ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 4 1 1 Khái quát chung về hệ thống điều khiển 4 1 1 1 Khái niệm 4 1 1 2 Cấu trúc 4 1 1 3 Thiết bị đo 5 1 1 4 Ứng dụng 7 1 2 Điều khiển nhiệt độ phòng 7 1 2 1 Yêu cầu công nghệ 7 1 2 2 Thiết bị chấp hành (quạt) 7 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH LỰC 14 2 1 Mạch nguồn 14 2 2 Sơ đồ khối mạch lực 14 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 25 3 1 Giới thiệu chung về ardurino 25 3 2.
PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ
Khái quát chung về hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển và giám sát là yếu tố thiết yếu trong các nhà máy công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong các ngành như dầu khí, lọc dầu, hóa chất, dược phẩm, thực phẩm và nhà máy điện Từ giữa thế kỷ trước đến nay, vai trò của điều khiển tự động ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong các hệ thống điều khiển quá trình Quá trình điều khiển bao gồm việc thu thập, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống một cách tự động, không cần sự can thiệp của con người.
Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị điện tử dùng để đảm bảo tính ổn định, chính xác và sự chuyển đổi nhịp nhàng trong quy trình sản xuất Với sự phát triển công nghệ, việc điều khiển các hệ thống phức tạp hiện nay chủ yếu được thực hiện bằng hệ thống tự động hóa Hệ thống điều khiển có chức năng quản lý và điều khiển hành vi của các thiết bị khác, từ hệ thống sưởi gia đình đến các hệ thống công nghiệp quy mô lớn Hệ thống điều khiển phản hồi được thiết kế để điều khiển một quá trình theo đầu ra mong muốn, bằng cách so sánh đầu ra thực tế với tín hiệu điều khiển và điều chỉnh sai số để đạt được kết quả gần nhất với yêu cầu.
Các hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp có thể có mức độ tự động hóa từ đơn giản đến phức tạp, tùy thuộc vào mô hình ứng dụng Tuy nhiên, tất cả đều dựa trên ba thành phần cơ bản.
Thiết bị đo có chức năng cung cấp tín hiệu ra tỉ lệ với đại lượng đo, bao gồm hai thành phần chính: cảm biến và chuyển đổi đo Cảm biến tự động nhận diện đại lượng quan tâm và chuyển đổi thành tín hiệu Để tín hiệu này có thể được truyền xa và sử dụng trong thiết bị điều khiển hoặc dụng cụ chỉ báo, cần thực hiện các bước khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi sang dạng thích hợp.
Thiết bị điều khiển, hay còn gọi là bộ điều khiển, là thành phần cốt lõi trong hệ thống điều khiển công nghiệp, thực hiện chức năng tự động hóa Mặc dù các thuật ngữ này thường được sử dụng thay thế cho nhau, bộ điều khiển có thể hiểu là thiết bị đơn lẻ, phần mềm trong thiết bị điều khiển chia sẻ, hoặc cả một thiết bị điều khiển chia sẻ Dựa trên tín hiệu đo và cấu trúc điều khiển, bộ điều khiển thực hiện thuật toán điều khiển và can thiệp vào quá trình kỹ thuật qua thiết bị chấp hành Thiết bị điều khiển có thể được phân loại thành ba loại: điều khiển tương tự, điều khiển logic và điều khiển số Thiết bị điều khiển tương tự thường là cơ, khí nén hoặc điện tử, trong khi mạch rơ le được coi là thiết bị điều khiển logic Thiết bị điều khiển số, xây dựng trên nền tảng máy tính, có thể thay thế chức năng của thiết bị điều khiển tương tự hoặc logic, chấp nhận cả tín hiệu số và tương tự, và thực hiện thuật toán điều khiển bằng máy tính số, mang lại chất lượng và độ tin cậy cao hơn cùng khả năng thực hiện nhiều chức năng cùng lúc.
Tất cả các giải pháp điều khiển hiện đại như PLC, DCS và DAS đều thuộc loại hệ điều khiển số, trong đó thiết bị điều khiển số thực chất là một máy tính số được trang bị các thiết bị ngoại vi để thực hiện chức năng điều khiển Khi đề cập đến máy tính điều khiển, chúng ta thường nói đến các thành phần chính như khối xử lý trung tâm (CPU), khối nguồn (PS) và các thành phần tích hợp trên bo mạch.
Các khái niệm "thiết bị điều khiển" và "trạm điều khiển" bao gồm cả máy tính điều khiển cùng với các thành phần mở rộng, như module vào ra và các module chức năng khác.
Hệ thống thiết bị chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và thực hiện can thiệp vào biến điều khiển Trong công nghiệp, các thiết bị chấp hành tiêu biểu bao gồm van điều khiển và động cơ.
Máy bơm và quạt gió là những thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển, cho phép can thiệp vào quá trình kỹ thuật thông qua các thiết bị chấp hành Chẳng hạn, van điều khiển có thể điều chỉnh độ mở để thay đổi lưu lượng chất lỏng, từ đó kiểm soát mức chất lỏng trong bình Ngoài ra, máy bơm có khả năng điều chỉnh tốc độ cũng giúp thay đổi áp suất của dòng chất lỏng hoặc khí, qua đó điều chỉnh lưu lượng một cách hiệu quả.
Một thiết bị chấp hành công nghiệp bao gồm hai thành phần chính: cơ cấu chấp hành và phần tử điều khiển Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành năng lượng, có thể là cơ hoặc nhiệt Trong khi đó, phần tử điều khiển tác động trực tiếp vào biến điều khiển để thực hiện các chức năng cần thiết.
- Thiết bị khuấy trộn liên tục
Nồi hơi bão hòa được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp lớn như hệ thống điện, lọc dầu, hóa chất, nhà máy thép, sản xuất nhựa, xi măng, phân bón, giấy và bột giấy Ngoài ra, nó còn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực ô tô và lắp ráp xe tải, sản xuất máy bay, chế biến thủy tinh, tách khí tự nhiên, thực phẩm và đồ uống, cũng như trong quy trình đóng hộp, đóng chai và sản xuất các bộ phận khác nhau.
Giúp tăng năng suất, cải thiện chất lượng,cải thiện mạnh mẽ nhất quán các quy trình hay sản phẩm.
Tăng cường tính nhất quán trong sản xuất giúp giảm chi phí nhân công và chi phí nhân lực Các phương pháp điều khiển hiệu quả thường được áp dụng để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Cài đặt hệ thống điều khiển tự động là giải pháp tối ưu cho những công việc đòi hỏi độ chính xác cao, giúp thay thế con người trong các môi trường nguy hiểm như hầm mỏ, khu vực có nguy cơ cháy nổ, cơ sở hạt nhân và dưới nước.
Hệ thống điều khiển trong lĩnh vực tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện kinh tế cho doanh nghiệp và xã hội Chúng không chỉ nâng cao hiệu quả hoạt động mà còn giảm thiểu thời gian xử lý công việc, từ đó góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững cho nhân loại.
Giải phóng người lao động để họ có thể đảm nhiệm những vai trò mới, từ đó cung cấp cơ hội việc làm ở cấp cao hơn trong việc phát triển, triển khai, bảo trì và vận hành các quy trình tự động.
Điều khiển nhiệt độ phòng
Tốc độ quạt thay đổi theo nhiệt độ
Phòng học nhà A2 có diện tích 70m2
1.2.2 Thiết bị chấp hành (quạt)
Quạt điện là thiết bị phổ biến, chuyển đổi điện năng thành cơ năng để lưu thông gió, phục vụ nhu cầu con người Nghiên cứu và phát triển quạt điện đã nâng cao đời sống con người và mở đường cho các thế hệ quạt mới Hiện nay, quạt điện trở thành vật dụng thiết yếu trong mỗi gia đình, với công nghệ hiện đại và tính năng nâng cấp so với các dòng quạt trước đây.
Quạt điện hoạt động bằng cách chuyển đổi điện năng thành cơ năng, tạo ra luồng gió mát mẻ nhờ sự tiếp xúc với không khí Động cơ quạt, sử dụng nguyên lý điện từ, quyết định sức gió và độ rung của quạt Chất lượng động cơ ảnh hưởng đến độ ồn và hiệu suất hoạt động, vì vậy hiện nay, động cơ quạt được nghiên cứu và chế tạo theo nhiều tiêu chuẩn nhằm đảm bảo an toàn, chất lượng và tính năng tối ưu.
Cánh quạt là một bộ phận quan trọng của quạt, được thiết kế đặc biệt để kết hợp với lực quay của động cơ Khi động cơ hoạt động, cánh quạt sẽ tạo ra ma sát với không khí, từ đó đẩy gió về phía trước và tạo ra luồng gió mát Độ mạnh yếu của luồng gió mà quạt tạo ra phụ thuộc vào công suất của động cơ.
