Bài tập lớn môn đo lường và điều khiển bằng máy tính đề tài mạch đo gia tốc • tín hiệu gia tốc từ module cảm biến được đưa vào arduino

LỜI MỞ ĐẦUNgày nay, cảm biến gia tốc là một trong những loại cảm biến được sử dụng rộngrãi trong nhiều thiết bị hiện đại.. Do vậy, đề tài thực hiện khảo sát dữ liệu củacảm biến gia tốc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN MÔN

ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH

TÊN ĐỀ TÀI Mạch đo gia tốc

• Tín hiệu gia tốc từ module cảm biến được đưa vào arduino

• Lập trình C# gia tốc đo được hiển thị trên PC

• Thiết lập mức cảnh báo gia tốc nguy hiểm trên PC

GIÁO VIÊN: THS LÊ MẠNH THẮNG

NHÓM 17

SINH VIÊN THỰC HIỆN:

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cảm biến gia tốc là một trong những loại cảm biến được sử dụng rộngrãi trong nhiều thiết bị hiện đại Do vậy, đề tài thực hiện khảo sát dữ liệu củacảm biến gia tốc nhằm cung cấp cái nhìn khái quát về cảm biến gia tốc, cũngnhư cung cấp các thông tin hữu ích cho các đề tài khác sử dụng cùng loại hoặckhác loại cảm biến gia tốc, hoặc phát triển các ứng dụng có liên quan (các ứngdụng điều khiển, định hướng trong không gian,…) Để thực hiện đề tài, vi điềukhiển MSP430 được sử dụng để đọc dữ liệu rồi chuyển đến máy tính để có thể

vẽ đồ thị dữ liệu bằng phần mềm Dữ liệu thu thập được luôn cập nhật liên tụcvới độ chính xác khá cao, đáp ứng được yêu cầu cảu các ứng dụng đòi hỏi độnhạy cao trong nhiều lĩnh vực như khoa học không gian, y sinh, công nghiệp ôtô,…

Gia tốc là một đại lượng vật lí quan trọng dùng để mô tả chuyển động Ngàynay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học – công nghệ, việc đo đạc gia tốc trởnên dễ dàng và chính xác hơn nhờ các loại cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốcđược ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như các thiết bị y tế hiện đại, bộphận định hướng và điều khiển vận tốc trong ô tô, bộ phận định vị trên tên lửa,tàu không gian, các thiết bị đo độ rung, độ chấn động, Do đó, đề tài đượcnghiên cứu nhằm cung cấp những thông tin cơ bản nhất về cảm biến gia tốc, tạo

cơ sở cho những nghiên cứu khác Đề tài chọn cảm biến gia tốc MCP6050

PHẦN I NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT CHUNG VỀ CẢM BIẾN.

1 Khái niệm về cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận sự thay đổi trạng thái vật lý hay hóa học

ở môi trường cần khảo sát, sự thay đổi đó sẽ biến thành tín hiệu để thu thậpthông tin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin tín hiệu được thu thập đó sẽ được xử lý để rút ra tham số định tínhhoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹthuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lýthông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

Cảm biến được đặt trong các vỏ bảo vệ, sẽ tạo thành đầu thu hoặc đầu dò, có thể

có kèm các mạch điện hỗ trợ…

Cấu tạo của cảm biến :Hiện nay trên thị trường có hàng trăm ngàn cảm biến

phục vụ các mục đích khác nhau Nhưng nó có mẫu số chung là được làm từ cácsensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường gọi là đầu

dò Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.Được đóng gói nhỏ gọn trong một vỏ hộp Các tín hiệu phát ra được quy chuẩntheo các mức điện áp Và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điềukhiển

 Các đặc trưng

 Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

 Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

 Độ trễ: Độ đáp ứng với thay đổi của quá trình

 Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, uy tín, chịu những biếnđộng lớn của môi trường như : nước dầu, ăn mòn

 Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cốđịnh

 Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

 Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lênkết quả

 Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

 Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời giantồn tại (date)

 Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,… làm việcđược

1.1 Thiết bị cảm biến

Thiết bị cảm biến là một loại thiết bị giúp chuyển đổi tín hiệu từ một nguồnnăng lượng sang miền điện Một trong những ví dụ về cảm biến là Điện trở phụthuộc vào ánh sáng (LDR) Trong LDR, điện trở thay đổi tùy theo cường độ ánhsáng Khi cường độ ánh sáng nhiều hơn thì điện trở rất nhỏ và khi cường độ ánhsáng nhỏ hơn thì điện trở sẽ rất caoCác thiết bị cảm biến có thể được sử dụngtrong các thiết bị gia dụng, công nghiệp và các lĩnh vực khác Thiết kế của mộtthiết bị cảm biến phụ thuộc mục đích sử dụng và chúng giúp việc điều khiển một

hệ thống hay thiết bị nào đó dễ dàng và tiện lợi hơn

1.2 Phân loại cảm biến

Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chiacác cảm biến thành hai nhóm chính:

 Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóngđiện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất,

âm thanh, từ trường, gia tốc,…

 Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói, …

Ngoài ra ta cũng có thể phân loại theo nguyên lí hoạt động, có thể kể đến những

loại cảm biến nổi bật như:

 Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặcgóc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

 Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứngđiện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảmbiến điện dung, …

 Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện, …

 Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biếnhuỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH,cảm biến nhiệt độ, …

1.3 Phân loại theo dạng kích thích :

1.4 Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến

1.5 Phân loại theo phạm vi sử dụng:

Công nghiệp, Nghiên cứu khoa học, Môi trường, khí tượng, Thông tin, viễn

thông, Nông nghiệp, dân dụng, giao thông, vũ trụ, quân sự

1.6 Phân tích theo thông số của mô hình mạch thay thế

 Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

 Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyếntính hoặc phi tuyến

 Một số ứng dụng phổ biến của một số loại cảm biến hiện nay :

 Cảm biến hồng ngoại và việc chống trộm.

 Cảm biến hồng ngoại và đo nhiệt độ

 Việc bật tắt đèn trở nên đơn giản

 Cảm biến hồng ngoài trong sản xuất.

 Sử dụng trong quân sự, quốc phòng.

 Đo nhiệt độ nước

 Giám sát nhiệt độ lò hơi

 Kiểm soát nhiệt độ lò sấy, lò đốt.

2 Giới thiệu về cảm biến gia tốc.

Để khảo sát trạng thái chuyển động của một vật, chúng ta cần biết 3 thông

số động học: vị trí, vận tốc, gia tốc Các thông số trên có thể biến đổi qua lại chonhau bằng các phép toán đạo hàm và tích phân Tuy nhiên trong thực tế, người tathường sử dụng rộng rãi phép toán tích phân vì nó đem lại kết quả tốt hơn khi cónhiễu và sự tát dần Chính vì vậy, người ta thường xác định gia tốc để khảo sátchuyển động của một vật Để máy có thể hiểu được thông số gia tốc và sử dụng

nó trong các bài toán Tự động hóa ta cần cảm biến gia tốc

2.1 Gia tốc kế (Accelerometer).

Hãy nhìn vào khoang chứa hình trụ có chứa quả bóng gắn lò xo Đây là một môhình cảm biến gia tốc khá căn bản Khoang chứa hình trụ này được gắn liền vàovật thể mà bạn cần đo gia tốc, còn quả bóng là vật có thể di chuyển một chiềubên trong khoang chứa Khi bạn di chuyển khoang chứa, quả bóng cũng sẽ dichuyển bên trong khoang chứa, khiến lò xo co hoặc dãn ra Dựa vào độ co dãncủa lò xo, bạn có thể đoán biết được lực và gia tốc của chuyển động Nếu sửdụng 3 cảm biến gia tốc đơn giản phía trên đặt trên 3 chiều X, Y, Z, bạn có thể

dễ dàng đo được chuyển động của vật thể trong không gian

2.2 Con quay hồi chuyển (Gyroscope).

Con quay hồi chuyển là thiết bị dùng để đo hoặc duy trì sự định hướng Khi đĩaxoay với vận tốc rất cao, sự chuyển hướng theo moment ngoại lực được giảmthiểu giúp gyroscope hầu như duy trì được độ nghiêng của nó Hiện tượng nàyđược ứng dụng để giám sát độ nghiêng Gia tốc kế chỉ có thể đo được gia tốctuyến tính của thiết bị, trong khi con quay hồi chuyển có nhận biết được hướngcủa thiết bị, hệ thống có thể dễ dàng ghi nhận những chuyển động theo cảphương thẳng đứng Cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng Coriolis

