8:Các thanh ghi trong IC thời gian thực DS1307
Trong luận văn này nói về cấu tạo, tổ chức thanh ghi, mã hóa số liệu của
DS1307.

30
2.5. Module đọc thẻ nhớ SD
Hình 2.11: Module đọc thẻ nhớ SD
Thông số kỹ thuật:
 Tương thích với cả nguồn 5V và 3.3V
 Hỗ trợ khe cắm mở rộng
 SD Card hỗ trợ định dạng FAT16 và FAT32
 Hỗ trợ việc ghi âm và phát lại cho lượng âm thanh lớn.
2.6 Điện trở
Điện trở có đặc trưng chính là cản trở dòng điện trong mạch. Nó làm thay
đổi cường độ dòng điện (I) và kích hoạt các linh kiện điện tử khác. Nó có vai trò
vô cùng quan trọng trong hệ thống mạch điện.
Trên điện trở, nhiệt năng có thể được sinh ra từ điện năng do điện trở biến
đổi thành. Trở kháng trong biến trở sẽ bị thay đổi hoàn toàn khi mà nhiệt độ thay
đổi. Điện trở được dùng nhiều trong các mạch điện tử.
Hiện có hai cách để xác định giá trị điện trở đó là qua bảng mã màu và qua
điện trở dán.
Những bảng mã màu cho biết giá trị điện trở để từ đó người dùng đọc và
ghi chính xác Cách đọc đúng sẽ không tạo ra sự sai sót và ảnh hưởng tới các thông số
cơ bản

31
Hinh 2.12: Sơ đồ mã điện trở
2.7. Tụ điện.
Tụ điện là linh kiện thụ động, nó không có khả năng tạo ra năng lượng điện.
Nhưng nó có thể lưu trữ năng lượng từ một nguồn năng lượng như pin hoặc một
tụ điện tích điện khác.
Hình 2.13: Một loại tụ điện

32
Hình 2.14: Sơ đồ làm việc của tụ điện
Hầu hết các tụ điện đều được nối với ít nhất hai dây dẫn điện thường ở dạng
tấm kim loại hoặc các bề mặt được cách nhau bằng một môi trường điện môi. Một
dây dẫn có thể là một lá mỏng, màng mỏng, hạt nung kết kim loại, hoặc chất điện
phân. Chất điện môi không dẫn điện làm tăng khả năng tích điện của tụ điện.
Khi một tụ điện được gắn trên pin, một điện trường được phát triển nhờ
điện môi, sinh ra điện tích dương và điện tích âm âm tích tụ trên mặt, một mặt âm
và một mặt dương.
Điện dung được định nghĩa là tỷ số của điện tích trên mỗi dây, dẫn đến sự
khác biệt giữa chúng. Đơn vị của điện dung trong si (SI) là farad (F), được xác
định là một trong culông mỗi volt (1 C / V). Giá trị điện dung của tụ điển hình để
sử dụng trong thiết bị điện tử nói chung dao động từ khoảng 1 picofarad (pF) (10
-12 F) xuống còn khoảng 1 millifarad (MF) (10 -3 F).
Điện dung của tụ điện tỷ lệ với diện tích bề mặt của các tấm (dây dẫn) và
tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa chúng. Trong thực tế, chất điện môi giữa hai bề
mặt dẫn điện sẽ làm rò rỉ một lượng nhỏ dòng điện nhưng rò rỉ rất ít, không đáng
kể..
Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử để ngăn chặn dòng
điện trực tiếp khi dòng điện xoay chiều đi qua.

33
Hình 2.15: Sơ đồ cầu tạo tụ điện.
2.8 Đèn LED
LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là
các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống
như điốt, LED được cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn
loại n.
Hình 2.16: Hình ảnh và cấu tạo của đèn LED

