Ứng dụng thư viện Arduinoio phần mềm Matlab trong hệ thống điều khiển tự động

ớc ứng dụng thư viện ArduinoIO trong công cụ Simulink của Matlab để thực hiện thu thập 
dữ liệu, điều khiển hệ thống điều khiển tự động và thực hiện một ví dụ về cụ thể. 
ABSTRACT 
MATLAB is a numerical computing and programming environment, designed by the 
MathWorks. During the design of the automatic control systems, Matlab is an essential tool to 
help designer simulation modeling systems, besides Matlab also can be part of them – the part 
implements control algorithms. This report presents the steps to use ArduinoIO library in 
Matlab Simulink toolbox to collect data, control automated control systems and perform a 
specific example. 
Key word: Matlab, Simulink, Arduino, ArduinoIO. 
1. Mở đầu 
MATLAB là một môi trường tính toán 
số và lập trình, được thiết kế bởi công ty 
MathWorks. MATLAB cho phép tính toán 
số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ 
thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao 
diện người dung, liên kết với những chương 
trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập 
trình khác và truyền thông kết nối thiết bị 
thực qua các cổng kết nối nối tiếp, song song 
của máy tính. Với thư viện Toolbox, 
MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, 
thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và 
kỹ thuật. 
Đặc biệt khi kết hợp với các bo mạch 
thu thập dữ liệu, Matlab có thể đóng vai trò 
là trung tâm điều khiển trong hệ thống điều 
khiển số. 
Arduino là một hệ thống sản xuất các bo 
mạch mã nguồn mở được hình thành và phát 
triển từ năm 2005. Do các bo mạch là mã 
nguồn mở nên đến nay hệ thống này đã phát 
triển rất mạnh mẽ và có thư viện hỗ trợ cho 
người sử dụng rất đa dạng, phong phú. Là 
một thiết bị phần cứng, Arduino có thể hoạt 
động độc lập với chức năng thực hiện các 
luật điều khiển, kết nối với máy tính, hoặc 
một thiết bị Arduino khác, các thiết bị điện 
tử khác... 
Thư viện ArduinoIO là một thư viện 
trong bộ công cụ Simulink hỗ trợ các bo 
mạch Arduino làm việc với Matlab-
Simulink. Kết hợp các bo mạch Arduino và 
thư viện ArduinoIO, Matlab có thể tiến hành 
thu thập dữ liệu, thực hiện thuật toán điều 
khiển dễ dàng để điều khiên đối tượng thực. 
2. Bo mạch Arduino và thư viện 
ArduinoIO 
2.1. Bo mạch Arduino 
Các bo mạch Arduino thật ra là bo mạch vi 
xử lý được dùng để lập trình tương tác với 
các thiết bị phần cứng như cảm biến, động 
cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi 
bật của Arduino là môi trường 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 người ít am hiểu về điện tử và 
lập trình. Và điều làm nên hiện tượng 
Arduino chính là mức giá rất thấp và tính 
chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm. 
 2
Bo mạch ArduinoUNO là bo mạch thông 
dụng nhất. 
ArduinoUno sử dụng chip Atmega328. 
có 14 chân vào/ra sô, 6 chân vào tương tự, 
thạch anh dao động 16Mhz. 
Một số thông số kỹ thuật như sau: 
Vi điều khiển Atmega328 
Điện áp hoạt động 5V 
Nguồn cấp 7-12V 
Số đầu vào/ra số 14 (6PWM) 
Đầu vào tương tự 6 
Dòng điện vào/ra số 40 mA 
Bộ nhơ chương trình 32 KB 
Xung nhịp 16 MHz 
Sơ đồ chân ArduinoUNO: 
Hình 1: ArduinoUNO 
- USB (1): Arduino sử dụng cáp USB để 
giao tiếp với máy tính. Thông qua cáp USB 
chúng ta có thể Upload chương trình cho 
Arduino hoạt động, ngoài ra USB còn là 
nguồn cho Arduino. 
- Nguồn cấp một chiều cho Arduino 
UNO (2,3), 7÷12V 
- Đầu vào tương tự (4), A0÷A5. 
- Đầu vào/ra số (5,6), D0÷D13. 
Môi trường lập trình: 
Môi trường lập trình cho Arduino 
được tải về từ trang web 
 Sau 
khi cài đặt xong thì giao diện chương 
trình như sau: 
Hình 2: Môi trường lập trình Arduino 
Để tìm hiểu lập trình cho Arduino có thể 
tìm hiểu qua các ví dụ và phần trợ giúp chi 
tiết trong Arduino. 
