Luận văn thạc sĩ thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng độ cồn trong hơi thở

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

SENGCHANTHA VONG Obe

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO VÀ CẢNH BÁO
NỒNG ĐỘ CỒN TRONG HƠI THỞ

LUẬN VĂN THẠC SỸ
KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA

Thái Ngun, tháng 8 năm 2019

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của luận văn này hồn tồn được
hình thành và phát triển từ quan điểm của chính cá nhân tơi, dưới sự hướng dẫn
chỉ bảo của TS. Lê Hùng Linh. Các số liệu kết quả có được trong luận văn tốt
nghiệp là hoàn toàn trung thực.
Học viên

SENGCHANTHAVONG Obe

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến TS.Lê Hùng Linh, Khoa
Công nghệ Tự động hóa – Trường Đại học Cơng nghệ Thơng tin và Truyền

thơng, người thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tơi trong suốt q
trình làm luận văn.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo, Phịng Đào tạo trường
Đại học Cơng nghệ Thơng tin và Truyền thông, đã truyền đạt những kiến thức và
giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập của mình.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Học liệu – Đại học Thái
Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi tham gia khóa học và q trình hồn
thành luận văn.
Và cuối cùng, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình và
bạn bè, những người đã ủng hộ, động viên tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tơi có
được kết quả như ngày hôm nay.

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................iii
MỤC LỤC.................................................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG................................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................ viii
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. KHảO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ CẢNH
BÁO NồNG ĐỘ CỒN................................................................................................... 2
1.1. Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn.......................................................... 2
1.2. Mục đích của đề tài............................................................................................. 3
1.3. Phân tích bài toán................................................................................................ 5
1.3.1. Yêu cầu bài toán............................................................................................ 5
1.3.2. Giải pháp thiết kế.......................................................................................... 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ....................................... 8
2.1. Giới thiệu về Arduino.......................................................................................... 8
2.1.1. Tổng quan..................................................................................................... 8
2.1.2. Giới thiệu về Arduino Nano.......................................................................... 9
2.1.3. Các cổng vào /ra......................................................................................... 10
2.1.4. Các chân năng lượng................................................................................... 11
2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE...................................................................... 13
2.1.6. Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE.................................14
2.2. Cảm biến nồng độ cồn....................................................................................... 17
2.2.1. Khái niệm nồng độ cồn............................................................................... 17
2.2.2 Cảm biến nồng độ cồn................................................................................. 17
2.3. Giới thiệu về LCD 16x4.................................................................................... 19
2.4. Giới thiệu về Module thời gian thực DS13307.................................................. 27
2.4.1. Ghép nối DS1307 với vi điều khiển............................................................ 28
2.4.2. Tổ chức thanh ghi trong DS1307................................................................ 28
2.5. Module đọc thẻ nhớ SD..................................................................................... 30

2.6

iv
Điện trở .........................................................................


2.7.

Tụ điện. .........................................................................

2.8 Đèn LED ..............................................................................................................
2.8.1

Về mặt điện tử ......................

2.8.2

Chiết suất ..............................

2.8.3

Lớp tráng phủ .......................

2.8.4

Hiệu suất và các thông số hoạ

2.8.5

Tuổi thọ ................................

2.8.6

Tính chất ...............................

CHƯƠNG 3: thiết kế, XÂY DỰNG THIẾT BỊ ĐO NỒNG ĐỘ CỒN .......................
3.1.

Sơ đồ khối. ....................................................................

3.2.

Nguyên lý hoạt động. ....................................................

3.3.

Mạch nguyên lý. ...........................................................

3.4.

Lưu đồ thuật toán. .........................................................

3.5. kết quả .................................................................................................................
3.5.1. Kết quả thiết kế trên máy tính.......................................................................
3.5.2. Kết quả thực nghiệm. ....................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1:Arduino Nano................................................................................................. 8
Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino Nano..................................................................... 10
Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano............................................................................ 12
Hình 2.4: Giao diện của phần mềm IDE...................................................................... 13
Hình 2.5: Cảm biến nồng độ cồn................................................................................. 17
Hình 2.6: Chân của cảm biến....................................................................................... 18
Hình 2.7. Sơ đồ mạch điện của cảm biến..................................................................... 19
Hình 2.8: Module LCD16v4........................................................................................ 20
Hình 2.9:Module thời gian thực DS13307................................................................... 27
Hình 2.10: Ghép nối DS1307 với Arduino................................................................. 28
Hình 2.11: Module đọc thẻ nhớ SD............................................................................. 30
Hinh 2.12: Sơ đồ mã điện trở...................................................................................... 31

