Thiết kế mạch điều khiển đèn LED bằng nút ấn sử dụng arduino

iết kế mạch điều khiển đèn giao thôngthiết kế mạch điều khiển module led matrix p10thiết kế mạch điều khiển từ xa bằng hồng ngoạithiết kế mạch điều khiển ổn định tốc độ động cơ 1 pha bằng bộ biến áp xoay chiều thành xoay chiềuthiết kế mạch điều khiển ổn định tốc đọ động cơ 1 pha bằng bộ biến áp xoay chiều thành xoay chềuthiet ke mach dieu khien led nhay theo nhacthiết kế mạch điều khiển ledthiết kế mạch điều khiển thiết bị bằng máy tínhthiết kế mạch điều khiển quạt bằng điều khiển từ xathiết kế mạch điều khiển

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

- BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH

Đề Tài: Thiết kế mạch điều khiển đèn LED bằng nút ấn sử dụng Arduino

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Hiền

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Duy Hưng

Lớp : KTĐ-ĐT K14D

Hà Nội, 5 tháng 8 năm 2017

Mục lục

PHẦN 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN 2

1.1 MỤC TIÊU 2

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2

PHẦN 2 TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ -THIẾT KẾ MẠCH 3

2.1 Tìm hiểu tổng quan về arduino 3

2.2 tìm hiểu các thiết bị được sử dụng trong mạch 5

2.3 cấu tạo và nguyên lí hoạt động của mạch 14

PHẦN 3.THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG MẠCH 15

3.1 Thiết kế mach phần cứng 15

3.2 lưu đồ của chương trình 17

3.3 Lập trình phần mềm 17

3.4 mô phỏng trên proteus 23

KẾT LUẬN 26

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

Lời Nói Đầu

Trong thời đại bùng nổthông tin hiện nay khả năng ứng dụng và tiềm lực phát triển của thông tin quảng cáo là rất lớn,việc áp dụng các kỹ thuật mới vào lĩnh vực trên là rất cần thiết Khi đi đến đâu ta cũng dễdàng bắt gặp những panô, áp phích, những bảng quảng các bằng điện tửchạy theo nhiều hướng khác nhau, với những chữ và

hình ảnh cùng nhiều màu sắc thật ấn tượng.kéo theo những sản phẩm điện tử ngày

càng phổ biến Với sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển, chỉ cần một tác động nhẹ

đủ làm cho các thiết bị được điều khiển một cách nhanh chóng

Nhận thức được sự tiện lợi cùng những ưu điểm vượt trội từ việc sử dụng của các vi

điều khiển đem lại mà em đi đến quyết định chọn đề tài “THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN LED BẰNG NÚT ẤN SỬ DỤNG ARDUINO” để thực hiện đồ án cho môn

học này

Trong quá trình thực hiện đồ án, em tuy có nhiều thiếu sót nhưng nhờ được sự hướng

dẫn nhiệt tình cùng những góp ý quý giá mà cô giáo Nguyễn Thị Hiền mang lại,em

mới có thể hoàn thành tốt đồ án cho môn học này Vì đây là lần thực hiện đồ án đầu tiên cho môn chuyên nghành nên mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó em rất mong nhận được nhiều đóng góp ý kiến

từ cô Nguyễn Thị Hiền nói riêng và các thầy cô giáo bộ môn KHOA CÔNG NGHỆ

TỰ ĐỘNG HÓA nói chung để đồ án môn học này ngày càng được hoàn thiện hơn ,

em xin chân thành cảm ơn!

Nhận xét của GVHD :

PHẦN 1: GIỚI THIỆU YÊU CẦU – GIỚI HẠN

1.1 MỤC TIÊU

Sau khi thực hiện xong đề tài này em sẽ hiểu rõ được nguyên lí làm việc của các thiêt

bị mô hình ,cũng như điều khiển mạch đèn led bằng nút ấn sử dụng arduino một cácthành thạo nhất,làm chủ được công nghệ này để có thể tự tay thiết kế sản xuất cho mìnhmột mạch led

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong thời đại bùng nổthông tin hiện nay khảnăng ứng dụng và tiềm lực phát triển của thông tin quảng cáo là rất lớn,việc áp dụng các kỹthuật mới vào lĩnh vực trên là rất cần thiết Khi đi đến đâu ta cũng dễdàng bắt gặp những panô, áp phích, những bảng quảng các bằng điện tửchạy theo nhiều hướng khác nhau, với những chữvà hình ảnh cùng

nhiều màu sắc thật ấn tượng.kéo theo những sản phẩm điện tử ngày càng phổ biến Với

sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển, chỉ cần một tác động nhẹ đủ làm cho các thiết

bị được điều khiển một cách nhanh chóng

Chính vì lí do đó đã thôi thúc tính tò mò và ham học hỏi trong em,phải nắm bắt được nguyên lí hoạt động,quy trình thiết kế lắp đặt, cũng như nắm bắt công nghệ sản suất,

em đã quyết định chọn đề tài này

1.3 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Bằng những kiến thức cơ bản đã được học mà em đã có khả năng thiết kế lắp

Ráp ,mô phỏng được hệ mạch điều khiển đèn led bằng nút ấn sử dụng arduino Mô hìnhhầu hết sử dụng các linh kiện phổ biến trên thị trường và có giá cả phù hợp với điều kiệntài chính của các bạn sinh viên

PHẦN 2 TÌM HIỂU CÁC THIẾT BỊ -THIẾT KẾ MẠCH

2.1 Tìm hiểu tổng quan về arduino

Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vàothế kỷ thứ 9 là King Arduin Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, làmột 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 vớitốc độ chóng mặt nhờ những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên.Hiện nay Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham quan nơi

đã sản sinh ra Arduino

Hình 2.1.1:những thành viên khởi xướng ARDUNO

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau

hoặc với môi trường được thuận lợi hơn 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

Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog,

14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới

chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thíchmới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động

Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++

Giá của các board Arduino dao động xung quanh €20, hoặc $27 hoặc 574 468VNĐ, nếuđược "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9 Các board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy Thông tin thiết kế phầncứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở) Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011

có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm

2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay

người dùng

Hình 2.1.2: hình ảnh arduino

2.2 tìm hiểu các thiết bị được sử dụng trong mạch

 ARDUINO UNO

Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm quen, lập

trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện

dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (Mạch Arduino Uno R3).

Arduino Uno R3 là dòng cơ bản, linh hoạt, thường được sử dụng cho người mới bắt

đầu Bạn có thể sử dụng các dòng Arduino khác như: Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Micro… Nhưng với những ứng dụng cơ bản thì mạch Arduino Uno là lựa chọn phù hợp nhất

Hình 2.2.1:ARDUINO UNO R3

Thông số cơ bản của Mạch Arduino UNO R3

Điện áp đầu vào (khuyên

dùng)

7-12V

Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V

Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)

Chân PWM Digital I/O 6

Chân đầu vào Analog 6

Hình 2.2.2 :Arduino Uno Board sử dụng vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là: ATmega8 (Board

Arduino Uno r2), ATmega168, ATmega328 (Board Arduino Uno r3) Bộ não này có thể

xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điềukhiển từ xa, điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ serve, làm một trạm đo nhiệt độ– độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác

Mạch Arduino UNO R3 với thiết kế tiêu chuẩn sử dụng vi điều khiển

ATmega328 Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền không cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương đương

nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB)

Nguồn sử dụng

Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn 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 UNO, bạn nối cực dương của

nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân

này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn 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 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

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 UNO 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

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

Khi các bạn sử dụng mạch Arduino, đặc biệt một số bạn mới bắt đầu tiếp xúc, làm quen thì việc cấp nguồn nên thận trọng Theo mình thì nên sử dụng nguồn 5V chuẩn qua USB, hoặc sử dụng nguồn 9v cấp cho cổng đầu vào mạch Arduino Trách trường hợp hỏng mạch Arduino

Bộ nhớ sử dụng

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino uno r3 có:

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash

của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khi

lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây

giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây

mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra trên Arduino Board

Hình 2.2.3: Các cổng vào/ra trên Arduino Board

Mạch Arduino UNO 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 Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này.Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải

8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay

vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng

thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset,

bạn 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 UNO Broad có 6 chân analog (A0 → A5) 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, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện

áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp

I2C/TWI với các thiết bị khác

Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay

C/C++ Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triển Arduino

cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất

dễ học, dễ hiểu Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất

dễ thở đối với bạn

Để lập trình cho Mạch Arduino, nhà phát triển cung cấp một môi trường lập

trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như

hình dưới đây

 Button (nuts bấm)

Đây là loại button rất phổ biến, cũng như đèn LED, loại button này cũng có các kínhthước cạnh 6mm hoặc 12m Loại 6mm hay được dùng trong các dự án nhỏ và loạicòn lại dùng cho các dự án bự hơn và cần nút to để ngầu hơn Mình thì cực thích loại12mm vì nó to, dễ hàn và bấm sướng tay, không đau tay như loại 6mm Và giá thànhthì khá rẻ, loại 6mm có giá khoảng 1500 dồng và 2500 đồng cho loại 12mm

Trong thiết bị điện tử điện trở là một linh kiện quan trọng, chúng được làm từ hợp

chất cacbon và kim loại tuỳ theo tỷ lệ pha trộn mà người ta tạo ra được các loại điện trở có trị số khác nhau

Hình dạng của điện trở trong thiết bị điện tử.

Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ nguyên lý.

Mạch được thiết kế trên phần mềm proteus

Gồm các thiết bị :arduno uno,điện trở,nút bấm ,điện trở,led

 Nguyên lí hoạt động

Để thiết kế được mạch này, sau khi thảo luận và tham khảo ý kiến của thầy giáo ,

cô giáo hướng dẫn, em đã thống nhất sử dụng phương pháp điều khiển led dùng nútbấm để điều khiển các chế độ của mach led Ở phương pháp này, tín hiệu được truyền

từ nút bấm vào Arduino và được tính toán ra tín hiệu, rồi tín hiệu này lại được truyền

từ Arduino ra led, tín hiệu truyền ra không liên tục mà theo từng xung nhịp một Mỗixung nhịp sẽ cách nhau 1ms Làm cho mạch led thay đổi các chế độ khi ta xử dụng

và tác động hết 4 nút bấm được mô phỏng trên mạch