2.3 Ứng dụng.

Cảm biến gia tốc có khả năng ứng dụng rất to lớn trong thực tế:

a) Kỹ thuật: Cảm biến gia tốc có thể đo gia tốc của các phương tiện, đo dao động của ô tô, máy móc, nhà cửa, các hệ thống tự động hóa và lắp đặt an toàn

Nó cũng có thể được dùng để đo các hoạt động địa chất, đo độ dốc, vị trí và tốc

độ động học với sự ảnh hưởng hoặc không ảnh hưởng của trọng lực Một trong những ứng dụng rất quan trọng là cảm biến gia tốc đo gia tốc trọng trường

b) Sinh học: Cảm biến gia tốc cũng được sử dụng rất nhiều trong công nghệ sinh học Dữ liệu với tần số cao của cảm biến gia tốc 2 trục hay 3 trục giúp các nhà khoa học có thể quan sát rất tốt các hoạt động của các con vật khi chúng ở ngoài tự nhiên Ngoài ra, dữ liệu về gia tốc cho phép các nhà khoa học xác định

tỉ lệ chuyển hóa năng lượng của các loài động vật hoang dã

c) Công nghiệp: Cảm biến gia tốc cũng được sử dụng trong việc bảo quản máy móc để báo cáo sự dao động và biến đổi của các trục quay, ổ bi, kịp thời, Được dùng nhiều trong các thiết bị như tua bản, máy bơm, quạt, con lăn, máy nén, đây là những thiết bị nếu không phát hiện lỗi kịp thời thì sẽ dẫn đến sửa chữa rấttốn kém Dữ liệu về dao động của máy móc giúp người sử dụng có thể theo dõi

và phát hiện những lỗi này trước khi thiết bị quay bị hỏng

d) Giám sát xây dựng và kết cấu: Cảm biến gia tốc được sử dụng để đo các chuyển động và dao động của một cấu trúc chịu ảnh hưởng của các hệ thống chuyển động Các hệ thống chuyển động bắt nguồn từ vô số nguồn khác nhau như:

- Hoạt động con người: đi lại, chạy, nhảy, khiêu vũ

- Công việc xây dựng: đóng cọc, phá dỡ, khoan, đào

- Các máy làm việc: bên trong tòa nhà hay các khu vực lân cận

- Vận chuyển hàng hóa nặng trên cầu

và vận tốc của một vật mà không cần các thông số bên ngoài

g) Giao thông: Cảm biến gia tốc được sử dụng để phát hiện điểm cao nhất trong chuyển động của các loại tên lửa Một trong những ứng dụng thông dụng nhất của cảm biến gia tốc là trong hệ thống túi khí an toàn của các xe hơi hiện đại Các cảm biến gia tốc xác định những thay đổi đột ngột của gia tốc phương tiện

để xác định khi nào có va chạm xảy ra và mức độ nghiêm trọng của va chạm

PHẦN II XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN

MPU6050

2.1 Sơ đồ khối tổng quát.

Để thực hiện khảo sát dữ liệu của cảm biến gia tốc MPU6050, đề tài dùng cáckhối chức năng sau:

Hình Sơ đồ khối tông quát

- Khối cảm biến gia tốc: Sử dụng cảm biến gia tốc MPU6050 để thu thập dữ liệugia tốc sau đó gửi dữ liệu này đến vi điều khiển

- Khối vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển Arduino UNO R3 để giao tiếp vớimáy tính và cảm biến

- Khối máy tính: Sử dụng máy tính và phần mềm Visual Studio

2.1.1 Cảm biến MPU6050.

+ Giới thiệu.

