Đồ Án Hệ Thống Báo Nghỉ và Báo Bù Tại HCMUTE

Đồ án nghiên cứu hcmute hệ thống báo nghỉ báo bù, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Trung
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Bình
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện - Điện Tử
• Đề tài: Hệ Thống Báo Nghỉ và Báo Bù
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lịch sử ra đời của Arduino
• 2.2. Các loại board mạch của Arduino
• 2.3. Tổng quan về Kit Uno R3
• 2.4. Tổng quan về Kit Arduino Mega 2560
• 2.5. Cấu trúc sim900
• 2.6. Cách thiết lập Module Sim900 bằng lệnh AT
• 2.7. MODULE THẺ NHỚ MIRCO SD
• 2.7.1. Đặc điểm chi tiết
• 2.8. Một số phương pháp hiển thị led 7 đoạn
• 2.8.1. Giới thiệu về Led ma trận
• 2.8.2. Các phương pháp hiển thị quang báo
• 2.9. Giới thiệu về RTC
• 2.10. Cơ chế hoạt động và chức năng của DS1307
• 2.11. Thanh ghi trong DS1307
• 2.12. TRUYỀN THÔNG BLUETOOTH
• 2.12.1. Module Bluetooth HC-06
• 2.13. TỔNG QUAN VỀ 4D SYSTEM
• 2.13.1. Sơ lược về 4D system
• 2.13.2. Tổng quan về 4DGL
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN
• 3.1. YÊU CẦU THIẾT KẾ
• 3.2. PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.3. HỆ THỐNG HOẠT ĐỘNG
• 3.3.1. Sơ lược hệ thống
• 3.3.2. Sơ lược từng bộ phận
• 3.4. MẪU CÚ PHÁP HỢP LỆ
• 3.5. CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI
• 3.5.1. Bộ xử lý trung tâm
• 3.5.2. Sơ đồ khối trung tâm
• 3.5.3. Bộ điều khiển camFacult
• 3.5.4. Bộ điều khiển camTotal
• 3.5.5. Bộ điều khiển camDisplay
• 3.5.6. Phần mềm ứng dụng C#
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.1. Thi công bo mạch
• 4.2. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 4.3. ĐÓNG GÓI MÔ HÌNH
• 4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 4.4.1. Phần mềm lập trình cho vi điều khiển
• 4.4.2. Phần mềm thiết kế giao diện Workshop4
• 4.4.3. Phần mềm quản lý dữ liệu
• 4.5. LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG
• 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
• 5.1. BỘ VI ĐIỀU KHIỂN
• 5.2. MODULE MOCRO SD CARD
• 5.3. BỘ XỬ LÝ µVGA-III
• 5.4. LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG WORKSHOP4
• 5.5. PHẦN MỀM QUẢN LÝ DỮ LIỆU
• 5.6. BỘ ĐIỀU KHIỂN CAMMASTER
• 5.7. BỘ ĐIỀU KHIỂN CAMTOTAL
• 5.8. BỘ ĐIỀU KHIỂN CAMFACULT
• 5.9. Hiển thị Led 7 đoạn
• 5.10. Hiển thị Led Matrix
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1.1. Bộ điều khiển Trung tâm
• 6.1.2. Bộ điều khiển camFacult
• 6.1.3. Bộ điều khiển camTotal
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan

Trong bối cảnh giáo dục hiện đại, việc thông báo nghỉ và bù tiết học là một vấn đề quan trọng. Hệ thống báo nghỉ và báo bù tại HCMUTE được xây dựng nhằm giải quyết những bất tiện trong việc thông báo của giảng viên. Trước đây, giảng viên thường phải đến phòng quản lý để thông báo, điều này gây mất thời gian và không hiệu quả. Hệ thống mới giúp giảng viên gửi thông báo qua SMS, giảm thiểu thời gian và công sức. Hệ thống này không chỉ phục vụ giảng viên mà còn hỗ trợ sinh viên và cán bộ quản lý trong việc tiếp cận thông tin một cách nhanh chóng và chính xác.

1.1 Đặt Vấn Đề

Việc thông báo nghỉ và bù tiết học thường gặp nhiều khó khăn. Giảng viên phải đến phòng quản lý để thông báo, điều này không chỉ tốn thời gian mà còn gây khó khăn trong việc quản lý thông tin. Hệ thống báo nghỉ và báo bù được phát triển nhằm giải quyết những vấn đề này, giúp cho việc thông báo trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn. Hệ thống cho phép giảng viên gửi thông báo qua SMS, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao tính chính xác trong việc truyền tải thông tin.

1.2 Mục Tiêu

Mục tiêu của hệ thống là cải tiến quy trình thông báo nghỉ và bù tiết học. Hệ thống sử dụng công nghệ GSM để gửi thông báo qua SMS, giúp giảng viên có thể thông báo một cách nhanh chóng và tiện lợi. Hệ thống cũng cho phép quản lý thông tin một cách tự động, giúp giảm thiểu sai sót và nâng cao hiệu quả trong việc quản lý dữ liệu. Điều này không chỉ giúp giảng viên mà còn hỗ trợ sinh viên và cán bộ quản lý trong việc tiếp cận thông tin một cách nhanh chóng và chính xác.

II. Cơ Sở Lý Thuyết

Hệ thống báo nghỉ và báo bù tại HCMUTE được xây dựng dựa trên nền tảng công nghệ hiện đại. Công nghệ GSM và dịch vụ nhắn tin SMS là hai yếu tố chính giúp hệ thống hoạt động hiệu quả. Hệ thống sử dụng mô-đun Sim900 để gửi và nhận tin nhắn, cho phép giảng viên thông báo nghỉ và bù tiết học một cách nhanh chóng. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp các thiết bị phần cứng như Arduino để điều khiển và quản lý thông tin. Việc sử dụng công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao tính chính xác trong việc truyền tải thông tin.

