BÁO CÁO

THỰC TẬP KỸ THUẬT

Đề tài: Thiết kế mạch đo gia tốc bằng cảm biến gia tốc, kết quả hiển thị

LCD và máy tính ứng dụng trong hệ thống dẫn hướng quán tính (INS).

GVHD: TS. Bùi Đăng Thảnh

Nhóm thực hiện:

1. Lâm Viết Dũng 20101273 ĐKTĐH4 K55

2. Hoàng Danh Ngọc 20102706 ĐKTĐH2 K55

3. Đào Văn Quân 20102033 ĐKTĐH5 K55

4. Nguyễn Quang Trung 20102376 ĐKTĐH5 K55

Hà Nội 8/2013

1

MỤC LỤC

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG.................2

I. Các phương pháp dẫn đường và ưu, nhược điểm........................................2

II. Sơ đồ hệ thống của phương pháp dẫn đường quán tính............................5

1. Cấu trúc Gimbaled..................................................................................8

2. Cấu trúc Strapdown................................................................................8

PHẦN II: THIẾT KẾ BỘ ĐO GIA TỐC............................................................10

I.Phương pháp đo..............................................................................................10

1. Các phương pháp đo gia tốc.....................................................................10

2.Cảm biến gia tốc vi cơ điện tử...................................................................11

3.Tổng quan về ADXL345............................................................................13

II.Thiết kế mạch cứng:.....................................................................................16

1. Mục tiêu......................................................................................................16

2. Linh kiện.....................................................................................................16

3. Sơ đồ khối...................................................................................................16

4.Sơ đồ nguyên lý...........................................................................................18

2

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, việc thiết kế các thiết bị đo có vai trò vô cùng quan trọng trong các ngành khoa học kỹ thuật nói chung, ngành công nghiệp đo lường nói riêng. Các thiết bị đo có thể giúp các thông số hoạt động thực tế của máy móc, thiết bị, các quá trình,… để phục vụ tốt cho việc khảo sát, nghiên cứu, đánh giá từ đó đưa ra những phương án thiết kế nâng cao hiệu quả sản xuất, chất lượng sản phẩm. Vì vậy yêu cầu đặt ra hàng đầu của thiết bị đo là chính xác và hiệu quả.

Có thể nói trong ngành kỹ thuật đo lường, việc đo các đại lượng chuyển động trong đó có gia tốc là hết sức cần thiết. Nhờ đó ta có thể xác định các đại lượng liên quan, phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán, khảo sát các thiết bị, ứng dụng trong các lĩnh vực trong cuộc sống. Trong thực tế đã có nhiều thiết bị đo gia tốc được chế tạo với nhiều nguyên lý đo khác nhau được bán trên thị trường, tuy nhiên giá của chúng thường rất đắt, việc mua một loại máy đo gia tốc trang bị cho các ứng dụng nhỏ lẻ là rất khó đối với các đối tượng nghiên cứu học tập như sinh viên. Đề tài thiết kế một thiết bị đo gia tốc với chí phí phù hợp, phục vụ tốt cho các thiết bị ứng dụng nhỏ là rất khả thi. Chính vì vậy, nhóm thực tập kỹ thuật K55 chúng em dưới sự hướng dẫn của thầy Bùi Đăng Thảnh đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch đo gia tốc bằng cảm biến gia tốc, kết quả hiển thị LCD và máy tính ứng dụng trong hệ thống dẫn hướng quán tính (INS)”.

Theo định hướng của thầy, thiết kế này sẽ có ứng dụng là một phần nhỏ trong hệ thống dẫn hướng quán tính (INS).

Do hạn chế về thời gian, kinh phí, phối hợp chưa ăn ý giữa các thành viên nên đề tài của nhóm em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế mong thầy phê bình và góp ý giúp đề tài của nhóm hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn thầy !

3

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN ĐƯỜNG

I. Các phương pháp dẫn đường và ưu, nhược điểm.

Các công nghệ dẫn đường, dẫn hướng hiện 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 hợp1. Dẫn đường mục tiêu:là phương pháp dẫn đường và xác định vị trí phương

tiện giao thông bằng những mục tiêu nhìn thấy như đỉnh núi, hải đăng, chập tiêu... Đây là phương pháp cổ xưa đơn giản nhất.Phương pháp có ưu điểm là đơn giản, dễ tiến hành nhưng phụ thuộc khoảng cách và không linh hoạt.

2. 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 chính xác cao nếu không chịu ảnh hưởng của ngoại cảnh như gió sóng.

3. Dẫn đường thiên văn: dựa vào việc quan sát các thiên thể đã biết trên bầu trời như mặt trăng , mặt trời, vì sao. Dùng sextant để đo độ cao và góc giữa các thiên thể, đồng hồ thời kế đo thời gian, lịch thiên văn để tính toán vị trí tàu.Nhược điểm: phụ thuộc vào yếu tố thời tiết, như khi mưa bão khó quan sát.

4. Dẫn đường bằng vô tuyến điện:dùng các thiết bị phát sóng vô tuyến điện từ một hoặc một số trạm phát cố định có vị trí đã biết. Máy thu sẽ tính toán thời gian, phương vị, khoảng cách đến các trạm phát từ đó cho vị trí máy thu. Phương pháp này dùng nhiều trong hàng hải. Phương pháp này có thể xảy ra sai số do các vật cản hoặc yếu tố địa hình.Vd: GPS/GNSS.

* Ưu điểm: độ chính xác khá cao, hoạt động ổn định theo thời gian

4

* Nhược điểm:

+ Có độ trễ trong truyền sóng.

+ GPS là công nghệ do bộ quốc phòng Mỹ phát triển nên dễ bị phụ thuộc, luôn có sai số nhân tạo khi sử dụng cho mục đích dân sự.

+ Tín hiệu không đủ mạnh để thâm nhập vào các tòa nhà kiên cố, hầm ngầm, hay dưới nước.

+ Cần tới 4 vệ tinh để đưa ra vị trí chính xác của vật thể.

+ Ngoài sai số SA còn các sai số: Ephemeris, sai số ở đồng hồ vệ tinh, trể ở tầng điện ly, tầng đối lưu, nhiễu đa đường.

5. Dẫn hướng quán tính: (INS)

Phương pháp dẫn đường quán tính dựa vào vị trí, vận tốc và động thái ban đầu đã biết của phương tiện. Từ đó đo tốc độ gia tốc của vật thể rồi tích phân để tìm ra vị trí của phương tiện.

INS = IMU + Navigation computer

IMU: là đơn vị đo quán tính. Nó bao gồm Acc (gia tốc kế) và Gyros (con quay).

Navigation computer: máy tính đảm nhận nhiệm vụ chuyển đổi hệ tọa độ, tính toán gia tốc trọng trường và thực hiện thuật toán tích phân.

Ưu điểm: - Hoạt động tự trị, cơ động không phụ thuộc vào các thiết bị bên ngoài.- Tần số cập nhật cao- Các sai số có đặc tín thay đổi chậm, ít chịu ảnh hưởng bên ngoài.- Có khả năng đo các góc định hướng.

5

Nhược điểm: sai lệch do nhiều yếu tố- Sai số của cảm biến, cách đặt cảm biến lệch góc.- Độ lệch offset của cảm biến gia tốc: giá trị lệch sẽ thay đổi sau mỗi lần bật tắt.- Hượng tượng lệch và trôi của cảm biến vận tốc góc: vật thể không chuyển động nhưng vẫn có vận tốc góc không đổi do tác động của nhiệt độ.- Nhiễu đo lường.

