Đồ án kỹ thuật điện tử khảo sát cảm biến gia tốc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ KHẢO SÁT CẢM BIẾN GIA TỐC Sinh viên thực Trần Thanh Sang Cán hướng dẫn 1101041 TS Trần Thanh Hùng Cần Thơ, tháng 11 năm 2013 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 loại cảm biến sử dụng rộng rãi nhiều thiết bị đại Do vậy, đề tài thực khảo sát liệu cảm biến gia tốc nhằm cung cấp nhìn khái quát cảm biến gia tốc, cung cấp thơng tin hữu ích cho đề tài khác sử dụng loại khác loại cảm biến gia tốc, phát triển ứng dụng có liên quan (các ứng dụng điều khiển, định hướng không gian,…) Để thực đề tài, vi điều khiển MSP430 sử dụng để đọc liệu truyền đến máy tính để vẽ đồ thị liệu phần mềm Matlab Dữ liệu thu thập cập nhật liên tục với độ xác cao, đáp ứng yêu cầu ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cao nhiều lĩnh vực 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,… GIỚI THIỆU Gia tốc đại lượng vật lí quan trọng dùng để mô tả chuyển động Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học – công nghệ, việc đo đạc gia tốc trở nên dễ dàng xác nhờ loại cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị thiết bị y tế đại, phận định hướng điều khiển vận tốc ô tô, phận định vị tên lửa, tàu không gian, thiết bị đo độ rung, độ chấn động,…Do đó, đề tài nghiên cứu nhằm cung cấp thông tin cảm biến gia tốc, tạo sở cho nghiên cứu khác Đề tài chọn cảm biến gia tốc BMA150 hãng Bosch Sensortec để khảo sát Nguồn tài liệu tham khảo để thực đề tài bao gồm datasheet cảm biến gia tốc BMA150 thông tin sưu tầm Internet Sinh viên lớp Kỹ thuật máy tính K36, Mã số SV: 1101041, Số ĐT: 01678767576, email: sang101041@student.ctu.edu.vn Bộ mơn Tự động hóa, Khoa Cơng Nghệ, ĐH Cần Thơ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Kết mong muốn thực đề tài khảo sát liệu cảm biến cách vẽ đồ thị liệu cách trực tiếp máy tính PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2.1 Sơ đồ khối tổng quát Để thực khảo sát liệu cảm biến gia tốc BMA150, đề tài sử dụng khối chức sau: CẢM BIẾN GIA TỐC VI ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát phần cứng đề tài ‒ Khối cảm biến gia tốc: Sử dụng cảm biến gia tốc BMA150 để thu thập liệu gia tốc sau gửi liệu đến vi điều khiển ‒ Khối vi điều khiển: Sử dụng vi điều khiển MSP430G2452 để giao tiếp với cảm biến máy tính ‒ Khối máy tính: Sử dụng UART máy tính cá nhân phần mềm Matlab để vẽ đồ thị liệu 2.1.1 Giới thiệu cảm biến gia tốc BMA150 [1]  BMA150 cảm biến gia tốc trục có tầm đo thấp với ngõ số, chế tạo theo công nghệ MEMS (Micro Eletro Mechanical Systems), hãng Bosch Sensortec sản xuất  BMA150 chế tạo theo kiểu tụ, cho phép đo gia tốc trục trực giao X, Y, Z, ứng dụng để đo độ nghiêng, đo chuyển động rung động Trên cảm biến cịn tích hợp sẵn cảm biến nhiệt độ  Nguyên tắc hoạt động: Để đo giá trị gia tốc, bên cảm biến tích hợp cảm biến bao gồm cảm biến X (đo trục