PH giao tiếp STM32, Cảm biến đo độ PH DFRobot Gravity + LCD1602

PH giao tiếp STM32 là dùng Cảm biến pH dùng để đo độ pH được thiết kê đặc biệt cho Arduino có các chức năng và các cổng kết nối nên việc sử dụng rất đơn giản và tiện lợi với chi phí thấp hiệu quả cao.  Khi sử dụng, cảm biến độ pH được kết nối với on-board BNC kết nối trên bo mạch giao diện PH2.0 đến cổng analog Arduino của điều khiển, điều khiển chương trình, bạn có thể dễ dàng đo lường giá trị pH của dung dịch.Với cảm biến độ PH trong nước bạn chỉ cần nhúng máy đo độ PH vào nước ao, hồ cá hoặc bể bơi … là có thể đọc được các giá trị PH có trong nước.Cảm biến độ PH có độ nhạy và chất lượng cao, dễ dàng sử dụng.  

1. Linh kiện cần thiết làm mạch cảm biến đo độ PH giao tiếp STM32 trong nước

1.1 Vi điều khiển STM trong mạch cảm biến đo độ PH giao tiếp STM32 trong nước

a. Giới thiệu

STM32 là một trong những dòng chip phổ biến của ST với nhiều họ thông dụng như F0,F1,F2,F3,F4….. Stm32f103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3. STM32F103 là vi điều khiển 32 bit, tốc độ tối đa là 72Mhz. Giá thành cũng khá rẻ so với các loại vi điều khiển có chức năng tương tự. Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá đa dạng và dễ sử dụng.

Một số ứng dụng chính: dùng cho driver để điều khiển ứng dụng, điều khiển ứng dụng thông thường, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi chơi game, GPS cơ bản, các ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến tần, máy in, máy quét, hệ thống cảnh báo, thiết bị liên lạc nội bộ… Phần mềm lập trình: có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded Workbench, Keil C… Ở đây mình sử dụng Keil C nên các bài viết sau mình chỉ đề cập đến Keil C.

Thông tin khác

Vi xử lý có rất nhiều loại bắt đầu từ 4 bit cho đến 32 bit, vi xử lý 4 bit hiện nay không còn nhưng vi xử lý 8 bit vẫn còn mặc dù đã có vi xử lý 64 bit. Lý do sự tồn tại của vi xử lý 8 bit là phù hợp với một số yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt. Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất, …

b. Sơ lược về STM32:

• 1 cổng Mini USB dùng để cấp nguồn, nạp cũng như debug.
• 2 MCU bao gồm 1 MCU nạp và 1 MCU dùng để lập trình.
• Có chân Output riêng cho các chân mạch nạp trên MCU1.
• Có chân Output đầy đủ cho các chân MCU2.
• Chân cấp nguồn ngoài riêng cho MCU2 nếu không sử dụng nguồn từ USB.
• Thạch anh 32,768khz dùng cho RTC và Backup.
• Chân nạp dùng cho chế độ nạp boot loader.
• Nút Reset ngoài và 1 led hiển thị trên chân PB9, 1 led báo nguồn cho MCU2.

1.2 Cảm biến đo độ PH giao tiếp STM32 trong nước

a. Giới thiệu

• Cảm biến pH dùng để đo độ pH được thiết kê đặc biệt cho Arduino có các chức năng và các cổng kết nối nên việc sử dụng rất đơn giản và tiện lợi với chi phí thấp hiệu quả cao. 
• Khi sử dụng, cảm biến độ pH được kết nối với on-board BNC kết nối trên bo mạch giao diện PH2.0 đến cổng analog Arduino của điều khiển, điều khiển chương trình, bạn có thể dễ dàng đo lường giá trị pH của dung dịch.Với cảm biến độ PH trong nước bạn chỉ cần nhúng máy đo độ PH vào nước ao, hồ cá hoặc bể bơi … là có thể đọc được các giá trị PH có trong nước.
• Cảm biến độ PH có độ nhạy và chất lượng cao, dễ dàng sử dụng.

b. Thông số kỹ thuật

• Nguồn cấp: 5VDC
• Tín hiệu trả về: Analog
• Khoảng đo PH: 0 -14PH
• Khoảng nhiệt độ đo: 0 – 60 độ C.
• Độ chính xác: 0.1PH (25 độ C)
• Tốc độ phản ứng: < 1 phút.
• pH Sensor with BNC Connector
• pH2.0 Interface ( 3 foot patch )
• Gain Adjustment Potentiometer
• Power Indicator LED

c. Các chân tín hiệu

• VCC   –  Cấp nguồn 3.3 ~ 5VDC.
• GND  –  Cấp nguồn 0VDC ~ Mass.
• GND  –  Cấp nguồn 0VDC ~ Mass.
• P0      –  Cấp vào chân Analog của PH cho vi điều khiển.
• T1      –  Cấp vào chân Analog của LM35 cho vi điều khiển.
• T2      –  Cấp vào chân của DS18b20 cho vi điều khiển.

d. Các tính năng của cảm biến đo độ PH giao tiếp STM32 trong nước

•  Đo chất lượng nước ở sông, suối, hay trong các đường ống nước
•  Đo chất lượng nước thải
•  Dùng trong nghiên cứu, thí nghiệm…
•  Đo chất lượng dùng trong thủy sản
•  Đo nhiệt độ trong môi trường nước
•  Đo nhiệt độ trong môi trường không khí.