6. Dẫn hướng tích hợp INS/GPSHệ thống dẫn đường quán tính INS có 2 ưu điểm nổi bật khi so sánh với các hệ thống dẫn đường khác là khả năng hoạt động tự trịvà độ chính xác cao trong những khoảng thời gian ngắn. Lỗi nghiêm trọng nhất của hệ thống INS là do các cảm biến quán tính gây ra. Chính vì thếtrong những ứng dụng thời gian dài thì hệthống INS thường sửdụng với các hệ thống hỗ trợ khác như hệ thống dẫn đường vô tuyến (Loran, Omega và Tacan), hệ thống dẫn đường vệ tinh (GPS, GLONASS và Transit), JTIDS, DME…Các hệ thống này hoạt động ổn định theo thời gian và vì thế cần tích hợp INS và các hệ thống hỗ trợ này. Sự kết hợp GPS và INS là lý tưởng nhất vì hai hệ thống này có khả năng bù trừ nhau hiệu quả. Trái tim của hệ thông tích hợp này là bộ lọc Kalman.

Cấu trúc GPS/INS vòng mở

6

Cấu trúc GPS/INS vòng kín

Vì độ chính xác và ổn định của nó mà xu hướng kết hợp INS/GPS đang là xu hướng của vấn đề định vị hiện nay.

II. Sơ đồ hệ thống của phương pháp dẫn đường quán tính

Hệ thống dẫn đường quán tính (INS) là hệ thống sử dụng các cảm biến vận tốc góc và cảm biến gia tốc để ước lượng vị trí, vận tốc, độ cao và vận tốc thay đổi độ cao của vật thể bay.

Sơ đồ hệ thống của phương pháp dẫn đường quán tính.

7

Góc hướng

Z

Góc trụcY

Góc nghiêng

XKhối tâm

0

Hình 1. Trục toạ độ của hệ thống dẫn đường quán tính

Các thành phần cơ bản của một hệ thống dẫn đường quán tính (INS – Inertial Navigation System):

INS = IMU + Navigation computer

Trong đó:

8

- IMU (còn gọi là IRU) = Acc + Gyros+ Acc : Accelerometer - gia tốc kế.+ Gyros : Gyroscope – con quay.

- Navigation computer: là máy tính hàng hải làm nhiệm vụ chuyển đổi các hệ tọa độ, tính toán gia tốc trọng trường và thực hiện các thuật toán tích phân

Đầu vào của hệ dẫn đường INS là bộ 3 cảm biến vận tốc góc vận tốc gọc nghiêng, góc chúi và góc hướng trong hệ tọa độ vật thể bay. Hệ cũng có thể thêm 3 cảm biến gia tốc cho phép xác định gia tốc theo 3 trục của hệ tọa độ vật thể bay này. Các giá trị cảm biến gia tốc được hiệu chỉnh với vẫn tốc quay của Trái Đất và gia tốc trọng trường nhằm xác định vị trí và vận tốc của vật thể.

Hiện nay có 2 cấu trúc dẫn đường quán tính tiêu biểu nhằm xác định góc Ơle từ các cảm biến vận tốc góc đó là: gắn chặt (gimbaled) và cấu trúc nổi (stapdown) hay còn gọi là có đế và không đế.

9

1. Cấu trúc Gimbaled.- Cấu tạo và hoạt động: gồm 3 cảm biến gia tốc (gia tốc kế) và 3 cảm biến góc

(con quay 3 bậc tự do) gắn trên đế ổn định. Đế này được treo trong khung các đăng 3 bậc tự do. Đế ổn định sẽ độc lập với chuyển động của phương tiện mang nó và 3 trục của đế ổn định luôn không đổi trong suốt quá trình chuyển động mà cụ thể là song song với hệ tọa độ dẫn đường. Con quay gắn trên đế sẽ đo sự sai lệch về góc của đế so với hệ tọa độ dẫn đường và đầu ra của nó sẽ tác động trở lại đế thông qua lực momen tác động lên trục các đăng để duy trì đế ổn định.

