Thiết kế mạch đo độ nghiêng

Thiết kế mạch đo độ nghiêng

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: Thiết kế mạch đo độ nghiêng GVHD: TS Đặng Thành Tín Nhóm thực hiện: Nguyễn Đình Minh Nhật 1512292 VP-VT K15 Nguyễn Thành Minh Nhật 1512297 VP-VT K15 Hồ Chí Minh 12/2018 MỤC LỤC PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG I Các phương pháp dẫn đường ưu, nhược điểm II Sơ đồ hệ thống phương pháp dẫn đường quán tính Cấu trúc Gimbaled 10 Cấu trúc Strapdown 10 PHẦN II: THIẾT KẾ BỘ ĐO GIA TỐC 12 I.Phương pháp đo .12 Các phương pháp đo gia tốc .12 2.Cảm biến gia tốc vi điện tử 13 3.Tổng quan ADXL345 15 II.Thiết kế mạch cứng: .20 Mục tiêu 20 Linh kiện 20 Sơ đồ khối 20 4.Sơ đồ nguyên lý 21 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, việc thiết kế thiết bị đo có vai trò vơ quan trọng ngành khoa học kỹ thuật nói chung, ngành cơng nghiệp đo lường nói riêng Các thiết bị đo giúp thơng số hoạt động thực tế máy móc, thiết bị, q trình,… để phục vụ tốt cho việc khảo sát, nghiên cứu, đánh giá từ đưa phương án thiết kế nâng cao hiệu sản xuất, chất lượng sản phẩm Vì yêu cầu đặt hàng đầu thiết bị đo xác hiệu Có thể nói ngành kỹ thuật đo lường, việc đo đại lượng chuyển động có gia tốc cần thiết Nhờ ta xác định đại lượng liên quan, phục vụ cho việc nghiên cứu, tính tốn, khảo sát thiết bị, ứng dụng lĩnh vực sống Trong thực tế có nhiều thiết bị đo gia tốc chế tạo với nhiều nguyên lý đo khác bán thị trường, nhiên giá chúng thường đắt, việc mua loại máy đo gia tốc trang bị cho ứng dụng nhỏ lẻ khó đối tượng nghiên cứu học tập sinh viên Đề tài thiết kế thiết bị đo gia tốc với chí phí phù hợp, phục vụ tốt cho thiết bị ứng dụng nhỏ khả thi Chính vậy, nhóm chúng em hướng dẫn thầy Đặng Thành Tín nghiên cứu thực đề tài: “Thiết kế mạch đo độ nghiêng” Theo định hướng, thiết kế có ứng dụng thước đo độ nghiêng xấy dựng, công nghiệp Do hạn chế thời gian, kinh phí, phối hợp chưa ăn ý thành viên nên đề tài nhóm em khơng tránh khỏi thiếu sót, hạn chế mong thầy phê bình góp ý giúp đề tài nhóm hồn thiện Xin chân thành cảm ơn thầy ! PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG I Các phương pháp dẫn đường ưu, nhược điểm Các công nghệ dẫn đường, dẫn hướng nay: Pilotage: Dẫn đường dùng mục tiêu Dead reckoning: Dẫn đường dự đoán Celestial navigation: dẫn đường thiên văn Radio navigation: Dẫn đường vô tuyến Inertial navigation: Dẫn đường quán tính Kết hợp Dẫn đường mục tiêu:là phương pháp dẫn đường xác định vị trí phương tiện giao thơng mục tiêu nhìn thấy đỉnh núi, hải đăng, chập tiêu Đây phương pháp cổ xưa đơn giản Phương pháp có ưu điểm đơn giản, dễ tiến hành phụ thuộc khoảng cách không linh hoạt Dẫn đường dự tính:là phương pháp dựa vào vị trí xuất phát ban đầu, hướng, tốc độ di chuyển, thời gian để dự tính vị trí phương tiện Độ xác cao khơng chịu ảnh hưởng ngoại cảnh gió sóng Dẫn đường thiên văn: dựa vào việc quan sát thiên thể biết bầu trời mặt trăng , mặt trời, Dùng sextant để đo độ cao góc thiên thể, đồng hồ thời kế đo thời gian, lịch thiên văn để tính tốn vị trí tàu Nhược điểm: phụ thuộc vào yếu tố thời tiết, mưa bão khó quan sát Dẫn đường vô tuyến điện:dùng thiết bị phát sóng vơ tuyến điện từ trạm phát cố định có vị trí biết Máy thu tính tốn thời gian, phương vị, khoảng cách đến trạm phát từ cho vị trí máy thu Phương pháp dùng nhiều hàng hải Phương pháp xảy sai số vật cản yếu tố địa hình Vd: GPS/GNSS * Ưu điểm: độ xác cao, hoạt động ổn định theo thời gian * Nhược điểm: + Có độ trễ truyền sóng + GPS cơng nghệ quốc phòng Mỹ phát triển nên dễ bị phụ thuộc, ln có sai số nhân tạo sử dụng cho mục đích dân + Tín hiệu khơng đủ mạnh để thâm nhập vào tòa nhà kiên cố, hầm ngầm, hay nước + Cần tới vệ tinh để đưa vị trí xác vật thể + Ngồi sai số SA sai số: Ephemeris, sai số đồng hồ vệ tinh, trể tầng điện ly, tầng đối lưu, nhiễu đa đường Dẫn hướng quán tính: (INS) Phương pháp dẫn đường quán tính dựa vào vị trí, vận tốc động thái ban đầu biết phương tiện Từ đo tốc độ gia tốc vật thể tích phân để tìm vị trí phương tiện INS = IMU + Navigation computer IMU: đơn vị đo qn tính Nó bao gồm Acc (gia tốc kế) Gyros (con quay) Navigation computer: máy tính đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ, tính tốn gia tốc trọng trường thực thuật tốn tích phân  Ưu điểm: - Hoạt động tự trị, động khơng phụ thuộc vào thiết bị bên ngồi - Tần số cập nhật cao - Các sai số có đặc tín thay đổi chậm, chịu ảnh hưởng bên ngồi - Có khả đo góc định hướng  Nhược điểm: sai lệch nhiều yếu tố - Sai số cảm biến, cách đặt cảm biến lệch góc - Độ lệch offset cảm biến gia tốc: giá trị lệch thay đổi sau lần bật tắt - Hượng tượng lệch trôi cảm biến vận tốc góc: vật thể khơng chuyển động có vận tốc góc khơng đổi tác động nhiệt độ - Nhiễu đo lưNhược điểm: thiết bị đo phức tạp tốn kém, đặc biệt khối lượng lớn, khó hiệu chỉnh thử nghiệm cục Cấu trúc Strapdown - Cấu tạo hoạt động: gồm gia tốc kế quay đo tốc độ góc gắn cố định với trục phương tiện chuyển động Các trục cảm biến gia tốc tốc độ góc khơng ổn định không gian mà thay đổi theo hướng chuyển động phương tiện Các quay xác định tốc độ góc quay hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ dẫn đường Việc phân tích tọa độ góc cho phép tính cosin định hướng xác định vị trí tương đối tọa độ vừa nêu tính chuyển gia tốc đo sang gia tốc dùng hệ tọa độ dẫn đường Sau phân tích ta nhận tốc độ tọa độ phương tiện - Ưu điểm: cấu trúc đơn giản giá thành thấp, độ xác chấp nhận được, việc tính tốn số liệu thực tự động máy tính - Nhược điểm: gắn trực tiếp với phương tiện chuyển động nên số liệu có sai số lớn cấu trúc gimbaled 10 Đây mơ hình hệ thống dẫn đường qn tính strapdown 11 PHẦN II: THIẾT KẾ BỘ ĐO GIA TỐC I.Phương pháp đo Các phương pháp đo gia tốc Gia tốc thay đổi vận tốc theo thời gian, vận tốc thay đổi dịch chuyển theo thời gian Có số phương pháp đo gia tốc sau:  Phương pháp 1: Gia tốc thường tính thơng qua lực tác dụng gây gia tốc lực liên hệ với gia tốc theo cơng thức F=ma, đó: F lực gây gia tốc (N) m khối lượng vật thể (kg) a gia tốc cần đo (m/ 𝑠 ) Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định gia trị lực tác dụng lên khối vật thể biết trước  Phương pháp 2: Một cách tiếp cận khác để tính tốn gia tốc gia tốc đạo hàm vận tốc theo thời gian Vận tốc lại đạo hàm độ dịch chuyển theo thời gian - Gia tốc: - Vận tốc: - Độ dịch chuyển: 12  Phương pháp 3: Gia tốc xác định cách dễ dàng nhờ dụng cụ đơn giản sau: Theo định luật II Newton: ∑ F=ma, T.cosθ - mg = 0, T=mg/cosθ, Tsinθ=ma Vậy a= gtanθ  Phương pháp 4: Dùng vi cảm biến gia tốc vi điện tử thuộc công nghệ MEMS Ưu điểm phương pháp ổn định, nhạy , độ xác cao, cơng suất hoạt động thấp bị nhiễu Trong đề tài nhóm em sử dụng phương pháp để xác định gia tốc 2.Cảm biến gia tốc vi điện tử Cảm biến gia tốc thiết bị để đo gia tốc Cảm biến vi loại cảm biến chế tạo theo công nghệ vi Nó sản phẩm phong phú đa dạng công nghệ MEMS Hiện có loại cảm biến gia tốc phổ biến dựa kỹ thuật đo mà chúng sử dụng: 13  Cảm biến gia tốc áp điện (Piezoelectric – PE): loại cảm biến sử dụng phổ biến ứng dụng đo kiểm Những cảm biến loại cho phép đo tần số rộng (từ vài Hz đến 30 kHz) có nhiều chủng loại xếp theo độ nhạy, trọng lượng, hình dáng kích cỡ Cảm biến áp điện có đầu điện tĩnh hay điện  Cảm biến gia tốc áp trở (Piezoresistive – PR): loại cảm biến có độ nhạy thấp, phụ thuộc nhiều vào thay đổi nhiệt độ có ưu điểm công nghệ chế tạo đơn giản Cảm biến gi tốc áp trở thường có băng thơng rộng (từ vài Hz đến 130 kHz) đáp ứng tần số xuống tới 0Hz hay trạng thái ổn định chúng đo đáp ứng q độ kéo dài  Biến dung ( Variable capacitance – VC): hay gọi cảm biến gia tốc kiểu tụ, loại cảm biến “đáp ứng chiều”, chúng có độ nhạy cao, băng thơng hẹp (từ 15Hz đến 3000 Hz) độ ổn nhiệt tuyệt hảo Những cảm biến thích việc đo rung động tần số thấp, chuyển động gia tốc trạng thái ổn định Tuy nhiên nhược điểm mạch điện tử phức tạp Cảm biến loại ứng dụng rộng rãi  Ứng dụng: 14 INT2 Ngắt 10 NC Không kết nối nội 11 RESERVED Phải kết nối với Vs bỏ 12 SDO dùng cho giao tiếp SPI 13 SDA Trao đổi lieu I2C 14 SCL Chân tạo xung clock I2C 3.2 Đặc điểm, chức - Là cảm biến vi bề mặt loại điện dung Dưới tác dụng gia tốc, khoảng cách vách ngăn thay đổi => giá trị điện dung thay đổi Giá trị điện áp ngõ tỉ lệ với gia tốc đo C= 𝐴ε 𝐷 A: Diện tích miếng ngăn ε: số điện môi D: khoảng cách - Điện tiêu thụ thấp: dòng tiêu thụ 23𝜇𝐴 chế độ đo 0.1𝜇𝐴 chế độ chờ (khi Vs= 2.5V) - Tiêu thụ điện tự động lựa chọn băng thơng cố định độ phân giải 10bit - Đầy đủ độ phân giải, giám sát thiết bị hoạt động hay không hoạt động 17 - Phát rơi tự - Cung cấp điện áp – 3.6V điện áp 1.7V- Vs - Lựa chọn băng thông dải đo thông qua lệnh nối tiếp - Nhiệt độ hoạt động từ -40℃ → +85℃ - Kích thước nhỏ 3mm/ 5mm/ 1mm - Là hệ thống đo gia tốc trục hoàn chỉnh với dải đo: ±2𝑔, ±4𝑔, ±8𝑔 ℎ𝑜ặ𝑐 ± 16𝑔 - Tiết kiệm lượng với khả tự điều chỉnh lượng tiêu thụ điện phù hợp với tốc độ liệu đầu cảm biến, chế độ ngủ tự động thời gian cảm biến không hoạt động chế độ chờ với điện tiêu thụ 0.1uA - Giá trị đầu hình chiếu gia tốc trọng trường g lên trục Từ tính góc nghiêng Hay tích phân tính vận tốc tích phân lớp để xác định vị trí vật * Phương pháp calibrate cho cảm biến: Điểm offset cảu cảm biến bị trôi ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ, lão hóa, mơi trường ĐIều ảnh hưởng tới đến xác định góc nghiêng Do phương pháp tức tìm giá trị hiệu chỉnh để tính tốn giá trị đo xác Đó giá trị zero g độ nhạy S - Có nhiều phương pháp calibrate ta khơng sâu vào phần 18 3.3 Phương thức giao tiếp Cảm biến gia tốc ADXL345 có phương thức giao tiếp kỹ thuật số I2C SPI Trong phương thức ADXL345 đóng vai trò slave Đối với chế độ I2C chân CS thiết lập điện áp mức cao chế độ SPI chân CS điều khiển MCU bên ngồi Trong chế độ liệu truyền từ cảm biến đến thiết bị chủ nên bỏ qua q trình ghi lên ADXL345 3.4 Ngắt Cảm biến ADXL345 cung cấp ngắt ngoài: INT0 INT1 Cả ngắt đ 3.5 Ứng dụng - Thiết bị di động điện thoại, máy tính bảng, la bàn,… - Thiết bị dùng y tế - Thiết bị điều hướng cá nhân - Ổ đĩa cứng HDD bảo vệ cứng - Dùng phương tiện giao thông :oto, xe máy, máy bay 19 II.Thiết kế mạch cứng: Mục tiêu: Thiết kế đo gia tốc cảm biến gia tốc ADXL345 qua vi xử lí PIC hiển thị kết lên LCD giao tiếp với máy tính qua chuẩn rs232 Linh kiện: - Vi xử lý chọn PIC16F877A: + Phổ biến Việt Nam, giá thành không đắt + Có đầy đủ tính cần thiết + Có nhớ flash nạp xóa chương trình nhiều lần + Tích hợp sẵn ADC - LCD 16x2 - MAX232 - Cảm biến gia tốc: ADXL345 - Các loại linh kiên cần thiết: tụ điện, điện trở,… Sơ đồ khối Chọn cảm biến ADLX345 tích hợp sẵn module hình đây: 20 4.Sơ đồ nguyên lý 4.1.Khối tạo xung, reset Khối tạo xung hay mạch dao động sử dụng để cung cấp xung đồng hồ cho vi điều khiển Xung đồng hồ cần thiết để vi điều khiển thực thi chương trình lập trình bên Trong mạch ta sử dụng mạch dao dộng thạch anh, mạch dao động phổ biến cho VĐK PIC PIC16F877A hoạt động chế độ dao động khác Ở chế độ LP, XT, HS dùng thạch anh (20MHz) nối vào chân OSC1(chân 13) OSC2(chân 14) để thiết lập dao động Việc lắp thêm tụ lọc giúp tăng tính ổn định dao động nhiên giá trị tụ không lớn hay nhỏ để dao động ổn định thời gian khởi động ngắn Điện Vdd>4.5V nên ta dùng tụ có trị số 33pF Ưu điểm mạch dao động thạch anh tần số dao động xác với giá trị cao 21 Ngõ vào RESET PIC chân số 1(RST) vi điều khiển PIC Khi đưa RST xuống thấp, ghi bên vi điều khiển tải giá trị thích hợp để khởi động lại hệ thống 4.2.Khối nguồn PIC16F877A vận hành với nguồn đơn 5V Chân nguồn dương VDD nối vào chân số 11 32 Chân mass GND nối vào chân số 12 31 22 PIC Cả bốn chân nối nguồn PIC hoạt động Ngoài ta cần cấp nguồn 5V cho LCD hoạt động Khối nguồn sử dụng phương thức cấp nguồn mà ta lựa chọn cho phù hợp: - Sử dụng mạch nguồn LM7805 để cung cấp điện áp 5V, biến đổi từ nguồn chiều (7-9V) bên - Lấy nguồn 5V trực tiếp từ chân USB laptop, sử dụng tụ 10uF để san phẳng lọc nhiễu 4.3.Khối VĐK PIC16F877A PIC vi điều khiển với kiến trúc RISC, sử dụng microcode đơn giản đặt ROM Chạy lệnh chu kỳ máy( chu kỳ dao động PIC nhờ có EEPROM nên tạo thành điều khiển vào khả trình, có nhiều dòng PIC với hàng loạt module ngoại vi tích hợp sẵn( USART, PWM, ADC,…) với nhớ chương trình 512 Word đến 32K Word PIC16F877A dòng PIC phổ biến nhất, đủ mạnh tính năng, nhớ đủ lớn cho hầu hết ứng dụng thông thường PIC16F877A dòng vi điều khiển 40 chân, 8K Flash ROM, 368 byte RAM, Port I/O, định thời 8bit , định thời 16 bit, 15 nguồn ngắt, 35 tập lệnh có độ dài 14 bit, tần số hoạt động tối đa 20MHz,… 23 Khối VXL lấy tín hiệu vào từ module cảm biến ADXL345, xử lí tính tốn hiển thị kết gia tốc thơng qua giao tiếp với LCD truyền thơng với máy tính qua chuẩn RS232 4.4.Khối hiển thị LCD 16x2 * Các chân điều khiển: - Chân EN: cho phép LCD hoạt động kết thúc lệnh Muốn ghi liệu vào LCD phải đảm bảo EN=0 - Chân RS: chọn tín hiệu liệu lệnh - Chân R/W: lựa chọn đọc ghi LCD Nếu R/W=0 liệu ghi từ điều khiển vào LCD nều liệu lọc từ LCD * Trong mạch ta sử dụng phương thức giao tiếp bit, theo chân D0-D3 khơng sử dụng có chân D4-D7 kết nối với VĐK Với phương thức lệnh liệu bit ghi đọc cách chia thành phần, gọi Nibbles, Nibbles gồm bit giao tiếp thông qua chân D4-D7 Phương pháp làm tối thiểu số line dùng cho giao tiếp LCD 4.5.Khối kết nối với máy tính qua chuẩn RS232 Chuẩn giao tiếp RS232 chuẩn giao tiếp truyền thông máy tính với thiết bị ngoại vi (modem, máy vẽ, mouse, máy tính khác, VĐK,…) Truyền 24 liệu qua RS232 tiến hành theo cách nối tiếp: bit liệu gửi nối tiếp đường truyền dẫn Ta sử dụng MAX232 để giao tiếp PIC với máy tính thơng qua cổng COM Phần mềm giả lập cổng COM máy tính Teminal  Vi mạch giao tiếp MAX232: vi mạch chuyên dùng giao tiếp RS232 thiết bị ngoại vi Đây IC chạy ổn định sử dụng phổ biến Vi mạch có nhiệm vụ chuyển đổi mức logic TTL lối vào thành mức +10V -10V phía truyền mức +3…+15V -15V…-3V thành mức TTL phía nhận Max232 có đệm nhận Khi giao tiếp, VĐK DTE nên nối RxD máy tính với TxD VĐK ngược lại Khối kết nối máy tính qua chuẩn rs232 Kết hiển thị máy tính qua cổng COM sau: 25 PHẦN III KẾT LUẬN Những kết đạt được: - Tìm hiểu chung phương pháp dẫn hướng qn tính (INS), hiểu ưu nhươc điểm ứng dụng thực tế 26 - Thiết kế hoàn thiện mạch đo gia tốc hiển thị kết trực tiếp lên LCD PC - Hiểu sử dụng cảm biến gia tốc trục ADXL345, chuẩn giao tiếp I2C - Nẵm vững kiến thức họ vi điều khiển PIC, môi trường lập trình cho - Hồn thiện thêm kỹ thiết kế mạch phần cứng phần mềm - Có phối hợp hoạt động thành viên, đạt kết cuối Những hạn chế thiếu sót: - Vẫn có sai số phương pháp đo sai số thiết bị linh kiện thuật tốn tính tốn - Chưa hiểu rõ ràng chuẩn giao tiếp I2C, lập trình truyền thơng với máy tính - Thiết kế mạch chưa gọn gàng hợp lý Hướng phát triển: 27 ... nay, việc thiết kế thiết bị đo có vai trò vơ quan trọng ngành khoa học kỹ thuật nói chung, ngành cơng nghiệp đo lường nói riêng Các thiết bị đo giúp thơng số hoạt động thực tế máy móc, thiết bị,... thiết kế thiết bị đo gia tốc với chí phí phù hợp, phục vụ tốt cho thiết bị ứng dụng nhỏ khả thi Chính vậy, nhóm chúng em hướng dẫn thầy Đặng Thành Tín nghiên cứu thực đề tài: Thiết kế mạch đo. .. phương án thiết kế nâng cao hiệu sản xuất, chất lượng sản phẩm Vì yêu cầu đặt hàng đầu thiết bị đo xác hiệu Có thể nói ngành kỹ thuật đo lường, việc đo đại lượng chuyển động có gia tốc cần thiết