MMA7455L ACCELEROMETER 1 Báo Cáo Tìm Hiểu Cảm Biến Gia Tốc MMA7455L Giảng viên: Nguyễn Ngọc Linh Thành viên nhóm: Nguyễn Đức Sơn Nguyễn Thế Vũ Nguyễn Quang Sơn Nguyễn Công Khánh MMA 7455L MMA7455L ACCELEROMETER 2 MỤC LỤC I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm cảm biến 2. Cảm biến gia tốc II. Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MMA7455L 1. Cảm biến Accelerometer MMA7455L 2. Phương pháp calibrate cho cảm biến accelerometer 3. Xác định góc nghiêng Tilt bằng giá trị gia tốc trên 1 trục 4. Xác định góc nghiêng tilt bằng giá trị gia tốc 2 hay 3 trục 5. Lập trình truyền thông SPI với MMA7455L 6. Ứng dụng của cảm biến gia tốc MMA7455L MMA7455L ACCELEROMETER 3 I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm về cảm biến  Cảm biến là thiết bị dung để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý cà các đại lượng không có tính chất điện cấn đo thành các đại lượng điện và có thể xử lý được.  Các địa lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, gia tốc….)tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích , điện áp, dòng điện và trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cấn đo (m) :  s =F(m). Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích. Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết được giá tri của (m). Đại lượng cần đo (m) → Cảm biến → đại lượng điện (s)  Các đặc tính mong muốn của cảm biến  Tỉ số tín hiệu/ nhiễu cao  Độ ổn định  Độ tin cậy  Độ chính xác  Tính chính xác cao  Giá thành hạ  Công suất thấp  Độ nhạy chéo thấp  Miễn nhiễm EMI 2. Cảm biến gia tốc  Gia tốc của chuyển động là một thành phần rất quan trọng của các thông số động học như: vị trí, vận tốc, gia tốc, và tốc độ biến thiên gia tốc. Mỗi một thông số trên lại có liên hệ tuyến tính với thông số cạnh nó.Bởi thế, tất cả các MMA7455L ACCELEROMETER 4 thông số động học trên đều có thể được lấy ra từ một thông số.Ví dụ như, gia tốc có thể lấy được qua đạo hàm của vận tốc tương ứng hoặc là tích phân của tốc độ biến thiên gia tốc.Tương tự như thế, vận tốc có thể lấy từ đạo hàm vị trí tương ứng hoặc tích phân gia tốc.Trong thực tế, chỉ sử dụng rộng rãi tích phân vì nó đem đến kết quả tốt hơn khi có nhiễu và có sự tắt dần. Có hai kỹ thuật đo gia tốc: phương pháp đo trực tiếp qua gia tốc kế đặc biệt và phương pháp đó gián tiếp đạo hàm vận tốc.Khả năng ứng dụng của các kỹ thuật trên phụ thuộc vào dạng chuyển động (chuyển động thẳng, tròn, chuyển động cong) hoặc trạng thái cân bằng ở giữa các dao động. Với các chuyển động thẳng và chuyển động cong, người ta ưu tiên dung phương pháp đo gia tốc kế trực tiếp. Tuy nhiên, người ta thường đo gia tốc góc bằng các phương pháp đo gián tiếp. Gia tốc là một thông số quan trọng cho các mục đích đo độ dịch chuyển tuyệt đối, dao động, và đo độ shock. Với những mục đích như vậy, có nhiều loại gia tốc kế với các tính và dải đo rộng nhằm đáp ứng các yêu cầu ứng dụng đa dạng, chủ yếu là trong 3 lĩnh vực: 1. Các ứng dụng thương mại-ôtô, tàu, dụng cụ thể thao. 2. Các ứng dụng công nghiệp-robot, điều khiển máy móc, kiểm tra doa động và đo đạc. 3. Các ứng dụng co độ tin cậy cao-quân sự, không gian, hạng không, đo động đất, dao động và cấc phép đo shock.  Cảm biến gia tốc được chế tạo dựa trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) và vi hệ thống.  Về căn bản có 3 loại cảm biến gia tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện và áp điện trở. II. Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MMA7455L 1. Cảm biến Accelerometer MMA7455L Giới thiệu: MMA7455 là cảm biến đo gia tốc 3 trục X, Y, Z, là sản phẩm của hãng Freescale, ngõ ra Digital, công suất thấp, có những đặc trưng cơ bản sau: MMA7455L ACCELEROMETER 5  Ngõ ra Digital (I2C/SPI) – 10-bit ở Mode 8g (g là gia tốc trọng trường)  Kích thước: 3mm x 5mm x 1mm, đóng gói 14 chân LGA  Dòng tiêu thụ thấp 400µA  Chức năng Self Test trục Z  Điện áp vận hành thấp 2.4V – 3.6V  Sử dụng các thanh ghi User Assigned để chỉnh Offset  Lập trình giá trị ngưỡng cho phép ngắt  Phát hiện chuyển động: Shock, dao động, rơi.  Phát hiện xung: xung đơn và xung kép  Độ nhạy: 64 LSB/g @ 2g và @ 8g ở 10-Bit Mode  Có thể chọn tầm đo (±2g, ±4g, ±8g)  Chịu sock tới 10000g Hình 1: Hình dạng MMA7455 Mô tả các chân #1: DVdd_IO, cấp nguồn digital cho các chân I/O. #2: GND, nối ground. #3: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất. #4:IADDR0, Bit 0 của địa chỉ I2C. MMA7455L ACCELEROMETER 6 #5: GND, nối đất. #6: AVdd, nguồn Analog. #7: CS, Chip Select, chọn kiểu truyền thông: mức 0 cho SPI, mức 1 cho I2C. #8: INT1/DRDY, ngắt 1 và báo Data Ready. #9: INT2, Ngắt 2. #10: NC, không dùng, để hở hoặc nối đất. #11: Reserved, dự trữ, nối đất. #12: SDO, dữ liệu ra trong truyền thông nối tiếp kiểu SPI. #13: SDA/SDI/SDO, dữ liệu truyền thông nối tiếp kiểu I2C (SDA) / dữ liệu vào của truyền thông SPI (SDI) / dữ liệu ra của truyền thông nối tiếp kiểu 3-wire. #14: SCL/SPC, xung clock của truyền thông nối tiếp I2C (SCL) hay SPI (SPC). Bảng 1: Mô tả chức năng các chân MMA7455: MMA7455L ACCELEROMETER 7 Sơ đồ khối: Hình 2: Sơ đồ khối dạng đơn giản của cảm biến gia tốc Thông số hoạt động: Bảng 2: Các giá trị tối đa cho phép  Nguồn Analog: AVDD 2.4 V - 3.6 V (tiêu chuẩn 2.8V)  Nguồn digital: DVDD_IO 1.71 V – AVDD (tiêu chuẩn 1.8 V) MMA7455L ACCELEROMETER 8  Dòng tiêu thụ: IDD khoảng 400μA, tối đa 490μA. Ở chế độ Stand by IDD khoảng 10μA.  Tầm đo gia tốc trên cả 3 trục X, Y, Z: có 3 mode ±2g, ±4g, ±8g  Nhiệt độ làm việc: -40 – 80 °C  Điện áp ngõ vào mức cao: 0.7 x VDD, mức thấp: 0.35 x VDD Nguyên lý hoạt động:  MMA7455 là một cảm biến vi cơ bề mặt (surfacemicromachined integrated-circuit accelerometer) thuộc loại điện dung.  Dưới tác dụng của gia tốc, khoảng cách giữa các vách ngăn thay đổi, sự thay đổi này dẫn đến sự thay đổi giá trị điện dung theo công thức: A C D   Với A là diện tích các miếng ngăn.  là hằng số điện môi. D là khoảng cách giữa các tấm.  Giá trị điện áp ngõ ra tỉ lệ với gia tốc đo được. MMA7455L ACCELEROMETER 9  Từ giá trị gia tốc, ta có thể tích phân đơn để có giá trị vận tốc hay tích phân 2 lớp để xác định vị trí của vật thể.  Gia tốc tĩnh do lực hấp dẫn có thể được dùng để xác định góc và độ nghiêng. 2. Phương pháp calibrate cho cảm biến accelerometer: Điểm offset của accelerometer bị trôi do ảnh hưởng của nhiệt độ, sự lão hóa và các biến động trong môi trường làm việc. Sự trôi offset và các biến động này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng , cụ thể nhất là trong xác định góc nghiêng (tilt), sai số do offset có thể lên tới 12 o khi được đọc trên mặt phảng nhẵn-điều này là không thể chấp nhận được. Do đó ta luôn phải tiến hành calibrate cho accelerometer trước khi đua vào sử dụng, tức là tìm các giá trị hiệu chỉnh để tính toán được giá trị đo chính xác. Các giá trị cần xác định đó là giá trị 0g – zero g, và độ nhạy sensitivity thực tế.  Các phương pháp xác định giá trị zero g được đề nghị như sau: Manual 0X, Y, Z Full Range Calibration: Quay accelerometer từ vị trí +1g tới -1g, ghi nhận giá trị nhở nhất và lớn nhất. Do tính đối xứng, điểm―0g‖ sẽ nằm ở chính giữa khoảng này. Tiến hành với cả 3 trục X,Y,Z để có giá trị offset cho mỗi trục. Simple 0g X, Y, Z calibration: Cho rằng khi accelero nằm trên mặt phẳng, ta có giá trị trên trục X, Y tại đó là 0g, quay accelerometer 90º tới vị trí 0g của trục Z (trục Z nằm song song với mặt phẳng), ghi nhận giá trị zero của trục Z. Phương pháp này đơn giản nhưng không có độ chính xác cao như phương pháp 1. Freefall Calibration: Cho cảm biến rơi tự do. Thuận lợi của phương pháp này là ta có thể đọc được giá trị 0g của 3 trục cùng một lúc. Tuy nhiên khi cần calibrate lại, không phải lúc nào cũng dễ dàng để cho thiết bị ―rơi tự do‖ được. Simple 0g X, 0g Y, +1g Z calibration: Đặt cảm biến trên một mặt phẳng nhẵn, đọc giá trị 0g của các trục X, Y tại đây và +1g của trục Z. Giá trị +1g Z trừ MMA7455L ACCELEROMETER 10 đi độ nhạy biết trước, ta được 0g Z. Với phương pháp này có thể giá trị 0g X, Y là khá chính xác (với mặt gần như phẳng hoàn toàn), nhưng giá trị 0g Z thì không được đảm bảo vì nó không được đọc tại đúng vị trí 0g. Thuận lợi của phương pháp này là không cần phải dịch chuyển hay xoay thiết bị, phù hợp với trường hợp calib lại sau một thời gian hoạt động mà accelerometer đã được gắn ―cứng‖ trên thiết bị. Ngoài ra, với các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm chính xác như máy tạo xung, dao động kí, … ta có các phương pháp calibrate hiệu quả hơn. Đọc giá trị sau khi được calibrate: - Xác định khoảng cách dời offset OFF CZ của mỗi trục - Đọc giá trị đo được CA - Gia tốc thực : OFF MEAS CA CZ A S   Với s là độ nhạy. Nếu sử dụng phương pháp Simple 0g X, 0g Y, +1g Z calibration thì gia tốc thực được tính như sau: ( S) OFF MEAS CA CZ A S   Giải thuật calibrate tự-chỉnh-zero được mô tả bằng sơ đồ khối như sau, trong đó chương trình đọc dữ liệu từ accelerometer sẽ chạy bình thường cho đến khi nhận được lệnh chỉnh zero: [...]... chỉnh các tùy chọn 27 MMA7455L ACCELEROMETER Một cảm biến gia tốc 3 chiều sẽ có thể phát hiện được sự ―quay‖ dưới dạng nghiêng Cảm biến sẽ đo mức biến đổi có tốc độ chậm của góc nghiêng dưới tác dụng của lực hấp dẫn Dựa trên thông tin này, hệ thống sẽ tính toán được mức thay đổi của vector của lực hấp dẫn và xác định xem chuyển động quay là thuận hay ngược chiều kim đồng hồ Cảm biến nghiêng còn có thể... phạm vi -45o đến +45o và có cảm biến accelerometer loại 2 hay 3 trục tọa độ, hơn nữa lại không bị giới hạn về khả năng quay của thiết bị, phương pháp sau được đề nghị dùng 4 Xác định góc nghiêng tilt bằng giá trị gia tốc 2 hay 3 trục Cũng với loại cảm biến gia tốc 2 trục toạ độ như ở hình 3.2.8 nhưng được lắp đặt theo chiều dọc, như vậy cả 2 trục X,Y đều có khả năng quay 18 MMA7455L ACCELEROMETER Hình... những ứng dụng phổ biến của accelerometer, góc