Thiết kế và chế tạo hệ thống tự động nhận dạng đo lường khuyết tật của kết cấu từ xa sử dụng phương pháp xử lý hình ảnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.49 MB, 198 trang )
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------------------------------------------
Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2018
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG & ĐO
LƯỜNG KHUYẾT TẬT CỦA KẾT CẤU TỪ XA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ
LÝ HÌNH ẢNH
Số hợp đồng: 2018.01.69/HĐ-KHCN
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Nam
Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ khí - Điện - Điện tử - Ơ tơ
Thời gian thực hiện: tháng 6 năm 2018 đến tháng 11 năm 2018
TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-----------------------------------------------------
Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH
DÀNH CHO CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN 2018
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG NHẬN DẠNG & ĐO
LƯỜNG KHUYẾT TẬT CỦA KẾT CẤU TỪ XA SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
HÌNH ẢNH
Số hợp đồng :
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Hồng Nam
Đơn vị cơng tác: Khoa Cơ khí Điện điện tử Ơ tơ
Thời gian thực hiện: tháng 5 năm 2016 đến tháng 11 năm 2018
Các thành viên phối hợp và cộng tác:
STT
1
2
3
4
5
6
7
Họ và tên
Nguyễn Hoàng
Nam
Phan Văn Đức
Phạm Đức Lâm
Quách Phúc
Hào
Lê Hoàng Đủ
Lê Hoàng Nhã
Lê Hữu ghĩa
Cơ quan công tác
Chuyên ngành
Điều khiển tự
động
Cơ Điện Tử
Cơ Điện Tử
Cơ Điện Tử
Khoa Cơ khí Điện điện
tử Ơ tơ
CKĐĐTOTO
CKĐĐTOTO
CKĐĐTOTO
Cơ Điện Tử
Cơ Điện Tử
Cơ Điện Tử
CKĐĐTOTO
CKĐĐTOTO
CKĐĐTOTO
2
Ký tên
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................................... 15
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................... 17
2.1 Board mạch điều khiển Ardunio....................................................................... 17
2.2 Moduel bluetooth HC-05: .................................................................................. 20
2.3 LCD...................................................................................................................... 24
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ..................................................... 30
3.1 Thiết kế ................................................................................................................ 36
3.2 Tính tốn ............................................................................................................. 34
2.3 Mơ hình chế tạo thực tế ..................................................................................... 45
CHƯƠNG 4. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ................................................................................... 47
4.1 Arduino mega 2560 ............................................................................................ 47
4.2 Những ứng dụng sử dụng cho mơ hình ............................................................ 76
CHƯƠNG 5. CHẾ TẠO SẢN PHẨM - THỰC NGHIỆM .................................................... 88
5.1 Chế tạo sản phẩm ............................................................................................... 88
5.2 Thực nghiệm ....................................................................................................... 88
5.3 Tính toán vết nứt ................................................................................................ 89
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 116
6.1 Đánh giá kết quả đạt được............................................................................... 116
5.2 Những hạn chế và hướng khắc phục .............................................................. 116
5.3 Hướng phát triển của đề tài............................................................................. 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 118
PHỤ LỤC 1 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ........................................ 136
PHỤ LỤC 2 HỢP ĐỒNG, THUYẾT MINH ĐỀ CƯƠNG ................................................. 149
PHỤ LỤC 3: BÀI GIẢNG THỰC HÀNH ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN .... 176
PHỤ LỤC 4: BÀI GIẢNG THỰC HÀNH MATLAB VÀ ỨNG DỤNG ............................ 204
3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
HÌNH 2.1 BOARD MẠCH ARDUINO TIÊU BIỂU.................................................................. 15
HÌNH 2.2 HÌNH ARDUINO UNO ............................................................................................. 15
HÌNH 2.3 MỢT SỚ MẠCH ARDUINO PHỔ BIẾN Ở THỜI ĐIỂM HIỆN TẠI ...................... 18
HÌNH 2.4 MẠCH ARDUNIO TỰ LẮP ...................................................................................... 18
HÌNH 2.5. MODUEL BLUETOOL HC-05 ................................................................................ 20
HÌNH 2.6 KẾT NỐI HC05 VỚI BOARD ................................................................................... 22
HÌNH 2.7 SƠ ĐỒ KẾT NỚI LCD VỚI ĐỢNG CƠ DC. ............................................................ 28
HÌNH 3.1 MƠ HÌNH VÀ CÁC CHI TIẾT CỤ THỂ .................................................................. 29
HÌNH 3.2 KHỚP XOAY ĐIỀU CHỈNH GĨC NGHIÊNG ........................................................ 32
HÌNH 3.3 KHỚP XOAY 360 ĐỢ ............................................................................................... 30
HÌNH 3.4 TRỤC NÂNG VITME ................................................................................................ 31
HÌNH 3.5 KHỚP XOAY NGHIÊNG TRÁI PHẢI ..................................................................... 32
HÌNH 3.6 CHIỀU CAO CỦA GIÁ ẢNH.................................................................................... 32
HÌNH 3.7 HÌNH BIỂU THỊ CƠ CẤU LÀM VIỆC CỦA VITME ............................................. 32
HÌNH 3.8 CHIỀU ĐI XUỐNG CỦA VITME............................................................................. 32