1.3 LCD1602 cho mạch cảm biến đo độ PH giao tiếp STM32 trong nước

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 cảm biến pH giao tiếp STM32 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

Thư viện ph_grav.h tải đây: https://mega.nz/file/sMBU2B5A#0kW-ahxRC7Fadd72PoCvvbEXVgi8uNfg8N8hJfMS5aA

#include "ph_grav.h"                                  //header file for Atlas Scientific gravity pH sensor
#include "LiquidCrystal.h"                            //header file for liquid crystal display (lcd)

String inputstring = "";                              //a string to hold incoming data from the PC
boolean input_string_complete = false;                //a flag to indicate have we received all the data from the PC
char inputstring_array[10];                           //a char array needed for string parsing
Gravity_pH pH = A0;                                   //assign analog pin A0 of Arduino to class Gravity_pH. connect output of pH sensor to pin A0
LiquidCrystal pH_lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7);               //make a variable pH_lcd and assign arduino digital pins to lcd pins (2 -> RS, 3 -> E, 4 to 7 -> D4 to D7)

void setup() {
  Serial.begin(9600);                                 //enable serial port
  pH_lcd.begin(20, 4);                                //start lcd interface and define lcd size (20 columns and 4 rows)
  pH_lcd.setCursor(0,0);                              //place cursor on screen at column 1, row 1
  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters
  pH_lcd.setCursor(0,3);                              //place cursor on screen at column 1, row 4
  pH_lcd.print("--------------------");               //display characters
  pH_lcd.setCursor(5, 1);                             //place cursor on screen at column 6, row 2
  pH_lcd.print("pH Reading");                         //display "pH Reading" 
  if (pH.begin()) { Serial.println("Loaded EEPROM");} 
  Serial.println(F("Use commands \"CAL,4\", \"CAL,7\", and \"CAL,10\" to calibrate the circuit to those respective values"));
  Serial.println(F("Use command \"CAL,CLEAR\" to clear the calibration"));
 }

void serialEvent() {                                  //if the hardware serial port_0 receives a char
  inputstring = Serial.readStringUntil(13);           //read the string until we see a <CR>
  input_string_complete = true;                       //set the flag used to tell if we have received a completed string from the PC
}

void loop() {

  if (input_string_complete == true) {                //check if data received
    inputstring.toCharArray(inputstring_array, 30);   //convert the string to a char array
    parse_cmd(inputstring_array);                     //send data to pars_cmd function
    input_string_complete = false;                    //reset the flag used to tell if we have received a completed string from the PC
    inputstring = "";                                 //clear the string
  }
  Serial.println(pH.read_ph());                       //output pH reading to serial monitor
  pH_lcd.setCursor(8, 2);                             //place cursor on screen at column 9, row 3
  pH_lcd.print(pH.read_ph());                         //output pH to lcd
  delay(1000);
}

void parse_cmd(char* string) {                      //For calling calibration functions
  strupr(string);                                   //convert input string to uppercase

  if (strcmp(string, "CAL,4") == 0) {               //compare user input string with CAL,4 and if they match, proceed
    pH.cal_low();                                   //call function for low point calibration
    Serial.println("LOW CALIBRATED");
  }
  else if (strcmp(string, "CAL,7") == 0) {          //compare user input string with CAL,7 and if they match, proceed
    pH.cal_mid();                                   //call function for midpoint calibration
    Serial.println("MID CALIBRATED");
  }
  else if (strcmp(string, "CAL,10") == 0) {         //compare user input string with CAL,10 and if they match, proceed
    pH.cal_high();                                  //call function for highpoint calibration
    Serial.println("HIGH CALIBRATED");
  }
  else if (strcmp(string, "CAL,CLEAR") == 0) {      //compare user input string with CAL,CLEAR and if they match, proceed
    pH.cal_clear();                                 //call function for clearing calibration
    Serial.println("CALIBRATION CLEARED");
  }
}

3. Hoạt động của mạch cảm biến đo độ PH

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 PH trong nước và cảm biến nhiệt độ LM35, cảm biến nhiệt độ DS18b20 trả về tín hiệu analog và chuẩn 1 dây dùng để đọc mức độ PH và nhiệt độ trong 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 PH giao tiếp STM32 trong nước:

Chúc các bạn thành công…!!!