4.1.1. Sơ lược về Arduino
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 nổi 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 là tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Một board Arduino cơ bản có khoảng 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arđuin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ nghiên cứu dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Ranzi, là một trong những người phát triển Arduino, tại trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như không được tiếp thị gì cả, tín tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc 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.
4.1.2. Arduino Uno R3
Arduino Uno được xây dựng với phần nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz. Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu ~ trước mã số của pin). Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13). Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board.
Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn. Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND...
Hình 4.1: Arduino uno R3 Các thông tin bộ nhớ:
• Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện. Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board. Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây. Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory. Loại bộ nhớ này cho phép ghi/xoá khoảng 10,000 lần.
• RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh. Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần.
• EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ. Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino.
Vi xử lý: Atmega328
Điện áp hoạt động: 5V
Điện áp đầu vào: 7-12V
Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V
Chân vào/ra kĩ thuật số: 14 (6 chân có thể cho đầu ra PWM) Chân vào tương tự: 6
Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA
Bộ nhớ trong: 32 KB (ATmega328)
SRAM: 2 KB (ATmega328)
EEPROM: 1 KB (ATmega328)
4.1.3. Mạch cầu H
4.1.3.1. Nguyên lý mạch cầu H
Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình chữ H, giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng, ở đây đối tượng được nói tới là động cơ điện một chiều.
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H
Nguyên lý cơ bản của mạch cầu H: Để quay theo chiều thuận, ta đóng công tắc 2 và 4, khi đó dòng điện đi từ cực dương ắc qui qua công tắc 2 đến mô tơ DC rồi qua công tắc 4 trở về cực âm ắc qui. Để quay ngược lại, ta đóng công tắc 1 và 3, khi đó dòng điện đi từ cực dương ắc qui qua công tắc 3 đến mô tơ DC rồi qua công tắc 1 trở về cực âm ắc qui.
Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển động cơ bằng cầu H
4.1.3.1. Mạch cầu H L298
Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các mô đun khác (chỉ sử dụng V này nếu nguồn cấp <12VDC).
Thông số kỹ thuật:
• IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver
• Điện áp đầu vào: 5~30VDC
• Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý công suất = dòng điện x điện áp nên áp cấp vào càng cao, dòng càng nhỏ, công suất có định 25W).
• Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
• Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss • Kích thước: 43x43x27mm
Các chân của L298:
• 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
• 4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.
• Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động
Cách nối các chân L298:
• Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào. • Khi ENA = 1:
• INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận. • INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch. • INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì. • Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4.
4.1.4. Mô đun thu phát RF 315MHz 4 kênh Tay phát RF 315MHz PT2262 4 kênh
Một mô đun phát RF là một PCB kích thước nhỏ có khả năng truyền sóng vô tuyến và điều chế sóng vô tuyến để mang dữ liệu. mô đun phát RF thường được áp dụng cùng với bộ điều khiển vi mô, cung cấp dữ liệu cho mô đun có thể truyền được. Các máy phát này thường phải tuân theo các yêu cầu điều khiển mà yêu cầu tối đa công suất của máy phát có thể chấp nhận được o / p, dải băng tần và yêu cầu sóng dài. Mô đun được dùng là mô đun tích hợp chip phát PT2262 4 kênh 315MHz.
Các thông số kỹ thuật:
• Pin sử dụng: 12V/23A • Chip mã hóa: PT2262 • Kênh truyền tín hiệu: 4 kênh • Công suất truyền: 32mW • Trở dao động 4.7M • Dòng tiêu thụ: 3 - 15mA
• Điện áp sử dụng: 5-12V
• Cự li phát: 30 -50m (lý tưởng) • Kích thước: 52x27x10mm
Thứ tự chân: các nút điều khiển A, B, C, D lần lượt tương ưng với các chân đầu ra V0, V1, V2, V3 trên mô đun thu.
Mô đun Thu RF 315Mhz:
Một mô đun nhận RF nhận tín hiệu RF được điều chế để giải điều chế nó. Có hai loại mô đun thu RF, cụ thể là máy thu siêu phục hồi và bộ thu superheterodyne. Thông thường các mô đun siêu tái tạo là thiết kế công suất thấp và chi phí thấp bằng cách sử dụng một loạt các bộ khuếch đại để loại bỏ dữ liệu điều biến từ sóng mang. Các mô đun khác nhau, thường không chính xác như hoạt động của tần số đáng kể với điện áp cung cấp điện áp và nhiệt độ. Ưu điểm chính của các mô đun thu tín hiệu Superheterodyne là hiệu quả cao đối với siêu tái tạo. Chúng cung cấp sự ổn định và độ chính xác cao hơn trong một phạm vi nhiệt độ và điện áp lớn. Sự ổn định này đến từ một thiết kế pha lê ổn định, từ đó dẫn đến một sản phẩm tương đối đắt hơn.
