PH giao tiếp Arduino 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 Arduino trong nước
1.1 Vi điều khiển Arduino trong mạch cảm biến đo độ PH giao tiếp Arduino trong nước
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.
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
VIN: Chân này dùng để cấp nguồn ngoài (điện áp cấp từ 7-12VDC).
5V: Điện áp ra 5V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 500mA).
3V3: Điện áp ra 3.3V (dòng điện trên mỗi chân này tối đa là 50mA).
GND: Là chân mang điện cực âm trên board.
IOREF: Điệp áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO và có thể đọc điện áp trên chân IOREF. Chân IOREF không dùng để làm chân cấp nguồn.
e.Bộ nhớ
Vi điều khiển ATmega328:
32 KB bộ nhớ Plash: trong đó bootloader chiếm 0.5KB.
2 KB cho SRAM: (Static Random Access Menory): giá trị các biến khai báo sẽ được lưu ở đây. Khai báo càng nhiều biến thì càng tốn nhiều bộ nhớ RAM. Khi mất nguồn dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
1 KB cho EEPROM: (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): Là nơi có thể đọc và ghi dữ liệu vào đây và không bị mất dữ liệu khi mất nguồn.
f. Các chân đầu vào và đầu ra
Trên Board Arduino Uno có 14 chân Digital được sử dụng để làm chân đầu vào và đầu ra và chúng sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Giá trị điện áp trên mỗi chân là 5V, dòng trên mỗi chân là 20mA và bên trong có điện trở kéo lên là 20-50 ohm. Dòng tối đa trên mỗi chân I/O không vượt quá 40mA để tránh trường hợp gây hỏng board mạch.Ngoài ra, một số chân Digital có chức năng đặt biệt:
Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu (RX) và truyền dữ liệu (TX) TTL.
Ngắt ngoài: Chân 2 và 3.
PWM: 3, 5, 6, 9 và 11 Cung cấp đầu ra xung PWM với độ phân giải 8 bit bằng hàm analogWrite ().
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Các chân này hỗ trợ giao tiếp SPI bằng thư viện SPI.
LED: Có 1 LED được tích hợp trên bảng mạch và được nối vào chân D13. Khi chân có giá trị mức cao (HIGH) thì LED sẽ sáng và LED tắt khi ở mức thấp (LOW).
TWI/I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
1.2 Cảm biến đo độ PH giao tiếp Arduino trong nước
a. Giới thiệu pH giao tiếp Arduino
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 Arduino 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 Arduino 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 Arduino hiển thị LCD1602
Phần này chưa được chia sẻ.
LIÊN HỆ thông tin ở TẠI ĐÂY để được hổ trợ tốt hơn.
#include"ph_grav.h" //header file for Atlas Scientific gravity pH sensor#include"LiquidCrystal.h" //header file for liquid crystal display (lcd)Stringinputstring="";//a string to hold incoming data from the PCbooleaninput_string_complete=false;//a flag to indicate have we received all the data from the PCcharinputstring_array[10];//a char array needed for string parsingGravity_pHpH=A0;//assign analog pin A0 of Arduino to class Gravity_pH. connect output of pH sensor to pin A0LiquidCrystalpH_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)voidsetup(){Serial.begin(9600);//enable serial portpH_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 1pH_lcd.print("--------------------");//display characterspH_lcd.setCursor(0,3);//place cursor on screen at column 1, row 4pH_lcd.print("--------------------");//display characterspH_lcd.setCursor(5,1);//place cursor on screen at column 6, row 2pH_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"));}voidserialEvent(){//if the hardware serial port_0 receives a charinputstring=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}voidloop(){if(input_string_complete==true){//check if data receivedinputstring.toCharArray(inputstring_array,30);//convert the string to a char arrayparse_cmd(inputstring_array);//send data to pars_cmd functioninput_string_complete=false;//reset the flag used to tell if we have received a completed string from the PCinputstring="";//clear the string}Serial.println(pH.read_ph());//output pH reading to serial monitorpH_lcd.setCursor(8,2);//place cursor on screen at column 9, row 3pH_lcd.print(pH.read_ph());//output pH to lcddelay(1000);}
voidparse_cmd(char*string){//For calling calibration functionsstrupr(string);//convert input string to uppercaseif(strcmp(string,"CAL,4")==0){//compare user input string with CAL,4 and if they match, proceedpH.cal_low();//call function for low point calibrationSerial.println("LOW CALIBRATED");}elseif(strcmp(string,"CAL,7")==0){//compare user input string with CAL,7 and if they match, proceedpH.cal_mid();//call function for midpoint calibrationSerial.println("MID CALIBRATED");}elseif(strcmp(string,"CAL,10")==0){//compare user input string with CAL,10 and if they match, proceedpH.cal_high();//call function for highpoint calibrationSerial.println("HIGH CALIBRATED");}elseif(strcmp(string,"CAL,CLEAR")==0){//compare user input string with CAL,CLEAR and if they match, proceedpH.cal_clear();//call function for clearing calibrationSerial.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 Arduino trong nước:
