“Thiết kế hệ thống điều khiển dây chuyền chiết rót trong nhà máy sữa tươi bằng arduino và mô phỏng qua Proteus có file mô phỏng cuối bài hoặc pm sdt : 0799008541

LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết sự phái triển của khoa học kỹ thuật qua từng thời kì lịch sử,
nó đã có những ảnh hưởng khơng nhỏ để thúc đẩy nên kinh tế phát triển, cụ thể là
trong các ngành sản xuất cơng nghiệp hiện đại. Có thể nói rằng sự phát triển của Công
nghệ điện tử - tin học, được coi là một cuộc cách mạng công nghệ trên toàn thế giới. Ở
nước ta, ngành kĩ thuật điện tử - tin học đã được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển tự
động, đặc biệt là kĩ thuật vi xử lí.
Trên thế giới hiện nay người ta đã sản xuất ra những thiết bị có thể lập trình được.
Đó chính là thiết bị điều khiển có lập trình Programable Logic Controlle viết tắt là
PLC. PLC có thể coi là một ứng dụng điển hình của mạch vi xử lí. So với q trình
điều khiển bằng mạch điện tử thơng thường thì PLC có nhiều ưu điểm hơn hẳn, ví dụ
như: Kết nối mạch điện đơn giản, rút ngắn được thời gian lắp đặt cơng trình, dễ dàng
thay đổi cơng nghệ nhờ việc thay đổi nội dung chương trình điều khiển, ứng dụng điều
khiển trong phạm vi rộng, độ tin cậy cao... Sự ra đời của các thiết bị điều khiển này đã
làm thay đổi năng suất lao động và chất lượng sản phẩm rõ rệt. Vì vậy việc cải tiến và
phát triển các thiết bị điều khiển luôn được quan tâm, để đáp ứng yêu cầu thay thế con
người trong các môi trường độc hại, các yêu cầu về cơng nghệ mới địi hỏi sự chính
xác tuyệt đối.
Trong q trình học tập và làm việc tại trường, tìm hiểu các bộ điều khiển, em được
giao đề tài đồ án môn học với nội dung: “Thiết kế hệ thống điều khiển dây chuyền
chiết rót trong nhà máy sữa tươi” .
Bản đồ án này được hoàn thành với sự hướng dẫn trực tiếp và nhiệt tình của cơ
giáo Ngơ Thị Lê cùng với các thầy cô giáo giúp đỡ em nhiệt tình, cùng với sự nỗ lực
của bản thân. Em đã hoàn thành đề tài được giao.
Do hạn chế về thời gian và kinh nghiệm thực tế không nhiều, nên bản đồ án này
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự đóng góp ý kiến của q thầy cơ,
bạn bè và đồng nghiệp để cho đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!..
Tp.Vinh, ngày…tháng … năm 2022
Sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 : TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ
1.1 Đặt vấn đề
1.1.1 Sơ lược về hệ thống chiết rót, đóng nắp
Hệ thống chiết rót, dập nắp là dây chuyền được lắp đặt, thiết kế hiện đại, đạt
tiêu chuẩn cao đảm bảo dây chuyền hoạt động ổn định và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Thiết bị điều khiển PLC cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển thơng
qua một ngơn ngữ lập trình sẵn tạo điều kiện trong cơng tác quản lý sản xuất và tiết
kiệm nhân công.
Dây chuyền được kết hợp giữa các khâu dán nhãn, định mức, chiết rót,
đóng nắp, đóng thùng bán tự động.
Mỗi khâu là một máy được ghép với nhau thành dây chuyền. Công nhân
chỉ tham gia vào một số công đoạn như xếp chai trên các băng truyền, đóng thùng
và vận hành máy thơng qua các giao diện. Các máy đều có 2 chế độ hoạt động
auto / manual giúp người sử dụng có thể kiểm tra hoạt động của các chức năng.
1.2 Yêu cầu cơng nghệ
1.2.1 Máy chiết rót
Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ
có cách chiết rót khác nhau như: chất lỏng cơ đặc, nước có gaz,nước khơng gaz.
Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót
vào trong chai, bình, lọ, v.v.. Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm. Khi định lượng bằng máy thì cải
thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm
một cách chính xác. Hiện nay với công nghệ hiện đại, rất nhiều quy trình cơng
nghiệp được tự động hóa. Trong đó dây chuyền chiết rót và đóng nút chai tự động
là một trong những hệ thống được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi.
Một hệ thống sản xuất các chất lỏng đóng chai thường được phân chia thành
nhiều khâu nối tiếp nhau. Một quy trình khép kín có thể được mơ tả như sau:

