TÌM HIỂU BOARD MẠCH ARDUINO UNO r3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 7 DO ANI TIM HIEU BOARD MACH ARDUINO UNO R3 Vũ Đình Long long.vd181632@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Nam Chữ ký GVHD Bộ mơn: Tín hiệu đo tin học công nghiệp Viện: Điện HÀ NỘI, 4/2021 Lời cảm ơn Trên sở kiến thức học môn học : Tin học đại cương , Điện tử tương tự,Điện tử số với hiểu biết thiết bị điện tử, chúng em định thực đề tài : Tìm hiểu board mạch Arduino Uno R3 với mục đích để tìm hiểu thêm vi xử lý, làm quen với thiết bị điện tử nâng cao hiểu biết cho thân Do kiến thức cịn hạn hẹp, thêm vào lần đầu em thực đồ án nên chăn khơng tránh khỏi thiếu sót , hạn chế em rat mong có góp ý nhắc nhờ từ thầy giáo để hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Hoàng Nam giúp đỡ chúng em nhiều trình tìm hiểu thiết kế hồn thành đề tài đồ án Tóm tắt nội dung tìm hiểu đồ án Trong báo cáo ,em xin tìm hiểu tiết board mạch Arduino Uno R3,chi tiét phan cứng,cách câp hoạt động ngn,bộ nạp code,các chân tín hiệu vào Sinh viên thực Ký ,ghi rõ họ tên MỤC LỤC Danh sách hình vẽ Danh mục bảng số liệu CHUONG TONG QUAN 1.1 — Giới thiệu chung 12 nn ®Đ G2 kè Mục lục Tổng quan board mach Arduino Uno R3 CHƯƠNG Phần cứng tiết 2.1 Khối nguồn 2.2 — Vi xử lý Atemega3 28 11 2.3 Khối tạo dao động 12 2.44 Khối reset 13 2.5 _ Mạch nạp giao tiếp máy tính 14 2.6 GPIO 15 CHƯƠNG Lập trình arduino 17 3.1 Arduino IDE 17 3.2 Cau tric chuong trinh 18 3.3 Tập lệnh 18 CHƯƠNG Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 20 ws Hinh 2.1.1:Nguén vao 7-12V Hinh 2.1.4: Opamp LM358 Hinh 2.1.5: P mosfet FDN340P Oo Oo Hinh 2.1.3 So Hinh 2.1.2:Jack USB A Hình 2.0:Arduino Uno R3 Schematic WO Danh sách hình vẽ Hinh 2.1.6:Diéu ap 5V dung IC NCP1117 Hinh 2.1.7 :Diéu 4p 3.3 V 3.3V dung IC LP2985 10 Hinh 2.1.8: Mach bao vé Hình 2.1.9:Đèn báo ngn II II Hình 2.2:Sơ đồ chân ATEMEGA 328 12 Hình 2.3:Mạch dao động 13 Hình 2.4:Mạch reset 14 Hình 2.5.1: Giao tiếp máy tính 15 Hình 3.1:Giao diện IDE 17 Hình 3.2:Ví dụ chương trình Arduino 18 Danh sách bảng số liệu Bang 2.1:So sanh Atemega 328 va CH 340 15 Chương I: Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung Arduino Arduino sử dụng rộng rãi giới, ngày chứng tỏ sức mạnh chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo người dùng cộng đồng nguồn mở (open-source)„được thiết kế tảng vỉ xử lý core AVR Atmel ARM Tuy nhiên Việt Nam Arduino chưa biết đên nhiêu Arduino bo mạch vi xử lý dùng để lập trình tương tác với thiết bị phần cứng cảm biến, động cơ, đèn thiết bị khác Đặc điểm nỗi bật Arduino môi trường phát triển ứng dụng dễ sử dụng, với ngơn ngữ lập trình học cách nhanh chóng với người am hiểu điện tử lập trình Và điều làm nên tượng Arduino mức giá thấp tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với khoảng $30, người dùng có thê sở hữu bo Arduino có 20 ngõ IL/O tương tác điều khiển chừng thiết bị Một số ứng dụng Arduino: lập trình robot,máy bay không người lái,điều khiển thiết bị ánh sáng cảm biến,máy in 3D, 1.2 Tổng quan board mạch Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 hệ thứ dòng Arduino Uno thiết kế với xử lý trung tâm vi điều khiến AVR Atmega328 Cấu tạo Arduino Uno bao gdm phân sau: - Công USB: loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển Đơng thời giao tiếp serial dé truyền liệu vi điều khiển máy tính - Jack ngn: để chạy Arduino thỉ có thê lây nguồn từ công USB trên, lúc cắm với máy tính Lúc ta cần nguồn từ 9V đến 12V - Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ đến 13, ngồi có chân nối đất (GND) va chân điện áp tham chiếu (AREF) - Vị điều khiển AVR: xử lí trung tâm toàn bo mạch Với mẫu Arduino khác chip khác Ở Arduino Uno sử dụng ATMega328 - Thơng số tiết Arduino Uno R3 +VI xử lý Atmega328 +Điện áp hoạt động 5V +Điện áp đầu vào 7-12V +Điện áp đầu vào (Giới hạn) 6-20V +Chan vao/ra (I/O) sé 14 (6 chân cho đâu PWM) +Chan vao tuong tu +Dòng điện mdi chan I/O 40mA +Dong dién chan ngu6én 3.3V 50mA +Bộ nhớ 32 KB (ATmega328) +SRAM KB (ATmega328) +EEPROM KB (ATmega328) +Xung nhip 16MHz Chương II: Phần cứng chi tiét Ta chia board mạch Arduino Uno R3 thành phân sau: > Khối nguôn > Vị xử lý trung tâm atmega 328 > > Khối tạo dao động Khối mạch reset > Khối mạch nạp giao tiếp máy tính > GPIO U1 NCP1117ST58T36 eo LMU3S81D6KQ ea LP2985-330BUR USB-B_TH x2 gL RN3B 22R — RNSE 22R Rx 1K Hinh 2.0: Arduino Uno R3 Schematic 2.1: Khoi nguén > Nguôn vào Sử dụng 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 cực dương ơng bọc bên ngồi nối dat Xi QWERSUPPL Y_0C21MMx N Za _ U4 DLIBIN VIN me ĐH 37 NCP14117ST58T36 el M7 PC1 ¿+ TN GUT | GND GND LL GND = 47u om +5U k +1 5Ụ pc2C2 TT GND GND Hình 2.1.1: Nguồn vào 7-12V 2.Sử dụng cáp USB Nguồn vào sử dụng cơng USB B,dịng điện cung cấp cho board mạch 500mA điện áp 5V kết nối liệt kê 100mA điện áp 5V kết nối không liệt kê USB-B_TH ro JSBUCC MF -MSMF Q50-2 Hinh 2.1.2:Jack USB Trong trường hợp có nguồn cung cap thi Board Arduino sé str dung ngn cung cấp Trong trường hợp có ngn cung cấp Arduino ưu tiên lựa chọn nguồn cung cấp từ Jack DC thay từ cổng USB Việc ưu tiên thực Opamp LMYV358 Mosfet FDN340P © ( { ~— Oe +3U3) Œœ = xi 2|_ | LMU358IDBKR E - g Lil GND H +5Ụ Ậ — MSBUEE ẤT +5U U2 ˆ a IN oS 3} ON/OFF Zz 21 GND ` a tL GND OUT +43 NCFB LP2985-33DBUF a Ee i’ =o GND Hinh 2.1.3: “` % Hinh 2.1.4: Opamp LM358 [=] &_ Hinh 2.1.5: P mosfet FDN340P Điện áp từ Jack DC sau qua Diode bảo vệ DI 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 từ Jack DC sau qua 6n ap > Khối điều áp Tạo điện áp 5v 3.3v để cung cấp cho vi điều khiển điểm nguồn cho thiết bị bên sử dụng Mạch Arduino str dung IC áp NCP1117 để tạo điện áp 5V từ nguồn cung cấp lớn IC ốn áp LP2985 dé điện áp 3.3V Đây IC ổn áp tuyến tính, hiệu suất khơng gợn nhiễu mach đơn giản Ol_4 os] 4u m — a ty PC2 U2 5Ụ —— C2 me 47100 2} —_ GND GND GND / A& a GND our + NcFB lÉ- GND Hinh 2.1.6:Dieu ap 5V | = 1c LP2985~-33D0DBUF @ = oO Pct +9U G) © UIN U1 NCP1117ST58T36 —3Ƒ TN 00T cấp 6n tao cao Hình 2.1.7 :Điều áp 3.3 V dung IC NCP1117 3.3V dung IC LP2985 > Khối bảo vệ Bảo vệ ngược nguôn, tải F1 cầu chì tự phục hồi, trường hợp ban sử dụng day cap USB để cấp ngn tổng dịng tiêu thụ khơng q 500mA Nếu khơng câu chì ngăn khơng cho dịng điện chạy qua D1 Diode, chi cho dong dién chiéu chạy qua (từ Jack DC vào mạch), trường hợp mạch Arduino bạn có mắc với thiết bị khác có nguồn cung cấp lớn nguồn vào Jack DC, có sai sót chập mạch vv khơng có trường hợp ngn thiết bị bên chạy ngược vào Adapter 10 F—M USB-B_TH t859-2 x1 U1 NCP1117ST5( 36 VIN ¿ 3ƒ ØữïT ——— z= E8S/IĐĐI Y.E21'tX i ~ = N +3 mà D1 Vw M7 { PLIRT a | GND GND 47u -1_ GND T + GND GND Hinh 2.1.8: Mach bao vé > Dén bao Bao _nguon Den nguồn ON sáng lên báo thiết bị cấp nguôn Nếu cắm nguồn mả đèn nguôn không sáng nguồn cung cấp bị hỏng Jack kết nỗi lỏng, mach Arduino kết nối với linh kiện bên ngồi bị ngăn mạch +5U Hình 2.1.9:Đèn báo nguôn 2.2: Vixu ly ATMEGA 328 Atmega328 chíp vi điều khiến sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ MegaA VR có sức mạnh han Atmega8 Atmega 328 la mot bo vi dieu khiên § bít dựa kiên trúc RISC nhớ chương trình 32KB ISP flash có II thể ghi xóa hàng nghìn lần, IKB EEPROM nhớ RAM vô lớn thé gidi vi xu ly bit (2KB SRAM Với 23 chân sử dụng cho kết nối vào i/O, 32 ghi, timer/counter lập trình, có gắt nội ngoại (2 lệnh vector ngắt), giao thức truyền thơng nỗi tiếp USART, SPI, I2C Ngồi sử dụng biến đồi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới kênh, khả lập trình watchdog timer, hoạt động với chế độ nguồn, có thé str dụng tới kênh điều chế độ rong xung (PWM), tro bootloader Atemega328 co kha nang hoạt dong mot dai dign ap rong (1.8V — 5.5V), toc dé thuc thi (thong lugng) IMIPS trén IMHz (PCINT17/TXD) PD1 (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 (PCINT23/AIN1) ) PD7 (PCINTO/CLKO/ICP1) ) PBO eee PC5 ADC5/SCL/PCINT13) PC4 ADC4/SDA/PCINT 12) PC3 ADC3/PCINT11) PC2 ADC2/PCINT10) PC1 ADC1/PCINT9) PCO ADC0/PCINT8) GND AREF AVCC PBS (SCK/PCINTS) PB4 (MISO/PCINT4) PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3) PB2 ( (SS/OC1B/PCINT2) PB1 ( (OC1A/PCINT1) eee (PCINT14/RESET) ) PC6 (PCINT16/RXD) ) PDO i Hình 2.2:Sơ đồ chân ATEMEGA 328 2.3: Thiết kế mạch dao động Mach giao động tạo xung clock giúp cho vi điều khiến hoạt động, thực th lệnh Board mạch Arduino Uno R3 sử dụng thạch anh 16Mhz làm nguôn dao động 12 h1 ẽ ẽ-.-.a ,._._ KP: (AIN1)PD7 (AINO)PD6 (T1)PD5 (T0)PD4 (INT1)PD3 (INTO)PD2 (TXD)PD1 (RXD)PDO a 9Ý) GND j -5 ~3 ! ATMEGA328P-PU rH m sĩ ce lời = + Á REF T1V11210 i +5U (SS)PB2 (OC1)PB1 (ICP)PBO | (~NMd) ae a a tx 22 (MOSI)PB3 | XTAL1 CSTCE16M@V53-RB A XTAL2 ee a Š "` TT (SCK)PBS5 bed RESET Hình 2.3:Mạch dao động 2.4: Thiết kế mạch reset Đề vi điều khiển thực khởi động lại chân RESET phai mirc logic LOW (~0V) khoảng thời gian đủ yêu cầu Mạch reset board Arduino UnoR3 phải đảm bảo 02 việc: — Reset tay: Khi nhẫn nút, chân RESET nối với GND, lam cho MCU RESET Khi không nhắn nút chân Reset kéo 5V — Reset tự động: Reset tự động thực cấp nguồn cho vi điều khiển nhờ phối hợp điện trở nỗi lên nguồn tụ điện nối đất Thời gian tụ điện nạp giúp cho chân RESET mức LOW khoản thời gian đủ để vi điều khiến thực reset 13 — Khởi động vi điều khiến trước nạp chương trình oy HH nR : GND Ml LJ om RESET XTAL2 Cc Lil gg XTAL1 a ` O a m œ3 ¬ (SCK)PBS (MISO)PB4 (MOSI)PB3 (SS)PB2 (OC1)PB1 (ICP)PBO 20 œ +5U MD = —_ BN 22 _| = =1 AREF AVCC AGND VCC GND BE) (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 GND 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 bootloader, cho phép nhận chương trình thông qua chuân giao tiêp UART (chân 1) giây đầu sau 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 CH340 (thường thấy mạch sử dụng chip dán) Vi điều khiển IC có nhiệm vụ chuyên đổi chuẩn giao tiếp USB thành chuẩn giao tiếp UART dé nạp chương trình giao tiếp truyền nhận liệu với máy tính (Serial) — Phân thiết kế mạch nạp có tích hợp Hhem 02 đèn LED,nên nạp chương trình sé thay 2LED nhấp nháy Cịn giao tiếp, có liệu từ máy tính gửi xuống vi điều khiến đèn LED Rx nháy Cịn có đữ liệu từ vi điều khiển gửi lên máy tính đèn Tx nháy 14 188n (PCINT7/OCOA/OC1C)PB7 (PCINT6)PB6 RESET(PC1/DW) XTAL2(PC0) XTAL1 q |B "Tế (PCINTS)PB5 (T1/PCINT4)PB4 (PDO/MISO/PCINT3)PB3 (PDIMOSUPCINT2)PB2 (SCLK/PCINT1)PB1 (SS/PCINT0)PB0 (N A RES XTAL2 Cc AVCC VCC GND UCAP UVCC D- D+ UGND PAD (XCK/AIN4/PCINT12)PD5 (NTSAIN3PD4 (TXDWINT3}PD3_ (RXD1/AIN1INT2PD2 (AINO/INT1)PD1 (OC0B/INT0)PDO XTAI la (INT4/ICP1/CLK0)PC7 (OC1A/PCINTB)PC6 (PCINT9/OC1B)PC5 (PCINT10)PC4 (AIN2/PCINT11)PC2 (CTS/HWB/AIN6/TO/INT7)PD7 (RTS/AINWINT6)PD6 RESET as & đà SG Ø BND 13 H11 HH9 AREF AVCC AGND VCC GND —TXLED (SCK)PBS (MISO)PB4 (MOSI)PB3 (SS)PB2 (OC1)PB1 (ICP)PB0 (ADCS5)PCS (ADC4)PC4 (ADC3)PC3 (ADC2)PC2 (ADC1)PC1 (ADCO)PCO) (AIN1)PD7 (AINO)PD6 (T1)PDS (T0)PD4 RXLED 18 MR TXD _ (INT1)PD3 (INT0)PD (TXD) ATMEGAL6U2-MUCR> (RXD)P | H 3_101 LATE GA 328 PP mapxn _7#_ RNAB > | —— ` Harxn — 1É RNAA Hình 2.5.1:Giao tiếp máy tính So sánh Atmegal6U2 CH340 CH340 Atmegal6U2 Loai Chuc nang Lap trinh dugc Drivers Giá thành Vi diéu khién IC Chuyên đối USB -> Serial Có Khơng cân quan tâm Chun đổi USB -> Serial Không Cân quan tâm Đắt Rẻ Bảng 2.1: So sánh Atmegal6U2 CH340 2.6: GPIO Arduino ƯNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở khơng kết nồi) Một sơ chân digital có chức đặc biệt sau: > chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit — TX) va nhận (receive — RX) đữ liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy kết nói Serial khơng dây 15 > Chan PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ — 2”-1 tương ứng với 0V —> 5V) hàm analog Write() > Chan giao tiép SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoai cdc chức thơng thường chân cịn dùng đề truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác > LED 13: trén Arduino UNO cé dén led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bắm nut Reset, sé thay dén nhap nhay để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng > Arduino ƯNO có chân analog (A0 —> A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 — 2'°-1) dé doc gia tri điện áp khoảng 0V — 5V Đặc biệt, Arduino ƯNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 16 Chương III: Lập trình arduino Các thiết bị dựa nên tảng Arduino lập trình băng ngôn riêng Ngôn ngữ dựa ngôn ngữ Wiring việt cho phân cứng nói chung Ngơn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Đề lập trình gửi lệnh nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhém phat trién dự án cấp đến cho người dùng mơi trường lập trình Arduino gol la Arduino IDE (Intergrated Development Environment) 3.1:Giao dién IDE Gồm phân : Vùng lệnh,vùng viết chương trình vùng thông báo Vung lễ£¿ oe *%k(* “*sxs%: teẲ LLL alti x) | Vure wet chương lớn rice tri?) Vung théorg Hinh 3.1:Giao dién IDE 3.2:Cầu trúc chương trình Một chương trình Arduino có phân sau: Phân khai báo: Nơi khai báo biến,định nghĩa chân board.Phần đặt đầu chương trình Phan setup() goi phan “cai dat” ding để chuẩn bị cho chương trình Arduino Các câu lệnh phần đặt cặp dau ngoac nhon sau void setup() Phân loop() nơi chứa mã thực thi Những lệnh phần chạy liên tục Các câu lệnh phần đặt cặp dau ngoac nhon sau void loop() Các chương trình © inTerrupt | Arduino 1.8.13 File Edit Sketch Tools Help inTerrupt§ #define void // Pin 13] setup() put { your setup code pinMode (5, OUTPUT); pinMode (6, OUTPUT); digitalWrite(6, pinMode (2, // loop() put your run once: HIGH); (digitalPinToInterrupt(2), blink, FALLING); { main digitalWrite(5, void to INPUT _PULLUP) ; attachIinterrupt void here, code here, to run repeatedly: LOW); blink(){ if (digitalRead(6) digitalWrite(6, == HIGH){ LOW); } else{ digitalWrite(6, HIGH); } } Hinh 3.2:Vi du chuong trinh Arduino 3.3:Tap lénh Danh sach tap lénh Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/ Chương IV:Kết luận 18 Nên tảng Arduino thật rât hữu ích cho mn tìm hiệu điện tử, lập trình, điêu khiên, đặc biệt robot Với nên tảng này, người có thê dê dàng tạo dự án vô thú vị Sau tìm hiểu Arduino.ta có thê thiết kế mạch điện tử từ đơn giản điều khiến led.động DC thiết bị IOT robot,máy bay không người lái,điều khiên thiết bị ánh sáng cảm biến,máy in 3D 19 ... biến,máy in 3D, 1.2 Tổng quan board mạch Arduino Uno R3 Arduino Uno R3 hệ thứ dòng Arduino Uno thiết kế với xử lý trung tâm vi điều khiến AVR Atmega328 Cấu tạo Arduino Uno bao gdm phân sau: - Công... Vị điều khiển AVR: xử lí trung tâm toàn bo mạch Với mẫu Arduino khác chip khác Ở Arduino Uno sử dụng ATMega328 - Thơng số tiết Arduino Uno R3 +VI xử lý Atmega328 +Điện áp hoạt động 5V +Điện áp... trén Board Arduino UnoR3 da duoc nap san bootloader, cho phép nhận chương trình thông qua chuân giao tiêp UART (chân 1) giây đầu sau vi điều khiển Reset — Máy tính giao tiếp với Board mach Arduino