2.1 Lịch Sử Ra Đời của Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý được phát triển nhằm hỗ trợ người dùng trong việc tạo ra các ứng dụng tương tác. Sự phổ biến của Arduino đã giúp nhiều người, từ sinh viên đến các nhà nghiên cứu, có thể dễ dàng tiếp cận và sử dụng công nghệ. Arduino không chỉ đơn giản hóa quy trình lập trình mà còn giúp người dùng tiết kiệm chi phí. Việc sử dụng Arduino trong hệ thống báo nghỉ và báo bù giúp nâng cao tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống.

2.2 Tổng Quan về Kit Uno R3

Kit Uno R3 là một trong những board mạch phổ biến nhất của Arduino, được thiết kế để dễ dàng sử dụng cho người mới bắt đầu. Board này có nhiều chân I/O, cho phép kết nối với nhiều thiết bị khác nhau. Việc sử dụng Kit Uno R3 trong hệ thống báo nghỉ và báo bù giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và lập trình, đồng thời nâng cao khả năng tương tác với các thiết bị phần cứng khác. Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thông báo của giảng viên.

III. Thiết Kế và Tính Toán

Thiết kế hệ thống báo nghỉ và báo bù bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn linh kiện đến việc lập trình và kiểm tra hệ thống. Hệ thống được thiết kế để hoạt động cả ONLINE và OFFLINE, cho phép giảng viên gửi thông báo ngay cả khi không có kết nối internet. Việc sử dụng mô-đun Sim900 giúp hệ thống có khả năng gửi tin nhắn SMS một cách nhanh chóng và hiệu quả. Hệ thống cũng được thiết kế để dễ dàng mở rộng và nâng cấp trong tương lai, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.

3.1 Yêu Cầu Thiết Kế

Yêu cầu thiết kế hệ thống bao gồm việc đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong việc gửi thông báo. Hệ thống cần phải có khả năng hoạt động độc lập mà không cần đến máy tính, đồng thời phải dễ dàng sử dụng cho giảng viên. Việc thiết kế phần cứng và lập trình bộ điều khiển cũng cần phải được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Các linh kiện được lựa chọn phải đáp ứng được yêu cầu về chất lượng và độ bền, đảm bảo hệ thống có thể hoạt động lâu dài.

3.2 Phương Án Thiết Kế

Phương án thiết kế hệ thống bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp và lập trình cho bộ điều khiển. Hệ thống sẽ sử dụng mô-đun Sim900 để gửi tin nhắn SMS, cùng với các linh kiện khác như Arduino để điều khiển và quản lý thông tin. Việc thiết kế phần mềm cũng cần phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính tương thích và hiệu quả trong việc gửi thông báo. Hệ thống cần phải được kiểm tra và đánh giá để đảm bảo hoạt động ổn định và đáp ứng được nhu cầu của người dùng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong công tác quản lý đào tạo tại các trường đại học, hoạt động giảng dạy thường xuyên phát sinh nhu cầu thay đổi thời khóa biểu do giảng viên gặp các công việc đột xuất như ốm đau, đi công tác hoặc cần sắp xếp dạy bù, dạy thế, trễ giờ và chuyển phòng học. Theo phương thức truyền thống được trình bày trong đồ án, giảng viên khi cần thông báo lịch nghỉ hoặc bù phải đến trực tiếp phòng trung tâm quản lý đào tạo hoặc sử dụng phấn, bút lông để ghi thông tin lên các bảng tin đặt tại khuôn viên trường. Thực tế này bộc lộ nhiều điểm bất cập:

• Giảng viên mất nhiều thời gian di chuyển đến trường để viết thông báo, hoặc gặp khó khăn khi không thể tìm người hỗ trợ ghi bảng tin hộ.
• Diện tích các bảng tin bằng phấn hoặc bút lông có giới hạn vật lý, chỉ ghi nhận được số lượng thông báo nhất định trong một thời điểm.
• Sinh viên không thể thường xuyên theo dõi bảng tin do khoảng cách di chuyển giữa các giảng đường và khu vực đặt bảng thông báo xa gần khác nhau, dẫn đến việc nắm bắt thông tin thiếu kịp thời và thiếu chính xác.
• Bộ phận thanh tra đào tạo gặp trở ngại trong việc ghi nhận, thống kê, kiểm tra số tiết nghỉ của từng giảng viên, gây ảnh hưởng đến tính chuẩn xác của các báo cáo đánh giá định kỳ.

Để khắc phục các hạn chế trên, đề tài xác định vấn đề nghiên cứu là xây dựng một hệ thống kỹ thuật tự động hóa quá trình gửi, tiếp nhận, xử lý và phân phối thông tin báo nghỉ, báo bù, báo trễ và chuyển phòng thông qua mạng viễn thông.

Mục tiêu nghiên cứu bao gồm:

1. Cải tiến và phát triển hệ thống báo nghỉ, báo bù thông qua tin nhắn SMS dựa trên công nghệ mạng di động GSM.
2. Thiết kế hệ thống có khả năng vận hành linh hoạt ở cả hai chế độ: chạy trực tuyến (ONLINE - kết nối máy tính) và chạy ngoại tuyến (OFFLINE - độc lập, không cần máy tính).
3. Thay thế phương thức truyền thông không dây Zigbee (từ các công trình trước đó) bằng truyền thông tin nhắn SMS nhằm mở rộng cự ly liên lạc và tối ưu chi phí.
4. Thay thế giải pháp hiển thị LED 7 đoạn truyền thống bằng màn hình tivi thông qua bộ điều khiển xuất tín hiệu chuẩn VGA.
5. Thiết kế phần cứng và lập trình cho các khối điều khiển: bộ điều khiển trung tâm (camMaster), bộ điều khiển hiển thị tổng (camTotal), bộ điều khiển hiển thị từng khoa (camFacult) và khối giao tiếp hiển thị (camDisplay).