Trên thị trường hiện nay có đa dạng loại quạt với mẫu mã phong phú, hầu hết các loại quạt hoạt động bằng cách điều khiển luồng không khí di chuyển theo chiều dọc Cánh quạt sẽ đẩy không khí vào trong hoặc ra ngoài, giúp làm mát hoặc thông gió cho không gian sống.
Tác dụng của quạt điện:
Quạt điện là thiết bị lý tưởng để làm mát cho các căn phòng ở vùng khí hậu nóng ẩm, với nhiều mức giá khác nhau phù hợp với nhu cầu sử dụng Nó không chỉ giúp ổn định nhiệt độ trong phòng mà còn làm tươi mới không khí, tạo sự lưu thông không khí mát mẻ khắp không gian.
Vào những đêm hè oi ả, nhiều người thường gặp khó khăn trong việc đi vào giấc ngủ Để dễ dàng hơn trong việc chợp mắt, chúng ta cần lựa chọn những phương pháp giúp làm dịu không gian và tạo cảm giác thoải mái.
Quạt điện cho phòng ngủ là lựa chọn lý tưởng nhờ vào khả năng hoạt động êm ái và chi phí thấp, giúp lưu thông không khí và giảm nhiệt độ trong phòng Hơn nữa, những làn gió mát từ quạt có thể hỗ trợ chúng ta có giấc ngủ sâu hơn và thoải mái hơn.
Quạt điện không chỉ giúp làm mát mà còn giữ độ ẩm trong tầm kiểm soát, thông gió cho phòng và duy trì nhiệt độ ổn định Bằng cách thổi không khí trong lành vào không gian sống, quạt điện giúp giảm độ ẩm trong nhà, giữ cho căn phòng luôn thoáng mát Hệ thống lưu thông không khí liên tục từ quạt điện cũng góp phần làm sạch và khô không khí trong phòng.
Quạt điện không chỉ mang lại sự mát mẻ mà còn có thể làm đẹp cho không gian sống, tạo điểm nhấn duyên dáng cho căn phòng Với đa dạng kiểu dáng và kích cỡ, quạt điện cung cấp nhiều lựa chọn phong phú cho người dùng.
Quạt điện là thiết bị hữu ích giúp điều hòa không khí và giảm nhiệt độ trong phòng, mang lại sự thoải mái cho con người Các loại quạt như quạt bàn điện không chỉ tạo gió mà còn thông gió hiệu quả, trong khi quạt hút khí thải giúp loại bỏ không khí ô nhiễm Ngoài ra, quạt còn được sử dụng để sấy khô quần áo, tóc và khăn tắm, đồng thời hỗ trợ trong việc lọc bụi và tách các hạt ngũ cốc.
Quạt điện là thiết bị hữu ích giúp điều hòa không khí và ổn định nhiệt độ phòng, mang lại sự thoải mái cho con người Các loại quạt như quạt bàn điện không chỉ làm mát mà còn thông gió, trong khi quạt hút khí thải giúp cải thiện chất lượng không khí Ngoài ra, quạt còn được sử dụng để sàng lọc các hạt ngũ cốc và loại bỏ bụi bẩn hiệu quả, như trong máy hút bụi Chúng ta cũng có thể dùng quạt để sấy khô quần áo, tóc và khăn tắm, mang lại tiện lợi trong sinh hoạt hàng ngày.
Thân quạt điện điều khiển bằng nhiệt độ bao gồm động cơ quạt, là bộ phận tạo động lực bằng điện dựa trên nguyên lý điện từ, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sức gió Hiện nay, động cơ quạt điện phải đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về hiệu suất, độ rung, tiếng ồn thấp và hạn chế phát sinh nhiệt.
Cánh quạt là bộ phận chính tạo ra gió nhờ vào chuyển động quay của động cơ Sự chuyển động này tạo ra chênh lệch áp suất giữa hai mặt cánh quạt, từ đó sinh ra gió.
Hiện nay, trên thị trường có nhiều mẫu quạt với thiết kế cánh đa dạng như quạt 3 cánh, 5 cánh, cánh mỏng và cánh dày Sức gió mạnh khi quạt hoạt động phụ thuộc vào thiết kế của cánh quạt, điều này quyết định hiệu quả làm mát của sản phẩm.
Thân quạt là bộ phận hỗ trợ động cơ và cánh quạt, giữ cho quạt hoạt động ổn định và đúng vị trí Thường thì, thân quạt được thiết kế có khả năng tháo lắp dễ dàng khi cần bảo trì hoặc thay thế.
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Mạch nguồn
STT Ký hiệu Tên thiết bị Số lượng Đơn vị
Sơ đồ khối mạch lực
Chọn động cơ có các thông số sau:
- Công suất động cơ: Pđm = 375W
- Tốc độ quay: nđm00(v/ph)
Nguồn Bộ biến đổi Động cơ Tải
Đề tài yêu cầu thiết kế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ cho dãy phòng học nhà A2, với cơ chế điều khiển động cơ hoạt động ở tốc độ nhanh hoặc chậm, được thể hiện qua sơ đồ khối.
Nguồn: cấp nguồn cho bộ biến đổi (nguồn công suất lớn 220v).
Bộ biến đổi: sử dụng chỉnh lưu cầu 3 pha điều chỉnh điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều
Mạch điều khiển: vào các thời điểm cần thiết có tác dụng điều chỉnh năng lượng đưa vào Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
Động cơ được cấu tạo từ ba phần chính: stator, rotor và hệ thống chổi than – vành góp Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ và dây quấn phần cảm, với dây quân kích thích được đặt trong các rãnh của lõi sắt Số lượng cực từ chính và phụ ảnh hưởng đến tốc độ quay của động cơ Đối với động cơ công suất nhỏ, việc kích từ có thể thực hiện bằng nam châm vĩnh cửu.
Rotor, hay còn gọi là phần ứng, được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau, có rãnh để lắp đặt các phần tử dây quấn Điện áp một chiều được cung cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chổi than và vành góp Cấu trúc của giá đỡ chổi than cho phép điều chỉnh áp lực tiếp xúc và tự động duy trì áp lực dựa trên mức độ mòn của chổi than.
Chổi than – vành góp có chức năng cung cấp điện áp một chiều cho cuộn dây phần ứng và đảo chiều dòng điện trong cuộn dây này Số lượng chổi than tương ứng với số cực từ, với một nửa mang cực tính dương và nửa còn lại mang cực tính âm.
Nguyên lý làm việc của động cơ một chiều
Khi áp dụng điện áp kích từ Uk lên dây quấn kích từ, dòng kích từ ik sẽ xuất hiện, tạo ra từ thông ɸ trong mạch từ của máy Khi một điện áp U được đặt lên mạch phần ứng, dòng điện i sẽ chạy qua dây quấn phần ứng Sự tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích sẽ tạo ra momen điện từ, và giá trị của momen điện từ có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Khi nguồn điện một chiều không cung cấp đủ công suất, mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ sẽ được kết nối với hai nguồn độc lập Trong trường hợp này, động cơ được gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Ta có: Phương trình cân bằng điện áp:
Uư = Eư + (Rư + Rf).Iư (1.1)
Trong đó: Uư _ điện áp phần ứng.
Eư _ sức diện động phần ứng.
Rf _ điện trở phụ mạch phần ứng
Rư _ điện trở phần ứng.
Rư là tổng của các điện trở trong hệ thống, bao gồm điện trở cuộn dây phần ứng (rư), điện trở cuộn cực từ phụ (rcf), điện trở cuộn bù (rb) và điện trở tiếp xúc của chổi điện (rcl).
Sức điện động của phần ứng động cơ tính như sau:
(1.2) Trong đó p: số đôi cực từ chính.
N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
: từ thông kích từ dưới một cực từ.
(1.3) Nếu bỏ qua tổn thất cơ và thép thì momen ở trục động cơ M bằng Mđt: ω = K Ф U - R ư
( K Ф ) 2 M (1.4) Đây chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Nếu =const thì đặc tính cơ của động cơ có dạng như sau:
Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều. Độ cứng của đặc tính cơ: β= dM dω =−( k φ dm ) 2
Động cơ kích từ độc lập có đặc tính cơ cứng hơn so với động cơ kích từ nối tiếp, vì vậy nó rất phù hợp cho các truyền động yêu cầu ổn định cao về tốc độ Khi thay đổi điện áp cấp vào phần ứng động cơ, ta có thể tạo ra các đặc tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Khi giảm điện áp phần ứng, momen mở máy và dòng điện khởi động của động cơ sẽ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ cũng giảm theo một mức tải nhất định Phương pháp này thường được áp dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện trong quá trình khởi động.
Hình 2.3 Đặc tính của động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều, có thể thấy rằng tốc độ của động cơ phụ thuộc vào ba yếu tố chính: điện trở (R), điện áp (U) và từ thông (Ф) Vì vậy, có ba phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều dựa trên các thông số này.
+) Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng của động cơ.
+) Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông Ф.
Điều khiển tốc độ động cơ có thể thực hiện bằng cách thay đổi giá trị điện áp của phần ứng hoặc điều chỉnh giá trị điện trở trong mạch phần ứng.
Khi giả thiết U = U đ m = const, việc thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng thông qua việc mắc thêm một điện trở phụ R f sẽ dẫn đến sự thay đổi tốc độ động cơ Do đó, phương trình đặc tính cơ trong trường hợp này được biểu diễn như sau: ω = K Ф U - R ư + R f.
Ta thấy rằng khi thay đổi giá trị điện trở R f thì tốc độ sẽ thay đổi theo.
Xét đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc R f vào mạch điện phần ứng như sau:
Hình 2.4 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi giá trị điện trở phụ.
( K Ф ) 2 M = ω 0 - ∆ ω Trong đó: ω 0 – là tốc độ không tải.
∆ ω – là độ sụt tốc độ.
Theo đường đặc tính ta có
Ta giả thiết U, Ф, I ư là những hằng số Do vậy nên mômen M cũng là hằng số.
Mặt khác, vì R ư < R f 1 < R f 2 nên ta có: ∆ ω 1 < ∆ ω 2 < ∆ ω 3. Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên: β TN = dM dω ≈ ∆ M ∆ ω = ( K Ф đ m )
Khi giá trị mô men cản M c không đổi, độ sụt tốc độ của động cơ sẽ tăng lên nếu điện trở của mạch phần ứng cao, dẫn đến suy giảm tốc độ động cơ và giảm độ cứng của đặc tính cơ, tức là đặc tính cơ trở nên dốc hơn Dựa vào đặc tính cơ, ta nhận thấy rằng tốc độ làm việc ω 2 và ω 3 tại các đường đặc tính điều chỉnh thấp hơn tốc độ ω đ m trên đường đặc tính cơ tự nhiên Do đó, tốc độ truyền động chỉ có thể điều chỉnh xuống dưới, tức là tốc độ điều chỉnh sẽ nhỏ hơn tốc độ định mức.
Hiệu suất của phương pháp này thấp.
Theo giả thiết ở trên , ta có U, Ф, I ư , M c là những hằng số và là những đại lượng định mức Nên ta có:
Khi suy ra rằng η 1 > η 2 > η 3, việc điều chỉnh theo phương pháp này sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế Điều này dẫn đến tổn hao trên các điện trở phụ, gây giảm hiệu suất của thiết bị.
Vì vậy nên phương pháp này trong thực tế ít sử dụng. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ.
Giả thiết U = U đ m = const và R ư = const Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ I kt Ta có phương trình đặc tính cơ như sau: ω = K Ф U - R ư
( K Ф) 2 M = ω 0 - ∆ ω Trong đó: ω 0 - là tốc độ không tải, ω 0 = var
∆ ω – là độ sụt tốc độ, ∆ ω = var
Ta có đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông mạch kích từ như sau:
Hình 2.5 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều thay đổi từ thông kích từ. Đường (1) là đường ứng với khi Ф1 = Фđm Đường (2) là đường ứng với khi Ф2 < Ф1 = Фđm
Theo đường đặc tính cơ ta có: ω 0 TN = ω 01 = K Ф U đ m đ m = K Ф U đ m
2 Độ cứng của đặc tính cơ: β = dM d ω ≈ ∆ M ∆ ω = ( K Ф)
Cấu trúc của máy điện yêu cầu cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, vì vậy phương pháp điều chỉnh thường được sử dụng là giảm từ thông (Ф < Ф đ m) Khi giảm từ thông, tốc độ không tải của máy sẽ tăng lên.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu chung về ardurino
Bo mạch Arduino hiện nay không còn xa lạ với người dùng tại Việt Nam. Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể học Arduino một cách hệ thống.
Bo mạch Arduino là một sản phẩm nguồn mở, dễ sử dụng và lập trình, được thiết kế với vi xử lý dòng AVR (Arduino Due sử dụng ARM) Nó bao gồm cổng USB, các chân analog input và digital I/O Ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên Wiring và được phát triển trên phần mềm Arduino IDE.
Arduino là một nền tảng bao gồm cả bo mạch Arduino và phần mềm Arduino IDE, giúp đơn giản hóa việc thực hiện các dự án điện tử Với Arduino, bạn có thể dễ dàng hiện thực hóa những ý tưởng như chế tạo ô tô điều khiển từ xa hoặc xây dựng hệ thống tưới cây tự động.
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển do Arduino.cc phát triển, dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P Nền tảng điện tử mã nguồn mở này cho phép người dùng xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác thông qua phần mềm và phần cứng hỗ trợ.
Trước khi Arduino ra đời, việc thực hiện các dự án điện tử nhỏ liên quan đến lập trình và biên dịch đòi hỏi sự hỗ trợ từ các thiết bị biên dịch khác Chẳng hạn, khi sử dụng vi điều khiển PIC hoặc vi điều khiển thuộc họ 8051, người dùng cần thiết kế chân nạp onboard hoặc mua các thiết bị hỗ trợ như mạch nạp 8051 và mạch nạp PIC để thực hiện quá trình nạp và biên dịch.
Arduino hiện nay đã trở nên phổ biến tại Việt Nam, thu hút sự quan tâm của học sinh, sinh viên và người đi làm Nhiều dự án, từ nhỏ đến lớn, được thực hiện nhanh chóng nhờ vào sự chia sẻ mã nguồn mở trên các diễn đàn trong và ngoài nước Điều này hỗ trợ rất nhiều cho những ai đam mê nghiên cứu và chế tạo sản phẩm có ích cho xã hội.
Trong những năm gần đây, Arduino đã trở thành nền tảng quan trọng cho hàng ngàn dự án điện tử, từ các sản phẩm ứng dụng đơn giản trong đời sống hàng ngày cho đến những nghiên cứu khoa học phức tạp.
Thư viện mã nguồn mở ngày càng phong phú, hỗ trợ người mới làm quen với Arduino cũng như các lập trình viên nhúng và chuyên gia trong việc tham khảo và phát triển thêm.
Bạn muốn thiết kế một hệ thống điều khiển thiết bị thông minh thông qua cảm biến ánh sáng, đo nồng độ hóa chất và khí gas, cũng như xử lý dữ liệu từ các cảm biến nồng độ và cảm biến khí Bạn có ý định tạo ra một con robot mini, quản lý việc tắt mở thiết bị điện trong nhà, điều khiển motor và nhận dạng ID Nếu bạn muốn thử thách hơn, bạn có thể phát triển một máy CNC hoặc máy in 3D mini, hoặc thậm chí là một chiếc máy bay không người lái (Flycam) Ngoài ra, bạn cũng có thể xây dựng một hệ thống thu thập dữ liệu qua GSM, xử lý ảnh và điều khiển các thiết bị thông minh thông qua Internet, giao tiếp với điện thoại thông minh.
Để thực hiện các yêu cầu từ đơn giản đến phức tạp, bạn cần sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino dựa trên sơ đồ và hệ thống thiết kế của mình Thông qua phần mềm Arduino IDE, bạn có thể gửi các lệnh đến bộ phận xử lý trung tâm (Arduino) để thực hiện các chức năng mong muốn.
Arduino Nano là một mạch vi điều khiển nhỏ gọn, dễ sử dụng và có thể lập trình trực tiếp qua máy tính, tương tự như Arduino Uno R3 Với kích thước chỉ 1.85cm x 4.3cm, Arduino Nano rất phù hợp cho người mới bắt đầu, đặc biệt là với mức giá rẻ hơn so với Arduino Uno, nhưng vẫn tương thích với tất cả các thư viện của mạch này Bài viết này sẽ giới thiệu về Arduino Nano, các thông số kỹ thuật của nó và những gợi ý ứng dụng cho những ai muốn bắt đầu với mạch này.
Các dòng sản phẩm của Arduino:
Board: Arduino Uno, Arduino Pro, Arduino Mega, Arduino 101, Arduino Zero, LilyPad Arduino…
Module: Arduino Pro mini, Arduino Micro, Arduino LCD Module, Arduino Relay Module, Arduino Driver Module…
Shield: Arduino Proto Shield, Arduino Wifi Shield 101, Arduino Ethernet Shield, Arduino GSM Shield …
Lập trình ardurino là gì ?
Lập trình arduino là gì? Chúng ta có thể hiểu về Arduino như sau:
Arduino là nền tảng mã nguồn mở, được sử dụng để phát triển các ứng dụng điện tử Nó cho phép tương tác giữa các thiết bị và môi trường, mang lại sự thuận tiện trong việc thiết kế và triển khai các giải pháp công nghệ.
Arduino là một máy tính mini giúp người dùng lập trình và thực hiện các dự án điện tử một cách hiệu quả, mà không cần sử dụng các công cụ chuyên biệt để nạp code.
Arduino gồm có hai phần chính đó là phần cứng và phần mềm.
Vi điều khiển (hay còn được gọi với cái tên khác là board mạch mã nguồn mở) Một số board được sử dụng như:
Arduino Uno là board mạch đơn giản nhất, lý tưởng cho người mới bắt đầu Nó có 14 chân đầu ra số, 6 chân đầu vào 5V và độ phân giải 1024 mức Với tốc độ 16MHz và điện áp hoạt động từ 7V đến 12V, kích thước của board này là 5,5x7cm và có giá 200.000 đồng.
+ Arduino Micro: Bao gồm có đến 20 chân, trong đó chân có thể phát
PWM có 7 chân Thiết kế khá nhỏ gọn, nhẹ, kích thước bảng board là 5 x 2cm.
Arduino Pro là một thiết kế mới với chân số không cố định, cho phép người dùng tùy chỉnh số chân sử dụng, từ đó tiết kiệm không gian hiệu quả Thiết bị này thường có hai loại: loại cung cấp nguồn 3.3V và loại 5V.
Arduino Nano là một trong những board mạch nhỏ gọn nhất với kích thước chỉ 2 x 4 cm, giúp dễ dàng lắp đặt và sử dụng trong nhiều dự án điện tử.
+ Arduino Mega: Là bộ phận được thiết kế với chân số lên đếm 64 chân, trong đó có 14 chân phát PWM, 4 cổng truyền tiếp Kích thước của board là 5 x
Cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng phản ứng với các tác động từ môi trường xung quanh như ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm và áp suất Chúng chuyển đổi những tác động này thành tín hiệu điện tử, cho phép thu thập thông tin về trạng thái hoặc quá trình vật lý, hóa học cần khảo sát Tín hiệu này có thể hiển thị trên màn hình để con người dễ dàng đọc hoặc được truyền đi để xử lý tiếp.
Thông tin được xử lý nhằm rút ra các tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ cho nghiên cứu khoa học kỹ thuật và nhu cầu dân sinh Quá trình này được gọi là đo đạc, đóng vai trò quan trọng trong việc truyền và xử lý thông tin, cũng như điều khiển các quá trình khác.
Cảm biến thường được lắp đặt trong các vỏ bảo vệ để tạo thành đầu thu hay đầu dò, có thể đi kèm với các mạch điện hỗ trợ và thường được gọi chung là "cảm biến" Tuy nhiên, thuật ngữ này ít được sử dụng cho các vật có kích thước lớn và không áp dụng cho một số chi tiết như núm công tắc bật đèn trong tủ lạnh, mặc dù về mặt lý thuyết, núm này hoạt động như một cảm biến.
Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:
Cảm biến vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đo lường các yếu tố như sóng điện từ, ánh sáng, tia cực tím, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường và trọng trường Những cảm biến này giúp thu thập thông tin chính xác về môi trường xung quanh và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Cảm biến hóa học bao gồm nhiều loại như cảm biến độ ẩm, độ pH, ion, hợp chất đặc hiệu và khói Sự đa dạng của các hiện tượng cần cảm biến và các phương pháp chế tạo cảm biến đang không ngừng phát triển Việc phân loại cảm biến trở nên phức tạp do khó khăn trong việc xác định các tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng này.
-Cảm biến nhiệt độ LM35
LM35 là một cảm biến nhiệt độ Analog (A0 đến A5 trên board Arduino
LM35 không cần phải canh chỉnh nhiệt độ khi sử dụng.
LM35 thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.
Cảm biến nhiệt độ LM35.
Cảm biến nhiệt độ LM35 là một thiết bị cảm biến nhiệt độ chính xác cao, với điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ được đo theo thang độ Celsius.
Thông số kỹ thuật của cảm biến:
Điện áp hoạt động: 4-20V DC.
Công suất tiêu thụ: 60uA.
Khoảng đo nhiệt độ: -55°C đến 150°C.
Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C.
Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng 2°C tới 150°C.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân Vout (chân giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ.
Arduino Uno Cảm biến nhiệt độ LM35
Ngày nay, màn hình LCD được sử dụng phổ biến trong nhiều ứng dụng vi điều khiển nhờ vào những ưu điểm nổi bật LCD có khả năng hiển thị đa dạng ký tự, bao gồm chữ, số và hình ảnh đồ họa, mang lại trải nghiệm trực quan cho người dùng Ngoài ra, việc tích hợp LCD vào mạch ứng dụng rất dễ dàng với nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, đồng thời tiêu tốn ít tài nguyên hệ thống và có chi phí thấp.
-Hình dáng và kích thước:
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, hình trên là một loại LCD thông dụng.
Các khối điều khiển
Arduino UNO có 14 chân digital cho phép đọc và xuất tín hiệu với hai mức điện áp 0V và 5V, và dòng vào/ra tối đa là 40mA trên mỗi chân Mỗi chân được trang bị điện trở pull-up từ bên trong vi điều khiển ATmega328, mặc dù mặc định các điện trở này không được kết nối Bằng cách sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35, người dùng có thể đọc nhiệt độ và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.
Bộ cảm biến LM35 đưa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay đổi 1 độ K, là cảm biến nhiệt cho ra mức điện áp với độ tương ứng Kenvin
Hoạt động trong giải:400uA-5mA
Dải nhiệt đo được: -55 độ C đến 150 độ C
LCD 16x2A là loại 2 dòng, 16 ký tự, nguồn nuôi thấp có thểh oạt động ở hai chế độ 4 bit hoặc 8 bit
Dùng để hiển thị ký tự và chế độ cài đặt trạng thái điều khiển
Mạch điều khiển động cơ L293D là board mở rộng cho Arduino, cho phép điều khiển động cơ DC, động cơ bước và động cơ servo Arduino Motor Shield có thiết kế gọn gàng, tương thích hoàn toàn với các board như Arduino Uno R3, Arduino Leonardo và Arduino Mega2560, giúp người dùng dễ dàng và nhanh chóng trong việc sử dụng và điều khiển động cơ.
Arduino Motor Shield sử dụng 2 IC cầu H L293D hoàn chỉnh với các chế độ bảo vệ và 1 IC logic 74HC595 để điều khiển các động cơ.
Mạch điều khiển động cơ L293D hỗ trợ điều khiển nhiều loại motor như step motor, servo motor và motor DC Nó có thể hoạt động với mức áp lên đến 36V và dòng tối đa 600mA cho mỗi kênh điều khiển.
THÔNG SỐ KỸ THUẬT: Điện áp đầu vào: 4.5V đến 36V.
Tương thích với các board Arduino Uno R3, Arduino Leonardo R3 và Arduino Mega 2560.
Bài viết này mô tả khả năng điều khiển các loại động cơ, bao gồm 4 động cơ DC, 2 động cơ servo và 2 động cơ bước Các cổng điều khiển cho động cơ servo được đánh dấu là Servo_1 và Servo_2, trong khi các cổng cho động cơ DC được đánh dấu là M1, M2, M3 và M4, với chân giữa là chân GND.
Hai cổng điều khiển động cơ servo với điện áp vào 5V và timer độ phân giải cao rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển bằng Arduino, đảm bảo độ chính xác cao và đặc biệt không bị jitter.
Có 2 IC Driver L293D, do đó sẽ có 4 cầu H để điều khiển được 4 động cơ
DC Mỗi cầu H có dòng ra tối đa 0.6A (dòng chịu đựng cực đại là 1.2A) ở mỗi kênh điều khiển.
Các cổng M dùng điều khiển động cơ DC được điều khiển bằng tín hiệu PWM.
The driver supports the control of two stepper motors, utilizing two ports for servo motors that can also be used for stepper motors With the L293D Shield, stepper motors can operate in various modes: full step, half step, and micro-step The stepper motors compatible with the driver can be either unipolar or bipolar types.
Có sẵn nút RESET để khởi động lại board Arduino
Cụ thể là điều khiển được số lượng motor như sau:
- 4 ngõ ra điều khiển đến 4 động cơ DC độc lập.
- 2 động cơ step motor loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar) Mạch tích hợp điện trở nối GND giúp cho không tự chạy khi khởi động board.
Các chân mà Arduino Motor Shield sử dụng là:
- Chân điều khiển 2 RC servo được kết nối với chân số 9 và 10 Nguồn cung cấp được lấy trực tiếp từ board Arduino.
- Chân 4, 7, 8, 12 dùng điều khiển motor thông qua IC 74HC595
Trên Arduino Motor Shield, có một jumper PWR giúp dễ dàng sử dụng nguồn cấp ngoài qua jack DC của board Arduino để cung cấp điện cho motor Nếu không sử dụng jumper này, cần phải cấp nguồn riêng vào chân EXT_PWR để đảm bảo motor hoạt động.
Dải nhiệt độ hoạt động:-40 đến 150 độ C
Động cơ điện một chiều ngày nay được ưa chuộng trong các ứng dụng công nghiệp nhờ vào khả năng cung cấp công suất cơ và momen ổn định Nó cho phép điều chỉnh tốc độ trong một phạm vi rộng, đảm bảo độ chính xác cao trong việc kiểm soát tốc độ Động cơ này hoạt động hiệu quả ở nhiều tốc độ khác nhau, có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh chóng, đồng thời phản hồi nhanh với các tín hiệu điều khiển.