Mô đun thu RF 315MHz là loại siêu tái tạo sử dụng chip thu PT2272-M4 là loại nhấn nút
không nhớ trạng thái, trong thời điểm nhấn chỉ giữ 1 trạng thái của 4 bit, khi nhả trạng thái về 0 cả 4 bit (4 nút nhấn).
Các thông số kỹ thuật:
• Điện áp sử dụng: 5V
• I <4.5mA khi ở trạng thái nghỉ • Giải mã PT2272-M4 • Trở dao động: 820K • Tần số thu: 315 Mhz • Độ nhạy: -105dB • Anten dài: 23CM • Chân nguồn: Vcc(+5V); GND
• Chân VT (Valid Transmission): Chân báo tín hiệu khi nhận dữ liệu (Ở trạng thái chờ đầu ra 0, khi có tín hiệu lên 1 và trở về 0 khi không còn tín hiệu)
• Tín hiệu ra: D0, D1, D2, D3 Khi chưa có tín hiệu các chân đầu ra ở mức 0, Khi có tín hiệu các chân lên 1.
4.1.5. Chuột lock cửa
Chuột cửa hay mô tơ lock cửa là một mô tơ điện một chiều có thể cấp điện dương và âm vào cả hay chân. Tức là khi đảo chiều dòng điệu sẽ làm đảo chiều quay của mô tơ. Trong chuột cửa có cơ cấu bánh răng thanh răng làm biến đổi chuyển động quay của mơ tơ thành chuyển động tịnh tiến.
Hình 4.8: Chuột khóa cửa
4.2. Hệ thống chống trộm sử dụng Arduino đểđiều khiển 4.2.1. Lập trình Arduino đểđiều khiển hệ thống chống trộm
4.2.1.1. Một số yêu cầu của hệ thống trước khi đi vào lập trình
• Trường hợp hệ thống chống trộm chưa hoạt động:
- Khi nhấn nút A trên tay cầm (V0 trả về giá trị HIGH): mô tơ về vị trí LOCK và kích hoạt hệ thống chống trộm đồng thời đèn xin nhan sẽ nháy lên để báo hiệu cho người dùng biết là hệ thống đã được kích hoạt.
- Khi nhấn nút B trên tay cầm (V1 trả về giá trị HIGH): mô tơ không hoạt động. • Trường hợp hệ thống chống trộm đang hoạt động:
- Khi nhấn nút A trên tay cầm (V0 trả về giá trị HIGH): mô tơ không hoạt động. - Khi nhấn nút B trên tay cầm (V1 trả về giá trị HIGH): mô tơ về vị trí UNLOCK
và hệ thống chống trộm về trạng thái chờ đồng thời đèn xin nhan sẽ nháy lên để báo hiệu cho người dùng biết là hệ thống chống trộm đã ngắt.
- Khi xe rung hoặc cửa mở hoặc đạp phanh thì ngay lập tức có báo động đèn nháy và còi kêu.
- Nếu xe được khởi động sẽ ngắt điện tới kim phun và ngắt lửa (đối với động cơ xăng). Trường hợp xe đang trong trạng thái báo động:
- Nhấn nút B xẽ lập tức ngưng trạng thái báo động và đưa hệ thống về trạng thái không hoạt động đồng thời mô tơ về trạng thái UNLOCK và không ngắt điện đến kim phun, bugi.
- Nhấn nút A mô tơ không hoạt động. • Một số nút điều kiển khác:
- Khi có tín hiệu mở cửa, đèn báo cửa trên taplo sẽ sáng.
- Khi có tín hiệu đề, các đèn ST, IG, SW trên bảng hệ thống sẽ sáng.
4.2.1.2. Lập trình hệ thống chống trộm Khai báo và cấu hình các chân Arduino:
-
Hình 4.9: Khai báo các biến
• A =4 là biến nhận giá trị của chân V0 bộ thu, chân số 4 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• B =5 là biến nhận giá trị của chân V1 bộ thu, chân số 5 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• C =6 là biến nhận giá trị của chân V2 bộ thu, chân số 6 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• D =7 là biến nhận giá trị của chân V3 bộ thu, chân số 7 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• haz = 3 là biến điều khiển tín hiệu đèn xin nhan và còi báo, chân số 3 của Arduino là chân điều khiển
• door = 2 là biến nhận tín hiệu mở cửa, chân số 2 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• lock1 = A0 và lock2 = A1 là hai biến điều khiển mô tơ cửa, chân A0 và A1 của Arduino lần lượt điều kiển hai chân này.
