Độ đục nước giao tiếp Arduino, Cảm biến đo độ đục nước + LCD1602

Độ đục nước giao tiếp Arduino là dùng Cảm biến đo Độ đục nước là một thuộc tính của các hạt nước. Cảm biến đo độ đục của nước đọc và xuất ra giá trị analog tương ứng với giá trị của độ đục.  Độ đục này cần hiệu chỉnh về giá trị chuẩn thông qua biến trở để so sánh.

Cảm biến đo độ đục của nước Water Turbidity Sensor DFRobot được sử dụng để đo độ đục của nước, cảm biến sử dụng phương pháp đo quang học cho độ bền và độ chính xác cao, thích hợp cho các ứng dụng cảm biến môi trường nước, đo độ ô nhiễm, thủy sinh,… Độ đục là một trong những tiêu chí dùng để kiểm tra chất lượng nước, nó thể hiện bằng lượng hạt tồn tại trong nước, lượng hạt càng tăng thì mức độ đục của nước càng tăng  

1. Linh kiện cần thiết làm mạch cảm biến đo Độ đục nước giao tiếp Arduino

1.1 Vi điều khiển Arduino trong mạch cảm biến đo Độ đục nước giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

Arduino Uno R3 (Dip) có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

Các chức năng khác

Arduino Uno R3 là một bảng mạch vi điều khiển nguồn mở dựa trên vi điều khiển Microchip ATmega328 được phát triển bởi Arduino.cc. Bảng mạch được trang bị các bộ chân đầu vào/ đầu ra Digital và Analog có thể giao tiếp với các bảng mạch mở rộng khác nhau. Mạch Arduino Uno thích hợp cho những bạn mới tiếp cận và đam mê về điện tử, lập trình…Dựa trên nền tảng mở do Arduino.cc cung cấp các bạn dễ dàng xây dựng cho mình một dự án nhanh nhất ( lập trình Robot, xe tự hành, điều khiển bật tắt led…).

b. Chức năng của Arduino R3:

• 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
• Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2⁸-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

Các chức năng khác

• Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK).  Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
• LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset, bạn 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 Uno R3 có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 2¹⁰-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V  → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit. Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

1.2 Cảm biến đo Độ đục nước giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

• Cảm biến đo Độ đục nước là một thuộc tính của các hạt nước. Cảm biến đo độ đục của nước đọc và xuất ra giá trị analog tương ứng với giá trị của độ đục.
• Độ đục này cần hiệu chỉnh về giá trị chuẩn thông qua biến trở để so sánh.
• Cảm biến đo độ đục của nước Water Turbidity Sensor DFRobot được sử dụng để đo độ đục của nước, cảm biến sử dụng phương pháp đo quang học cho độ bền và độ chính xác cao, thích hợp cho các ứng dụng cảm biến môi trường nước, đo độ ô nhiễm, thủy sinh,…
• Độ đục là một trong những tiêu chí dùng để kiểm tra chất lượng nước, nó thể hiện bằng lượng hạt tồn tại trong nước, lượng hạt càng tăng thì mức độ đục của nước càng tăng
• Vì thế kiểm tra độ đục của nước là cần thiết.
• Cảm biến đo độ đục chất lỏng giúp chúng ta có thể đo mức độ đục của chất lỏng
• Cảm biến đo độ đục chất lỏng hoạt động dựa vào nguyên lý quang học, nó có thể phát hiện các hạt lơ lửng trong nước.
• Nguyên lí của mạch là thay vì đo điện áp trực tiếp ở các độ đục khác nhau, ta có thể dùng cảm biến đo độ đục này để xuất ra  các giá trị điện áp tương ứng từ 0-4.5V

b. Thông số kỹ thuật Độ đục nước giao tiếp Arduino

• Điện áp sử dụng: 5V DC
• Dòng tiêu thụ: 40mA (MAX)
• Thời gian phản hồi: <500ms
• Insulation Resistance: 100M (Min)
• Dạng tín hiệu Output:Analog
• Analog output: 0-4.5V
• Digital Output: High/Low level signal (you can adjust the threshold value by adjusting the potentiometer)
• Operating Temperature: 5℃~90 ℃
• Storage Temperature: -10℃~90℃
• Weight: 30g
• Adapter Dimensions: 38mm x 28mm x 10mm

c. Các chân tín hiệu

• VCC   –  Cấp nguồn 3 ~ 5VDC.
• GND  –  Cấp nguồn 0VDC ~ Mass.
• D0      –  Cấp vào chân Analog cho vi điều khiển.

d. Các tính năng của cảm biến đo độ đục nước

• Cảm biến đo độ đục chất lỏng được ứng dụng trong bài toán như + Đo chất lượng nước ở sông, suối, hay trong các đường ống nước + Đo chất lượng nước thải + Dùng trong nghiên cứu, thí nghiệm…

1.3 Module I2C LCD giao tiếp cảm biến đo Độ đục nước giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu I2C LCD 

I2C LCD  giao tiếp STM32 Để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD 2004,… ) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD. Nhưng với mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD, các bạn chỉ cần 2 chân (SDA và SCL) của MCU kết nối với 2 chân (SDA và SCL) của module là đã có thể hiển thị thông tin lên LCD. Ngoài ra có thể điều chỉnh được độ tương phản bởi biến trở gắn trên module. Lưu ý : Các phiên bản cũ địa chỉ của bus i2c là 0X27, loại mới là 0x3F

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động: 3 – 6V
• Giao tiếp: I2C
• Địa chỉ mặc định: 0x27, có thể mắc vào I2C bus tối đa 8 module (3bit address set)
• Jump Chốt: Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt
• Biến trở xoay độ tương phản cho LCD
• Kích thước: 41.5 x 19 x 15.3mm
• Trọng lượng: 5g

c. Các chân tín hiệu

• Dây đỏ: VCC
• Dây đen: GND
• Dây vàng: SCL
• Dây xanh lá: SDA

d. Cách sử dụng

• Thông thường, để điều khiển và hiển thị được kí tự từ vi điều khiển xuất ra màn hình 16×02 bạn cần tới 7-8 dây nối đến chân vi điều khiển. Điều này gây ra rất nhiều phiền toái: đi sai dây, mạch rườm ra, khó viết code…
• Những điều này được mạch điều khiển màn hình khắc phục hoàn toàn vì số lượng dây tín hiệu giảm còn duy nhất: 2 dây. Bằng việc sử dụng giao tiếp I2C, việc điều khiển trực tiếp màn hình được chuyển sang cho IC xử lý nằm trên mạch. Bạn chỉ việc gửi các mã lệnh cùng nội dung hiển thị, do vậy giúp vi điều khiển có nhiều thời gian để xử lý các tiến trình phức tạp khác.

e. Tính năng nỗi bật

• Giao tiếp I2C chỉ sử dụng duy nhất 2 dây tín hiệu: SDA và SCL giúp tiết kiệm chân trên vi điều khiển.
• Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 400Kbps.
• Dữ liệu truyền nhận đảm bảo tính toàn vẹn vì sử dụng cơ chế phản hồi (ACK) trên mỗi byte dữ liệu.
• Có khả năng kết nối nhiều thiết bị với nhau: trên mạch có sẵn các mối hàn A0, A1, A2 để thay đổi địa chỉ của module.

1.4 LCD1602 cho mạch cảm biến Độ đục nước giao tiếp Arduino

a. Giới thiệu

Màn hình text LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 2 dòng với mỗi dòng 16 ký tự, màn hình có độ bền cao, rất phổ biến, nhiều code mẫu và dễ sử dụng thích hợp cho những người mới học và làm dự án.

b. Thông số kỹ thuật

• Điện áp hoạt động là 5 V.
• Kích thước: 80 x 36 x 12.5 mm
• Chữ đen, nền xanh lá
• Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard.
• Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện.
• Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn.
• Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu
• Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết.

c. Sơ đồ chân LCD 16×2

Số chân	Ký hiệu chân	Mô tả chân
1	Vss	Cấp điện 0v
2	Vcc	Cấp điện 5v
3	V0	Chỉnh độ tương phản
4	RS	Lựa chọn thanh ghi địa chỉ hay dữ liệu
5	RW	Lựa chọn thanh ghi Đọc hay Viết
6	EN	Cho phép xuất dữ liệu
7	D0	Đường truyền dữ liệu 0
8	D1	Đường truyền dữ liệu 1
9	D2	Đường truyền dữ liệu 2
10	D3	Đường truyền dữ liệu 3
11	D4	Đường truyền dữ liệu 4
12	D5	Đường truyền dữ liệu 5
13	D6	Đường truyền dữ liệu 6
14	D7	Đường truyền dữ liệu 7
15	A	Chân dương đèn màn hình
16	K	Chân âm đèn màn hình