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản phân định thành 9 nội dung cụ thể:

1. Khảo sát nhu cầu thực tế và tìm hiểu đề tài báo nghỉ - báo bù.
2. Tìm hiểu về công nghệ GSM, dịch vụ nhắn tin SMS và module SIM900/SIM900A.
3. Thiết kế giải pháp cho hệ thống vận hành ở cả hai chế độ ONLINE và OFFLINE.
4. Thiết kế phần cứng tại các bộ điều khiển camMaster, camTotal, camFacult, camDisplay.
5. Tìm hiểu công nghệ đồ họa 4D Systems và bộ xử lý đồ họa µVGA-III.
6. Thiết lập liên kết giao tiếp truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống.
7. Lắp ráp, thử nghiệm kết nối phần cứng và phần mềm giữa các khối.
8. Thiết kế hộp che và khung vỏ bảo vệ cơ khí cho các khối hệ thống.
9. Thực nghiệm và đánh giá toàn diện hoạt động của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng tự động tiếp nhận, xử lý tin nhắn SMS và phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu đào tạo. Phạm vi không gian nghiên cứu được triển khai thử nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Khoa Điện - Điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Động lực và phòng thanh tra đào tạo). Phạm vi thời gian thực hiện đề tài từ ngày 01/03/2016 đến ngày 07/07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án áp dụng phương pháp thiết kế kỹ thuật phần cứng nhúng kết hợp lập trình vi điều khiển, xây dựng phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu trên máy tính và đánh giá thực nghiệm.

Nền tảng lý thuyết và công nghệ tác giả sử dụng gồm:

• Nền tảng vi điều khiển: Đồ án sử dụng kit Arduino Uno R3 và Arduino Mega 2560 dựa trên vi điều khiển AVR Atmel kiến trúc 8-bit. Việc lập trình điều khiển được thực hiện trên môi trường Arduino IDE bằng ngôn ngữ C/C++.

Thông số kỹ thuật	Arduino Uno R3	Arduino Mega 2560
Vi điều khiển trung tâm	ATmega328 (họ 8-bit)	ATmega2560 (họ 8-bit)
Điện áp hoạt động	5V DC (cấp qua cổng USB)	5V DC (cấp qua cổng USB)
Điện áp vào khuyên dùng	7 – 12V DC	7 – 12V DC
Điện áp vào giới hạn	6 – 20V DC	6 – 20V DC
Tần số thạch anh	16 MHz	16 MHz
Dòng tiêu thụ	30 mA	30 mA
Số chân Digital I/O	14 (bao gồm 6 chân PWM)	54 (bao gồm 6 chân PWM)
Số chân ngõ vào Analog	6 (độ phân giải 10-bit)	16 (độ phân giải 10-bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O	30 mA	30 mA
Dòng ra tối đa (nguồn 5V)	500 mA	500 mA
Dòng ra tối đa (nguồn 3.3V)	30 mA	30 mA
Bộ nhớ Flash	32 KB (0.5 KB dùng cho Bootloader)	256 KB (8 KB dùng cho Bootloader)
Bộ nhớ SRAM	2 KB	8 KB
Bộ nhớ EEPROM	1 KB	4 KB

• Truyền thông di động GSM qua Module SIM900: Module SIM900 trang bị chip xử lý lõi ARM926EJ-S, kích thước 24×24 mm, hỗ trợ 4 băng tần GSM (850 MHz, EGSM 900 MHz, DCS 1800 MHz, PCS 1900 MHz). Module giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn nối tiếp bất đồng bộ UART. Hệ thống sử dụng tập lệnh AT chuẩn để cấu hình và vận hành:

  • Khởi tạo modem: ATZ (khôi phục cấu hình mặc định), ATE0 (tắt chế độ phản hồi ký tự echo), AT+CLIP=1 (hiển thị thông tin nhận diện thuê bao gọi đến), AT&W (lưu cấu hình vào bộ nhớ).
  • Cấu hình thông báo tin nhắn: AT+CNMI=0,2,0,0,0 nhằm lưu tin nhắn trực tiếp vào bộ nhớ SIM mà không tự động phát thông báo lên thiết bị đầu cuối.
  • Xử lý bộ nhớ tin nhắn: Sử dụng lệnh xóa AT+CMGD=1 và AT+CMGD=2 để làm trống liên tục hai ngăn nhớ đầu tiên. Cơ chế này đảm bảo mọi tin nhắn mới luôn được lưu vào vị trí số 1 hoặc 2, giúp vi điều khiển dễ dàng định vị vị trí đọc bằng lệnh AT+CMGR=1 (hoặc AT+CMGR=2) và tránh hiện tượng tràn bộ nhớ SIM (vốn giới hạn 50 ngăn trên Super SIM của MobiFone).
  • Gửi tin nhắn SMS phản hồi: Thực hiện qua cú pháp lệnh AT+CMGS="số_điện_thoại", kết thúc nội dung chuỗi bằng mã ASCII <0x1A>.