- Ưu điểm: độ chính xác rất cao do sử dụng do sử dụng các cảm biến chính xác và do không gắn không gắn trực tiếp vơi vật thể chuyển động nên nguồn tín hiệu đo có độ chính xác cao.

- Nhược điểm: thiết bị đo rất phức tạp và tốn kém, đặc biệt là khối lượng lớn, khó hiệu chỉnh và thử nghiệm cục bộ

2. Cấu trúc Strapdown.- Cấu tạo và hoạt động: gồm 3 gia tốc kế và 3 con quay đo tốc độ góc gắn cố

định với các trục của phương tiện chuyển động. Các trục của cảm biến gia tốc và tốc độ góc không ổn định trong không gian mà sẽ thay đổi theo hướng chuyển động của các phương tiện. Các con quay sẽ xác định tốc độ góc quay của hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ dẫn đường. Việc phân tích tiếp theo các tọa độ góc này cho phép tính ra các cosin định hướng xác định vị trí tương đối của các tọa độ vừa nêu và tính chuyển các gia tốc đo được sang các gia tốc dùng trong hệ tọa độ dẫn đường. Sau khi phân tích ta sẽ nhận được tốc độ và tọa độ của phương tiện.

- Ưu điểm: cấu trúc đơn giản giá thành thấp, độ chính xác có thể chấp nhận được, việc tính toán các số liệu được thực hiện tự động bằng máy tính.

- Nhược điểm: do gắn trực tiếp với phương tiện chuyển động nên các số liệu có sai số lớn hơn cấu trúc gimbaled.

10

Đây là mô hình hệ thống dẫn đường quán tính strapdown

11

PHẦN II: THIẾT KẾ BỘ ĐO GIA TỐC

I.Phương pháp đo

1. Các phương pháp đo gia tốc

Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc theo thời gian, còn vận tốc là sự thay đổi của dịch chuyển theo thời gian. Có một số phương pháp đo gia tốc như sau:

Phương pháp 1: Gia tốc thường được tính thông qua lực tác dụng gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F=ma, trong đó:

F là lực gây ra gia tốc (N) m là khối lượng của vật thể (kg) a là gia tốc cần đo (m/ s2) Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định được gia trị của lực tác dụng lên một khối vật thể đã biết trước.

Phương pháp 2: Một cách tiếp cận khác để tính toán gia tốc đó là gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian. Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian.- Gia tốc:

- Vận tốc:

- Độ dịch chuyển:

12

Phương pháp 3: Gia tốc có thể xác định một cách dễ dàng nhờ dụng cụ

đơn giản như 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 cơ điện tử thuộc công nghệ

MEMS. Ưu điểm của phương pháp này là ổn định, nhạy , độ chính xác cao, công suất hoạt động thấp và ít bị nhiễu. Trong đề tài này nhóm em đã sử dụng phương pháp này để xác định gia tốc.

2.Cảm biến gia tốc vi cơ điện tử

Cảm biến gia tốc là thiết bị để đo gia tốc. Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ. Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS.

Hiện nay có 3 loại cảm biến gia tốc phổ biến dựa trên kỹ thuật đo mà chúng sử dụng:

13

Cảm biến gia tốc áp điện (Piezoelectric – PE): là loại cảm biến được sử dụng phổ biến trong những ứng dụng đo kiểm. Những cảm biến loại này cho phép đo được ở một tần số khá rộng (từ vài Hz đến 30 kHz) và có rất nhiều chủng loại sắp xếp theo độ nhạy, trọng lượng, hình dáng và kích cỡ. Cảm biến áp điện có thể có đầu ra là điện tĩnh hay điện thế.

Cảm biến gia tốc áp trở (Piezoresistive – PR): là loại cảm biến có độ nhạy thấp, phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi của nhiệt độ nhưng nó có ưu điểm là công nghệ chế tạo đơn giản. Cảm biến gi tốc áp trở thường có băng thông rộng (từ vài Hz đến 130 kHz) và đáp ứng tần số xuống tới cả 0Hz hay trạng thái ổn định vì vậy chúng có thể đo những đáp ứng quá độ kéo dài.

Biến dung ( Variable capacitance – VC): hay còn gọi là cảm biến gia tốc kiểu tụ, đây là loại cảm biến “đáp ứng một chiều”, chúng có độ nhạy cao, băng thông hẹp (từ 15Hz đến 3000 Hz) và độ ổn nhiệt tuyệt hảo. Những cảm biến này rất thích trong việc đo những rung động tần số thấp, chuyển động và gia tốc ở trạng thái ổn định. Tuy nhiên nhược điểm của nó là mạch điện tử phức tạp. Cảm biến loại này được ứng dụng rộng rãi hiện nay.

Ứng dụng:

14

- 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 người.- Hiệu chỉnh độ nghiêng trong la bàn điện tử.- HDD: phát hiện rơi.- PC, laptop: phát hiện rơi và chống trộm.- 3D Gaming: Cảm biến độ nghiêng, chuyển động và ghi lại thao tác.- Ứng dụng trong xây dựng thiết bị trỏ thay chuột máy tính.

3.Tổng quan về ADXL345.

15

Cảm biến ADXL345 là cảm biến gia tốc 3 trục nhỏ gọn thuộc loại cảm biến gia tốc kiểu tụ, tiêu thụ điện năng cực thấp và kết quả đo có độ phân giải cao (13bit), lên đến ±16g. Dữ liệu output là tín hiệu số dạng 16 bit được truy cập theo phương thức SPI hoặc I2C nên thuận lợi cho việc lập trình. Cảm biến này rất thích hợp cho các ứng dụng thiết bị di động, được sử dụng để đo lường cho các ứng dụng đo lường gia tốc tĩnh cũng như tăng tốc động lực từ chuyển động và va chạm.

3.1. Sơ đồ khối chức năng và sơ đồ chân.

1 Vdd Cung cấp điện áp cho giao diện số

2 GND Chân đất

3 RESERVED Phải kết nối với Vs hoặc bỏ

4 GND Chân đất

5 GND Chân đất

6 VS Nối với điện áp

7 CS Chọn chip

8 INT1 Ngắt 1

16

9 INT2 Ngắt 2

10 NC Không kết nối nội bộ

11 RESERVED Phải kết nối với Vs hoặc bỏ

12 SDO dùng cho giao tiếp bằng SPI

13 SDA Trao đổi dữ lieu I2C

14 SCL Chân tạo xung clock của I2C

3.2. Đặc điểm, chức năng

- Là cảm biến vi cơ bề mặt loại điện dung. Dưới tác dụng của gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi => giá trị điện dung thay đổi. Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được.

C= A εD

A: Diện tích miếng ngăn.

ε: hằng số điện môi.

D: khoảng cách giữa các tấm.

- Điện năng tiêu thụ thấp: dòng tiêu thụ 23μA trong chế độ đo và 0.1μA trong chế độ chờ (khi Vs= 2.5V)

- Tiêu thụ điện năng tự động và có thể lựa chọn băng thông cố định độ phân giải 10bit.

- Đầy đủ độ phân giải, giám sát thiết bị hoạt động hay không hoạt động.

17

- Phát hiện rơi tự do.

- Cung cấp điện áp 2 – 3.6V và điện áp 1.7V- Vs

- Lựa chọn băng thông và dải đo thông qua lệnh nối tiếp.

- Nhiệt độ hoạt động từ -40→+85 .

- Kích thước nhỏ 3mm/ 5mm/ 1mm.

- Là một hệ thống đo gia tốc 3 trục hoàn chỉnh với các dải đo: ± 2 g , ± 4 g ,± 8 g hoặc± 16 g.

- Tiết kiệm năng lượng với khả năng tự điều chỉnh lượng tiêu thụ điện năng phù hợp với tốc độ dữ liệu đầu ra của cảm biến, chế độ ngủ tự động trong thời gian cảm biến không hoạt động và chế độ chờ với điện năng tiêu thụ 0.1uA.

- Giá trị đầu ra chính là hình chiếu của gia tốc trọng trường g lên 3 trục. Từ đó có thể tính được góc nghiêng. Hay tích phân tính vận tốc và tích phân 2 lớp để xác định vị trí của vật.

* Phương pháp calibrate cho cảm biến: Điểm offset cảu cảm biến luôn bị trôi do ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, sự lão hóa, môi trường. ĐIều này ảnh hưởng tới đến xác định góc nghiêng. Do đó phương pháp này tức là tìm các giá trị hiệu chỉnh để tính toán các giá trị đo chính xác. Đó là giá trị zero g và độ nhạy S.

- Có nhiều phương pháp calibrate nhưng ta sẽ không đi sâu vào phần này ở đây.

18

3.3. Phương thức giao tiếp.

Cảm biến gia tốc ADXL345 có 2 phương thức giao tiếp kỹ thuật số I2C và SPI. Trong cả 2 phương thức thì ADXL345 đều đóng vai trò là slave. Đối với chế độ I2C thì chân CS được thiết lập điện áp ở mức cao còn trong chế độ SPI thì chân CS được điều khiển bởi các MCU bên ngoài. Trong cả 2 chế độ thì dữ liệu được truyền từ cảm biến đến thiết bị chủ nên có thể bỏ qua quá trình ghi lên ADXL345.

Sơ đồ kết nối giao tiếp I2C:

a) Đặc điểm của giao tiếp I2C: Intergrated Circuit là chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây dùng để giao tiếp giữa các IC và các thiết bị ngoại vi.- Một giao tiếp I2C gồm 2 dây SDA (Serial Data) và SCL (Serial Clock).

SDA là đường truyền dữ liệu theo 2 chiều còn SCL là đường truyền xung clock theo 1 chiều.

- Mỗi dây sẽ được nối với nguồn qua một điện trở kéo lên (pull-up resistor). R giúp cho đường truyền hoạt động ổn định là 1k8Ω 4k7Ω và 10kΩ.

- Quan hệ Master/Slave.- Ở đây ta dung chuẩn truyền 8 bit với tốc độ thông thường la 100Kbits/s.

b) Truyền nhận dữ liệu trong I2C:

19

- Khi đường truyền SDA và SCL ở mức 1 thì đường truyền ở chế độ dỗi.- Để bắt đầu Master gửi đi 1 tín hiệu Start (SDA 1 -> 0) Master gửi đi 7 bit địa

chỉ thiết bị và bit cuối là bit Write (0). Khi Slave nhận được sẽ trả về ACK. Tiếp Master sẽ gửi địa chỉ thanh ghi trong Slave mà master muốn truy cập. Slave trả về ACK. Sau đó Master gửi tín hiệu restart (stop và start) 7 bit địa chỉ và 1 bit Read (1). Slave trả về ACK và bit data. Master sau khi nhận được dữ liệu trả về NACK và stop nếu muốn nhận tiếp thì trả về ACK.

- ACK: SDA mức 0.- NACK: SDA mức 1.

3.4. Ngắt ngoài.

Cảm biến ADXL345 cung cấp 2 ngắt ngoài: INT0 và INT1. Cả 2 ngắt ngoài đều có trở kéo lên, trở kháng thấp. Hai chân ngắt này mặc định hoạt động ở mức cao nhưng ta có thể thiết lập hoạt động ở mức thấp bằng cách thiết lập bit INT_INVERT trong thanh ghi DATA_FORMAT(0×31).

Ngắt được kích hoạt bằng cách thiết lập các bit thích hợp trong thanh ghi INT_ENABLE(0x2E) và thiết lập ngắt INT0, INT1 dựa trên thanh ghi INT_MAP(0x2F).

