Giáo trình mô đun Vi điều khiển (Nghề: Điện tử công nghiệp – Trình độ trung cấp) – CĐ Kỹ thuật Công nghệ BR–VT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình được biên soạn với 17 bài học, cung cấp cho sinh viên những kỹ năng để: Mô phỏng được các mạch giao tiếp cơ bản Arduino với thiết bị ngoại vi, lắp ráp và kết nôi được phần cứng Arduino với thiết bị ngoại vi, thực hiện lập trình điều khiển được các thiết bị ngoại vi cơ bản đúng yêu cầu. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình mô đun Vi điều khiển (Nghề: Điện tử công nghiệp – Trình độ trung cấp) – CĐ Kỹ thuật Công nghệ BR–VT

BM/QT10/P.ĐTSV/04/04 Ban hành lần: 3 ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH BR – VT TRƢỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VI ĐIỀU KHIỂN NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐKTCN ngày…….tháng….năm 2020 . của Hiệu trưởng trường Cao đẳng KTCN BR – VT Bà Rịa – Vũng Tàu, năm 2020 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu cho giảng viên và sinh viên nghề điện tử công nghiệp trong trƣờng Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu. Chúng tôi đã thực hiện biên soạn tài liệu Vi điều khiển này. Tài liệu đƣợc biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập, lƣu hành nội bộ trong nhà trƣờng nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
3
LỜI GIỚI THIỆU Trong chƣơng trình đào tạo nghề điện tử công nghiệp của trƣờng cao đẳng Kỹ Thuật Công Nghệ Bà Rịa Vũng Tàu mô đun môn học Vi điều khiển là một mô đun giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện kỹ năng lập trình điều khiển thiết bị cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tƣ thiết bị đầy đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu cầu thực tế. Nội dung của giáo trình “Vi điều khiển” bao gồm 17 bài : Bài 1:Tổng quan về arduino uno r3 Bài 2: Cài đặt chƣơng trình arduino ide và driver cho arduino Bài 3: Ngôn ngữ lập trình cho arduino. Bài 4: Cài đặt và sử dụng phần mềm protues. Bài 5: Giao tiếp với led đơn Bài 6: Giao tiếp với nút nhấn. Bài 7: Giao tiếp với led 7 đoạn Bài 8: Giao tiếp với lcd Bài 9: Adc-đọc tín hiệu một số loại cảm biến Bài 10: Ngắt ngoài Bài 11: Timer-counter Bài 12 PWM -điều chỉnh độ sáng của bóng đèn Bài 13: Giao tiếp I2C -đọc thời gian thực. Bài 14: Điều khiển động cơ dc Bài 15: Điều khiển động cơ servo Bài 16: Điều khiển động cơ bƣớc Bài 17: UART-giao tiếp giữa 2 arduino Đã đƣợc xây dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trƣờng, kết hợp với những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lƣợng đào tạo phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nƣớc,. Giáo trình đƣợc biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà giảng viên tự điều chỉnh ,bổ xung cho thích hợp và không trái với quy định của chƣơng trình đào tạo trung cấp,cao đẳng. Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhƣng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc sự tham gia đóng góp ý kiến của các ta đồng nghiệp và các chuyên gia kỹ thuật đầu ngành. Xin trân trọng cảm ơn! 1
Bà Rịa , ngày….tháng....năm 2020 Tham gia biên soạn: Bùi Văn Vinh 2
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1 MỤC LỤC .............................................................................................................. 3 BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO UNO R3 ..................................................... 8 1. Tổng quan. .......................................................................................................... 8 2. Sơ đồ chân của Arduino ...................................................................................... 9 BÀI 2: CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH ARDUINO IDE VÀ DRIVER CHO ARDUINO ............................................................................................................ 11 1.Cài đặt chƣơng trình Arduino IDE...................................................................... 11 1.1. Cài Java Runtime Environment (JRE). ......................................................... 11 1.2. Cài đặt Arduino IDE:...................................................................................... 12 2. Cài đặt Driver đối với Arduino Uno, mê ga,…: ............................................... 14 2.1.Cài đặt Driver: ................................................................................................ 14 2.2 Nạp chƣơng trình cho Arduino Uno (mega tƣơng tự): .............................. 17 2.3.Cài đặt Driver đối với Nano: .......................................................................... 18 BÀI 3: NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CHO ARDUINO ............................................ 27 1. Cấu trúc (structure) :.......................................................................................... 27 1.1. Cấu trúc tổng thể: ........................................................................................... 27 1.2. Cấu trúc điều khiển:........................................................................................ 29 1.3. Cú pháp mở rộng ............................................................................................ 35 1.4. Comments - Viết ghi chú trong khi viết code Arduino .................................... 36 1.5. #define ........................................................................................................... 37 1.6. #include.......................................................................................................... 37 2. Biến số (variable) và hằng số (constant) ............................................................ 39 2.1. hằng số (constant)........................................................................................... 39 2.2. Biến số (variable): .......................................................................................... 45 3. Hàm và thủ tục (function).................................................................................. 46 3.1.Hàm nhập xuất Digital I/O: ............................................................................. 46 3.2. Hàm nhập xuất Analog I/O: ............................................................................ 49 3.3. Hàm nhập xuất nâng cao I/O: ......................................................................... 52 3
