nghiên cứu ứng dụng cảm biến gia tốc trong điều khiển cân bắng xe đạp 2 bánh

Công nghệ vi cơ điện tử MEMS-Micro Electro Mechanical Systems đã và đang tạo ra những biến đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện biến năng kích thước micro, được ứng dụng rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẮNG XE ĐẠP 2 BÁNH

MÃ SỐ: T2011 - 54

Tp Hồ Chí Minh, 2011

S 0 9

S KC 0 0 3 6 2 6

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẮNG XE ĐẠP 2 BÁNH

Mã số: T2011-54

Chủ nhiệm đề tài: Ths Lê Thanh Tùng

TP HCM, tháng 2/2012

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.2.1Tình hình trong nước 2

1.2.2 Tình hình ngoài nước 2

1.2 3 Những vấn đề còn tồn tại 3

1.3 Mục đích đề tài 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4.1Các phương pháp sử dụng trong đề tài 4

1.4.2 Phương án thực hiện 4

CHƯƠNG 2: ACCERLEROMETER 2.1 Giới thiệu công nghệ Mems 5

2.2 Công nghệ chế tạo sản phẩm Mems 5

2.3 Ứng dụng của cảm biến Mems 8

2.4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Accerlaromter 9

2.5 Cảm biến MMA7260 14

2.5.1 Đặc điểm 15

2.5.2 Những ứng dụng điển hình 15

2.5.3 Sơ đồ khối cấu trúc 16

2.5.4 cấu tạo bên ngoài 16

2.4.5 Nguyên lý hoạt động 19

2.4.6 Những tính năng đặc biệt 20

2.4.7 Kết nối cơ bản 20

2.4.8 Những thông số hoạt động của cảm biến 22

2.4.9 Thiết kế mạch ứng dụng 25

CHƯƠNG 3: GYROSCOPE 3.1.Lực Coriolis trên Gyroscope 29

3.2 Nguyên lý hoạt động Gyroscope 29

3.3 Gyroscope LPY550AL 31

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ TÍN HIỆU CẢM BIẾN 4.1 Lọc nhiễu tín hiệu cảm biến 34

4.1.1 Khái niệm bộ lọc 34

4.1.2 Bộ lọc Kalman 34

4.1.3 Quy trình ước lượng 35

4.2 Phương pháp lọc nhiễu sử dụng trong đề tài CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Kết luận 39

5.2 Hướng phát triển 39

Chương 1

Tổng quan

1.1 Đối tượng nghiên cứu

Công nghệ vi cơ điện tử ( MEMS-Micro Electro Mechanical Systems) đã và đang tạo ra những biến đổi mang tính cách mạng trong chế tạo linh kiện biến năng kích thước micro, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực giao thông, công nghiệp, y học, quân sự…MEMS là sự tích hợp của các yếu tố vi cơ, vi cảm biến, vi chấp hành,

và vi điện tử trên một nền Silicon hoặc Polime bằng công nghệ vi chế tạo

Cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử, vi hệ thống( gọi tắt là cảm biến gia tốc vi cơ điện tử) là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS Nó đã và đang thâm nhập một cách mạnh mẽ vào hầu hết các lĩnh vực như công nghiệp ôtô, y sinh học, điện tử dân dụng, công nghệ không gian, vũ trụ…Và nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây bằng ưu thế vượt trội như nhạy hơn, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, ngày càng thông minh và rẻ hơn

Nhận thức được tầm quan trọng và xu hướng của công nghệ MEMS nói chung và

sản phẩm cảm biến gia tốc của nó nói riêng, người nghiên cứu quyết định chọn cảm biến gia tốc MMA7260Q của hãng Freescale Semiconductor làm đối tượng nghiên cứu chính, và thực hiện đề tài Nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc trong điều khiển cân bằng xe đạp 2 bánh

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình trong nước

Việc nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc chế tạo dựa trên công nghệ MEMS nói chung chưa phổ biến trong thực tiễn cũng như trong giảng dạy Một số bài báo và nghiên cứu tiêu biểu như :