• Lưu trữ dữ liệu ngoại tuyến bằng Module thẻ nhớ Micro SD: Module hỗ trợ thẻ Micro SD và Micro SDHC với định dạng tập tin FAT16 hoặc FAT32. Giao tiếp vi điều khiển sử dụng chuẩn giao tiếp nối tiếp ngoại vi SPI gồm 4 đường tín hiệu: CS (Chip Select), SCK (Serial Clock), DI/MOSI (Data Input) và DO/MISO (Data Output), kết hợp thư viện SD.h để đọc và ghi tập tin nhật ký khi chạy ở chế độ OFFLINE.

• Đồng hồ thời gian thực (RTC) DS1307: IC thời gian thực của Dallas Semiconductor, hoạt động với vai trò thiết bị phụ (slave) trên đường bus I2C (gồm hai đường tín hiệu SDA và SCL). Chip sử dụng dao động thạch anh ngoại 32,768 kHz, nguồn pin nuôi dự phòng 3V (Vbat), sở hữu 7 thanh ghi 8-bit quản lý giây, phút, giờ, thứ, ngày, tháng, năm cùng 56 byte bộ nhớ tĩnh SRAM.

• Module truyền thông không dây Bluetooth HC-06: Sử dụng để thiết lập kênh kết nối không dây phụ trợ với vi điều khiển.

• Công nghệ hiển thị đồ họa 4D Systems: Sử dụng bộ xử lý đồ họa nhúng µVGA-III tích hợp chip PICASO. Thiết bị được lập trình bằng ngôn ngữ 4DGL trong môi trường 4D Workshop4, nạp chương trình thông qua cáp chuyên dụng uUSB-PA5 và xuất trực tiếp tín hiệu hình ảnh độ phân giải chuẩn VGA ra màn hình tivi lớn.

• Kỹ thuật điều khiển hiển thị LED: Khảo sát và ứng dụng hai phương pháp hiển thị chính:

  • LED 7 đoạn: Phân loại Anode chung và Cathode chung, phân tích ưu nhược điểm giữa phương pháp quét (dựa trên hiện tượng lưu ảnh mắt người với tần số quét trên 25 Hz), phương pháp chốt dữ liệu và phương pháp phối hợp dùng IC ghi dịch (74HC595, CD4094), IC giải mã BCD sang 7 đoạn (74247), IC giải mã địa chỉ (74138, 74154).
  • LED ma trận (Led Matrix): Khảo sát loại 8×8 và mô đun ghép 16×16 Cathode chung (sản xuất bởi Công ty Thiên Minh); so sánh hai kỹ thuật điều khiển: quét cột (thời gian sáng lớn, thích hợp bảng có số cột nhỏ hơn số hàng) và quét hàng (dùng thanh ghi dịch xuất dữ liệu nối tiếp, tiết kiệm chân vi điều khiển).

• Phần mềm quản trị và cơ sở dữ liệu: Ứng dụng quản trị phía máy tính được lập trình bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng Microsoft Visual Studio 2008, kết nối với hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server (phiên bản 2005/2008) để quản lý danh mục và kết xuất báo cáo thống kê dạng tập tin PDF.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tán gồm nhiều khối phần cứng chuyên trách kết nối với nhau và phối hợp với phần mềm trung tâm:

• Bộ điều khiển trung tâm (camMaster): Đóng vai trò là khối xử lý chính của toàn hệ thống, sử dụng vi điều khiển kết nối trực tiếp với Module SIM900, Module RTC DS1307 và Module thẻ nhớ Micro SD. Khối này đảm nhiệm việc tiếp nhận tin nhắn SMS gửi đến từ điện thoại của giảng viên, kiểm tra số điện thoại người gửi dựa trên lệnh AT+CLIP, bóc tách nội dung theo cú pháp quy định, ghi nhận thời gian thực từ DS1307 và phân phối dữ liệu điều khiển đến các khối cấp dưới.

• Cơ chế vận hành song song ONLINE và OFFLINE:

  • Chế độ ONLINE (kết nối máy tính): camMaster truyền dữ liệu nhận được qua cổng nối tiếp USB/COM lên máy tính. Phần mềm C# tiếp nhận, đối soát thông tin giảng viên, lưu trữ vào cơ sở dữ liệu SQL Server, cập nhật giao diện quản lý và gửi tín hiệu hiển thị lên màn hình.
  • Chế độ OFFLINE (ngắt kết nối máy tính): Khi không có máy tính hoặc mất kết nối, camMaster tự động kích hoạt tiến trình ghi dữ liệu báo nghỉ, báo bù trực tiếp vào thẻ nhớ Micro SD theo định dạng tệp chuẩn, đồng thời vẫn điều khiển các khối hiển thị hoạt động bình thường, giúp hệ thống không bị gián đoạn.

• Bộ điều khiển hiển thị tổng (camTotal): Tiếp nhận dữ liệu số lượng giảng viên nghỉ, bù từ bộ trung tâm, thực hiện giải mã và quét dữ liệu hiển thị số lượng tiết nghỉ, bù toàn trường trên các dãy LED 7 đoạn lớn nhằm phục vụ công tác giám sát của bộ phận thanh tra đào tạo.

• Bộ điều khiển hiển thị từng khoa (camFacult): Nhận dữ liệu điều khiển phân loại cho từng đơn vị khoa cụ thể, quản lý các bảng LED ma trận 16×16 (hoặc màn hình hiển thị phụ) đặt tại hành lang các khoa để sinh viên theo dõi trực tiếp lịch nghỉ, bù, trễ của khoa mình.

• Bộ hiển thị màn hình tivi (camDisplay): Ứng dụng bộ xử lý đồ họa µVGA-III để tạo giao diện hiển thị thông báo đồ họa màu, xuất tín hiệu trực tiếp qua cổng VGA kết nối với màn hình tivi (hoặc qua cáp chuyển đổi VGA - HDMI và bộ thu phát tín hiệu video không dây).

• Quy trình xử lý cú pháp tin nhắn: Hệ thống thiết lập các mẫu cú pháp tin nhắn SMS nghiêm ngặt cho từng nghiệp vụ:

  • Báo nghỉ: Giảng viên soạn tin nhắn gửi đến số tổng đài theo cấu trúc chứa thông tin mã môn học, lớp, phòng học, tiết nghỉ và lý do.
  • Báo bù: Cung cấp thông tin ngày bù, phòng học mới, tiết học bù tương ứng.
  • Báo trễ / Báo thế / Chuyển phòng: Phản ánh các thay đổi lịch trình tức thời. Khi nhận tin, vi điều khiển phân tích chuỗi, nếu cú pháp hợp lệ sẽ gửi lệnh AT+CMGS phát tin nhắn SMS phản hồi thông báo đăng ký thành công về số máy giảng viên; nếu sai cú pháp sẽ phản hồi cảnh báo.

• Thi công phần cứng và phần mềm:

  • Thiết kế và thi công bo mạch in (PCB) 2 lớp (lớp trên và lớp dưới), bố trí linh kiện cho các mạch điều khiển camMaster, camTotal, camFacult, mạch chốt/quét LED 7 đoạn và LED ma trận.
  • Lập trình firmware điều khiển trên Arduino IDE với các lưu đồ giải thuật cho khối trung tâm, khối quét LED ma trận và LED 7 đoạn.
  • Thiết kế giao diện đồ họa trên màn hình tivi bằng phần mềm Workshop4 của 4D Systems, sau đó nạp mã nhị phân vào bộ nhớ của µVGA-III.
  • Xây dựng phần mềm quản trị C# bao gồm các giao diện: đăng nhập hệ thống, kiểm tra kết nối SIM900, quản lý thông tin khoa, giáo viên, môn học, phòng học, quản lý ngày nghỉ, ngày bù, ngày trễ, ngày thế, chuyển phòng, màn hình thống kê tin nhắn và tính năng tự động xuất báo cáo PDF.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài xuất phát từ các bất tiện trong công tác quản lý lịch báo nghỉ, báo bù thủ công tại các cơ sở giáo dục. Tác giả xác định mục tiêu phát triển hệ thống tự động qua SMS, thiết lập 9 nội dung nghiên cứu kỹ thuật và giới hạn đề tài ở việc sử dụng truyền thông GSM (thay thế cho giải pháp Lora/RF do chi phí cao và cự ly truyền ngắn), ứng dụng SIM900 để quản lý tin nhắn, vận hành phần mềm quản trị C# với SQL Server và hiển thị dữ liệu qua LED 7 đoạn kết hợp màn hình tivi.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng kỹ thuật chi tiết của các linh kiện và công nghệ được sử dụng:

• Lịch sử ra đời, cấu trúc phần cứng và bảng thông số kỹ thuật chi tiết của hai kit vi điều khiển Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega328) và Arduino Mega 2560 (vi điều khiển ATmega2560).
• Cấu trúc module GSM SIM900, sơ đồ chân kết nối và tập lệnh cấu hình AT (ATZ, ATE0, AT+CLIP, AT&W, AT+CNMI, AT+CMGD, AT+CMGR, AT+CMGS).
• Đặc điểm và sơ đồ chân chuẩn SPI của Module thẻ nhớ Micro SD (CS, SCK, DI, DO) với hệ thống tệp FAT16/FAT32.
• Cấu tạo, bảng mã giải mã Anode/Cathode chung của LED 7 đoạn và các phương pháp hiển thị (quét, chốt, phối hợp IC ghi dịch 74HC595/4094).
• Phân loại và nguyên lý hoạt động của LED ma trận 8×8, bảng dữ liệu đưa chữ "A" ra ma trận bằng hai phương pháp quét cột và quét hàng; phân tích ưu nhược điểm của phương pháp chốt và phương pháp dùng thanh ghi dịch.
• Nguyên lý hoạt động của IC thời gian thực RTC DS1307 qua giao tiếp I2C và bản đồ thanh ghi thời gian.
• Giới thiệu Module Bluetooth HC-06, công nghệ 4D Systems, bộ xử lý đồ họa nhúng PICASO, thiết bị µVGA-III và ngôn ngữ 4DGL.

Chương 3: Thiết kế và tính toán

Chương 3 trình bày bài toán thiết kế hệ thống dựa trên việc lựa chọn linh kiện và xây dựng phương án:

• Yêu cầu kỹ thuật và sơ đồ khối chức năng tổng thể.
• Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ chân kết nối của vi điều khiển Arduino với các module ngoại vi: Module SIM900, Module RTC DS1307, Module Micro SD, Module Bluetooth HC-06 và bộ xử lý µVGA-III.
• Mẫu cú pháp tin nhắn SMS hợp lệ cho các nghiệp vụ: báo nghỉ, báo bù, báo trễ, báo thế, chuyển phòng.
• Thiết kế chi tiết sơ đồ khối phần cứng của từng bộ phận: bộ xử lý trung tâm, bộ điều khiển camMaster, bộ điều khiển camFacult, bộ điều khiển camTotal, khối hiển thị 8 LED 7 đoạn và mạch hiển thị LED ma trận 16×16.
• Thiết kế cấu trúc các bảng dữ liệu trong cơ sở dữ liệu SQL Server và giao diện phần mềm ứng dụng quản lý viết bằng C#.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo, lắp ráp và lập trình cho hệ thống thực tế:

• Thi công mạch in PCB hai lớp, bố trí linh kiện cơ bản và đóng gói mô hình hộp che bảo vệ cho các khối thiết bị.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật và lập trình mã nguồn cho vi điều khiển điều khiển bộ trung tâm, khối LED 7 đoạn, khối LED ma trận và khối Total.
• Quy trình tạo project, thiết kế các đối tượng giao diện trên phần mềm 4D Workshop4, nạp chương trình xuống bộ xử lý µVGA-III thông qua cáp 4D Programming Cable (uUSB-PA5) và kiểm tra xuất hình ra màn hình tivi.
• Lập trình ứng dụng C# kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server 2008, xây dựng các module đăng nhập, cấu hình kết nối SIM900, quản lý thông tin khoa, phòng học, giáo viên, quản lý dữ liệu nghỉ - bù, thống kê và trích xuất dữ liệu.
• Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng và quy trình thao tác hệ thống cho người dùng.

Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá

Chương 5 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được sau quá trình thi công và vận hành:

• Kết quả chạy thực tế của bộ vi điều khiển, module Micro SD card, bộ xử lý µVGA-III xuất tín hiệu ra màn hình tivi.
• Kết quả giao diện phần mềm quản trị C# khi nhận dữ liệu báo nghỉ, báo bù, báo trễ, báo thế từ giảng viên và quy trình gửi tin nhắn xác nhận tự động về điện thoại giảng viên.
• Kết quả xuất báo cáo thống kê dạng tập tin PDF: thống kê tin nhắn toàn bộ giáo viên, thống kê số tiết nghỉ - bù theo từng khoa (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Động lực), thống kê ngày trễ và thống kê cá nhân từng giáo viên.
• Đánh giá khả năng hoạt động của khối LED 7 đoạn và khối LED ma trận 16×16; ghi nhận sự cố quét LED ma trận ban đầu chạy chưa ổn định, phân tích nguyên nhân và trình bày giải pháp xử lý bằng cách viết lại thuật toán quét trong mã nguồn kết hợp thay thế IC dán phần cứng để bảng LED hiển thị ổn định, rõ nét.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ của đồ án đối với các mục tiêu đề ra ban đầu, đồng thời chỉ rõ các định hướng nâng cấp kỹ thuật trong tương lai cho bộ điều khiển trung tâm (camMaster), bộ điều khiển camFacult và bộ điều khiển camTotal.

Kết quả và đóng góp

Hệ thống đã được chế tạo hoàn chỉnh dưới dạng mô hình phần cứng kết hợp phần mềm và đạt được các kết quả cụ thể sau:

• Chế tạo và thử nghiệm thành công các khối phần cứng nhúng gồm: bo mạch điều khiển trung tâm camMaster, bo mạch hiển thị tổng camTotal, bo mạch hiển thị khoa camFacult, mạch hiển thị 8 LED 7 đoạn và mạch hiển thị LED ma trận 16×16.
• Vận hành tin cậy module SIM900 trong việc thu nhận, bóc tách và phản hồi tự động tin nhắn SMS theo các cú pháp chuẩn đối với 5 nghiệp vụ: báo nghỉ, báo bù, báo trễ, báo thế và chuyển phòng học.
• Đảm bảo cơ chế lưu trữ dữ liệu liên tục: tự động ghi nhận vào thẻ nhớ Micro SD theo chuẩn FAT16/FAT32 khi chạy OFFLINE, và đồng bộ hoàn toàn với cơ sở dữ liệu SQL Server 2008 khi chạy ONLINE.
• Ứng dụng thành công bộ xử lý đồ họa µVGA-III (chip PICASO) để tạo giao diện hiển thị thông tin trực quan trên màn hình tivi thông qua cổng xuất tín hiệu chuẩn VGA.
• Phần mềm C# thực hiện đầy đủ các chức năng quản lý danh mục và hỗ trợ xuất báo cáo thống kê trực tiếp ra định dạng tập tin PDF, cho phép thống kê số tiết nghỉ, bù chi tiết cho từng giáo viên, từng khoa và toàn trường.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài so với các nghiên cứu tiền nhiệm được tổng hợp qua bảng sau:

Tiêu chí kỹ thuật	Nghiên cứu tiền nhiệm (theo tác giả nêu)	Đồ án hiện tại
Phương thức truyền thông	Sử dụng truyền thông không dây Zigbee / sóng RF	Sử dụng dịch vụ tin nhắn SMS qua mạng di động GSM (Module SIM900)
Cự ly liên lạc	Giới hạn trong khoảng cách ngắn của sóng vô tuyến nội bộ	Không giới hạn khoảng cách, phủ sóng toàn mạng viễn thông di động
Chế độ vận hành	Phụ thuộc hoàn toàn vào máy tính	Hoạt động độc lập hai chế độ: ONLINE (kết nối máy tính) và OFFLINE (lưu thẻ nhớ Micro SD)
Phương thức hiển thị chính	Chỉ hiển thị qua các dãy LED 7 đoạn đơn thuần	Kết hợp LED 7 đoạn, LED ma trận 16×16 và màn hình tivi lớn qua bộ điều khiển µVGA-III
Quản lý và lưu trữ	Lưu trữ hạn chế trên máy tính	Cơ sở dữ liệu SQL Server 2008, hỗ trợ xuất báo cáo PDF và gửi email tự động

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Theo văn bản đồ án, hệ thống còn tồn tại các giới hạn và khó khăn kỹ thuật:

• Hệ thống phụ thuộc vào chất lượng đường truyền của nhà mạng viễn thông GSM và số dư tài khoản của thẻ SIM đặt trong module SIM900.
• Khả năng hiển thị trực tiếp qua cổng VGA của bộ xử lý µVGA-III chỉ phục vụ trong khoảng cách kết nối vật lý gần; việc truyền tín hiệu video không dây đi xa đòi hỏi các bộ chuyển đổi và bộ thu phát tín hiệu phụ trợ.
• Trong giai đoạn đầu thử nghiệm thực tế, mạch LED ma trận 16×16 gặp hiện tượng quét chưa ổn định, đòi hỏi nhóm phải tiến hành tối ưu lại thuật toán lập trình quét trong mã nguồn và thay thế linh kiện IC dán phần cứng mới đạt được độ sáng đồng đều.

