Xem mẫu
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GIA TỐC
Sinh viên thực hiện
Trần Thanh Sang 1101041
Cán bộ hướng dẫn
TS. Trần Thanh Hùng
Cần Thơ, tháng 11 năm 2013
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GIA TỐC
Trần Thanh Sang1, Trần Thanh Hùng2
ABSTRACT
Nowadays, the acceleration sensor is one of many sensors that are popular in many modern devices. Therefore, this project is researched to survey the data of acceleration sensor in order to provide an overview about this sensor, they are useful for other projects which use the same or different type of acceleration sensor, or the development of related applications (such as control applications, orientation in space,…). In this project, the MSP430 microcontroller is used to read out data of acceleration sensor and transmit them to a computer for plotting a graph by Matlab software. The collected data are updated continuously with a high accuracy to meet the requirement of applications, which need high sensitivity, in many areas such as space science, biomedical, automotive industry, electronics civil,... Keyword: accleleration sensor, I2C interface, UART, MSP430G2452, Matlab GUI,… Title: Survey of Acceleration sensor
TÓM TẮT
Ngày nay, cảm biến gia tốc là một trong những loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hiện đại. Do vậy, đề tài thực hiện khảo sát dữ liệu của cảm biến gia tốc nhằm cung cấp cái nhìn khái quát về cảm biến gia tốc, cũng như cung cấp các thông tin hữu ích cho các đề tài khác sử dụng cùng loại hoặc khác loại cảm biến gia tốc, hoặc phát triển các ứng dụng có liên quan (các ứng dụng điều khiển, định hướng trong không gian,…). Để thực hiện đề tài, vi điều khiển MSP430 được sử dụng để đọc dữ liệu rồi truyền đến máy tính để có thể vẽ đồ thị dữ liệu bằng phần mềm Matlab. Dữ liệu thu thập được cập nhật liên tục với độ chính xác khá cao, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao trong nhiều lĩnh vực như khoa học không gian, y sinh, công nghiệp ô tô, điện tử dân dụng,… Từ khóa: cảm biến gia tốc, giao tiếp I2C, UART, MSP430G2452, Matlab GUI,…
1 GIỚI THIỆU Gia tốc là một đại lượng vật lí quan trọng dùng để mô tả chuyển động. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học – công nghệ, việc đo đạc gia tốc trở nên dễ dàng và chính xác hơn nhờ các loại cảm biến gia tốc. Cảm biến gia tốc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như các thiết bị y tế hiện đại, bộ phận 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 được nghiên 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 BMA150 của hãng Bosch Sensortec để khảo sát. Nguồn tài liệu tham khảo để thực hiện đề tài bao gồm datasheet của cảm biến gia tốc BMA150 và các thông tin sưu tầm được trên Internet.
1 Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính K36, Mã số SV: 1101041, Số ĐT: 01678767576, email: sang101041@student.ctu.edu.vn 2 Bộ môn Tự động hóa, Khoa Công Nghệ, ĐH Cần Thơ
1
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Kết quả mong muốn khi thực hiện đề tài là khảo sát được dữ liệu của cảm biến bằng cách vẽ được đồ thị dữ liệu một cách trực tiếp trên máy tính. 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 Sơ đồ khối tổng quát Để thực hiện khảo sát dữ liệu của cảm biến gia tốc BMA150, đề tài đã sử dụng các khối chức năng sau: CẢM BIẾN GIA TỐC VI ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH
Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát phần cứng của đề tài
‒ Khối cảm biến gia tốc: Sử dụng cảm biến gia tốc BMA150 để thu thập dữ liệu gia tốc sau đó gửi dữ liệu này đến vi điều khiển. ‒ Khối vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển MSP430G2452 để giao tiếp với cảm biến và máy tính. ‒ Khối máy tính: Sử dụng UART của máy tính cá nhân và phần mềm Matlab để vẽ đồ thị dữ liệu. 2.1.1 Giới thiệu về cảm biến gia tốc BMA150 [1] BMA150 là cảm biến gia tốc 3 trục có tầm đo thấp với ngõ ra số, được chế tạo theo công nghệ MEMS (Micro Eletro Mechanical Systems), do hãng Bosch Sensortec sản xuất. BMA150 được chế tạo theo kiểu tụ, cho phép đo gia tốc 3 trục trực giao X, Y, Z, hoặc ứng dụng để đo độ nghiêng, hoặc đo các chuyển động hoặc các rung động. Trên cảm biến còn được tích hợp sẵn một cảm biến nhiệt độ. Nguyên tắc hoạt động: Để đo được giá trị gia tốc, bên trong cảm biến tích hợp 3 cảm biến con bao gồm cảm biến X (đo trục X), cảm biến Y (đo trục Y) và cảm biến Z (đo trục Z) hoạt động theo nguyên tắc thay đổi điện dung. Cấu tạo của mỗi cảm biến con là một hệ khối lượng – lò xo như Hình 2(a), trong đó khối m gắn với bản tụ nằm giữa hệ 2 tụ điện mắc nối tiếp có khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được, như Hình 2(b).