- Xe hai bánh tự cân bằng di chuyển trên địa hình phẳng

- Sử dụng cảm biến ADXL202 để xây dựng thiết bị trỏ thay chuột máy tính

- Khảo sát đặc trưng và khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc MEMS

- Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng cảm biến gia tốc áp điện trở có độ nhạy cao

- Robot hình dạng người

1.2.2 Tình hình ngoài nước

Cảm biến gia tốc đã được nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãi ở các nước tiên tiến, chúng được các công ty như Freescale Semiconductor, STMicroelectronics, Analog Devices…sản xuất hàng loạt và được nghiên cứu, ứng dụng vào một số sản phẩm cụ thể như:

- Thiết bị chơi game Wii

- Sử dụng trong các khớp của robot dạng người Asimo, robot nhện…

- Ứng dụng trong điện thoại iPhone

- Xe 2 bánh tự cân bằng Segway

- Chuột ảo trên điện thoại dùng điều khiển xe đồ chơi

- Điều khiển thực tại ảo dùng trong y tế, điều khiển

Và rất nhiều sản phẩm, công trình nghiên cứu trong thực tế, giảng dạy có

sự hiện diện của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử

1.2.3 Những vấn đề còn tồn tại

Cảm biến gia tốc vi cơ điện tử nói chung còn khá mới mẻ với phần lớn sinh viên,

một phần do công nghệ MEMS ở Việt Nam mới ở dạng nghiên cứu chứ chưa mang tính ứng dụng rộng rãi, trong nước chỉ mới có một số trung tâm nghiên cứu như của

ĐH Công Nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội, ĐH Quốc Gia TP.HCM Hướng tiếp cận tương đối khó khăn và để sử dụng được hết những lợi thế mà cảm biến gia tốc vi cơ điện tử mang lại đòi hỏi người nghiên cứu có kỹ năng lập trình tốt

Phạm vi ứng dụng của cảm biến gia tốc là rất rộng rãi, mang tính công nghệ cao,

có thể có mặt trong các thiết bị cao cấp

Chúng ta vẫn phải nhập ngoại một số sản phẩm ứng dụng của cảm biến gia tốc với giá thành hàng ngàn USD, như xe Segway giá 6.000 USD

Vì vậy mà việc nghiên cứu, ứng dụng cảm biến gia tốc vào thực tế nói chung và một ứng dụng cụ thể trong đề tài là điều khiển xe đạp 2 bánh tự cân bằng nói riêng là một hướng đi mang tính mới mẻ, cơ bản, thực tiễn

- Góp phần đưa một loại cảm bi ến tiên tiến đến gần với sinh viên , tạo những cơ sở lý thuyết giúp cho viê ̣c nghiên cứu dễ dàng hơn , kích thích việc nghiên cứu và ứng dụng cảm biến gia tốc vào những thiết bị cao cấp trong cuộc sống

1.4 Phương pha ́ p nghiên cứu

1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đề tài

làm cơ sở lý thuyết, tài liệu tham khảo

hoạch thực hiện từng modul cho phù hợp với đề tài Thiết kế và thi công mô hình

đươ ̣c tiến hành thường xuyên, theo từng modul nhỏ

1.4.2 Phương a ́ n thực hiê ̣n

- Phác thảo những module cần có trong đề tài

dụng cụ, phương tiê ̣n hiê ̣n có của cơ sở

hoạt động của từng board mạch

mềm Bascom AVR , kiểm chứng các thông số của cảm biến bằng công cu ̣ hiê ̣n có trong phần mềm

Chương 2

ACCELEROMETER

2.1 Giới thiệu công nghệ Mems

Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Điều này

đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip) Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế

và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo

cũ kỹ, cồng kềnh trước đây Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của

nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn

2.2 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS

Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các chi tiết vi cơ Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung

là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình

Tuy nhiên các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa là phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v… Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích hợp thí

dụ có chi tiết cần đàn hồi như lò xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện May mắn là trên cơ sở

silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic

cứng vừa đàn hồi Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v…lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm gương, chỗ kia có lá kim loại đàn hồi dùng làm lò so v.v…

Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS như sau:

- Gia công vi cơ khối

Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý để

ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v

Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:

Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh Đây là

quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn nhờ các mặt

nạ (mask) Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit

đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm)

Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng thường

là ở nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá

- Gia công vi cơ bề mặt

Thí dụ để trên phiến silic cần tạo ra một dầm đa tinh thể silic một đầu cố định, một đầu tự do có thể làm theo các giai đoạn sau:

- Tạo ra lớp oxyt silic trên phiến silic

- Dùng mặt nạ 1 khoét (theo cách khắc hình) diện tích để sau này gắn vào đấy đầu cố định của dầm

- Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để khắc hình khoét đi lớp silic đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

được dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do

Trong thí dụ trên có những lớp chế tạo ra như lớp SiO2 chỉ có vai trò trong một giai đoạn gia công, sau đó lại hoà tan để loại bỏ Người ta gọi đó là lớp hi sinh

- Hàn

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, bể ngầm có thể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau Tạo một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thường rồi hàn lên trên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệt trực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính

- Gia công bằng tia laze

Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt, điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng loạt được Vì vậy

ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng để làm khuôn Laze dùng

là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường là chất dẻo, polymer

- Liga

LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithgraphie Galvanofruningund

các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắc hình

bình thường

2.3 Ứng dụng của các cảm biến MEMS

Tuy rằng MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội

Các ứng dụng phổ cập:

Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS trong các ngành công nghiệp có thể tóm tắt như sau:

Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác

Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa và các phương tiện vận tải

Hiển thị: Các màn hình độ phân giải cao dùng các vi gương cho các thiết bị điện tử

Đầu phun mực: Hàng trăm triệu chip phun mực một năm cho các máy in laser đen trắng và mầu

Các sensor hoá học: Cho các mục đích y tế và y sinh học

Chuyển mạch cho thông tin quang sợi: Internet, truyền hình và thông tin giải rộng dùng cáp quang

Vi van: Các hệ sắc kế khí cực nhỏ sử dụng các dãy vi van

Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến

2.4 Vi cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc

Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây Trong

đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp

hơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

2 4 Nguyên lý hoạt động cảm biến Accelerometer

Để hiểu về hoạt động của accelerometers, ta có thể hình dung một trái cầu đặt trong không gian của một hộp lập phương với trục tọa độ

Nếu môi trường trong hộp là không có lực trong trường, tức trái cầu sẽ lơ lửng trong tâm hộp Nếu ta di chuyển hộp sang trái với gia tốc bằng gia tốc trọng trường 1g=9.8m/s^2, trái cầu sẽ chạm vào mặt X-, khi đó ta có thể đo áp lực của quả cầu lên mặt X- và đó là giá trị ngõ ra khi di chuyển cảm biến sang trái với gia tốc -1g

Nếu ta để hộp đứng yên nhưng quả cầu đặt trong từ trường trái đất và được thả rơi với gia tốc trong trường, trái cầu sẽ chạm vào mặt Z-, khi đó ta có thể đo áp lực của quả cầu lên mặt Z- và đó là giá trị ngõ ra khi di chuyển cảm biến lên với gia tốc -1g, như hình dưới:

Nếu vị trí hộp được xoay 450

thì ta sẽ có như hình sau:

Hình 2.6 Mô hình nguyên lý Accelerometer

Bây giờ giả sử ta cho hộp di chuyển trong không gian theo một hướng R bất kì:

R^2 = Rx^2 + Ry^2 + Rz^2

R=1, Rx = -SQRT(1/2), Ry = 0 , Rz = -SQRT(1/2) thì :

1^2 = (-SQRT(1/2) )^2 + 0 ^2 + (-SQRT(1/2))^2

Như vậy với các giá trị Rx, Ry, Rz thực đo được ở ngõ ra ta có thể biết được giá trị gia tốc thực của cảm biến

Hầu hết ngõ ra các cảm biến là digital hoặc analog, nếu gõ ra digital ta có thể dùng I2C , SPI hoặc USART tuy nhiên nếu ngõ ra analog thì ta phải dùng ADC 10bit (0-1023), 12bit (0-4095)

Giả sử cảm biến ngõ ra analog 10bit ta đo được các giá trị như sau:

VoltsRx = AdcRx * Vref / 1023

Chú ý: nếu dùng bộ ADC 8bit ta chia cho 255=2^8-1 hoặc 12bit ta chia cho 4095=2^12-1

Áp dụng cho 3 ngõ tín hiệu đo được :

VoltsRx = 586 * 3.3V / 1023 =~ 1.89V (lấy 2 số lẻ sau dấu phẩy)

Bây giờ ta đã có giá trị điện áp đo được, tuy nhiên đó không phải là gia tốc với đơn vị

g (1g=9.8m/s^2), để làm điểu này ta cần sử dụng thông số độ nhạy của accelerometer (có đơn

vị mV/g) Giả sử độ nhạy của cảm biến này là Sensitivity = 478.5mV/g =0.4785V/g (giá trị độ nhạy của cảm biến có thể tìm thấy từ Datasheet) Khi đó giá trị thể hiện với đơn vị góc lệch trong trường g tính bởi công thức:

Rx = (AdcRx * Vref / 1023 - VzeroG) / Sensitivity [2]

Ry = (AdcRy * Vref / 1023 - VzeroG) / Sensitivity

Rz = (AdcRz * Vref / 1023 - VzeroG) / Sensitivity

Bây giờ ta đã có 3 giá trị xác định ngõ ra Quay lại mô hình trước và giải thích thêm một

Khi R=1=SQRT(cosX^2 + cosY^2 + cosZ^2) ,vector đơn vị

Hay ta có thể tính ngược lại giá trị góc bằng công thức:

Hình 2.5 Mô tả lực Coriolis trên Gyroscope

cơ khí

động, chi phí sản xuất Cảm biến đo gia tốc có khả năng đo lường gia tốc, có thể cho

giá trị vận tốc bằng tích phân bậc một và giá trị vị trí với tích phân bậc hai Khả năng

dao động hay va chạm có thể được dùng cho việc kiểm tra độ chịu lực của máy cũng

như kiểm tra sự chuyển động và va chạm

Cảm biến gia tốc vi cơ điện tử có 3 loại chính là cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện

và áp điện trở Ba loại cảm biến này có những ưu điểm riêng của chúng, nhìn về mặt

phổ biến thì cảm biến gia tốc kiểu áp điện trở khá thông dụng do công nghệ chế tạo

loại cảm biến này đơn giản, tuy nhiên loại cảm biến này lại có độ nhạy kém hơn các

loại cảm biến gia tốc kiểu tụ Cảm biến gia tốc kiểu tụ có độ nhạy cao, ít bị ảnh hưởng

của nhiệt độ, ít mất mát năng lượng

Cảm biến gia tốc MMA7260 XYZ là cảm biến đo góc nghiêng Độ nhạy có thể

điều chỉnh được trong khoảng 1.5g đến 6g Trên board mạch MMA7260 có tích hợp

bộ ổn áp 3.3V để tiện sử dụng cho những ứng dụng sử dụng vi điều khiển 5V Giá

thành của sản phẩm này tương đối thấp

Cảm biến gia tốc MMA7260 thuộc dạng cảm biến kiểu tụ, nó có khả năng cảm

nhận và đưa ra các thông tin về vị trí , gia tốc trên cả 3 trục tọa độ X, Y, Z Nó gồm

một bộ lọc thông thấp đơn cực, bộ bù nhiệt độ Cảm biến còn có chế độ nghỉ chờ, đây

là một ý tưởng hay cho việc tiết kiệm năng lượng khi thết bị không hoạt động

Hình 2.1- Acecerlerrometer

2.5.1 Đặc điểm

Cảm biến gia tốc ba trục (Accelerometer) là một cảm biến chuyên dùng để xác định góc nghiêng Nó có kích thuớc rất nhỏ, hoạt động trong vùng điện áp từ 2.2V đến 3.6V Có khả năng giao tiếp với vi điều khiển 5V

