Cấu trúc phần mềm và lập trình cho Arduino

6. Điểm: (Bằng chữ: )

2.1.4.7. Cấu trúc phần mềm và lập trình cho Arduino

2.1.4.7.1. Download cài cài đặt Arduino IDE

Để có thể lập trình cho board Arduino, trước hết ta cần download và cài đặt 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 dùng hệ điều hành Mac OS thì không cần phải cài driver).

 Kết nối board Arduino với máy tính, và để máy tính tự động cài đặt driver USB. Tuy nhiên việc tự động cài đặt driver sẽ 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 chuột phải vào mục Arduino UNO (COMxx) và chọn Update Driver Software.

2.1.4.7.2. Lập trình cho Arduino

Hình 2. 24 : Phần mềm lập trình cho 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 Wiring 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.

Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Mac OS X và Linux. Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm.

Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++. Và do ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR C vào chương trình nếu muốn.

Một số đặc điểm của Arduino IDE:

 Hỗ trợ Windows, Mac OS X, Linux.

 Giao diện đơn giản dễ sử dụng.

 Có thể chạy ngay không cần cài đặt.

 Mã nguồn mở.

2.2. Module L298N-H-Bridge IC 2.2.1. Giới thiệu 2.2.1. Giới thiệu

2.2.1.1 Mạch cầu H là gì?

Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình chữ H.

Hình 2. 25 : mạch cầu H

Bằng cách điều khiển 4 "công tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiển được dòng điện qua động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự.

Bốn "công tắc" này thường là Transistor BJT, MOSFET hay Relay. Tùy vào yêu cầu điều khiển khác nhau mà người ta lựa chọn các loại "công tắc" khác nhau.

2.2.1.2 Mạch cầu H dùng transitor BJT

Mạch cầu H dùng transistor BJT là loại mạch được sử dụng khá thông dụng cho việc điều khiển các loại động cơ công suất thấp. Lí do đơn giản là vì transistor BJT thường có công suất thấp hơn các loại MOSFET, đồng đời cũng rẻ và dễ tìm mua, sử dụng đơn giản.

Đây là sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT.

Hình 2. 27 : Sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT

Trong sơ đồ này, A và B là 2 cực điều khiển. 4 diode có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện cảm ứng sinh ra trong quá trình động cơ làm việc. Nếu không có diode bảo vệ, dòng điện cảm ứng trong mạch có thể làm hỏng các transistor.

Transistor BJT được sử dụng nên là loại có công suất lớn và hệ số khuếch đại lớn.

2.2.1.3 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu H

Theo như sơ đồ hình 2.27 trên, ta có A và B là 2 cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2 điện trở hạn dòng. Tùy vào loại transistor bạn đang dùng mà trị số điện trở này khác nhau. Phải đảm bảo rằng dòng điện qua cực Base của các transistor không quá lớn để làm hỏng chúng. Trung bình thì dùng điện trở 1k Ohm.

Trong phần này, người thực hiện báo cáo chọn điều khiển 2 cực này bằng các mức tín hiệu HIGH và LOW tương ứng là 12V và 0V.

Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗi cực, có 4 trường hợp xảy ra như sau:

 A mức LOW và B mức HIGH.

Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng. Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q 4 mở. Dó đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND. Lúc này, động cơ quay theo chiều thuận. Chúng ta để ý các cực (+) và (-) của động cơ là sẽ thấy.

Khi đó có thể hình dung dòng điện trong mạch như thế này:

Hình 2. 28 : Sơ đồ dòng điện chạy trong mạch

 A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở. Ở phía B, transistor Q2 mở, Q 4 đóng. Dó đó, dòng điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về GND. Lúc này, động cơ quay theo chiều ngược.

Khi đó có thể hình dung dòng điện trong mạch nó như thế này:

 A và B cùng ở mức LOW

Khi đó, transistor Q1 và Q2 mở nhưng Q3 và Q4 đóng. Dòng điện không có đường về được GND do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.

 A và B cùng ở mức HIGH

Khi đó, transistor Q1 và Q2 đóng nhưng Q3 và Q4 mở. Dòng điện không thể chạy từ nguồn 12V ra do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.

