TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO MICRO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO THỰC TẬP TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO MICRO NGUYỄN THỊ KHỞI khoi.nt173988@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Hồng Nam Bộ mơn: Kỹ thuật đo tin học công nghiệp Viện: Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 12/2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập – Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ THỰC TẬP KỸ THUẬT Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Khởi Khóa: K62 Viện: Điện Ngành: CN ĐK &TĐH Tên đề tài: TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO MICRO Nội dung đề tài: Tìm hiểu Arduino (nói chung), Arduino Micro ( nói riêng) Mơ Arduino phần mềm Altium Cán hướng dẫn: Nguyễn Hoàng Nam Thời gian giao đề tài: 03/8/2020 Thời gian hoàn thành: 19/8/2020 Ngày tháng … năm 2020 LÃNH ĐẠO BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký ghi rõ họ tên) Lời mở đầu Để hoàn thành báo cáo này, trước hết em xin gửi lời cảm ơn biết ơn sâu sắc tới thầy giáo, cô giáo Viện điện trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, người giảng dậy tạo điều kiện cho em trình học tập nghiên cứu trường Những kiến thức mà em nhận hành trang giúp chúng em vững bước tương lai Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Nguyễn Hoàng Nam, nguời tận tình huớng dẫn, bảo, giúp đỡ em suốt thời gian em nghiên cứu hoàn thành đồ án Em xin cảm ơn gia đình ban bè hết lịng huớng dẫn, bảo tạo điều kiện tốt cho em suốt thời gian vừa qua Mặc dù em cố gắng hoàn thành đồ án phạm vi khả Tuy nhiên khơng tránh khỏi điều thiếu sót Em mong nhận đuợc cảm thơng tận tình bảo q thầy tồn thể bạn MỤC LỤC CHƯƠNG : TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO 1.1 Arduino gì? 1.2 Cấu tạo Arduino 1.1.1 Nguồn (USB / Đầu cắm nguồn cái) 1.1.2 Chân (5V, 3.3V, GND, Analog, Kỹ thuật số, PWM, AREF) 1.1.3 Nút reset 10 1.1.4 Đèn LED báo nguồn 10 1.1.5 Đèn LED RX TX 10 1.1.6 Mạch tích hợp - IC 10 Điều chỉnh điện áp 10 1.1.7 1.3 Một số loại board sử dụng 11 1.4 Ứng dụng Arduino đời sống 12 1.5 Khả kết nối 13 1.6 Tính linh hoạt chi phí 14 CHƯƠNG TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO MICRO 129 15 2.1 15 Giới thiệu vầ Arduino Micro 2.2 Tính Arduino Micro 16 2.3 Sơ đồ chân vi mô Arduino Micro 18 2.4 Mô tả chân micro Arduino 19 2.4.1 Đầu vào analog 20 2.4.2 Giao thức truyền thông 20 2.4.3 Đầu PWM 21 2.4.4 Nguồn lượng 21 2.4.5 Ngắt 22 2.4.6 ICSP Header Pins 22 2.5 Lập trình 23 2.6 Sự khác biệt Arduino ProMini Arduino Micro 23 2.7 Các dự án ứng dụng vi mô Arduino 24 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ARDUINO MICRO TRÊN PHẦN MỀM ALTIUM 25 3.1Mạch nguyên lý mô Altium 25 3.1.1 Thiết kế nguồn 26 3.1.2 Thiết kế mạch dao động 27 3.1.3 Thiết kế mạch reset 27 3.1.4 Thiết kế mạch nạp giao tiếp máy tính 28 3.2 Mô PCB Altium 29 3.3 Các thông số linh kiện mạch 30 3.4 Sơ đồ dây 31 3.5 Hình ảnh 3D Arduino Micro mô Altium 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Arduino Hình 1.2: Các bo mạch thơng dụng 11 Hình 1.3: Các bo mạch thơng dụng 12 Hình 1.4: Các bo mạch thơng dụng 12 Hình 1.5: Các bo mạch thơng dụng 12 Hình 2.1: Arduino Micro 15 Hình 2.2: Bo mạch Arduino micro 16 Hình 2.3: Cấu tạo