Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Tóm Tắt
Ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS ADXL202 đo góc nghiêng
roll và pitch của vật thể chuyển động
Application of MEMS-based acceleration sensor for roll – pitch angles
measurement of the airplane
Trong khoá luận này báo cáo việc sử dụng cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo
theo công nghệ MEMS - ADXL202 để đo từ xa các góc nghiêng ROLL PITCH
của máy bay.
Hệ đo gồm ba môđun:
Mô đun đo gồm có cảm biến ADXL202 và vi điều khiển Basic Stamp
Trạm giám sát mặt đất
Kênh thông tin vô tuyến

Kết quả phép đo được hiển thị trên màn hình máy tính tại trạm điều khiển
mặt đất như được nhìn từ khoang lái của phi công giúp cho giám sát viên có thể
nắm được tình hình bay.
Các kết quả khảo sát về độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo góc
roll và pitch trong các điều kiện khác nhau sẽ được báo cáo chi tiết.

l

Khoá luận Tốt Nghiệp

1


Trần Thu Hồng


Khoá luận Tốt Nghiệp

2


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

bản khoá luận gồm 6 chương, chia làm 2 phần nghiên cứu tổng quan về lý thuyết và
thực nghiệm

PHẦN I
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT

Khoá luận Tốt Nghiệp

3


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
1.1

MEMS là gì?



km


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Bởi vậy trong một hệ thống MEMS có thể có từ vài đến vài triệu các linh kiện
điện tử. MEMS đã tạo ra một cuộc cách mạng hoá trong hầu hết các sản phẩm bằng
cách kết hợp công nghệ vi điện tử, công nghệ bán dẫn với công nghệ vi cơ, bằng cách
đó tạo khả năng cho việc thực hiện một hệ thống hoàn toàn trên một chip (on chip).
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 cơ điện tử. Điểm đặc biệt và cơ bản của công nghệ MEMS đó
là tận dụng được đặc tính cơ học của vật liệu Silic để tạo ra những cấu trúc cơ học
chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử- điều này đã tạo ra những thế hệ sản
phẩm công nghệ mới. Hai công nghệ chế tạo MEMS cơ bản là công nghệ vi cơ khối và
công nghệ vi cơ bề mặt.

Hình 1.2. Một số sản phẩm MEMS tiêu biểu

1.2

Ứng dụng MEMS

Cũng như thế giới vi điện tử, MEMS đã và đang dần tự khẳng định vị trí, vai trò quan
trọng của mình bằng những sản phẩm có giá trị cao phục vụ đời sống, những thiết bị
tinh xảo, khả năng hoạt động chính xác và rất tiện ích. Một vài những sản phẩm vi cơ

tiện giao thông đặc biệt là ô tô và máy bay. Các cảm biến có thể được sử dụng một
cách hữu ích trong ngành công nghiệp ô tô, ví dụ những hệ thống giám sát tích cực,
điều khiển động cơ, điều khiển độ rung, và loại trừ nhiễu. Trong công nghiệp hàng
không vũ trụ, các cảm biến MEMS có thể được sử dụng để phát hiện sự mất ổn định,
tránh được chòng chành mất thăng bằng cũng như là để điều khiển động cơ.

Hệ thống phát hiện va chạm
Hệ thống điều khiển động cơ
Hệ thống thông tin dẫn đường

Hình 1.5. Các loại cảm biến MEMS được sử dụng trong ôtô thông minh

Sinh học và y tế

Khoá luận Tốt Nghiệp

6


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Trong lĩnh vực này MEMS đang ngày một thể hiện rõ rệt ưu thế của nó bằng
các sản phẩm nhỏ gọn, đáp ứng nhanh, có độ tin cậy cao và có thể được sử dụng để
truyền thông tin, điều khiển từ xa. Công đoạn đóng gói sản phẩm MEMS đóng một vai
trò quan trọng trong những ứng dụng về lĩnh vực này.
Công nghệ thông tin
Với các đầu đọc-ghi vi động cơ, các nhà nghiên cứu cho rằng sẽ tăng gấp 10
mật độ thông tin được lưu trữ trong những ổ đĩa vi cơ. Những hệ thống ổ- đĩa với dung


Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Những ứng dụng thành công của công nghệ vi cơ điện tử trong thực tế đã chứng
minh công nghệ MEMS thực sự là một công nghệ mới và có thế mạnh. MEMS là một
ngành công nghiệp tràn đầy hứa hẹn và còn một con đường dài phía trước cho những
nghiên cứu mới tiếp tục ra đời. Hiện tại chúng ta mới chỉ đang ở những giai đoạn đầu.
Thực tế là các sản phẩm MEMS được nghiên cứu ở các viện và các trường đại học là
rất lớn nhưng chỉ một phần nhỏ là đưa vào ứng dụng trong thực tiễn.Trong tương lai
tới các sản phẩm MEMS sẽ ngày càng phát triển hơn trong thực tế đặc biệt trong các
lĩnh vực y tế, viễn thông, quân đội v.v…
Người ta còn cho rằng công nghệ MEMS thậm chí sẽ tạo ra những tác động
mạnh mẽ trong thế kỷ 21 còn lớn hơn là máy vi tính làm được trong thế kỷ 20. Điều
duy nhất mà ngành công nghệ mới mẻ này còn thiếu đó là các tiêu chuẩn về chất lượng
để quản lý các sản phẩm ứng dụng.
Tại Việt Nam đi tiên phong trong lĩnh vực MEMS là nhóm vi cơ tại trung tâm
quốc tế đào tạo về khoa học vật liệu (ITIMS). Nhóm này đã tiếp cận và triển khai
nghiên cứu phát triển MEMS tại Việt Nam với sản phẩm đầu tiên là cẩm biến áp suất
vi cơ. Đây là một loại cảm biến sử dụng một màng mỏng Silic chế tạo bằng công nghệ
vi cơ làm màng nhạy tín hiệu. Một trong những sản phẩm thành công đó là cảm biển
áp suất trên cơ sở hiệu ứng áp trở (gọi là cảm biến áp suất điện trở). Hiện nay, một loại
cảm biến áp điện dung (là loại cảm biến áp suất trên cơ sở hiệu ứng áp điện dung)
đang được quan tâm và phát triển.
Ở trung tâm ITIMS có cơ sở vật chất, các thiết bị công cụ chế tạo và một phòng
sạch lớp 10.000 cho phép chế tạo ra một số sản phẩm MEMS đơn giản nhưng hiệu
quả.
Hiện nay tại Khoa Điện tử-Viễn thông -Đại học Công Nghệ -Đại học QGHN cũng đã
và đang triển khai nghiên cứu các đề tài ứng dụng các sản phẩm MEMS và đã bước đầu có
được một số kết quả khả quan. Tại đây có phòng thí nghiệm MEMS với mục đích là nghiên
cứu ứng dụng các linh kiện MEMS vào các hệ thống điện tử, viễn thông. Trong tương lai,

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 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.

Hình 2.2. Một số loại cảm biến gia tốc

Khoá luận Tốt Nghiệp

9


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

2.2. Ứng dụng của cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông
thường trước đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng dụng điển hình của cảm
biến gia tốc vi cơ.
• Cảm biến góc Roll –Pitch
• Định hướng 3D trong không gian
• Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp
phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm
•

Đo và điều khiển mức rung

• Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị
• Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người

C=

Trong đó:
g là khoảng cách giữa hai bản tụ điện
Khoá luận Tốt Nghiệp

10

Q
V


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

là độ dịch chuyển của hai bản tụ
C là điện dung của tụ điện
E là năng lượng hay điện trường giữa hai bản tụ
k là hằng số đàn hồi
FM là hệ số phẩm chất
2.3.2 Gia tốc
Gia tốc kế

Véctơ gia tốc

Trục cảm biến X
Ax = A cos(ϕ )
ϕ là góc lệch
theo trục x

ΣF = ma
Tcosθ - mg = 0
T = mg/cosθ
Tsinθ = ma
Ta có a = g tgθ

Hình 2.4 Dụng cụ đo gia tốc đơn giản

2.3.3. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc vi cơ kiểu tụ
Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS [1] có thể được mô tả nhờ
một sơ đồ trên hình vẽ 2.5 như một hệ gồm một khối lượng m và một lò xo.

Khoá luận Tốt Nghiệp

12


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Hình 2.5. Hệ khối lượng – lò xo được sử dụng để đo gia tốc
Khi hệ quy chiếu được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lò
xo. Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịch
chuyển.
Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo F
= kx, với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vị trí
cân bằng. Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này
cung cấp cho khối lượng m có một gia tốc a theo công thức F = ma. Tại vị trí cần
bằng ta có F = ma = kx.


Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Điện dung của tụ điện đơn là C =

k
, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính
x0

của môi trường nằm giữa hai bản tụ. Nếu biết k, điện dung của tụ điện C ta có thể tính
được x0. Cũng trong hình 3, nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển một khoảng
là x thì
CA =

k
k
, CB =
x + x0
x − x0

(1)

hay có thể viết lại là:
CA = C

x0
x0
, CB = C
x0 + x
x0 − x

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

PHẦN II
THỰC NGHIỆM
XÂY DỰNG HỆ ĐO GÓC ROLL PITCH CỦA
MÁYBAY

Khoá luận Tốt Nghiệp

15


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

CHƯƠNG 3 CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL 202
3.1. Đặc điểm
Hai loại cảm biến gia tốc được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay là
cảm biến kiểu tụ và kiểu áp trở.

