TỔNG QUAN VỀ NỀN TẢNG ARDUINO

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến. Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.Nhứng ứng dụng nổi bật của Arduino là: máy in 3D, robot, thiết bị bay không người lái UAV, game tương tác, điều khiển ánh sáng, kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao. Đó là những hệ thống tương đối phức tạp, nhưng với mức độ tìm hiểu, thì đề tài “Thiết kế hệ thống và điều khiển nhiệt độ sử dụng nền tảng Arduino”, cụ thể là cho một trang trại gà vừa có ý nghĩa thực tiễn vừa, vừaphù hợp với những người mới bắt đầu tìm hiểu về Arduino.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG PHẦN CỨNG ARDUINO Giảng viên hướng dẫn: Hồ Mậu Việt Sinh viên thực hiện:Trần Thanh Luân Hà Nam, tháng 12 năm 2013 MỤC LỤC 1 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN TẢNG ARDUINO 4 1.1.Giới thiệu chung 4 1.2. Cấu trúc phần cứng 7 1.2.1. Cấu trúc chung 7 1.2.2. Khối nguồn 7 1.2.3. Bộ nhớ 8 1.2.4. Chân vào ra 8 1.3. Cấu trúc phần mềm và lập trình 9 1.3.1. Download và cài đặt Arduino IDE 9 1.3.2. Môi trường lập trình Arduino 10 1.3.3.Chương trinh điều khiển LED ở chân 13 11 1.3.4. Cấu trúc một chương trình Arduino 11 1.3.5. Compile và Upload chương trình lên bo 13 1.3.6. Tập lệnh cơ bản của Arduino 13 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 17 2.1. Vai trò của việc đo nhiệt độ môi trường 17 2.2. Thiết kế chi tiết 17 2.2.1. Mô hình hệ thống 17 2.2.2. Thiết kế phần cứng 19 2.2.3. Lưu đồ thuật toán 27 2.2.4. Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống 28 Đặt vấn đề 29 PHỤ LỤC 39 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 44 2 LỜI MỞ ĐẦU Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến. 3 Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị. Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Nhứng ứng dụng nổi bật của Arduino là: máy in 3D, robot, thiết bị bay không người lái UAV, game tương tác, điều khiển ánh sáng, kích hoạt chụp ảnh tốc độ cao. Đó là những hệ thống tương đối phức tạp, nhưng với mức độ tìm hiểu, thì đề tài “Thiết kế hệ thống và điều khiển nhiệt độ sử dụng nền tảng Arduino”, cụ thể là cho một trang trại gà vừa có ý nghĩa thực tiễn vừa, vừaphù hợp với những người mới bắt đầu tìm hiểu về Arduino. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NỀN TẢNG ARDUINO 1.1.Giới thiệu chung Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng đồng nguồn mở (open-source). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều. 4 Hình 1.1. Hình ảnh một Arduino Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn, Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết. Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người ngoại đạo và không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu hơn về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử. Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện tử và lập trình. Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một món đồ mang tính công nghệ. Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian. Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác: - Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên di động. 5 - Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu. - Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau. - Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn. - Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị. - Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng. 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 là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau. Một số bo 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 đến phức tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp. Sau đây là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo âm thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh mì ra lò. 6 1.2. Cấu trúc phần cứng 1.2.1. Cấu trúc chung Hình 1.2. Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328. Nó co 14 chân vào ra bằng tín hiệu số, trong đó có 6 chân có thể sử dụng để điều chế đô rộng xung. Có 6 chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép chúng ta kết nối với các bộ cảm biến bên ngoài để thu thập số liệu, sứ dụng một dao động thạch anh tần số dao động 16MHz, có một cổng kết nối bằng chuẩn USB để chúng ta nạp chương trình vào bo mạch và một chân cấp nguồn cho mạch, một ICSP header, một nút reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino có thể là từ máy tính thông qua cổng USB hoặc là từ bộ nguồn chuyên dụng được biến đổi từ xoay chiều sang một chiều hoặc là nguồn lấy từ pin. 1.2.2. Khối nguồn Arduino có thể được hỗ trợ thông qua kết nối USB hoặc với một nguồn cung cấp điện bên ngoài. Các nguồn năng lượng được lựa chọn tự động. Hệ thống vi điều khiển có thể hoạt động bằng một nguồn cung cấp bên ngoài từ 6V đến 20V. Tuy nhiên, nếu cung cấp với ít hơn 7V, chân 5V có thể cung cấp ít hơn 5V và hệ thống vi điều khiển có thể không ổn định. Nếu cấp nhiều hơn 12V, bộ điều chỉnh điện áp có thể quá nóng và gây nguy hiểm cho bo mạch. Phạm vi khuyến nghị là 7V đến 12V. 7 + Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino khi chúng ta dùng nguồn điện bên ngoài (khác với nguồn 5V lấy từ USB hoặc nguồn thông qua jack cắm nguồn riêng). Chúng ta có thể cung cấp nguồn thông qua chân này. + Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển và các bộ phận khác trên bo mạch và cung cấp nguồn cho các thiết bị ngoại vi khi kết nối tới bo mạch. + Chân 3,3V: Cung cấp nguồn cho các thiết bị cảm biến. + Chân GND: Chân nối đất. + Chân Aref: Tham chiếu điện áp đầu vào analog. + Chân IOREF: Cung cấp điện áp cho các vi điều khiển hoạt động. Một shield được cấu hình đúng có thể đọc điện áp chân IOREF và lựa chọn nguồn thích hợp hoặc kích hoạt bộ chuyển đổi điện áp để là việc ở mức 5V hoặc 3,3V. 1.2.3. Bộ nhớ Chip Atmega328 có 32KB (với 0,5KB sử dụng cho bootloader). Nó còn có 2KB SRAM và 1KB EEPROM. 1.2.4. Chân vào ra Aduino Uno có 14 chân digital (chân 0 – 13) và 6 chân analog (chân A0 – A5). Các chândigital chúng ta có thể cấu hình để làm chân nhần dữ liệu vào từ các thiết bị ngoại vi hoặc làm chân để truyền tín hiêu ra các thiết bị ngoại vi. Bằng cách sử dụng các hàmpinMode(), digitalWrite() và digitalRead(). Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận một dòng điện tối đa 40mA và có một điện trở kéo nội (mặc định không nối) 20-50 kOhms. Ngoài ra có một số chân có chức năng đặc biệt: + Chân 0 (Rx): Chân được dùng để nhận dữ liệu nối tiếp. + Chân 1 (Tx): Chân được dùng để truyền dữ liệu nối tiếp. 8 + Chân 2 và 3: Chân ngắt ngoài. + Chân 3, 5, 6, 9, 10 và 11: Chân vào/ra số hoặc để điều chế độ rộng xung (chân 13 được nối với một LED đơn, sáng tắt tương ứng với mức logic của chân này). + Chân 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Chuẩn giao tiếp SPI. Các chân analog có độ phân giải 10 bit (tương ứng với 1024 mức giá trị khác nhau) ứng với mức từ 0 – 5V. Ngoài ra một số chân có các chức năng đặc biệt: + Chân A4 (SDA) và A5 (SCL): Hỗ trợ truyền thông TWI. 1.3. Cấu trúc phần mềm và lập trình 1.3.1. Download và cài đặt Arduino IDE Để có thể lập trình cho bo Arduino, trước hết ta cần download và cài môi trường viết chương trình cho Arduino. Download tại: http://arduino.cc/en/Main/Software Hướng dẫn cài đặt cho người dùng Windows(người sử dụng hệ điều hành Mac thì không cần phải cài driver). - Kết nối bo Arduino với máy tính, và để máy tính tự động cài đặt driver USB. Tuy nhiên việc tự động cài driver sẽ có thể không thành công. - Nếu không thành công thì: Mở Device Manager của Windows trên Control Panel - Ở mục Ports (COM & LPT) bạn sẽ thấy mục Arduino UNO (COMxx) - Nhấp phải vào mục Arduino UNO (COMxx) và chọn Update Driver Software. - Trên cửa sổ hiện ra, chọn Browse my computer for driver software. 9 1.3.2. Môi trường lập trình Arduino Thiết kế bo mạch nhỏ gọn, trang bị nhiều tính năng thông dụng mang lại nhiều lợi thế cho Arduino, tuy nhiên sức mạnh thực sự của Arduino nằm ở phần mềm. Môi trường lập trình đơn giản dễ sử dụng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dựa trên nền tảng C/C++ rất quen thuộc với người làm kỹ thuật. Và quan trọng là số lượng thư viện code được viết sẵn và Chia sẻ bởi cộng đồng nguồn mở là cực kỳ lớn. Hình 1.3. Môi trường lập trình cho Arduino Giao diện môi trường lập trình Arduino gồm có các menu, thanh toolbar và phần soạn chương trình. Chương trình điều khiển Arduino được gọi là "sketch". Trong menu File\Examples có rất nhiều chương trình ví dụ. Một trong những chương trình đơn giản nhất để thử nghiệm bo Arduino là "Blink" trong File\Examples\01.Basics. Chương trình này chỉ làm nhấp nháy đèn LED trên bo (nối với chân 13). 10 [...]... trình biên dịch cho arduino 3.4.1 Giới thiệu môi trường lập trình Để có môi trường lập trình Arduino thì bước đầu tiên các bạn phải có file.rar do nhà sản xuất Arduino cung cấp được download tại trang chủ theo link sau http:/ /arduino. cc/en/Main/Software Hình 3.12: Linh tải phần mềm lập trình Arduino Sau khi giải nén chạy Arduino. exe như sau: Hình 3.13: Hình ảnh khi bật giao diện arduino 34 Và đây là... các bước mô phỏng hệ thống đo nhiệt độ môi trường dựa trên nền tảng phần cứng Arduino bằng phần mềm mô phỏng proteus 3.2 Yêu câu - Máy tính laptop hoặc máy tính để bàn chạy hệ điều hành window XP, window 7 - Phần mềm mô phỏng Proteus 7.8 hoặc 8.0 - Thư viện linh kiện Arduino Uno được lấy trên trang chủ arduino. com - Phần mềm lập trình cho Arduino 3.3 Hướng dẫn cài phần mềm mô phỏng Proteus 7.8 + Chuẩn... bộ hiển thị sang phải Đưa con trỏ về đầu dòng thứ nhất Đưa con trỏ về đầu dòng thứ 2 Hai dòng và ma trận 5x7 Tuy nhiên, với Arduino ta có thể sử dụng thư viện được chia sẻ rộng rãi trong cộng đồng người sử dụng Arduino (từ giao diện lập trình Arduino, chọn File/Examples/LiquidCrystal để tham khảo các ví dụ) Như vậy việc giao tiếp giữa Arduino với LCD trở lên đơn giản hơn rất nhiều, đặc biệt với những... delay(1000); // chờ một giây } 1.3.4 Cấu trúc một chương trình Arduino Qua ví dụ trên ta có thể thấy cấu trúc của một chương trình Arduino gồm có các phần sau: 11 Hình 1.4 Vòng đời của chương trình Arduino Phần 1: Khai báo biến và các const VD: int led = 13; Phần 2: Setup Phần này chỉ được gọi một lần duy nhất sau khi chạy chương trình trên Arduino Nhiệm vụ của nó là gán các giá trị ban đầu cho các biến,... 2.2.1 Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống gồm một khối xử lý trung tâm là Arduino Uno đóng vai tiếp nhận và xử lý toàn bộ các thông tin mà các thiết bị ngoại vi gửi về, đồng thời gửi các lệnh điều khiển ngược trở lại đến các thiết bị ngoại vi Khôi xử lý trung tâm được kết nối với cảm biến nhiệt độ để thu thập thông nhiệt độ môi trường đưa về khối xử lý trung tâm xử lý và hiện thị giá trị nhiệt độ lên màn... phần này sẽ được lập lại đến khi tắt nguồn của bo Arduino void loop() 12 { digitalWrite(led, HIGH); //led sáng (mức áp cao) delay(1000); // chờ một giây digitalWrite(led, LOW); // tắt led bằng cách hạ mức áp xuống // mức thấp delay(1000); // chờ một giây } 1.3.5 Compile và Upload chương trình lên bo - Chọn loại bo (ví dụ Arduino Uno) ở menu Tools\Boards \Arduino - Chọn cổng COM ở menu Tools\Serial Port... Bước 5: Nạp chương trình vào Board Trong Arduino hỗ trợ các thư viện và ví dụ mở với các chủ đề khác nhau, muốn dùng ví dụ nào có thể thao tác như hình bên dưới: Hình 1.16: Ví dụ có sẵn trong Arduino Cắm cáp nạp USB vào Board và máy tính kiểm tra trạng thái có cổng kết nối chưa tại phần Tools>Serial Port để chọn cổng com kết nối và Tool> Board để chọn board Arduino sử dụng Sau đó nhấn Upload chương... hiện nhiều trên thị trường với nhiều phương pháp đo và điều khiển khác nhau Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng Để giải quyết các vấn đề đó, với những kiến thức đã học về kĩ thuật điện, điện tử cùng sự tìm hiểu thêm về kĩ thuật vi điều khiển, em đã tính toán và đưa ra giải pháp điều khiển nhiệt độ ứng dụng vi xử lý với mạch thiết kế đơn giản dễ dàng thiết kế và nâng cấp Trong thực tế chúng... thời gian     millis() micros() delay() delayMicroseconds() Ngoài những hàm kể trên, Arduino còn một số hàm khác và cách sử dụng từng hàm trong phần Help/Reference.Và để có thể giao tiếp dễ dàng hơn với các thiết bị ngoại vi, ta có thể sử dụng các thư viện bổ trợ được chia sẻ rộng rãi trên trang chủhttp:/ /arduino. cc/ 16 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Vai trò của việc đo nhiệt độ môi trường Ngày... đồ nguyên lý Hệ thống của chúng ta gồm các khối chính sau: - Khối xử lý trung tâm: Arduino Uno - Khối cảm biến: Cảm biến nhiệt độ DS18B20 - Khối hiển thị: LCD 16x2 - Khối quạt mát - Khối đèn sưởi - Khối nguồn: lấy từ USB hoặc nguồn ngoài Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo nhiệt độ của chuồng và gửi về cho khối xử lý trung tâm Khi nhiệt độ vượt quá mức TH hoặc thấp hơn TL được thiết . TRUYỀN THÔNG BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG ĐO NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG DỰA TRÊN NỀN TẢNG PHẦN CỨNG ARDUINO Giảng viên hướng dẫn: Hồ Mậu Việt Sinh viên thực hiện :Trần Thanh Luân Hà Nam, tháng. if if (<điều kiện>) { 13 // Lệnh thực thi nếu điều kiện đúng }  if … else if (<điều kiện>) { // Lệnh thực thi nếu điều kiện đúng } else { // Lệnh thực thi nếu điều kiện sai }  for for. Lệnh thực thi nếu điều kiện đúng }  switch case switch (<biến>) { case <giá trị 1>: // Lệnh thực thi nếu <biến> bằng <giá trị 1> Break; case <giá trị 2>: // Lệnh thực