luận văn nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc” là sản phẩm nghiên cứu tạo ra một bộ điều khiển không dây sử dụng các cử chỉ bằng đầu để điều

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

GVHD: ThS NGÔ BÁ VIỆT SVTH:

1 VÕ NGỌC TIẾN 15141307

2 LÂM MINH CẢNH 15141105

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

GVHD: ThS NGÔ BÁ VIỆT SVTH:

Tp Hồ Chí Minh – 12/2019

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

o0o

Tp HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Võ Ngọc Tiến Lâm Minh Cảnh MSSV: 15141307 MSSV: 15141105 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử - truyền thông Mã ngành: 941 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15941DT I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC II NHIỆM VỤ 1 Các số liệu ban đầu: (ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh…)

2 Nội dung thực hiện: (ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Ngô Bá Việt

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

- Trình bày phướng án thực hiện đề tài

- Phân chia công việc cho từng thành viên

- Lập danh sách, mua những linh kiện cần thiết

- Viết chương trình diều khiển cho MPU6050

(14/10 - 20/10) - Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ

sử dụng vi điều khiển Arduino nano

- Tiến hành giao tiếp giữa MPU6050 và bộ xử

lý tín hiệu điều khiển động cơ

(23/12 – 29/12)

- Bảo vệ ĐATN

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này là nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép

từ một tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Võ Ngọc Tiến Lâm Minh Cảnh

Lời đầu tiên, nhóm thực hiện đề tài xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ngô Bá Việt - giảng viên khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Tp HCM, đã theo sát hỗ trợ và hướng dẫn nhóm một cách chi tiết trong quá trình thực hiện đề tài Thầy luôn hỗ trợ hết mình, giải đáp thắc mắc, chỉ ra sai sót cũng như gợi ý những phương án thực hiện sao cho khả thi và dễ tiếp cận nhất

Nhóm cùng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy (cô) trong khoa Điện-Điện tử, đặc biệt là các Thầy trong phòng lab C306 đã tận tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc, nguyện vọng trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm Sự hỗ trợ của quý thầy (cô) đóng góp một phần không nhỏ vào thành công ngày hôm nay

Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện-Điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm Những đóng góp của các bạn luôn được nhóm tiếp nhận và xem xét kĩ lưỡng

Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cha, Mẹ - những người luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt những năm tháng qua

Thành công của đề tài ngày hôn nay chính là một phần đóng góp to lớn của mọi người Một lần nữa, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy

cô, bạn bè và quý phụ huynh đã hỗ trợ nhóm thực hiện đề tài hoàn chỉnh

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

Võ Ngọc Tiến Lâm Minh Cảnh

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI CAM ĐOAN iv

LỜI CẢM ƠN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG xi

TÓM TẮT xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ( MEMS ) 4

2.1.1 Tổng quan hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS ) 4

2.1.2 Ứng dụng của MEMS 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ( IMU ) 6

2.2.1 Tổng quan về đơn vị đo lường quán tính ( IMU ) 6

2.2.2 Tổng quan về gia tốc kế Accelerometers 7

2.2.3 Tổng quan về con quay hồi chuyển Gyroscopes 9

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 9

2.3.1 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 (Motion Processing Unit) 9

2.3.2 VI ĐIỀU KHIỂN 21

2.3.3 MODULE BLUETOOTH 24

2.3.4 Module điều khiển động cơ BTS7960 27

2.3.5 Cảm biến khoảng cách VL53L0X 28

2.3.6 Servo SG90 30

2.3.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 31

2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU 32

2.4.1 Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART 32

2.4.2 Chuẩn truyền thông I²C 33

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 35

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 35

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 35

3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch 37

a Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển - khối cảm biến gia tốc MPU – 6050 37

b Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ 42

d Thiết kế khối cảm biến khoảng cách phát hiện vật cản VL53L0X và Servo 44

d Thiết kế khối nguồn Acquy 24VDC 45

3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch 48

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 50

4.1 GIỚI THIỆU 50

4.2 THI CÔNG VÀ ĐÓNG GÓI HỆ THỐNG 50

4.2.1 Thi công và kiểm tra khối nguồn 50

4.2.2 Thi công bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU – 6050 51

4.2.3 Thi công bộ điều khiển động cơ 53

4.2.4 Thi công khối cảm biến khoảng cách phát hiện vật cản VL53L0X 55

4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 55

4.3.1 Lưu đồ giải thuật 55

a Lưu đồ xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050 56

b Lưu đồ xử lý điều khiển động cơ 58

4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển Arduino IDE 63

4.4 LẬP TRÌNH MÔ PHỎNG 65

4.4.1 Lưu đồ 65

4.4.2 Xử lý tín hiệu 65

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 71

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 71

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ 73

5.1 KẾT QUẢ 73

5.2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 81

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83

6.1 KẾT LUẬN 83

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

Hình 2 1 Module cảm biến gia tốc MPU -6050 10

Hình 2 2 Kit Vi điều khiển arduino pro mini 21

Hình 2 3 Kit Vi điều khiển Arduino Nano V3.0 22

Hình 2 4 Module Bluetooth HC-05 25

Hình 2 5 Module Bluetooth HC – 06 26

Hình 2 6 Module cầu H BTS7960 27

Hình 2 7 Cảm biến khoảng cách VL53L0X 29

Hình 2 8 Servo SG90 30

Hình 2 9 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 31

Hình 2 10 Chuẩn truyền thông UART 32

Hình 2 11 Ví dụ chuẩn truyền thông I²C 33

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống 36

Hình 3 2 Định hướng các trục của cảm biến MPU-6050 38

Hình 3 3 Hướng và trục các góc quay 39

Hình 3 4 Sơ đồ tín hiệu cảm biến MPU-6050 40

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý tín hiệu MPU-6050 42

Hình 3 6 Hình ảnh động cơ xe lăn 43

Hình 3 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 44

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến khoảng cách VL53L0X và servo 45

Hình 3 9 Hình ảnh Acquy của xe lăn điện 46

Hình 3 10 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn acquy 47

Hình 3 11 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050 48

Hình 3 12 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu, điều khiển động cơ 49

Hình 4 1 Nguồn acquy và công tắc 50

Hình 4 2 hình ảnh tai nghe 51

Hình 4 3 Vị trí lắp đặt cảm biến MPU-6050 52

Hình 4 5 Vị trí công tắc và cổng sạc pin 52

Hình 4 6 Vị trí và kết nối các thiết bị 53

Hình 4 7 Đóng gói thiết bị điều khiển 53

Hình 4 8 Hộp đựng bộ điều khiển động cơ 54

Hình 4 9 Hình ảnh các module bên trong hộp điều khiển động cơ 54

Hình 4 10 Hộp điều khiển động cơ hoàn thiện 54

Hình 4 11 hình ảnh đầu nối với hộp cảm biến và servo 55

Hình 4 12 Vị trí đặt 2 cảm biến khoảng cách và servo trước 55

Hình 4 13 Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển xe lăn điện qua cảm biến gia tốc 56