- Khối lượng: 0.85g không kể header

- Tích hợp sự biến đổi tín hiệu với bộ lọc thông thấp

- Giá thành rẻ

2.5.2 Như ̃ng ứng du ̣ng điển hình

đô ̣ng, quay số bằng chuyển đô ̣ng, la bàn điê ̣n tử

- Dụng cụ đo bước: cảm biến chuyển động

nghiêng trong la bàn điê ̣n tử

đô ̣ng, trong các trò chơi game 3D

- Robotic : cảm biến chuyển động khi robot di chuyển

2.5.3 Sơ đồ khối cấu trúc

MMA7260Q gồm có các khối cơ bản sau :

- G-Cell Sensor : khối chuyển đổi giá trị gia tốc trọng trường

- Oscillator : khối tạo dao động

- Clock Generator : bộ tạo xung đồng hồ

- C to V converter : khối chuyển đổi điện từ dạng điện dung sang điện áp

- Gain + Filter : bộ khuếch đại và lọc

- X, Y, Z temp comp : các khối lưu trữ ngõ ra tạm của 3 trục X, Y, Z

- Control logic EEPROM trim circuits : khối điều khiển logic, vi chỉnh … MMA7260Q có sơ đồ khối tổng quát như hình dưới

Hình 2.2 - Sơ đồ khối của MMA7260

2.5.4 Cấu tạo bên ngoài

- MMA7260Q có cấu trúc vỏ dạng linh kiện dán, kiểu QFN-các chân bọc chì nằm sâu bên trong so với bìa vỏ Sơ đồ chân kết nối của nó được mô tả như hình dưới

Hình 2.3 - Sơ đồ chân MMA7260Q nhìn từ phía trên

- Tên và chức năng chính của từng chân

độ nghỉ

Bảng 1.1 – chức năng các chân

- Bản vẽ chi tiết cấu trúc bề mặt chân đế của MMA7260Q

(Đơn vị : mm) Hình 2.4 - Bề mặt chân đế

Bề mặt của chân đế hàn lên bo mạch in là một phần quan trọng trong toàn bộ thiết kế Vùng tiếp xúc giữa các chân của cảm biến và vị trí phân vùng chân của nó trên bo mạch phải đƣợc hiệu chỉnh chính xác nhằm đảm bảo tốt mối liên kết giữa bo mạch và cảm biến

Với việc thiết kế đúng chuẩn này thì từng khối chân trên cảm biến và trên bo mạch sẽ tự sắp xếp thẳng hàng khi ta hàn Và điều này luôn được khuyến cáo khi thiết

kế các bo mạch giấu lớp chân hàn, tránh sự nối và ngắn mạch giữa các chân hàn

- Kích thước các khối

Hình 2.5 - Các hình chiếu của cảm biến

Hình 1.6 – Bản vẽ mặt cắt chi tiết

2.5.5 Nguyên lý hoạt động

Về cơ bản cảm biến là một bề mặt vi cơ tổ hợp và mạch gia tốc kế

Cơ cấu quan trọng trong cảm biến là khối G-Cell, g-cell là một cấu trúc cơ khí được làm bằng vật liệu bán dẫn(polysilicon) thông qua các quá trình xử lý bằng công nghệ bán dẫn( che phủ-masking và ăn mòn-etching) Nó được bố trí thành một hệ thống các bản cực như hình vẽ bên dưới

Hình 1.7 - Mô hình vật lý bộ biến đổi gia tốc

Trong đó hai bản cực ở hai bên là cố định, bản cực ở giữa là di động, nó có thể di chuyển được về hai phía Vị trí của bản cực ở giữa có thể bị làm lệch đi bởi gia tốc chuyển động của vật Khi trọng tâm của vật di chuyển, khoảng cách giũa bản cực giữa với bản cực bên này sẽ tăng đúng bằng một lượng giảm khoảng cách giữa nó với bản cực bên kia Sự thay đổi khoảng cách này dùng để đo gia tốc của vật