34
2.8.1 Về mặt điện tử
Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn.
Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép
với khối bán dẫn n (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng
chuyển động khuếch tán sang khối n. Cùng lúc khối p lại nhận thêm các điện tử
(điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ
trống và dư thừa điện tử) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư
thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi
chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên
tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay
các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Hầu hết các vật liệu làm LED có chiết suất rất cao, tức là hầu hết ánh sáng
phát ra sẽ quay ngược vào bên trong thay vì phát ra ngoài không khí. Do đó công
nghệ trích xuất ánh sáng từ LED cũng rất quan trọng, cần rất nhiều sự nghiên cứu
và phát triển.
2.8.2 Chiết suất
Các chất bán dẫn như SiO2 có chiết suất rất cao khi chưa có lớp tráng phủ.
Điều này sẽ ngăn cản phô ton đi ra khỏi chất bán dẫn. Đặc điểm này ảnh hưởng
đến hiệu suất LED và tế bào quang điện. Chiết suất của SiO2 là 3.96(590 nm), còn
không khí là 1.0002926.
Nói chung, chỉ có những phô ton vuông góc với mặt bán dẫn hoặc góc tới
cỡ vài độ thì mới có thể thoát ra ngoài. Những phô ton này sẽ tạo thành 1 chùm
sáng dưới dạng hình nón. Những phô ton không thể thoát ra ngoài sẽ chui ngược
vào bên trong chất bán dẫn.
Những phô ton phản xạ toàn phần có thể thoát ra ngoài qua các mặt khác
của chất bán dẫn nếu góc tới đủ nhỏ và chất bán dẫn đủ trong suốt để không hấp

35
thụ hoàn toàn các phô ton. Tuy nhiên, với LED đều vuông góc ở tất cả các mặt thì
ánh sáng hoàn toàn không thể thoát ra và sẽ biến thành nhiệt làm nóng chất bán
dẫn.
Hình dáng lý tưởng cho phép tối đa phát sáng là dạng vi cầu, là các hình
cầu có kích thước siêu nhỏ từ 1 μm đến 1000 μm. Ánh sáng sẽ phát ra từ điểm
trung tâm và điện cực cũng phải chạm điểm trung tâm. Tất cả ánh sáng phát ra sẽ
vuông góc toàn bộ bề mặt quả cầu, do đó sẽ không có phản xạ. Bán cầu cũng có
thể cho kết quả tương tự nếu mặt lưng hoàn toàn phẳng để phản xạ hoàn toàn các
tia phát về phía mặt lưng.
2.8.3 Lớp tráng phủ
Rất nhiều LED được bọc bằng 1 vỏ nhựa màu hoặc trong suốt vì 3 mục đích:
1. Hàn LED vào bảng mạch sẽ dễ hơn.
2. Dây dẫn bên trong LED rất mỏng sẽ được bảo vệ tốt hơn.
3. Lớp nhựa sẽ đóng vai trò như là môi trường trung gian. Chiết suất của vỏ
nhựa sẽ thấp hơn chiết suất bán dẫn nhưng cao hơn không khí.
Lý do thứ ba sẽ gia tăng khả năng phát sáng của LED vì nó sẽ như 1 thấu kính
phân kỳ, cho phép ánh sáng có góc tới cao hơn góc tới hạn có thể lọt ra ngoài
không khí.
2.8.4 Hiệu suất và các thông số hoạt động
LED dùng làm chỉ thị có công suất chỉ cỡ 30-60 mW. Năm 1999, Philips
Lumileds giới thiệu LED có thể hoạt động liên tục với công suất 1W. Nó dùng 1
đế bán dẫn lớn hơn rất nhiều so với LED chỉ thị. Thêm nữa là có bộ phận tản nhiệt
bằng kim loại.
Một trong những ưu điểm của LED là có hiệu suất chiếu sáng cao. LED
trắng nhanh chóng bắt kịp và vượt qua hiệu suất của đèn dây tóc.