X), cảm biến Y (đo trục Y) cảm biến Z (đo trục Z) hoạt động theo nguyên tắc thay đổi điện dung Cấu tạo cảm biến hệ khối lượng – lị xo Hình 2(a), khối m gắn với tụ nằm hệ tụ điện mắc nối tiếp có khoảng cách hai tụ thay đổi được, Hình 2(b) (a) (b) Hình 2: Hệ khối lượng – lò xo để đo gia tốc (a) mơ hình hai tụ mắc nối tiếp (b) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Dưới tác động lực bên làm điện dung hai tụ điện thay đổi (∆C = CA – CB), tính độ dịch chuyển tụ trung gian dựa vào công thức (với x nhỏ): Trong đó: x độ dịch chuyển, x0 khoảng cách tụ, C điện dung tụ Tính độ dịch chuyển x, ta suy gia tốc qua cơng thức: Trong đó: a gia tốc, k hệ số tỉ lệ, m khối lượng cảm biến Do đó, cần đo biến thiên điện dung tụ tính gia tốc Cảm biến X, Y, Z có ngõ giá trị điện dung tụ bên Giá trị đưa vào mạch chun biệt (ASIC) để xử lí Q trình qua nhiều mạch mạch dồn kênh, lọc…trước đưa vào biến đổi ADC 10 bit để đưa vào mạch logic điều khiển phục vụ ngắt, cuối mạch phục vụ chuẩn giao tiếp I2C SPI (xem Hình 3) Đơn vị gia tốc ngõ ước lượng theo gia tốc trọng trường g (1g ≈ 9.81m/s2)  Đặc điểm kĩ thuật cảm biến gia tốc BMA150: ˗ Sử dụng nguồn thấp từ 1.62 – 3.6V, dòng điện khoảng 200μA ˗ Dữ liệu gia tốc trục X, Y, Z số nhị phân 10 bit biểu diễn dạng số bù 2, bao gồm thang đo ±2g (độ nhạy 256 LSB/g), ±4g (độ nhạy 128 LSB/g) ±8g (độ nhạy 64 LSB/g), với g gia tốc trọng trường Dữ liệu cập nhật liên tục với tần số 3KHz, độ phân giải mg (±2g), chọn băng thơng từ 25Hz đến 1500Hz ˗ Tích hợp cảm biến nhiệt độ có với biến đổi ADC bit, đo nhiệt độ khoảng từ -30 oC đến 97.5 oC, thay đổi thang đo theo yêu cầu sử dụng ˗ Hỗ trợ chuẩn giao tiếp bao gồm I2C, SPI với phím ngắt lập trình để thơng báo liệu cập nhật ˗ Hỗ trợ nhiều loại ngắt lập trình để đo chuyển động nâng cao tầm đo cảm biến để thiết lập chức nâng cao ˗ Hỗ trợ chế độ hoạt động normal mode (chế độ bình thường) sleep mode (chế độ ngủ) để tối ưu lượng tiêu thụ  Sơ đồ khối chức năng, sơ đồ chân chức chân cảm biến BMA150 hiển thị Hình 3, Hình Bảng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Hình 3: Sơ đồ khối chức bên cảm biến gia tốc BMA150 Hình 4: Sơ đồ chân cảm biến gia tốc BMA150 Bảng 1: Chức chân BMA150 PIN Tên Chức Chân dành riêng Không kết nối VDD Nguồn cung cấp GND Ground INT Interrupt CSB Chọn chip SCK Ngõ vào xung clock (giao tiếp I2C, SPI) SDO Ngõ liệu nối tiếp SDI Ngõ vào/ra liêu nối tiếp VDDIO Nguồn cung cấp cho giao tiếp số (I2C, SPI) 10,11,12 Chân dành riêng Không kết nối  BMA150 thiết kế bao gồm 127 ghi (có địa từ 00h-7Fh), chia làm loại: ghi liệu, ghi trạng thái, ghi điều khiển, ghi cài đặt, ghi kèm theo (tăng offset ghi liệu), ghi dành riêng số ghi khơng sử dụng Bảng trình bày số ghi thông dụng sử dụng đề tài LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Bảng 2: Một số ghi quan trọng BMA150 Địa Loại ghi Chức 02h Dữ liệu Byte thấp trục X, new_data_x 03h Dữ liệu