Chương 1: Tổng quan 3 Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG 2.1 Tổng quan 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). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến nhiều. Vậy Arduino là “cái” gì? 2.1 Arduino là gì? Arduino là một nền tảng điện tử mã nguồn mở, với phần cứng và phần mềm linh hoạt, dễ dàng sử dụng.
Arduino thường gồm một board mạch điện tử có vi xử lý, có thể kết nối với máy tính thông qua cổng USB. Bằng phần mềm Arduino trên máy tính, người dùng có thể viết và nạp chương trình xuống board, để thực hiện các tác vụ như mong muốn. Người dùng có thể ứng dụng Arduino để lập trình tương tác với đèn, động cơ, cảm biến hoặc các thiết bị khác.2 Khả năng của bo mạch Arduino Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit megaAVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả Chương 2: Cở sở lý thuyết phần cứng Trang 4 Đồ án tốt nghiệp năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
Xung nhịp: 16MHz EEPROM: 1KB (ATmega328) và 4KB (ATmega2560) SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560) Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560) Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào: a) Digital: Các bo mạch Arduino đều có các cổng digital có thể cấu hình làm ngõ vào hoặc ngõ ra bằng phần mềm. Do đó người dùng có thể linh hoạt quyết định số lượng ngõ vào và ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54. b) Analog: Các bo mạch Arduino đều có trang bị các ngõ vào analog với độ phân giải 10 bit (1024 phân mức, ví dụ với điện áp chuẩn là 5V thì độ phân giải khoảng 0.
Số lượng cổng vào analog là 6 đối với Atmega328. Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, ánh sáng, siêu âm Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra: a) Digital output: Tương tự như các cổng vào digital, người dùng có thể cấu hình trên phần mềm để quyết định dùng ngõ digital nào là ngõ ra. Tổng số lượng cổng digital trên các mạch dùng Atmega328 là 14, và trên Atmega2560 là 54. b) PWM output: Trong số các cổng digital, người dùng có thể chọn một số cổng dùng để xuất tín hiệu điều chế xung PWM.
Độ phân giải của các tín hiệu PWM này là 8-bit. Số lượng cổng PWM đối với các bo dùng Atmega328 là 6, và đối với các bo dùng Atmega2560 là 14. PWM có nhiều ứng dụng trong viễn thông, xử lý âm thanh hoặc điều khiển động cơ mà phổ biến nhất là động cơ servos trong các máy bay mô hình.3 Phần mềm lập trình Môi trường phát triển tích hợp (IDE) Arduino là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java, và được dẫn xuất từ IDE cho ngôn ngữ lập trình xử lý và các dự án lắp ráp. Nó được thiết kế để làm nhập môn lập trình cho các nhà lập trình và những người mới sử dụng khác không quen thuộc với phát triển phần mềm.
Nó bao gồm một trình soạn thảo mã với các tính năng như làm nổi bật cú pháp, khớp dấu ngặc khối chương trình, và thụt đầu dòng tự động, và cũng có khả năng biên dịch và tải lên các chương Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 5 Đồ án tốt nghiệp trình vào bo mạch với một nhấp chuột duy nhất. Một chương trình hoặc mã viết cho Arduino được gọi là “sketch”. Chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là “Wiring” từ dự án lắp ráp ban đầu, cho hoạt động đầu vào/đầu ra phổ biến trở nên dễ dàng hơn nhiều.
