TÌM HIỂU BOARD MẠCH ARDUINO UNO r3

cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, chúng em đã quyết định thực hiện đề tài : Tìm hiểu board mạch Arduino Uno R3 với mục đích để tìm hiểu thêm về các vi xử lý, làm quen với

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa

Trên cơ sở kiến thức đã học trong môn học : Tin học đại cương , Điện tử

tương tự,Điện tử số cùng với những hiểu biết về các thiết bị điện tử, chúng em

đã quyết định thực hiện đề tài : Tìm hiểu board mạch Arduino Uno R3 với mục

đích để tìm hiểu thêm về các vi xử lý, làm quen với các thiết bị điện tử và nâng cao hiểu biết cho bản thân Do kiến thức còn hạn hẹp, thêm vào đó đây là lần đầu em

thực hiện đồ án nên chắc chăn không tránh khỏi những thiếu sót , hạn chế vì thế

em rat mong có được sự góp ý và nhắc nhờ từ thầy giáo để có thể hoàn thiện đề tài của mình

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Hoàng Nam đã giúp đỡ chúng em rất nhiều trong quá trình tìm hiểu thiết kế và hoàn thành đề tài đồ án 1 này

Tóm tắt nội dung tìm hiểu đồ án Trong báo cáo này ,em xin tìm hiểu chỉ tiết về board mạch Arduino Uno

R3,chi tiét phan cứng,cách câp và hoạt động của bộ nguôn,bộ nạp code,các chân tín hiệu vào ra

Sinh viên thực hiện

Ký ,ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

Mục lục

Danh sách hình vẽ

Danh mục bảng số liệu

CHUONG 1 TONG QUAN

1.1 — Giới thiệu chung

12 Tổng quan về board mach Arduino Uno R3 5

Danh sách hình vẽ

Hình 2.0:Arduino Uno R3 Schematic

Hinh 2.1.1:Nguén vao 7-12V

Hinh 2.1.2:Jack USB

Hinh 2.1.3

Hinh 2.1.4: Opamp LM358

Hinh 2.1.5: P mosfet FDN340P

Hinh 2.1.6:Diéu ap 5V dung IC NCP1117

Hinh 2.1.7 :Diéu 4p 3.3 V 3.3V dung IC LP2985

Hinh 2.1.8: Mach bao vé

Hình 2.1.9:Đèn báo nguôn

Hình 2.2:Sơ đồ chân ATEMEGA 328

Hình 2.3:Mạch dao động

Hình 2.4:Mạch reset

Hình 2.5.1: Giao tiếp máy tính

Hình 3.1:Giao diện IDE

Danh sách bảng số liệu

Chương I: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung về Arduino

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)„được thiết kế trên nền tảng vỉ xử lý core

AVR Atmel hoặc ARM Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết

đên nhiêu

Arduino 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 nỗi 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 thê sở hữu một bo Arduino có 20 ngõ IL/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị

Một số ứng dụng của Arduino: lập trình robot,máy bay không người lái,điều

khiển thiết bị ánh sáng cảm biến,máy in 3D,

1.2 Tổng quan về board mạch Arduino Uno R3

Arduino Uno R3 là thế hệ thứ 3 của dòng Arduino Uno thiết kế với bộ xử lý

trung tâm là vi điều khiến AVR Atmega328 Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gdm các phân sau:

- Công USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đông thời nó cũng là giao tiếp serial dé truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Jack nguôn: để chạy Arduino thỉ có thê lây nguồn từ công USB ở trên, nhưng không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó ta cần một nguồn

từ 9V đến 12V.

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất

(GND) va một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vị điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng

ATMega328

- Thông số chỉ tiết của Arduino Uno R3

+VI xử lý

+Điện áp hoạt động

+Điện áp đầu vào

+Điện áp đầu vào (Giới hạn)

+Chan vao/ra (I/O) sé

+Chan vao tuong tu

+Dòng điện trong mdi chan I/O

+Dong dién chan ngu6én 3.3V

14 (6 chân có thể cho đâu ra PWM)

6 40mA

Chương II: Phần cứng và chi tiét

Ta chia board mạch Arduino Uno R3 thành các phân sau:

> Khối nguôn

> Vị xử lý trung tâm atmega 328

> Khối tạo dao động

eo ea

LMU3S81D6KQ

1 Sử dụng bộ chuyển doi AC sang DC cắm vào đầu nỗi thùng

Nguồn vào sử dụng Jack DC (7-12V),đường kính 2.1mm, Chốt trung tâm là cực

dương và ông bọc bên ngoài được nối dat

Nguồn vào sử dụng công USB B,dòng điện cung cấp cho board mạch là 500mA ở

điện áp 5V nếu kết nối được liệt kê và 100mA ở điện áp 5V nếu kết nối không

được liệt kê

Hinh 2.1.2:Jack USB

Trong trường hợp chỉ có 1 trong 2 nguồn cung cap thi Board Arduino sé str dung nguôn cung cấp đó