Byte cao trục X 04h Dữ liệu Byte thấp trục Y, new_data_y 05h Dữ liệu Byte cao trục Y 06h Dữ liệu Byte thấp trục Z, new_data_z 07h Dữ liệu Byte cao trục Z 08h Dữ liệu Nhiệt độ 14h Điều khiển Thang đo, băng thông  Đề tài sử dụng cảm biến gia tốc BMA150 tích hợp board Inertial One Sensors Xplained [2], vị trí cảm biến chân phục vụ giao tiếp I2C xác định Hình Board Inertial One Sensors Xplained tích hợp loại cảm biến trục, bao gồm cảm biến gia tốc BMA150, cảm biến quay hồi chuyển ITG3200 cảm biến la bàn AK9875 Board hỗ trợ giao tiếp I2C cảm biến với vi điều khiển qua chân SCL SDA Trong board Inertial One Sensors Xplained, địa để giao tiếp I2C (slave address) BMA150 38h SCL BMA150 SDA VCC GND Hình 5: BMA150 board Inertial One Sensors Xplained 2.1.2 Giới thiệu vi điều khiển MSP430G2452[3] kit Launchpad  Vi điều khiển MSP430G2452 thuộc họ vi điều khiển MSP430 Texas Instrument (TI) sản xuất, có đặc điểm chung họ MSP430 như: thiết kế theo cấu trúc RISC 16-bit, dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm lượng, công suất tiêu thụ cực thấp, điện áp nguồn khoảng 1.8V – 3.6V số tính khác Đề tài sử dụng module USI hỗ trợ MSP430G2452 để giao tiếp I2C với cảm biến gia tốc BMA150  Kit Launchpad (Hình 6) kit ứng dụng nhỏ TI sản xuất, hỗ trợ nhiều loại MSP430 nạp chương trình giao tiếp liệu Đề tài dùng kit Launchpad sử dụng vi điều khiển MSP430G2452 để tiến hành giao tiếp I2C với cảm biến, sau gửi liệu nhận lên máy tính giao tiếp UART giả lập (do MSP430G2452 không hỗ trợ UART) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ MSP430G2452 Hình 6: Kit Launchpad sử dụng MSP430G2452 2.2 Thiết kế phần cứng, phần mềm 2.2.1 Phần cứng  Thành phần sử dụng: Đề tài sử dụng phần cứng sẵn có bao gồm cảm biến gia tốc BMA150 tích hợp board Inertial One Sensors Xplained, MSP430G2452 kit Lauchpad máy tính cá nhân  Kết nối chi tiết: Các chân VCC, GND, SCL, SDA board Inertial One Sensors Xplained kết nối với chân VCC, GND, P1.6, P1.7 kit Launchpad; kit Lauchpad kết nối với máy tính qua cổng USB Kết nối phần cứng thực tế thể qua Hình Hình 7: Kết nối phần cứng chi tiết 2.2.2 Phần mềm  Phần mềm IAR Embedded Workbench: Sử dụng để lập trình nạp chương trình vào MSP430G2452 thông qua kit Launchpad Lưu đồ giải thuật chương trình đọc liệu cảm biến truyền lên máy tính thể Hình Có thể chia giải thuật làm phần: Vi điều khiển đọc liệu cảm biến Vi điều khiển truyền liệu nhận đến máy tính để vẽ đồ thị ˗ Vi điều khiển đọc liệu cảm biến: Đầu tiên, MSP430G2452 tiến hành giao tiếp I2C với BMA150 để thiết lập ghi chọn thang đo băng thông (địa 14h) để chọn độ rộng thang đo băng thơng mong muốn (có thể để mặc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ định) Sau đó, việc đọc ghi chứa giá trị gia tốc trục X, Y, Z ) Đề tài tiến hành đọc nhiệt độ thực lặp lại với tần số ( < liệu với tần số 20Hz ˗ Vi điều khiển truyền liệu nhận đến máy tính để vẽ đồ thị: Sau