Hình 1.2 Máy chiết rót tự động

Từ khâu cấp chai, các chai được đưa vào hệ thống băng tải, trước tiên chai
được cho qua hệ thống rửa. Chai dùng trong hệ thống đóng chai thường là chai
thành phẩm, nên thường tại khâu này chỉ qua súc rửa để làm sạch bụi. Sau khi
được rửa sạch, các chai được băng tải đưa đến hệ thống rót liệu, tới vị trí rót, để
đảm bảo có thể bố trí các cơ cấu cơ khí để kẹp giữ chai. Tại đây, chất lỏng được
chiết vào chai theo các phương pháp khác nhau, chiết đẳng áp, chiết đẳng tích,
chiết định lượng…Khi chiết xong, chai được băng tải vận chuyển đến vị trí đóng
nút hoặc đóng nắp. Khâu đóng nút( nắp) bao gồm cơ cấu cấp phơi và đóng
nút( nắp). Cơ cấu đóng có thể là xi lanh khí nén (với nút dập) hoặc motor (với nút
vặn).
Sau khi đóng nút (nắp) xong, là khâu dán nhãn. Cơ cấu bơi kéo dính được gắn
ngay trên băng tải và bố trí tiếp tuyến sao cho tì vào mặt chai, ngồi chuyển động
thẳng trên băng tải, chai cịn chuyển động quay trịn do lực tì của cơ cấu bơi keo.
Tương tự với cơ cấu cấp nhãn, chai sau khi bơi keo, quay trịn, cuốn băng giấy
nhãn 1 vịng quanh chai.
Khâu cuối cùng là khâu kiểm tra và đóng gói sản phẩm. Khâu kiểm tra bao
gồm 1 loạt các cảm biến để kiểm tra chất lƣợng sản phẩm (đủ định mức, đóng nút,
dán nhãn đạt yêu cầu…) sau khi kiểm tra sẽ qua cơ cấu phân loại, 1 tay gạt sẽ loại
bỏ chai sang 1 băng tải khác. Các chai đạt tiêu chuẩn sẽ qua khâu đóng gói, chai


được xếp thành khối nhờ các tay máy gạt và nâng hạ. Như vậy tồn bộ quy
trình cơng nghệ chiết rót, đóng nút chai được tự động hóa hồn tồn, với đầu vào
là nguyên liệu và chai rỗng, đầu ra là sản phẩm có thể đem bán trực tiếp.
Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:
Định lượng bằng bình định mức : chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình
định mức trước khi rót vào chai

 Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố
định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai;
khi đó mức lỏng trong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích
của các chai có bằng nhau hay khơng. Ngồi ra cịn sử dụng ống thơng hơi, chất
lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dừng lại. Phương pháp này
có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai.

 Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai trong
khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là khơng đổi.
phương pháp này chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp, khơng u cầu
độ chính xác định lượng.
Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có :

 Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai độ chênh lệch
về độ cao thủy tĩnh. Tốc độ chảy chậm nên chỉ thích hợp với các chất lỏng ít
nhớt.

 Phương pháp rót chân khơng: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất
lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai.
Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp
bù trừ hoặc chiết đầy chai.

 Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các có gas như
bia, nước ngọt. Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hơn áp suất khí quyển
nhằm tránh khơng cho ga (khí CO2) thốt khỏi chất lỏng. Với phương pháp rót
đẳng áp thơng thường, người ta nạp khí CO2 vào trong chai cho đến khi áp suất
trong chai bằng áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa
chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao
Máy định mức, chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu rót

được bố trí chiết cho 1 chai. Các cơ cấu rót có thể được bố trí thẳng hàng, làm việc
cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần
tự (máy chiết bàn quay) như hình bên dưới:

Hình 1.3 Máy chiết rót bàn quay

1.2.2 Máy đóng nắp chai
Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống,
thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất cơng nghiệp. Máy có tác dụng đóng bao kín các
loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, khơng rị rỉ chất lỏng ra
ngoài.
Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng
chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt
động. Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất
cả các nắp phải được đóng kín.