Ví dụ điều khiển tốc độ động cơ một 
chiều bằng xung PWM: 
Hình 3: Sơ đồ mạch 
Mã nguồn: 
int potPin = 0; 
int transistorPin = 9; 
int potValue = 0; 
void setup() { 
 pinMode(transistorPin, OUTPUT);} 
void loop() { 
 potValue = analogRead(potPin) / 4; 
 analogWrite(transistorPin, potValue); 
} 
 3
2.2. Thư viện ArduinoIO 
Thư viện ArduinoIO gồm hai gói phần 
mềm mã nguồn mở: gói mã lập trình ngôn 
ngữ cho bo mạch Arduino và gói mã lập 
trình .m cho các khối trong môi trường 
Simulink. Để sử dụng được thư viện này, 
Matworks khuyến cáo sử dụng phiên bản 
Matlab 2012a trở lên. 
Các bước cài đặt thư viện ArduinoIO: 
- Tải và giải nén thư viện ArduinoIO từ 
trang web  
- Tải gói phần mềm xuống bo mạch 
ArduinoUNO. Gói phần mềm trong thư mục 
ArduinoIO/pde. 
- Thêm thư viện ArduinoIO cho 
Matlab/Simulink: Đưa thư mục làm việc của 
Matlab đến thư mục ArduinoIO. Chạy tệp 
install_arduino.m để thêm thư viện 
ArduinoIO cho Simulink. 
Các khối trong thư viện ArduinoIO: 
Hình 1: Thư viện ArduinoIO 
- Khối chức năng Arduino IO setup: 
thiết lập cài đặt giao tiếp với Arduino. Khi 
kết nối Arduino vào máy tính sẽ tạo ra một 
cổng giao tiếp nối tiếp (ví dụ Com3, Com4, 
). Người sử dụng phải khai báo cho 
Matlab biết Arduino được kết nối vào cổng 
giao tiếp nào. 
- Khối chức năng Real-Time Pacer: Cài 
đặt cho Simulink chạy với thời gian thực. 
- Khối chức năng Arduino Analog Read: 
đọc giá trị ADC trên các đầu vào analog của 
Arduino. Do bo mạch ArduinoUNO có thể 
biến đổi điện áp tương tự 0÷5V từ đầu vào 
tương tự A0÷A5 thành giá trị số 10bit nên 
khối này sẽ nhận được kết quả từ 0÷1024 
tương ứng với giá trị điện áp ở các đầu vào 
tương tự được khai báo. 
- Khối chức năng Arduino Digital Read: 
đọc giá trị các đầu vào số của Arduino. Kết 
quả khối này có thể là 0 hoặc 1 theo đầu vào 
số được khai báo. 
- Khối chức năng Arduino Digital Write: 
ghi giá trị 0 hoặc 1 ra các đầu ra số được 
khai báo. 
- Khối chức năng Arduino Analog 
Write: xuất giá trị tương tự trên các đầu ra 
tương tự của Arduino. Arduino coi các chân 
có chức năng điều khiển PWM như là các 
chân xuất ra được tín hiệu tương tự. Do 
Arduino sử dụng thanh ghi 8bit để điều 
khiển PWM nên giá trị của khối Arduino 
Analog Write nhận được từ 0÷255 tương 
tứng với xung PWM có độ rộng xung từ 
0÷100%. Tần số PWM của ArduinoUNO là 
980Hz. 
- Khối chức năng Encoder Read: thiết 
lập và đọc giá trị bộ đếm xung của Arduino. 
Thư viện ArduinoIO hỗ trợ cảm biến tốc tộ 
mã hóa dưới dạng xung (Encoder) loại tương 
đối 2 kênh lệch pha nhau 90o điện. Trên bo 
mạch ArduinoUNO có chân 2 và 3 hỗ trợ 
nhận tín hiệu xung từ Encoder. ArduinoUNO 
sẽ tăng hoặc giá trị đếm khi có sự thay đổi 
trạng thái của tín hiệu xung Encoder tùy theo 
chiều quay của đĩa Encoder. Do đếm theo 
sườn xung như vậy nên ArduinoUNO đã 
thực hiện tăng độ phân giải của Encoder lên 
4 lần. Kết quả của khối này là số xung 
ArduinoUNO đếm được trong 100ms. 
- Khối chức năng Encoder Reset. 
- Khối chức năng DC Motor: điều khiển 
động cơ một chiều. Khối này yêu cầu phải sử 
dụng bo mạch điều khiển động cơ một chiều 
của Arduino. 
- Khối chức năng Stepper Motor: điều 
khiển động cơ bước. Khối này yêu cầu phải 
sử dụng bo mạch điều khiển động cơ bước 
của Arduino. 
- Khối chức năng Servo Read, Servo 
Write: điều khiển động cơ servo. 
 4
3. Sử dụng bo mạch ArduinoUNO và thư 
viện ArduinoIO điều khiển tốc độ động cơ 
một chiều 
3.1. Thông số động cơ 
Hãng sản xuất YASKAWA 
Mã hiệu UGFMED 03SRI21 
Điện áp định mức 24V 
Công suất định mức 50W 
Tốc độ định mức 1500(vòng/phút) 
Enconder 5V, 400 xung/vòng 
3.1. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống 
Hình 4: Sơ đồ cấu trúc hệ 
3.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 
1. Động cơ một chiều 
2. Bộ biến đổi xung áp 
3. Mạch tạo tín hiệu đặt 
4. Bộ ghép nối Arduino 
5. Tín hiệu phản hồi tốc độ 
6. Máy tính (Matlab/Simulink) 
Hình 5: Sơ đồ nguyên lý hệ 
3.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ 
thống sử dụng Matlab/Simulink 
Sử dụng các khối trong thư viện 
ArduinoIO để xây dựng cấu trúc điều khiển 
hệ thống với bộ điều khiển được thực hiện 
trên Matlab/Simulink trên hình 6. 
Chi tiết khối Động cơ một chiều (DCM) 
gồm: 
- Đọc tín hiệu tốc độ động cơ, sử dụng 
khối Encoder Read. 
- Xuất tín hiệu từ bộ điều khiển ra bộ 
biến đổi (xuất tín hiệu PWM), sử dụng khối 
AnalogWrite. 
Động 
cơ một 
chiều 
Bộ 
biến 
đổi 
Bộ 
điều 
khiển 
n* n
(-) 
 5
Hình 6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống sử dụng Matlab/Simulink 
3.4. Đáp ứng tốc độ của động cơ 
Đáp ứng tốc độ động cơ với tín hiệu 
đặt Nref = 1000 v/ph. 
Hình 7. Đáp ứng tốc độ động cơ 
Sai lêch tốc độ động cơ so với tín hiệu 
đặt: 
Hình 8. Sai lệch tốc độ động cơ khi không 
tải với tín hiệu đặt 
Từ hình 7 và hình 8 ta thấy: 
- Đáp ứng tốc độ động cơ khi luôn bám 
theo tín hiệu đặt. 
- Thời gian xác lập nhanh, khoảng 0.6s. 
- Lượng quá điều chỉnh rất nhỏ. 
- Bộ điều khiển thực hiện trên 
Matlab/Simulink điều khiển hệ thống đạt chất 
lượng tốt. 
4. Kết luận 
Từ các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm 
ở trên ta thấy: Kết hợp Matlab/Simulink và bo 
mạch Arduino với thư viện ArduinoIO có thể 
thực hiện tôt việc thu thập dữ liệu, tính toán và 
điều khiển trong các hệ thống điều khiển tự 
động. 
Ngoài ra, thư viện ArduinoIO là thư viện 
mã nguồn mở nên người dùng hoàn toàn có thể 
chỉnh sửa, thêm, bớt các công cụ cần thiết cho 
từng ứng dụng cụ thể. Có thể khai thác triệt để 
khả năng tính toán mạnh mẽ và thực hiện các 
thuật toán phức tạp của Matlab để điều khiển 
các hệ thống điều khiển tự động phức tạp, yêu 
cầu lượng tính toán lớn. 
udkn_err
1000
Toc do dat
1
Toc do
Speed
1
SP ref
Real-Time Pacer
Speedup = 1
Real-Time Pacer
x' = Ax+Bu
 y = Cx+Du
Hin controller
1.03
GH tren
0.97
GH duoi
1
Dong dien
Current
Speed
Dir
SP
DCM
Current
Setup
Arduino1
COM2
ArIO Setup
PID 
Controller 
 6
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Bùi Quốc Khánh – Phạm Quốc Hải 
– Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động 
truyền động điện, NXB Khoa học và kỹ 
thuật, 1999. 
[2]. Nguyễn Phùng Quang, Matlab & 
Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự 
động, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1996. 
[3]. Arduino,  
[4]. Mathworks,