ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 MỤC LỤC TRANG TỰA PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày phát tiến xã hội Với mục đích phục vụ cho sơng người ngày hoàn thiện phát triển Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật, kỹ nguyên công nghệ tiếp tục phát triển khơng ngừng nhằm thơng minh hóa, đại hóa hệ thống Vì em chọn đề tài: “ thiết kế Led đơn sáng tắt dùng Arduino Uno R3” để hiểu rõ thêm mạch điện bản, ứng dụng đời sống thực tế hết hiểu cấu tạo, chức vi điều khiển MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Thực hoàn chỉnh đề tài nghiên cứu ứng dụng vào đề tài thực tế - Phát triển đề tài khắc phục hạn chế gặp phải - Tìm hiểu thiết kế thành công Led đơn sáng tắt dùng Arduino Uno R3 ĐỐI TƯỢNG VÀ KHÁCH THỂ 3.1 Đối tượng nghiên cứu Led đơn sáng tắt dùng Arduino Uno R3 3.2 Khách thể nghiên cứu - Tham khảo thực tế dạng Led đơn dùng Arduino Uno R3 có thị trường Vận dụng kiến thức lý thuyết thực hành học mơm mạch điện tử lập trình để thực đề tài NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Để thực thành công đề tài “ THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TĂT DÙNG ARDUINO UNO R3” , người nghiên cứu bỏ nhiều thời gian để tìm hiểu led, tham khảo sở lý thuyết Trong phạm vi đề tài, người nghiên cứu thực nhiệm vụ sau đây: ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 - Đọc kỹ tài liệu liên quan mạch điện tử, lập trình Bố trí led Nối dây bóng led với board Arduino Uno R3 Nạp code hiệu cho board Arduino Uno R3 Tham khảo led thực tế thiết kế cho thẩm mỹ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu Nghiên cứu đề tài sau: - Các giáo trình lý thuyết như: mạch điiện tử, lập trình bản,… Các sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối nhà sản xuất đề Tham khảo thiết kế có sẵn wed tài liệu liên quan 5.2 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn - Tham khảo ý kiến giảng viên chuyên ngành - Tìm hiểu led có thị trường ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 PHẦN NỘI DUNG Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 ĐIỆN TRỞ Điên trở linh kiện có tính cản trở dòng điện, điện trở tiêu thụ điện chuyển thành nhiệt làm số chức khác tùy vào vị trí điện trở mạch Cấu tạo: cấu tạo từ vật liệu điện trở suất cao như: than, magie, kim loại NIO2, oxit kim loại, dây quấn Người ta sử dụng vòng màu để hiển thị giá trị điện trở Kí hiệu: Hình ảnh thực tế: Hình 1.1 Hình dạng thực tế số điện trở Cách đọc điện trở vòng màu: • Vạch màu thứ nhất: giá trị hàng chục giá trị điện trở ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 • Vạch màu thứ hai: giá trị hàng đơn vị giá trị điện trở • Vạch màu thứ ba: hệ số nhân với giá trị số mũ 10 dùng nhân với giá trị điện trở • Vạch màu thứ tư: giá ntrij sai số điện trở • Điện trở dẫn điện tốt giá trị nhỏ ngược lại Giá trị điện trở tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, GΩ • Vòng màu điện trở Hình 1.2 Bảng cách đọc điện trở theo vòng màu 1.2 TỤ ĐIỆN Tụ điện tích lượng dạng lượng điện trường, sau lượng giải phóng ĐIều thể đặc tính tích phóng điện tụ điện Tụ điện gồm cực làm chất dẫn điện đặt song song với nhau, lớp cách điện gọi chất điện môi ( giấy tẩm dầu, mica, hay gốm, khơng khí) Chất cách điện lấy làm tên gọi cho tụ điện ( tụ giấy, tụ dầu, tụ gốm hay tụ khơng khí) Có loại tụ chính: tụ phân cực tụ khơng phân cực Tụ phân cực có trị số lớn phân biệt âm dương Ký hiệu: Hình dạng tụ: ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 1.3 Hình dạng thực tế số loại tụ Đơn vị: đơn vị tụ Fara, Fara có trị số lớn thực tế người ta dùng đơn vị nhỏ hơn: • Pico Fara(P), 1P=1/10-12 Fara • Nano Fara(N), 1N=1/10-9 Fara • Micro Fara(U), 1U=10-6 Fara Cách đọc giá trị thân tụ: • Đọc trực tiếp thân tụ Sau trị số điện dung có trị số điện áp, điện áp ghi tụ điện áp cực đại mà tụ chịu được, nêu vượt q giá trị tụ cháy nổ hay hư hỏng 1.3 LED Cấu tạo Led: Bản chất LED đi-ốt, chứa chíp bán dẫn có pha tạp chất để tạo tiếp giáp P-N, kênh P chứa lỗ trống, kênh N chứa điện tử, dòng điện truyền từ A-nốt (kênh P) đến K-tốt (kênh N), điện tử lấp đầy chỗ trống sinh xạ ánh sáng, bước sóng phát có màu khác tùy thuộc vào tạp chất chip bán dẫn ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 1.4 Cấu tạo led Hoạt