G-cell có cấu trúc hai tụ back-to-back như hình trên Như vậy khi trọng tâm vật chuyển động có gia tốc, khoảng cách giửa các bản tụ thay đổi cũng sẽ làm cho giá trị điện dung của chúng thay đổi một lượng là C = Aε/D Trong đó A là diện tích bản cực,

D là khoảng cách giữa hai bản cực, ε là hằng số điện môi

Mạch tích hợp chuyên dụng( The ASIC ) dùng kỹ thuật tụ chuyển mạch đo sự khác biệt giữa hai tụ và quy đổi thành giá trị gia tốc Sau khi qua bộ chuẩn tín hiệu và lọc tín hiệu(tụ chuyển mạch), cảm biến sẽ tạo ra một điện áp mức cao tương ứng với gia tốc ở ngõ ra của nó

2.4.6 Những tính năng đặc biệt

a) Tính năng lựa chọn độ nhạy

Tính năng này cho phép lựa chọn 4 cấp độ nhạy hiện tại của cảm biến Tùy thuộc vào trạng thái của chân số 1 và 2, độ khuếch đại bên trong cảm biến sẽ thay đổi cho phép nó thực hiện 4 chức năng tương ứng với 4 độ nhạy 1.5g, 2g, 4g, 6g Đặc điểm này rất lý tưởng khi mà một chương trình ứng dụng đòi hỏi sự khác biệt

về độ nhạy để đạt hiệu suất tối ưu Độ nhạy này có thể thay đổi vào bất kỳ lúc nào trong quá trình hoạt động

Bảng 2.2 – Bảng lựa chọn độ nhạy

b) Chế độ nghỉ chờ-Sleep Mode

Cảm biến gia tốc 3 trục hỗ trợ chức năng nghỉ chờ cho phép các ứng dụng tiết kiệm năng lượng Khi chân 12 được kéo xuống mức thấp, cảm biến sẽ chuyển sang trạng thái nghỉ chờ, ở chế độ này, ngõ ra cảm biến sẽ được tắt giúp giảm đáng kể dòng điện hoạt động (khoảng 3µA) Và để trở về trạng thái hoạt động bình thường chỉ cần kéo chân 12 lên mức cao trở lại

c) Bộ lọc

3 trục ngõ ra của cảm biến gia tốc có chứa 3 bộ lọc tụ chuyển mạch đơn cực Bởi bộ lọc thực hiện phương pháp tụ lọc chuyển mạch, ở đây không đòi hỏi những thành phần bị động bên ngoài( trở và tụ ) dùng để cắt xén tần số

d) Hệ số tuyến tính

Hệ số tuyến tính hiểu đơn giản là độ lệch điện áp ngõ ra và độ nhạy sẽ tỉ lệ tuyến tính với điện áp cung cấp, nghĩa là khi điện áp cung cấp tăng, ngõ ra và độ nhạy cũng tăng tuyến tính theo, khi điện áp cung cấp giảm, ngõ ra và độ nhạy cũng giảm tuyến tính theo Đây là đặc tính mấu chốt để giao tiếp với vi điều khiển hay

bộ đọc ADC, bởi vì tính năng này cho phép người dung có thể lựa chọn điện áp cung cấp phù hợp sao cho khả năng khử nhiễu trong quá trình đọc ADC là tốt nhất

- Khoảng cách giữa cảm biến và vi điều khiển nên thiết kế nhỏ nhất có thể

- Phần kim loại phía dưới bụng cảm biến nên nối với mass

- Sử dụng 1 bộ lọc RC với điện trở 1K và tụ 0,1µF ở ngõ ra để giảm thiểu đến mức thấp nhất nhiễu xung đồng hồ (tham khảo từ mạch bộ lọc chống nhiễu xung dùng tụ)

- Phần mạch nguồn dương và âm không được gép đôi tránh nhiễu nguồn cung cấp

- Không dùng cảm biến và vi điều khiển để điều khiển dòng cao

- Tần số lấy mẫu của bộ A/D và tần số hoạt động của bộ nguồn nên chọn sao cho không làm nhiễu tần số lấy mẫu của cảm biến (11KHz)

Hình 2.9 - Khuyến cáo kết nối cảm biến với các linh kiện khác