(a)
(b)
Hình 2: Hệ khối lượng – lò xo để đo gia tốc (a) và mô hình hai tụ mắc nối tiếp (b)
2
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Dưới tác động của lực bên ngoài làm điện dung của hai tụ điện này thay đổi (∆C = CA – CB), có thể tính được độ dịch chuyển của bản tụ trung gian dựa vào công thức (với x nhỏ):
Trong đó: x là độ dịch chuyển, x0 là khoảng cách giữa 2 bản tụ, C là điện dung của tụ. Tính được độ dịch chuyển x, ta có thể suy ra gia tốc qua công thức:
Trong đó: a là gia tốc, k là hệ số tỉ lệ, m là khối lượng cảm biến. Do đó, chỉ cần đo sự biến thiên điện dung của tụ là có thể tính được gia tốc. Cảm biến X, Y, Z có ngõ ra là giá trị điện dung của tụ bên trong. Giá trị này được đưa vào một mạch chuyên biệt (ASIC) để xử lí. Quá trình này đi qua nhiều mạch như mạch dồn kênh, bộ lọc…trước khi được đưa vào bộ biến đổi ADC 10 bit để đưa vào mạch logic điều khiển và phục vụ ngắt, cuối cùng là mạch phục vụ các chuẩn giao tiếp I2C và SPI (xem Hình 3). Đơn vị của gia tốc ở ngõ ra được ước lượng theo gia tốc trọng trường g (1g ≈ 9.81m/s2). Đặc điểm kĩ thuật của cảm biến gia tốc BMA150: ˗ ˗ Sử dụng nguồn thấp từ 1.62 – 3.6V, dòng điện khoảng 200μA. Dữ liệu gia tốc 3 trục X, Y, Z được là một số nhị phân 10 bit được biểu diễn dưới dạng số bù 2, bao gồm 3 thang đo là ±2g (độ nhạy 256 LSB/g), ±4g (độ nhạy 128 LSB/g) và ±8g (độ nhạy 64 LSB/g), với g là gia tốc trọng trường. Dữ liệu cập nhật liên tục với tần số 3KHz, độ phân giải là 4 mg (±2g), có thể chọn băng thông từ 25Hz đến 1500Hz. Tích hợp cảm biến nhiệt độ có với bộ biến đổi ADC 8 bit, đo nhiệt độ trong khoảng từ -30 oC đến 97.5 oC, có thể thay đổi thang đo theo yêu cầu sử dụng. Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp bao gồm I2C, SPI với các phím ngắt có thể lập trình để thông báo dữ liệu mới đã được cập nhật. Hỗ trợ nhiều loại ngắt có thể được lập trình để đo sự chuyển động hoặc nâng cao tầm đo của cảm biến hoặc để thiết lập các chức năng nâng cao. Hỗ trợ 2 chế độ hoạt động là normal mode (chế độ bình thường) và sleep mode (chế độ ngủ) để tối ưu năng lượng tiêu thụ.
˗ ˗ ˗ ˗
Sơ đồ các khối chức năng, sơ đồ chân và chức năng các chân của cảm biến BMA150 được hiển thị lần lượt trong Hình 3, Hình 4 và Bảng 1.
3
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Hình 3: Sơ đồ các khối chức năng bên trong cảm biến gia tốc BMA150
Hình 4: Sơ đồ chân cảm biến gia tốc BMA150 Bảng 1: Chức năng các chân của BMA150
PIN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,11,12
Tên Chân dành riêng VDD GND INT CSB SCK SDO SDI VDDIO Chân dành riêng
Chức năng Không kết nối Nguồn cung cấp Ground Interrupt Chọn chip Ngõ vào xung clock (giao tiếp I2C, SPI) Ngõ ra dữ liệu nối tiếp Ngõ vào/ra dữ liêu nối tiếp Nguồn cung cấp cho giao tiếp số (I2C, SPI) Không kết nối
BMA150 được thiết kế bao gồm 127 thanh ghi (có địa chỉ từ 00h-7Fh), được chia làm 7 loại: thanh ghi dữ liệu, thanh ghi trạng thái, thanh ghi điều khiển, thanh ghi cài đặt, thanh ghi kèm theo (tăng offset của thanh ghi dữ liệu), thanh ghi dành riêng và một số thanh ghi không sử dụng. Bảng 2 trình bày một số thanh ghi thông dụng sử dụng trong đề tài.