Các hướng phát triển tiếp theo được tác giả đề xuất:

1. Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và tối ưu hóa phần cứng cho bộ điều khiển trung tâm (camMaster), bộ điều khiển camFacult và bộ điều khiển camTotal.
2. Bổ sung các tập lệnh AT nâng cao cho module SIM900 để tự động kiểm tra số tiền trong tài khoản SIM, kiểm tra dung lượng dữ liệu và nâng cao cơ chế mã hóa, bảo mật nội dung tin nhắn.
3. Mở rộng hệ thống mạng hiển thị không dây đồng bộ đến toàn bộ các giảng đường và hành lang các khoa trong toàn trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Hệ thống nhúng và Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đồ án liên quan đến điều khiển tự động qua mạng viễn thông.
• Các nội dung kỹ thuật có giá trị tham khảo cao trong đồ án gồm:
  • Phương pháp xây dựng tập lệnh AT và giải thuật quản lý bộ nhớ SMS (ngăn nhớ 1 và 2) trên module SIM900 để tránh tràn bộ nhớ trong các ứng dụng M2M.
  • Quy trình thiết kế và lập trình giao diện đồ họa nhúng xuất cổng VGA sử dụng bộ xử lý µVGA-III và phần mềm 4D Workshop4.
  • Kỹ thuật quét và chốt dữ liệu điều khiển LED 7 đoạn và LED ma trận 16×16 sử dụng IC thanh ghi dịch.
  • Mô hình liên kết truyền thông giữa hệ thống vi điều khiển nhúng với phần mềm máy tính C# và hệ quản trị cơ sở dữ liệu SQL Server.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao hệ thống phải thực hiện lệnh xóa ngăn nhớ 1 và 2 của thẻ SIM bằng lệnh AT+CMGD?

Trong module SIM900, tin nhắn mới nhận được sẽ tự động lưu vào ngăn nhớ trống có số thứ tự nhỏ nhất. Bằng cách luôn thực hiện xóa tin nhắn ở hai ngăn nhớ số 1 và số 2 bằng lệnh AT+CMGD=1 và AT+CMGD=2, vi điều khiển sẽ luôn định vị chính xác vị trí tin nhắn mới nhận tại ngăn 1 hoặc ngăn 2 để đọc nội dung bằng lệnh AT+CMGR. Thao tác này giúp việc xử lý dữ liệu tin nhắn đơn giản, không bị thất lạc trong bộ nhớ và ngăn chặn hiện tượng tràn bộ nhớ SIM (vốn chỉ có 50 ngăn trên Super SIM), đảm bảo thiết bị luôn sẵn sàng nhận tin nhắn mới.

2. Hệ thống xử lý dữ liệu như thế nào khi chuyển đổi giữa chế độ ONLINE và OFFLINE?

Khi vận hành ở chế độ ONLINE, vi điều khiển trung tâm camMaster truyền dữ liệu tin nhắn nhận được qua cổng nối tiếp lên máy tính để phần mềm C# phân tích, cập nhật trực tiếp vào cơ sở dữ liệu SQL Server 2008 và hiển thị lên màn hình. Khi ngắt kết nối máy tính (chế độ OFFLINE), camMaster tự động chuyển sang cơ chế ghi nhận toàn bộ dữ liệu báo nghỉ, báo bù vào thẻ nhớ Micro SD thông qua giao tiếp SPI với thư viện SD.h, đồng thời trực tiếp điều khiển các khối camTotal và camFacult hiển thị thông tin, đảm bảo hệ thống vận hành liên tục mà không bị gián đoạn.

3. Bộ xử lý đồ họa µVGA-III đóng vai trò gì và được lập trình bằng công cụ nào?

Bộ xử lý đồ họa µVGA-III của hãng 4D Systems (sử dụng chip đồ họa PICASO) có vai trò nhận dữ liệu từ vi điều khiển và tạo giao diện đồ họa màu hiển thị thông tin lịch giảng dạy trực tiếp lên màn hình tivi lớn thông qua cổng xuất tín hiệu chuẩn VGA. Thiết bị được lập trình bằng ngôn ngữ 4DGL trên môi trường phần mềm 4D Workshop4 và nạp mã chương trình thông qua cáp lập trình chuyên dụng 4D Programming Cable uUSB-PA5.

4. Nhóm tác giả đã xử lý sự cố hiển thị của bảng LED ma trận trong quá trình thi công như thế nào?

Trong quá trình thử nghiệm ban đầu, khối hiển thị LED ma trận 16×16 gặp hiện tượng quét chưa ổn định, xuất hiện lỗi hiển thị hình ảnh và ký tự. Để khắc phục, nhóm tác giả đã tiến hành rà soát lại giải thuật quét hàng, viết lại đoạn mã điều khiển thanh ghi dịch để ổn định tần số quét và tiến hành thay thế linh kiện phần cứng (thay IC dán trên bo mạch hiển thị), qua đó đưa bảng LED ma trận về trạng thái hiển thị rõ ràng và liên tục.

5. Phần mềm C# của hệ thống hỗ trợ kết xuất những dạng báo cáo thống kê nào?

Phần mềm quản trị viết bằng C# kết nối cơ sở dữ liệu SQL Server 2008 được trang bị chức năng thống kê tin nhắn và hỗ trợ kết xuất báo cáo định dạng tập tin PDF cho các nội dung: danh sách thống kê tin nhắn của toàn bộ giáo viên trong trường, thống kê số tiết nghỉ - bù theo từng khoa cụ thể (như Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Động lực), thống kê số ngày trễ của giáo viên và thống kê chi tiết lịch trình của từng cá nhân giảng viên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống báo nghỉ báo bù" của sinh viên Nguyễn Hồng Trung và Đặng Hữu Nghĩa đã hoàn thành việc thiết kế và thi công một hệ thống kỹ thuật nhúng hoàn chỉnh, đáp ứng mục tiêu tự động hóa việc tiếp nhận và xử lý lịch trình giảng dạy thông qua mạng viễn thông GSM. Công trình giải quyết được bài toán vận hành độc lập hai chế độ ONLINE và OFFLINE, đồng thời nâng cấp hiệu quả phương thức hiển thị thông qua bộ điều khiển đồ họa µVGA-III kết nối màn hình tivi kết hợp cùng các bảng LED chuyên dụng. Đây là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích về phương pháp tích hợp vi điều khiển nhúng, truyền thông không dây di động và phần mềm quản trị cơ sở dữ liệu đào tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan Chương này nói về vấn đề nhóm chọn đề tài, các giới hạn của đề tài, mục tiêu của đề tài, nội dung nghiên cứu và bố cục của quyển luận văn.  Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này nói về nền tảng lý thuyết của các chuẩn giao tiếp, nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử cũng như các khái niệm cơ bản có liên quan mà nhóm liệt kệ ra dựa trên mục tiêu của đề tài.  Chương 3: Thiết Kế và Tính Tóan Chương này nói về bái toán thiết kế, lựa chọn linh kiện dựa trên sự so sánh giữa các linh kiện phổ biến và có khả năng đáp ứng được yêu cầu của đề tài  Chương 4: Thi công hệ thống Chương này nói về quy trình thi công hệ thống dựa trên các tiêu chí và các linh kiện đã được chọn ở chương 3.  Chương 5: Kết quả, nhận xét, đánh giá Chương này nói về quá trình chạy thực nghiệm của đề tài qua đó nhóm nhận xét, đánh giá và khắc phục.

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Chương này nói về kết luận của nhóm sau khi khắc phục các lỗi của đề tài ở chương 5 và hướng phát triển của đề tài trong tương lai. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử ra đời của Arduino Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động. Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến.1: Những thành viên khởi xướng Arduino Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Carnegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác? Arduino thật ra là một board 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 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 thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của giáo sư Massimo Banzi, 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, tin 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.2 Các loại board mạch của Arduino Phần cứng Arduino gốc được sản xuất bởi công ty Italy tên là Smart Projects. Một vài board dẫn xuất từ Arduino cũng được thiết kế bởi công ty của Mỹ tên là SparkFun Electronics. 9 phiên bản phần cứng của Arduino cũng đã được sản xuất thương mại tính đến thời điểm hiện tại.

Về mặt chức năng, các board mạch Arduino được chia thành hai loại: loại board mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho board mạch chính (thường được gọi là shield). Các board mạch chính về cơ bản là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có sự khác nhau. Một số board có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các board mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho board mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ v.2: Arduino Diecimila và Arduino Duemilanove BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.3: Arduino Uno R3 và Arduino Mega 2560 2.3 Tổng quan về Kit Uno R3 Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động.

Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện tử và lập trình. Nó là trở ngại cho mọi người muốn tạo riêng cho mình một món đồ mang tính công nghệ. Do vậy đó là lí do Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian.

Sau đây là những thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thực hiện trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux trên desktop, Android trên di động.  Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.  Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.  Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.

 Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.  Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với nhau mà không lo lắng về ngôn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.4: Kit Arduino Uno R3  Thông số của Arduino Uno R3 Bảng 2.1 Một số thông số của Arduino R3 Vi điều khiển Atmega328 ( họ 8 bit ) Điện áp hoạt động 5V – DC ( chỉ được cấp qua cổng USB ) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12V – DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20V – DC Số chân Digital I/O 14 ( 6 chân PWM ) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Số chân Analog 6 ( độ phân giải 10 bit ) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA Dòng ra tối đa ( 5V ) 500mA Dòng ra tối đa ( 3.5 ) 30mA Bộ nhớ Flash 32 KB ( ATmega328 ) với 0.5 KB dùng bởi bootloader SRAM 2 KB ( Atmega328 ) EEPROM 1 KB ( Atmega328 ) 2.4 Tổng quan về Kit Arduino Mega 2560 Hình 2.5: Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 là 1 board mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau:  Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Jack nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng 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 54 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).  Vi 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 Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560.  Các thông số chi tiết của Ardiuno Mega 2560: Bảng 2.2 Một số thông số của Arduino mega 2560 Vi điều khiển Atmega2560 ( họ 8 bit ) Điện áp hoạt động 5V – DC ( chỉ được cấp qua cổng USB ) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7 – 12V – DC Điện áp vào giới hạn 6 – 20V – DC Số chân Digital I/O 54 ( 6 chân PWM ) Số chân Analog 16 ( độ phân giải 10 bit ) Dòng tối đa mỗi chân I/O 30mA Dòng ra tối đa ( 5V ) 500mA Dòng ra tối đa ( 3.5 ) 30mA Bộ nhớ Flash 256 KB ( ATmega328 ) với 0.5 KB dùng bởi bootloader SRAM 8 KB ( Atmega328 ) EEPROM 4 KB ( Atmega328 )  Các Mega 2560 có 16 đầu vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau).Theo mặc định đo từ 0 đến 5 volts, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng chân Aref và analogReference) chức năng.