Trong trường hợp có cả 2 nguôn cung cấp thì Arduino sẽ ưu tiên lựa chọn nguồn cung cấp từ Jack DC thay vì từ cổng USB

Việc ưu tiên này được thực hiện bởi Opamp LMYV358 và Mosfet FDN340P

Điện áp từ Jack DC sau khi qua Diode bảo vệ DI thì được gọi là 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 ra của OpAmp là 5V, điều này làm cho MOSFET không được kích, nguồn cung cấp cho Board Arduino là từ Jack DC sau khi qua 6n

ap

> Khối điều áp

Tạo ra các điện áp 5v và 3.3v để cung cấp cho vi điều khiển và cũng là điểm cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài sử dụng Mạch Arduino str dung IC 6n

áp NCP1117 để tạo điện áp 5V từ nguồn cung cấp lớn và IC ốn áp LP2985 dé tao điện áp 3.3V Đây đều là những IC ổn áp tuyến tính, tuy hiệu suất không cao nhưng ít gợn nhiễu và mach đơn giản

10

1 F—M

+5U

Hình 2.1.9:Đèn báo nguôn

2.2: Vixu ly ATMEGA 328

Atmega328 là một chíp vi điều khiến được sản xuất bời hãng Atmel thuộc

họ MegaA VR có sức mạnh hơn han Atmega8 Atmega 328 la mot bo vi dieu

khiên § bít dựa trên kiên trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có

II

thể ghi xóa hàng nghìn lần, IKB EEPROM một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thé gidi vi xu ly 8 bit (2KB SRAM

Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra i/O, 32 thanh ghi, 3

bộ timer/counter có thể lập trình, có các gắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nỗi tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đồi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có

thé str dụng tới 6 kênh điều chế độ rong xung (PWM), hé tro bootloader

Atemega328 co kha nang hoạt dong trong mot dai dign ap rong (1.8V — 5.5V), toc dé thuc thi (thong lugng) IMIPS trén IMHz

PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PCO GND AREF AVCC PBS (SCK/PCINTS) PB4 (MISO/PCINT4) PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3)

( (

ADC4/SDA/PCINT 12) ADC3/PCINT11) ADC2/PCINT10) ADC1/PCINT9) ADC0/PCINT8)

(PCINT18/INT0) PD2 (PCINT19/OC2B/INT1) PD3

(PCINT20/XCK/T0) PD4

VCC GND (PCINT6/XTAL1/TOSC1) PB6

(PCINT7/XTAL2/TOSC2) PB7

(PCINT21/OCOB/T1) PDS

(PCINT22/OCOA/AINO) PD6

) )

PB2 (SS/OC1B/PCINT2) PB1 (OC1A/PCINT1)

12

CSTCE16M@V53-RB

REF

Đề vi điều khiển thực hiện khởi động lại thì chân RESET phai 6 mirc logic LOW

(~0V) trong 1 khoảng thời gian đủ yêu cầu Mạch reset của board Arduino UnoR3

phải đảm bảo được 02 việc:

— Reset bằng tay: Khi nhẫn nút, chân RESET nối với GND, lam cho MCU RESET Khi không nhắn nút chân Reset được kéo 5V

— Reset tự động: Reset tự động được thực hiện ngay khi cấp nguồn cho vi điều khiển nhờ sự phối hợp giữa điện trở nỗi lên nguồn và tụ điện nối đất Thời gian tụ điện nạp giúp cho chân RESET ở mức LOW trong 1 khoản thời gian đủ để vi điều

khiến thực hiện reset

13

— Khởi động vi điều khiến trước khi nạp chương trình mới

20

+5U 22

RESET

XTAL2 XTAL1 AREF AVCC AGND VCC GND

(SCK)PBS (MISO)PB4 (MOSI)PB3 (SS)PB2 (OC1)PB1 (ICP)PBO (ADCS)PCS (ADC4)PC4 (ADC3)PC3 (ADC2)PC2 (ADC1)PC1 (ADCO)PCO)