cách xếp linh kiện Arduino Micro 17 Hình 2.4 Sơ đồ chân vi mơ Arduino Microso 19 Hình 2.5: Đầu vào analog 20 Hình 2.6: Giao thức truyền thơng 20 Hình 2.7: Đầu PWM 21 Hình 2.8 Nguồn lượng 21 Hình 2.9: ICSP Header Pins 22 Hình 3.1 Mạch ngun lý mơ Altium 26 Hình 3.2: Thiết kế nguồn 27 Hình 3.3: Thiết kế mạch dao động 28 Hình 3.4: Thiết kế mạch reset 29 Hình 3.5: Mơ PCB Altium 30 Hình 3.6: Mơ PCB Altium 30 Hình 3.7: Sơ đồ dây 32 Hình 3.8: Hình ảnh 3D Arduino Micro mơ Altium 32 DANH MỤC HÌNH VẼ Bảng 2.1 thành phần Arduino Micro 17 Bảng 3.1 Các thông số linh kiện mạch 30 CHƯƠNG I: TÌM HIỂU CƠ BẢN VỀ ARDUINO 1.1 Arduino ? Arduino tảng mã nguồn mở sử dụng để xây dựng dự án điện tử tương tác với với môi trường thuận lợi Arduino giống máy tính nhỏ để người dùng lập trình thực dự án điện tử mà không cần phải có cơng cụ chun biệt để phục vụ việc nạp code Arduino tương tác với giới thông qua cảm biến điện tử, đèn, động Arduino bao gồm bảng mạch lập trình (thường gọi vi điều khiển) phần mềm IDE (Mơi trường phát triển tích hợp) chạy máy tính, sử dụng để viết tải mã máy tính lên bo mạch Nền tảng Arduino phổ biến với người bắt đầu với thiết bị điện tử Không giống hầu hết bo mạch lập trình trước đây, Arduino khơng cần phần cứng riêng để tải mã lên bo mạch - bạn cần sử dụng cáp USB Ngoài ra, Arduino IDE sử dụng phiên đơn giản C++, giúp việc học lập trình dễ dàng Arduino cung cấp mẫu chuẩn giúp dễ tiếp cận chức vi điều khiển Arduino gồm:  Phần cứng gồm board mạch mã nguồn mở (thường gọi vi điều khiển): lập trình  Các phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) dùng để soạn thảo, biên dịch code nạp chương cho board 1.2 Cấu tạo Hình 1.1: Arduino 1.2.1 Nguồn (USB / Đầu cắm nguồn cái) Mỗi bo mạch Arduino có cách nối nguồn Arduino UNO cấp nguồn từ cáp USB đầu cắm nguồn Trong hình trên, cổng USB đánh số (1) đầu cắm nguồn đánh số (2) Cổng USB hỗ trợ tải mã lên bo mạch Arduino LƯU Ý: KHÔNG sử dụng nguồn điện lớn 20 Vơn làm hư Arduino Điện áp thích hợp cho hầu hết mơ hình Arduino từ đến 12 Vôn 1.2.2 Chân (5V, 3.3V, GND, Analog, Kỹ thuật số, PWM, AREF) Các chân Arduino chỗ nối dây để xây dựng mạch (để liên kết bo mạch với dây thường có đầu cắm nhựa đen để bạn cắm dây vào bo mạch) Arduino có nhiều loại chân khác nhau, loại ghi bo mạch sử dụng cho chức khác  GND (3): Viết tắt ‘Ground’ Có số chân GND Arduino, sử dụng chân để nối đất cho mạch  5V (4) & 3.3V (5): Chân 5V cấp nguồn vôn, chân 3.3V cấp nguồn 3,3 vôn Hầu hết linh kiện đơn giản sử dụng với Arduino chạy ổn định 3,3 vơn  Analog (6): Khu vực chân có ký hiệu 'Analog In' (A0 đến A5 UNO) chân nhận tín hiệu đầu vào Các chân đọc tín hiệu từ cảm biến tương tự (như cảm biến nhiệt độ) chuyển đổi thành giá trị số mà đọc  Digital (7): Qua khu vực chân analog tới chân digital (0 đến 13 UNO) Các chân sử dụng cho đầu vào digital (ví dụ cho biết nút nhấn) đầu digital (như cấp lượng cho đèn LED)  PWM (8): Bạn thấy dấu ngã (~) bên cạnh số chân số (3, 5, 6, 9, 10 11 UNO) Các chân hoạt động chân digital thơng thường, ngồi sử dụng cho điều chế độ rộng xung (PWM)  AREF (9): Là viết tắt tham chiếu analog Chân thường sử dụng Thỉnh thoảng dùng để thiết lập điện áp tham chiếu bên (giữa Vôn) làm giới hạn cho chân analog đầu vào 1.2.3 Nút reset Cũng giống Nintendo gốc, Arduino có nút