nhận liệu từ cảm biến, vi điều khiển tiến hành gửi byte liệu đến máy tính thơng qua giao tiếp UART nhận yêu cầu nhận liệu từ máy tính (do Matlab GUI gửi qua cổng COM) Dữ liệu hiển thị vẽ đồ thị trực tiếp Matlab GUI Begin Định nghĩa chân biến thiết lập I2C (SCL, SDA), UART (TXD, RXD) Định nghĩa địa ghi BMA150 Khai báo biến tồn cục sử dụng Khai báo chương trình Khởi tạo I2C UART Chọn giới hạn đo (thang đo), băng thông Đọc giá trị gia tốc trục X, Y, Z giá trị nhiệt độ Nhận tín hiệu yêu cầu đọc liệu từ máy tính? SAI ĐÚNG Gọi hàm truyền byte liệu gia tốc nhiệt độ lên máy tính thơng qua UART Hình 8: Lưu đồ giải thuật khảo sát cảm biến BMA150  Phần mềm Matlab: ˗ Phiên sử dụng: Matlab R2010a hãng MathWorks ˗ Thiết kế giao diện: Đề tài sử dụng chức tạo giao diện GUI Matlab để vẽ đồ thị liệu (sau gọi ngắn gọn Matlab GUI) Giao diện Matlab LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ GUI thiết kế Hình 9, bao gồm: toggle button “ON/OFF” để điều khiển việc mở/tắt chức vẽ đồ thị; static text hiển thị tên đồ thị “ACCELERATION DATA”; panel để hiển thị nhãn “ON/OFF READ” “TEMPERATURE”; edit text để hiển thị liệu nhiệt độ; đồ thị liệu tương ứng với trục X, Y, Z Khi nhấn nút ON/OFF, việc nhận liệu kích hoạt Matlab GUI vẽ đồ thị liệu nút ON/OFF nhấn lần Hình 9: Giao diện GUI Matlab để vẽ đồ thị liệu KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ Dữ liệu cảm biến đọc cách liên tục truyền lên máy tính với tần số 96Hz, sau hiển thị trực tiếp lên đồ thị Matlab GUI Hình 10 thay đổi trục X,Y,Z thay đổi trục X thay đổi trục Y thay đổi trục Z Hình 10: Đồ thị biểu diễn liệu gia tốc trục theo thời gian LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Theo đó, giá trị gia tốc trục X thay đổi khoảng thời gian từ 3.7s – 6.6s Để làm điều này, dựa vào định hướng board Inertial One Sensors Xplained Hình 11, ta đặt board vị trí cho trục Z vng góc với mặt phẳng nằm ngang, tiến hành di chuyển qua lại theo phương trục X Tương tự, giá trị trục Y thay đổi khoảng từ 8.7s – 11.4s trục Z thay đổi khoảng từ 13.7s – 16.3s Để làm điều này, định hướng tương tự trục X, ta di chuyển board theo phương Y (nếu muốn thay đổi Y) Z (nếu muốn thay đổi Z) Trong khoảng thời gian từ 17.6s – 21.4s, giá trị trục thay đổi board thay đổi theo phương X, Y, Z không gian (Ghi chú: giá trị thời gian đồ thị chia 10 tính theo đơn vị giây) X Y Z Hình 11: Định hướng trục X, Y, Z không gian Nhận xét:  Tần số truyền nhận liệu cổng COM: Do tần số baurd 9600, khung truyền 10 bit nên số khung truyền hay số byte truyền nhận giây 9600/10 = 960 byte Mặt khác, lần truyền nhận 10 byte liệu, bao gồm byte yêu cầu nhận liệu, byte báo nhận, byte giá trị gia tốc trục byte giá trị nhiệt độ Từ suy tần số truyền nhận 960/10 = 96 Hz  Giá trị gia tốc trục độc lập với nhau, di chuyển board theo phương trục khơng làm ảnh hưởng đến giá trị gia tốc hai trục cịn lại Ở vị trí cân bằng, giá trị gia