Hình 3.1. Cảm biến gia tốc ADXL202

Cảm biến gia tốc được sử dụng trong đề tài này là một cảm biến gia tốc
hai chiều kiểu tụ cho phép xác định một cách độc lập các gia tốc theo các
phương trục toạ độ X và Y.
Cảm biến này có hai loại lối ra đó là lối ra số (độ rộng xung lối ra tỉ lệ
với gia tốc) và lối ra tương tự (mức điện áp tương tự lối ra tỉ lệ với gia tốc).
Cảm biến có thể được sử dụng để đo cả gia tốc tĩnh( ví dụ như gia tốc
trọng trường) ứng dụng làm sensor đo độ nghiêng và gia tốc động (ví dụ như

1

NC

No connect

2

VTP

Test point

3

ST

Self Test

4

COM

Common

5

T2

Nối với Rset để đặt T2


11

Yfilt

Lối ra tương tự kênh Y

12

Xfilt

Lối ra tương tự kênh X

13

V DD

+3V đến +5.25V

14

V DD

+3V đến +5.25V

3.2.2. Nguyên tắc hoạt động
Nguyên lý hoạt động của ADXL 202 được chỉ ra như ở hình 3.3.
ADXL202 là hệ thống đo gia tốc hai kênh được tích hợp hoàn toàn trên một
chip (on-chip).
Khoá luận Tốt Nghiệp


Tín hiệu tương tự được cho qua một
mạch lọc RC (mạch lọc thông dải) có
tác dụng nâng cao độ phân giải và giúp
chống nhiễu chồng phổ.
18

ω =

1
R set .C

filt


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

50Hz

0.1µF

100Hz

0.05µF

200Hz

0.27µF


Tín hiệu số lối ra được đếm bởi bộ đếm của vi điều khiển
3.3. Đặc tuyến của ADXL202 lấy tại lối ra số
Đo sự phụ thuộc giữa số xung thu được từ bộ đếm của vi điều khiển vào góc
nghiêng của cảm biến so với phương trọng trường, ta thu được một dạng tín hiệu điều
hoà hình sin như minh hoạ trong hình 3.4

Khoá luận Tốt Nghiệp

19


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc độ rộng xung và góc nghiêng
Việc đếm thời gian kéo dài xung từ lối ra số của cảm biến gia tốc MEMS được
thực hiện bởi vi điều khiển Basic Stamp[2].
Bằng thực nghiệm sử dụng một thiết bị chuẩn góc và phần mềm nhúng viết trên
chíp hiển thị số xung ta thực hiện khảo sát trong dải đo từ 1° đến 360° (xem phụ lục
1), ta thu được phương trình như trên.
Pt = A.Sin(α t + ϕ ) + Offset (*)

Trong đó:
Pt là số xung tại thời điểm t

α t là góc nghiêng tương ứng với xung Pt
A=

Pmax − Pmin

Hình 3.5. Hệ chuẩn góc Goniometer

Tiến hành chuẩn góc với một số cảm biến trong phòng thí nghiệm ta thu được
một số kết quả như ở hình vẽ dưới.
Nhận x ét:
Ứng với mỗi cảm biến ta có các thông số về Pmax Pmin khác nhau cho
nên các giá trị thông số của hàm sin cũng khác nhau.
Sự khác nhau này có thể được giải thích bởi lý do như sau: Mặc dù các
cảm biến này cùng loại tuy nhiên những giá trị về các linh kiện thụ động bên
ngoài không có độ chính xác 100%. Mỗi cảm biến có một giá trị offset khác
nhau và ta có thể điều chỉnh độ lệch offset này bằng phần mềm hoặc bằng
phần cứng
Tuy có sự khác nhau giữa các cảm biến nhưng độ lệch này là không lớn.
Đồ thị tín hiệu lối ra ở hai kênh X và Y lệch pha nhau 90°. Điều này là
dễ hiểu.

Khoá luận Tốt Nghiệp

21


Trần Thu Hồng

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Tín hiệu lối ra là một chu kỳ hình sin trong phạm vi góc từ 0° đến 360°

Hình 3.6 Kết quả khảo sát với trục Y của các cảm biến

Hình 3.7 Kết quả khảo sát với trục X của các cảm biến

Ứng dụng cảm biến gia tốc đo góc ROLL-PITCH

Basic Stamp có rất nhiều thế hệ. Loại Basic Stamp mà chúng ta sử dụng
ở đây là BS2Sx-Dip 24.

Hình 4.1. Vi điều khiển Basic Stamp
Hình 4.2 Một số loại vi điều khiển Basic
Stamp khác nhau

Basic Stamp là một hệ phát
triển bao gồm chíp x ử l ý
chính Microchip Pic 16C57c,
bộ nhớ ROM, RAM
Tốc độ thực hiện chương
trình là 10.000 l ệnh/s
Kích thước EEPROM là
16KByte
Số chân vào ra là 16 chân

Hình 4.3 Sơ đồ chân của Basic Stamp BS2Sx

Khoá luận Tốt Nghiệp

24

Có tệp lệnh và có hệ điều
hành xử lý chương trình


Trần Thu Hồng

4

VSS

Nối với chân GND của cổng truyền nối tiếp

5-20

P0-P15

Chân vào/ra mục đích chung được chia làm hai
nhóm mỗi nhóm 8 chân

21

VDD

Được nối với nguồn DC 5V

22

RES

Reset

23

VSS

Được nối với dây đất của nguồn