36
Năm 2002, Lumileds chế tạo thành công LED 5W với hiệu suất chiếu sáng
từ 18-22 lumen/oát. Để so sánh, đèn dây tóc 60-100W có hiệu suất cỡ 15lm/W,
còn đèn huỳnh quang tốt thì 100lm/W. Một vấn đề khá cũ là hiệu suất giảm nhanh
khi tăng dòng qua LED
Tháng 9 năm 2003, một loại LED xanh da trời được công ty Cree giới thiệu
phát ra 24 mW với dòng điện là 20mA. Điều này có nghĩa là 1 bóng LED trắng
sẽ có 65lm/W với dòng 20mA. Đây chính là LED trắng có hiệu suất cao nhất thời
đó, hơn 4 lần so với đèn dây tóc.
Năm 2006, họ giới thiệu sản phẩm mẫu đạt kỷ lục mới cho hiệu suất của
LED trắng là 131lm/W với dòng điện 20mA. Năm này, công ty Nichia
Corporation giới thiệu LED trắng với hiệu suất 150lm/W cũng với dòng điện
20mA.
Năm 2011, Xlamp XM-L, 1 dòng sản phẩm của hãng Cree phát ra 100lm/W
với công suất 10W, hiệu suất là 160lm/W nếu công suất là 2W.
Năm 2012, Cree giới thiệu LED trắng hiệu suất 254lm/W. Trong thực tế,
LED chiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.
Chú ý là hiệu suất nói trên chỉ tính riêng cho LED và dưới môi trường nhiệt
độ thấp trong phòng thí nghiệm. Trên thực tế, nhiệt độ cao và mạch nguồn cho
LED cũng có thất thoát năng lượng nên hiệu suất thấp hơn nhiều.
Tháng 3 năm 2012, cree tuyên bố LED mẫu đã đạt được 208lm/W với nhiệt
độ phòng, nhiệt độ màu là 4579K.
2.8.5 Tuổi thọ
Bán dẫn nói chung và LED nói riêng rất bền khi dòng tiêu thụ nhỏ và ở
nhiệt độ thấp. Nhiều LED sản xuất năm 1970-1980 vẫn còn cho tới ngày nay.
Tuổi thọ thường là 25.000 cho đến 100.000 giờ nhưng nhiệt độ cao và dòng tiêu
thụ cao thì tuổi thọ sẽ giảm nhanh chóng.

37
Dạng hư hỏng chung của LED(và điốt la-de) là sẽ dần giảm độ sáng, hiệu
suất. Hư hỏng đột ngột dù hiếm nhưng cũng xảy ra. Các LED đỏ thời kì đầu tuổi
thọ khá ngắn. Với sự phát triển LED công suất cao, LED hiện đại phải chịu nhiệt
độ cao hơn, dòng tải cao hơn ngày xưa. Điều này có thể làm giảm tuổi thọ nhanh
chóng. Để phân loại LED theo tuổi thọ, người đưa ra khái niệm L70 và L50, nghĩa
là thời gian để hiệu suất chiếu sáng còn 70% và 50%.
Như các loại đèn khác, LED cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Hầu hết các nhà
sản xuất đều công bố thông số cho nhiệt độ phòng 25 °C. LED ngoài trời như đèn
giao thông hoặc chiếu sáng công cộng nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có
thể giảm độ sáng hoặc có thể làm hư hỏng LED.
LED tăng độ sáng ở nhiệt độ thấp tùy loại cụ thể, thường là -30 °C. Do đó
LED có thể là sự lựa chọn tốt để chiếu sáng ở kho lạnh của siêu thị và tuổi thọ sẽ
cao hơn các loại đèn khác. Vì LED ít phát nhiệt hơn đèn dây tóc nên sẽ có hiệu
suất cao hơn ở những nơi dùng máy lạnh. Tuy nhiên cũng vì ít phát ra hơi nóng
nên LED có thể không dùng được ở những nơi có tuyết rơi dày. Để giải quyết vấn
đề này, người ta có thể thêm một mạch điện tạo sức nóng. Thêm nữa, một nghiên
cứu vừa thành công tạo ra một loại tản nhiệt truyền nhiệt vào khu vực thích hợp
bên trong đèn LED.
2.8.6 Tính chất
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng
phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu
sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử
chất bán dẫn.

