Đồ án thiết kế chế tạo cân điện tử tự động

MỤC LỤC
MỤC LUC................................................................................................................. 1
DANH SÁCH HÌNH VẼ...........................................................................................3
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU............................................................................5
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................ 6
TÓM TẮT ĐỀ TÀI....................................................................................................7
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÂN ĐIỆN TỬ...........................................................9
1.1. Giới thiệu hệ thống cân định lượng....................................................................9
1.1.1 Giới thiệu chung...............................................................................................9
1.1.2. Thị trường và ứng dụng...................................................................................9
1.2. Tổng quan về cân cân điện tử...........................................................................10
1.2.1 Khái niệm.......................................................................................................10
1.2.2 Phân loại cân và đối tượng sử dụng................................................................11
1.2.3 Nguyên lý hoạt động của cân điện tử.............................................................11
1.2.4 Ứng dụng của cân điện tử trong thực tiễn.....................................................12
1.2.5 Khảo sát thị trường cân điện tử.......................................................................14
1.3 Kết luận chương.................................................................................................16
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ CÁC LINH KIỆN
ĐIỆN TỬ.................................................................................................................17
2.1. Mạch điều khiển Arduino.................................................................................17
2.1.1. Sơ lược về mạch điều khiển Arduino.............................................................17
2.1.2. Arduino Nano................................................................................................19
2.1.3 Công cụ lập trình Arduino IDE.......................................................................27
2.2. Lựa chọn thiết bị phần cứng............................................................................28
2.2.1. Load Cell.......................................................................................................28
2.2.2 Một số Loadcell thực tế..................................................................................34
2.2.3.Module Hx711................................................................................................36
1

2.2.4. Nguồn điện và lựa chọn nguồn điện.............................................................37
2.2.5 Giới thiệu cơ bản về LCD 16x2......................................................................39
2.2.6. Kết luận chương 2..........................................................................................45
CHƯƠNG 3. LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÂN ĐIỆN TỬ.................46
3.1 Giới thiệu chương..............................................................................................46
3.2 lập trình chương trình trên Arduino IDE............................................................46
3.2.1 Khởi tạo chương trình.....................................................................................46
3.2.2 Sơ đồ đấu nối dây...........................................................................................47
3.2.3. Sơ đồ thuật toán:............................................................................................48
3.2.4 Chương trình điều khiển cân điện tử trên Arduino IDE..................................48
3.2.5. Thiết kế cơ khí cho cân..................................................................................52
KẾT LUẬN.............................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................56

2


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cân bàn điện tử sử dụng thực tế...............................................................10
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống cân sử dụng load cell...............................................11
Hình 1.3. Một số loại cân điện tử trên thị trường.....................................................12
Hình1.4 : Cân bàn điện tử........................................................................................13
Hình2.1: Tổng quan về arduino Nano......................................................................21
Hình2.2: Các chân của arduino Nano......................................................................21
Hình2.3:Các chân ICSP...........................................................................................26
Hình2.4: Cấu trúc load cell......................................................................................28
Hình2.5: Cấu tạo chính của Loadcell như hình dưới...............................................28
Hình 2.6: Load cell thực tế.....................................................................................30
Hình 2.7 : Mạch cầu điện trở trong load cell...........................................................30

Hình 2.8: Cách thức hoạt động và điểm đặt.............................................................31
Hình2.9: Một số loại load cell.................................................................................35
Hình2.10: Sơ đồ đấu nối của load cell.....................................................................35
Hình: 2.11. load cell sử dụng trong sản phẩm.........................................................36
Hình2.12: Module Hx711........................................................................................36
Hình2.13: Sơ đồ đấu nối giây tín hiệu load cell Hx711 và Arduino Nano...............37
Hình2.14: Nguồn adapter 5v với cổng mini USB....................................................38
Hình2.15: Khối cấp nguồn cho arduino và Led LCD.............................................38
Hình:2.16. Pin 9v.....................................................................................................39
Hình.2.17. Hình dáng của loại LCD thông dụng.....................................................39
Hình:2.18 Sơ đồ chân của LCD...............................................................................40
Hình:2.19. Sơ đồ khối của HD44780.......................................................................42
Hình: 2.20. Mối liên hệ giữa địa chỉ của DDRAM và vị trí hiển thị của LCD.........44
Hình :2.21. Mối liên hệ giữa địa chỉ của ROM và dữ liệu tạo mẫu kí tự.................45
Hình:3.1. Giao diện chương trình Arduino IDE......................................................46
3


Hình:3.2. Giao diện của công cụ lập trình Arduino IDE khi tạo file mới................46
Hình:3.3. Lưu lại chương trình................................................................................47
Hình:3.4 Sơ đồ đấu nối dây của mạch.....................................................................47
Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán.......................................................................................48
Hình:3.6. Loại thép được sử dụng làm đế cân.........................................................53
Hình:3.7.Kkhung cân khi được hàn thi công...........................................................53
Hình :3.8. Màn hình hiển thị cân điện tử.................................................................54
Hình:3.9. Cân hoàn thiện........................................................................................54

4

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số loại cân điện tư trên thị trường.....................................................15
Bảng 2.1. Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano............................................................20
Bảng 2.2 Chức năng của các chân...........................................................................21
Bảng 2.3 Chân ICSP................................................................................................24
Bảng 2.4 Data sheet arduino ICSP..........................................................................26
Bảng 2.5. Chức năng một số biểu tượng vùng lệnh Arduino IDE............................27
Bảng 2.6 Màu chân của load cell.............................................................................35
Bảng 2.7 Chức năng cân của LCD16x2...................................................................40
Bảng 2.8 Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng................................43

5


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đồ án nghiên cứu, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo cân điện tử-tự động ”. Từ
các kiến thức cơ bản đã được học và ứng dụng về board mạch Arduino cũng như
nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử , qua đó giúp em nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo cân điện tử .Cân sử dụng cảm biến load cell để nhận tín hiệu để phân
tích và đưa ra kết quả cụ thể. Để chuyển đổi tín hiệu tương tự và hiển thị ra màn
hình.

SUMMARY OF THEMES
Project of researching, Research project, “Research designing and
manufacturing electronic-automatic scales”. From basic knowledge learned and
applied to Arduino circuit board as well as operation principles of electronic
components, thereby helping me to research, design and manufacture electronic
scales. load cell to receive signals to analyze and give specific results. To convert
the analog signal and display the display.

.

6


LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu tìm hiểu đề tài với sự nỗ lực của bản thân cùng
với sự giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong nhà trường và các bạn trong lớp
chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế chế tạo cân bàn
điện tử-tự động ” với thời gian đúng quy định.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong nhà trường, các thầy cô trong
viện Kĩ thuật công nghệ đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt những năm qua,
thầy cô đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu nhất để làm hành trang
bước vào đời. Và đặc biệt em xin gửi tới các thầy trong bộ môn Kĩ thuật điều khiển
& tự động hóa lời cảm ơn chân thành nhất, các thầy đã và đang ngày đêm miệt mài
nghiên cứu, lao động để truyền đạt cho chúng em những kiến thức vô cùng quý
báu. Các thầy đã tạo cho chúng em những điều kiện tốt nhất để chúng em được học
tập, được sử dụng thiết bị bộ môn để hoàn thành đồ án nhanh nhất.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Ts Đặng Thái Sơn đã tận tình chỉ bảo, giúp
đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án để chúng em hoàn thành được đồ
án với đúng quy định.
Xin cảm ơn tập thể các bạn lớp K55 KTĐK&TDH đã đóng góp những ý kiến
quý báu cho đồ án.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn và xin gửi tới quý thầy cô trong nhà
trường, các bạn bè người thân đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua lời chúc tốt
đẹp nhất!

Nghệ An, tháng 5 năm 2019
Sinh viên thực hiện

Lê Đức Công

7


MỞ ĐẦU
Nước ta đang trong quá trình phát triển mạnh mẽ trên nhiều lĩnh vực kinh tế
chính trị văn hóa xã hội, để trở thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa xứng
tầm trong khu vực và thế giới thì tự động hóa đóng góp một phần không hề nhỏ
vào quá trình phát triển ấy. Bở hệ thống tự động hóa có tính ứng dụng cao, mang
lại lợi ích cực kỳ to lớn trong đó sự phát triển của công nghiệp vi điện tử, và kỹ
thuật số các hệ thống điện điều khiển dần dần được tự động hoa. Với những kỹ
thuật tiên tiến của vi xử lý, mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các
hệ thong điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lý chậm chạm ít chính xác được
thay thế bới các hệ thống diều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được
thiết lập từ trước.
Và để đạt được mục đích đó chúng ta không thể không nói tới những đóng
góp vô cùng to lớn của nhà trường, các thầy cô cán bộ trong nhà trường. Bởi đây là
nơi, là những người nuôi dưỡng chắp cánh cho các kỹ sư về kiến thức chuyên môn
cũng như kiến thức văn hóa để làm hành trang vững vàng bước vào cuộc sống. Và
đặc biệt hơn là các thầy trong bộ môn Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa trường
ĐẠI HỌC VINH. Không ngại khó khăn gian khổ đang ngày đêm miệt mài nghiên
cứu, lao động để truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu nhất. Sau một
quá trình học tập và nghiên cứu tại trường cùng với sự cố gắng tìm tòi, học hỏi của
bản thân và được sự nhất trí của cán bộ hướng dẫn chúng em đã nhận và hoàn
thành đồ án tốt nghiệp với đề tài“Nghiên cứu thiết kế chế tạo cân điện tử-tự
động ” để phần nào đóng góp công sức nhỏ bé cuả mình vào công cuộc xây dựng
đất nước, và mang lại niềm vui cho các em nhỏ, người già đang bị khuyết tật phải
vất vả đi lại với đôi chân của mình. Và đồng thời để củng cố những kiến thức được

học tập trong suốt thời gian qua. Và dần làm quen với công việc tìm hiểu và nghiên
cứu khoa học.
Do lần đầu làm quen tìm hiểu thực hiện đồ án nên không tránh khỏi những
thiếu sót, chúng em mong được sự chỉ bảo thêm của quý thầy cô để sản phẩm của
chúng em được hoàn thiện hơn nữa và hi vọng trong tương lai không xa sản phẩm
của chúng em sớm được ứng dụng vào thực tế trong cuộc sống.

8


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÂN ĐIỆN TỬ
I.1 Giới thiệu hệ thống cân định lượng
1.1.1 Giới thiệu chung
Xã hội ngày càng phát triển tốc độ công nghiệp hóa hiện đại hóa của nước ta
bắt đầu phát triển mạnh. Kéo theo đó đặt ra nhiều vấn đề về giải quyết mọi khía
cạnh của xã hội. đòi hỏi sự phát triển nguồn lực của đất nước rất lớn. trong những
năm qua đảng ta đã có những chính sáng phát triển ngắn hạn cũng như dài hạn
nhắm phát triển nguồn lực quốc gia.
Hiện nay, đát nước ta đang vào thời kỳ phát triển mạnh mẽ về mọi mặt để quá
trình này phát triển nhanh chóng chúng ta cần đầu tư tập trung vào khoa học công
nghệ đặc biệt là mảng tự động hóa sản xuất. Nhằm nâng cao năng suất lao động
con người giảm chi phí sản xuất. Một trong những phương án đầu tiên được ứng
dụng đó là sử dụng các bo mạch điều khiển và giám sát hệ thống sử dụng các cảm
biến các link kiện thu nhận tín hiêu từ bên ngoài
Một trong những ứng dụng của vi điều khiển vào thực tế là cân điện tử. Cân
điện tử được sử dụng rộng rãi ngày nay có chức năng cho con người biết trọng
lượng của một vật bất kỳ. từ đó nó rất thiết thực đối với đời sống thực tiễn, vì lý do
đó mà em đã nhận đề tài tốt nghiệp của mình liên quan đến cân điện tử. Đề tài em
mang tên “ Nghiên cứu thiết kế chế tạo cân điện tử”.

1.1.2

Thị trường và ứng dụng

Do linh hoạt của bộ xử lý, tùy theo mục đích cụ thể mà chường trình viết cho
mỗi bộ xử lý là khác nhau. Do đó, hệ thống cân này có thể ứng dụng nhiều lĩnh vực
liên quan đến khối lượng. ngoài ứng dụng để cân các vật đồ vật con người hàng
hóa mà nó còn ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như sau:
Trong các hệ thống cân xe hàng điện tử cỡ lớn, ứng dụng trong các hệ thống
trộn phụ gia, sản xuất công nghiệp, nghiên cứu khoa học định lượng các chất, ngoài
sử dụng các loại led hiển thị như 16x2 thì còn có thể sử dụng màn hình led 7 đoạn
màn hình LCD, rồi có thể gắn kết thêm các bàn phím ma trận dùng để tính toán giá
thành sản phẩm …

9


Một ứng dụng khác của cân điện tử là dùng trong các hệ thống cân của bưu
điện. sau khi kiện hàng được cân và xác định nơi cần giửi đi thì hệ thống sẽ in bưu
phí lên nhãn dán vào kiện hàng để giửi đi
Ngoài những ứng dụng trên cân điện tử còn được sử dụng trong các hệ thống
đóng gói sản phẩm, người dùng có thể nhập vào giá trị cần đặt khi đạt đến giá trị
cần đặt thì ngõ ra của của bộ xử lý sẽ điều khiển việc dừng việc bơm sản phẩm và
chuyển sang chế độ khác
Điều quan trọng là trong các ứng dụng này là chương trình điều khiển viết
cho bộ xử lý và cách giao tiếp với thiết bị bên ngoài. Phần này thì khác nhau đối
với các đối tượng cụ thể khác nhau
1.2 Tổng quan về cân điện tử
1.2.1 Khái niệm
Cân điện tử là một vật dụng dung để cân hiển thị trọng lượng của 1 vật với

giá trị hiện thị bằng số có lượng sai số rất nhỏ, trên thị trường hiện nay có rất nhiều
loại cân với các kiểu dáng cũng như mức cân khác nhau, với mỗi mục đích sử dụng
mà khích thước cũng như chủng loại khác nhau để chế tạo các loại khác nhau phù
hợp với mục đích sử dụng
Một hệ thống cân điện tử bao gồm các phần sau:

Hình 1.1. Cân bàn điện tử sử dụng thực tế
-

Phần đế cân
10


-

Phần đầu cân hiển thị

-

Các thiết bị cho cân như: load cell, arduino, pin, mạch nguồn và các thứ phụ
trợ khác
1.2.2 Phân loại cân và đối tượng sử dụng

Quá trình khảo sát và dựa vào những tính năng của các loại cân và do đặc thù
của người sử dụng, tính năng và mục đích nên cân điện tử được chia làm nhiều loại
khác nhau, mỗi loại được thiết kế theo các chuẩn mực hay mục đích khác nhau sao
cho thuận tiện với đối tượng sử dụng. Do đó ta có các cách phân loại cân như sau:
 Phân loại theo trọng tải sử dụng
Mỗi mức cân sẽ cho một loại khác nhau nhưng vẫn phân thành 4 loại chính
+ bé hơn 1kg

+ từ 1kg đến 100 kg
+ từ 100kg đến 1 tấn
+ loại lớn hơn 10 tấn
 Phân loại theo chức năng và kết cấu
+ Cân phân tích điện tử.
+ Cân sàn điện tử .
+ Cân bàn điện tử .
+ Cân Ô Tô điệnt tử :dùng để cân tất cả các loại Ô Tô
 Phân loại theo thiết kế.
+ sử dụng load cell dạng loại digital
+ sử dụng load cell dạng analog

11


1.2.3 Nguyên lý hoạt động của cân điện tử

Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống cân sử dụng load cell
Nguyên lý hoạt động như sau:
Khi vật cần cân được đặt lên cân trọng lượng của vật sẽ đè lên mặt cân tác
động đến cảm biến lực load cell nằm phía dưới. khi đó cảm biến lực xuất hiện một
điện áp ở đầu đọc thông số thông qua hộp nối dây. Hộp nối dây có tác dụng là đầi
nối tín hiệu của load cell lại thành một và chuyền về đầu cân. Tại đây tín hiệu được
đưa và module hx711 là module chuyển đổi ADC 24 bit giải mã và truyền vào cho
bộ xử lý trung tâm là Arduino Nano để xử lý tín hiệu và hiển thị ra màn hình giá trị
cân cũng như các phím chức năng cần thiết để cân có thể dễ dàng sử dụng và có độ
chính xác cao
1.2.4 Ứng dụng của cân điện tử trong thực tiễn
Cân điện tử có nhiều lợi thế hơn so với các loại cân cơ được sử dụng lâu nay,
có độ chín xác cao, độ ổn định tốt, kết cấu cơ khí ít phức tạp giúp việc giao thương

thuận lợi hơn góp phần thúc đẩy kinh tế ngày càng phát triển

12


Hình 1.3. Một số loại cân điện tử trên thị trường
Việt nam đang trong đà hội nhập kinh tế và phát triển nên nhu cầu về giao
dịch thương mại và dịch vụ rất quan trọng và cần thiết ở trên tất cả các lĩnh vực Vai
trò của cân điện tử đối với doanh nghiệp Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều dòng
sản phẩm cân đếm được thiết kế phù hợp với nhu cầu và đặc thù từng ngành hàng.
Đối với những doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh hàng hóa thì Cân bàn điện tử là
thiết bị đặc biệt quan trọng. Những chiếc cân đếm sẽ mang lại hiệu quả cao trong
việc xác định số lượng sản phẩm hàng hòa. Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều
dòng sản phẩm cân đếm được thiết kế phù hợp với nhu cầu và đặc thù từng ngành
hàng. Sự đa dạng này mang đến cho doanh nghiệp rất nhiều sự lựa chọn. Vai trò
của cân điện tử đối với doanh nghiệp

13


Hình1.4 : Cân bàn điện tử
Khi quy mô của doanh nghiệp ngày càng được nâng cao, lượng hàng hóa
cũng tăng lên thì những thao tác thủ công trong mọi công đoạn không còn phù hợp.
Bên cạnh những loại Cân bàn điện tử xác định khối lượng, loại cân xác định số
lượng cũng đang được doanh nghiệp dành cho sự quan tâm đặc biệt. Đây là cách để
doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nhân công cho việc đếm và mang lại sự chính xác,
hiệu quả cao. Những loại cân điện tử có chức năng đếm có thiết kế và tính năng
tiêu chuẩn sẽ làm hài lòng những vị khách hàng khó tính. Những sản phẩm cân
đếm được thiết kế gọn nhẹ, dễ di chuyển đang được coi là sự lựa chọn hàng đầu
hiện nay.Các loại cân có thời gian ổn định nhanh, kết quả chính xác, màn hình

LCD, đèn backlight 3 cửa sổ giúp dễ dàng đọc, quan sát kết quả cân và tiện lợi khi
sử dụng. Ngoài ra, còn rất nhiều những thị trường khác cung cấp cân đếm phù hợp
với yêu cầu doanh nghiệp của bạn. Mức giá đa dạng mang lại nhiều sự lựa chọn
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều thương hiệu cân điện tử và những loại cân
đếm được cung cấp cũng rất đa dạng. Một sản phẩm cân có thể có nhiều chế độ
ứng dụng (cân, đếm mẫu…) và các đơn vị đo. Sự kết nối giữa cân và các thiết bị
ngoại vi (máy tính, máy in…) cũng được đặc biệt quan tâm. Tính năng, thiết kế,
kích thước và ứng dụng đa dạng khiến cho những mức giá của cân đếm điện tử
cũng vô cùng phong phú. Bạn có thể tìm thấy những sản phẩm cân điện tử giá rẻ
14


nhưng cũng có những loại cân cao cấp với giá khá cao. Giá cân đếm điện tử có rất
nhiều mức khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất, xuất xứ cũng như tính năng của
sản phẩm đó. Tùy vào nhu cầu thực tế của doanh nghiệp mà bạn có thể tìm hiểu và
lựa chọn loại cân đếm phù hợp.
Khi tiến hành tính toán thiết kế một sản phẩm mới thì thông thường người ta
khảo sát các sản phẩm tương tự nhằm tận dụng ưu điểm của sản phẩm đó, rút ngắn
thời gian nghiên cứu tính toán thiết kế. Ở đây để thiết kế một cân mới, trước hết tác
giả khảo sát một số cân điện cùng loại của các nhà sản xuất như Trung Quốc, Mỹ
và các nhà sản xuất nội địa…
1.2.5 Khảo sát thị trường cân điện tử
Hiện nay trên thị trường có khá nhiều loại cân điện bàn điện tử của nhiều nhà
sản xuất khác nhau: trong nước, nước ngoài. Do đó mà giá thành, kiểu giáng, chất
lượng của các loại cân cũng khác nhau (giá thành trên thị trường hiện giao động từ
vài trăm ngàn đồng đến vài chục triệu đồng tùy theo hang và tải trọng tối đa của
chúng ).
Trong khi đó thị trường nước ngoài lại ngập cân điện Trung Quốc với giá
thành rẻ hơn. Tuy nhiên giá cả này vẫn cao và chất lượng kém do các loại cân điện
tử nhập vào nước ta chủ yếu là cân của trung quốc, không có thương hiệu rõ ràng,

chưa qua thẩm định về độ an toàn do đó độ an toàn thấp hơn., nhanh hỏng hơn
nhưng lại có ưu điểm là giá thành thấp hơn, mẫu mã phong phú và tính năng đa
dạng hơn.

Bảng 1.1 Một số loại cân điện tư trên thị trường
Tên cân

Hình ảnh
15

Giá (VNĐ)


Cân bàn marcus TD - WS 195

1.250.000

Cân điện tử Nhật Bản VIBRA HAW
30KG

2.500.000

Cân điện tử phân tích SINKO GS
323 - 320G (dùng cho phòng thí
nghiệm)

5.500.000

Cân điện tử TANITA KD-200

1.550.000

Cân điện tử tính giá chống nước
30kg QUA 832

2.200.000

16


cân-điện-tử-yaohua-đài-loan-a1260kg

2.550.000

Cân điện tử tính giá Đài Loan UPAQ 30KG

1.750.000

Cân điện tử nhật bản-oneko-30kg

2.800.000

1.3 Kết luận chương
Chương 1 đã giúp ta hiểu rõ hơn về nguyên lý và thực tiến của đề tài. Biết cấu
trúc nguyên tắc hoạt động và các kiểu cân điện tử trong thực tế. Đi sâu vào tìm hiểu
chức năng của từng bộ phận của cân. Tìm hiểu sâu về cảm lực(Load cell), màn
hình hiển thị và các thiết bị khác. Qua đó hiểu rõ hơn về bản chất mình gặp phải.

CHƯƠNG 2
17

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

2.1. Mạch điều khiển Arduino
2.1.1. Sơ lược về mạch điều khiển Arduino
Một trong những thành phần quan trọng nhất của xe lăn là vi điều khiển trung
tâm. Vi điều khiển đóng vai trò như là bộ não, là trung tâm điều khiển xe, nơi thực
hiện các chức năng tính toán, xử lý, ra quyết định và điều khiển hoạt động của cân.
Có rất nhiều loại vi điều khiển, bo mạch vi điều khiển với những chức năng và
cách thức hoạt động khác nhau. Trong đề tài này sử dụng bo mạch vi điều khiển
Arduino NANO.
Arduino là một bo mạch vi điều khiển dùng để tương tác và điều khiển các
thiết bị phần cứng như module cảm biến, động cơ, Led... Các thiết bị này đều được
thiết kế và giao tiếp theo một quy chuẩn nhất định, người dùng chỉ cần lựa chọn
thiết bị, lắp ráp và lập trình cho chúng.
Môi trường phát triển ứng dụng của Arduino khá đơn giản, người dùng có thể
tiếp cận nhanh chóng nếu đã có kiến thức cơ bản về Java, C, C++ ...
Mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR Atmel 8bit, Atmel 32bit hoặc
ARM… với nhiều linh kiện điện tử khác bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể
mở rộng với các mạch khác. Một trong những điểm mạnh của Arduino là các kết
nối chuẩn, cho phép người dùng kết nối với CPU của bo mạch một cách dễ dàng từ
các module được thêm vào, gọi là shield [4].
Arduino có tính chất nguồn mở cả phần cứng và phần mềm, giá thành thấp
nên là lựa chọn phù hợp cho người dùng.
Arduino có nhiều phiên bản, nhưng phiên bản được sử dụng nhiều nhất là
Arduino Uno R3 và Arduino Mega 2560.
Lịch sử phát triển của Arduino
Sự ra đời của Arduino:
Arduino được khởi đầu vào năm 2005 từ một dự án cho sinh viên tại Viện

Thiết kế Tương tác Ivrea tại Ivrea, Italia. Tại thời điểm của chương trình đó, sinh
viên thường sử dụng bo mạch "BASIC Stamp" có chi phí tới 100$, mức giá đắt đối
với sinh viên.
Một đồ án về phần cứng đã đóng góp vào một thiết kế hệ thống kết nối điện
dẫn của sinh viên người Colombia tên là Hernando Barragan. Sau khi các nền tảng
18


hệ thống điện dẫn đã được hoàn tất, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nghiên cứu và
phát triển hệ thống đó gọn nhẹ hơn, rẻ hơn, và có sẵn cho cộng đồng nguồn mở.
Sau khi trường này đóng cửa, các nhà nghiên cứu, đã thúc đẩy ý tưởng phát triển
thành Arduino.
Sơ lược quá trình phát triển của Arduino:
Mạch lập trình đầu tiên là Arduino Serial sử dụng cổng kết nối RS-232
(Serial) năm 2005.
Arduino đầu tiên với thương hiệu Arduino ra đời đã thay thế cổng Serial (xuất
hiện ở Arduino Serial) bằng cổng USB Type B năm 2005: Arduino USB.
Arduino Extreme thay thế phần lớn điện trở, tụ điện của Arduino USB trở
thành những linh kiện dán đẹp hơn, gọn và hoạt động ổn định. Việc tích hợp đèn
Led vốn dùng để chiếu sáng và đặt vào mạch Arduino để giúp người dùng biết máy
tính đã kết nối được với mạch Arduino và quá trình nạp chương trình có hoạt động
được hay không.
Arduino NG (Nuova Generazione) năm 2006 thay thế con chip FT232BM
bằng con FTDI FT232RL USB-to-Serial, điều này làm hoàn thiện hơn cho thiết kế
giao diện phần cứng của Arduino.
Arduino Diecimila năm 2007 đưa vào chức năng tự động reset bằng máy tính
khi upload chương trình.
Arduino Duemilanove (2008 - 2009) sử dụng vi điều khiển ATmega328 thay
vì ATmega168 từ tháng 1 năm 2009, mạch này có khả tự động nhận biết mỗi khi sử
dụng nguồn tử cổng USB hay nguồn ngoài.

Arduino UNO từ năm 2010 tới nay.
Ngoài dòng Arduino USB trên, những loại Arduino khác như Arduino Nano,
Arduino Leonardo, Arduino Mega, Arduino Mega 2560, Arduino Mega ADK,
Arduino DUE… Mỗi mạch lại có những điểm mạnh và điểm yếu riêng, nó góp
phần tạo nên sự đa dạng của cộng đồng Arduino.
Ứng dụng của Arduino: Arduino được chọn làm bộ xử lý của rất nhiều dự án
từ đơn giản đến phức tạp. Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả
năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất
phức tạp. Sau đây là một số ứng dụng nổi bật của Arduino:
Robot: Do kích thước nhỏ gọn và khả năng xử lý mạnh mẽ, Arduino được
chọn làm bộ xử lý trung tâm của rất nhiều loại Robot.
19


Máy in 3D: Sự phát triển máy in 3D nguồn mở Reprap là một cuộc cách
mạng đang âm thầm định hình nhờ vào Arduino. Máy in 3D là công cụ giúp tạo ra
các vật thể thực trực tiếp từ các file CAD 3D. Công nghệ này có nhiều ứng dụng rất
thú vị, trong đó có cách mạng hóa việc sản xuất cá nhân.
Thiết bị bay không người lái UAV: UAV là một ứng dụng đặc biệt thích hợp
với Arduino do chúng có khả năng xử lý nhiều loại cảm biến như Gyro,
accelerometer, GPS… điều khiển động cơ servo và khả năng truyền tín hiệu từ xa.
Game tương tác: Việc đọc cảm biến và tương tác với máy tính là một nhiệm
vụ rất đơn giản đối với Arduino. Do đó rất nhiều ứng dụng game tương tác có sử
dụng Arduino.
Điều khiển ánh sáng: Các tác vụ điều khiển đơn giản như đóng ngắt đèn Led
hay phức tạp hơn như điều khiển ánh sáng theo nhạc hoặc tương tác với ánh sáng
laser đều có thể thực hiện với Arduino.
2.1.2. Arduino Nano
Giới thiệu về arduino Nano
Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ. Arduino

Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm. Bài viết này trình bày về
các thông số kỹ thuật quan trọng, nhất là sơ đồ chân và chức năng của mỗi chân
trong bảng Arduino Nano.
Arduino Nano khác thế nào?
Arduino Nano có chức năng tương tự như Arduino Duemilanove nhưng khác
nhau về dạng mạch. Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống như
Arduino UNO. Sự khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (Plastic
Dual-In-line Package) với 30 chân còn Nano có sẵn trong TQFP (plastic quad flat
pack) với 32 chân. Trong khi UNO có 6 cổng ADC thì Nano có 8 cổng ADC. Bảng
Nano không có giắc nguồn DC như các bo mạch Arduino khác, mà thay vào đó có
cổng mini-USB. Cổng này được sử dụng cho cả việc lập trình và bộ giám sát nối
tiếp. Tính năng hấp dẫn của arduino Nano là nó sẽ chọn công xuất lớn nhất với
hiệu điện thế của nó.

Bảng 2.1. Đặc điểm kỹ thuật Arduino Nano

20


Arduino Nano

Thông số kỹ thuật

Số chân analog I/O

8

Cấu trúc

AVR

Tốc độ xung

16 MHz

Dòng tiêu thụ I/O

40mA

Số chân Digital I/O

22

Bộ nhớ EEPROM

1 KB

Bộ nhớ Flash

32 KB of which 2 KB used by Bootloader

Điện áp ngõ vào

(7-12) Volts

Vi điều khiển

ATmega328P

Điện áp hoạt động

5V

Kích thước bo mạch

18 x 45 mm

Nguồn tiêu thụ

19mA

Ngõ ra PWM

6

SRAM

2KB

Cân nặng

7 gms

Sơ đồ chân
Theo sơ đồ bên dưới, chúng ta sẽ thảo luận về tất cả các chức năng của mỗi
chân.

21

Hình2.1: Tổng quan về arduino Nano

Hình2.2: Các chân của arduino Nano
Bảng 2.2 Chức năng của các chân
Thứ tự chân Tên Pin
1

D1 / TX

Kiểu
I/O

Chức năng
Ngõ vào/ra số
22


Chân TX-truyền dữ liệu
Ngõvào/rasố
Chân Rx-nhận dữ liệu

2

D0 / RX

I/O

3

RESET

Đầu vào

4

GND

Nguồn

5

D2

I/O

Ngõ vào/ra digital

6

D3

I/O

Ngõ vào/ra digital

7

D4

I/O

Ngõ vào/ra digital

8

D5

I/O

Ngõ vào/ra digital

9

D6

I/O

Ngõ vào/ra digital

10

D7

I/O

Ngõ vào/ra digital

11

D8

I/O

Ngõ vào/ra digital

12

D9

I/O

Ngõ vào/ra digital

13

D10

I/O

Ngõ vào/ra digital

14

D11

I/O

Ngõ vào/ra digital

15

D12

I/O

Ngõ vào/ra digital

16

D13

I/O

Ngõ vào/ra digital

17

3V3

Đầu ra

18

AREF

Đầu vào

Tham chiếu ADC

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 0

19

A0

Chân reset, hoạt động ở mức thấp
Chân nối mass

Đầu ra 3.3V (từ FTDI)

20

A1

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 1

21

A2

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 2
23

22

A3

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 3

23

A4

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 4

24

A5

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 5

25

A6

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 6

26

A7

Đầu vào

Kênh đầu vào tương tự kênh 7

+ Đầu ra 5V (từ bộ điều chỉnh On-board)
Đầu ra hoặc đầu
hoặc
vào
+ 5V (đầu vào từ nguồn điện bên ngoài)

27

+ 5V

28

RESET

Đầu vào

29

GND

Nguồn

Chân nối mass

30

VIN

Nguồn

Chân nối với nguồn vào

Chân đặt lại, hoạt động ở mức thấp

Bảng 2.3 Chân ICSP
Tên pin Arduino
Nano ICSP
MISO

Kiểu

Chức năng

Đầu vào hoặc đầu ra

Master In Slave Out

Vcc

Đầu ra

Cấp nguồn

SCK

Đầu ra

Tạo xung cho

MOSI

Đầu ra hoặc đầu vào

Master Out Slave In

24


RST

Đầu vào

Đặt lại, Hoạt động ở mức thấp

GND

Nguồn

Chân nối dất

Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16
Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital. Các chân làm
việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA
và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào
hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ().
Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức
năng bổ sung.
Chân 1, 2: Chân nối tiếp
Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp
TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp
USB tới TTL.
Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM
Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit. Tín hiệu
PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().
Chân 5, 6: Ngắt
Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển
khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được sử dụng để
cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt ().
Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp,
tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.
Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI
Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử
dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với
SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có.
Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này.
Chân 16: Led
Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.
25