reset (10) Nếu nhấn nút tạm thời kết nối chân reset với đất khởi động lại mã nạp Arduino Nó hữu dụng mã bạn khơng lặp lại bạn muốn kiểm tra nhiều lần 1.2.4 Đèn LED báo nguồn Ngay bên bên phải từ “UNO” bảng mạch có đèn LED nhỏ bên cạnh chữ ‘ON’ (11) Đèn LED sáng lên cắm Arduino vào nguồn điện 1.2.5 Đèn LED RX TX TX viết tắt truyền, RX viết tắt nhận Những ký hiệu xuất nhiều thiết bị điện tử để chân chịu trách nhiệm giao tiếp nối tiếp Trong trường hợp bo mạch trên, có hai vị trí UNO Arduino nơi TX RX xuất - vị trí thứ chỗ chân số 1, vị trí thứ hai bên cạnh đèn LED báo TX RX (12) Những đèn LED cung cấp dẫn trực quan Arduino nhận truyền liệu 1.2.6 Mạch tích hợp - IC IC hay mạch tích hợp (13) có màu đen với chân kim loại Bạn xem não Arduino IC Arduino bo mạch khác có khác nhau, thường dịng IC ATmega từ cơng ty ATMEL Điều quan trọng, bạn cần phải biết loại IC (cùng với loại bo mạch) trước tải lên chương trình Thơng tin thường viết phía IC Nếu bạn muốn biết thêm khác biệt IC khác đọc datasheet 1.2.7 Điều chỉnh điện áp Bộ điều chỉnh điện áp (14) thứ bạn khơng có tương tác với Arduino Nhưng điều chỉnh lượng điện áp đưa vào bo mạch Arduino Giống người gác cổng, xử lý điện áp phụ gây hại cho mạch Tất nhiên, có giới hạn nó, đó, khơng cấp điện cho Arduino lớn 20 vơn 10 Hình 2.8 Nguồn lượng 2.4.5 Ngắt PCINT ngắt bên tạo chân I / O kỹ thuật số 2.4.6 ICSP Header Pins Đầu ICPS thêm vào bo mạch viết tắt In-Circuit Serial Programming - Một tính sử dụng để lập trình Arduino với Arduino khác Và khơng có cổng USB, tiện để kết nối bo mạch với máy tính để tải lên phác thảo 22 Hình 2.9: ICSP Header Pins 2.5 Lập trình  Phần mềm Arduino, gọi IDE, chủ yếu sử dụng để lập trình mơ-đun Arduino hoạt động hồn hảo với hệ điều hành phổ biến Windows, Linux MAC Có thể tải xuống từ trang Arduino tương thích với tất phiên dòng Arduino  Khi sẵn sàng sử dụng phần mềm cài đặt Một số chương trình LED đơn giản có sẵn phần mềm để dễ dàng bắt đầu làm việc bảng biên dịch chương trình mặc định với ý định nhận kết cách nhanh chóng  Bộ nạp khởi động tích hợp kèm với bảng cho phép khỏi cơng tìm cách biên dịch ghi mã ổ ghi bên  Bo mạch vi mơ có giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) sử dụng chủ yếu giao tiếp vi điều khiển thiết bị ngoại vi khác ghi dịch chuyển cảm biến Hai chân sử dụng cho giao tiếp SPI tức MOSI (Master Output Slave Input) MISO (Master Input Slave Output) chúng sử dụng để gửi nhận liệu vi điều khiển  Serial Monitor thêm vào phần mềm Arduino, đóng vai trò quan trọng việc truyền liệu văn đến từ bảng  Các chân TX RX sử dụng cho giao tiếp nối tiếp chân TX truyền liệu nối tiếp RX nhận liệu nối tiếp  Bo mạch có khả thực giao tiếp I2C cách sử dụng hai chân gọi SDA SCL 2.6 Sự khác biệt Arduino ProMini Arduino Micro 23  Có chút khác biệt Arduino ProMini bo mạch Micro, nhiên, thiết bị ngoại vi bo mạch giống USB tích hợp bo mạch Micro chứng tỏ khác biệt rõ ràng hai mô-đun Promini yêu cầu cáp FTDI để tạo nguồn USB giao tiếp với bo mạch  Bo mạch USB Micro hoạt động theo số cách: Bàn phím chuột, ổ cứng USB, Bộ chuyển đổi USB sang nối tiếp điều khiển MIDI  Các Arduino Pro Mini kết hợp ATmega328 vi điều khiển Arduino Micro kèm với ATmega32U4 Bộ nhớ flash giống hai mô-đun nhiên, SRAM khác với 2KB ProMini 2,5 KB bo mạch Micro  