Hình 2.13: Một loại tụ điện......................................................................................... 31
Hình 2.14: Sơ đồ làm việc của tụ điện......................................................................... 32
Hình 2.15: Sơ đồ cầu tạo tụ điện................................................................................. 33
Hình 2.16: Hình ảnh và cấu tạo của đèn LED............................................................. 33
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống..................................................................................... 39
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý vẽ bằng phần mềm............................................................ 42
Hình 3.3: Lưu đồ chương trình đo nồng độ cồn........................................................... 44
Hình 3.4: Lưu đồ thuật tốn khởi tạo và đọc giá trị ngày giờ từ module DS1307.......45
Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán ghi dữ liệu vào thẻ nhớ................................................... 46
Hình 3.4: Sơ đồ đi dây khi đã phủ đồng...................................................................... 47
Hình 3.5: Thể hiện mạch in dạng đen trắng................................................................. 47
Hình 3.6: Ảnh thiết bị sau khi hồn thiện.................................................................... 48
Hình 3.7. Ảnh các chi tiết trên thiết bị......................................................................... 49
Hình 3.8: BẬT/TẮT thiết bị........................................................................................ 50
Hình 3.9: Đo nồng độ cồn........................................................................................... 50
Hình 3.10: Sấy cảm biến MQ3.................................................................................... 51

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE................................................. 14
Bảng 2.2: Câu trúc của câu lệnh.................................................................................. 15
Bảng 2.3: Các thông số kỹ thuật của MQ3.................................................................. 18
Bảng 2.4: Chức năng các chân của LCD 16x4............................................................ 20
Bảng 2.5: Chức năng các chân RS và R/W................................................................. 22
Bảng 2.6: Bảng mã ký tự............................................................................................. 23
Bảng 2.7:Tập lệnh của LCD........................................................................................ 24
Bảng 2.8:Các thanh ghi trong IC thời gian thực DS1307............................................ 29
Bảng 3.1: Cảm biến sử dụng trong hệ thống................................................................ 40

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT

Từ
1
2
3
4
5

6

7
8
9

10

11

12


viii

MỞ ĐẦU
Theo thống kê của tổ chức y tế thế giới WHO thì bia rượu là nguyên nhân
gây tai nạn hàng đầu cho người tham gia giao thông, đặc biệt ở Việt Nam luôn là
quốc gia tiêu thụ lượng bia rượu đứng hàng đầu thế giới. Nên việc tuyên truyền
vận động người dân không tham gia giao thông khi đã sử dụng rượu bia là ưu
tiên hàng đầu. Ngoài ra việc trang bị cho các chiến sỹ cảnh sát giao thông những
chiếc máy đo nồng độ cồn là hết sức cần thiết. Khi đã có những chiếc máy đo
nồng độ cồn này các chiến sỹ giao thơng có thể kịp thời phát hiện, nhắc nhở, xử
phạt những người tham gia giao thơng mà có nồng độ cồn vượt mức quy định
nhằm góp phần giảm thiểu số vụ tai nạn có thể xảy ra.
Vì vậy việc đề xuất một thiết bị đo, và cảnh báo nồng độ cồn người vi
phạm và nồng độ cồn lên là cần thiết.
Tuy nhiên hiện nay các thiết bị đo này trên thị trường là thiết bị ngoại nhập,
giá thành cao, do đó việc nghiên cứu thiết kế ra thiết bị này là có nhu cầu thực tế.

Mục đích nghiên cứu của đề tài
Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn trong hơi thở với các
đặc tính cơ bản sau:
- Thiết bị đo có thể đo và hiển thị kết quả đo trực quan ngay tại thiết bị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu phần giám sát nồng độ cồn.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cảm biến MQ3 và ứng dụng vi điều khiển chế tạo thiết bị đo.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tìm hiểu về đặc tính, ứng dụng của cảm biến MQ3.

1

CHƯƠNG 1. KHẢO SÁT VÀ PHÂN TÍCH YÊU CẦU BÀI TOÁN ĐO VÀ
CẢNH BÁO NỒNG ĐỘ CỒN
1.1. Tổng quan về đo và cảnh báo nồng độ cồn
Hiện nay, các tệ nạn xã hội ngày càng gia tăng mà một trong những nguyên
nhân chủ yếu đó là do uống nhiều rượu bia. Rượu là nguyên nhân chủ yếu làm giảm
năng suất lao động, gây ra các tệ nạn xã hội như bạo lực, gia đình tan vỡ, con cái hư
hỏng và đặc biệt gây ra các vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng.

Việt Nam là quốc gia thuộc tốp đầu các nước sử dụng rượu, bia khi tham
gia giao thơng. Tình trạng sử dụng rượu bia tràn lan ở nhiều nơi đã khiến trật tự
an tồn giao thơng trở thành vấn đề báo động, đây chính là nguyên nhân hành
đầu gây tai nạn giao thông, do điều khiển phương tiện Đọi người lái xe Đã sử
dụng rươu, bia thường phản ứng chậm, buồn ngủ, thiếu tập trung, việc nhìn thấy
các biển báo, tín hiệu hoặc quan sát trên đường khơng cịn rõ ràng, chân nên đến
khi xử lý không đúng và có thể gây ra tai nạn. Người say cũng “bốc đồng”,
khơng cịn khả năng kiểm sốt tốc độ cho nên thường phóng nhanh, vượt ẩu, lấn
đường rất dễ gây tai nạn.
Để hướng tới mục tiêu an tồn giao thơng, giảm thiểu tối đa tai nạn, luật
đã đưa ra rất nhiều quy định mới, một trong số đó là quy định về nồng độ cồn
cho phép khi điều khiển phương tiện giao thơng. Khẩu hiệu “Đã uống rượu bia
thì khơng lái xe” đã khá quen thuộc với người dân Việt Nam. Vì thế, để giảm
thiểu tối đa tai nạn giao thơng, Bộ giao thông vận tải đã đưa ra các mức xử phạt
tương ứng với mức độ vi phạm của người tham gia giao thông.
Theo thống kê, hàng năm ở nước ta khoảng 9,000 người tử vong do tai
nạn giao thông. Một trong những nguyên nhân dẫn đến tình trạng tại nạn giao
thông là do người điều khiển phương tiện sử dụng rượu bia khi tham gia giao
thông. Những hậu quả của người uống rượu bị tại nạn trong lúc tham gia giao
thông và hiện nay đang là nỗi lo lắng, bức xúc của cá nhân, gia đình và xã hội.
Luật giao thông đường bộ năm 2008 quy định cấm người điều khiển xe ô

tô, máy kéo, xe máy chuyên dùng đường dài mà hơi thở có nồng độ cồn, cấm
2


người điều khiển mô tô, xe gắn máy mà trong máu có nồng độ cồn vượt quá 50
miligam/ 100mililit máu hoặc 0,8 miligam/ 1lít khí thở. Nhằm hạn chế tai nạn giao
thơng và tăng tính răn đe cho hành vi vi phạm về nồng độ cồn điều khiển phương
tiện tham gia giao thông, từ ngày 01/08/2016 nâng mức phạt tiền và thời gian tạm
giữ giấy phép lái xe của người sử dụng rượu bia khi tham gia giao thông.

1.2. Mục đích của đề tài
Sự an tồn khi tham gia giao thông:
Tai nạn giao thông là hiểm họa thường trực đối với mỗi người tham gia
giao thông hàng ngày. Trong khi đó, ở Việt Nam số lượng người và phương tiện
giao thơng ngày càng đơng và tỷ lệ người chết vì tai nạn giao thông trên 100,000
người dân cao hơn mức trung bình của thế giới (thế giới: 18 người, Việt Nam 24
người – Báo cáo thống kê của Viện nghiên cứu giao thông Đại học Michigan
UMTRI MỸ).
Theo thống kê của Ủy ban an tồn giao thơng quốc gia, năm 2013 cả nước
đã xảy ra 29.385 vụ tai nạn giao thông, làm chết 9.369 người bị thương 29.500
người, trung bình mỗi ngày có 26 người chết và 81 người bị trần thường vì tai
nạn giao thơng trên tồn quốc. Trong năm 2014, toàn quốc đã xảy ra 10.772 vụ
tai nạn giao thông, làm chết 3.928 người, bị thương 10.556 người.
Hậu quả của tai nạn giao thông vô cùng đau thương và nặng nề. Đó là sự
mất mát về tính mạng con người, là gánh nặng cho gia đình người bị nạn và
những người liên quan về cả tình cảm lẫn vấn đề kinh tế. Đặc biệt, đó là hậu quả
mà bản thân bị tai nạn gánh chịu khi không thể trở lại là những lạnh lặn bình
thường mà trở thành phế nhân. Những hậu quả trên cho thấy tai nạn giao thông
hiện nay là mối nguy hiểm khôn cùng, là kẻ thù vô cùng nguy hiểm đối với mỗi
người tham gia giao thông.