Hình 4 14 Lưu đồ chương trình xử lý tính hiệu cảm biến MPU-6050 57

Hình 4 15 Lưu đồ chương trình con kiểm tra giá trị và gửi tín hiệu điều khiển 57

Hình 4 16 Lưu đồ giải thuật xử lý điều khiển động cơ 58

Hình 4 17 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến 59

Hình 4 18 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến phía trước 59

Hình 4 19 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến sau 60

Hình 4 20 Lưu đồ chương trình con xử lý khi có tín hiệu cảm biến phía trước 60

Hình 4 21 Lưu đồ chương trình con xử lý khi có tín hiệu cảm biến phía sau 61

Hình 4 22 Chương trình con điều khiển động cơ 62

Hình 4 23 Chương trình con chạy servo 62

Hình 4 24 Chương trình con delay_ms 63

Hình 4 25 Giao diện Arduino IDE 64

Hình 4 26 Lưu đồ kiểm tra giá trị cảm biến để gửi tín hiệu điều khiển 65

Hình 4 27 Tín hiệu thô 65

Hình 4 28 Tín hiệu gật liên tục 66

Hình 4 29 Tín hiệu cài đặt giá trị offset 66

Hình 4 30 Tín hiệu các giá trị offset đã được thiết lập 67

Hình 4 31 Tín hiệu khi thiết bị đặt nằm 67

Hình 4 32 Tín hiệu tiến 68

Hình 4 33 Tín hiệu lùi khi ngửa đầu ra sau 68

Hình 4 35 Tín hiệu lùi khi quay đầu qua phải 69

Hình 4 36 Tín hiệu sang trái 70

Hình 4 37 Tín hiệu sang phải 71

Hình 5 1 Hộp điều khiển hoàn chỉnh 73

Hình 5 2 Hình ảnh tai nghe điều khiển hoàn thiện 74

Hình 5 3 Hình ảnh hộp chứa cảm biến khoảng cách hoàn thiện 74

Hình 5 4 Hình ảnh xe lăn đã lắp hộp cảm biến và bộ điều khiển 75

Hình 5 5 Hình ảnh ngồi lên xe lăn 75

Hình 5 6 Động tác cúi đầu để điều khiển đi trước 76

Hình 5 7 Động tác ngước lên khi xe đang đi trước 76

Hình 5 8 Động tác nghiêng đầu sang trái 77

Hình 5 9 Động tác nghiêng đầu sang phải 77

Hình 5 10 Động tác ngửa đầu ra phía sau 78

Hình 5 11 Động tác quay nhìn ra đằng sau 78

Hình 5 12 Hình ảnh xe dừng khi gặp tường 79

Hình 5 13 Hình ảnh xe dừng khi lùi gặp tường 79

Hình 5 14 Xe dừng khi đi trước gặp tủ máy tính 80

Hình 5 15 Xe dừng khi đi trước gặp người 80

Hình 5 16 Xe lùi gặp người đang đứng 81

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật cảm biến con quay hồi chuyển Gyroscope 12

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc Accelerometer 13

Bảng 2 3 Cấu trúc thanh ghi 25 14

Bảng 2 4 Cấu trúc thanh ghi 27 15

Bảng 2 5 Bảng phạm vi thang đo đầu ra của con quay hồi chuyển 16

Bảng 2 6 Cấu trúc thanh ghi 28 16

Bảng 2 7 Phạm vi toàn thang đo của các đầu ra gia tốc 17

Bảng 2 8 Cáu trúc thanh ghi 59 đến 64 17

Bảng 2 9 Bảng độ nhạy gia tốc 19

Bảng 2 10 Cấu trúc thanh ghi 67 đến 72 19

Bảng 2 11 Độ nhạy của con quay hồi chuyển 20

Bảng 3 1 Thông số kỹ thuật động cơ DC 43

Bảng 3 2 Khoảng cách trung bình đo của VL53L0X 44

Bảng 3 3 Thông số đo được 46

Bảng 4 1 Hướng dẫn sử dụng xe lăn 72

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc” là sản phẩm nghiên cứu tạo ra một bộ điều khiển không dây sử dụng các

cử chỉ bằng đầu để điều khiển hoạt động của xe lăn điện Cụ thể hơn, hoạt động của bộ điều khiển này dựa trên các cử chỉ bằng đầu được thu thập từ cảm biến gia tốc MPU6050

xử lý bằng vi điều khiển Arduino Promini, sau đó truyền tín hiệu về bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ ở xe bằng bluetooth, và điều khiển hoạt động xe lăn điện Nhóm sử dụng cảm biến khoảng cách VL53L0X để phát hiện vật cản trước sau xe giúp xe tránh

va chạm Việc thiết kế và thi công bộ điều khiển với tiêu chí an toàn, dễ sử dụng và giá thành hợp lý cho người dùng là người khuyết tật, bệnh nhân được ưu tiên đặt lên hàng đầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo công bố của Tổng cục thống kê và UNICEF ngày 11 -1 -2019, hơn 7% dân số Việt Nam từ 2 tuổi trở lên – khoảng 6,2 triệu người là người khuyết tật Bên cạnh đó, có 13% dân số - gần 12 triệu người, sống chung trong hộ gia đình có người khuyết tật Người khuyết tật được phân thành 6 loại dạng tật, đó là: khuyết tật vận động (chân, tay); khuyết tật nghe, nói (câm, điếc); khuyết tật nhìn (khuyết tật về mắt, khiếm thị); khuyết tật thần kinh, tâm thần (người rối loạn thần kinh, người điên); khuyết tật trí tuệ (bại não, động kinh, tự kỷ); khuyết tật khác (nạn nhân chất độc da cam, người nhiễm vi rút độc hủy hoại cơ thể…).[1]

Cơ sở hạ tầng hiện nay ở nước ta vẫn chưa phát triển các hạng mục dành cho người khuyết tật Nhà nước đã trợ cấp các dụng cụ hỗ trợ cho người khuyết tật như chân tay giả, xe lăn, máy trợ thính…nhưng đối với người khuyết tật về vận động hay nghe, nhìn thì xe lăn là vật dụng rất cần thiết để di chuyển Tuy nhiên, để một người khuyết tật có thể tự đi lại được bằng xe lăn thì đòi hỏi phải có bộ điều khiển để xe lăn

có thể di chuyển theo ý muốn của người khuyết tật

Có nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển cho xe lăn điện như bài báo

“Gyro-Accelerometer based Control of an Intelligent Wheelchair” [2] của nhớm tác giả

Rafia Hassani, Mohamed Boumehraz, Maroua Hamzi, Zineb Habba được ra mắt ngày

9 tháng 6 năm 2018, đề tài xe lăn điện điều khiển bằng cử động đầu của nhóm sinh viên đại học sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng, Đại học giao thông vận tải, … vẫn còn một

số nhược điểm như thiết bị điều khiển còn sơ sài, sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện vật cản quá nhiều gây mất thẩm mĩ, …

Với mục đích có thể tạo ra một bộ điều khiển giúp người khuyết tật có thể di chuyển dễ dàng bằng xe lăn vận dụng một các ưu điểm và nhằm khắc phục một số nhược điểm mà các nghiên cứu trước đã thực hiện, nhóm xin giới thiệu đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện bằng cảm biến gia tốc”,

do chính nhóm tiến hành nghiên cứu và thực hiện Với mô hình này, chúng ta có thể

phát triển bộ điều khiển biến chiếc xe lăn thành một vật dụng hữu ích giúp cho người khuyết tật có thể đi lại dễ dàng hơn

1.2 MỤC TIÊU

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển

xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc” sử dụng vi điều khiển Arduino Pro Mini xử lý được tín hiệu từ cảm biến gia tốc MPU - 6050 sau đó giao tiếp với Arduino Nano ở

bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ đặt dưới xe để điều khiển xe lăn điện, tích hợp cảm biến khoảng cách lazer VL53L0X để phát hiện vật cản trước sau

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, thi công bộ điều khiển xe lăn điện

sử dụng cảm biến gia tốc”, cần nghiên cứu những nội dung sau đây:

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module liên quan

 NỘI DUNG 2: Nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu từ cảm biến gia tốc

 NỘI DUNG 5: Hoàn thiện hệ thống điều khiển và tiến hành chạy thử nghiệm

xe, thêm các giải pháp an toàn cho người điều khiển xe

 NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện

1.4 GIỚI HẠN

 Bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU-6050 sử dụng nguồn cấp từ pin sạc 5VDC

 Bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ sử dụng nguồn cấp Acqui 24VDC cho

2 động cơ DC 24VDC - 15.8A - 250W

 Giao tiếp truyền tín hiệu giữa module bluetooth HC-05 ở bộ xử lý tín hiệu MPU6050 và module HC-06 ở bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ có giới hạn sử dụng trong phạm vi 10 mét

 Dùng cảm biến khoảng cách lazer VL53L0X để phát hiện vật cản trước và sau xe lăn có giới hạn đo trung bình như sau:

 Tối thiểu: 2cm

 Trong nhà: Nền màu trắng: 200cm+, các màu khác: 80cm

 Ngoài trời: Nền màu trắng: 80cm, các màu khác: 50cm

1.5 BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương sẽ bao gồm lý thuyết cơ bản về xử lý tín hiệu của cảm biến gia tốc MPU – 6050, cảm biến phát hiện vật cản VL53L0X, giới thiệu cơ bản

về các vi điều khiển Arduino và các thư viện liên quan

 Chương 3: Thiết kế và thi công

Chương này sẽ đi tìm hiểu sơ đồ và cách kết nối cho hệ thống

 Chương 4: Thi công hệ thống

Nội dụng chương này là quá trình thực hiện thi công bộ điều khiển bao gồm

bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU6050 và bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ

 Chương 5: Nhận xét và đánh giá

Nội dụng chương này là tổng hợp các kết quả đạt được sau khi thi công mô hình cùng với nhận xét và đánh giá quá trình thực hiện

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Nội dụng chương này là tổng hợp các kết quả đạt được sau khi thi công mô hình cùng với nhận xét và đánh giá quá trình thực hiện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ( MEMS )

2.1.1 Tổng quan hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS )

Hệ thống vi cơ điện tử (micro-electro-mechanical systems), viết tắt là MEMS MEMS là một công nghệ xử lý được sử dụng để tạo ra các thiết bị hoặc hệ thống tích hợp nhỏ kết hợp các thành phần cơ và điện Chúng được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý hàng loạt mạch tích hợp (IC) và có thể có kích thước từ vài micromet đến milimet Các thiết bị (hoặc hệ thống) này có khả năng cảm nhận, điều khiển và vận hành ở quy mô vi mô và tạo hiệu ứng trên quy mô vĩ mô

Bản chất liên ngành của MEMS sử dụng chuyên môn thiết kế, kỹ thuật và sản xuất từ nhiều lĩnh vực kỹ thuật đa dạng bao gồm công nghệ chế tạo mạch tích hợp,

cơ khí, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện, hóa học và kỹ thuật hóa học Sự phức tạp của MEMS cũng được thể hiện trong một loạt các thị trường và ứng dụng kết hợp các thiết bị MEMS MEMS có thể được tìm thấy trong các hệ thống khác nhau trên các ứng dụng ô tô, y tế, điện tử, thông tin liên lạc và quốc phòng Các thiết bị MEMS hiện tại bao gồm gia tốc kế cho cảm biến túi khí, đầu máy in phun, đầu đọc / ghi ổ đĩa máy tính, chip hiển thị chiếu, cảm biến huyết áp, công tắc quang học, cảm biến sinh học và nhiều sản phẩm khác đều được sản xuất và vận chuyển với khối lượng thương mại cao

Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silíc và do đó nó có những

ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác

 Vật liệu silíc là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiến silíc được thực hiện trong quy mô công nghiệp

 Vật liệu silíc cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện

 Vật liệu silic có những tính chất cơ rất tốt:

 Độ bền kéo của silíc là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép

là 4,2.109 N/m2

 Khối lượng riêng của silíc là 2,3g/cm3 trong khi khối lượng riêng của thép là 7,9g/cm

MEMS đã được xác định là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho Thế

kỷ XXI và có tiềm năng cách mạng hóa cả sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng bằng cách kết hợp vi điện tử silicon với công nghệ vi mô Các kỹ thuật và thiết bị dựa trên

hệ thống vi mô của nó có khả năng ảnh hưởng đáng kể đến tất cả cuộc sống và cách chúng ta sống Nếu chế tạo vi mô bán dẫn được coi là cuộc cách mạng sản xuất vi mô đầu tiên, MEMS là cuộc cách mạng thứ hai Công nghệ MEMS đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối Từ cuối những năm 80, giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ MEMS được bắt đầu với sự phát triển của công nghệ

vi cơ bề mặt Ngày nay, MEMS trở thành giải pháp công nghệ được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những cách tân trong

kỹ thuật Mỗi thiết bị mới sử dụng MEMS mang những đặc tính cao hơn về chất lượng, khả năng hoạt động và giá thành

Trong quá trình phát triển của công nghệ MEMS, mô phỏng và thiết kế là quá trình rất quan trọng Chi phí đầu tư, nghiên cứu và chế tạo sẽ được giảm thiểu nếu các kết quả mô phỏng, thiết kế là đáng tin cậy Đề tài rất có ý nghĩa trong việc đưa ra các cấu hình linh kiện MEMS mới và tối ưu các cấu hình sẵn có Kết quả mô phỏng nếu sai khác 5% so với thực tế đã là rất tốt và nếu sự sai khác đó là 20% thì những thông tin thu được từ mô phỏng, thiết kế vẫn rất hữu ích Cho đến nay, trên thế giới vẫn liên tục phát triển các phần mềm mô phỏng mới phục vụ cho công nghệ MEMS

Ở Việt Nam, việc mô phỏng và thiết kế các linh kiện MEMS vẫn còn rất mới mẻ

2.1.2 Ứng dụng của MEMS

a Cảm biến Quán tính (Inertial sensor)

Các loại cảm biến quán tính như Cảm biến gia tốc (Accelerometes) và Cảm biến con quay hồi chuyển (gyroscopes) được ứng dụng rộng rãi trong nghành hàng không, quân sự, tự động hóa, xe hơi, hải quân

Trong nghành công nghiệp vũ trụ hàng không được dùng trong trạng thái bay của máy bay, tên lửa, định hướng (các dòng smartphone đời mới nhất đều hỗ trợ cảm biến gyroscopes) Trong nghành quân sự thì có các bệ phóng không đối không, không đối đất,…Trong nghành công nghiệp ô tô thì hiện tượng xe lật nhào làm bung túi khí (air bag)…Trong nghành hải quân thì dùng định hướng (Navigator) trên biển,…

b Cảm biến trong ứng dụng quang (Optical)

Có hai ứng dụng cơ bản đó là công nghệ hiển thị (Display) và công nghệ chuyển mạch quang (Optical switching)

Trong công nghệ Display, công nghệ DLP (Digital Light Processing) của hãng Texas Intruments cho các máy chiếu màn hình nhỏ và lớn với thiết bị gương số DMD (Digital Mirror Device)

Trong công nghệ chuyển mạch quang thì cho phép truyền ánh sáng đi trong sợi quang, các bộ Ghép kênh phân chia theo độ rộng bước sóng WDM (Wavelength-Division Multiplexing)

c MEMS trong vô tuyến (Radio Frequency communication)

Các ứng dụng của RF MEMS bao gồm các truyền thông không dây (wireless),

di động (cellular), radar, vệ tinh, …[3]

2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ( IMU )

2.2.1 Tổng quan về đơn vị đo lường quán tính ( IMU )

Đơn vị đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) viết tắt là IMU, là một thiết bị điện tử đo và báo cáo lực định hướng, vận tốc và lực hấp dẫn thông qua việc

sử dụng gia tốc kế (accelerometers) và con quay hồi chuyển (gyroscopes) và thường

là từ kế (magnetometers) IMU là thành phần chính của hệ thống dẫn đường quán tính được sử dụng trong máy bay, máy bay không người lái (UAV) và các hệ thống không người lái khác, cũng như tên lửa và thậm chí cả vệ tinh Các ứng dụng phổ biến cho IMU bao gồm kiểm soát và ổn định, điều hướng và hiệu chỉnh, đo lường và kiểm tra, điều khiển hệ thống không người lái và lập bản đồ di động Trong một hệ thống điều hướng quán tính, dữ liệu được thu thập và báo cáo bởi IMU được xử lý thông qua máy tính để tính toán vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian

2.2.2 Tổng quan về gia tốc kế Accelerometers

Khi bạn sử dụng ứng dụng la bàn trên điện thoại thông minh, bằng cách nào đó, điện thoại sẽ biết hướng điện thoại đang chỉ Với các ứng dụng tuyệt vời, bằng cách nào đó, nó biết nơi bạn đang tìm kiếm để hiển thị đúng các chòm sao Điện thoại thông minh và công nghệ di động khác xác định hướng của chúng thông qua việc sử dụng máy gia tốc, một thiết bị nhỏ được tạo thành từ cảm biến chuyển động dựa trên trục

Các cảm biến chuyển động trong gia tốc kế thậm chí có thể được sử dụng để phát hiện động đất và có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế như chân tay nhân tạo và các bộ phận cơ thể nhân tạo khác Ở một số thiết bị, một phần của chuyển động tự định lượng có sử dụng gia tốc kế

Máy đo gia tốc là một thiết bị cơ điện dùng để đo lực gia tốc Việc áp dụng gia tốc kế mở rộng ra nhiều ngành, cả về mặt học thuật và hướng tới người tiêu dùng Ví

dụ, gia tốc kế trong máy tính xách tay bảo vệ ổ cứng khỏi bị hư hại Nếu máy tính xách tay bị rơi đột ngột trong khi sử dụng, gia tốc kế sẽ phát hiện ra sự cố rơi tự do

và tắt ngay ổ cứng để tránh đâm đầu đọc vào đĩa cứng Nếu không có điều này, sẽ gây ra các vết trầy xước cho đĩa gây thiệt hại Gia tốc kế cũng được sử dụng trong xe hơi như là phương pháp công nghiệp để phát hiện tai nạn xe hơi và triển khai túi khí gần như ngay lập tức, giúp tăng tính an toàn cho người sử dụng xe hơi Trong một ví

dụ khác, gia tốc kế động đo lực hấp dẫn để xác định góc mà thiết bị nghiêng so với Trái đất Bằng cách cảm nhận lượng tăng tốc, người dùng phân tích cách thiết bị di chuyển

Gia tốc kế cho phép người dùng hiểu môi trường xung quanh của vật phẩm tốt hơn Với thiết bị nhỏ này, bạn có thể xác định xem một vật thể đang di chuyển lên dốc, liệu nó có rơi xuống nếu nó nghiêng thêm nữa hay không, hay nó bay theo chiều ngang hay hướng xuống dưới Ví dụ: điện thoại thông minh xoay màn hình giữa chế

độ dọc và ngang tùy thuộc vào cách bạn nghiêng điện thoại

Việc áp dụng gia tốc kế mở rộng ra nhiều ngành, cả về mặt học thuật và hướng tới người tiêu dùng Ví dụ, gia tốc kế trong máy tính xách tay bảo vệ ổ cứng khỏi bị

hư hại Nếu máy tính xách tay bị rơi đột ngột trong khi sử dụng, gia tốc kế sẽ phát

hiện ra sự cố rơi tự do và tắt ngay ổ cứng để tránh đâm đầu đọc vào đĩa cứng Nếu không có điều này, cả hai sẽ tấn công và gây ra các vết trầy xước cho đĩa để mở rộng tệp và đọc thiệt hại Gia tốc kế cũng được sử dụng trong xe hơi như là phương pháp công nghiệp để phát hiện tai nạn xe hơi và triển khai túi khí gần như ngay lập tức Trong một ví dụ khác, gia tốc kế động đo lực hấp dẫn để xác định góc mà thiết

bị nghiêng so với Trái đất Bằng cách cảm nhận lượng tăng tốc, người dùng phân tích cách thiết bị di chuyển

Gia tốc kế cho phép người dùng hiểu môi trường xung quanh của vật phẩm tốt hơn Với thiết bị nhỏ này, bạn có thể xác định xem một vật thể đang di chuyển lên dốc, liệu nó có rơi xuống nếu nó nghiêng thêm nữa hay không, hay nó bay theo chiều ngang hay hướng xuống dưới Ví dụ: điện thoại thông minh xoay màn hình giữa chế

độ dọc và ngang tùy thuộc vào cách bạn nghiêng điện thoại

Một máy gia tốc tuy có thiết kế vẻ ngoài khiêm tốn nhưng một gia tốc kế bao gồm nhiều bộ phận khác nhau và hoạt động theo nhiều cách, hai trong số đó là hiệu ứng áp điện và cảm biến điện dung Hiệu ứng áp điện là hình thức gia tốc phổ biến nhất và sử dụng các cấu trúc tinh thể siêu nhỏ bị căng thẳng do lực gia tốc Những tinh thể này tạo ra một điện áp từ ứng suất, và gia tốc kế diễn giải điện áp để xác định vận tốc và định hướng

Gia tốc kế cảm nhận sự thay đổi điện dung giữa các cấu trúc vi mô nằm bên cạnh thiết bị Nếu một lực gia tốc di chuyển một trong các cấu trúc này, điện dung sẽ thay đổi và gia tốc kế sẽ chuyển điện dung đó thành điện áp để giải thích

Gia tốc kế được tạo thành từ nhiều thành phần khác nhau, và có thể được mua dưới dạng một thiết bị riêng biệt Màn hình analog và kỹ thuật số có sẵn, mặc dù đối với hầu hết các thiết bị công nghệ, các thành phần này được tích hợp vào công nghệ chính và được truy cập bằng phần mềm hoặc hệ điều hành

Gia tốc kế thông thường được tạo thành từ nhiều trục, hai để xác định hầu hết chuyển động hai chiều với tùy chọn thứ ba cho định vị 3D Hầu hết các điện thoại thông minh thường sử dụng các mô hình ba trục, trong khi xe hơi chỉ sử dụng hai trục

để xác định thời điểm va chạm Độ nhạy của các thiết bị này khá cao vì chúng đo tốc

độ tăng tốc rất nhanh trong vài phút Gia tốc kế càng nhạy, nó càng dễ đo tốc độ.[4]

2.2.3 Tổng quan về con quay hồi chuyển Gyroscopes

Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng, dựa trên các nguyên tắc bảo toàn momen động lượng Thực chất, con quay cơ học là một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng Phương hướng này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mô men xoắn bên ngoài hơn là liên quan đến con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn Vì mô men xoắn

được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng

của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà

nó tựa lên

Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như các thiết bị điện, con quay MEMS vi mạch đóng gói được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy

Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị quán tính nơi mà la bàn từ không thể hoạt động hay không đạt đủ độ chính xác, hay đối với sự ổn định hóa của các thiết

bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín hiệu rada hoặc máy bay không người lái Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định hướng trong khai thác mỏ hầm lò

Con quay hồi chuyển đặc trưng bởi một số ứng xử như tiến động và chương động Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để làm la bàn con quay, loại bổ sung hoặc thay thế la bàn từ (trên tàu, máy bay và phi thuyền không gian), để hỗ trợ tính

ổn định (kính thiên văn Hubble, xe đạp, xe máy và tàu thuyền) hoặc được sử dụng làm một bộ phận của hệ dẫn đường quán tính Các hiệu ứng hồi chuyển được sử dụng trong boomerang, yo-yo, và PowerBall.[5]

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.3.1 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 (Motion Processing Unit)

a Giới thiệu về module cảm biến gia tốc MPU – 6050

Hiện nay trên các thiết bị điện thoại thông minh đều tích hợp cảm biến gia tốc

để đo và phát hiện các chuyển động nhằm thực hiện các mục đích như chống trộm, ứng dụng để điều khiển trò chơi, Một số ứng dụng như xe cân bằng, flycam, máy

bay không người lái, Có rất nhiều loại cảm biến gia tốc trên thị trường như

GY-521, LSM9DS0, BNO055, MPU – 6050, … mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng và giá thành khác nhau Nhưng phổ biến nhất, có nhiều ưu điểm và giá thành hợp lý, để phù hợp với đề tài này, chúng tôi chọn cảm biến MPU - 6050

Module cảm biến MPU - 6050 là cảm biến xử lý chuyển động tích hợp 6 trục:

3 trục gia tốc (tri-axis MEMS Accelerometer), 3 trục con quay hồi chuyển (tri-axis MEMS Gyroscope) và 1 bộ xử lý chuyển động số Digital Motion Processor TM (DMPTM) được sản xuất bởi hãng InvenSense MPU-6050 cũng được thiết kế để giao tiếp với các vi điều khiển theo chuẩn giao tiếp I2C Trong MPU-6050 cũng tích hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 16-bit Để theo dõi chính xác sự nhanh chậm của chuyển động, chúng ta có thể chọn phạm vi thang đo của con quay hồi chuyển là ±250, ±500, ±1000, ±2000o/sec tương ứng với phạm vi thang đo của gia tốc kế ±2g, ±4g, ±8g, ±16g

Hình 2 1 Module cảm biến gia tốc MPU -6050

Thông số kỹ thuật:

 VCC: 3.3V – 5V

 GND: Mass

 SCL: Chân SCL trong giao tiếp I2C

 SDA: Chân SDA trong giao tiếp I2C

 XDA: Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác)

 XCL: Chân xung (kết nối với cảm biến khác)

 AD0: Bit 0 của địa chỉ I2C

 IN1: Chân ngắt

b Các đặc trưng của module cảm biến gia tốc MPU – 6050

 Đặc trưng của cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope)

Ba trục của con quay hồi chuyển trong MPU6050 gồm một số đặc trưng

 Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời

 Tăng cường độ chính xác và ổn định nhiệt độ nhằm làm giảm sự hiệu chỉnh của người lập trình

 Cải thiện hiệu suất và giảm nhiễu khi làm việc ở tần số thấp

 Sử dụng bộ lọc thông thấp kỹ thuật số

 Dòng hoạt động 3.6mA

 Dòng điện chờ 5μA

 Đặc trưng của cảm biến gia tốc (Accelerometer)

 Ngõ ra số của 3 trục cho phép lập trình với thang đo ±2g, ±4g, ±8g,

 9 Trục MontionFusion nằm trên chip Digital Montion Processer(DMP)

 Giao tiếp I2C hỗ trợ đọc dữ liệu từ các cảm biến ngoài

 Dòng hoạt động là 3.9mA khi tất cả 6 trục của cảm biến và DMP được

sử dụng

 Điện áp VDD nằm trong khoản 2.375 Volt đến 3.46 Volt

 Điện áp tham chiếu VLOGIC hỗ trợ nhiều giải điện áp để giao tiếp I2C

 Bộ đệm FIFO 1024 byte giảm mức tiêu thụ điện năng bằng cách cho phép bộ xử lý máy chủ đọc dữ liệu từng khối và sau đó chuyển sang chế

độ năng lượng thấp khi MPU thu thập dữ liệu nhiều hơn

 Cảm biến nhiệt độ cho ngõ ra số

 Có thế sử dụng bộ lọc kỹ thuật số cho gyroscope, accelerometer và cảm biến nhiệt độ

 Sử dụng Fast Mode tần số 400 kHz để giao tiếp nhanh với tất cả thanh ghi

c Đặc điểm, thông số kỹ thuật của cảm biến gia tốc MPU – 6050

 Thông số kỹ thuật con quay hồi chuyển (Gyroscope)

VDD = 2.375V-3.46V, VLOGIC=1.8V±5% hoặc VDD, TA=25oC

Bảng 2 1 Thông số kỹ thuật cảm biến con quay hồi chuyển Gyroscope

Tham số Điều kiện Min Đặc trưng Max Đơn vị

Độ nhạy của con

quay hồi chuyển

FS_SEL=0 FS_SEL=1 FS_SEL=2 FS_SEL=3

%

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc Accelerometer

Tham số Điều kiện Min Đặc trưng Max Đơn vị

Độ nhạy của con

quay hồi chuyển

FS_SEL=0 FS_SEL=1 FS_SEL=2

Dung sai hiệu chuẩn

d Cấu trúc thanh ghi

 Thanh ghi 25 – Thanh ghi phân chia tỷ lệ lấy mẫu

Kiểu chức năng: Đọc/Ghi

Bảng 2 3 Cấu trúc thanh ghi 25

Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0

Mô tả thanh ghi:

Thanh ghi này chỉ định bộ chia từ tốc độ đầu ra của con quay hồi chuyển được

sử dụng để tạo tỷ lệ mẫu cho MPU-60X0

Đầu ra của thanh ghi cảm biến, đầu ra FIFO và lấy mẫu DMP đều dựa trên Tỷ lệ mẫu

Tỷ lệ mẫu được tạo bằng cách chia tỷ lệ đầu ra của con quay hồi chuyển cho SMPLRT_DIV:

Trong đó:

A: Tỷ lệ mẫu

B: Tỷ lệ đầu ra của con quay hồi chuyển

SMPLRT_DIV: Giá trị đầu ra của thanh ghi 25

Tốc độ đầu ra của con quay hồi chuyển = 8 kHz khi DLPF bị tắt (DLPF_CFG = 0 hoặc 7) và 1kHz khi bật DLPF

Lưu ý: Tốc độ đầu ra của gia tốc kế là 1kHz Điều này có nghĩa là đối với Tốc

độ mẫu lớn hơn 1kHz, cùng một mẫu gia tốc kế có thể được xuất ra cho các thanh ghi FIFO, DMP và cảm biến nhiều lần

 Thanh ghi 27 – Thanh ghi cấu hình con quay hồi chuyển(Gyroscope)

Kiểu chức năng: Đọc/Ghi

Bảng 2 4 Cấu trúc thanh ghi 27

Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0

Mô tả thanh ghi:

Thanh ghi này được sử dụng để kích hoạt tự kiểm tra con quay hồi chuyển và cấu hình phạm vi thang đo của con quay hồi chuyển

Tự kiểm tra con quay hồi chuyển cho phép người dùng kiểm tra các phần cơ

và điện của con quay hồi chuyển Tự kiểm tra cho từng trục con quay hồi chuyển có thể được kích hoạt bằng cách kiểm soát các bit XG_ST, YG_ST và ZG_ST của thanh ghi này Tự kiểm tra cho từng trục có thể được thực hiện độc lập hoặc tất cả cùng một lúc

Khi tự kiểm tra được kích hoạt, các phần tử mang điện trong bo mạch sẽ điều khiển cảm biến thích hợp Hoạt động này sẽ di chuyển vật thể có khối lượng trong cảm biến đi một khoảng cách tương đương với lực Coriolis được xác định trước Sự dịch chuyển vật thể có khối lượng này dẫn đến thay đổi đầu ra cảm biến, được phản ánh trong tín hiệu đầu ra Tín hiệu đầu ra được sử dụng để quan sát phản ứng tự kiểm tra

Phản ứng tự kiểm tra được xác định như sau:

Trong đó:

A: Phản hồi tự kiểm tra

B: Đầu ra cảm biến có kích hoạt tự kiểm tra

C: Đầu ra cảm biến không kích hoạt tự kiểm tra

FS_SEL chọn phạm vi thang đo đầy đủ của đầu ra con quay hồi chuyển theo bảng sau

Bảng 2 5 Bảng phạm vi thang đo đầu ra của con quay hồi chuyển

FS_SEL Phạm vi thang đo

XG_ST: Đặt bit này làm cho con quay trục X thực hiện tự kiểm tra

YG_ST: Đặt bit này làm cho con quay trục Y thực hiện tự kiểm tra

ZG_ST: Đặt bit này làm cho con quay trục Z thực hiện tự kiểm tra

FS_SEL: Giá trị kiểu unsigned 2-bit Dùng để chọn phạm vi thang đo cho con quay hồi chuyển

 Thanh ghi 28 – Thanh ghi cấu hình gia tốc kế (Accelerometer)

Kiểu chức năng: Đọc/Ghi

Bảng 2 6 Cấu trúc thanh ghi 28

Mô tả thanh ghi:

Thanh ghi này được sử dụng để kích hoạt tự kiểm tra gia tốc kế và cấu hình phạm vi thang đo cho gia tốc kế Thanh ghi này cũng được cấu hình bộ lọc thông cao

kỹ thuật số (DHPF)

Việc tự kiểm tra cho từng trục của gia tốc có thể được kích hoạt bằng cách kiểm soát các bit XA_ST, YA_ST và ZA_ST của thanh ghi này Tự kiểm tra cho từng trục có thể được thực hiện độc lập hoặc tất cả cùng một lúc

Khi tự kiểm tra được kích hoạt, các phần tử điển tử mang điện trên bo mạch

sẽ điều khiển cảm biến thích hợp Sự chuyển dộng của các phần tử mang điện này mô phỏng một lực tác động bên ngoài Lần lượt, cảm biến được kích hoạt sẽ tạo ra tín hiệu tương ứng Tín hiệu đầu ra được sử dụng để quan sát phản ứng tự kiểm tra

Phản ứng tự kiểm tra được xác định như sau:

Trong đó:

A: Phản hồi tự kiểm tra

B: Đầu ra cảm biến có kích hoạt tự kiểm tra

C: Đầu ra cảm biến không kích hoạt tự kiểm tra

AFS_SEL chọn phạm vi toàn thang đo của các đầu ra gia tốc theo bảng sau

Bảng 2 7 Phạm vi toàn thang đo của các đầu ra gia tốc

AFS_SEL Phạm vi thang đo

XA_ST: Khi bằng 1, gia tốc kế trục X sẽ tự kiểm tra

YA_ST: Khi bằng 1, gia tốc kế trục Y sẽ tự kiểm tra

ZA_ST: Khi bằng 1, gia tốc kế trục Z sẽ tự kiểm tra

AFS_SEL: Giá trị kiểu unsigned 2-bit Dùng để chọn phạm vi thang đo cho gia tốc

Thanh ghi

(Hex)

Thanh ghi (Decimal)

Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0

Mô tả thanh ghi:

Những thanh ghi này lưu trữ giá trị các lần đo gần nhất Các phép đo gia tốc được ghi vào các thanh ghi này ở tần số lấy mẫu như được định nghĩa trong Thanh ghi 25

Các thanh ghi đo gia tốc, cùng với các thanh ghi đo nhiệt độ, thanh ghi đo con quay và thanh ghi dữ liệu cảm biến bên ngoài, bao gồm hai bộ thanh ghi: một bộ thanh ghi bên trong và một bộ thanh ghi đọc hướng về phía người dùng Dữ liệu trong

bộ thanh ghi nội của cảm biến luôn được cập nhật với tần số lấy mẫu Trong khi đó,

bộ thanh ghi đọc hướng về phía người dùng sẽ nhân đôi bộ giá trị dữ liệu bộ dữ liệu bên trong khi giao diện nối tiếp không hoạt động Điều này đảm bảo rằng một loạt các thanh ghi cảm biến sẽ đọc các phép đo từ cùng một mẫu ngay lập tức

Lưu ý: Nếu các lần đọc từng cụm không được sử dụng, người dùng có trách nhiệm đảm bảo một tập hợp các lần đọc byte đơn tương ứng với một lần lấy mẫu ngay lập tức bằng cách kiểm tra ngắt Data Ready

Mỗi phép đo gia tốc 16 bit có thang đo đầy đủ được xác định trong ACCEL_FS (thanh ghi 28) Đối với mỗi cài đặt tỷ lệ đầy đủ, độ nhạy gia tốc trên mỗi LSB trong ACCEL_xOUT được hiển thị trong bảng bên dưới

 Thanh ghi 67 đến 72 – Đo giá trị cảm biến Gyroscope

Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0

Mô tả thanh ghi:

Những thanh ghi này lưu trữ các phép đo con quay gần nhất

Các phép đo con quay hồi chuyển được ghi vào các thanh ghi này theo tỷ lệ mẫu như được định nghĩa trong thanh ghi 25

Các thanh ghi đo con quay này, cùng với các thanh ghi đo gia tốc, thanh ghi

đo nhiệt độ và các thanh ghi dữ liệu cảm biến bên ngoài, bao gồm hai bộ thanh ghi: một bộ thanh ghi bên trong và một bộ thanh ghi đọc hướng về phía người dùng

Dữ liệu trong bộ thanh ghi của cảm biến con quay hồi chuyển luôn được cập nhật ở tỷ lệ mẫu Trong khi đó, bộ thanh ghi đọc hướng về phía người dùng sẽ nhân đôi bộ giá trị dữ liệu bộ dữ liệu bên trong khi giao diện nối tiếp không hoạt động Điều này đảm bảo rằng một loạt các thanh ghi cảm biến sẽ đọc các phép đo từ cùng một mẫu ngay lập tức

Lưu ý rằng: Nếu các cụm lần đọc không được sử dụng, người dùng có trách nhiệm đảm bảo một tập hợp các lần đọc byte đơn tương ứng với một lần lấy mẫu ngay lập tức bằng cách kiểm tra ngắt Data Ready

Mỗi phép đo con quay 16 bit có thang đo đầy đủ được xác định trong FS_SEL (Thanh ghi 27) Đối với mỗi cài đặt tỷ lệ đầy đủ, độ nhạy của con quay hồi chuyển trên mỗi LSB trong GYRO_xOUT được hiển thị trong bảng bên dưới:

Bảng 2 11 Độ nhạy của con quay hồi chuyển

FS_SEL Phạm vi thang đo Độ nhạy

2.3.2 VI ĐIỀU KHIỂN

Hiện nay, có rất nhiều bộ kit vi điều khiển với hiệu suất vượt trội hơn so với Arduino, nhưng với giá thành cao, chương trình biên dịch phức tạp, kích thước board lớn … Sử dụng Board Arduino Nano và Arduino Pro Mini cho thấy sự tiện lợi cho các dự án cần sự nhỏ gọn và linh hoạt, giá thành rẻ, chương trình biên dịch đơn giản,

dễ sử dụng nhưng đầy đủ các chức năng của các vi điều khiển

a ARDUINO PRO MINI

Arduino Pro Mini là phiên bản nhỏ gọn nhất trong các dòng Arduino nhưng vẫn giữ đầy đủ tính năng tương đương với Arduino Uno/Nano do cùng sử dụng Vi điều khiển chính là ATmega328P Trên một board Arduno Pro Mini gồm 14 chân ngõ vào

ra số với 6 chân ngõ ra sử dụng cho PWM, 6 chân ngõ vào analog, 1 nút reset 1 bộ

6 chân có thể kết nối với cáp FTDI để cung cáp một nguồn USB và giao tiếp với board