20

3.5. Ứng dụng.

- Thiết bị di động như điện thoại, máy tính bảng, la bàn,…

- Thiết bị dùng trong y tế.

- Thiết bị điều hướng cá nhân

- Ổ đĩa cứng HDD bảo vệ cứng

- Dùng trong các phương tiện giao thông :oto, xe máy, máy bay

II.Thiết kế mạch cứng:

1. Mục tiêu: Thiết kế bộ đo gia tốc bằng cảm biến gia tốc ADXL345 qua vi xử lí PIC hiển thị kết quả lên LCD và giao tiếp với máy tính qua chuẩn rs232.

2. Linh kiện:

- Vi xử lý chọn PIC16F877A:

+ Phổ biến tại Việt Nam, giá thành không quá đắt.

+ Có đầy đủ các tính năng cần thiết.

+ Có bộ nhớ flash có thể 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,….

21

3. Sơ đồ khối.

Chọn cảm biến ADLX345 được tích hợp sẵn trong module như hình dưới đây:

22

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 là cần thiết để vi điều khiển có thể thực thi chương trình lập trình bên trong nó. Trong mạch này ta sử dụng mạch dao dộng thạch anh, đây là mạch dao động phổ biến cho VĐK PIC. PIC16F877A có thể hoạt động ở 4 chế độ dao động khác nhau. Ở chế độ LP, XT, HS thì dùng thạch anh (20MHz) nối vào 2 chân OSC1(chân 13) và OSC2(chân 14) để thiết lập dao động. Việc lắp thêm tụ lọc giúp tăng tính ổn định của bộ dao động tuy nhiên giá trị của tụ không quá lớn hay quá nhỏ để dao động ổn định và thời gian khởi động ngắn. Điện thế ở đây Vdd>4.5V nên ta dùng tụ có trị số 33pF. Ưu điểm của mạch dao động thạch anh là tần số dao động chính xác với giá trị cao.

Ngõ vào RESET PIC là chân số 1(RST) của vi điều khiển PIC . Khi đưa RST xuống thấp, các thanh ghi bên trong vi điều khiển sẽ được tải những giá trị thích hợp để khởi động lại hệ thống.

23

4.2.Khối nguồn

PIC16F877A vận hành với nguồn đơn 5V. Chân nguồn dương VDD được nối vào chân số 11 và 32. Chân mass GND được nối vào chân số 12 và 31 của PIC. Cả bốn chân này được nối nguồn thì PIC mới hoạt động. Ngoài ra ta cũng cần cấp nguồn 5V cho LCD hoạt động.

Khối nguồn sử dụng 2 phương thức cấp nguồn mà ta có thể lựa chọn cho phù hợp:

24

- Sử dụng mạch nguồn LM7805 để cung cấp điện áp 5V, biến đổi từ nguồn 1 chiều (7-9V) bên ngoài.

- Lấy nguồn 5V trực tiếp từ chân USB của laptop, sử dụng tụ 10uF để san phẳng và lọc nhiễu.

4.3.Khối VĐK PIC16F877A

PIC là vi điều khiển với kiến trúc RISC, sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM. Chạy một lệnh một chu kỳ máy( 4 chu kỳ của bộ dao động. PIC nhờ có EEPROM nên tạo thành một bộ điều khiển vào ra khả trình, có rất nhiều dòng PIC với hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn( như USART, PWM, ADC,…) với bộ nhớ chương trình 512 Word đến 32K Word. PIC16F877A là dòng PIC phổ biến nhất, đủ mạnh về tính năng, bộ nhớ đủ lớn cho hầu hết các ứng dụng thông thường.