38
Bảng 2.9: Bảng điện thế phân cực của một số loại LED
Loại LED Điện thế phân cực thuận
Đỏ 1,4 - 1,8V
Vàng 2 - 2,5V
Xanh lá cây 2 - 2,8V
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong
khoảng 1,5 đến 3 V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do
đó, LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra.
Ngoài định hướng chính xác, lựa chọn các giải pháp hợp lí, nền tảng cơ sở
lí thuyết cũng như điện tử cũng vô cùng quan trọng để luận văn có thể đạt được
kết quả tốt nhất.
Để giải quyết bài toán đo và cảnh báo nồng độ cồn, lí thuyết đo và tiêu
chuẩn đo, tham chiếu kết quả đo với mẫu cần nghiên cứu và phân tích chi tiết một
cách kĩ lưỡng. Trong luận văn, thành phần tối quan trọng của thiết bị chúng ta cần
tìm hiểu thật kĩ đó là cảm biến đo nồng độ cồn MQ3 và làm việc sát sao chương
trình điều khiển trên module vi điều khiển Arduino Nano. Hai thành phần cấu
thành độ chính xác sơ cấp cũng như tính ổn định và tin cậy thứ cấp. Trong chương
2 của luận văn cũng đề cập đến cơ sở lí thuyết của nhiều linh kiện điện tử khác
cấu thành nên thiết bị như: màn hình LCD 16x04, module thẻ nhớ SD… để thiết
bị có thể đo và cảnh báo nồng độ cồn trong khí thở chính xác, hoạt động ổn định
thì mọi thành phần thiết bị đầu vô cùng quan trọng. Luận văn đã đi sâu, phân tích
kĩ lưỡng từng thiết bị linh kiện, xây dựng nền tảng lí thuyết chắc chắn cho quá
trình hình thành thiết bị thực tế.

39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN
3.1. Sơ đồ khối.
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống.
Sơ đồ bao gồm các khối thành phần chính như sau:
- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống.
- Khối xử lý trung tâm: có chức năng thu thập và xử lý tín hiệu chung cho
toàn hệ thống.
- Khối cảm biến đầu vào: có chức năng cảm biến qua hơi thở để xác định
có nồng độ cồn hay không, sau đó nó sẽ gửi tín hiệu tới khối xử lý trung tâm.
- Khối thời gian thực: cung cấp thời gian thực cho mạch.
- Khối nút nhấn: được mắc nối tiếp với một điện trở treo lên nguồn. Khi
được nhấn sẽ đưa một tín hiệu 0V tới khối điều khiển để xử lý. Các tín hiểu được
sử dụng để bật tắt cảm biến MQ-3.
- Khối hiển thị: sẽ hiển thị nồng độ cồn đo được lên màn hình LCD và cảnh
báo mức đo nồng độ cồn phụ thuộc vào mức độ cồn đo được.
- Khối cảnh báo: gồm đèn và còi nhằm cảnh báo khi kết quả đo vượt quá
nồng độ cho phép.
Khối cảm biến Khối xử lý
trung tâm
Arduino Nano
Khối hiển thị
Khối nguồn
Thời gian thực
Thẻ nhớ
Cảnh báo
Khối nút nhấn

40
- Khối thẻ nhớ: Dùng lưu kết quả phép đo.
Giải thích sơ đồ khối của hệ thống:
Khi hệ thống hoạt động, toàn bộ hệ thống được cung cấp năng lượng để làm
việc từ khối nguồn. Các khối cảm biến, khối nút bấm, khối thời gian thực đo các
giá trị môi trường, đọc lệnh thao tác và duy trì thời gian thực cho hệ thống. Khối
xử lý trung tâm Arduino Nano nhận giá trị, tín hiệu và dữ liệu từ các khối trên,
giải mã, xứ lý từ đó đưa ra các lệnh điều khiển tới các khối hiển thị và cảnh báo.
Các khổi hiển thị và cảnh báo nhận lệnh từ khối xử lý trung tâm từ đó cho hiển
thị thông tin thời gian, giá trị kết quả đo cũng như cảnh báo nồng độ cồn đo được.
Sau mỗi lần đo, khối xử lý trung tâm đóng gói lại dữ liệu và kết quả đo, truyền tới
khối thẻ nhớ để lưu trữ tại đó.
Bảng 3.1: Cảm biến sử dụng trong hệ thống
STT Tên linh kiện Số lượng Mô tả
1 Arduino 1 Arduino Nano
2 ModuleMQ-3 1 Module cảm biến khí
gas
3 Module DS1307 1 Module thời gian thực
4 Module SD CARD 1 Module thẻ nhớ
5 Module LCD 1 16x04
6 Led đơn 2 Màu đỏ, màu xanh
7 Nút nhấn 1 4 chân 5x5x6mm
8 Điện trở 3 10k Ohm, 1/4 W
9 Tụ điện 1 100uf, 25V
3.2. Nguyên lý hoạt động.
Hệ thống, thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở gồm các thiết
bị chính: cảm biến MQ3, module RTC DS1307, module thẻ nhớ, vi điều khiển
Arduino
Khi hệ thống bắt đầu làm việc, arduino gửi địa chỉ I2C tới module RTC
DS1307, module nhận đúng địa chỉ của mình thì cho phép arduino giao tiếp đọc