Cuối cùng, Arduino Pro Mini có ngắt phần cứng bo mạch Micro có ngắt phần cứng 2.7 Các dự án ứng dụng vi mô Arduino Arduino vi mô kèm với loạt ứng dụng với khả rãnh nơi khó tiếp cận Nó cung cấp số lượng kết nối cao với giao diện tối thiểu Khả bật bảng ngụy trang bàn phím chuột kết nối với máy tính khiến trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng máy tính.Bạn sử dụng bảng để phát triển dự án sau  Cần điều khiển USB  Xe đạp điện  Ứng dụng khóa / mở khóa PC Windows  Tạo bàn phím khơng dây 24  Máy rút thuốc tự động  Bàn di chuột USB  Đồng hồ đo mực nước  Làm máy in 3D  Làm đàn ánh sáng  Làm lò nướng bánh biết tweet để báo cho bạn bánh chín  Nhận biết xử lý cảnh báo vấn đề nguy hiểm báo cháy, Nồng độ hóa chất, Khí ga độc hại, thơng qua cảm biến  Điều khiển thiết bị tắt bật đơn giản, Cảm biến âm thanh, ánh sáng CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG ARDUINO MICRO TRÊN PHẦN MỀM ALTIUM 3.1 Mạch nguyên lý mô Altium 25 Hình 3.1 Mạch ngun lý mơ Altium 26 3.1.1 Thiết kế nguồn Phần nguồn Board mạch Arduino thiết kế để thực nhiệm vụ sau: Hình 3.2: Thiết kế nguồn  Lựa chọn nguồn cung cấp cho board mạch Board mạch Arduino cung cấp nguồn Adapter thơng qua Jack DC từ cổng USB Trong trường hợp có nguồn cung cấp Board Arduino sử dụng nguồn cung cấp Trong trường hợp có nguồn cung cấp Arduino ưu tiên lựa chọn nguồn cung cấp từ Jack DC thay từ cổng USB Việc ưu tiên thực OpAmp MOSFET PWM48XP Điện áp từ Jack DC gọi điện áp VIN Điện áp VIN qua cầu phân áp để tạo thành VIN/2 để so sánh với điện áp 3.3V Vì VIN/2 >3.3V nên điện áp đầu OpAmp 5V, điều làm cho MOSFET khơng kích, nguồn cung cấp cho Board Arduino  Tạo điện áp 5v 3.3v để cung cấp cho vi điều khiển điểm cấp nguồn cho thiết bị bên sử dụng Mạch Arduino sử dụng IC ổn áp NCP1117-5 để tạo điện áp 5V từ nguồn cung cấp lớn IC ổn áp LM2576 để tạo điện áp 3.3V Đây IC ổn áp tuyến tính, hiệu suất khơng cao gợn nhiễu mạch đơn giản  Báo nguồn Đèn nguồn ON sáng lên báo thiết bị cấp nguồn Nếu bạn cắm nguồn mà đèn nguồn khơng sáng nguồn cung cấp 27 bạn bị hỏng jack kết nối lỏng, mạch Arduino kết nối với linh kiện bên bị ngắn mạch 3.1.2 Thiết kế mạch dao động Mạch giao động tạo xung clock giúp cho vi điều khiển hoạt động, thực thi lệnh… Board mạch Arduino Micro sử dụng thạch anh 16Mhz làm nguồn dao động 28 Hình 3.3: Thiết kế mạch dao động 3.1.3 Thiết kế mạch reset Để vi điều khiển thực khởi động lại chân RESET phải mức logic LOW (~0V) khoản thời gian đủ yêu cầu Mạch reset board Arduino Mrcro phải đảm bảo 02 việc: 29 – Reset tay: Khi nhấn nút, chân RESET nối với GND, làm cho MCU RESET Khi không nhấn nút chân Reset kéo 5V – Reset tự động: Reset tự động thực cấp nguồn cho vi điều khiển nhờ phối hợp điện trở nối lên nguồn tụ điện nối đất Thời gian tụ điện nạp giúp cho chân RESET mức LOW khoản thời gian đủ để vi điều khiển thực reset – Khởi động vi điều khiển trước nạp chương trình Hình 3.4: Thiết kế mạch reset 3.1.4 Thiết kế mạch nạp giao tiếp máy tính - Vi điều khiển Atmega32U4-AU Board Arduino Micro nạp sẵn bootloader, cho phép nhận chương trình thông qua chuẩn giao tiếp UART giây sau vi điều khiển Reset 30 - Máy tính giao tiếp với Board mạch Arduino qua chuẩn giao tiếp USB (D+/D-), thông qua vi điều khiển trung gian ATMEGA32u4 Vi điều khiển có nhiệm vụ chuyển đổi chuẩn giao tiếp USB thành chuẩn giao tiếp UART để nạp chương trình giao tiếp truyền nhận liệu với máy tính (Serial) - Phần thiết kế mạch nạp có tích hợp thêm 02 đèn LED,nên nạp chương trình bạn thấy 2LED nhấp nháy Cịn giao tiếp, có liệu từ máy tính gửi xuống vi điều khiển đèn LED Rx nháy Cịn có liệu từ vi điều khiển gửi lên máy tính đèn Tx nháy 3.2 Mơ PCB Altium Hình 3.5: Mơ PCB Altium 31 Hình 3.6: Mơ PCB Altium 3.3 Các thông số linh kiện mạch Bảng 3.1 Các thông số linh kiện mạch 32 3.4 Sơ đồ dây 33 Hình 3.7: Sơ đồ dây 3.5 Hình ảnh 3D Arduino Micro mơ Altium Hình 3.8: Hình ảnh 3D Arduino Micro mô Altium Kết luận 34 Arduino hoàn chỉnh gồm nguồn 5V, ổ ghi, dao động, vi điều khiển, truyền thông nối tiếp, LED giắc cắm Bạn không cần phải suy nghĩ kết nối lập trình giao diện khác Chỉ cần cắm vào cổng USB máy tính  Arduino hoạt động độc lập  Arduino kết nối với máy tính để truy cập liệu cảm biến bên giới cung cấp thông tin phản hồi cho bạn  Các Arduino tự kết nối với  Arduino kết nối với thiết bị điện tử khác  Arduino kết nối với chip điều khiển Không vậy, Arduino cịn cơng cụ học tập, sáng tạo để bạn thực dự án khoa học dễ dàng Hiện có cơng đồng Arduino lớn nên bạn học hỏi tham khảo ý kiến từ người Arduino mang tới tính linh hoạt chi phí học tập, sử dụng thấp nhiều so với linh kiện khác Đây ngôn ngữ lập trình đơn giản quen thuộc với người có kinh nghiệm Java Vì thế, Arduino cơng cụ tuyệt vời để học tập nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị điện tử Arduino quan tâm phát triển mạnh mẽ Các arduino tăng đột biến, ngày đa dạng ứng dụng vô rộng rãi Ta nên nghiên cứu tìm hiểu học hỏi công nghệ Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Hồng Nam, tận tình hướng dẫn em trình làm báo cáo Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy ! Tài liệu tham khảo 35 1) 2) 3) 4) https://tapit.vn/tim-hieu-phan-cung-board-mach-arduino-uno-r3/ https://dientutuonglai.com/tim-hieu-arduino.html https://techmaster.vn/posts/33768/arduino-la-gi-arduino-de-lam-gi http://forum.cncprovn.com/threads/11318-Arduino-va-cac-ung- dung-cong-nghiep 5) https://bkaii.com.vn/tin-tuc/406-ung-dung-va-mot-so-loai-arduinopho-bien 6) https://www.vietnic.vn/gioi-thieu-ve-arduino-va-ung-dung-arduino 7) https://presmarymethuen.org/vi/dictionary/what-is-the-differencebetween-arduino-uno-and-arduino-micro/ 8) https://www.proe.vn/arduino-micro-chinh-hang 9) https://www.tinhocsoctrang.com/2017/12/tong-quan-vearduino.html#:~:text=Arduino%20l%C3%A0%20m%E1%BB%99t %20n%E1%BB%81n%20t%E1%BA%A3ng,ph%E1%BA%A7n %20c%E1%BB%A9ng%20d%E1%BB%85%20s%E1%BB%AD %20d%E1%BB%A5ng.&text=Th%C3%B4ng%20qua%20ph %E1%BA%A7n%20m%E1%BB%81m%20h%E1%BB%97,m %C3%A3%20v%C3%A0o%20trong%20bo%20m%E1%BA %A1ch 10) https://sites.google.com/site/vinhngohuy/arduino-co-ban/gioi-thieuve-arduino 11) https://www.academia.edu/39366000/%C4%90%E1%BB%92_ %C3%81N_T%E1%BB%90T_NGHI%E1%BB%86P 12) http://arduino.vn/bai-viet/293-meo-nho-khi-lam-viec-voi-arduino 13) https://www.theengineeringprojects.com/2018/09/introduction-to- arduino-micro.html 14) https://coolcomponents.co.uk/products/arduino-micro 15) https://caldroid.blogspot.com/2019/01/arduino-micro.html 16) http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7766- 8-bit-AVR-ATmega16U4-32U4_Summary.pdf 36