4
nguon tai.lieu . vn
KHOA CÔNG NGHỆ
ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GIA TỐC
Sinh viên thực hiện
Trần Thanh Sang 1101041
Cán bộ hướng dẫn
TS. Trần Thanh Hùng
Cần Thơ, tháng 11 năm 2013
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GIA TỐC
Trần Thanh Sang1, Trần Thanh Hùng2
ABSTRACT
Nowadays, the acceleration sensor is one of many sensors that are popular in many modern devices. Therefore, this project is researched to survey the data of acceleration sensor in order to provide an overview about this sensor, they are useful for other projects which use the same or different type of acceleration sensor, or the development of related applications (such as control applications, orientation in space,…). In this project, the MSP430 microcontroller is used to read out data of acceleration sensor and transmit them to a computer for plotting a graph by Matlab software. The collected data are updated continuously with a high accuracy to meet the requirement of applications, which need high sensitivity, in many areas such as space science, biomedical, automotive industry, electronics civil,... Keyword: accleleration sensor, I2C interface, UART, MSP430G2452, Matlab GUI,… Title: Survey of Acceleration sensor
TÓM TẮT
Ngày nay, cảm biến gia tốc là một trong những loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị hiện đại. Do vậy, đề tài thực hiện khảo sát dữ liệu của cảm biến gia tốc nhằm cung cấp cái nhìn khái quát về cảm biến gia tốc, cũng như cung cấp các thông tin hữu ích cho các đề tài khác sử dụng cùng loại hoặc khác loại cảm biến gia tốc, hoặc phát triển các ứng dụng có liên quan (các ứng dụng điều khiển, định hướng trong không gian,…). Để thực hiện đề tài, vi điều khiển MSP430 được sử dụng để đọc dữ liệu rồi truyền đến máy tính để có thể vẽ đồ thị dữ liệu bằng phần mềm Matlab. Dữ liệu thu thập được cập nhật liên tục với độ chính xác khá cao, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao trong nhiều lĩnh vực như khoa học không gian, y sinh, công nghiệp ô tô, điện tử dân dụng,… Từ khóa: cảm biến gia tốc, giao tiếp I2C, UART, MSP430G2452, Matlab GUI,…
1 GIỚI THIỆU Gia tốc là một đại lượng vật lí quan trọng dùng để mô tả chuyển động. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học – công nghệ, việc đo đạc gia tốc trở nên dễ dàng và chính xác hơn nhờ các loại cảm biến gia tốc. Cảm biến gia tốc được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị như các thiết bị y tế hiện đại, bộ phận 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 được nghiên 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 BMA150 của hãng Bosch Sensortec để khảo sát. Nguồn tài liệu tham khảo để thực hiện đề tài bao gồm datasheet của cảm biến gia tốc BMA150 và các thông tin sưu tầm được trên Internet.
1 Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính K36, Mã số SV: 1101041, Số ĐT: 01678767576, email: sang101041@student.ctu.edu.vn 2 Bộ môn Tự động hóa, Khoa Công Nghệ, ĐH Cần Thơ
1
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Kết quả mong muốn khi thực hiện đề tài là khảo sát được dữ liệu của cảm biến bằng cách vẽ được đồ thị dữ liệu một cách trực tiếp trên máy tính. 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 Sơ đồ khối tổng quát Để thực hiện khảo sát dữ liệu của cảm biến gia tốc BMA150, đề tài đã sử dụng các khối chức năng sau: CẢM BIẾN GIA TỐC VI ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH
Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát phần cứng của đề tài
‒ Khối cảm biến gia tốc: Sử dụng cảm biến gia tốc BMA150 để thu thập dữ liệu gia tốc sau đó gửi dữ liệu này đến vi điều khiển. ‒ Khối vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển MSP430G2452 để giao tiếp với cảm biến và máy tính. ‒ Khối máy tính: Sử dụng UART của máy tính cá nhân và phần mềm Matlab để vẽ đồ thị dữ liệu. 2.1.1 Giới thiệu về cảm biến gia tốc BMA150 [1] BMA150 là cảm biến gia tốc 3 trục có tầm đo thấp với ngõ ra số, được chế tạo theo công nghệ MEMS (Micro Eletro Mechanical Systems), do hãng Bosch Sensortec sản xuất. BMA150 được chế tạo theo kiểu tụ, cho phép đo gia tốc 3 trục trực giao X, Y, Z, hoặc ứng dụng để đo độ nghiêng, hoặc đo các chuyển động hoặc các rung động. Trên cảm biến còn được tích hợp sẵn một cảm biến nhiệt độ. Nguyên tắc hoạt động: Để đo được giá trị gia tốc, bên trong cảm biến tích hợp 3 cảm biến con bao gồm cảm biến X (đo trục X), cảm biến Y (đo trục Y) và cảm biến Z (đo trục Z) hoạt động theo nguyên tắc thay đổi điện dung. Cấu tạo của mỗi cảm biến con là một hệ khối lượng – lò xo như Hình 2(a), trong đó khối m gắn với bản tụ nằm giữa hệ 2 tụ điện mắc nối tiếp có khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được, như Hình 2(b).
