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

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
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…

tựu đạt được cho thấy, công nghệ MEMS không chỉ bó hẹp trong các loại cảm biến cơ,
mà có thể phát triển ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến nhiệt,
cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hoá, cảm biến sinh học. Không chỉ đơn thầ
n
trong lĩnh vực cảm biến mà trong các hệ chấp hành và trong các hệ điều khiển tự động.
Có thể nói rằng công nghệ MEMS là công nghệ của thiên niên kỷ mới, công nghệ của
tương lai.

Các sản phẩm của MEMS được ứng dụng rất rộng rãi đặc biệt trong điều khiển
tự động. Những sản phẩm được tích hợp rất nhỏ từ các thành phần cơ và điện, kích
thước từ vài µm (micro met) Æ vài mm (milimet). Do sự tích hợp cao như vậy nên
trên một hệ thống MEMS có thể có đến hàng triệu linh kiện điện tử. Bằng cách kết hợp
công nghệ
điện tử và công nghệ vi cơ có khả năng tích hợp hàng triệu linh kiệnh đó
trên một chíp. Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của
mạch tích hợp (IC). Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ
(micromachining) trên đế Silic hoặc thêm vào những lớp cấu trúc mới để hình thành
nên những thiết bị cơ và c
ơ điện tử.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - 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
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 đổi đó. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại
là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong các ứng dụng thì việc lựa chọn sử
dụng cảm biến nào tuỳ thuộc vào yêu cầu và
đặc điểm của ứng dụng đó. Cảm biến
kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhược điểm của
nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm
biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thu
ộc vào nhiệt độ, ít
bị nhiễu và mất mát năng lượng. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức

được x
0
. Cũng trong hình 3, nếu bản tụ nằm giữa C
A
và C
B
dịch chuyển một khoảng là
x thì
0
xx
k
C
A
+
=
,
0
xx
k
C
B
−
=
(1)
hay có thể viết lại là:
xx
x
CC
A
+

(3)
Với khoảng x dịch chuyển nhỏ, phương trình trên có thể rút gọn thành:
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
8
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính

0
2
x
x
CC ≈∆
(4)
Như vậy, nếu gắn khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụ điện nối
tiếp thì có thể xác định được độ dịch chuyển của nó dưới tác dụng của lực F, tức là xác
định được gia tốc thông qua việc xác định giá trị ∆C.
3.2. Cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ ADXL202:
ADXL202 là cảm biến gia tốc kiểu tụ ch
ế tạo theo công nghệ MEMS của hãng Analog
Devices.
3.2.1 Đặc tính của 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 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

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 tốc. Trên mỗi trục sẽ được dả
i điều biến chỉnh sửa tín hiệu và
xác định rõ hướng của gia tốc. Lối ra này cung cấp tới bộ điều biến chu kỳ xung
(DCM) đó là sự kết hợp chặt chẽ những tụ bên ngoài để đặt dải thông trên mỗi trục.
Tín hiệu tương tự đã được lọc và chuyển đổi tới chu kỳ xung lối ra bởi DCM. Sau khi
qua bộ DCM tín hiệu thu được sẽ là tín hiệu s
ố. Điện trở R
set
đặt độ rộng xung PWM
(T2). Còn tín hiệu tương tự thu được ở các kênh X
filt
và Y
filt
thông qua các tụ lọc C
x
và
C
y
. Một điện trở ngoài đặt khoảng 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

V

+3V đến +5.25V
Dạng xung lối ra số của cảm biến ADXL202: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
12
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính

Lối ra số của ADXL202 là bộ điều biến chu kỳ công suất. Gia tốc tỷ lệ với tỷ số
T1/T2. Định mức lối ra của ADXL202 là:
0 g = 50% chu kỳ công suất
Scale factor là 12.5% chu kỳ công suất thay đổi trên g
Chọn dải thông sử dụng C
X
và C
Y
:
ADXL202 cung cấp giới hạn dải cho các chân X
filt
và Y
filt
. Các tụ phải thêm tại những
chân để thực hiện bộ lọc thông thấp tránh hiện tượng chồng phổ và giảm nhiễu. Công
thức tính 3 db dải thông:
F
-3 db
=
)).(*)32(2(

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
13
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính

200Hz 0.027µF
500Hz 0.01µF
5kHz 0.001µF
Chu kỳ lối ra của DCM được đặt cho cả hai kênh bởi một điện trở đơn từ R
SET
tới đất.
công thức tính toán chu kỳ: T2 =
Ω
Ω
M
Rset

125
)(
Giá trị điện trở cho T2:
T2 R
SET
1ms
125kΩ
2ms
250kΩ
5ms
625kΩ
10ms
1.25MΩ
Tính gia tốc lối ra: theo sự nghiên cứu và thực nghiệm thì gia tốc của cảm biến

d
ải thông bộ lọc tín hiệu tương tự tại X
filt
và Y
filt
và tốc độ của bộ đếm vi điều khiển.
Lối ra của tương tự của ADXL202 có đặc trưng dải thông khoảng 5kHz, cao
hơn nhiều so với trạng thái của chu kỳ công suất có khả năng chuyển đổi. Người sử
dụng phải lọc tín hiệu tại những thời điểm để giới hạn hiện tượng chồng phổ. Để làm
giảm t
ối thiểu lỗi DCM dải thông tín hiệu tương tự cần nhỏ hơn 1/10 tần số DCM.
Dải thông của tín hiệu tương tự có thể giảm hơn nữa để làm giảm nhiễu và cải
thiện độ phân giải. Nhiễu của ADXL202 có thể xác định thông qua công thức sau:
Noise(rms) = (500 µg/
z
)*( ).
5.1*
BW
Tại 100Hz giá trị của nhiễu sẽ là:
) =6.12 mg
Noise(rms) = (500 µg/Hz)*(
)5.1(*100
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
15