HÌNH 3.9 HƯỚNG DI CHUYỂN CỦA VITME ........................................................................ 35
HÌNH 3.10 ĐỘNG CƠ BƯỚC SIZE 42HS4813A4.................................................................... 36
HÌNH 3.10 ĐỢNG CƠ BƯỚC SIZE 42HS4813A4.................................................................... 37
HÌNH 3.11 KÍCH THƯỚC ĐỘNG CƠ ....................................................................................... 39
HÌNH 3.12 ĐỘNG CƠ BƯỚC 57HS5630A4 ............................................................................. 40
HÌNH 3.13 KICH THƯỚC ĐỘNG CƠ 57HS5630A4 ................................................................ 41
HÌNH 3.14 KÍCH THƯỚC ĐỢNG CƠ 57HS7630A4 ................................................................ 42
HÌNH 3.15 MƠ HÌNH THỰC TẾ ............................................................................................... 45
HÌNH 3.16 MỢT SỚ HÌNH ẢNH THỰC HIỆN MƠ HÌNH CỦA NHĨM ............................... 46
HÌNH 4.1. ARDUINO MEGA 2560 ........................................................................................... 50
HÌNH 4.2 SƠ ĐỒ CHÂN CỦA ARDUINO MEGA 2560 R3 .................................................... 51
HÌNH 4.3 LCD 20X4 ................................................................................................................... 53
HÌNH 4.4 BẢN VẼ KÍCH THƯỚC LCD ................................................................................... 53
HÌNH 4.5 SƠ ĐỒ MẠCH KẾT NỐI ĐỂ CHỈNH ĐỘ TƯƠNG PHẢN VÀ ĐỘ SÁNG CỦA
LCD.............................................................................................................................................. 55
HÌNH 4.6: SƠ ĐỒ KHỐI............................................................................................................. 57
HÌNH 4.7. SƠ ĐỒ KẾT NỐI DÂY ĐỂ SỮ DỤNG BOARD ..................................................... 59
4
HÌNH 4.10 TẠO GUI VÀ XỬ LÝ ẢNH TRÊN MATLAB ....................................................... 59
HÌNH. 4.11 TẠO FORM VÀ XỬ LÝ ẢNH BẰNG VISUAL STUDIO.................................... 64
HÌNH 4.12 XỬ LÝ ẢNH BẰNG PHẦN MÊM PYTHON......................................................... 64
HÌNH. 4.13 THE ORIGINAL IMAGE (HÌNH ẢNH GỚC)...................................................... 70
HÌNH 4.14 SƠ ĐỒ MẠCH KẾT NỐI VÀ CHỨC NĂNG ......................................................... 72
HÌNH 4.15 SƠ ĐỒ MẠCH KẾT NỐI VÀ CHỨC NĂNG ......................................................... 72
HÌNH. 4.16 SHARP IMAGE ...................................................................................................... 73
HÌNH 4.17 EDGES ...................................................................................................................... 73
HÌNH 5.1 MƠ HÌNH ĐỀ TÀI ..................................................................................................... 89
HÌNH 5.2 VẾT NỨT THỰC TẾ ................................................................................................. 89
HÌNH 5.3: THÍ NGHIỆM 1 ......................................................................................................... 84
HÌNH 5.4: THÍ NGHIỆM 2 ......................................................................................................... 94
HÌNH 5.5: THÍ NGHIỆM 3 ......................................................................................................... 97
HÌNH 5.6: THÍ NGHIỆM 4 ......................................................................................................... 99
HÌNH 5.7: THÍ NGHIỆM 5 ....................................................................................................... 103
HÌNH 5.6: THÍ NGHIỆM 6 ....................................................................................................... 106
5
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 2.1 PHÂN LOẠI ARDUINO THEO ỨNG DỤNG ....................................................... 10
BẢNG 2.2 MỘT SỐ MẠCH ARDUINO VÀ ĐẶC TÍNH LIÊN QUAN .................................... 9
BẢNG 3.1 TĨM TẮT LỰC DỌC TRỤC, VÀ THỜI GIAN HOẠT ĐỘNG ............................. 32
BẢNG 3.2 TĨM TẮT LỰC DỌC TRỤC, VÀ THỜI GIAN HOẠT ĐỢNG ............................. 12
BẢNG 4.1 . THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA BOARD ARDUINO ............................................ 43
BẢNG 4.2. PINOUT LCD........................................................................................................... 48
BẢNG 4.3 KÍCH THƯỚC CHUNG. .......................................................................................... 48
BẢNG 4.4 THÔNG SỐ CHUNG CỦA LCD ............................................................................. 48
BẢNG 4.5. KHẢ NĂNG ĐẠT KHOẢNG CÁCH TỐI ĐA VỚI THỜI GIAN 33MS .............. 53
BẢNG 4.6: TỶ LỆ CHÍNH XÁC TUYỆT ĐỐI CỦA VL53LOX.............................................. 54
BẢNG 4.7 RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS .................................................. 55
BẢNG 4.8 DIGITAL I/O ELECTRICAL CHARACTERISTICS ............................................. 56
BẢNG 5.1: SỐ LIỆU ĐO BẰNG TAY....................................................................................... 84
BẢNG 5.2: SỐ LIỆU ĐO BẰNG MÁY VÀ SAI SỐ ............................................................... 103
6
TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Sản phẩm đạt được
Sản phẩm đăng ký thuyết minh
Thiết bị đo tự động, có thể tự động đo lường
Thiết bị đo tự động, có thể tự động đo lường
vết nứt trên các kết cấu bê tông (có màu sắc
vết nứt trên các kết cấu bê tông (có màu sắc
tương đối đồng đều) từ khoảng cách tối thiểu
tương đối đồng đều) từ khoảng cách tối thiểu
30 cm đến trên 1m với sai số 0.1 mm (so với
30 cm đến trên 1m với sai số 0.1 mm (so với
giá trị chuẩn được người sử dụng đo thủ công
giá trị chuẩn được người sử dụng đo thủ công
bằng thiết bị đo cơ khí).
bằng thiết bị đo cơ khí).