(a)
(b)
Hình 2: Hệ khối lượng – lò xo để đo gia tốc (a) và mô hình hai tụ mắc nối tiếp (b)
2
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Dưới tác động của lực bên ngoài làm điện dung của hai tụ điện này thay đổi (∆C = CA – CB), có thể tính được độ dịch chuyển của bản tụ trung gian dựa vào công thức (với x nhỏ):
Trong đó: x là độ dịch chuyển, x0 là khoảng cách giữa 2 bản tụ, C là điện dung của tụ. Tính được độ dịch chuyển x, ta có thể suy ra gia tốc qua công thức:
Trong đó: a là gia tốc, k là hệ số tỉ lệ, m là khối lượng cảm biến. Do đó, chỉ cần đo sự biến thiên điện dung của tụ là có thể tính được gia tốc. Cảm biến X, Y, Z có ngõ ra là giá trị điện dung của tụ bên trong. Giá trị này được đưa vào một mạch chuyên biệt (ASIC) để xử lí. Quá trình này đi qua nhiều mạch như mạch dồn kênh, bộ lọc…trước khi được đưa vào bộ biến đổi ADC 10 bit để đưa vào mạch logic điều khiển và phục vụ ngắt, cuối cùng là mạch phục vụ các chuẩn giao tiếp I2C và SPI (xem Hình 3). Đơn vị của gia tốc ở ngõ ra được ước lượng theo gia tốc trọng trường g (1g ≈ 9.81m/s2). Đặc điểm kĩ thuật của cảm biến gia tốc BMA150: ˗ ˗ Sử dụng nguồn thấp từ 1.62 – 3.6V, dòng điện khoảng 200μA. Dữ liệu gia tốc 3 trục X, Y, Z được là một số nhị phân 10 bit được biểu diễn dưới dạng số bù 2, bao gồm 3 thang đo là ±2g (độ nhạy 256 LSB/g), ±4g (độ nhạy 128 LSB/g) và ±8g (độ nhạy 64 LSB/g), với g là gia tốc trọng trường. Dữ liệu cập nhật liên tục với tần số 3KHz, độ phân giải là 4 mg (±2g), có thể chọn băng thông từ 25Hz đến 1500Hz. Tích hợp cảm biến nhiệt độ có với bộ biến đổi ADC 8 bit, đo nhiệt độ trong khoảng từ -30 oC đến 97.5 oC, có thể thay đổi thang đo theo yêu cầu sử dụng. Hỗ trợ các chuẩn giao tiếp bao gồm I2C, SPI với các phím ngắt có thể lập trình để thông báo dữ liệu mới đã được cập nhật. Hỗ trợ nhiều loại ngắt có thể được lập trình để đo sự chuyển động hoặc nâng cao tầm đo của cảm biến hoặc để thiết lập các chức năng nâng cao. Hỗ trợ 2 chế độ hoạt động là normal mode (chế độ bình thường) và sleep mode (chế độ ngủ) để tối ưu năng lượng tiêu thụ.
˗ ˗ ˗ ˗
Sơ đồ các khối chức năng, sơ đồ chân và chức năng các chân của cảm biến BMA150 được hiển thị lần lượt trong Hình 3, Hình 4 và Bảng 1.
3
Đồ án kỹ thuật điện tử
Trường Đại học Cần Thơ
Hình 3: Sơ đồ các khối chức năng bên trong cảm biến gia tốc BMA150
Hình 4: Sơ đồ chân cảm biến gia tốc BMA150 Bảng 1: Chức năng các chân của BMA150
PIN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10,11,12
Tên Chân dành riêng VDD GND INT CSB SCK SDO SDI VDDIO Chân dành riêng
Chức năng Không kết nối Nguồn cung cấp Ground Interrupt Chọn chip Ngõ vào xung clock (giao tiếp I2C, SPI) Ngõ ra dữ liệu nối tiếp Ngõ vào/ra dữ liêu nối tiếp Nguồn cung cấp cho giao tiếp số (I2C, SPI) Không kết nối
BMA150 được thiết kế bao gồm 127 thanh ghi (có địa chỉ từ 00h-7Fh), được chia làm 7 loại: thanh ghi dữ liệu, thanh ghi trạng thái, thanh ghi điều khiển, thanh ghi cài đặt, thanh ghi kèm theo (tăng offset của thanh ghi dữ liệu), thanh ghi dành riêng và một số thanh ghi không sử dụng. Bảng 2 trình bày một số thanh ghi thông dụng sử dụng trong đề tài.
4