MPU-6050 là cảm biến của hãng InvenSense MPU-6050 là một trong nhữnggiải pháp cảm biến chuyển động đầu tiên trên thế giới có tới 6 (mở rộng tới 9)trục cảm biến bao gồm 3- axis gyroscope, 3-axis accelerometer và một DigitalMotion Processor (DMP) tích hợp trong 1 chip duy nhất có kích thước rất nhỏ(4x4x0.9mm) Với bus cảm biến I2C dành riêng, nó trực tiếp chấp nhận đầu vào

từ một la bàn bên ngoài 3 trục để cung cấp kết quả MotionFusion TM 9 trụchoàn chỉnh MPU-6050 có ba bộ chuyển đổi ADC (analog-to-digital) 16-bit để

số hóa các đầu ra con quay hồi chuyển và ba ADC 16-bit để số hóa các đầu ragia tốc kế Để theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và chuyển động chậm,các bộ phận này có thang đo chính quy có thể lập trình được cho người sử dụngvới phạm vi là ± 250, ± 500, ± 1000, và ± 2000 ° /giây (dps) và một máy gia tốc

kế có thể lập trình trong dải ± 2g, ± 4g, + 8g, và + 16g

+ Sơ đồ nguyên lý.

2.1.2 Arduino UNO R3

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thườngnói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệthứ 3 (R3) Bạn sẽ bắt đầu đến với Arduino qua thứ này Bạn có thể dùngArduino Nano cũng được nhưng mình khuyên bạn nên dùng cái này

Hình Arduino UNO R3

+ Một vài thông số của Arduino UNO R3

Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16 MHz

Dòng tiêu thụ khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân

+ Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản nhưđiều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm mộttrạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 vớigiá khoảng 90.000đ Tuy nhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặctúi tiền không cho phép, bạn có thể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chứcnăng tương đương nhưng rẻ hơn như ATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) với giá

khoảng 45.000đ hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá khoảng 65.000đ.

Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, bạn có thể sử dụng những IC điềukhiển này cho các mạch tự chế Vì sao ? Vì bạn chỉ cần board Arduino UNO đểlập trình cho vi điều khiển Trên thực tế, bạn không cần phải dụng ArduinoUNO trên các sản phẩm của mình, thay vào đó là các mạch tự chế để giảm chiphí như hình dưới đây:

Chế tạo thủ công Sử dụng mạch in

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO.

+ Các chân năng lượng

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO.

Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thìnhững chân này phải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là

50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn

nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn vớichân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có

thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạnkhông được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năngcủa nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển

tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điệntrở 10KΩ

+ Lưu ý:

 Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạnphải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồntrước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vàocủa Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy.mình khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

 Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn

ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào

Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này khôngđược nhà sản xuất khuyến khích.

 Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện

áp dưới 6V có thể làm hỏng board

 Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng

vi điều khiển ATmega328

 Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog củaArduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

 Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog củaArduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

 Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì củaArduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đónếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trởhạn dòng

Khi mình nói rằng bạn “có thể làm hỏng”, điều đó có nghĩa là chưa chắc sẽ hỏng

ngay bởi các thông số kĩ thuật của linh kiện điện tử luôn có một sự tương đốinhất định Do đó hãy cứ tuân thủ theo những thông số kĩ thuật của nhà sản xuấtnếu bạn không muốn phải mua một board Arduino UNO thứ 2.Khi mình nói

rằng bạn “có thể làm hỏng”, điều đó có nghĩa là chưa chắc sẽ hỏng ngay bởi các

thông số kĩ thuật của linh kiện điện tử luôn có một sự tương đối nhất định Do

đó hãy cứ tuân thủ theo những thông số kĩ thuật của nhà sản xuất nếu bạn khôngmuốn phải mua một board Arduino UNO thứ 2

+ Bộ nhớ

 Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ

trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài

KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạnhiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến

bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiềubiến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng