View source for Bài 4: Chỉnh độ sáng đèn Led bằng biến trở với Arduino (Analog In + Analog Out)

== '''Giới thiệu''' ==

Từ <u>Bài 3</u>, các bạn cũng thấy được một Mô hình hệ thống điều khiển đơn giản thật tế sẽ như thế nào.

:Trong đó các thành phần ''Input'' và ''Ouput'', đều sử dụng tín hiệu Digital. Điểm chung của tín hiệu Digital là mình chỉ có 2 trạng thái khác nhau sử dụng, như Nút nhấn là '''NHẤN/NHẢ''', LED là '''ON/OFF'''.

:Mà trong thật tế, thì số lượng các trường hợp, các tình huống, các giá trị, ... là vô số kể. Để được vậy ta cần một loại tín hiệu khác lấy <u>mô phỏng từ tự nhiên</u>, đó là '''Analog'''.

:Trong bài này, mình sẽ hướng dẫn các bạn cách sử dụng tín hiệu Analog trên các thành phần ''Input'' và ''Output''.

:Để làm ứng dụng điều chỉnh được độ sáng của đèn LED theo ý muốn, thay vì chỉ bật tắt như các bài trước. Với thành phần ''Input'' mình sẽ cần đổi sang module Biến trở.

:Bắt đầu thôi nào!

== '''Kiến thức cơ bản''' ==

=== <span style=color:#314B9F>Biến trở?</span> ===

[[File:Lesson4-Pot.png|300px|thumb|right|alt=Biến trở|Biến trở]]

:'''Biến trở (Potentiometer)''' thật ra cũng là một thiết bị '''Điện trở''', tuy nhiên điểm khác biệt giữa chúng, là nó có thể chọn được giá trị '''Trở kháng (Ω)''' theo ý muốn người dùng.

:Cấu tạo của Biến trở gồm <u>2 thành phần chính</u> là ''"Cần gạt"'' và ''"Dãi dây dẫn"''.

:Giá trị Trở kháng của ''"Dây dẫn"'' được quyết định bởi nhiều yếu tố cấu tạo nên nó, <u>như:</u> vật liệu dây dẫn, tiết diện dây dẫn, chiều dài dây dẫn.

:Vậy nên cách đơn giản nhất để thay đổi giá trị Trở kháng của một thiết bị là <u>thay đổi chiều dài</u> của dây dẫn điện trong thiết bị đó.

:Dựa trên nguyên lý này, người ta thiết kế Biến trở có <u>3 đầu kết nối</u>. Hai đầu bên ngoài kết nối với hai đầu ''"Dãi dây dẫn"''. Đầu giữa kết nối với ''"Cần gạt"'' bên trong, nó tạo một điểm tiếp xúc với ''"Dãi dây dẫn"'' và có thể được di chuyển từ đầu này sang đầu kia bằng cách xoay trục hoặc vặn vít hoặc bằng cách di chuyển thanh trượt.

==== <span style=color:#314B9F>Voltage Divider?</span> ====

[[File:Lesson4-Voltage-Divider-Formula.PNG|300px|thumb|right|alt=Bộ chia điện áp|Bộ chia điện áp]]

:Các bạn có thể thấy ''"Cần gạt"'' đã phân tách ''"Dãi dây dẫn"'' thành <u>2 Điện trở riêng biệt</u> có tổng bằng tổng Trở kháng của dãi đó.

:Hai Điện trở này có thể được sử dụng để tạo ra một '''Bộ phân áp (Voltage Divider)'''.

:Bằng cách cấp vào một nguồn '''Điện áp đầu vào (V<sub>in</sub>)''' ở hai đầu bên ngoài của Biến trở, thì '''Điện áp đầu ra (V<sub>out</sub>)''' giữa đầu giữa Biến trở và đầu nối Gnd còn lại, sẽ tìm được bằng công thức: <code>V<sub>out</sub> = V<sub>in</sub> * (R2 / (R1 + R2))</code>.

:Như vậy bằng cách dùng Biến trở, ta có thể <u>điều chỉnh</u> '''V<sub>out</sub>''' <u>theo ý muốn</u> trong một khoảng '''V<sub>in</sub>''' đã xác định.

=== <span style=color:#314B9F>Tín hiệu Analog?</span> ===

[[File:Lesson4-Signal-Analog.PNG|300px|thumb|right|alt=Signal Analog|Signal Analog]]

:'''Analog Signal''' đề cập đến các giá trị có ''"Biên độ là Liên tục"''.

:Giống Digital, '''Biên độ''' của Analog cũng được giới hạn trong một số giá trị hữu hạn.