3.4. Hàm thời gian:................................................................................................ 53 3.5. Hàm Ngắt (interrupt) ...................................................................................... 56 3.6. Hàm Ngắt Ngoài: ........................................................................................... 57 3.7. Hàm Giao tiếp ................................................................................................ 60 BÀI 4: CÀI ĐẶT VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM PROTUES.................................. 68 2.Sử dụng phần mềm mô phỏng protues ................................................................ 77 2.1. Hƣớng dẫn add thƣ viện cho Arduino IDE: .................................................... 77 2.2. Vẽ mạch mô phỏng Arduino trên Proteus ....................................................... 80 BÀI 5: GIAO TIẾP VỚI LED ĐƠN...................................................................... 84 1. Giới thiệu .......................................................................................................... 84 2. Phần cứng.......................................................................................................... 85 3. Lập trình và giải thích........................................................................................ 85 BÀI 6: GIAO TIẾP VỚI NÚT NHẤN. ................................................................. 90 1. Cấu tạo nút nhấn................................................................................................ 90 2. Phần cứng.......................................................................................................... 91 3. Lập trình và giải thích........................................................................................ 91 BÀI 7: GIAO TIẾP VỚI LED 7 ĐOẠN ................................................................ 93 1. Cấu tạo led 7 đoạn ............................................................................................. 93 2. Phần cứng.......................................................................................................... 94 3. Lập trình và giải thích........................................................................................ 95 BÀI 8: GIAO TIẾP VỚI LCD ............................................................................... 97 1. Cấu tạo LCD. .................................................................................................... 97 2. Phần cứng.......................................................................................................... 97 3. Lập trình và giải thích........................................................................................ 98 BÀI 9: ADC-ĐỌC TÍN HIỆU MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN. .............................. 100 1. Giới thiệu ADC ............................................................................................... 100 2. Phần cứng........................................................................................................ 101 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 101 BÀI 10: NGẮT NGOÀI . .................................................................................... 103 1. Giới thiệu ngắt ngoài ....................................................................................... 103 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 105 BÀI 11: TIMER-COUNTER . ............................................................................. 106 4
1. Giới thiệu bộ timer- counter ............................................................................ 106 1.1. Timer/Counter 1 ........................................................................................... 107 1.2. Timer/Counter 2 ........................................................................................... 113 2.Phần cứng......................................................................................................... 115 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 115 BÀI 12: PWM -ĐIỀU CHỈNH ĐỘ SÁNG CỦA BÓNG ĐÈN ............................ 117 1. Giới thiệu PWM .............................................................................................. 117 1.1. Kiến thức cơ bản .......................................................................................... 117 1.2.Liên hệ với Arduino: ..................................................................................... 118 2. Phần cứng........................................................................................................ 120 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 121 BÀI 13: GIAO TIẾP I2C -ĐỌC THỜI GIAN THỰC. ........................................ 