Sử dụng cảm biến Laser Range Finder có thể
Sử dụng cảm biến Laser Range Finder có thể
đo khoảng cách 2m.
đo khoảng cách trên 1m.
Máy chụp hình kỹ thuật số độ phân giải 18
Máy chụp hình kỹ thuật số độ phân giải 10
Megapixel, với ống kính tích hợp có tiêu cự
Megapixel, với ống kính tích hợp có tiêu cự
123 mm.
50mm trở lên
Động cơ DC
Động cơ bước giảm tốc
Board vi điều khiển Arduino
Board vi điều khiển
Driver điều khiển động cơ DC servo
Driver điều khiển động cơ bước 2 pha
(TB6600 hoặc tương đương)
Hình ảnh có kích thước 200x200 đến
Hình ảnh có kích thước 200x200 đến
1000x1000 (pixel), điều kiện ánh sáng thông
1000x1000 (pixel), điều kiện ánh sáng thông
thường
thường
Vết nứt kết cấu bê-tông được đo có kích thước
Vết nứt kết cấu bê-tơng được đo có kích thước
từ 0.3mm đến 20mm
từ 0.3mm đến 20mm
Khoảng cách đo từ 30 cm đến trên 1 m
Khoảng cách đo từ 30 cm đến trên 1 m
Phần mềm matlab đo và chuyển đổi đơn vị đo
Phần mềm matlab đo và chuyển đổi đơn vị đo
từ pixel sang mm. Thời gian xử lý đo toàn bộ
từ pixel sang mm. Thời gian xử lý đo toàn bộ
độ rộng dọc theo vết nứt trong một ảnh từ 1-
độ rộng dọc theo vết nứt trong một ảnh từ 1-
10 phút trên máy tính cá nhân
10 phút trên máy tính cá nhân
Bài giảng thực hành cảm biến laser đo khoảng
Bài giảng thực hành cảm biến laser đo khoảng
cách
cách
Bài giảng thực hành Matlab và ứng dụng
Bài giảng thực hành Matlab và ứng dụng
7
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Thời gian đăng ký : từ 05/2018 đến ngày 11/2018
Thời gian nộp báo cáo: ngày 16/11/2018
NTTU-KHCN-05-TMĐT
MỞ ĐẦU
Hiện nay vấn đề đo lường kích thước của các vật thể từ xa đang thu hút sự quan tâm rất
lớn của các doanh nghiệp. Việc phát hiện và đo lường khuyết tật của các kết cấu, đặc biệt
là vết nứt, có vai trò thiết yếu trong việc bảo dưỡng và phòng tránh thảm họa như động
đất, bảo đảm an toàn của tòa nhà, bảo đảm an toàn của kết cấu bê tông. Chúng tôi đã tạo ra
một sản phẩm vừa có thể ứng dụng trong thực tiễn sản xuất cho các doanh nghiệp, cho xã
hội vừa là một mô hình giảng dạy hiệu
Đề tài đã đạt được 1 số kết quả sau:
1.Xây dựng lý thuyết có thể phân tích hình ảnh để trích xuất hiệu quả vị trí của các vết
nứt, xác định đường biên của vật thể.
2.Chương trình Matlab có thể tự động phát hiện các vết nứt từ hình ảnh của bề mặt kết cấu
bê tông. Chương trình có thể phát hiện các vết nứt trong hình ảnh có kích thước từ
200x200 đến 1000x1000 (pixel), độ rộng của vết nứt tối thiểu là 5 pixel.
3.Thiết kế và chế tạo thiết bị có thể phát hiện và đo lường vết nứt trên các kết cấu cứng (có
màu sắc tương đối đồng đều) từ khoảng cách 30cm đến trên 1m với sai số 0.1 mm.
Quá trình nghiên cứu đề tài có thể áp dụng để giảng dạy các môn học sau của ngành cơ
điện tử:
➢ Đo lường điện và cảm biến.
➢ Matlab và ứng dụng biến
➢ Vi điều khiển
➢ Thị giác máy tính
Mơ hình do đề tài tạo ra sẽ được ứng dụng để giảng dạy các môn học trên. Các môn học
trên đều là những môn học quan trọng của ngành Cơ Điện Tử và ngành kỹ thuật ô tô. Đặc
biệt môn Matlab và ứng dụng, Vi điều khiển, Đo lường điện và cảm biến, Thị giác máy
tính là những mơn học cần được giảng dạy cho tồn bộ hơn 1000 sinh viên của Khoa Cơ
khí - Ơ tơ.
Mơ hình này áp dụng nhiều cơng nghệ hiện đại 4.0, đặc biệt là cơng nghệ xử lý hình ảnh,
nên sẽ là một mơ hình thực hành cơng nghệ cao cần thiết của Khoa. Đề tài áp dụng để
hướng dẫn 2 khóa luận tốt nghiệp cho 4 sinh viên.
29
NTTU-KHCN-05-TMĐT
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Hiện nay vấn đề đo lường kích thước của các vật thể từ xa đang thu hút sự quan tâm rất
lớn của các doanh nghiệp. Việc phát hiện và đo lường khuyết tật của các kết cấu, đặc biệt
là vết nứt, có vai trò thiết yếu trong việc bảo dưỡng và phòng tránh thảm họa như động
đất, bảo đảm an toàn của tòa nhà, bảo đảm an toàn của kết cấu bê tông... Sau đây xin liệt
kê một số công bố quốc tế ISI về vấn đề này:
Kỹ thuật xử lý ảnh hiện nay đã và đang được áp dụng rộng rãi trong Kỹ thuật xây dựng và
cơ khí. M. Moaveni [1] trích xuất và phân tích hình dạng và kích thước của các vật liệu
hạt. E. Caetano [2] sử dụng hệ thống camera để giám sát độ dao động của các kết cấu kỹ
thuật thay cho việc sử dụng cảm biến gia tốc và cảm biến ứng suất. S. Lee [3] đề xuất một
phương pháp phát hiện sự biến dạng của kết cấu xây dựng dựa trên phân tích hình ảnh.