(AIN1)PD7 (AINO)PD6 (T1)PD5 (T0)PD4 (INT1)PD3 (INTO)PD2 (TXD)PD1 (RXD)PDO

ATMEGAS2Z8P-PU

Hinh 2.4:Mach reset

2.5: Thiét ké mach nap va giao tiép may tinh

— Vị điều khién Atmega328P trén Board Arduino UnoR3 da duoc nap san 1

bootloader, cho phép nhận chương trình mới thông qua chuân giao tiêp UART

(chân 0 và 1) ở những giây đầu sau khi vi điều khiển Reset

— Máy tính giao tiếp với Board mach Arduino qua chuan giao tiép USB (D+/D-), thong qua mot vi diéu khién trung gian la ATMEGA 16U2 hoac mot IC trung gian

là CH340 (thường thấy trong các mạch sử dụng chip dán) Vi điều khiển hoặc IC này có nhiệm vụ chuyên đổi chuẩn giao tiếp USB thành chuẩn giao tiếp UART dé nạp chương trình hoặc giao tiếp truyền nhận dữ liệu với máy tính (Serial)

— Phân thiết kế mạch nạp có tích hợp Hhem 02 đèn LED,nên khi nạp chương trình

sé thay 2LED nay nhấp nháy Còn khi giao tiếp, nếu có dữ liệu từ máy tính gửi xuống vi điều khiến thì đèn LED Rx sẽ nháy Còn nếu có đữ liệu từ vi điều khiển gửi lên máy tính thì đèn Tx sẽ nháy

14

(PCINT7/OCOA/OC1C)PB7 (PCINT6)PB6

(CTS/HWB/AIN6/TO/INT7)PD7

RESET(PC1/DW) (PCINTS)PB5

(T1/PCINT4)PB4 (PDO/MISO/PCINT3)PB3 XTAL2(PC0) (PDIMOSUPCINT2)PB2

(SCLK/PCINT1)PB1 XTAL1 (SS/PCINT0)PB0

(AINO/INT1)PD1 PAD (OC0B/INT0)PDO

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 nồi)

Một sô chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

> 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit — TX) va nhận

(receive — RX) đữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị

khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nói Serial không dây

15

> Chan PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 — 2”-1 tương ứng với 0V —> 5V) bằng hàm

analog Write()

> Chan giao tiép SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoai cdc chức năng thông thường 4 chân này còn dùng đề truyền phát dữ liệu bằng

giao thức SPI với các thiết bị khác

> LED 13: trén Arduino UNO cé 1 dén led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bắm

nut Reset, sé thay dén nay nhap nhay để báo hiệu Nó được nối với chân số

13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

> Arduino ƯNO có 6 chân analog (A0 —> A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu

10bit (0 — 2'°-1) dé doc gia tri điện áp trong khoảng 0V — 5V

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

I2C/TWI với các thiết bị khác

16

Chương III: Lập trình trên arduino

Các thiết bị dựa trên nên tảng Arduino được lập trình băng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được việt cho phân cứng nói chung

Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ

hiểu

Đề lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhém phat trién

dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gol la Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

3.1:Giao dién IDE

Gồm 3 phân chính : Vùng lệnh,vùng viết chương trình và vùng thông báo

Một chương trình Arduino cơ bản có các phân sau:

Phân khai báo: Nơi khai báo các biến,định nghĩa các chân trên board.Phần này

được đặt ở đầu chương trình

Phan setup() goi là phan “cai dat” ding để chuẩn bị cho một chương trình Arduino

Các câu lệnh của phần này được đặt trong cặp dau ngoac nhon ngay sau void

setup()

Phân loop() là nơi chứa mã thực thi chính Những lệnh trong phần này sẽ chạy liên

tục Các câu lệnh của phần này được đặt trong cặp dau ngoac nhon ngay sau void loop()

pinMode (2, INPUT _PULLUP) ;

attachIinterrupt (digitalPinToInterrupt(2), blink, FALLING);

Nên tảng Arduino thật sự rât hữu ích cho những ai đang và muôn tìm hiệu về

điện tử, lập trình, điêu khiên, đặc biệt là robot Với nên tảng này, mọi người có thê

dê dàng tạo ra được những dự án vô cùng thú vị

Sau khi tìm hiểu về Arduino.ta có thê thiết kế được các mạch điện tử từ đơn

giản như điều khiến led.động cơ DC cho đến những thiết bị IOT như robot,máy

bay không người lái,điều khiên thiết bị ánh sáng cảm biến,máy in 3D

19

Tài liệu tham khảo

[1] Pham Quang Huy, Nguyễn Trọng Hiếu: ”Vi điều khiển và ứng dụng Arduino

dành cho người tự học” Nhà xuất bản Bách Khoa.2015

20