Hình 2 2 Kit Vi điều khiển arduino pro mini

Các đặc trưng và thông số kỹ thuật

- Nguồn cung cấp

 RAW: nguồn cung cấp thô

 VCC: nguồn cung cấp 3.5v hoặc 5v

- Serial: 0 (RX) and 1 (TX): Được sử dụng để nhận dữ liệu nối tiếp (RX) và truyền (TX) TTL Các chân này được kết nối với các chân TX-0 và RX-1 của

- Arduino Pro Mini có 8 ngõ vào tương tự, mỗi ngõ vào cung cấp độ phân giải

10 bit Có 4 ngõ vào trong số đó là trên các header trên cạnh của board; 2 ngõ vào (4 và 5) trên các lỗ ở bên trong board Các đầu vào tương tự đo từ GND đến VCC Ngoài ra, một số chân có chức năng chuyên dụng:

 I2C: A4 (SDA) và A5 (SCL): Hỗ trợ giao tiếp I2C

- Reset: Reset mức thấp để thiết lập lại vi điều khiển

b ARDUINO NANO

Arduino Nano là một bo mạch nhỏ, thân thiện, dễ sử dụng với vi điều khiển chính là ATmega328, cung cấp nguồn 5v DC thông qua kết nối USB Mini-B, điện áp đầu vào giới hạn 6-12v DC

Hình 2 3 Kit Vi điều khiển Arduino Nano V3.0

Các đặc trưng và thông số kỹ thuật:

- Vi điều khiển: ATmega328

- Điện áp hoạt động: 5v DC

- Điện áp đầu vào khuyến nghị: 7-12v DC

- Điện áp đầu vào giới hạn: 6-20v DC

- Sô chân ngõ vào/ra số: 14 (6 chân PWM)

 Mỗi chân ngõ vào/ra có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead(), hoạt động ở 5V DC

 Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận tối đa 40 mA và có điện trở kéo lên bên trong (mặc định) là 20-50 kΩ

- Số chân ngõ vào tương tự: 8

- Dòng điện DC cho mỗi chân ngõ vào/ra: 40mA

- Bộ nhớ Flash: 16 KB (ATmega168) hoặc 32 KB (ATmega328) trong đó 2

KB được sử dụng cho BOOT LOADER

- Bộ nhớ SRAM: 1 KB (ATmega168) hoặc 2 KB (ATmega328)

- Bộ nhớ EEPROM: 512 byte (ATmega168) hoặc 1 KB (ATmega328)

 Phần mềm Arduino bao gồm một màn hình nối tiếp cho phép gửi dữ liệu văn bản đơn giản đến và từ bảng Arduino Đèn LED RX và TX trên bo mạch sẽ nhấp nháy khi dữ liệu được truyền qua chip FTDI và kết nối USB với máy tính (nhưng không cho giao tiếp nối tiếp trên chân 0 và 1)

 Thư viện Software Serial cho phép giao tiếp nối tiếp trên bất kỳ chân kỹ thuật số của Arduino Nano

2.3.3 MODULE BLUETOOTH

a Tổng quan về công nghệ Bluetooth

Trong thế giới ngày nay, truyền thông không dây là một trong những phương tiện truyền thông tin quan trọng nhất từ thiết bị này sang thiết bị khác Trong công nghệ này, thông tin có thể được truyền qua không khí mà không cần bất kỳ cáp hoặc dây hoặc dây dẫn điện tử nào khác, bằng cách sử dụng sóng điện từ như IR, RF, vệ tinh, v.v Công nghệ truyền thông không dây đề cập đến nhiều thiết bị và công nghệ truyền thông không dây từ điện thoại thông minh đến máy tính, tablet, máy tính xách tay, máy in

Bluetooth là một loại giao tiếp không dây được sử dụng để truyền giọng nói và

dữ liệu ở tốc độ cao bằng sóng radio Nó được sử dụng để liên lạc vô tuyến tầm ngắn giữa nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm cả điện thoại di động, máy tính và các thiết bị điện tử khác Module Bluetooth có phạm vi khoảng 10 mét và tốc độ truyền

dữ liệu 3 Mb/s Bluetooth truyền và nhận ở dải tần 2,4 GHz có sẵn trên toàn cầu Thiết bị Bluetooth sử dụng tiêu chuẩn IEEE 802 trong đó các kết nối có thể là điểm - điểm hoặc điểm - đa điểm

Tốc độ baud mặc định là 38400 và tốc độ baud được hỗ trợ khác là 9600, 19200,

57600, 115200, 230400 và 460800 Bluetooth có thể kết nối đồng thời tới 8 thiết bị

Nó sử dụng công nghệ trải phổ trong đó mỗi thiết bị sử dụng dải tần số khác nhau và

do đó các thiết bị không truyền cùng một lúc Khi hai thiết bị nằm trong phạm vi với nhau, việc truyền tải diễn ra giữa chúng

b Module BLUETOOTH HC-05

Module HC-05 là module Bluetooth SPP (Serial Port Protocol), giao thức cổng nối tiếp dễ sử dụng, được thiết kế để thiết lập kết nối nối tiếp không dây trong suốt Cổng nối tiếp module Bluetooth đủ điều kiện Bluetooth V2.0 + EDR (Tốc độ dữ liệu nâng cao) điều chế 3Mbps với bộ thu phát vô tuyến 2.4 GHz và băng tần cơ sở hoàn chỉnh Nó sử dụng CSR Bluecore 04 - Hệ thống Bluetooth đơn chip ngoài với công nghệ CMOS và với AFH (Tính năng nhảy tần thích ứng) Với kích thước nhỏ gọn, module bluetooth HC-05 sẽ đơn giản hóa chu trình thiết kế , phát triển một mạch điện

tử

Hình 2 4 Module Bluetooth HC-05

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC

- Mức điện áp chân giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5 VDC

- Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA

- Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

57600, 115200

- Cấu hình hỗ trợ: Bluetooth serial port (master and slave)

- Giao thức Bluetooth: Bluetooth specification V2.0 + EDR

truyền nhận với COM ảo sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART trên module

Khi thay đổi tốc độ Baud cho COM ảo không làm thay đổi tốc độ baud của UART, tốc độ baud UART chỉ có thể thay đổi bằng AT command trên module.Điểm khác biệt so với HC05 đó là HC06 chỉ có thể chạy được 1 chế độ Slave (khác với HC05 có thể hoạt động với chế độ Mater hoặc Slave) Điều này có nghĩa là bạn không thể chủ động kết nối từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi Mà cách kết nối là: bạn phải sử dụng thiết bị ngoại vi (điện thoại thông minh, máy tính laptop) để dò tín hiệu kêt nối Buletooth mà HC06 phát ra Sau khi pair thành công bạn có thể gửi tín hiệu từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi này, và ngược lại