Như vậy để dừng động cơ thì điện áp hai cực điều khiển phải bằng nhau,đây là nguyên lí để tắt động cơ.

2.2.2 L298N-H-Bridge 2.2.2.1 Hình ảnh thực tế 2.2.2.1 Hình ảnh thực tế

Hình 2. 30 : Hình ảnh thực tế L298N 2.2.2.1 Mô tả chức năng

Module sử dụng IC ST L298N tích hợp nguyên khối 15-pin kiểu Multiwatt, điện áp và dòng tải cao, được thiết kế để chấp nhận mức điện áp logic tiêu chuẩn TTL và tải điện cảm như Solenoids, 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước 4 dây. Hai Enable inputs cho phép kích hoạt (enable) hoặc vô hiệu hóa (disable) các thiết bị độc lập của tín hiệu đầu vào. Cực E của các Transistor dưới của mỗi cầu được nối với nhau và đưa ra bên ngoài (chân SENSE A và SENSE B) để có thể nối với một

điện trở để có thể cung cấp một nguồn đầu vào bổ sung để logic làm việc với điện áp thấp hơn

 Trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ 42 x 50 mm.

 Dung lượng tải lớn.

 Tản nhiệt cho tải nặng.

 Hai cổng dò dòng điện.

 Lựa chọn chuyển đổi nguồn.

 2 DC motor, 4 dây 2 pha Step motor.

 1 Led chỉ báo nguồn và 4 Led chỉ báo chiều Motor.

 4 lỗ tiêu chuẩn dễ cố định.

2.2.2.2 Sơ đồ khối L298N

2.2.2.3 Chức năng các chân

Hình 2. 32 : sơ đồ kết nối các chân Bảng 2. 2 : Chức năng các chân L298N

MW.15 PowerSO Tên Chức năng

1;15 2;19 SenseA;SenseB

Nằm giữa Pin và Ground,nối với điện trở để điều khiển dòng của tải.

2;3 4;5 Out1;Out2

Ngõ ra của cầu A,dòng chạy qua tải kết nối giữa 2 chân này được giám sát ở Pin 1

4 6 Vs

Điện áp cung cấp cho nguồn pha ngõ ra,một tụ điện không cảm phải được kết nối giữa

Pin và Ground 5;7 7;9 Input1;Input2 Ngõ vào TTL cảu

mạch cầu A

6;11 8;14 EnableA,EnableB

Để điều khiển mạch cầu trong IC L298,nếu nối với mức logic 1(nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu hoạt động,nếu nối với mức logic 0 (nối GND) thì không cho phép mạch cầu hoạt động. 8 1;10;11;20 GND Nối đất 9 12 Vss Nguồn cung cấp cho khối logic,một tụ điện 100nF phải được kết nối giữa Pin và Ground 10;12 13;15 Input3,Input4 Ngõ vào TTL của

cầu B 13;14

16;17

Out3;Out4 Ngõ ra của cầu B,dòng chạy qua tải kết nối giữa 2 chân này được giám sát ở Pin 15

- 3;18 N.C Không kết nối

2.2.2.4 Các thông số kỹ thuật

 Sử dụng L298N gồm 2 cầu H điều khiển động cơ DC.

 Điện áp cung cấp: +5 V đến +35 V.

 Dòng điện tối đa: 2A.

 Tín hiệu điều khiển điện áp đầu vào khoảng: Mức độ thấp:-0.3V ≤ Vin ≤ 1.5V

Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS.

 Cho phép phạm vi tín hiệu điện áp đầu vào:

Mức độ thấp: - 0,3 ≤ Vin ≤ 1,5 V (tín hiệu điều khiển là không hợp lệ) Cao: 2.3V ≤ Vin ≤ VSS (tín hiệu điều khiển).

 Điện năng tiêu thụ tối đa: 20W (nhiệt độ T = 75 ° C)

 Nhiệt độ hoạt động: -25 ℃ ~ 130 ℃

 Kích thước: 55mm * 49mm * 33mm .

 Trọng lượng: 33g.

2.2.2.5 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lí hoạt động của module L298-H_Bridge được mô tả như sau:

 4 ngõ vào Input: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của IC L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.

 4 ngõ vào Output: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 được nối lần lượt với các chân 2, 3, 13, 14 của IC L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.

 2 ngõ ENA và ENB là 2 chân dùng để điều khiển mạch cầu trong IC L298, nếu nối với mức logic 1 (nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu hoạt động, nếu nối với mức logic 0 (nối GND) thì không cho phép mạch cầu hoạt động.

2.2.2.6 Ứng dụng

 Điều khiển lập trình MCU.

 Ứng dụng trong robot.

2.3 Module Arduino Ethernet Shiel d 2.3.1 Hình ảnh thực tế. 2.3.1 Hình ảnh thực tế.

Hình 2. 33 : Mặt trước Arduino Ethernet Shiel d

Hình 2. 34 : Mặt sau Arduino Ethernet Shiel d 2.3.2 Tổng quan về Arduino Ethernet Shiel d

Arduino Ethernet shield kết nối Arduino với internet chỉ trong vài phút. Chỉ cần cắm module này lên bảng Arduino, kết nối nó với mạng thông qua một dây cáp RJ45 và theo dõi một vài thao tác hướng dẫn đơn giản để có thể bắt đầu kiểm soát thế giới của bạn thông qua mạng internet. Như thường lệ với Arduino, các yếu tố của nền tảng này đó là - phần cứng, phần mềm và tài liệu hướng dẫn – đều được miễn phí có sẵn và nó là một mã nguồn mở. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể biết chính xác thực hiện thực hiện nó như thế nào và sử dụng thiết kế của nó như là một điểm khởi đầu cho mạch của chúng ta. Hiện tại trên thế giới có hàng trăm ngàn bảng Arduino đã thúc đẩy sự sáng tạo của người dân trên toàn thế giới.

Để Arduino Internet Shield hoạt động cần có những yếu tố sau:

 Một Board Arduino (trong đồ án người thực hiện báo cáo sử dụng Board Arduino R3).

 Nguồn cung cấp điện áp 5V(cung cấp từ board Arduino).

 Bộ điều khiển ethernet: W5100 với bộ đệm trong 16K.

 Tốc độ kết nối: 10/100Mb.

 Kết nối với Arduino thông qua cổng SPI.

Hình 2. 35 : Board Arduino và Arduino Ethernet Shield sau khi được ghép nối 2.3.3 Cấu hình phần cứng.

Hình 2. 36 : Cấu hình phần cứng Arduino ethernet shield

 RJ45: Cổng Ethernet.

 IC HX1198: cổng tín hiệu 10 / 100BASE-T;

 IC W5200: IP Ethernet Controller;

 U6: IC 74VHC125PW, đệm quad;

 Đặt lại KEY: Reset Arduino Ethernet và Arduino khi nhấn;

 Thẻ SD: hỗ trợ thẻ nhớ Micro SD 2 định dạng FAT16 hoặc FAT32; lưu trữ tối đa là 2GB.

Pin sử dụng trên Arduino.

 D4: chọn thẻ nhớ SD.  D10: W5200 Chip Select  D11: SPI MOSI  D12: SPI MISO  D13: SPI SCK 2.3.4 Mô tả chức năng.

 Ethernet Shield W5100 thích hợp đối với Arduino 2009, UNO, Mega 1280 2560.

 Nhãn hiệu mới và chất lượng cao.

 Với Ethernet Shield này, board Arduino của bạn có thể được sử dụng để kết nối với internet.

 Có thể được sử dụng như máy chủ hoặc khách.

 Trực tiếp cắm lên board Arduino mà không yêu cầu hàn.

Hình 2. 37 : Kết nối Arduino Uno với Arduino Ethernet Shield

 Bộ điều khiển: W5100.

 Đây là phiên bản mới nhất của Shield Ethernet.

 Đây Arduino Ethernet khiên mà là dựa trên Wiznet W5100 Ethernet Chip cung cấp cho bạn một cách dễ dàng để có thể thiết đặt Arduino của bạn.

 Nó được hỗ trợ trực tiếp bởi Thư viện Arduino Ethernet.

 Nó cho biết thêm một khe cắm thẻ micro-SD, có thể được sử dụng để lưu trữ các tập tin để phục vụ qua mạng.

 Nó tương thích với Arduino Duemilanove (168 hoặc 328), Uno cũng như Mega (1280/2560) và có thể được truy cập bằng cách sử dụng thư viện SD.

 Các Wiznet W5100 cung cấp một địa chỉ mạng (IP) có khả năng giao tiếp cả hai giao thức TCP và UDP.

 Nó có khả năng truyền song song cùng lúc 4 luồng dữ liệu giúp board có khả năng nhận dữ liệu từ internet với tỉ lệ lỗi thấp hơn (nguyên nhân thường là do mất dữ liệu trên đường truyền hoặc do thời gian truyền vượt quá giới hạn - time out..

 Địa chỉ MAC: 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED byte mac [] = {0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED}.

 Kích thước: 73 * 53 * 23mm.

 Trọng lượng tịnh: 31g.

Trên board còn có một số đèn LED chỉ thị:

 PWR: board Arduino và Shiel đã được cấp nguồn.

 LINK: khi xuất hiện liên kết mạng và nhấp nháy khi khiên truyền tải hoặc nhận dữ liệu.

 FULLD: cho biết kết nối mạng là full duplex.

 100M: chỉ ra xuất hiện của một kết nối mạng 100 Mb / s.

 RX: nhấp nháy khi Shiel nhận dữ liệu.

 TX: nhấp nháy khi Shiel gửi dữ liệu.

 COLL: nhấp nháy khi va chạm mạng được phát hiện.

2.4 Module cảm biến mưa.

Cảm biến mưa là thiết bị dùng để phát hiện mưa, được ứng dụng trong thời tiết, các bộ báo mưa, các bộ báo rò rỉ nước…v.v.

2.4.1 Hình ảnh thực tế

Hình 2. 38 : Module cảm biến mưa thực tế 2.4.2 Mô tả

Module cảm biến mưa bao gồm:

 Raindrops và bộ điều khiển riêng biệt, dễ dàng nối dây.

 Tấm cảm biến mưa lớn, thuận lợi để phát hiện mưa.

 Board có lỗ định vị dễ dàng lắp đặt

 LM393 khoảng so sánh điện áp rộng

2.4.3 Thông số kỹ thuật.

 Kích thước tấm cảm biến mưa: 54 x 40mm

 Kích thước board PCB: 30 x 16mm

 Điện áp: 5V

 Đầu ra: đầu ra kỹ thuật số (0 và 1) và đầu ra tương tự điện áp A0;

 Lỗ cố định bu lông dễ dàng để cài đặt.

 Có đèn báo hiệu nguồn và đầu ra.

 Đầu ra TTL, tín hiệu đầu ra TTL có giá trị thấp. Có thể điều khiển trực tiếp relay, buzzer, a small fan...

 Độ nhạy có thể được điều chỉnh thông qua chiết áp.

 LED sáng lên khi không có mưa đầu ra cao, có mưa, đầu ra thấp LED tắt.

2.4.4 Chế độ kết nối.

Bảng 2. 3 : Chế độ kết nối cảm biến mưa

Tên Chức năng

Vcc Nối nguồn 5V

GND Nối đất

D0 Đầu ra tín hiệu TTL chuyển đổi

A0 Đầu ra tín hiệu Analog

2.4.5 Nguyên lí hoạt động

Mạch cảm biến mưa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trước (giá trị này thay đổi được thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0. Vì vậy, chúng ta dùng một chân digital để đọc tín hiệu từ cảm biến mưa.

Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ ở mức cao (5V). Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V).

2.5 Động cơ DC giảm tốc .

2.5.1 Động cơ DC giảm tốc là gì?

Động cơ điện có số vòng quay rất lớn, thường 2900rpm, 1450rpm, 960rpm nhưng moment xoắn lại nhỏ. Mô-men xoắn đặc trưng cho khả năng chịu tải tức thời của động cơ đó. Khi gắn hộp giảm tốc vào động cơ điện, làm cho moment xoắn tăng lên. Những động cơ có gắn hai thiết bị trên được gọi là động cơ DC giảm tốc.

2.5.2 Hộp số giảm tốc 2.5.2.1 Giới thiệu

Hộp số giảm tốc là cơ cấu truyền động bằng ăn khớp trực tiếp, có tỉ số truyền không đổi. Được dùng để giảm vận tốc góc,tăng momen xoắn và là bộ máy