Vậy vấn đề đặt ra là tại sao tai nạn giao thông ở đất nước chúng ta lại xảy
ra nhiều với số người chết và bị thương cao đến vậy?
Lý do có thể kể ra rất nhiều: Hệ thống hạ tầng giao thông yếu kém, chất
lượng phương tiện giao thông không đáp ứng đúng các yêu cầu về kỹ thuật, ý thức
3


chấp hành luật giao thông và ý thức tham gia giao thơng của người dân cịn
thấp... Song chung quy lại, nguyên nhân cơ bản nhất vẫn là nguyên nhân từ phía
con người.
Khi tham gia giao thơng, bản thân mỗi người phương tiện phải có trách
nhiệm với an tồn của mình và của những người tham gia giao thông khác.
Nhưng trên thực tế, tình trạng người uống rượu bia vẫn tham giao thông, người
tham gia giao thông lạng lách, đánh võng, phóng nhanh vượt ẩu, khơng đội mũ
bảo hiểm, khơng chấp hành luật giao thông... đấy là sự kém ý thức của người
tham gia giao thông. Đấy là những nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến sự an
toàn của người và phương tiện khi tham gia giao thông.
Vậy để giảm thiểu được tình trạng mất an tồn khi tham gia giao thơng
cần phải thực hiện nhiều biện pháp có tính hệ thống và lâu dài, trong đó quan
trọng hơn hết vẫn là công tác tuyên truyền, giáo dục ý thức tham gia giao thơng
an tồn cho người dân. Trên các phương tiện thơng tin đại chúng đã và đang có
nhiều chương trình tuyên truyền nhằm nâng cao ý thức tham gia giao thông.
Thời gian gần đây, những vi phạm về luật giao thơng có biểu hiện diễn
biến phức tạp, trong đó nguyên nhân liên quan rượu, bia được các chuyên gia
đánh giá khá nghiêm trọng. Đặc điểm của người điều khiển phương tiện sau khi
uống rượu, bia thường là chạy tốc độ cao, lạng lách, không làm chủ được tay lái,
phán đốn và xử lý tình huống kém. Do đó, say rượu bia thường có liên quan
mật thiết với việc vi phạm tốc độ, vượt sai quy định, nguy cơ dẫn đến tai nạn
giao thông đều cao.
Theo thống kê của Ủy ban an tồn giao thơng quốc gia, khoảng 40% số vụ

tai nạn giao thông và 11% số người tử vong do tai nạn liên quan đến rượu, bia.
Nguyên nhân gây tai nạn giao thơng vẫn nằm ngồi vấn đề cơ bản là ý thức của
người tham gia giao thông. Trong đó, ý thức chấp hành luật giao thơng của
người dân cịn rất yếu, thậm chí coi thường tính mạng của bản thân và gây tổn
hại cho người khác.
Các quy định đối với người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông:
4


Có thể nói rằng, quy định pháp luật về nồng độ cồn trong máu đối với
người điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ nói riêng và các lĩnh vực giao
thông khác tương đối đầy đủ và ngày càng chặt chẽ.
Đối với giao thơng đường bộ, uống rượu, bia có ảnh hưởng rất lớn đối với
người điều khiển phương tiện khi tham gia giao thông như dễ vi phạm quy tắc
giao thơng, xử lý tình huống trên đường kém làm tăng nguy cơ gây tai nạn giao
thông, Hành vi sử dụng rượu bia quá nồng độ cồn là điều nghiêm cấm đối với
người điều khiển phương tiện cơ giới đường bộ. Mức độ quy định về nồng độ
cồn trong máu ngày càng chặt chẽ, khắt khe hơn để bảo đảm an toàn cho người
điều khiển phương tiện, hạn chế tai nạn giao thơng.
Để tích cực ngăn chặn việc người điều khiển phương tiện giao thơng trong
tình trạng say rượu bia, theo nghị định 46/2016/NĐ – CP quy định người điều
khiển xe ô tô trên đường mà trong máu hoặc hơi thở có nồng độ cồn vượt quá 50
– 80 miligam/100 mililit máu hoặc vượt quá 0,25 – 0,4 miligam/1 lít khí thở thì
sẽ bị phạt.
Chính vì thế có nhiều cơng trình nghiên cứu về vấn đề đo nồng độ cồn đối
với những người tham gia giao thơng. Nhằm mục đích chủ động ngăn ngừa tai
nạn giao thông. Đề tài: “Thiết kế, chế tạo thiết bị đo và cảnh báo nồng đọ cồn
trong hơi thở” mang tính cộng đồng và xã hội cao, nhằm mục đích chủ động
ngăn ngừa kịp thời và cảnh báo sớm hiểm họa về tai nạn giao thơng xảy ra, tạo
nên một thói quen và ý thức tốt cho người tham gia giao thơng

1.3. Phân tích bài toán
1.3.1. Yêu cầu bài toán
-

Đề xuất chọn phương pháp phát hiện nồng độ cồn trong hơi thở của người

điều khiển phương tiện tham gia giao thông.
-

Thiết kế, thi công mạch đo cảnh báo nồng độ cồn.

-

Thử nghiệm hệ thống cảnh báo.

Hiện nay có nhiều phương pháp phát hiện nồng độ cồn là:

5


Phương pháp đo nồng độ cồn trong máu: Đây là phương pháp được sử dụng
để xác định lượng các chất kích thích và hoạt chất gây ảnh hưởng tới cơ thể con
người có trong máu. Sử dụng các biện pháp hóa sinh trong phịng thí nghiệm để đo
đạc với độ chính xác cao. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là phải lấy
mẫu máu của người cần kiểm tra tại cơ sở y tế, thơng qua quy trình thử nghiệm
trong phịng thí nghiệm mới cho ra kết quả, do đó gây tốn thời gian và khơng thể áp
dụng trong các trường hợp cần kiểm tra nhanh, tại hiện trường.

Phương pháp đo nồng độ cồn trong hơi thở: hơi thở của người say rượu
sẽ có nồng độ cồn cao. Sử dụng các thiết bị đo nồng độ cồn từ hơi thở hoặc đo

nồng độ cồn trong khơng khí của khơng gian thở trước mặt người lái để đánh giá
tình trạng say rượu bia.
Có nhiều phương pháp để pháp hiện trạng thái say của của người lái xe.
Qua tham khảo các kết quả nghiên cứu có nhận xét: các phương pháp xác định
nồng độ cồn trong hơi thở hiện đang được sử dụng phổ biến. Bởi vì, sử dụng
cảm biến đo nồng độ cồn trong hơi chỉ cần thời gian khoảng 8 đến 10 giây.
Vì thế trong đề tài tơi sẽ đi sâu vào thiết kế mạch đo và cảnh báo nồng độ
cồn qua hơi thở.
1.3.2. Giải pháp thiết kế
Hệ thống phát hiện nồng độ cồn có nhiệm vụ chính là kiểm tra thực tiếp
nồng độ cồn trong hơi thở. Hệ thống cảnh báo phát các tín hiệu cảnh báo khí
nồng độ cịn trong vùng khơng gian thở trước mặt của người sử dụng cao quá
mức quy định. Chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo: căn cứ vào các qui định
của luật giao thông, căn cứ vào độ nhạy và sai số điện áp đầu ra của cảm biến đo
nồng độ cồn, ta chọn ngưỡng ngăn chặn và cảnh báo cho hệ thống ứng với nồng
độ cồn 80mg/lít khí thở.
Ngồi ra kết quả đo còn được lưu lại vào thẻ nhớ SD để có thể mở ra xtơi
lại khi cần thiết. Các kết quả đo này được lưu tuần tự theo thời gian thực.

6


KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Vấn nạn điều khiển phương tiện giao thông sau khi đã sử dụng rượu bia
ngày càng xảy ra thường xuyên. Điều khiển các phương tiện giao thông trong
khi Nồng độ cồn trong máu và hơi thở quá mức quy định cho phép, làm người
điều khiển không làm chủ được phương tiện, xứ lí các tình huống khẩn cấp trở
nên khơng chính xác, dễ gây tai nạn cho bản thân và những người tham gia giao
thông xung quanh. Cấp thiết cần có một thiết bị có thể đo và cảnh báo chính xác
cho người tham gia giao thơng về tình trạng cơ thể sau khi đã uống rượu bia.