Trong 16 chân của LCD được chia ra làm 3 dạng tín hiệu như sau:

• Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn+5V. Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở.
• Các chân điều khiển: Chân số 4 là chân RS dùng để điều khiển lựa chọn thanh ghi. ChânR/W dùng để điều khiển quá trình đọc và ghi. Chân E là chân cho phép dạng xung chốt.
• Các chân dữ liệu D7÷D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD.

d. Địa chỉ ba vùng nhớ 

• Bộ điều khiển LCD có ba vùng nhớ nội, mỗi vùng có chức năng riêng. Bộ điều khiển phải khởi động trước khi truy cập bất kỳ vùng nhớ nào. a. Bộ nhớ DDRAM
• Bộ nhớ chứa dữ liệu để hiển thị (Display Data RAM: DDRAM) lưu trữ những mã ký tự để hiển thị lên màn hình. Mã ký tự lưu trữ trong vùng DDRAM sẽ tham chiếu với từng bitmap kí tự được lưu trữ trong CGROM đã được định nghĩa trước hoặc đặt trong vùng do người sử dụng định nghĩa. b. Bộ phát kí tự ROM – CGROM
• Bộ phát kí tự ROM (Character Generator ROM: CGROM) chứa các kiểu bitmap cho mỗi kí tự được định nghĩa trước mà LCD có thể hiển thị, như được trình bày bảng mã ASCII. Mã kí tự lưu trong DDRAM cho mỗi vùng kí tự sẽ được tham chiếu đến một vị trí trong CGROM. Ví dụ: mã kí tự số hex 0x53 lưu trong DDRAM được chuyển sang dạng nhị phân 4 bit cao là DB[7:4] = “0101” và 4 bit thấp là DB[3:0] = “0011” chính là kí tự chữ ‘S’ sẽ hiển thị trên màn hình LCD. c. Bộ phát kí tự RAM – CGRAM
• Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý. Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng.

e. Các lệnh điều khiển của LCD

• Lệnh thiết lập chức năng giao tiếp “Function set”:
  • Bit DL (data length) = 1 thì cho phép giao tiếp 8 đường data D7 ÷ D0, nếu bằng 0 thì cho phép giao tiếp 4 đường D7 ÷ D4.
  • Bit N (number of line) = 1 thì cho phép hiển thị 2 hàng, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị 1 hàng.
  • Bit F (font) = 1 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×8, nếu bằng 0 thì cho phép hiển thị với ma trận 5×11.
  • Các bit cao còn lại là hằng số không đổi.

• Lệnh xoá màn hình “Clear Display”: khi thực hiện lệnh này thì LCD sẽ bị xoá và bộ đếm địa chỉ được xoá về 0.

• Lệnh di chuyển con trỏ về đầu màn hình “Cursor Home”: khi thực hiện lệnh này thì bộ đếm địa chỉ được xoá về 0, phần hiển thị trở về vị trí gốc đã bị dịch trước đó. Nội dung bộ nhớ RAM hiển thị DDRAM không bị thay đổi.
• Lệnh thiết lập lối vào “Entry mode set”: lệnh này dùng để thiết lập lối vào cho các kí tự hiển thị,
  • Bit I/D = 1 thì con trỏ tự động tăng lên 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị, khi I/D = 0 thì con trỏ sẽ tự động giảm đi 1 mỗi khi có 1 byte dữ liệu ghi vào bộ hiển thị.
  • Bit S = 1 thì cho phép dịch chuyển dữ liệu mỗi khi nhận 1 byte hiển thị.