:<u>Vd:</u> với bo mạch Vietduino, tín hiệu Analog có thể nhận là <u>vô số</u> giá trị khác nhau trong '' Dãi điện áp từ '''0V (min)''' cho đến '''5V (max)''' ''. Nó có thể là bất cứ giá trị nào trong dãi này.

: Để hiểu chi tiết hơn về tín hiệu Analog và ứng dụng của nó. Các bạn có thể xem thêm bài viết này [[Tín hiệu Analog, Digital và các chuẩn giao tiếp cơ bản|'''tại đây''']].

=== <span style=color:#314B9F>ADC?</span> ===

[[File:Lesson4-ADC.png|300px|thumb|right|alt=ADC|ADC]]

:'''ADC''' (viết tắt của ''Analog to Digital Converter''), là một <u>Bộ chuyển đổi tín hiệu</u>, giúp chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu Digital, rồi mới đưa tín hiệu đến bộ Vi điều khiển.

:Hầu như trong mọi Vi điều khiển đều phải có bộ ADC này, vì đa số tất cả các chân Vi điều khiển chỉ hoạt động trên tín hiệu Digital ở chế độ ''Input'' cả ''Output'' !

:Vậy nên vai trò của bộ ADC rất quan trọng để giúp các Vi điều khiển có thể <u>đọc hiểu được</u> các tín hiệu Analog.

=== <span style=color:#314B9F>PWM?</span> ===

:'''PWM''' (viết tắt của ''Pulse Width Modulation''), là một kỹ thuật để tạo các tín hiệu <u>giả lập</u> Analog bằng các tín hiệu Digital.

[[File:Lesson4-PWM.png|700px|thumb|center|alt=PWM|PWM]]

:Các Vi điều khiển sẽ điều khiển các chân xuất ra tín hiệu Digital, để tạo ra 1 <u>sóng hình chữ nhật</u> có ''Tần số'' cố định '''(T<sub>period</sub>)''', bằng cách chuyển đổi qua lại giữa xuất mức <code>HIGH</code> và <code>LOW</code>.

:Bên cạnh sóng này có thể thay đổi '''Độ rộng xung (Pulse Width)''', bằng cách thay đổi khoảng thời gian tín hiệu cần sử dụng '''(T<sub>on</sub>)''' so với khoảng thời gian tín hiệu không sử dụng '''(T<sub>off</sub>)'''.

:Nhờ vậy ta sẽ có được những sóng với '''Duty Cycle''' điều chỉnh được ''từ 0% đến 100%'', giúp mô phỏng bất kì mức điện áp nào trong '' Dãi điện áp từ '''0V (min)''' cho đến '''5V (max)''' '' tương ứng.

== '''Phần mềm''' ==

=== <span style=color:#314B9F>Arduino</span> ===

{{Tr-Info
|name= Trước khi bắt đầu:
|value=<p>
* Yêu cầu đã cài phần mềm '''Arduino IDE''' (nên cài phiên bản mới nhất đã ổn định).
* Các bạn có thể xem các bài hướng dẫn cơ bản về cách cài, cách sử dụng IDE này [[Tổng quan Arduino|'''tại đây''']] nhé.
</p>
}}

== '''Phần cứng''' ==

=== <span style=color:#314B9F>Danh sách thiết bị</span> ===

{| class="wikitable"
|+
!Tên sản phẩm
!Số lượng
|-
|[[Mạch Vietduino Uno (Arduino Uno Compatible)]]
|style="text-align: center; | 1
|-
|[[Mạch Arduino MakerEDU Shield]]
|style="text-align: center; | 1
|-
|[[Mạch biến trở MKL-M04 potentiometer module]]
|style="text-align: center; | 1
|-
|[[Mạch led đơn MKL-M01 10mm single LED module]]
|style="text-align: center; | 1
|-
|[https://hshop.vn/products/cap-micro-usb Cáp Micro USB]
|style="text-align: center; | 1
|-
|[https://hshop.vn/products/cap-ket-noi-makeredu-xh2-54-3wires-20cm-cable Cáp Kết Nối MakerEDU XH2.54 3Wires 20cm Cable] '''[XH2.54 - XH2.54]'''
|style="text-align: center; | 2
|}

=== <span style=color:#314B9F>Hướng dẫn kết nối</span> ===

# Gắn Shield ''"Arduino MakerEDU"'' lên bo Vietduino.
# Kết nối Module Biến trở với Shield bằng dây ''"XH2.54 <u>3Wires</u>"'' vào <mark>'''Port A1'''</mark>.
# Kết nối Module LED với Shield bằng dây ''"XH2.54 <u>3Wires</u>"'' vào <mark>'''Port D9'''</mark>.
# Kết nối bo Vietduino với máy tính thông qua cáp MicroUSB.

