1
___________________________________________
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN NGỌC HÙNG
NGUYỄN VĂN HẠNH
KHÓA: 16
HỆ ĐÀO TẠO: LIÊN THÔNG VĂN BẰNG 2
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGHÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
XÂY DỰNG MODUL ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH (IMU)
SỬ DỤNG CẢM BIẾN MMA7361, L3G4200D và ATMEGA8
Hà Nội Ngày… Tháng…Năm 2014
2
___________________________________________
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN NGỌC HÙNG
NGUYỄN VĂN HẠNH
KHÓA: 16
HỆ ĐÀO TẠO: LIÊN THÔNG VĂN BẰNG 2
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGHÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
MÃ SỐ:
XÂY DỰNG MODUL ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH (IMU)
SỬ DỤNG CẢM BIẾN MMA7361, L3G4200D và ATMEGA8
Hà Nội Ngày… Tháng…Năm 2014
3
___________________________________________
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
5
___________________________________________
Chương 5. Mô hình thực tế và chương trình………………………………………… 68
5.1 Chương trình ……………………………………………………………….68
5.2 Hình ảnh và Mô Hình …………………………………………………… 72
Kết Luận
6
___________________________________________
LỜI MỞ ĐẦU
Trong xu thế phát triển khoa học công nghệ hiện nay các cảm biến gia tốc được chế
tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và vi hệ thống đã và đang thâm nhập một cách mạnh
mẽ trong hầu hết các lĩnh vực như y sinh , công nghiệp ôtô , điện tử dân dụng, khoa học
không gian,… Hiện nay, về cơ bản có ba loại cảm biến gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu
tụ , áp điện và áp điện trở. Nhìn chung cả ba loại cảm biến này đều có các ưu và nhược
điểm riêng nhưng cảm biến gia tốc kiểu áp trở là thông dụng nhất bởi các ưu Đđiểm vượt
trội như độ nhạy cao, giá thành rẻ, xử lý tín hiệu đơn giản .
Việc thiết kế, chế tạo và hai áp dụng tiêu biểu của cảm biến gia tốc áp điện trở (đo
gia tốc tĩnh và động). Cảm biến được thiết kế và mô phỏng theo phương pháp phần tử hữu
hạn mà ở đây là phần mềm ANSYS. Khâu thiết kế và áp dụng được thực hiện tại Việt nam,
còn khâu chế tạo cảm biến được thực hiện tại Nhật Bản.
Để đáp ứng nhu cầu đó, cùng với vốn kiến thức được học trong nhà trường em đã
được giao đề tài thiết kế tốt nghiệp: “Xây dựng modul đo lường quán tính (IMU) sử
dụng cảm biến MMA7361, L3G4200D và ATmega8”XÂY DỰNG MODUL ĐO
LƯỜNG QUÁN TÍNH (IMU) SỬ DỤNG CẢM BIẾN MMA7361, L3G4200D và
ATMEGA8”.
7
___________________________________________
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MEMS
Vào thế kỷ 20XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng
phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có tính chất thích hợp, thí
dụ có chi tiết cần đàn hồi như lò xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm
dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện. May mắn là trên cơ sở
silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, thí dụ oxyt silic
(SiO2) cách điện, silic đa tinh thể (poly - Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa
cứng vừa đàn hồi. Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo
những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn
hồi v.v…lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm
gương, chỗ kia có lá kim loại đàn hồi dùng làm lò so v.v…
Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở
Công nghệ MEMS như sau
► Gia công vi cơ khối
Gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình
thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý
để ăn mòn (tẩm thực) tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v như
được minh hoạ trên hình 1.2.
9
___________________________________________
Hình 1.2. Minh hoạ cảm biến áp suất vi cơ khối
Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:
Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.
Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵn
nhờ các mặt nạ (mask). Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các
dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO
3
, CH
3
COOH, hoặc KOH.
Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị
hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm).
Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt,
điều khiển trực tiếp. Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồng
loạt được. Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng để
làm khuôn. Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường
là chất dẻo, polymer.
► Liga
LIGA là từ ghép các chữ đầu của Lithgraphie Galvanofruning und
Abformung, tiếng Đức nghĩa là khắc hình, mạ điện và làm khuôn. Đây là kỹ thuật
tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở các cách khắc hình
bình thường.
Ở LIGA người ta dùng chùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất
cảm đến hàng milimet. Chất cảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là
PMMA. Thông qua những chỗ bị khoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm
theo những diện tích nhất định, làm biến chất chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị
hoà tan. Vì trong kỹ thuật LIGA người ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X
mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn
micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dung dịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi
có thể rất sâu, hình khắc thực sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở
quang khắc thông thường.
12
___________________________________________
1.2 Ứng dụng của các cảm biến MEMS
Tuy rằng MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng góp
phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội.
Ứng dụng
Các ứng dụng phổ cập nhất hiện nay của công nghệ MEMS trong các ngành
công nghiệp có thể tóm tắt như sau:
- Sensor áp suất: Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu và các chức năng đo đạc khác khác
trong ôtô, thiết bị đo huyết áp và các ứng dụng dân dụng khác.
Sensor gia tốc và gyroscope: Túi khí trong ôtô, thiết bị định hướng cho tên lửa
Nga )
Các cảm biến quán tính MEMS chưaa đạt độ chính xác của các cảm biến cơ học cổ
điển, nhưng có những ưu điểm hơn hẳn: Về kích thước biên dạng (vài milimét); công
suất tiêu thụ (dưới 1W); giá thành hạ (10ữ đến 20 lần). Chính nhờ những ưu điểm trên
mà các
cảm biến quán tính vi cơ điệnMEMS được ứng dụng rộng rãi trong cả các lĩnh vực của
dân sự, quân sự.
Trong số các ứng dụng ngày càng mở rộng của cảm biến quán tính vi cơ điệnMEMS có
thể kể đến các ứng dụng sau:
14
___________________________________________
- Công nghiệp ô tô. Hiện nay các ô tô hiện đại sử dụng 50-80 cảm biến khác
nhau cho hệ thống an toàn và dẫn đường.
- Các thiết bị dẫn đường và kỹ thuật quân sự. Nhờ thành tựu tạo ra các hệ thống
dẫn
đờng kiều không platform (các cảm biến không cần lắp trên một platform ổn
định,mà lắp trực tiếp lên đối tợng) với hiệu chỉnh bằng hệ thống định vị vệ
tinh,toàncầu(GPS)
cho phép ứng dụng các cảm biến vi cơ trong việc ổn định ăng ten vệ tinh, điều
khiển khí cụ bay tự động, cũng như các vũ khí trang bị hiện đại.
- Kỹ thuật robot. Dẫn đường các robot dịch chuyển, điều khiển tay máy công
nghiệp
là lĩnh vực có nhu cầu ứng dụng các cảm biến vi cơ gọn nhẹ, giá thành hạ.
Trong bài báo này đa ra tổng quan về các gia tốc kế và con quay chế tạo
bằng,công nghệ vi cơ, đặt ra những vấn đề trong thiết kế, chế tạo các cảm biến
quán tính,đặt ra xu hớng phát triển của các cảm biến này.
15
___________________________________________
CHƯƠNG 2:
PHẦN CỨNG CHO CẢM BIẾN
dòng AVR (chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515…….) có kích thước bộ nhớ vào loại
trung bình và mạnh hơn là dòng MEGA ( như AT mega 32, At mega 128……) với bộ
nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được
tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR). Tốc
độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản giữa các
dòng chính là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau. Đặt biệt năm 2008,.
ATMEL lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng
mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó. Có thề nói XmegaAVR là dòng
MCU 8 bit mạnh nhất hiện nay.
17
___________________________________________
Cấu trúc cơ bản của vi điều khiển AVR như sau
2.2 Cấu trúc bộ nhớ và cổng vào ra
2.2.1 Cấu trúc bộ nhớ
Bộ nhớ vi điều khiển AVR có cấu trúc Harvard là cấu trúc có đường Bus riêng
cho bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Bộ nhớ AVR được chia làm 2 phần chính:
Bộ chương trình (program memory) và bộ nhớ dữ liệu (Data memory)
• Bộ nhớ chương trình:
Bộ nhớ chương trình của AVR là bộ nhớ Flash có dung lượng 128K bytes. Bộ
18
___________________________________________
nhớ chương trình có độ rộng Bus là 16 bit. Những địa chỉ đầu tiên của bộ nhớ chương
trình được dùng trong bảng vecto ngắt. Đối với ATtmega 8 bộ nhớ chương trình có thể
chia làm 2 phần: phần boot loader (Boot loader program section) và phần ứng dụng
(Application program section). Phần boot loader chứa chương trình boot loader.
Chương trình boot loader là một phần mềm nhỏ nạp trong vi điều khiển và được chạy
lúc khởi động. Phần mềm này có thể tải vào trong vi điều khiển chương trình của người
sử dụng và sau đó thực thi chương trình này. Mỗi khi reset vi điều khiển CPU sẽ nhẩy
tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có
EEAR được kết hợp từ 2 thanh ghi 8 bit là EEARH và thanh ghi EEARL. Vì bộ nhớ
EEPROM của AtTmega8 có dung lượng 4Kbyte = 4069 byte = 212 byte nên ta chỉ cần
12 bit của thanh ghi EEAR, 4 bit từ 15-12 được dự trữ ta nên ghi 0 vào các bit dự trữ
này.
+ Thanh ghi EEDR
Đây là thanh ghi dữ liệu của EEPROM, là nơi chứa dữ liệu ta định ghi vào hay lấy ra từ
EEPROM.
+ Thanh ghi EECR
21
___________________________________________
Đây là thanh ghi điều khiển EEPROM, ta chỉ sử dụng 4 bit đầu của thanh ghi này, bốn
bit cuối là dự trữ, ta nên ghi 0 vào các bit dự trữ.
Tóm tắt bản đồ bộ nhớ bên trong ATatmega8
2.2.2 Cổng vào ra
a) Giới thiệu
Cổng vào ra là một trong số các phương tiện để vi điều khiển giao tiếp với các
thiết bị ngoại vi. AT mega8 có tất cả các cổng vào ra 8 bit là: PortA, PortB, PortC,
PortD. Các cổng vào ra của AVR là cổng vào hai chiều có thể định hướng, tức có thể
chọn hướng của cổng là hướng vào (input) hay hướng ra (output). Tất cả các cổng vào
ra của AVR đều có chức năng Đọc – Chỉnh sửa – Ghi (Read – Modify – Write) khi sử
22
___________________________________________
dụng chúng như là các cổng vào ra số thông thường. Điều này có nghĩa là khi ta thay
đổi hướng một chân nào đó thì nó không làm ảnh hướng tới hướng của các chân khác.
Tất cả các chân của các Port đều có điện trở kéo lên (pull-up) riêng, ta có thể cho phép
hay không cho phép điện trở kéo lên này hoạt động.
Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thiết kế các mạch điện tử logic.Nó có
một đầu được nối với nguồn điện áp dương (VCC – Vdd) và đầu còn lại được nối với
tín hiệu lối vào/ra của một mạch logic chức năng.
b) Cách hoạt động
Khi ta đọc PORTx tức ta đọc dữ liệu được chốt trong PORTx, còn khi đọc PINx thì giá
trị logic hiện thời ở chân của cổng tương ứng được đọc. Vì thế đối với thanh ghi PINx
ta có thể đọc mà không thể ghi
2.2.3 Bộ định thời của AT mega8 [1]
AT mega8 có 4 bộ định thời, bộ định thời 1 và 3 là bộ định thời 16 bit, bộ định
thời 0 và 2 là bộ định thời 8 bit. Sau đây là mô tả chi tiết của 4 bộ định thời.
24
___________________________________________
a) Bộ định thời 0
Hìn
h 2.7 Sơ đồ khối bộ định thời 0
Bộ định thời 0 là bộ định thời 8 bit, bộ định thời 0 liên quan tới 7 thanh ghi với nhiều
chế độ thực thi khác nhau.
Các định nghĩa
Các định nghĩa sau sẽ được sử dụng cho bộ định thời 0 và 2
BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 00h.
MAX: Bộ đếm đạt tới giá trị Max khi nó bằng FFh.
TOP: Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi
đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là FFh mà có thể là bất kỳ giá trị
nào được qui định trong thanh ghi OCRn (n=0,2), tuy theo chế độ thực thi.
Bộ định thời 0 có vài đặc điểm chính như: Bộ đếm đơn kênh, xóa bộ định thời khi có sự
kiện so sánh khớp (compare match) và tự nạp lại, có thể đếm từ bộ dgiao động 32 KHz
bên ngoài, chế độ PWM hiệu chỉnh pha…Các thanh ghi trong bộ định thời 0 bao gồm:
25
___________________________________________
Copyright: Tài liệu đại học ©