Hình 1.4 : Máy đóng nắp và chiết rót tích hợp
1.2.3 Yêu cầu chung của hệ thống
- Tốc độ sản xuất ra 1 sản phẩm của dây chuyền phải nhanh.
- Giá nhân công và làm ra sản phẩm phải hạ.
- Chất lượng cao và ít phế phẩm.
- Thời gian chết của máy móc là ít và có thế là khơng có.
- Máy móc sản xuất giá rẻ.
- Vốn đầu tư phù hợp.
- Chi phí vận hành thấp.
1.3. Các thiết bị có trong hệ thống
1.3.1 Động cơ băng tải
Động cơ băng tải chính là 1 cơ chế hay một máy có khả năng vận chuyển được

một tải đơn, chẳng hạn như hộp, túi, thùng carton, hay 1 số lượng lớn vật liệu, chẳng
hạn như đất, bột, hóa chất, thực phẩm,… từ điểm A di chuyển đến điểm B.
Hay nói cách khác, băng tải là thiết bị có chức năng chuyển tải với đặc tính kinh
tế cao nhất trong số rất nhiều các ứng dụng vận chuyển hàng hóa hay nguyên vật liệu
sản xuất cho dù là bất cứ khoảng cách nào.
b) Cấu tạo của động cơ giảm tốc
Motor cơ giảm tốc được cấu tạo từ 2 phần chính là: Động cơ điện và hộp giảm tốc.
Động cơ điện :


Động cơ điện là thiết bị sử dụng điện năng chuyển hóa thành cơ năng để vận
hành các máy móc và thiết bị. Thiết bị này gồm có 2 loại là động cơ điện xoay chiều 1
pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Động cơ điện là thiết bị sử dụng điện năng chuyển hóa thành cơ năng để vận
hành các máy móc và thiết bị. Thiết bị này gồm có 2 loại là động cơ điện xoay chiều 1
pha và động cơ điện xoay chiều 3 pha.
Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc là bộ phận có chứa bộ truyền động sử dụng bánh răng, trục vít,…
Nó có nhiệm vụ làm giảm tốc độ của vòng quay. Hộp này là cơ cấu truyền động ăn
khớp trực tiếp với tỷ số truyền không thay đổi.
Hộp giảm tốc được sử dụng để giảm vận tốc góc và tăng momen xoắn. Đồng thời,
nó cũng là bộ phận trung gian giữa động cơ điện và máy cơng tác.

Hình 1.5 : Cấu tạo của động cơ giảm tốc
c) Nguyên lý hoạt động của motor giảm tốc
Khi rulo chủ động quay sẽ làm cho dây băng tải có thể chuyển động nhờ lực ma
sát giữa rulơ cùng với dây băng băng tải. Để tạo ra lực ma sát giữa phần rulo và dây
băng tải khi dây băng tải gầu lúc này đang bị trùng thì chúng ta cần điều chỉnh rulo bị
động để cho dây băng tải sẽ căng ra. Từ đó, tạo lực ma sát giữa dây băng tải và rulo
nhằm chủ động lực ma sát ở giữa dây băng tải và rulo sẽ làm cho băng tải xuất hiện

chuyển động tịnh tiến.
Khi các vật liệu khi đã rơi xuống trên bề mặt của dây băng tải, lúc này nó sẽ
được di chuyển đến vị trí khác nhờ vào chuyển động của băng tải. Để tránh tình trạng
băng tải bị võng xuống do tải quá nặng, người ta đã sử dụng các con lăn đặt ở phía
dưới bề mặt của băng tải. Đồng thời, điều này cũng làm giảm đi phần nào lực ma sát
trên đường đi của băng tải.
Một vấn đề quan trọng nữa là dây của băng tải phải có hệ số giãn dây thấp thì sẽ
vận chuyển được nhiều và trong thời gian ngắn hơn.