41
ghi dữ liệu. Arduino đọc các giá trị thời gian: ngày tháng năm, giờ phút giây từ
module RTC sau đó xử lý và hiển thị lên màn hình LCD.
Đầu tiên khối nguồn cấp nguồn cho hệ thống gồm khối điều khiển, khối
cảm biến và khối hiển thị. Khối cảm biến thu tín hiệu từ môi trường truyền về
khối điều khiển dạng tín hiểu tương tự, sau khi đi qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương
tự sang số, ở đầu ra tín hiệu ở dạng tín hiệu số, sau đó tín hiệu này được vi điều
khiển tiếp nhận và xử lý tính toán rồi đưa ra kết quả là nồng độ cồn có trong 1 lít
khí thở căn cứ vào đó đưa ra cảnh báo cho người sử dụng, tín hiệu cảnh báo và
kết quả này được đưa đến.
Trên mạch có tích hợp một nút bấm, khi ta bấm nút, arduino đọc giá trị
ADC từ cảm biến MQ3, nếu giá trị đo được trước khi người thổi hơi vào cảm biến
lớn hơn 40mg/L khí thở thì arduino nhận diện cảm biến chưa đủ độ ổn định, tự
dừng quá trình đo và cho tiếp tục sấy khô cảm biến MQ3 đế quá trình đo đưa ra
được một kết quả chính xác. Khi cảm biến MQ3 đã ổn định, sẵn sàng đo, chúng
ta bấm nút, thổi hơi vào cảm biến, arduino đọc giá trị đo được trong 3 giây, tính
ra giá trị trung bình, hiển thị lên LCD và tiếp tục xử lý. Nếu kết quả đo được nhỏ
hơn 80mg/L khí thở thì arduino cho đèn xanh sáng, hiển thị lên LCD kết quả:
“Bạn không say!” rồi lưu kết quả và thời gian tại thời điểm đo vào trong thẻ nhớ
SD. Ngược lại, nếu kết quả đo lớn hơn 80mg/L thì arduino cho đèn đỏ sáng, hiển
thị lên LCD thông báo: “Bạn đang say!” và lưu giá trị đo được cùng thời gian tại
thời điểm đo vào thẻ nhớ.
Thông tin lưu vào thẻ nhớ dưới dạng file văn bản ( file text có phần đuôi
dạng “txt”) Thông tin lưu mỗi lần dưới dạng chuỗi với định dạng như sau:
“xxx,“mg”,hh:mm:ss,dd/mm/yyy” .
Trong đó:
+ xxx là nồng độ cồn đo được, đơn vị là mg/l khí thở.
+ hh:mm:ss là thời gian thực hiện phép đo (giờ, phút, giây)
+ dd/mm/yyy là ngày thực hiện phép đo (ngày, tháng, năm)

42
Ở trong bài này ta tạo một file có tên “NONGDOCON.txt” trong thẻ nhớ
SD để lưu trữ kết quả của những phép đo. Khi muốn kiểm tra lại kết quả đã đo thì
ta có thể tháo thẻ SD này ra và sử dụng máy tính để kiểm tra lại.
3.3. Mạch nguyên lý.
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý vẽ bằng phần mềm
Sau khi thiết kế xong sơ đồ nguyên lý và tiến hành vẽ mạch PCB 1 lớp thu
công. Với kích thước board là 120mmx 70mm dể gắn board Arduino nano và kết
nối cảm biến kiểm tra nồng độ cồn MQ-3, màn hình, nút nhấn, điện trở, tủ điện,
Module Real Time Clock DS1307
3.4. Lưu đồ thuật toán.
Đo nồng độ cồn, cảnh báo nếu vượt mức cho phép: Đọc giá trị từ cảm biến,
tiến hành tính toán, so sánh các giá trị đo được để kết luận về tình hành sức khỏe
của người sử dụng được hiển thị ra màn hình trên thiết bị. Nếu vượt mức cho
phép, thiết bị sẽ báo đèn, đồng thời hiển thị thông tin kết quả đo lên màn hình
LCD và lưu trữ thông tin đo vào thẻ nhớ.

43
Khi thiết bị bắt đầu hoạt động, vi điển Arduino Nano giao tiếp, khởi tạo các
giá trị hoạt động cho module RTC để lưu và đọc giá trị thời gian thực. Sau đó
Arduino Nano tiếp tục khởi tạo cho LCD16x04 để phục vụ hiển thị các thông số,
giá trị cũng như cảnh báo. Sau khi khởi tạo toàn bộ hệ thống Arduino Nano đọc
giá trị của nút bấm điều khiển. Nếu nút bấm chưa được bấm, Arduino Nano tiếp
tục đọc giá trị của nút bấm, cho đến khi nút bấm được bấm. Khi nút bấm được
bấm Arduino Nano đọc giá trị đo nồng độ cồn từ cảm biến MQ3 trong vòng 2
giây và lấy giá trị trung bình của kết quả. Sau đó đọc và lấy giá trị thời gian thực
từ module RTC tại thời điểm đo. Hai giá trị này được đóng gói cùng nhau và lưu
lại vào thẻ nhớ, phục vụ lưu trữ. Arduino Nano tiếp tục sử dụng kết quả đo được
từ cảm biến MQ3 so sánh với giá trị 80mg/L. Giá trị cảnh báo và không an toàn
để điều khiển phương tiện giao thông theo luật đường bộ Việt Nam. Nếu giá trị
đo được thấp hơn 80mg/L thì Arduino Nano báo đèn xanh, cho hiển thị lên LCD
giá trị kế quả đo và thông báo “ban khong say” sau đó kết thúc quá trình đo. Nếu
giá trị đo được cao hơn 80mg/L thì Arduino Nano báo đèn đỏ và hiển thị lên LCD
giá trị kế quả đo và thông báo “ban dang say” sau đó kết thúc quá trình đo.

44
Hình 3.3: Lưu đồ chương trình đo nồng độ cồn
Bắt đầu
Khởi tạo RTC
Khởi tạo LCD
Bấm nút
Đo nồng độ cồn từ cảm biến MQ3
Đọc thời gian từ RTC
Lưu nồng độ cồn và thời gian vào thẻ nhớ
Nồng độ cồn
cao hơn
80mg/l
Đèn xanh báo
Hiển thị LCD
“Bạn không say”
Đèn đỏ báo
Hiển thị LCD
“Bạn say”
Kết thúc
S
Đ
S
Đ

45
Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán khởi tạo và đọc giá trị ngày giờ từ module DS1307
Bắt đầu
Gửi địa chỉ 0x68 đến module DS1307
Chờ phản hồi từ DS1307
DS1307 phản hồi
Đọc dữ liệu được gửi về
Giải mã dữ liệu từ HEXA sang BCD
Hiển thị ngày giờ lên LCD
Kết thúc
S
Đ

46
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán ghi dữ liệu vào thẻ nhớ.
Bắt đầu
Đóng gói dữ liệu thời gian và nồng độ cồn
Gửi lệnh ghi đến thẻ nhớ
Thẻ nhớ phản hồi
cho phép ghi dữ liệu
Ghi dữ liệu vào thẻ nhớ
Gửi lệnh kết thúc ghi
Kết thúc
S
Đ

47
3.5. Kết quả
3.5.1. Kết quả thiết kế trên máy tính.
Hình 3.4: Sơ đồ đi dây khi đã phủ đồng.
Hình 3.5: Thể hiện mạch in dạng đen trắng
Quy trình lắp ráp kiểm tra mạch:
Bước 1: Rửa board đồng sạch sẽ bằng nước rửa mạch sau khi ủi mạch in.
Bước 2: Kiểm tra dây kết nối giữa các linh kiện trong mạch với nhau và với
nguồn. Tiến hành phủ nhựa thông bảo vệ mạch.