tốc trục g (giá trị vector gia tốc trọng trường) hướng với vector gia tốc trọng trường g (phương thẳng đứng hướng từ lên) -g ngược hướng  Giá trị tuyệt đối gia tốc trục lớn di chuyển board với vận tốc thay đổi nhanh (hay vận tốc biến thiên nhanh), giá trị dương di chuyển hướng âm di chuyển ngược hướng với trục chọn KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ Đề tài ứng dụng vi điều khiển MSP430G2452 giao tiếp với cảm biến gia tốc BMA150 theo chuẩn truyền thông I2C để đọc liệu sau truyền UART lên máy tính sử dụng chức GUI Matlab để vẽ đồ thị liệu Kết đọc vẽ đồ thị liệu cách liên tục, đáp ứng yêu cầu đề tài Ưu điểm đề tài đọc vẽ liệu cách liên tục, việc đồng phần cứng khác tốt, liệu trả có độ ổn định tính xác cao Tuy vậy, giao diện GUI đơn điệu; việc khai thác thêm chức việc ứng dụng ngắt để đồng liệu nhiều hạn chế LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đồ án kỹ thuật điện tử Trường Đại học Cần Thơ Đề tài cải tiến thêm để đo độ nghiêng, kết hợp thêm chức hỗ trợ từ cảm biến để việc đọc liệu xác Với thực hiện, đề tài sở cho nghiên cứu ứng dụng cụ thể sử dụng khác loại cảm biến gia tốc thực CÁM ƠN Xin cảm ơn thầy Trần Thanh Hùng tận tình hướng dẫn giúp đỡ hỗ trợ cho em board Inertial One Sensors Xplained; cảm ơn bạn diễn đàn giúp đỡ em hoàn thành đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bosch Sensortec, 2008 Datasheet BMA150 http://aebst.resource.bosch.com/media/products/dokumente/bma150/BST-BMA150-DS00007.pdf, truy cập ngày 3/9/2013 [2] Atmel, 2011 Sensor Xplain Board http://www.atmel.com/tools/AVRSBIN1.aspx?tab=documents, truy cập ngày 3/9/2013 [3] Texas Instruments, 2004 MSP430x2xx Family User’s Guide http://www.ti.com/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf, truy cập ngày 19/9/2013 [4] Pay It Forward Club, 2012 Giao tiếp I2C MSP430 http://www.diendanti.com/showthread.php?111-MSP430-TUT-7.-I2C-%E1%BB%A8ngd%E1%BB%A5ng-v%E1%BB%9Bi-DS1307-v%C3%A0-C%E1%BA%A3mbi%E1%BA%BFn-nhi%E1%BB%87t-TMP100, truy cập ngày 15/10/2013 [5] Texas Instruments, 2010 Msp430g2xx2_ta_uart9600.c http://coecsl.ece.illinois.edu/ge423/datasheets/MSP430Ref_Guides/Cexamples/MSP430G 2xx2%20Code%20Examples/C/msp430g2xx2_ta_uart9600.c 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... TÓM TẮT Ngày nay, cảm biến gia tốc loại cảm biến sử dụng rộng rãi nhiều thiết bị đại Do vậy, đề tài thực khảo sát liệu cảm biến gia tốc nhằm cung cấp nhìn khái quát cảm biến gia tốc, cung cấp thơng... thực khảo sát liệu cảm biến gia tốc BMA150, đề tài sử dụng khối chức sau: CẢM BIẾN GIA TỐC VI ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH Hình 1: Sơ đồ khối tổng quát phần cứng đề tài ‒ Khối cảm biến gia tốc: Sử dụng cảm. .. tụ, C điện dung tụ Tính độ dịch chuyển x, ta suy gia tốc qua cơng thức: Trong đó: a gia tốc, k hệ số tỉ lệ, m khối lượng cảm biến Do đó, cần đo biến thiên điện dung tụ tính gia tốc Cảm biến X,