Hình 1.6 : Sơ đồ mạch động lực cho động cơ
1.3.2 Băng tải
Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo
phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này
được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các
xưởng luyện kim dùng để vận chuyển các linh kiện điện tử hoặc lắp ráp xe cộ và cả
trong bưu điện
Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc
1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa
chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các
công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng
được.
Ưu điểm của băng tải :
Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng
nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng.
Vốn đầu tư khơng lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng
dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển
khác không lớn lắm.
Cấu tạo chung của băng tải :

Hình 1.7: Cấu tạo chung băng chuyền
– Khung băng tải: thường được làm bằng nhơm định hình, thép sơn tĩnh điện
hoặc inox.
– Băng tải: Thường là dây băng tải cao su lõi bố PE, lõi thép, hoặc băng tải nhựa
PVC với các quy cách khác nhau.
– Động cơ: Có các loại động cơ giảm tốc công suất 0.2KW, 0.4KW, 0.75KW,
1.5KW, 2.2KW.
– Bộ điều khiển: Thường gồm biến tần, sensor, timer, PLC…
– Cơ cấu truyền động: Rulo kéo, con lăn đỡ, nhơng xích…
– Hệ thống bàn thao tác: thường bằng gỗ, thép hoặc inox trên mặt có dán thảm
cao su chống tĩnh điện.
– Hệ thống đường khí nén và đường điện.
– Hệ thống điện chiếu sáng.
Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn. năng suất của băng tải loại này
có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s. Chiều dài của băng tải là không
hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN.
- Băng tải xoắn vít: có 2 kiểu cấu tạo:
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn.
Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.
+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn
phải, 1 có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực
hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động.
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi
măng.
Lựa chọn loại băng tải:


Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể

lựa chọn một số loại băng tải sau:
Tuy nhiên khi chọn loại băng tải nên quan tâm đến trạng thái và mục đích sử
dụng của nó theo bảng sau:
Bảng 1.1: Mục đích sử dụng của các loại băng tải
Loại băng tải

Tải trọng

Phạm vi ứng dụng

Băng tải dây đai

< 50 kg

Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên
công hoặc vận chuyển thùng chứa trong
gia cơng cơ và lắp ráp.

Băng tải lá

25 ÷ 125 kg

Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia
công chuẩn bị phơi và trong lắp ráp

Băng tải thanh đẩy

50 ÷ 250 kg

Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ

phận trên khoảng cách >50m.

Băng tải con lăn

30 ÷ 500 kg

Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa
các nguyên công với khoảng cách
<50m.

Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận
chuyển.Tuy nhiên chúng địi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, địi hỏi độ chính xác cao, giá
thành khá đắt.
Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong
mơ hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây đai để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền
trong nhà máy với những lý do sau đây:
- Tải trọng băng tải không quá lớn.
- Kết cấu cơ khí khơng q phức tạp.
- Dễ dàng thiết kế chế tạo.
- Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải.
Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như độ chính xác khi vận
chuyển khơng cao, đơi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ
môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian…
1.3.3. Xi lanh thuỷ lực


Trong hệ thống thủy lực có rất nhiều thiết bị như: van các loại, lọc dầu, thùng chứa,
phụ kiện, ống dẫn, đồng hồ đo áp, motor, bơm thủy lực, xi lanh… Tất cả những thiết bị
này được kết nối với nhau để tạo nên một hệ thống làm việc khép kín.
Trong đó, xi lanh thủy lực đóng vai trị là thiết bị chấp hành quan trọng, là một bộ

phận chính của cơ cấu truyền động. Vậy chức năng của xy lanh này là gì?
Thiết bị này dùng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực
thành động năng để có lực ở đầu cần, tác động thực hiện những nhiệm vụ: ép, nén,
kéo, đẩy, nghiền… theo yêu cầu.
a)Cấu tạo của pittong thuỷ lực :