== '''Code''' ==

# Mở Arduino IDE.
# Vào <code>File -> New</code> (hoặc '''Ctrl+N''') tạo 1 file Arduino mới và đặt tên là ...\<code>PWM_Led.ino</code>
# Vào <code>Tool</code> để cấu hình '''Board:...''' và '''Port:...''' đúng tương ứng với bo Arduino bạn đang dùng.
# Copy đoạn Code sau và nhấp vào '''Verify (Ctrl+R)''' để IDE kiểm tra lỗi cú pháp.
# Sau khi IDE kiểm tra không có lỗi trong Code, lúc này bạn có thể nhấp '''Upload (Ctrl+U)''' để nạp Code vào bo Arduino.

=== <span style=color:#314B9F>Code Example</span> ===

{{kxncode
|name = PWM_Led.ino
|code =
<syntaxhighlight>
/***
** Module Biến trở ------> Arduino (Input Analog)
** _ KHI XOAY BIẾN TRỞ THEO CHIỀU CW HOẶC CCW
** _ GIÁ TRỊ ĐIỆN ÁP CẢM BIẾN XUẤT RA SẼ THAY ĐỔI TỪ [0V : 3,3V]
** _ TƯƠNG ỨNG GIÁ TRỊ ARDUINO ĐỌC ĐƯỢC TRONG PHẠM VI [0 : 675]
**
** Arduino (Output PWM) -> Module LED
** _ PWM 0%              : LED OFF
** _ PWM 100%            : LED ON
** |
** _ KHI ARDUINO XUẤT XUNG PWM VỚI ĐỘ RỘNG XUNG [0% : 100%]
** _ TƯƠNG ĐƯƠNG PHẠM VI GIÁ TRỊ [0 : 255] TRONG LỆNH
** _ ĐÈN LED SẼ THAY ĐỔI ĐỘ SÁNG TƯƠNG ỨNG
***/

int potPin = A1;                 // Chọn chân Analog cho Biến trở
int ledPin = 9;                  // Chọn chân Digital cho LED

int potValue = 0;                // Biến để lưu trữ giá trị đọc từ Biến trở
int ledValue = 0;                // Biến để lưu trữ giá trị xuất PWM cho LED
 
void setup()
{
  pinMode(potPin, INPUT);        // Đặt chân A1 là Input
  pinMode(ledPin, OUTPUT);       // Đặt chân D9 là Output
}
 
void loop()
{
  delay(10);
  potValue = analogRead(potPin); // Đọc giá trị Analog từ Biến trở

  /* Chuyển đổi giá trị từ thang đo của Biến trở sang LED */
  ledValue = map(potValue, 0, 675, 0, 255); 
  analogWrite(ledPin, ledValue); // Điều khiển độ sáng LED bằng PWM
}
</syntaxhighlight>
}}

=== <span style=color:#314B9F>Giải thích Code</span> ===

<syntaxhighlight>
analogRead(); /*** HÀM ***/
</syntaxhighlight>

<u>Chức năng:</u>
* Đọc giá trị từ chân Analog được chỉ định. Trong các bo mạch Arduino có bộ ADC đa kênh, với <u>độ phân giải</u> mặc định '''10-bit'''.<br>Điều này có nghĩa là nó sẽ '''Ánh xạ (Mapping)''' ''Dãi điện áp từ '''0V''' đến '''5V''' thành các giá trị Số Nguyên tương ứng từ '''0''' đến '''1.023''' ''.

<u>Cú pháp:</u>
* ''analogRead('''pin''');''

<u>Tham số:</u>
* '''pin''' - chân (con số) chọn từ bo Arduino.

{{Tr-Attention
|name= Lưu ý:
|value=<p>
* Hàm này chỉ dùng được với những chân '''Analog'''.
* Những chân này thường có kí hiệu bắt đầu bằng chữ ''' 'A' ''' trên bo Arduino.
</p>
}}

<u>Kiểu dữ liệu trả về:</u>
* Trả về một Số Nguyên trong phạm vi ''từ 0 đến 1.023'' (kiểu dữ liệu <code>int</code>) với '''ADC 10 bit''' ''(2<sup>10</sup> = 1.024)''.<br>Hoặc bạn có thể tăng độ phân giải lên '''12bit''' ''(2<sup>12</sup> = 4.096)'' bằng hàm <code>analogReadResolution()</code> sẽ cho phạm vi đo rộng hơn ''từ 0 đến 4.095''.