48
Bước 3: Tiến hành khoan mạch, gắn hàng rào và hàn mạch.
Bước 4: Sau khi hàn xong mạch, tiến hành gắn linh kiện vào mạch và kiểm
tra lại mạch.
Bước 5: Cấp nguồn 6VDC vào Arduino, cấp nguồn 5V cho các cảm biến,
SD1307, đèn và SD CARD. Dùng đồng hồ đo áp ở ngõ vào và ngõ ra gắn với các
module và các cảm biến.
Bước 6: Cuối cùng nạp chương trình và kiểm tra chương trình có đạt như
yêu cầu ban đầu không.
Sau khi kiểm tra mạch tốt ta hoàn thiện mô hình bằng cách cho mạch vào
hộp nhựa. Hệ thống được thiết kế gọn phù hợp với mục đích sử dụng cá nhân bao
gồm khối xử lý và các cảm biến.
- Kích thước(độ dài, rộng): 120mmx70mm
Hình 3.6: Ảnh thiết bị sau khi hoàn thiện.
Sau khi in mạch ra, ta dùng bàn là để dán mạch vào tấm đồng, ngâm trong
dung dịch bột sắt FeCl3 để tẩy đồng ở những chỗ không có mực in. Sau đó ta chà
hết mực in trên bo đồng, những đường đồng còn lại không bị bột sắt ăn mòn sẽ y

49
như những gì ta vẽ trên máy và dùng dung dịch Axeton bôi lên mạch để bảo vệ
mạch không bị oxi hóa.Việc tiếp theo ta khoan lỗ để lắp linh kiện vào và hàn lại
để có mạch in hoàn chỉnh
3.5.2. Kết quả thực nghiệm.
Sau quá trình chế tạo và thử nghiệm, ta thu được mạch hoàn thiện như sau:
Hình 3.7. Ảnh các chi tiết trên thiết bị.
Để sử dụng thiết bị đơn giản thông qua các bước sau:
- Cấp nguồn: Dùng bằng Máy tính hay Adapter 5V.
- Lắp thẻ nhớ vào khe lắp SD CARD.
- Nhấn nút BẬT để khởi động thiết bị và sử dụng.
Thiết bị đo nồng độ cồn đơn giản với các bước sau:
Bước 1: Nhấn nút nguồn BẬT/TẮT để khở động thiết bị. Sau khi nhấn màn
hình sẽ sáng hiển thị giao diện chính.

50
Hình 3.8: BẬT/TẮT thiết bị.
Bước 2: Cách đo:
- Đo độ cồn: thổi hơi vào bạn thổi(như hình) để đưa hơi thở vào bạn đo
nồng độ cồn, màn hình sẽ kết quả lớn nhất khi đo. Nếu muốn đo lại nhấn nút BẬT
lại.
Hình 3.9: Đo nồng độ cồn.

51
Bước 3: Tắt thiết bị bằng cách nhấn nút như lúc đầu.
Hình 3.10: Sấy cảm biến MQ3
Mục tiêu chính của đề luận văn cũng chính là lên đề tài luận văn: “Thiết kế,
chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở”. Cái đích đến của
luận văn là chế tạo thành công được một thiết bị có đủ khả năng công nghệ và
chính xác để đo và cảnh báo về nồng độ cồn trong hơi thở. Trong chương 3, luận
văn đã trình bày và làm rõ các vấn đề đó.
Chương 3 các vấn đề được đưa ra theo trình tự khoa học, từ cấu trúc tổng
quan đến thiết kế chi tiết. Hệ thống xây dựng trên nền tảng phân tách các khối
chức năng riêng biệt: khối nguồn, khối nút bấm, khối cảm biến MQ3, khối module
thẻ nhớ SD, khối hiển thị, khối cảnh báo và khối xử lý trung tâm. Từ đó thiết kế
từng khối, dựa trên nền tảng lý thuyết và phân tích chức năng của các khối. Chia
nhỏ để xử lý giải quyết vấn đề, sau đó thiết kết chế tạo tập trung.
Nếu phần cứng thiết bị gồm các linh kiện điện tử, đường dẫn mạch in là tai
mắt, bộ não, mạch máu của thiết bị thì chính chương trình điều khiển là linh hồn
của thiết bị. Chương trình điều khiển giúp cho thiết bị tạo nên khác biệt về tính

52
riêng, tính mới, tính ưu việt so với các thiết bị trên thị trường. Chương trình điều
khiển cũng được đề cập một cách trực quan thông qua lưu đồ thuật toán của thiết
bị. Mô phỏng một các hình tượng hoá quá trình hoạt động. Giúp quá trình tư duy
logic, chính xác, làm cho toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định, tin cậy.
Sau khi thiết bị được xây dựng thành sản phẩm thực tế, luôn cần trải qua giai
đoạn thực nghiệm kiểm tra và truy hồi tinh chỉnh là thiết bị. Luận văn đã làm hoàn
thiện các bước để thiết kế chế tạo nên một thiết bị, có thể đo đạc chính xác, hoạt
động ổn định và tin cậy.