Trong ngành xây dựng cầu, J. Winkler [4] đo độ biến dạng cục bộ của các ống thép sử
dụng phương pháp tương quan hình ảnh. J. Valenca [5] sử dụng phương pháp xử lý hình
ảnh để giám sát tính an tồn của các trụ bê-tông dài. L. Klein [6] sử dụng phương pháp
xác thực thực bằng hình ảnh để kiểm tra dữ liệu về xây dựng của các tòa nhà. Tuy nhiên,
ứng dụng phổ biến nhất của kỹ thuật xử lý hình ảnh, thị giác máy tính vào xây dựng là tự
động phát hiện và đo lường vết nứt của các kết cấu bê-tông [7-16]. Trong các nghiên cứu
này, vết nứt được xem như các vật thể màu tối hình cây, trong đó mỗi nhánh có hình dạng
ống và có tính đối xứng ở 2 bên đường trung tâm. Hình ảnh chứa vết nứt trong các nghiên
cứu này đều là hình ảnh 2 pha và mỗi pha có màu sắc tương đối đồng đều, pha “sáng” là
bề mặt vật liệu và pha “tối” là vết nứt. Hiện nay chưa có phương pháp xử lý hình ảnh hiệu
quả để đo lường hiệu quả vết nứt trong hình ảnh có nhiều hơn 2 pha mặc dù trong thực tế
hình ảnh chứa vết nứt có nhiều hơn 2 pha phổ biến hơn. Các phương pháp đo lường vết
nứt từ hình ảnh 2 pha hiện tại yêu cầu người sử dụng cần khoanh vùng xử lý xung quanh
vết nứt để đảm bảo hình ảnh chỉ chứa 2 pha.
Vết nứt bề mặt bê-tông là một dấu hiệu báo hiệu cho khả năng sụp đổ của kết cấu xây
dựng. Do đó, Z. Zhu [7] đã sử dụng phương pháp đo lường vết nứt bằng hình ảnh dựa trên
hiện tượng khuếch tán điểm ảnh của Yamaguchi [8] để thẩm định tính an tồn của các tịa
nhà ngay sau động đất.
30
NTTU-KHCN-05-TMĐT
R.S Adhikari [13] đã sử dụng phương pháp đo lường vết nứt sử dụng thị giác máy tính để
đo vết nứt trên các trụ bê-tông của cầu đường bộ. Phương pháp của R.S.Adhikari có thể đo
lường độ rộng vết nứt tương đối chính xác nhưng cần người sử dụng khoanh vùng xung
quanh vị trí có vết nứt trên hình ảnh, vì vậy tính tự động của phương pháp này còn hạn
chế.
Lee et al. [15] sử dụng thị giác máy tính kết hợp với trí tuệ nhân tạo để đo lường vết nứt
nhưng tính hiệu quả của phương pháp này bị giới hạn ở các hình ảnh chứa vết nứt tương
tự với loại hình ảnh đã được sử dụng để huấn luyện hệ trí tuệ nhân tạo. Yang et al. [16] sử
dụng thị giác máy tính để đo lường độ rộng của vết nứt trong các thí nghiệm kiểm tra cơ
tính của vật liệu xây dựng.
Gang li et al. (2013) [17] đã phát triển một thiết bị có thể phát hiện và đo lường vết nứt từ
xa cho hệ thống cầu đường bộ:
Hiện nay việc phát hiện và đo lường vết nứt trong các công trình xây dựng chủ yếu bằng
tay nên phương pháp này có thể ứng dụng trong việc bảo trì cầu và các công trình xây
dựng quan trọng
Chủ nhiệm đề tài [18] đã phát triển một phương pháp mới có thể phát hiện và đo lường vết
nứt hiệu quả trong các điều kiện ánh sáng thay đổi và màu sắc hình ảnh có nhiều pha
không đều. Tuy nhiên để chuyển đổi độ rộng của vết nứt từ pixel sang mm cần người sử
dụng tiếp cận đến gần vật thể cần đo..
31
NTTU-KHCN-05-TMĐT
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Board mạch điều khiển Ardunio:
a. Giới thiệu tổng quan:
Ardunio là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các 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 32-bit, 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.
Hình 2.1 Board mạch ardunio tiêu biểu [23]
Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế ardunio 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. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt
đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. Đi cùng
với nó là một mơi trường điều khiển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhânthông
thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho ardunio bằng ngơn ngữ C hoặc
C++.
Gíá của các ardunio giao động xung quanh €20 hoặc $ hoặc 574 468VNĐ, nếu
được "làm giả" thì giá có thể giảm xuống thấp hơn $9. 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 được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có
khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng.[23]
32
NTTU-KHCN-05-TMĐT
b. Lịch sử
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. 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.
Lý thuyết phần cứng được đóng góp bởi một sinh viên người Colombia tên là
Hernando Barragan. 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.
Trường này cuối cùng bị đóng cửa, vì vậy các nhà nghiên cứu, một trong số đó là David
Cuarlielles, đã phổ biến ý tưởng này.
Giá hiện tại của board mạch này dao động xung quanh $30 và được làm giả đến
mức chỉ còn $9. Một mạch bắt chước đơn giản Arduino Mini Pro có lẽ được xuất phát từ
Trung Quốc có giá rẻ hơn $4, đã trả phí bưu điện.[23,24]
c. Phần cứng
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung
giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan trọng
của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của
board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield. Vài shield
truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khách nhau, nhưng nhiều
shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có thể được xếp chồng và sử
dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR,
ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi các mạch Aquino
tương thích. Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao
động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài thiết
kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn chế về
kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với một boot
loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip, so với các thiết
bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho việc sử dụng Arduino
33
NTTU-KHCN-05-TMĐT
được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc như là một bộ nạp chương
trình.
Theo nguyên tắc, khi sử dụng ngăn xếp phần mềm Arduino, tất cả các board được
lập trình thông qua một kết nối RS-232, nhưng cách thức thực hiện lại tùy thuộc vào đời
phần cứng. Các board Serial Arduino có chứa một mạch chuyển đổi giữa RS232 sang
TTL. Các board Arduino hiện tại được lập trình thông qua cổng USB, thực hiện thông qua
chip chuyển đổi USB-to-serial như là FTDI FT232. Vài biến thể, như Arduino Mini và
Boarduino khơng chính thức, sử dụng một board adapter hoặc cáp nối USB-to-serial có
thể tháo rời được, Bluetooth hoặc các phương thức khác. (Khi sử dụng một công cụ lập
trình vi điều khiển truyền thống thay vì ArduinoIDE, công cụ lập trình AVR ISP tiêu
chuẩn sẽ được sử dụng.).
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, thơng qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều shield ứng dụng plugin cũng được thương mại hóa. 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.
Có nhiều biến thể như Arduino-compatible và Arduino-derived. Một vài trong số
đó có chức năng tương đương với Arduino và có thể sử dụng để thay thế qua lại. Nhiều
mở rộng cho Arduino được thực thiện bằng cách thêm vào các driver đầu ra, thường sử
dụng trong các trường học để đơn giản hóa các cấu trúc của các 'con rệp' và các robot nhỏ.
Những board khác thường tương đương về điện nhưng có thay đổi về hình dạng-đôi khi
còn duy trì độ tương thích với các shield, đơi khi không. Vài biến thể sử dụng bộ vi xử lý
hoàn toàn khác biệt, với các mức độ tương thích khác nhau.[23,24]
34
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Cận cảnh phần cứng của ardunio:
Hình 2.2 hình trên là cận cảnh con Arduino Uno.[24]
Đối với chúng ta lập trình cho Arduino thì trước tiên quan tâm những thành phần được
đánh số ở trên:[24]
1. Cổng USB (loại B): đây là cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điểu khiển.
Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điểu khiển với máy
tính.
2. Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng
không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó, ta cần một nguồn
9V đến 12V.
3. Hàng Header: đánh số từ 0 đến 12 là hàng digital pin, nhận vào hoặc xuất ra các tín
hiệu số. Ngoài ra có một pin đất (GND) và pin điện áp tham chiếu (AREF).
4. Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn.
5. Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog. Ví dụ
như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến.
6. Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch. Với mỗi mẫu
Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau. Ở con Arduino Uno này thì sử dụng
ATMega328.[24]
35
NTTU-KHCN-05-TMĐT
d. Ardunio có thể kết nối với những gì?
• Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc,
cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát
hiện kim loại, khí độc,…),…
• Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…).
• Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các
kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz,
2.4Ghz,…), …
• Định vị GPS, nhắn tin SMS,…
• … và nhiều thứ thú vị khác đang chờ bạn khám phá.
e. Phân loại
Ứng dụng căn bản
Arduino Uno, Arduino 101, Arduino Pro,
Arduino Pro mini, Arduino Micro, Starter
KIT, Basic KIT
Ứng dụng nâng cao
Arduino Mega, Arduino Zero
Ứng dụng internet
Arduino MKR1000, Arduino Yún,
Arduino Wifi
Wearable
Arduino Gemma, LilyPad Arduino Usb,
LilyPad Arduino main board, LilyPad
Arduino simple, LilyPad Arduino Simple
Snap,
Bảng 2.1 Phân loại Arduino theo ứng dụng.[23,24]
Những phiên bản về sau của Arduino sử dụng vi điều khiển Atmel có bộ nhớ lớn hơn,
chức năng nhiều hơn do đó số lượng chân vào/ra lớn hơn cũng vì thế kích thước mạch
Arduino cũng tăng lên. Để lựa chọn Ardunio phù hợp với ứng dụng của mình, khơng lãng
phí bộ nhớ, cũng như khơng gian lắp đặt phần cứng, người thiết kế cần liệt kê số bậc tự do
của hệ thống, sơ đồ lắp đặt vị trí các cơ cấu chấp hành, đường nối dây… Các mạch của
Arduino đã được thiết kế một cách tối ưu về kích thước, vị trí các chân kết nối cũng như vị
trí lắp đặc các bulong kết nối. Ngồi việc dựa vào Bảng 1 – Phân loại Arduino theo ứng
36
NTTU-KHCN-05-TMĐT
dụng, người thiết kế cịn có thể lựa chọn mạch Arduino phù hợp với hệ thống của mình
thơng qua bảng 2 – Một số mạch Arduino và đặc tính liên quan.
Mạch
Arduino
Flash
memory
Vào/ra
tín hiệu
số
Ngõ vào
Analog
Điện áp
(V)
(Kbytes)
EEPROM Xung
nhịp
(Kbytes)
(MHz)
SPRAM
(Kbytes)
Uno
32
2
1
16
14
6
5V
Nano
32
2
1
16
14
8
5V
Pro
16
2
1
16
14
10
5V
Micro
16
8
1
16
14
8
3.3V
Mega
1280
128
8
4
16
54
16
5V
Mega
2560
256
8
4
16
54
16
5V
Due
512
96
-
84
54
12
3.3V
2.5
1
16
20
12
5V
Leonardo 32
Bảng 2.2 Một số mạch Arduino và đặc tính liên quan [23]
37
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Sau phiên bản Arduino đầu tiên phát hành với cổng kết nối RS232, các phiên bản
Arduino sau đó đã được cải tiến rất nhiều, thay các linh kiện chân cắm bằng các linh kiện
dán, thay chuẩn giao tiếp RS232 bằng chuẩn giao tiếp USB. Chính điều đó đã làm các
phiên bản Arduino càng về sau, càng hoàn thiện. Một số phiên bản Arduino cho tới thời
điểm hiện tại được trình bày qua hình 2.15.[7]
Hình 2.3 Một số mạch Arduino ở thời điểm hiện tại.[24]
Một cách tổng quát, trên sơ đồ mạch Arduino bất kì, có thể phân thành các vị trí:
• Mạch cấp nguồn cho Arduino qua cổng cấp nguồn 7~12V DC.
•
Mạch kết nối Arduino với máy tính qua cổng giao tiếp USB sử dụng chip
Atmel 16U2
• Vi điều khiển Atmel và các chân x́t/nhận tín hiệu.
• Ở phần chính của mạch, các nhóm chân xuất/nhận tín hiệu được nhóm chung
vào một nhóm, và đặt cùng vị trí:
• POWER: nhóm chân cấp nguồn 5V, 3.3V hay cấp nguồn cho mạch Arduino
(Vin)
38
NTTU-KHCN-05-TMĐT
• ANALOG IN: nhóm chân nhận tín hiệu vào là tín hiệu Analog; giao tiếp I2C
(SDA/SCL)
•
DIGITAL: nhóm chân x́t/nhận tín hiệu số.
• PWM: nhóm chân có thể x́t tín hiệu analog PWM
• RX, TX: nhóm chân sử dụng để giao tiếp USART, Serial
Arduino là hãng đã công khai phần cứng của mạch Arduino (Open hardware) nên rất
dễ để có thể tìm kiếm một sơ đồ kết nối linh kiện để có thể tự lắp cho bản thân một mạch
Arduino Uno (Hình 2.15).[7]
Hình 2.4 Mạch ardunio tự lắp.[24]
f. Phát triển:
Các board Arduino và Arduino-compatible sử dụng các shield— các board mạch in
mở rộng được dùng bằng cách cắm vào các chân header của Arduino. Các shield có thể là
module điều khiển cho động cơ, GPS, ethernet, LCD, hoặc cũng có thể là breadboard. Một
số lượng lớn các shield cũng có thể được chế tạo bởi DIY (những người thích tự làm lấy
các ứng dụng cho riêng họ).
Arduino là một nền tảng phần cứng mã nguồn mở: Các thiết kế phần cứng tham
khảo của Arduino được phân phối dưới dạng Creative CommonsAttribution Share-Alike
2.5 license và có sẵn trên website của Arduino. Một vài phiên bản phần cứng của Arduino
còn đưa lên cả file Layout và thành phẩm. Mã nguồn cho IDE này cũng khả dụng và được
xuất bản dưới dạng GNU General Public License, version 2.
39
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Mặc dù các thiết kế phần cứng và phần mềm là miễn phí dưới dạng
copyleft license, các nhà phát triển cũng được yêu cầu cái tên "Arduino" chỉ được dành
riêng cho các sản phẩm chính thức và khơng được sử dụng cho các sản phẩm phái sinh mà
được sự cho phép. Các văn bản chính sách chính thức về việc sử dụng tên Arduino nhấn
mạnh rằng dự án này là mở đối với những người khác trong việc cộng tác để tạo ra sản
phẩm chính thức. Nhiều sản phẩm tương thích với Arduino phát hành thương mại đã tránh
cái tên "Arduino" bằng cách sử dụng từ phái sinh "-duino"[23-24]
2.2 Moduel bluetooth HC-05:
Hình 2.5. Moduel Bluetool HC-05 [25]
a. Tổng quan :
Mơ-đun HC-05 là một mô-đun Bluetooth SPP (Giao thức Protocol) dễ sử dụng,
được thiết kế để thiết lập kết nối nối tiếp không dây trong suốt. Mô-đun cổng nối tiếp
Bluetooth hoàn toàn đủ điều kiện Bluetooth V2.0 + EDR (Tốc độ dữ liệu nâng cao) Điều
chế 3Mbps với bộ thu phát vơ tuyến 2.4GHz và baseband hồn chỉnh. Nó sử dụng hệ
thống Bluetooth chip đơn CSR Bluecore 04-External với công nghệ CMOS và AFH (Tính
năng nhảy tần số thích ứng). Nó có kích thước nhỏ đến 12.7mm x 27mm. Hy vọng nó sẽ
đơn giản hóa tồn bộ chu trình thiết kế / phát triển của bạn.
40
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Mạch thu phát Bluetooth HC-05 đã ra chân được thiết kế nhỏ gọn ra chân tín hiệu
giao tiếp cơ bản và nút bấm để vào chế độ AT COMMAND, mạch được thiết kế để có thể
cấp nguồn và giao tiếp qua 3.3VDC hoặc 5VDC, thích hợp cho nhiều ứng dụng khác
nhau: Robot Bluetooth, điều khiển thiết bị qua Bluetooth,....
Khi kết nối với máy tính, HC-05 sẽ nhận như 1 cổng COM ảo ở chế độ truyền Haft
Duplex tức trong 1 thời điểm chỉ có thể truyền hoặc nhận tín hiệu.[25]
b. Thông số kỹ thuật :
-
Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC.
-
Mức điện áp chân giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5VDC.
-
Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận
bình thường 8 mA.
-
Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600,
115200.
-
Thông tin hỗ trợ: Bluetooth serial port (master and slave).
-
Bluetooth giao thức: Bluetooth specification v2.0 + EDR.
-
Tần số: 2.4 GHz ISM band.
-
Modulation: GFSK (Gaussian frequency shift keying).
-
Transmit power: =4 dBm, class 2.
-
Sensitivity: =-84 dBm at 0.1% BER.
-
Rate: Asynchronous: 2.1 Mbps (max.)/160 kbps.
-
Synchronous: 1 Mbps/1 Mbps.
-
Security features: authentication and encryption.
Kích thước: 15.2 x 35.7 x 5.6mm
Thiết lập UART mặc định: Baudrate 38400 hoặc 9600, N, 8, 1.
Pairing code mặc định: 1234 hoặc 0000.[9]
c. Sơ đồ mạch kết nối và sơ đồ chân :
Sơ đồ chân :
o KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode.
VCC chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên trong module đã có
một ic nguồn chuyển về điện áp 3.3V và cấp cho IC BC417.
41
NTTU-KHCN-05-TMĐT
o GND nối với chân nguồn GND TXD,RND đây là hai chân UART để
giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V STATE các bạn chỉ cần
thả nổi và không cần quan tâm đến chân này.
o Sơ đồ mạch : kết nói chân TX và RX của board HC-05 vào board điều
khiển chính vào đảo 2 dây TX và RX của HC-05 cấm vào board chính
TX của HC-05 thì liên kết với RX của board điều khiển chính, RX của
HC-05 vào TX của board điều khiển chỉnh. Vì TX của HC-05 mang
chức năng là truyền tín hiệu còn board điều khiển chính nhận tín hiệu
TX của HC-05 bằng chân RX vì theo nguyên lý bắt chéo tay khi giao
tiếp UART.
Hình 2.6 Kết nối HC05 với board [25]
d. Các chế độ hoạt động :
HC-05 có hai chế độ hoạt động là Command Mode và Data Mode. Ở chế độ
Command Mode ta có thể giao tiếp với module thơng qua cổng serial trên module bằng
tập lệnh AT quen thuộc. Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới
module bluetooth khác. Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ này. Có hai
cách để bạn có thể chuyển module hoạt động trong chế độ Data Mode.
Nếu đưa chân này lên mức logic cao trước khi cấp nguồn module sẽ đưa vào chế độ
Command Mode với baudrate mặc định 38400. Chế độ này khá hữu ích khi bạn không
biết baudrate trong module được thiết lập ở tốc độ bao nhiêu. Khi chuyển sang chế độ này
đèn led trên module sẽ nháy chậm (khoảng 2s) và ngược lại khi chân KEY nối với mức
logic thấp trước khi cấp nguồn module sẽ hoạt động chế độ Data Mode.
Nếu module đang hoạt động ở chế Data Mode để có thể đưa module vào hoạt động
ở chế độ Command Mode bạn đưa chân KEY lên mức cao. Lúc này module sẽ vào chế độ
42
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Command Mode nhưng với tốc độ Baud Rate được bạn thiết lập lần cuối cùng. Vì thế bạn
phải biết baudrate hiện tại của thiết bị để có thể tương tác được với nó. Chú ý nếu module
của bạn chưa thiết lập lại lần nào thì mặc định của nó như sau:[25]
e. Các tập lệnh AT :
• Baudrate 9600, data 8 bits, stop bits 1, parity : none, handshake: none
• Passkey: 1234
• Device Name: HC-05
• Ở chế độ Data Mode HC-05 có thể hoạt động như một master hoặc slave tùy vào
việc bạn cấu hình (riêng HC-06 bạn chỉ có thể cấu hình ở chế độ SLAVE)
• Ở chế độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để
dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234. Sau khi pair thành công, bạn đã có
1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600.
• Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 module
bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop...) và tiến hành pair chủ động
mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone.
• AT: Lệnh test, nó sẽ trả về OK nếu module đã hoạt động ở Command Mode
• AT+VERSION? :trả về firmware hiện tại của module
• AT+UART=9600,0,0 ( thiết lập baudrate 9600,1 bit stop, no parity)
• Các lệnh ở chế độ Master:
• AT+RMAAD : ngắt kết nối với các thiết bị đã ghép
• AT+ROLE=1 : đặt là module ở master
• AT+RESET: reset lại thiết bị
• AT+CMODE=0: Cho phép kết nối với bất kì địa chỉ nào
• AT+INQM=0,5,5: Dừng tìm kiếm thiết bị khi đã tìm được 5 thiết bị hoặc sau 5s
• AT+PSWD=1234 Set Pin cho thiết bị
• AT+INQ: Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để ghép nối
• Sau lệnh này một loạt các thiết bị tìm thấy được hiện thị. Định ra kết quả sau lệnh
này như sau: INQ:address,type,signal
• Phần địa chỉ(address) sẽ có định dạng như sau: 0123:4:567890. Để sử dụng địa chỉ
này trong các lệnh tiếp theo ta phải thay dấu “:” thành “,”
• Ví dụ : 0123:4:567890 -> 0123,4,5678
43
NTTU-KHCN-05-TMĐT
• AT+PAIR=<address>,<timeout> : Đặt timeout(s) khi kết nối với 1 địa chỉ slave