Luận văn phân tích kĩ lưỡng các trường hợp cần sử dụng thiết bị, mục
đích chế tạo cũng như những lợi ích khi sử dụng thiết bị. Song hành, luận văn
cũng đảm bảo việc nghiên cứu, phân tích bài tốn đo và cảnh báo nồng đọ cồn
một cách kĩ lưỡng, chính quy. Từ đó đưa ra các phương pháp, giải pháp và định
hướng thiết kế thiết bị sao cho đạt được độ chính xác và hiệu quả cao nhất.

7


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, LỰA CHỌN THIẾT BỊ
2.1. Giới thiệu về Arduino
2.1.1. Tổng quan.
Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên Ý
thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005. Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận
và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau. Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ từ
lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, nhiều đối tượng khác. Ngồi
ra mạch có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ,
Ethernetshield, sim900A, 800L…để tăng khả ứng dụng của mạch
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,….
Phần mềm để lập trình cho mạch Arduino là phần mềm IDE. Đây là phần
mềm mã nguồn mở, và có thể được download từ trang web của Arduino.
Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới cũng có nhiều board mạch vi điều khiển
khác nhau. Tuy nhiên Arduino có một số ưu điểm mà khiến nó trở nên nổi tiếng và
hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Những ưu điểm đó là: rẻ, tương thích
được với nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng, dễ ứng dụng,
sử dụng nguồn mở và có thể kết hợp với nhiều module khác nhau.

Hình 2.1:Arduino Nano
8


Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng
về mặt chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại: loại bo mạch
chính có chip Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính. Các bo
mạch chính về cơ bản giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số
lượng I/O, dung lượng bộ nhớ, hay kích thước có độ khác nhau. Một số bo mạch có
trang bị thêm các tính năng kết nối như Ethernet và Bluetooth. Các bo mở rộng chủ
yếu mở rộng thêm một số tính năng cho bo mạch chính. Ví dụ như tính năng kết nối
Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ...

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản cho
tới phức tạp. Trong đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội
của Arduino dù cho chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp.
2.1.2. Giới thiệu về Arduino Nano.
Arduino Nano là bản thu nhỏ của các bản như ArduinoUno R3 và các loại
Arduino khác, Arduino Nano được thiết kế để sử dụng với breadboard nhưng
vẫn đầy đủ chức năng như một board arduino bình thường khác.
Arduino Nano sử dụng chip Atmega328-AU nên cịn có thêm 2 chân
Analog A6 và A7 mà các board sử dụng chip cắm không hề có. Trên board tích
hợp IC ổn áp tự động chuyển nguồn khi có điện áp cao hơn vào board nên board
không cần sử dụng công tắc chọn nguồn. Trên board Arduino Nano sử dụng IC
chuyên dụng USB to COM là chip FTDI FT232RL hoặc CH340G.
Thông số kỹ thuật:


Vi điều khiển: Atmega328P



Điện áp hoạt động: 5V



Tần số hoạt động: 16 MHz



Điện áp đầu vào khuyên dùng : 7V - 12V DC



Điện áp vào giới hạn : 6-20V DC



Số chân Digital I/O : 14 (6 chân hardware PWM)



Bộ nhớ flash 32 KB (Atmega328) với 2KB dùng bởi bootloader

9




SRAM 2 KB (Atmega328)



EEPROM 1 KB (Atmega328)



Kích thước board : 0,73 x 1,70 (Inch)

Hình 2.2: Sơ đồ linh kiện Arduino
Nano 2.1.3. Các cổng vào /ra.
Mạch ArduinoNano 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 khơng được kết nối). 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 có thể giao tiếp với thiết bị khác
thông qua hai chân này. Kết nối bluetooth thường thấy chính là kết nối Serial
khơng dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, chúng ta không nên sử dụng hai chân
này nếu không cần thiết
LED 13: trên Arduino Nano có một đèn led màu cam (ký hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino Nano Broad có 8 chân analog (A0 → A7) cung cấp độ phân giải
tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng (0V → 5V). Với

10

chân AREF trên board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các
chân analog. Tức là nếu chúng ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể
dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân
giải vẫn là 10bit.
2.1.4. Các chân năng lượng.
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino NANO. 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 ngồi cho Arduino Nano mình có thể
nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
VREF: của vi điều khiển trên Arduino Nano có thể được đo ở chân này
nó luôn là 5V. Mặc dù vậy ta không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng
bởi chức năng của nó khơng phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua một điện trở 10KΩ.
Lưu ý:
Arduino Nano khơng có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó chúng ta
phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho
Arduino Nano.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho
các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị
trí có thể làm hỏng board. Điều này khơng được nhà sản xuất khuyến khích.
Cấp nguồn ngồi khơng qua cổng USB cho Arduino Nano với điện áp
dưới 6V có thể làm hỏng board.
Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328.

11

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của
Arduino Nano nếu vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino
Nano sẽ làm hỏng vi điều khiển.

Hình 2.3: Sơ đồ chân Arduino Nano

12

2.1.5.Giao diện của phần mềm IDE


Phần này nói về giao diện của phần mềm IDE, hình bên dưới thể hiện những
phần cơ bản nhất và thường dùng nhất để có thể học nhanh Arduino…Các chức năng
1. Nút kiểm tra
chương trình

cơ bản của các biểu tượng trên phần mền được trình bày chi tiết ở các phần bên dưới.
Hình 2.4: Giao diện của phần mềm
IDE Chức năng của từng phần như sau:
1, Nút kiểm tra chương trình: Dùng để kiểm tra xem chương trình được
viết có lỗi khơng. Nếu chương trình bị lỗi thì phần mềm sẽ hiển thị thông tin lỗi
ở vùng số 5.
2, Nút nạp chương trình xuống bo Arduino: Dùng để nạp chương trình
được viết xuống mạch Arduino. Trong qua trình nạp, chương trình sẽ được kiểm
tra lỗi trước sau đó mới thực hiện nạp xuống mạch Arduino.
3, Hiển thị màn hình giao tiếp với máy tính: Khi nhấp vào biểu tượng kính
lúp thì phần giao tiếp với máy tính sẽ được mở ra. Phần này sẽ hiển thị các thông

13


số mà người dùng muốn đưa lên màn hình. Muốn đưa lên màn hình phải có lệnh
Serial.print() mới có thể đưa thơng số cần hiển thị lên màn hình.
4, Vùng lập trình:Vùng này để người lập trình thực hiện lập trình.
5, Vùng thơng báo thơng tin: Có chức năng thơng báo các thơng tin lỗi
của chương trình hoặc các vấn đề liên quan đến chương trình.
2.1.6. Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm IDE
Phần này sẽ đưa ra cấu trúc của một chương trình trong IDE, đồng thời
giải thích một số lệnh thường được sử dụng để thuận tiện cho người dùng.
Phần 1: Khai báo biến:
Đây là phần khai báo kiểu biến, tên các biến, định nghĩa các chân trên
board một số kiểu khai báo biến thông dụng:


define

Nghĩa của từ define là định nghĩa, hàm #define có tác dụng định nghĩa,
hay còn gọi là gán, tức là gán một chân, một ngõ ra nào đó với một cái tên.
Khai báo các kiểu biến khác như: int (kiểu số nguyên), float,…
Phần 2: Thiết lập (void setup())
Phần này dùng để thiết lập cho chương trình, cần nhớ rõ cấu trúc của nó
void setup()
{
……..
}
Cấu trúc của nó có dấu ngoặc nhọn ở đầu và ở cuối, nếu thiếu phần này
khi kiểm tra chương trình thì chương trình sẽ báo lỗi.
Phần này dùng để thiết lập các tốc độ truyền dữ liệu, kiểu chân là chân ra

hay
chân vào.
Trong đó:
Bảng 2.1: Một số câu lệnh cơ bản trong Arduino IDE

14


Serial.begin(9600);

pinMode(biến, kiểu vào hoặc ra);
ví dụ: pinMode(ChanDO, INPUT)

Phần 3: Vịng lặp
Dùng để viết các lệnh trong chương trình để mạch Arduino thực hiện các
nhiệm vụ mà chúng ta mong muốn, thường bắt đầu bằng:
void loop()
{
……
}
Một số câu lệnh, cấu trúc thường gặp:
Bảng 2.2: Câu trúc của câu
lệnh Ký hiệu, câu lệnh Ý nghĩa

//

/*
…..
*/

15

#define biến chân


digitalWrite
(chân,trạng thái);

analogWrite
(chân,giá trị);

digitalRead(chân)
;
analogRead(chân)
;

Delay(thời gian);

Serial.print()

Serial.println()

16