Hình 1.8 : Cấu tạo xi lanh thuỷ lực
Ống xi lanh
Ống xi lanh thủy lực là một bộ phận có hình trụ trịn liền mạch. Nó cịn có thể
gọi là thùng xi lanh nhưng dù với tên gọi nào thì chức năng của nó là chứa và giữ áp
suất xi lanh.
Piston được chứa trong ống. Ống được mài nhẵn, mịn để bề mặt có thể đạt độ
hồn thiện từ 4-16 microinch.
Đế hoặc nắp hình trụ
Đế thực hiện nhiệm vụ đi kèm với buồng áp suất ở một đầu. Trong đó, nắp được
nối với thân xi lanh thơng việc lắp bu lơng, hàn xì hoặc thanh tie. Giữa nắp và ống xy
lanh sẽ được lắp bằng seal tĩnh. Dựa trê thông sống của ứng xuất uốn mà khách hàng
có thể xác định được cơ bản kích thước nắp.
Đầu xi lanh (Cylinder head)
Đầu là bộ phận của xi lanh, có chức năng đi kèm với buồng áp suất ở đầu còn
lại. Đầu xi lanh được kết nối với xi lanh qua các thanh tie hoặc bu lơng.
Giữa đầu và ống có lắp o-ring. Tùy loại mà đầu có thể chứa một tuyến niêm
phong hoặc niêm phong que thích hợp.


Pít tơng (Piston)
Đây là chi tiết quan trọng, nó làm nhiệm vụ phân tách các vùng áp lực bên
trong ống. Thông thường, piston được các nhà sản xuất gia công sao cho phù hợp với
các seal, phốt, kim loại đàn hồi. Tùy theo thiết kế mà seal (con dấu) có thể đơn hoặc
kép.

Các piston được gắn với thanh piston thông qua bu lơng, một số loại thì có thể
là các loại hạt. Lưu ý, sự khác biệt về áp suất của hai bên thân piston sẽ làm ống giãn
ra và rút lại.
Tìm hiểu thêm: Các cách làm kín piston xi lanh khí nén, thủy lực
Thanh piston (Piston rod)
Thơng thường, người ta chọn thép, thép mạ crom để làm thanh piston sao cho
đảm bảo độ cứng cáp, chống ăn mòn tốt nhất.
Chức năng của thanh piston đó là nối kết thành phần của máy với thiết bị truyền
động để thực hiện nhiệm vụ công việc theo như yêu cầu. Các thanh piston này được
đánh bóng, nhẵn mịn và có các seal đính kèm giúp hạn chế và ngăn rị rỉ.
Trong các ống của xi lanh 2 đầu thì thanh piston sẽ kéo dài từ hai phía piston ra
hai đầu ống.
Con dấu (seal)
Con dấu hay chúng ta thường gọi là các seal. Để sản xuất seal, người ta phải căn
cứ trên các thông số về nhiệt độ của dầu, nhiệt độ môi trường, ứng dụng của xy lanh
và áp suất làm việc.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại con dấu, ví dụ như: con dấu làm từ
Fluorocarbon viton chịu được nhiệt độ cao, con dấu Elastomer thì chịu được nhiệt độ
thấp hơn.
Cụ thể, con dấu (seal) Elastomer được làm từ Poly và cao su Nitrile nó thích
hợp với các xi lanh làm việc trong mơi trường bình thường, nhiệt và áp khơng cao.
1.3.4 Arduino Uno
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều
khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo
nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một
nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với

Arduino chúng ta có thể xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau thông
qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.

Hình 1.9 . Arduino Uno

1.3.5. Khối hiển thị LCD và I2C
Khối hiển thị LCD
Ngày nay thiết bị hiển thị LCD được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều ứng dụng
của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác, nó có khả
năng hiện ký tự đa dạng, trực quan (chữ, số và ký tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch
ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau tốn rất ít tài ngun hệ thống và giá
thành rẻ...
Hình dáng và kích thước:


Hình 1.10. LCD 16X2

Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, hình trên là
một loại LCD thơng dụng.
+ Màn hình LCD 16X2 sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dịng
với mỗi dịng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử
dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp hoạt động là 5 V.
+ Kích thước: 86.96 x 60 x 13 mm
+ Chữ đen, nền xanh lá/xanh dương
+ Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
+ Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD 16x2 hỗ trợ việc kết nối, đi dây
điện.
+ Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít

điện năng hơn.
+ Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu.
+ Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật.
Module I2C
LCD có quá nhiều nhiều chân gây khó khăn trong q trình đấu nối và chiếm dụng
nhiều chân trên vi điều khiển.
+ Module I2C LCD ra đời và giải quyết vấn để này cho bạn.
Thay vì phải mất 6 chân vi điều khiển để kết nối với LCD 16x2 (RS, EN, D7, D6,
D5 và D4) thì module IC2 bạn chỉ cần tốn 2 chân (SCL, SDA) để kết nối.