53
KẾT LUẬN
Với những mục tiêu đã đưa ra, đề tài giải quyết và đã hoàn thành được
những yêu cầu của bài toán:
- Nhận biết đo được nồng độ cồn.
- Cảnh báo về mức vượt quá nồng độ cồn cho phép, kết quả đo được lưu
vào thẻ nhớ SD dưới dạng file văn bản txt, ta có thể sử dụng máy tính để lưu trữ
và kiểm tra các kết quả đo này.
- Giải quyết được yêu cầu đặt ra của đề tài.
- Phần cứng dược thiết kế đơn giản, dễ sử dụng. - Các thông số đo đạc được
sát với thực tế.
- Chi phí của thiết bị hợp lý và đáp ứng được đầy đủ các tính năng để đưa
ra ban đầu.
Dù đã rất cố gắng hoàn thành đề tài một cách tốt nhất có thể tuy nhiên hệ
thống vẫn còn một vài khuyết điểm sau:
- Vì đây là đề tài nghiên cứu nên các hoạt động của các cảm biến chưa phải
là tốt nhất.
- Thiết bị thực tế chưa thực sự gọn gàng, chưa thuận tiện cho việc mang
theo thường xuyên.
- Vì kiến thức, thời gian cũng như kinh phí hạn chế nên mô hình không
được tối ưu 100%.
Định hướng phát triển.
Do thời gian gấp gáp, kiến thức về điện tử còn hạn chế, thiết bị dù đã đảm
bảo các ưu cầu chính của đề tài luận văn đó là đo và cảnh báo chính xác nồng độ
cồn trong hơi thở. Tuy nhiên thiết bị chưa thực sự ưu việt, chưa tích hợp được các
công nghệ mới của kỉ nguyên công nghệ 4.0. Để xây dựng được một thiết bị hoàn
hảo nhất là một chặng đường rất dài, những thúc đẩy công nghệ giúp cho các ý
tưởng để tài có nền tảng để phát triển hoàn thiệt thêm nữa. Trong luận văn, thiết
bị có thể phát triển thêm các tính năng như: kết nối với smart phone, kết nối đồng

54
bộ dữ liệu trực tiếp lên các server quản lý, giao tiếp với các phương tiện giao
thông thông minh để đảm bảo an toàn…
Như đã đề cập thì đây là một đề tài đang có được sự quan tâm rất lớn từ xã
hội. Có thể phát triển thành thiết bị càm tay nhỏ gọn, đo nồng độ cồn, tích hợp in
phiếu kết quả của phép đo để thuận tiện trong qua trình sử dụng. Rất mong có
được sự tham gia, góp ý của thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện và đi
vào ứng dụng trong thực tế.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, tháng 8 năm 2019
Học viên
SENGCHANTHAVONG Obe

55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phạm Quang Huy - Lê Cảnh Trung, Lập trình điều khiển với Arduino, NXB
khoa học và kỹ Thuật(2016).
[2] PGS.TS Trương Đình Nhơn - KS. Phạm Quang Huy, Vi điều khiển và ứng
dụng hướng dẫn sử dụng Arduino, NXB Thanh Niên(2018).
[3] Phạm Đình Bảo, Điện Tử Căn Bản - Tập 1, NXB Khoa học và Kĩ
thuật(02/2004).
[4] PGS.TS Nguyễn Thương Ngô, Lý Thuyết Điều Khiển Tự Động Thông Thường
Và Hiện Đại, NXB Khoa học và Kĩ thuật(09/2007).
[5] Ngô Diên Tập, Vi Điều Khiển Với Lập Trình C, NXB Khoa học và Kĩ
thuật(04/2006).
[6] Hồ Văn Sung, Mạch Điện Cơ Bản - Tập 1, NXB Khoa học và Kĩ
thuật(04/2006).
[7] Erik Savasgard, Arduino: 101 Beginners Guide: How to get started with Your
Arduino, CreateSpace Independent Publishing Platform (July 29, 2015).
[8] Michael Margolis, Arduino Cookbook - 2nd Edition, Amazon's Michael
Margolis Page(Dec 17, 2019).

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở

Similar to Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở