Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển thông minh cho trang trại

1


1


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I
----------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI
THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÔNG MINH TRONG TRANG TRẠI NUÔI

Giảng viên hướng dẫn: T.S Nguyễn Quốc Uy
Sinh viên thực hiện:

Đoàn Đắc Minh

Lớp:

D12DTMT

Khóa:

2012 - 2017

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Hà Nội, 2016

i


LỜI CẢM ƠN

Sau hơn 4 năm học tập và 1 tháng thực tập em đã có điều kiện tiếp cận với thực
tế, kết hợp với những kiến thức đã học ở trường Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông đã giúp cho em củng cố thêm kiến thức của mình.
Trong thời gian học tại Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, em vô
cùng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của Ban lãnh đạo, các thầy , cô trong khoa kĩ thuật
điện tử I , anh chị các khóa trên, đặc biệt là thầy: Nguyễn Quốc Uy đã nhiệt tình chỉ
dẫn và giải đáp những thắc mắc của em trong thời gian thực làm đồ án này. Ngoài ra,
em cũng nhận được sự giúp đỡ không hề nhỏ từ nhóm người bạn đã cùng đồng hành
với em để em có thể hoàn thành tốt mọi công việc học tập của mình trong suốt 4 năm
và thời gian làm đồ án.
Sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của thầy cô, cô chú và anh chị là hành trang
quý báu cho em sau này.
Em xin kính chúc quý thầy cô, các cô chú cùng các anh chị nhiều sức khỏe và
thành công trong cuộc sống.

ii


MỤC LỤC

Lời mở đầu........................................................................................................1
Chương 1: Dẫn nhập và cơ sở lý luận...............................................................2

1. Dẫn nhập........................................................................................2
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu..........................................2
1.2 Hướng giải quyết vấn đề..........................................................2
1.3 Giới hạn của đề tài...................................................................3
1.4 Y nghĩa thực tiễn......................................................................3
1.5 Đối tượng nghiên cứu..............................................................3
1.6 Dàn ý, phương tiện và phương án thực hiện.............................4
1.7 Lập kế hoạch nghiên cứu.........................................................5
1.8 Nội dung đề tài.........................................................................5
Chương 2: Tổng quát về trang trại thông minh.......................................................6
2.1 Khái niệm về hệ thống trang trại thông minh..........................6
2.2 Các chỉ tiêu về trang trại thông minh.......................................6
2.3 Các thành phần của một hệ thống trang trại thông minh..........7
2.4 Nguyên lý hoạt động................................................................7
Chương 3: Các linh kiện sử dụng...........................................................................9
3.1 Kít Arduino........................................................................................9
3.1.1 Giới thiệu chung về Arduino.................................................9
3.1.2 Giới thiệu về board Arduino Uno R3....................................10
3.1.3 Module cảm biến mưa...........................................................14
3.1.4 Cảm biến lửa.........................................................................15
3.1.5 Module cảm biến ánh sáng....................................................16
3.1.6 Cảm biến nhiệt độ ds18b20...................................................16
3.2 Module GSM/GPRS Sim 900A.........................................................17
3.2. 1 Tổng quát về hệ thống thông tin di động GSM....................17
iii


3.2.2 Tổng quan về tin nhắn SMS..................................................19
3.2.3 Giới thiệu về Module Sim 900A...........................................20
3.3 Khối cảnh báo....................................................................................23

3.4 Module relay......................................................................................24
3.5 Các thiết bị ngoài...............................................................................25
3.5.1 Máy bơm mini.......................................................................25
3.5.2 Quạt tản nhiệt........................................................................25
3.6 Các linh kiện khác.............................................................................26
Chương 4: Thiết kế phần mềm mô hình và sơ đồ thuật toán...................................28
4.1 Thiết kế phần mềm............................................................................28
4.1.1 Phần mềm Arduino 1.6.9.......................................................28
4.2 Sơ đồ thuật toán.................................................................................29
4.3 Chức năng các khối...........................................................................31
4.3.1 Khối nguồn............................................................................32
4.3.2 Khối cảm biến nhiệt độ ds18b20...........................................33
4.3.3 Khối báo động.......................................................................33
4.3.4 Khối hệ thống uống nước......................................................34
4.3.5 Khối cảm biến lửa, báo cháy.................................................34
4.3.6 Khối cảm biến ánh sáng........................................................35
4.3.7 Khối xử lý.............................................................................36
Chương 5: Kết luận và kiến nghị............................................................................37
5.1 Kết luận.............................................................................................37
5.2 Kiến nghị...........................................................................................37
Tài liệu tham khảo...................................................................................38
Phụ lục.....................................................................................................39

iv


THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT

GSM: Global system for mobile

Mạng thông tin di động toàn cầu

SMS: Short message service

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SMSC: Short message service center

Trung tâm tin nhắn

SIM: Subcriber Identity Modules

Module nhận dạng tin nhắn

GPRS: General packet radio service

Dịch vụ gói vô tuyến chung

CPU: Central processing unit

Khối xử lí trung tâm

CDMA: Code division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo mã

TDMA: time division multiple access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

BTS: Base Transceiver Station

Trạm thu phát gốc

BSC: Base station subsystem

Bộ điều khiển trạm gốc

DANH MỤC HÌNH
v


Hình ảnh

Tên hình ảnh

Trang số

2.1

Sơ đồ hệ thống trang trại thông minh

8

3.1

Kít arduino

9

3.2

Board Arduino Uno R3

10

3.3

Chip Atmega 328

11

3.4

Các chân trên board mạch Arduino Uno R3

12

3.5

Hình ảnh thực tế cảm biến mưa

14

3.6

Cấu tạo cảm biến mưa

14

3.7

Cảm biến nhiệt độ ds18b20

16

3.8

Cấu trúc mạng GSM

18

3.9

Sơ đồ cấu trúc thành phần GSM

18

3.10

Sim 900A

21

3.11

Module Sim 900A

21

3.12

Sơ đồ chân Sim 900A

22

3.13

Khối cảnh báo

24

3.14

Relay

24

3.15

Máy bơm mini

25

3.16

Quản tản nhiệt

26

3.17

Led đơn

26

3.18

Động cơ Servo

26

4.1

Phần mềm lập trình Arduino

28

4.2

Sơ đồ thuật toán báo cháy

29

4.3

Sơ đồ hệ thống cho ăn

29

4.4

Sơ đồ hệ thống ánh sáng

30

4.5

Sơ đồ hệ thống làm mát

30

4.6

Sơ đồ uống nước tự động

31

4.7

Sơ đồ thiết bị trong trang trại

31

4.8

Nguồn máy tính

32

4.9

Các chân của bộ nguồn

32

4.10

Sơ đồ kết nối cảm biến ds18b20

33

4.11

Khối báo động

33

4.12

Sơ đồ kết nối cảm biến mưa

34

4.13

Sơ đồ kết nối cảm biến lửa

35
vi

4.14

Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng

35

DANH MỤC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

1

Chỉ tiêu về nhiệt độ

7

2

Thông số kít Arduino Uno R3

12

vii

i


LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, việc mở trang trại chăn nuôi của các hộ gia đình
ngày càng tăng lên, với quy mô nhỏ và vừa. Việc mở trang trại rất là tốt, nhưng lại tốn
rất nhiều thời gian và công sức của con người vào trang trại ấy. Để giảm thiểu thời
gian và sức lực con người vào trang trại thì công nghệ đã vào cuộc, hiện tại các trang
trại đã được lắp các hệ thống điều khiển thông minh. Theo xu hướng phát triển đó, em
quyết định lựa chọn thực hiện nghiên cứu đề tài: “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THÔNG MINH CHO TRANG TRẠI”.
Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn
có ý nghĩa rất sâu sắc đối với sinh viên thực hiện. Một lần nữa sinh viên được thực
hành những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm
công nghiệp, được sủ dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên
trang giấy. Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải,
do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận với
thầy cô và bạn bè.
Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc
giải quyết đề tài khong thể tránh khỏi những thiếu sót. Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm
của quý thầy cô cũng như đóng góp của các bạn sinh viên.
Với đề tài này em đã sử dụng ứng dụng của điện thoại di động kết hợp với
ModuleSIM 900A sẵn có, cùng với vi điều khiển trên nền mạng GSM để gửi tin nhắn
cảnh báo sự cố cho người dùng,
Hi vọng đề tài này sẽ là cơ sở nghiên cứu cho các bạn có sở thích và niềm đam
mê về điện tử có thể phát triển và mở rộng hơn nữa các chức năng mới.
Xin chân thành cảm ơn

1

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP VÀ CƠ SỞ LÝ LUẬN
1. Dẫn nhập
1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của Khoa học kỹ thuật, vi điều
khiển PIC và AVR ngày càng thông dụng hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện của
Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển. Sự xuất
hiện của Arduino đã hỗ trợ con người rất nhiều trong việc lập trình và thiết kế, nhất là
đối với những người tìm tòi về vi điều khiển mà không có nhiều kiến thức về lập trình
và điện tử. Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã
nguồn mở với ngôn ngữ C cùng thư viện phong phú nên Arduino hiện đang dần phổ
biến trên thế giới.
Đặc biệt trong những thập niên gần đây cùng sự phát triển của hệ thống thông
minh, ngành tự động hóa đã phát triển tạo ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực
trang trại thông minh phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người trong đời sống.
Tại Việt Nam doanh nhân Nguyễn Trung Hiếu, Giám đốc công ty Lộc Phát đã xây
dựng trang trại thông minh vào năm 2009.
Hãy nghĩ về tất cả những gì lặp đi lặp lại bạn làm mỗi ngày ở trang trại: Bật
đèn, cho ăn, cho uống nước…Thêm vào đó còn bao nhiêu việc bạn phải nhớ làm như
trả tiền điện, thay dầu xe, mua thêm thuốc, đón con đi học về,…Sẽ thật tuyệt vời nếu
có cách nào đó giúp bạn giải quyết tất cả những việc này? Và đó chính là tất cả mục
đích của Trang trại thông minh.
Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, em quyết định thực hiện đề tài nghiên
cứu khoa học: “Trang trại thông minh”.
1.2 Hướng giải quyết vấn đề
Có nhiều hướng thiết kế bộ xử lý trung tâm để điều khiển trang trại gồm có:
 Dùng các IC rời
 Dùng PIC
 Dùng Arduino
 Dùng PLC

 Dùng ARM
Ở đây, em đã chọn hướng giải quyết đề tài là sử dụng Arduino vì phù hợp với
những tiêu chí của em như là muốn tìm hiểu nghiên cứu tìm hiểu về Arduino hoặc
quan trọng là Arduino có khả năng kết nối được với các Module Sim 900A, Arduino
với giá thành vừa phải không quấ tầm tay như PLC hay ARM, cũng như không phải

2


thiết kế thêm mạch chuyển đổi RS232 để giao tiếp với máy tính như EPROM. Và vì đề
tài chỉ được lắp đặt trên mô hình với kích thước nhỏ nên dùng Arduino là hợp lý nhất.
1.3 Giới hạn của đề tài
Trong phạm vi cho phép, em chỉ thi công trang trại thông minh trên mô hình .
Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức được truyền đạt trong
suốt khóa học và khả năng có hạn, em thực hiện đề tài chỉ giải quyết những vẫn đề
sau:
 Thiết kế hệ thống báo cháy qua module sim900
 Thiết kế hệ thống cho ăn,uống nước
 Thiết kế hệ thống làm mát, sưởi
 Thiết kế hệ thống đèn, thoát nước
1.4 Ý nghĩa thực tiến
Thiết kế mạch điều khiển thiết bị - báo động từ xa qua điện thoại di động giúp
người nghiên cứu có cái nhìn trực quan hơn với những kiến thức đã tiếp nhận, từ đó
nâng cao thêm hiệu quả nghiên cứu. Mạch điều khiển thiết bị - báo động từ xa qua
điện thoại được thiết kế từ vi điều khiển cùng với một số IC khác nên giá thành tương
đối thấp, giúp tiết kiệm được chi phí. Hệ thống có thể được ứng dụng tại, trang trại,
nhà riêng, cơ quan xí nghiệp trường học và đặc biệt tại những nơi nguy hiểm…giúp
chúng ta có thể điều khiển các thiết bị theo ý muốn, đồng thời mạch còn có chức năng
báo động từ xa qua điện thoại giúp người điều khiển kiểm soát được thiết bị và đề
phòng cháy, trộm xảy ra

1.5 Đối tượng nghiên cứu
Đề tài hướng tới một phương thức điều khiển tự động có sự kết hợp của nhiều
lĩnh vực liên quan như: tổng đài điện thoại, vi mạch điện tử… Do đó, để tạo ra được
một sản phẩm hoàn thiện theo mục đích đặt ra của đề tài thì người thực hiện cần phải
tập trung nghiên cứu chủ yếu đến đối tượng: Vi mạch điện tử là một đối tượng giữ vai
trò trung tâm trong việc liên kết và xử lý tín hiệu từ các đối tượng khác.Trong đề tài có
board mạch chính là Arduino, board mạch này được thiết kế và thi công từ các linh
kiện điện tử đã có sẵn ngoài thị trường như: điện trở, tụ điện, IC số,…v…v… với sự
điều khiển trung tâm là vi điều khiển. Board này nhận tín hiệu từ cảm biến sẽ điều
3


khiển nhiệm vụ được lập trình từ trước đó. Đối với hệ thống báo cháy thông qua cuộc
gọi khi nhận được tín hiệu từ cảm biến board sẽ tự động gọi cho chủ và hệ thống chữa
cháy sẽ được kích hoạt.
Tổng đài điện thoại giữ vai trò quyết định đường truyền tín hiệu, mọi tín hiệu sẽ
được truyền trên đường dây điện thoại theo phương thức quy ước của tổng đài và sự
cho phép của tổng đài.
1.6 Dàn ý, phương tiện và phương án thực hiện:
1.6.1 Dàn ý :
Từ những lập luận trên, nhóm thực hiện tiến hành xây dựng đồ án với những
nội dung dàn ý như sau:
Phần viết báo cáo gồm các nội dung chính:
 Mô hình, sơ đồ khối và phương án thiết kế.
 Lý thuyết thiết kế.
 Thiết kế phần cứng.
 Thiết kế phần mềm.
 Tóm tắt – Kết luận – Đề nghị và hướng phát triển đề tài.
1.6.2 Phương tiện và phương án thực hiện:
Nhóm thực hiện xây dựng phương án tiến hành công việc dựa trên những

phương tiện vật chất sẵn có (máy vi tính, các dụng cụ làm mạch điện) như sau:
 Giai đoạn 1:
Tìm hiểu về các hệ thống cho ăn, báo cháy, cho ăn,… đưa ra mô hình dự kiến
về thiết bị điều khiển và giám sát trang trại thông minh qua mạng điện thoại, từ đó lựa
chọn ra kiểu mẫu phù hợp nhất với khả năng để thực hiện. Sau đó, trình lên giáo viên
hướng dẫn duyệt.
 Giai đoạn 2:
Sau khi đưa ra được mô hình dự kiến, được giáo viên hướng dẫn đồng ý, nhóm
tiến hành thực hiện từng phần của mô hình đó là :
1. Thiết kế, thi công mạch điện.
2. Viết chương trình và cho chạy thử nghiệm.
 Giai đoạn 3:
4


Thử nghiệm lại chương trình và viết báo cáo.
 Giai đoạn 4:
Kiểm tra lại toàn bộ những gì đã làm được và báo cáo với thầy hướng dẫn về
những kết quả của đề tài.
1.7 Lập kế hoạch nghiên cứu
Ngày nhận đề tài:
Ngày nộp đề tài:
Để hoàn thành đề tài đúng tiến độ, người thực hiện đề tài định sẵn kế hoạch
thực hiện theo từng giai đoạn trong toàn quỹ thời gian như sau:
 Tham khảo tài liệu: từ
 Thi công phần mềm: từ
 Thi công phần cứng: từ
 Chạy thử nghiêm và khắc phục sai xót: từ
 Làm báo cáo lý thuyết: từ
1.8 Nội dung đề tài

Chương 1: Dẫn nhập và cơ sở lý luận
 Chương này trình bày về kế hoạch và ý tưởng thực hiện
Chương 2: Tổng quan về trang trại thông minh
 Chương này ta tìm hiểu về các chỉ tiêu và hoạt động trong trang trại.
Chương 3: Các linh kiện sử dụng
 Chương này giới thiệu các linh kiện sử dụng trong đề tài
Chương 4: Thiết kế phần mềm mô hình và sơ đồ thuật toán
 Chương này trình bày các thiết kế chi tiết, nguyên lý hoạt động của mạch điện,
cũng như kết quả thu được.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
 Chương này nêu ra những ưu điểm và khuyết điểm của đề tài, khẳng định
nhưngc đóng góp của đề tài vào thực tiễn. Đồng thời cũng đưa ra các đề nghị
hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRANG TRẠI THÔNG MINH
2.1 Khái niệm về hệ thống trang trại thông minh
5


Trang trại thông minh là trang trại có các điều kiện kỹ thuật đảm bảo cuộc sống
tốt nhất của động vật, được tự động bảo đảm các chỉ tiêu kỹ thuật theo mong muốn của
người sử dụng. Trang trại thông minh khác với trang trại bình thường ở chỗ nó là một
quá trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trường :
hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh sáng, ... mạch đóng ngắt,
giám sát cảnh báo cháy... thành một hệ thống mạng thống nhất.
Nhiệm vụ của trang trại thông minh:
 Tự động cho ăn và uống nước
 Bật đèn khi khi môi trường không đủ ánh sáng.
 Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời trong
vùng hệ thống đang bảo vệ, tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các

tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy tự động nhằm
thực hiện một nhiệm vụ cụ thể như nhắn tin hoặc gọi điện thoại cho chủ nhà.
2.2 Các chỉ tiêu về trang trại thông minh
a) Chỉ tiêu về ánh sáng
Đảm bảo ánh sáng theo yêu cầu sử dụng như chất lượng ánh sáng và tiết kiệm
điện, ánh sáng tại mỗi nơi đều như nhau, không để chỗ quá sáng chỗ quá tối. Ánh sáng
có thể được tắt mở thông qua hệ thống tự động điều khiển hoặc điều khiển từ xa.
Ngoài ra thiết bị ánh sáng cần được kết nối với một số thiết bị trong trang trại như :báo
cháy. ,….
b) Chỉ tiêu về thông gió
Đảm bảo lượng gió vừa đủ , tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung. Ngoài ra
lượng gió và tốc độ gió có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng đối
với trang trại của mình. Hệ thống tự động nhận biết nhiệt độ trang trại điều chỉnh phù
hợp với khí hậu từng môi trường.
c) Chỉ tiêu về nhiệt độ
Ngày tuổi
Nhiệt độ trong quây
hoặc lồng úm (°C)
1-3
31-32
4-7
30-31
8-14
29-30
15-21
26-28
22-28
24-26

Nhiệt đô

chuồng (°C)
28-30
27-29
26-28
24-26
22-24
6

trong Độ ẩm tương đối
(%)
60-70
60-70
60-70
60-70
60-70


>28

23-24

20-22

60-70

Bảng 1: Chỉ tiêu về nhiệt độ
d) Chỉ tiêu về an toàn
Cần đảm bảo việc phát hiện và cảnh báo khi có sự cố cháy xảy ra, như phát qua
còi báo động, đèn cảnh báo, tự động liên hệ với chủ. Cần đảm bảo an toàn về độ bền,
tùy theo từng vùng mà cảnh báo về độ bền của trang trại khi có bão hoặc gặp hỏa hạn.

2.3 Các thành phần của một hệ thống trang trại thông minh
Một hệ thống trang trại thông minh tiêu biểu sẽ có 3 thành phần như sau:
 Bộ xử lý trung tâm
Được thiết kế dạng tủ, bao gồm các thiết bị chính : một board Arduino, các mạch xử
lý, một bộ nguồn chính và một bộ nguồn dự phòng.
 Thiết bị đầu vào
- Đầu báo: báo nhiệt,báo mưa.
- Cảm biến siêu âm, cảm biến ánh sáng, cảm biến lửa
 Thiết bị đầu ra
- Còi báo động.
- Đèn LED chiếu sáng
- Bộ quay số điện thoại tự động module sim 900a
2.4 Nguyên lý hoạt động
2..4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ thệ thống trang trại thông minh
Nguyên lý hoạt động

7


 Bình thường thì hệ thống hoạt động ở chế độ auto. Các cảm biến nhiệt độ, cảm
biến mưa và cảm biến ánh sáng sẽ báo về bộ xử lý trung tâm để điều khiển các
thiết bị đã được lập trình từ trước.
 Khi xảy ra sự cố (cháy) thì cảm biến sẽ gữi tín hiệu truyền về trung tâm . Tại
trung tâm báo sự cố sẽ diễn ra các hoạt động xử lý tín hiệu truyền về theo
chương trình đã cài đặt để đưa ra tín hiệu thông báo khu vực xảy ra cháy qua
loa trung tâm. Đồng thời các thiết bị ngoại vi tương ứng sẽ kích hoạt để phát tín
hiệu báo động cháy và thực hiện các nhiệm vụ đã đề ra.

8


CHƯƠNG 3: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG
3.1 Kit arduino Uno
3.1.1 Giới thiệu chung về Arduino
Arduino thật sự đã gây sóng gió trên thị trường cho mảng người dùng tự chế ra
sản phẩm riêng của mình trên thế giới trong vài năm gần đây. Sự phát triển của
Arduino được ví giống sự thành công cùa điện thoại thông minh Apple trong thị
trường thiết bị số. Số lượng người dùng lớn và số lượng các ứng dụng được phát triển
từ Arduino cao đã làm cho ngay cả những người sáng lập ra cũng ngạc nhiên.

Hình 3.1: Kít Arduino
Arduino được khởi động vào năm 2005 nhƣưlà một dự án dành cho sinh viên
trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tƣơng tác Ivrea) tại Ivrea, Italy.
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 robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng với

9


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++. Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ
Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên. Massimo Banzi, một trong
những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea. Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại
Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt. Bản thân quán
bar này có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002

đến 1014
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.
Giá của các board Arduino giao động xung quanh €20, hoặc $27. Các board
Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy.
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 đƣợc sản
xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn và đến nay mạch khoảng 130
ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng.
3.1.2 Giới thiệu về board arduino Uno R3
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà ta thường nói
tới chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3
(R3).

Hình 3.2: Board mạch Arduino
Một vài thông số của Arduino UNO R3
10


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)

Vi điều khiển

Hình 3.3: Chip Atmega 328
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
11


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,…
 Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp
nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu
cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn 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 cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn 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 luôn là 5V. Mặc dù vậy không thể lấy nguồn 5V từ chân này
để sử dụng bởi chức năng của nó không 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.

Hình 3.4: Các chân 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 vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân
đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc
định thì các điện trở này không được kết nối).
12


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 nôm na chính là kết nối Serial không 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 → 2 8-1 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 thông thường, 4 chân này còn 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, đèn này sẽ 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, 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 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.
3.1.3 Module cảm biến mưa
Cảm biến mưa là cảm biến giúp cảm nhận mưa. Nó gồm 2 khối: khối so sánh
đặt trong nhà và khối cảm biến đặt ngoài trời. Bạn có thể điều chỉnh mức độ phát hiện
bằng biến trở
-Điện áp: 5V
- Led báo nguồn ( Màu xanh)
- Led cảnh báo mưa ( Màu đỏ)
- Hoạt động dựa trên nguyên lý: Nước rơi vào board sẽ tạo ra môi trường
dẫn điện.
Có 2 dạng tín hiệu: Analog( AO) và Digital (DO)
- Dạng tín hiệu : TTL, đầu ra 100mA ( Có thể sử dụng trực tiếp Relay, Còi công suất
13


nhỏ...)
- Điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
- Sử dụng LM358 để chuyển AO --> DO
Kích thước Board:
- Kích thước: 5.4*4.0 mm
- Dày 1.6 mm

Hình 3.6: Cấu tạo cảm biến mưa

3.1.4 Cảm biến lửa
Đây là loại cảm biến chuyên dung phát hiện ngọn lửa, thường được sử dụng
trong hệ thống báo cháy. Tầm phát hiện trong khoảng 80cm, góc quét là 60 độ. Có thể

phát hiện ngọn lửa tốt nhất là loại có bước sóng từ 760nm-1100nm. Mạch được tích

14


hợp IC LM393 so sánh để tạo mức tín hiệu => ta có thể điều chỉnh độ nhạy bằng biến
trở.
Thông số kĩ thuật
Nguồn: 3.3 – 5V, 15mA

Hình ảnh

Điện áp ra: 3.3 – 5V, analog và Digital
Khoảng cách: 80cm
Góc quét: 60 độ
Kích thước: 3.2 x 1.4cm
3.1.5 Module cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sang quang trở có tích hợp sẵn opamp và biến trở so sánh mức
điện áp tín hiệu cho việc nhận biết tín hiệu trở nên dễ dàng, sử dụng để nhận biết hay
bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường
Thông số kĩ thuật
Thông số kĩ thuật
Nguồn: 3.3 => 5VDC

Hình ảnh

Sử dụng Photo Transistor
cho độ nhạy, chính xác và
ổn định cao hơn so với
quang trở

Kích thước: 36 x 16mm

Xuất tín hiệu: analog và
digital

3.1.6 Cảm biến nhiệt độ

15