PIC16F877A là dòng vi điều khiển 40 chân, 8K Flash ROM, 368 byte RAM, 5 Port I/O, 2 bộ định thời 8bit , 1 bộ định thời 16 bit, 15 nguồn ngắt, 35 tập lệnh có độ dài 14 bit, tần số hoạt động tối đa 20MHz,…

Khối VXL lấy tín hiệu vào từ module cảm biến ADXL345, xử lí tính toán hiển thị kết quả gia tốc thông qua giao tiếp với LCD và truyền thông với máy tính qua chuẩn RS232

4.4.Khối hiển thị LCD 16x2

25

* Các chân điều khiển:

- Chân EN: cho phép LCD hoạt động và kết thúc lệnh. Muốn ghi dữ liệu vào LCD phải đảm bảo EN=0.

- Chân RS: chọn tín hiệu dữ liệu hay là lệnh.

- Chân R/W: lựa chọn giữa đọc và ghi LCD. Nếu R/W=0 thì dữ liệu sẽ được ghi từ bộ điều khiển ngoài vào LCD còn nều bằng 1 thì dữ liệu sẽ được lọc từ LCD ra ngoài.

* Trong mạch này ta sử dụng phương thức giao tiếp 4 bit, theo đó các chân D0-D3 không được sử dụng chỉ có các chân D4-D7 được kết nối với VĐK. Với phương thức này lệnh và dữ liệu 8 bit sẽ được ghi và đọc bằng cách chia thành 2 phần, gọi là các Nibbles, mỗi Nibbles gồm 4 bit và được giao tiếp thông qua 4 chân D4-D7. Phương pháp này 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 là một chuẩn giao tiếp truyền thông giữa máy tính với một thiết bị ngoại vi (modem, máy vẽ, mouse, máy tính khác, VĐK,…). Truyền dữ liệu qua RS232 được tiến hành theo cách nối tiếp: các bit dữ liệu được gửi đi nối tiếp nhau trên một đường truyền dẫn.

Ta sử dụng MAX232 để giao tiếp giữa PIC với máy tính thông qua cổng COM. Phần mềm giả lập cổng COM trên máy tính là Teminal.

26

Vi mạch giao tiếp MAX232: là vi mạch chuyên dùng trong giao tiếp giữa RS232 và thiết bị ngoại vi. Đây là IC chạy ổn định và được sử dụng phổ biến nhất. Vi mạch có nhiệm vụ chuyển đổi mức logic TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc -10V ở phía truyền và các mức +3…+15V hoặc -15V…-3V thành mức TTL ở phía nhận. Max232 có 2 bộ đệm và 2 bộ nhận. Khi giao tiếp, VĐK chính là 1 DTE nên sẽ nối RxD của máy tính với TxD của VĐK và ngược lại.

Khối kết nối máy tính qua chuẩn rs232

Kết quả hiển thị trên máy tính qua cổng COM như sau:

27

PHẦN III. KẾT LUẬN

1. Những kết quả đạt được:- Tìm hiểu chung về phương pháp dẫn hướng quán tính (INS), hiểu được ưu nhươc điểm cũng như các ứng dụng của nó trong thực tế.

28

- Thiết kế và hoàn thiện được mạch đo gia tốc hiển thị kết quả trực tiếp lên LCD và PC.- Hiểu và sử dụng được cảm biến gia tốc 3 trục ADXL345, chuẩn giao tiếp I2C của nó.- Nẵm vững kiến thức về họ vi điều khiển PIC, và môi trường lập trình cho nó. - Hoàn thiện thêm kỹ năng thiết kế mạch phần cứng cũng như phần mềm.- Có sự phối hợp hoạt động giữa các thành viên, đạt được kết quả cuối cùng.2. Những hạn chế thiếu sót:- Vẫn có sai số trong phương pháp đo do sai số của thiết bị linh kiện và thuật toán tính toán.- Chưa hiểu rõ ràng về chuẩn giao tiếp I2C, cũng lập trình truyền thông với máy tính.- Thiết kế mạch chưa gọn gàng và hợp lý.3. Hướng phát triển:

29