Module I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 16x2, LCD
20x4,...) và tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.
+ Ưu điểm:
-

Tiết kiệm chân cho vi điều khiển.

-

Dễ dàng kết nối với LCD.

+ Thông số kĩ thuật:
-

Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC.

-

Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780).

-

Giao tiếp: I2C.

-

Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2).

-

Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt.

-

Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD.

Hình 1.11. LCD 16x4 và Module I2C

1.3.6 Giới thiệu về Module Relay 12VDC
Module 1 relay 12V được sử dụng để đóng ngắt các thiết bị cần điều khiển.
Mạch được thiết kế nhỏ gọn với đầy đủ đèn led báo nguồn, led báo tình trạng relay,
có opto cách ly giúp tín hiệu điều khiển khơng bị nhiễu khi hoạt động. Ngồi ra với
module này có thể thay đổi tín hiệu kích đóng ngắt relay là mức cao hoặc mức thấp


bằng cách chuyển jumper trên mạch. Mạch sử dụng điện áp 12V thông dụng với
ngõ ra Domino 3 chân NO(thường mở), COM(chung), NC(thường đóng) của relay
giúp thuận tiện hơn khi sử dụng.
Relay hình 3.6 là thiết bị đóng cắt cơ bản, nó được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống

và trong các thiết bị đièu khiển điện tử. - Cấu tạo relay gồm 2 phần:
+ Cuộn hút: tạo ra năng lượng từ trường để hút các tiếp điểm về mình.
+ Cặp tiếp điểm: khi không cấp điện tiếp điểm 1 được tiếp xúc tiếp điểm 2 (tiếp điểm
thường đóng). Khi cấp điện tiếp điểm 1 bị hút chuyển sang tiếp điểm 3 (tiếp điểm
thường mở)

Hình 1.12: Module Relay 12VDC


CHƯƠNG 2 : TÌM HIỂU VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROTEUS
2.1 Tổng quan về ArduinoUno R3
2.1.1 Giới thiệu
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại
Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Cái tên
"Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này
thường xuyên gặp mặt.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn ngữ riêng. Ngơn
ngữ này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung trên một mơi
trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân. Và Wiring lại là một
biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C+
+.
Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để
giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. một trong số
các nhà nghiên cứu là David Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này. 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 thiết bị có khả năng
tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành.
Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một
mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở). Người ta ước

tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản
xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa
tới tay người dùng.
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. Nhiều phiên bản của Arduino cũng đã được sản xuất phù hợp cho nhiều
mục đích sử dụng:


Hình 2.1: Những phiên bản của Arduino

2.1.2 Uno
"Uno" có nghĩa là một bằng tiếng Ý và được đặt tên để đánh dấu việc phát hành
sắp tới của Arduino 1.0. Uno và phiên bản 1.0 sẽ là phiên bản tài liệu tham khảo của
Arduino. Uno là mới nhất trong các loại board Arduino, và các mơ hình tham chiếu
cho các nền tảng Arduino.
Arduino Uno là một “hội đồng quản trị” dựa trên ATmega328. Nó có 14 số chân
đầu vào / đầu ra, 6 đầu vào analog, 16 MHz cộng hưởng gốm, kết nối USB, một jack
cắm điện, một tiêu đề ICSP, và một nút reset. Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ
trợ các vi điều khiển; chỉ cần kết nối nó với máy tính bằng cáp USB hoặc cấp điện cho
nó để bắt đầu.


Hình 2.2: Arduino Uno

Uno khác với tất cả các phiên bản trước ở chỗ nó khơng sử dụng các FTDI chip điều
khiển USB-to-serial. Thay vào đó, nó có tính năng Atmega 16U2 lập trình như là một
cơng cụ chuyển đổi USB-to-serial.
Phiên bản 2 (R2) của Uno sử dụng Atmega8U2 có một điện trở kéo dòng 8U2 HWB
xuống đất, làm cho nó dễ dàng hơn để đưa vào chế độ DFU.