122 1. Giới thiệu I2C ................................................................................................. 122 1.1.Khái niệm: ..................................................................................................... 122 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:.................................................................... 122 2. Phần cứng........................................................................................................ 123 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 124 BÀI 14: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DC ............................................................... 128 1. Giới thiệu động cơ DC .................................................................................... 128 1.1. Định nghĩa .................................................................................................... 128 1.2. Phân loại động cơ điện một chiều ................................................................. 129 1.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động .................................................................. 129 1.4.Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều ..................................................... 130 2. Phần cứng........................................................................................................ 131 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 132 BÀI 15: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ SERVO ........................................................ 134 1. Giới thiệu động cơ servo ................................................................................. 134 1.1. Động cơ Servo nghĩ là gì ? ........................................................................... 134 1.2.Phân loại động cơ Servo. ............................................................................... 134 1.3.Cấu tạo của động cơ Servo. ........................................................................... 135 2. Phần cứng........................................................................................................ 137 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 138 5
BÀI 16: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC ......................................................... 139 1. Giới thiệu động cơ bƣớc .................................................................................. 139 1.1. Động cơ bƣớc là gì? ..................................................................................... 139 1.2 Cấu tạo động cơ bƣớc .................................................................................... 139 1.3. Đặc điểm của động cơ bƣớc ......................................................................... 140 1.4 Phân loại động cơ bƣớc ................................................................................. 140 1.5. Phƣơng pháp điều khiển động cơ bƣớc ......................................................... 140 2. Phần cứng........................................................................................................ 141 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 143 BÀI 17: UART-GIAO TIẾP GIỮA 2 ARDUINO ............................................... 146 1. Giới thiệu UART ............................................................................................. 146 2. Phần cứng........................................................................................................ 149 3. Lập trình và giải thích...................................................................................... 150 Tài liệu tham khảo: .............................................................................................. 151 6
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Vi điều khiển Mã mô đun:MĐ 18 *Vị trí, tính chất,ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí của mô đun : Mô đun đƣợc bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung,mô đun đo lƣờng điện , kỹ thuật điện tử , kỹ thuật xung số , điện tử công suất - Tính chất của mô đun : Là môn học chuyên ngành - Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Giúp cho ngƣời học có khả năng lập trình điều khiển các thiết bị ngoại vi trong hệ thống vi điều khiển. * Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Cài đặt và sử dụng đƣợc các phần mềm Arduino IDE và Driver cho Arduino, Protues … + Phân tích cấu trúc, ứng dụng của vi điều khiển trong công nghiệp + Kiểm tra và viết đƣợc một số chƣơng trình điều kiển thiết bị ngoại vi . - Về kỹ năng: + Mô phỏng đƣợc các mạch giao tiếp cơ bản Arduino với thiết bị ngoại vi + Lắp ráp và kết nôi đƣợc phần cứng Arduino với thiết bị ngoại vi + Thực hiện lập trình điều khiển đƣợc các thiết bị ngoại vi cơ bản đúng yêu cầu kỹ thuật; - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Ngƣời học có khả năng làm việc độc lập hoặc làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn nhau trong học tập và rèn luyện, có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm trong công việc. * Nội dung mô đun: 7
BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ ARDUINO UNO R3 *Giới thiệu Bài học này giới thiệu về bo mạch ARDUINO UNO R3 điện áp vào, ra ... *Mục tiêu: Sau khi học xong bài học này, ngƣời học có khả năng: - Hiểu đƣợc cấu tạo, thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3. - Trình bày đƣợc chức năng,nhiệm vụ của các chân của Arduino - Áp dụng đƣợc Arduino Uno R3 vào thực tiễn . - Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp , đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị *Nội dung: 1. Tổng quan. Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý đƣợc dùng để lập trình tƣơng tác với các thiết bị phần cứng nhƣ cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trƣờng phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với ngƣời ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện tƣợng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. Arduino Uno là sử dụng chip Atmega328. Nó có 14 chân digital I/O, 6 chân đầu vào (input) analog, thạch anh dao động 16Mhz. Một số thông số kỹ thuật nhƣ sau : Chip ATmega328 Điện áp cấp nguồn 5V Điện áp đầu vào (input) (kiến 7-12V nghị ) Điện áp đầu vào(giới hạn) 6-20V Số chân Digital I/O 14 (có 6 chân điều chế độ rộng xung PWM) Số chân Analog (Input ) 6 DC Current per I/O Pin 40 mA DC Current for 3.3V Pin 50 mA Flash Memory 32KB (ATmega328) với 0.5KB sử dụng bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) 8
EEPROM 1 KB (ATmega328) Xung nhịp 16 MHz 2. Sơ đồ chân của Arduino Hình 1.1: Arduino UnO r3 * USB (1). Arduino sử dụng cáp USB để giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB chúng ta có thể Upload chƣơng trình cho Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là nguồn cho Arduino. * Nguồn ( 2 và 3 ). Khi không sử dụng USB làm nguồn thì chúng ta có thể sử dụng nguồn ngoài thông qua jack cắm 2.1mm ( cực dƣơng ở giửa ) hoặc có thể sử dụng 2 chân Vin và GND để cấp nguồn cho Arduino. Bo mạch hoạt động với nguồn ngoài ở điện áp từ 5 – 20 volt. Chúng ta có thể cấp một áp lớn hơn tuy nhiên chân 5V sẽ có mực điện áp lớn hơn 5 volt. Và nếu sử dụng nguồn lớn hơn 12 volt thì sẽ có hiện tƣợng nóng và làm hỏng bo mạch. Khuyết cáo các ta nên dùng nguồn ổn định là 5 đến dƣới 12 volt. Chân 5V và chân 3.3V (Output voltage) : các chân này dùng để lấy nguồn ra từ nguồn mà chúng ta đã cung cấp cho Arduino. Lƣu ý : không đƣợc cấp nguồn 9
vào các chân này vì sẽ làm hỏng Arduino. GND: chân mass. * Chip Atmega328. Chip Atmega328 Có 32K bộ nhớ flash trong đó 0.5k sử dụng cho bootloader. Ngoài ra còn có 2K SRAM, 1K EEPROM. * Input và Output ( 4, 5 và 6). Arduino Uno có 14 chân digital với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() để điều khiển các chân này tôi sẽ đề cập chúng ở các phần sau. Cũng trên 14 chân digital này chúng ta còn một số chân chức năng đó là: Serial : chân 0 (Rx ), chân 1 ( Tx). Hai chân này dùng để truyền (Tx) và nhận (Rx) dữ liêu nối tiếp TTL. Chúng ta có thể sử dụng nó để giao tiếp với cổng COM của một số thiết bị hoặc các linh kiện có chuẩn giao tiếp nối tiếp. PWM (pulse width modulation): các chân 3, 5, 6, 9, 10, 11 trên bo mạch có dấu “~” là các chân PWM chúng ta có thể sử dụng nó để điều khiển tốc độ động cơ, độ sáng của đèn… SPI : 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK), các chân này hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn SPI. I2C: Arduino hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C. Các chân A4 (SDA) và A5 (SCL) cho phép chúng tao giao tiếp giửa Arduino với các linh kiện có chuẩn giao tiếp là I2C. * Reset (7): dùng để reset Arduino. Câu hỏi ôn tập Câu1. Trình bày tổng quan về vi điều khiển ? Câu 2. So sánh sự giống và khác nhau giữa bộ vi xử lý so với bộ vi điều khiển? Câu 3. Nêu chức năng các chân của bo arduino? 10
BÀI 2: CÀI ĐẶT CHƢƠNG TRÌNH ARDUINO IDE VÀ DRIVER CHO ARDUINO *Giới thiệu Bài học này giới thiệu về cách cài đặt Cài đặt và nâng cấp,khởi động chƣơng trình,cài đặt các thông số ban đầu,Update các linh kiên mới của một phần mềm chuyên ngành đƣợc ứng dụng rộng rãi . *Mục tiêu: Sau khi học xong bài học này, ngƣời học có khả năng: - Phân tích đƣợc các bƣớc cài đặt phần mềm Arduino IDE. - Cài đặt và nâng cấp đƣợc phần mềm Arduino IDE. - Sử dụng thành thạo phần mềm Arduino IDE. - Nạp đƣợc một chƣơng trình mẫu vào arduino - Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp , đảm bảo an toàn cho ngƣời và thiết bị *Nội dung: 1.Cài đặt chƣơng trình Arduino IDE 1.1. Cài Java Runtime Environment (JRE). Vì Arduino IDE đƣợc viết trên Java nên ta cần phải cài đặt JRE trƣớc Arduino IDE. Link: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/downloads/jre8- downloads-2133155.html Bản JRE phổ biến nhất là bản dành cho Windows 32bit (x86) và Windows 64bit (x64) mình đã đánh dấu trong hình. Nhớ chọn "Accept License Agreement". 11
Việc cài đặt diễn ra rất đơn giản và nhanh chóng. 1.2. Cài đặt Arduino IDE: Bƣớc 1: Truy cập địa chỉ: https://www.arduino.cc/en/Main/Software và tải về chƣơng trình Arduino IDE phù hợp với hệ điều hành của máy mình bao gồm Windown, Mac OS hay Linux. Đối với Windown có bản cài đặt (.exe) và bản Zip, đối với Zip thì chỉ cần giải nén và chạy chƣơng trình không cần cài đặt. - Click vào 1 Bƣớc 2: click vào 2 12
Sau khi download xong, ta bấm vào file vừa download nếu là arduino-1.8.13- windows.zip thì ta chọn “Extract here” để giải nén. Bƣớc 3: Chạy file arduino.exe trong thƣ mục arduino-1.8.5\ để khởi động Arduino IDE. 13
Sau khi chạy file arduino.exe ta có giao diên Arduino IDE: 2. Cài đặt Driver đối với Arduino Uno, mê ga,…: 2.1.Cài đặt Driver: Đầu tiên, các ta chạy file dpinst-x86.exe (Windows x86) hoặc dpinst- amd64.exe Windows x64) trong thƣ mục driver của file phần mềm IDE mình tải về. 14
Cửa sổ “Device Driver Installation Wizard” hiện ra, các ta chọn Next để tiếp tục. 15
Khi có yêu cầu xác nhận cài đặt driver, chọn “Install” Quá trình cài đặt đã hoàn tất. Bấm “Finish” để thoát. 16
2.2 Nạp chƣơng trình cho Arduino Uno (mega tƣơng tự): Bƣớc 1: Khởi động Arduino IDE: Bƣớc 2:Mở chƣơng trình mẫu trên Arduino IDE (Blink) 17