Người sử dụng chỉ cần định nghĩa hai hàm để thực hiện một chương trình điều hành theo chu kỳ: setup( ): hàm chạy một lần duy nhất vào lúc bắt đầu của một chương trình dùng để khởi tạo các thiết lập đầu chương trình. loop( ): hàm được gọi vòng lặp tuần hoàn cho đến khi bo mạch được tắt đi.2: Lưu đồ chương trình Arduino IDE sử dụng GNU toolchain và AVR libc để biên dịch chương trình, và sử dụng avrdude để tải lên các chương trình vào bo mạch chủ. Do nền tảng Arduino sử dụng vi điều khiển Atmel, môi trường phát triển của Atmel, AVR Studio hoặc Atmel Studio mới hơn, cũng có thể được sử dụng để phát triển phần mềm cho các Arduino 2.4 Shield tương thích mở rộng Arduino và bảng mạch Arduino tương thích sử dụng các shield – bo mạch mạch điện được cắm vào bo mạch Arduino chính thường thông qua các đầu chân cắm trên bo mạch Arduino chủ. Shiel có thể cung cấp chức năng điều khiển động cơ, GPS, kết nối mạng ethernet, màn hình LCD, hoặc bảng mạch khung (tạo mẫu).
Một số shield cũng có thể được chế tạo để thực hiện DIY. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 6 Đồ án tốt nghiệp Hình 2.3: các loại shield cho arduino 2.2 Các loại bo mạch Arduino Về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính (thường được gọi là shield). Các bo 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 bo có trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth.
Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính ví dụ như tính năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ v.4: Các loại Board Arduino Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 7 Đồ án tốt nghiệp 2.1 Arduino Uno R3 Hình 2.5: Board Arduino Uno R3 Hình trên là cận cảnh con Arduino Uno. Đối với chúng ta để sử dụng Arduino thì trước tiên cần quan tâm các thành phần được đánh số ở trên: (1) Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy tính. (2) Jack nguồn: để chạy Arduino thì 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 9V đến 12V. (3) Hàng Header: đánh số từ 0 đến 13 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu số. Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF). (4) Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn.
(5) Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog. Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến. (6) Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau.
Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328. Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 8 Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của board Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) 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) Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA Dòng ra tối đa (5V) 500 mA Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi Bộ nhớ flash bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) 2.2 Arduino sim900 shield Modules SIM900 GSM/GPRS Shield sử dụng mạng điện thoại di động GSM để nhận dữ liệu từ một địa điểm từ xa. Module Sim900 đáp ứng được cả 3 dịch vụ: Tin nhắn (Short Message Service) Âm thanh Dịch vụ GPRS Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 9 Đồ án tốt nghiệp Module Sim900 GSM/GPRS Shield tương thích và phù hợp với hầu hết các board Arduino như (Uno R3, Mega 2560…). GPRS Shield được cấu hình và điều khiển thông qua UART bằng cách sử dụng lệnh AT.
Dựa trên các mô-đun SIM900, GPRS Shield giống như một điện thoại di động. Ngoài những tính năng truyền thông, GPRS Shield có 12 GPIOs, 2 PWM và ADC.6: Moduled sim900 shield Tính năng − Dựa trên SIMCOM của module SIM900 − Quad-Band 850/900/1800/1900 MHz – sẽ làm việc trên các mạng GSM ở tất cả các nước trên thế giới. − Điều khiển thông qua lệnh AT − Dịch vụ tin nhắn ngắn – để bạn có thể gửi một lượng nhỏ dữ liệu qua mạng (ASCII hoặc thập lục phân thô). − Embedded TCP/UDP stack – cho phép bạn upload dữ liệu lên một máy chủ web.
− Loa và jack cắm tai nghe – để bạn có thể gửi tín hiệu DTMF hoặc ghi âm như một máy trả lời. − Hiện được chủ thẻ SIM và GSM Antenna. − 12 GPIOs, 2 PWM và ADC (tất cả các logic 2.8 volt) – để tăng thêm chân Arduino của bạn. − Tiêu thụ điện năng thấp – 1.5mA (chế độ ngủ) − Dải nhiệt độ hoạt động -40 ° C đến 85 ° C Chương 2: Cơ sở lý thuyết phần cứng 10 Đồ án tốt nghiệp Mô tả phần cứng Hình 2.6: Mô tả phần cứng sim900 shield - Power select – Công tắc bật nguồn cho module sim900 GSM/GPRS.