động LED: • giống nhiều loại đi-ốt bán dẫn khác Tùy theo mức lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát khác ( tùy màu sắc LED khác nhau) Mức lượng (màu sắc LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc lượng nguyên tử chất bán dẫn • Tùy vào loại LED mà điện áp phân cực thuận khác Đối với LED thường điện áp phân cực thuận khoảng 1,5V đến 2,5V; LED siêu sáng điện áp phân cực thuận lên tới 5V • LED hoạt động bình thường cường độ điện từ 10mA đến 50mA Hình dạng số loại led: Hình 1.5 Các loại led 1.4 BOARD ARDUINO UNO R3 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 1.6 Hình dạng thực tế Arduino UNO R3 1.4.1 Thông số kỹ thuât Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atmega328 họ 8bit Điện áp thông dụng 5V DC( cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng – 12v DC Điện áp vào giới hạn – 20V DC Số chân Digital I/O 14 (7 chân hardwware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3,3V) 50 mA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 0,5KB dùng tới bootloader SRAM KB (Atmega328) EEPROM 1KB (Atmega328) 1.4.2 Vi điều khiển Arduino Uno R3 Arduino Uno sử dụng vi điều khiển họi 8bit AVR Atmega8, Atmega168, Atmega328 Chip xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên man hình LCD,… Nguồn Arduin Uno R3 cấp nguồn qua: Thơng qua cổng USB với mức điện áp 5v, nguồn dùng với điện áp – 12V DC giới hạn – 20V Thơng thường bạn sử dụng pin 9v để cấp nguồn cho Arduino 1.4.3 Các chân lượng Arduino Uno R3 GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino Uno Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với 5V: cấp điện áp 5V cho đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA 3,3V: cấp điện áp 3,3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA Vin (Voltage Input): để cấp cho nguồn Arduino Uno, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND IO-REF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino Uno đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn RESET: việc nhấn nút Reset board reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Lưu ý: • Arduino Uno khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào: bạn phải cẩn thận, kiểm tra cực âm – dương nguồn trước cấp cho Arduino Uno Việc làm chập mạch nguồn vào làm Arduino không sử dụng Trong thời gian đầu tìm hiểu tốt sử dụng nguồn cấp qua cổng USB • Các chân 3,3V 5V Arduino: chân dùng để cấp nguồn cho thiết bị khác, chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí làm hỏng board • Cấp nguồn: cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino Uno với điện áp 6V làm hỏng board ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 • Cấp điện áp: cấp 3V vào chân RESET board làm hỏng vi điều khiển Atmega328 • Cường độ dòng điện vào/ra: tất chân Digital Analog Arduino Uno vượt 200mA làm hỏng vi điều khiển • Cấp điện áp: 5,5V vào chân Digital Analog Arduino Uno làm hỏng vi điều khiển • Cường độ dòng điện: qua chân Digital Analog Arduino Uno vượt 40mA làm hỏng vi điều khiển Do khơng dùng để truyền nhận liệu, bạn phải mắc điện trở hạn dòng Bộ nhớ Arduino Uno R3 Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: • 32KB nhớ ngồi Flash: đoạn lệnh bạn lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Sẽ có khoảng vài KB số dùng cho bootloader thường phải sử dụng 20kb nhớ • 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): tương tự ổ cứng mini – nơi đọc ghi liệu vào mà lo bị mất điện giống liệu SRAM 10 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 1.9 Vùng viết chương trình Arduino 1.0.5 • Vùng thơng báo (debug): Những thơng báo từ IDE hiển thị Để ý góc bên phải hiển thị loại board Arduino cổng COM sử dụng Luôn ý tới mục chọn sai loại board cổng COM, bạn upload code Hình 1.10 Vùng thơng báo Arduino 1.0.5 • Một số lưu ý: Khi lập trình, bạn cần chọn port (cổng kết nối gắn board vào) board (tên board mà bạn sử dụng) Giả sử, bạn dùng mạch Arduino Uno, 13 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 gắn vào máy tính cáp USB nhận COM4 bạn chỉnh lập trình Hình 1.11 Tùy chỉnh Arduino Uno thông qua cáp USB 14 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Chương 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 2.1 LINH KIỆN Các linh kiện cần chuẩn bị: Board Arduino Uno R3 bóng led điện trở 150 Ohm nguồn 5v + dầu dây nối dây cáp màu loại đực – đực đực – - 2.