Phiên bản 3 (R3) của Uno có các tính năng mới sau đây:
 Thêm SDA và SCL gần với pin Aref và hai chân mới được đặt gần với pin RESET,
các IOREF cho phép thích ứng với điện áp cung cấp.
 Đặt lại mạch khỏe mạnh hơn.
 Atmega 16U2 thay thế 8U2.
2.1.3 Cấu trúc, thông số


Bảng 2.1: Một vài thông số của Arduino UNO R3

a. Vi điều khiển & bộ nhớ
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168,
ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED
nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và
hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 2.3: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn


32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash
của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho
bootloader nhưng đừng lo, hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này. 2KB cho SRAM
(Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây.
Khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng
hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên
SRAM sẽ bị mất.
1Kb cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào mà khơng
phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
b. Cấu tạo

Hình 2.4: Arduino đời đầu

Một board Arduino đời đầu gồm một cổng giao tiếp RS-232 (góc phía trênbên
trái) và một chip Atmel ATmega8 (màu đen, nằm góc phải-phía dưới); 14 chân I/O số
nằm ở phía trên và 6 chân analog đầu vào ở phía đáy.
Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho
những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O kỹ
thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân input
analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số. Những chân này được thiết kế nằm
phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Các board Arduino
Nano, và Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các
chân header đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard.
Chiều dài tối đa và chiều rộng của Uno PCB là 2,7 và 2,1 inch tương ứng, với kết nối
USB và jack điện mở rộng vượt ra ngồi khơng gian cũ. Bốn lỗ vít cho phép được gắn
vào một bề mặt khác:


Hình 2.5: Các lỗ vít giúp cố định vị trí Arduino

c. Vị trí & chức năng các chân
Nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng USB, có thể cấp nguồn cho Arduino UNO từ
một bộ chuyển đổi AC→DC hoặc pin. Các bộ chuyển đổi có thể được kết nối bằng
một plug-2.1mm trung tâm tích cực vào jack cắm điện.
Trường hợp cấp nguồn quá ngưỡng trên sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Các chân năng lượng:
 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi dùng các thiết bị
sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.
 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa ở chân này là 50mA.

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm với chân GND.
 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy khơng được lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc
chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các chân Input/Output:


Hình 2.6: Các ngõ vào/ngõ ra của Arduino

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial khơng dây.
Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân
giải 8bit (giá trị từ 0 → 28 -1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói
một cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V
thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức
năng thơng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với
các thiết bị khác.
 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân
này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →

210 -1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, ta có
thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp
2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ
0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.


Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI
với các thiết bị khác
d. Extension shield

Hình 2.7: Các shield xếp chồng lên Arduino

Arduino cũng sử dụng chip AVR của Atmel làm nền tảng, thế nê n hầu hết cái gì
PIC/AVR làm được thì Arduino làm được. Nếu muốn điều khiển động cơ, sẽ có các
mạch cơng suất tương thích hồn tồn với Arduino. Nếu muốn điều khiển qua mạng
Internet, cũng có một mạch Ethernet/Wifi tương thích hồn tồn với Arduino. Và cịn
rất nhiều thứ khác nữa.
Những mạch được đề cập như trên được gọi là các extension shield (mạch mở rộng).
Các shield này giúp tăng tính linh hoạt của Arduino.

Hình 2.8: Một số shield thơng dụng

e) Các bước để nạp chương trình arduino


Bước 1: Kết nối Arduino UNO R3 vào máy tính

Bước 2: Tìm cổng kết nối của Arduino Uno R3 với máy tính
Khi Arduino Uno R3 kết nối với máy tính, nó sẽ sử dụng một cổng COM
(Communication port - cổng dữ liệu ảo) để máy tính và bo mạch có thể truyền tải dữ

liệu qua lại thông qua cổng này. Windows có thể quản lí đến 256 cổng COM. Để tìm
được cổng COM đang được sử dụng để máy tính và mạch Arduino UNO R3 giao tiếp
với nhau, bạn phải mở chức năng Device Manager của Windows.
Bạn mở cửa sổ Run và gõ lệnh mmc devmgmt.msc.

Sau đó bấm Enter, cửa sổ Device Manager sẽ hiện lên.