SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL202 ĐỂ XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ THAY CHO CHUỘT MÁY TÍNH

SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL202 ĐỂ XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ THAY CHO CHUỘT MÁY TÍNH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Trung Thành SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL202 ĐỂ XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ THAY CHO CHUỘT MÁY TÍNH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Vũ Hà Đồng hướng dẫn:CN. Phạm Duy Hưng HÀ NỘI – 2005 Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo TS. Lê Vũ Hà, cùng Người đồng hướng dẫn cử nhân Phạm Duy Hưng thuộc Khoa Điện Tử- Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn tôi tìm hiểu và nghiên cứu khóa luận này. Tôi cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời em cũng chân cảm ơn các cán bộ trong phòng Robot đã tạo mọi điều kiện cho em làm tốt phần thực nghiệm của mình Cuối cùng, tôi muốn cám ơn tới tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã đông viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Hà nội, ngày 1 tháng 6 năm 2005 Sinh viên TÓM TẮT NỘI DUNG Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, việc phát minh ra các linh kiện mới có kích thước vô cùng nhỏ với tính năng ứng dụng cao. Các linh kiện đã được tích hợp theo quy trình sản xuất theo công nghệ cao góp phần thu gọn các sản phẩm điện tử. Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và nó cũng được đầ u tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào việc phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó. Khoá luận này trình bày về vấn đề sử dụng cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS, sử dụng cảm biến gia tốc ADXL202 để xây dựng thiết bị trỏ chuột bằng tay. Xây dựng hệ thống điều khiển chuột dựa vào việc thay đổi số xung vào hai kênh X và Y của cảm biến ADXL202. Tín hiệu giả chuột được thực hiện bằng phần mềm nhúng vào vi điều khiển Basic Stamp (BS2sx). Tìm hiểu chuẩn PS/2 và cách định dạng gói dữ liệu của nó. Đồng thời khoá luận cũng tìm hiểu được dịnh dạng chuẩn PS/2 chuột. cũng như các gửi dữ liệu tới PC của nó. MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu………………………………………………………1 Chương 2 : Giới thiệu tổng quan về công nghệ MEMS………………… 4 2.1. Giới thiệu chung những đặc điểm của công nghệ MEMS……….4 2.2. Xu hướng phát triển công nghệ trong tương lai…………… .5 Chương 3 : Cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS……7 3.1 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ… 7 3.2 Cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụADXL202……………………….9 3.2.1 Đặc tính của cảm biến gia tốc ADXL202……………………… 9 3.2.2 Cấu trúc của cảm biến ADXL202………………………………10 3.3 Đặc tuyến của cảm biến………………………………………… 16 Chương 4: Vi điều khiển Basic Stamp .18 4.1 Giới thiệu về Basic Stamp ……………………………………….18 4.2 Ngôn ngữ lậ p trình cho Basic Stamp …………………………….23 Chương 5 : Ứng dụng cảm biến ADXL202 xây dựng hệ thống trỏ chuột máy tính…………………………………………………………………… 25 5.1 Khái quát chuột máy tính…………………………………………25 5.2 Chuẩn PS/2……………………………………………………… 30 5.3 Mô hình hệ thống………………………………………………….35 Kết luận………………………………………………………………………40 Phụ lục……………………………………………………………………… 41 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] Analog devices, Inc. [2] Ann. Rev. Fluid Mech “Microeclectromechical Systems”. [3] Colinfahey “Basic Stamp and PS/2 mouse”. [4] Grigore C. Burdea “Haptic feedback for Vitual Reality” [5] Parallax Inc. www.parallaxinc.com. [6] Phạm Duy Hưng, Trần Thu Hồng, Đặng Cao Sơn, Nguyễn Thăng Long,Trần Quang Vinh và Nguyễn Phú Thuỳ “Ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS để đo các góc nghiêng” kỉ yếu hội nghị toàn quốc về khí cụ bay có điều khiển. [7] Scott Edwards “programming and Customizing the Basic Stamp omputer”. Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Các nghiên cứu trong giao tiếp người - máy nhằm tới mục tiêu giúp cho người sử dụng giao tiếp với máy dễ dàng, thuận tiện hơn và tự nhiên hơn. Một trong những chủ đề nghiên cứu của lĩnh vực giao tiếp người – máy là các giao diện haptic. Giao diện haptic sử dụng cảm biến để thu nhận các cử động của bàn tay và các ngón tay và dùng các thông tin đó cho việc điều khiển các chương trình máy tính. Các giao diện haptic có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các trò chơi 3-D và các chương trình thực tại ảo, ở đó người sử dụng thường phải thực hiện các thao tác phức tạp như trong thế giới thực. Hình dưới đây mô tả mô hình giao diện haptic sử dụng các cảm biến được gắn vào đầu các ngón tay để thu nhận các cử động, thông tin nhận được từ các cử động đó sẽ truyền đến máy tính để điều khiển Hình1.1: Các cảm biến được gắn vào tay. Hình 1.2: Điều khiển thực tại ảo. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 1 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 1.3: Việc gắn các cảm biến lên bàn tay và ngón tay. Sau đây là những hình ảnh ứng dụng của giao diện haptic trong các lĩnh vực điều khiển, y tế… Hình 1.4: Điều khiển máy tính thông qua thông qua bàn tay. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 2 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 1.5: Áp dụng trong lĩnh vực cơ khí. Mục tiêu của khoá luận này là xây dựng một mô hình đơn giản cho giao diện haptic, sử dụng cảm biến gia tốc để thu nhận thôn tin về vị trí cử động của bàn tay và các ngón tay. Dùng các thông tin đó để điều khiển con trỏ trên màn hình máy tính. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 3 Khúa lun tt nghip Xõy dng thit b tr chut mỏy tớnh CHNG 2 GII THIU TNG QUAN V CễNG NGH MEMS 2.1 Gii thiu chung nhng c im ca cụng ngh MEMS. H thng vi c in t MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems) l s hp thnh ca cỏc yu t c v in. Cỏc linh kin MEMS lỳc u ch l nhng sn phm trong lnh vc c lm cỏc u o ỏp sut v bin dng thay cho cỏc u o truyn thng. S phỏt trin ca khoa hc k thut, c bit l ca cụng ngh vi in t ó giỳp cho cụng ngh MEMS cú nhng bc phỏt trin mnh m, m ra nhiu cỏc k thut sn xut mi: cụng ngh vi c dng kh i (bulk-micromachining), v cụng ngh vi c b mt (surface-micromachining) vi vt liu ch yu l n tinh th silic. Cỏc thnh tu t c cho thy, cụng ngh MEMS khụng ch bú hp trong cỏc loi cm bin c, m cú th phỏt trin ng dng trong rt nhiu lnh vc cm bin khỏc: cm bin nhit, cm bin t, cm bin quang, cm bin hoỏ, cm bin sinh hc. Khụng ch n th n trong lnh vc cm bin m trong cỏc h chp hnh v trong cỏc h iu khin t ng. Cú th núi rng cụng ngh MEMS l cụng ngh ca thiờn niờn k mi, cụng ngh ca tng lai. Cỏc sn phm ca MEMS c ng dng rt rng rói c bit trong iu khin t ng. Nhng sn phm c tớch hp rt nh t cỏc thnh phn c v in, kớch thc t vi àm (micro met) ặ vi mm (milimet). Do s tớch hp cao nh vy nờn trờn mt h thng MEMS cú th cú n hng triu linh kin in t. Bng cỏch kt hp cụng ngh in t v cụng ngh vi c cú kh nng tớch hp hng triu linh kinh ú trờn mt chớp. Nhng thnh phn in c cu to bng cỏch s dng cụng ngh ca mch tớch hp (IC). Nhng thnh phn c hc li c cu to t cụng ngh vi c (micromachining) trờn Silic hoc thờm vo nhng lp cu trỳc mi hỡnh thnh nờn nhng thit b c v c in t. I HC CễNG NGH - DHQG HN 4 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 2.1:Cấu trúc bộ cảm biến bộ chấp hành điều khiển hệ thống vi cơ Trong nhiều ứng dụng, MEMS đã tạo ra được bước chuyển dịch từ những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm tới những sản phẩm thương mại với thị trường rộng. Trong tương lai những ứng dụng MEMS không những cho phép thu nhận thông tin, truyền thông mà còn cho phép cảm biến, điều khiển môi trườ ng từ xa với giá thành thấp, độ tin cậy cao, độ ổn định cao. Với sự kết hợp những khả năng trên, MEMS sẽ đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế, bao gồm các lĩnh vực như chăm sóc sức khoẻ, giao thông, quân sự, không gian, xây dựng, sản xuất, kiến trúc và hệ thống truyền thông. Những ứng dụng được áp dụng: trong y học ,công nghệ hàng không, trong công nghệ thông tin… 2.2 Xu hướng phát triển công nghệ MEMS: Trong t ương lai MEMS sẽ được áp dụng với những chức năng lớn hơn, áp dụng rộng dãi hơn. Các thiết bị vi cơ có thể làm việc độc lập hoặc có thể làm việc phối hợp cùng nhau. Thiết bị vi cơ có kích thước nhỏ cho nên nó có thể áp dụng trong các lĩnh vực mà các linh kiện khác không đáp ứng được do yêu cầu về kích thước hay độ chính xác. Tuy nhiên vật liệu chế tạo MEMS thì mới ở trạ ng thái khởi đầu, vì vây việc tìm ra những vật liệu mới phù hợp rất thuận lợi cho việc phát triển công nghệ MEMS. Trong tương lai thì những sản phẩm MEMS sẽ phục vụ trong nhiều lĩnh vực của đời sống hơn do những ưu việt của nó. Sự đầu tư của các công ty lớn vào MEMS đã đem lại cho nó những thành công và ngày càng xuất hiện nhiều sản phẩm thương hiệu hóa . Với những đặc điểm nhỏ gọn, xử lý thông minh thì ngày nay các sản phẩm áp dụng công nghệ MEMS được phát triển ở nhiều nước và rất được quan tâm. Hiện nay tại Trường Đại Học Quốc Gia Thì MEMS cũng rất được quan tâm, và đầu tư phát triển. Trường đã thành lập một phòng nghiên cứu về MEMS gồm các thầy giáo và các sinh viên và quan tâm nghiên cứu về công nghệ này. Thông qua quá trình tìm hiểu nghiên cứu đã có một số kết qu ả bước đầu. có rất nhiều đề tài nghiên cứu ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 5 [...]... nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính khoa học có giá trị Những nghiên cứu này mục đích là áp dụng các linh kiện MEMS vào lĩnh vực công nghệ điện tử và viễn thông ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 6 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN GIA TỐC KIỂU TỤ THEO CÔNG NGHỆ MEMS Cảm biến gia tốc là một thiết bị có thể cảm nhận sự thay đổi của gia tốc và đo được sự thay. .. thể sử dụng cảm biến để đo cả gia tốc tĩnh (gia tốc trọng trường khoảng ±2g) và gia tốc động (như độ rung, độ nghiêng) Đối với gia tốc tĩnh thì nó chính là hình chiếu trên phương gia tốc trọng trường ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 9 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 3.4:Véc tơ gia tốc trên phương véc tơ gia tốc trọng trường 3.2.2 Cấu trúc của cảm biến gia tốc ADXL202: Hình 2.3... cảm biến gia tốc ADXL202: Kích thước của cảm biến rất ADXL202 rất nhỏ: rất thuận lợi cho những thiết bị trỏ điều khiển gắn tay Hình 3.3:Hình ảnh cảm biến trên tay Cảm biến gia tốc góc 2 kênh cho lối ra với xung tỷ lệ với gia tốc Có hai loại lối ra: đó là lối ra tương tự và lối ra số - Lối ra tương tự (mức điện áp tương tự tỷ lệ gia tốc) - Lối ra số (độ rộng xung tỷ lệ với gia tốc) Ta có thể sử dụng cảm. .. thời gian của chu kỳ công suất lối ra.A(g)= 0 (g) gia tốc tạo ra 50% chu kỳ xung suất lối ra Chi phí thấp, tất cả là số, vi điều khiển có thể được sử dụng để đo gia tốc bởi sự định thời cả hai chu kỳ xung và khoảng thời gian trên mỗi trục Cấu hình chân của cảm biến ADXL202: Hình 3.6: Sơ đồ chân của cảm biến ADXL202 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 11 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính. .. nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 4.6: Chương trình soạn thảo trên Basic Stamp việc lập trình đòi hỏi phải có kiến thức về ngôn ngữ Basic Stamp, nó là ngôn ngữ không có cấu trúc Tuy đơn giản song chúng ta phải làm sao xây dựng được lưu đồ để giải quyết vấn đề của bài toán đề ra ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 24 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CẢM BIẾN... sử dụng để đo cả gia tốc tĩnh và gia tốc động ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 10 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Bề mặt của cảm biến là có cấu tạo từ nhiều lớp silíc, trên bề mặt có cấu tạo là những lò xo cung cấp điện trở để kìm hãm gia tốc Mọi sự chuyển động của những khối không cân xứng các tụ khác nhau kết quả là sẽ xuất hiện một xung vuông ở lối ra với biên độ tỷ lệ với gia. .. dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CẢM BIẾN KIỂU TỤ ADXL202 XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ CHUỘT MÁY TÍNH 5.1 Khái quát về chuột máy tính: Chuẩn PS/2 là chuẩn kết nối các thiết bị ngoại vi kết nối với máy tính Các thiết bị ngoại vi đó là chuột và bàn phím (mouse and keyboard) Để xem xét chuẩn này ta đi vào tìm hiểu nguyên lý của chuột hay bàn phím xem nguyên lý làm việc của nó, các truyền và nhận... 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 Trong khóa luận này sử dụng cảm biến gia tốc ADXL202 kiểu tụ chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử MEMS 3.1 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ:... trong máy tính có thể hiểu được mức vào của RS_232C lối ra chuột thường khoảng ±5V, thỉnh thoảng ±12V, chuột điện tử thường sử dụng mức thế là +5V Cài đặt phần cứng: Chuột nối tiếp PC sử dụng đường đặc trưng DTR và RTS để tạo ra nguồn +5V cho mạch vi điều khiển ở trong chuột vì đặc trưng của chuột cơ quang cũng cần nguồn ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 26 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy. .. tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Mạch Basic Stamp là vi điều khiển (máy tính thu nhỏ) dùng thiết kế để sử dụng trong những ứng dụng rộng dãi Nhiều dự án đòi hỏi gắn vào hệ thống xử lý thông minh có thể sử dụng Basic Stamp để điều khiển Mỗi Basic Stamp ở trên một chíp Basic, bộ nhớ trong (RAM và EEPROM) điều chỉnh hiệu điện thế nuôi là 5V Chúng ta xác định rõ phát triển PBASIC cho Basic