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA MẠCH Nguồn 5V 9V Tín hiệu số Khối vi xử lý Led đơn Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch led dùng Arduino Uno R3 2.3 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ SIM1 R1 150 R2 AREF ARDUINO RESET ATMEL DIGITAL (PWM~) ANALOG IN SIMULINO POWER A0 A1 A2 A3 A4 A5 ATMEGA328P 5V GND 13 12 ~11 ~10 ~9 150 R3 150 ~6 ~5 R4 ~3 TX > RX < 150 R5 www.arduino.cc blogembarcado.blogspot.com 150 SIMULINO UNO R6 150 R7 150 R8 150 D1 LED-BLUE D2 LED-BLUE D3 LED-BLUE D4 LED-BLUE D5 LED-BLUE D6 LED-BLUE D7 LED-BLUE D8 LED-BLUE Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch led đơn sáng tắt dùng Arduino Uno 2.4 TIẾN HÀNH LẮP LED ĐƠN SÁNG TĂT 15 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 - Các chân dương led hàn nối tiếp với nối với chân nguồn Các chân âm hàn nối với điện trở Hình 2.3 Các chân dương hàn nối tiếp Hình 2.4 Hàn điện trở vào chân âm led 2.5 NÓI CHÂN LED VỚI ARDUINO 16 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 2.5 Kết nối led với board Arduino Uno R3 Bảng hướng dẫn nối led với board Arduino Uno R3 Led nối chân 13 Led nối chân Led nối chân 12 Led nối chân Led nối chân 11 Led nối chân Led nối chân 10 Led nối chân 17 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 Hình 2.6 Sản phẩm sau hoàn thành 2.6 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HÀM TRONG PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE Các hàm nhập xuất Digital (digital I/O): • pinMode(): Cấu hình pin quy định hoạt động đầu vào (INPUT) đầu (OUTPUT) Xem mô tả kỹ thuật số ( datasheet) để biết thêm chi tiết chức chân Cú pháp: pinMode(pin,mode) Trong đó: - pin: số chân digital mà bạn muốn thiết đặt mode: INPUT, INPUT_PULLUP OUTPUT Trả về: khơng Ví dụ: Int ledPin = 10: // đèn LED kết nối với chân digital 10 void setup() 18 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 { pinMode(ledPin, OUTPUT); // thiết đặt chân ledPin OUTPUT } void loop() { digitalWrite(ledPin, HIGH); delay(1000); // bật đèn led // dừng giây digitalWrite(ledPin,LOW); delay(1000); // tắt đèn led // dừng giây *Ghi chú: chân Analog sử dụng dạng Digital I/O Ví dụ: A0, A1, A2,… • digitalRead(): đọc tín hiệu từ chân digital (được thiết đặt INPUT) Trả giá trị HIGH LOW Cú pháp: digitalRead(pin) Trong đó: - Pin: giá trị digital muốn đọc Trả HIGH LOW Ví dụ: Ví dụ làm cho đèn led pin 10 nhận giá trị giá trị pin int ledPin = 10; int inPin = 2; int val = 0; // chân led 10 // button chân // biến “val” dùng để lưu tín hiệu từ digitalRead void setup() { pinMode(ledPin,OUTPUT); pinMode(inPin,INPUT); // đăt pin digital 10 output // đặt pin digital input } void loop() 19 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 } val = digitalRead(inPin); // đọc tín hiệu từ digital2 digitalWrite(ledPin, val); // thay đổi giá trị đèn LED giá trị digital } *Chú ý: -Nếu chân input khơng kết nối với thứ hàm digitalRead() trả tín hiệu HIGH LOW cách - Các chân Analog dùng digitalRead với cổng pin có tên là: A0, A1, A2,… • digitalWrite(): Xuất tín hiệu chân digital, có giá trị HIGH LOW Nếu pin thiết đặt OUTPUT pinMode() Và bạn dùng digitalWrite để xuất tín hiệu điện chân 5V (hoặc 3,3V mạch 3,3V) xuất tín hiệu HIGH, 0V xuất tín hiệu LOW Nếu pin thiết đặt INPUT pinMode() Lúc digitalWrite bật (HIGH) tắt (LOW), hệ thống điện trở pullup nội Chúng khuyên bạn nên dùng INPUT_PULLUP muốn bật hệ thống điện trở pullup nội Cú pháp: digitalWrite(pin,value) Trong đó: - Pin: số chân digital mà bạn muốn thiết đặt Value: HIGH LOW Trả : khơng ví dụ: int ledPin = 13; // đèn LED kết nối với chân digital 13 void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); //thiết đặt chân ledPin OUTPUT } Void loop() } digitalWrite(ledPin,HIGH); delay(1000); //bật đèn led //dừng giây 20 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ LED ĐƠN SÁNG TẮT DÙNG ARDUINO UNO R3 digitalWrite(ledPin,LOW); delay(1000); //tắt đèn led //dừng giây } Một số hàm tốn học: • constranin(): Bắt buộc giá trị nằm khoảng cho trước Cú pháp: constrain(x,a,b) Trong tham số: - X: giá trị cần xét a: chặn (a giá trị nhỏ khoảng) b: chặn (b giá trị lớn khoảng) - x: a