<syntaxhighlight>
map(); /*** HÀM ***/
</syntaxhighlight>

<u>Chức năng:</u>
* '''Ánh xạ''' lại một số từ dải phạm vi này sang dải phạm vi khác.<br>Có nghĩa là, một giá trị từ '''fromLow''' sẽ được ánh xạ tới giá trị '''toLow''', từ '''fromHigh''' đến '''toHigh''', từ các giá trị ở giữa của dãi ''[fromLow <-> fromHigh]'' đến các giá trị ở giữa của dãi ''[toLow <-> toHigh]''.

<u>Cú pháp:</u>
* ''map('''value''', '''fromLow''', '''fromHigh''', '''toLow''', '''toHigh''');''

<u>Tham số:</u> → tất cả đều là kiểu dữ liệu <code>long</code>.
* '''value''' - giá trị đưa vào để thực hiện việc ''Ánh xạ''.
* '''fromLow''' - giới hạn <u>dưới</u> của phạm vi hiện tại của giá trị.
* '''fromHigh''' - giới hạn <u>trên</u> của phạm vi hiện tại của giá trị.
* '''toLow''' - giới hạn <u>dưới</u> của phạm vi mục tiêu của giá trị.
* '''toHigh''' - giới hạn <u>trên</u> của phạm vi mục tiêu của giá trị.

<u>Kiểu dữ liệu trả về:</u>
* Giá trị sau khi ''Ánh xạ'' (kiểu dữ liệu <code>long</code>).

<syntaxhighlight>
analogWrite(); /*** HÀM ***/
</syntaxhighlight>

<u>Chức năng:</u>
* Xuất tín hiệu <u>giả lập</u> Analog (dùng sóng '''PWM''') từ chân đã chỉ định.<br>Chân sẽ tạo ra một sóng PWM, có thể <u>thay đổi</u> ''Độ rộng xung'' dựa theo giá trị '''value'''.

<u>Cú pháp:</u>
* ''analogWrite('''pin''', '''value''');''

<u>Tham số:</u>
* '''pin''' - chân (con số) chọn từ bo Arduino.
* '''value''' - độ rộng xung PWM, với độ phân giải '''8 bit''' ''(2<sup>8</sup> = 256)'', có giá trị ''từ '''0 (0%)''' đến '''255 (100%)''' ''.

{{Tr-Attention
|name= Lưu ý:
|value=<p>
* Hàm này chỉ dùng được với những chân '''Digital''' có tính năng '''PWM'''.
* Những chân này thường dùng kí hiệu ''' '~' ''' hay ''' '#' ''' trên bo mạch Arduino.
</p>
}}

<u>Kiểu dữ liệu trả về:</u>
* Không có.

=== <span style=color:#314B9F>Kết quả Demo</span> ===

{{Tr-Warning
|name = Vấn đề nguồn:
|value = <p>
* Các bạn lưu ý, bất cứ ứng dụng nào chúng ta có dùng đến hàm <code>analogRead()</code>, để kết quả chạy đúng theo Code. Ta phải cấp nguồn riêng cho các board Arduino ở <u>jack DC</u>, hoặc chí ít phải đảm bảo nguồn cấp qua <u>cổng USB</u> đúng '''5V!'''
* Vì thực tế hàm này trả về giá trị <u>MAX</u> '''1.023''' bằng với giá trị điện áp đang cấp nuôi cho Vi Điều Khiển trên bo Arduino, chứ không phải là 5V.
* Nên khi nguồn điện áp này không đúng 5V có thể làm chương trình trả về kết quả sai số nhỏ, hay xuất hiện những lỗi không mong muốn, thậm chí hoạt động sai!
</p>
}}

Nếu mình đã cấp đủ nguồn rồi, thì ...

{{Tr-Done
|name= Successful:
|value=<p>
* Khi các bạn xoay Biến trở, đèn LED sẽ thay đổi cường độ ánh sáng theo. Với tần suất theo dõi Biến trở và cập nhập cho LED cứ mỗi 0,01s.
</p>
}}

Các bạn có thể xem chương trình sẽ hoạt động như thế nào theo video dưới đây nhé.

<mark>!!!</mark> nhúng 1 clip youtube, để xem video trực tiếp trên trang này. Dùng extension <iframe> cho MediaWiki.

== '''Tìm hiểu thêm''' ==

<span style=color:#0E9447><u>'''Về Bộ chia điện áp:'''</u></span> [http://developer.wildernesslabs.co/Hardware/Tutorials/Electronics/Part5/Voltage_Divider_Practicals/ | Voltage Divider Practicals].

<span style=color:#0E9447><u>'''Về Điều chế độ rộng xung:'''</u></span> [https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Foundations/PWM | PWM - Arduino].

<span style=color:#0E9447><u>'''Ngôn ngữ lập trình Arduino:'''</u></span> [https://www.arduino.cc/reference/en/ | Language - Arduino Reference].