• AT+PAIR=<address>,<timeout> : Đặt timeout(s) khi kết nối với 1 địa chỉ slave
• AT+LINK=<address> Kết nối với slave
Các lệnh ở chế độ Slave:
•
-
AT+ORGL: Reset lại cài đặt mặc định
-
AT+RMAAD: Xóa mọi thiết bị đã ghép nối
-
AT+ROLE=0: Đặt là chế độ SLAVE
AT+ADDR: Hiển thị địa chỉ của SLAVE [25]
2.3 LCD:
a.Tổng quan
LCD (Liquid crystal display) là loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởi các tế bào
(các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và do
đó thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính lọc phân cực. LCD có
ưu điểm là phẳng, cho hình ảnh sáng, chân thật và tiết kiệm năng lượng.[26]
b.Lịch sử
Được sản xuất từ năm 1970, LCD là một loại vật chất phản xạ ánh sáng khi điện
thế thay đổi. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc ánh sáng nền (Back Light). Nó bao gồm
một lớp chất lỏng nằm giữa 2 lớp kính phân cực ánh sáng. Bình thường, khi khơng có điện
áp, các tinh thể này được xếp thẳng hàng giữa hai lớp cho phép ánh sáng truyền qua theo
hình xoắn ốc. Hai bộ lọc phân cực, 2 bộ lọc màu và 2 bộ cân chỉnh sẽ xác định cường độ
ánh sáng đi qua và màu nào được tạo ra trên một pixel. Khi có điện áp cấp vào, lớp canh
chỉnh sẽ tạo một vùng điện tích, canh chỉnh lại các tinh thể lỏng đó. Nó không cho phép
ánh sáng đi qua để hiện thị lên hình ảnh tại vị trí điểm ảnh đó. Các điểm ảnh trong màn
hình LCD là một transistor cực nhỏ ở một trong 2 chế độ: cho phép ánh sáng đi qua hoặc
không. Điểm ảnh bao gồm 3 yếu tố màu: đỏ, xanh lá, xanh dương. Các màn hình LCD
trước đây thường tiêu thụ điện năng nhiều, độ tương phản thấp cho đến khi các nhà khoa
học người Anh tìm ra "Biphenyl" - vật liệu chính của tinh thể lỏng, thì LCD mới thực sự
phổ biến. LCD xuất hiện đầu tiên trong các máy tính cầm tay, trò chơi điện tử cầm tay,
đồng hồ điện tử,… LCD ngày nay được thiết kế nhỏ gọn, nhẹ, chiếm ít khơng gian, chất
lượng hình ảnh tốt, tiêu thụ ít năng lượng và đang thay thế dần màn hình CRT.[10]
c. Cấu tạo:
44
NTTU-KHCN-05-TMĐT
Có hai kiểu cấu tạo màn hình tinh thể lỏng chính, khác nhau ở thiết kế nguồn sáng.
Trong kiểu thứ nhất, ánh sáng được phát ra từ một đèn nền, có vô số phương phân cực như
các ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng này được cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ nhất, trở
thành ánh sáng phân cực phẳng chỉ có phương thẳng đứng. Ánh sáng phân cực phẳng này
được tiếp tục cho truyền qua tấm thủy tinh và lớp điện cực trong suốt để đến lớp tinh thể
lỏng. Sau đó, chúng tiếp tục đi tới kính lọc phân cực thứ hai; có phương phân cực vng
góc với kính lọc thứ nhất, rồi đi tới mắt người quan sát. Kiểu màn hình này thường áp
dụng cho màn hình màu ở máy tính hay TV. Để tạo ra màu sắc, lớp ngoài cùng, trước khi
ánh sáng đi ra đến mắt người, có kính lọc màu.
Ở loại màn hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên đi vào từ mặt trên
và có gương phản xạ nằm sau, dội ánh sáng này lại cho người xem. Đây là cấu tạo thường
gặp ở các loại màn hình tinh thể lỏng đen trắng trong các thiết bị bỏ túi. Do không cần
nguồn sáng nên chúng tiết kiệm năng lượng.[10]
d. Hoạt động bật tắt cơ bản:
Nếu điện cực của một điểm ảnh con không được áp một điện thế, thì phần tinh thể lỏng ở
nơi ấy không bị tác động gì cả, ánh sáng sau khi truyền qua chỗ ấy vẫn giữ nguyên
phương phân cực, và cuối cùng bị chặn lại hoàn toàn bởi kính lọc phân cực thứ hai. Điểm
ảnh con này lúc đó bị tắt và đối với mắt đây là một điểm tối.
Để bật một điểm ảnh con, cần đặt một điện thế vào điện cực của nó, làm thay đổi sự định
hướng của các phân tử tinh thể lỏng ở nơi ấy; kết quả là ánh sáng sau khi truyền qua phần
tinh thể lỏng ở chỗ điểm ảnh con này sẽ bị xoay phương phân cực đi, có thể lọt qua lớp
kính lọc phân cực thứ hai, tạo ra một điểm màu trên tấm kính trước.[26]
e. Nguyên lý hoạt động:
LCD là một loại vật chất phản xạ ánh sáng khi điện thế thay đổi. Nó hoạt động dựa
trên nguyên tắc ánh sáng nền, bao gồm một lớp chất lỏng nằm giữa 2 lớp kiếng phân cực
ánh sáng. Bình thường, khi không có điện áp, các tinh thể này được xếp thẳng hàng giữa
hai lớp cho phép ánh sáng truyền qua theo hình xoắn ốc.
Khi có điện áp cấp vào, lớp canh chỉnh sẽ tạo một vùng điện tích, canh chỉnh lại các tinh
thể lỏng đó. Nó không cho phép ánh sáng đi qua để hiển thị lên hình ảnh tại vị trí điểm
ảnh đó. Các điểm ảnh trong màn hình LCD rất nhỏ ở 1 trong 2 chế độ: Cho phép ánh sáng
đi qua hoặc không. Điểm ảnh bao gồm 3 yếu tố màu như đỏ, xanh lá, xanh dương.[26]
f. Kết nối với ardunio:
45