• Lệnh điều khiển con trỏ hiển thị “Display Control”: 

  • Bit D: cho phép LCD hiển thị thì D = 1, không cho hiển thị thì bit D = 0.
  • Bit C: cho phép con trỏ hiển thị thì C= 1, không cho hiển thị con trỏ thì bit C = 0.
  • Bit B: cho phép con trỏ nhấp nháy thì B= 1, không cho con trỏ nhấp nháy thì bit B = 0.
  • Với các bit như trên thì để hiển thị phải cho D = 1, 2 bit còn lại thì tùy chọn, trong thư viện thì cho 2 bit đều bằng 0, không cho phép mở con trỏ và nhấp nháy, nếu bạn không thích thì hiệu chỉnh lại.
• Lệnh di chuyển con trỏ “Cursor /Display Shift”: lệnh này dùng để điều khiển di chuyển con trỏ hiển thị dịch chuyển 
  • Bit SC: SC = 1 cho phép dịch chuyển, SC = 0 thì không cho phép.
  • Bit RL xác định hướng dịch chuyển: RL = 1 thì dịch phải, RL = 0 thì dịch trái. Nội dung bộ nhớ DDRAM vẫn không đổi.
  • Vậy khi cho phép dịch thì có 2 tùy chọn: dịch trái và dịch phải.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự “Set CGRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM phát kí tự.
• Lệnh thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM hiển thị “Set DDRAM Addr”: lệnh này dùng để thiết lập địa chỉ cho bộ nhớ RAM lưu trữ các dữ liệu hiển thị.
• Hai lệnh cuối cùng là lệnh đọc và lệnh ghi dữ liệu LCD.

f. Bảng mã ASCII sử dụng cho LCD

g. Bảng địa chỉ cho LCD

2. Hướng dẫn đồ án độ đục nước giao tiếp Arduino hiển thị LCD1602

Phần này chưa được chia sẻ.

LIÊN HỆ thông tin ở TẠI ĐÂY để được hổ trợ tốt hơn.

Phần cứng

Phần mềm

#include <Wire.h> 
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);  //0x27 is the i2c address, while 16 = columns, and 2 = rows.
int Turbidity_Sensor_Pin = A0;
float Turbidity_Sensor_Voltage;
int samples = 600;
float ntu; // Nephelometric Turbidity Units

void setup()
{
  Serial.begin(9600); // for debugging purposes
  pinMode(Turbidity_Sensor_Pin, INPUT);
  lcd.init();                 //Init the LCD
  lcd.backlight();            //Activate backlight     
  lcd.home();  
}

void loop()
{
    Turbidity_Sensor_Voltage = 0;
    for(int i=0; i<samples; i++)
    {
        Turbidity_Sensor_Voltage += ((float)analogRead(Turbidity_Sensor_Pin)/1023)*5;
    }
     Turbidity_Sensor_Voltage = Turbidity_Sensor_Voltage/samples;
    // uncomment the following two statments to check the voltage. 
    // if you see any variations, take necessary steps to correct them
    // once you are satisfied with the voltage value then again you can comment these lines
     //Serial.println("Voltage:");
    //Serial.println(Turbidity_Sensor_Voltage);
    Turbidity_Sensor_Voltage = round_to_dp(Turbidity_Sensor_Voltage,2);
    if(Turbidity_Sensor_Voltage < 2.5){
      ntu = 3000;
    }else{
      ntu = -1120.4*square(Turbidity_Sensor_Voltage)+ 5742.3*Turbidity_Sensor_Voltage - 4352.9; 
    }
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0);
    lcd.print(Turbidity_Sensor_Voltage);
    lcd.print(" V");
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print(ntu);
    lcd.print(" NTU");
    delay(10);
}

float round_to_dp( float in_value, int decimal_place )
{
  float multiplier = powf( 10.0f, decimal_place );
  in_value = roundf( in_value * multiplier ) / multiplier;
  return in_value;
}

3. Hoạt động của mạch cảm biến đo Độ đục nước

Khi cấp điện hệ thống hoạt động, vi điều khiển hiển thị thông tin ban đầu. Lúc này vi điều khiển chờ tín hiệu từ mạch đọc cảm biến đo độ đục nước trả về tín hiệu analog dùng để đọc mức độ đục của nước và kiểm tra mức tín hiệu, Khi nhận tín hiệu vi điều khiển tính toán, xử lý dữ liệu và xuất tín hiệu giá trị thực tế ra màn hình LCD1602 hiển thị thông tin có người hoặc không có người theo yêu cầu của người lập trình.

4. Cụ thể hoạt động của mạch cảm biến đo Độ đục nước giao tiếp Arduino:

Chúc các bạn thành công…!!!