• readphanh =A3 biến đọc tín hiệu khi bàn đạp phanh được đạp, chân A3 của Arduino là chân nhận tín hiệu.
• writephanh =A4 là biến điều khiển đèn báo phanh, biến này do chân A4 của Arduino điều kiển.
Hình 4.10: Cấu hình các chân Arduino
• writedencua =A5 là biến điều khiển đèn báo mở cửa trên taplo, biến này do chân A5 của Arduino điều kiển.
• readde = 8 là biến đọc tín hiệu đề khi hệ thống chống trộm hoạt động, biến này do chân 8 của Arduino điều kiển.
• writede =9 là biến điều kiển rờ le ngắt kim phun và ngắt lửa, biến này do chân số 9 của Arduino điều kiển.
• chân A2 của Arduino là chân nhận tín hiệu từ cảm biến rung. • Các hàm millis:
Hình 4.11: Các hàm millis
- time1=millis () là biến thời gian nháy các đèn và hú còi. - time2=millis () là biến thời gian quay của mô tơ.
- time3=millis () là biến thời gian báo động của hệ thống.
Điều kiển nháy đèn và hú còi khi nhấn nút A hoặc B khi hệ thống:
• Khi nhấn nút A: Khi đọc được tín hiệu:
Hình 4.12: Điều khiển nháy đèn và còi nút A - A=1 tức là nút A được nhấn.
- Door= HIGH tức là cửa đang không mở.
Sau khi có đủ các điều kiện trên thì sẽ haz= HIGH tức là có tín hiệu báo động và bắt đầu đếm thời gian time1= millis ().
Hình 4.13: Thời gian nháy đèn
Để cho tín hiệu báo động chỉ nháy lên một cái rồi tắt thì sau khi time1 tăng lên thêm 100 mls thì sẽ ngắt tín hiệu báo động ().
Vậy là khi nấn nút A thì các tín hiệu báo động chỉ nháy lên một phát để báo hiệu cho người dùng biết.
• Khi nhấn nút B: Khi đọc được các tín hiệu:
Hình 4.14: Điều khiển đèn nháy và còi nút B - B=1 tức là nút B được nhấn.
- Remsg [0] =HIGH tức là mô tơ đang ở vị trí LOCK.
Sau khi có đủ các điều kiện trên thì sẽ haz= HIGH tức là có tín hiệu báo động và bắt đầu đếm thời gian time1= millis ().
hình 4.15: Nháy đèn khi nhấn nút
Để cho tín hiệu báo động chỉ nháy lên một cái rồi tắt thì sau khi time1 tăng lên thêm 100 mls thì sẽ ngắt tin hiệu báo động ().
Vậy là khi nấn nút B thì các tín hiệu báo động chỉ nháy lên một phát để báo hiệu cho người dùng biết.
Có thề thấy là ở nút B không có điều kiện về trạng thái của các cửa vì khì nhấn nút B có rất nhiều trường hợp xảy ra. Có thể là cửa đóng vì người dùng chỉ muốn mở UNLOCK hệ thống để vào xe. Cũng có thể là xe vừa bị cạy cửa và báo động, lúc này các cửa mở, nên người dùng muốn ấn B để tắt báo động.
Điều khiển mô tơ cửa người lái:
• Khi nhấn nút A:
Hình 4.16: Điều kiện mô tơ lock Khi đọc được các tín hiệu:
- A=1 tức là nút A được nhấn.
- Door= HIGH tức là cửa đang không mở.
Sau khi các điệu kiện trên thỏa các biến remsg [0] = HIGH và remsg [1] = LOW, hai biến này se được ghi ra 2 chân lock1 và lock2 và sẽ làm cho mô tơ quay theo chiều làm cửa LOCK.
Hình 4.17: Điều khiển mô tơ lock
Sau khi có các giá trị điều kiển mô tơ sẽ hoạt động và biến time2 = mills (). Sau khi time2 tăng lên 50mls thì sẽ ngắt không cho mô thơ quay nữa. Vì 50mls là đủ để mô tơ thực hiện việc lock cửa, nếu thời gian dài hơn sẽ làm mô tơ dễ bị nóng và có thể cháy.
Hình 4.18: Thời gian mô tơ quay • Khi nhấn nút B:
Khi đọc được các tín hiệu:
Hình 4.19: Điều kiện mô tơ unlock - B=1 tức là nút B được nhấn.
- Remsg [0] =HIGH tức là mô tơ đang ở vị trí LOCK.