nghiêng được xác định dựa vào giá trị gia tốc tĩnh Ta biết, gia tốc trọng trường g luôn không đổi Khi cảm biến accelerometer thực hiện chuyển động quay, hệ trục xyz gắn liền với nó cũng quay theo, với mỗi vị trí khác nhau của accelerometer trong không gian, hình chiếu của gia tốc trọng trường g lên hệ trục xyz đó sẽ cho ra những giá trị khác nhau phụ thuộc.. .MMA7455L ACCELEROMETER Start Giá trị offset hiện tại, CZOFF Giá trị gia tốc đọc về CA Tính giá trị gia tốc thực AMEA Calib lại? End Hình 3: Lưu đồ giải thuật tự-chỉnh-zero cho accelerometer Cảm biến accelerometer MMA7455L, có 6 thanh ghi dùng để chứa giá trị offset, sau khi xác định được các giá trị offset... của cảm biến, độ nhạy sẽ là một giá trị khác với giá trị danh định này Khi calibrate cho cảm biến, ta đồng thời cũng cần xác định lại độ nhạy của nó  value1g  value1g  S   2g   15 [count/g] MMA7455L ACCELEROMETER Bảng sau cho biết giá trị gia tốc tương ứng với ngõ ra: Bảng 3: Acceleration vs Output (8-bit data) Vậy ta thấy, bit có trọng số lớn nhất (MSB) là bit dấu, MSB = 1 với các giá trị gia. .. Motion Dialing, E-Compass, Tap to Mute  Ứng dụng trong điện thoại Gia tốc kế là một thứ rất phổ biến trên thị trường smartphone và ngay cả những sản phẩm giá rẻ cũng được tích hợp nó Gia tốc kế (accelerometer) dùng để ghi nhận chuyển động của thiết bị cũng như góc nghiêng so với phương ngang Khi có sự thay đổi về phương hướng, cảm biến sẽ chuyển thông tin đến smartphone hoặc tablet của bạn để bảo... một trong những ứng dụng phổ biến nhất của nhận biết chấn động Một cảm biến gia tốc sẽ giúp phát hiện những chấn động nhỏ gây ra do dây nguồn bị giật hay màn hình bị va đập Những chấn động nhỏ này thường là tiền đề của một chấn động khác, cụ thể ở đây là việc máy tính đập xuống sàn Chỉ trong vòng vài phần nghìn giây sau khi phát hiện các hiện tượng này nhờ sử dụng cảm biến chuyển động, hệ thống sẽ... trong không gian 3 chiều Hình 14: Các góc pitch, roll và theta 21 MMA7455L ACCELEROMETER Định nghĩa Pitch(ρ), Roll(φ), Theta(θ) lần lượt là góc hợp bởi trục X, Y, Z với mặt đất, các góc này được tính từ giá trị gia tốc trên 3 trục như sau:   arc tan   arc tan   arc tan AX 2 A  AZ 2 Y AY 2 2 AX  AZ 2 AY2  AZ AZ 5 Lập trình truyền thông SPI với MMA7455L: MMA7455L có thể thực hiện giao tiếp theo... dấu, MSB = 1 với các giá trị gia tốc âm, và MSB = 0 cho các giá trị dương Từ đây ta có giải thuật xác định góc nghiêng Tilt: Với S là độ nhạy: Hình 7: Giải thuật xác định góc nghiêng Tilt bằng 1 trục 16 MMA7455L ACCELEROMETER Nhận xét: Đây chính là phương pháp xác định góc nghiêng dựa vào giá trị gia tốc tĩnh đo được trên một trục Phương pháp này áp dụng cho các loại cảm biến accelerometer 1 trục tọa... tính bị rơi, nhờ vậy giảm thiểu được các hư hỏng ở ổ đĩa  La bàn số Tính năng này cũng xuất hiện ngày một phổ biến hơn trên các thiết bị di động, nhất là smartphone Cảm biến này thực chất là một hệ thống MEMS (vi cơ điện tử) chuyên cảm nhận từ trường và nó giúp việc định vị trên smartphone được chính xác hơn khi kết hợp cùng các loại dữ liệu địa lý khác như GPS hay GLONASS 26 MMA7455L ACCELEROMETER Một . tốc, đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ, áp điện và áp điện trở. II. Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MMA7455L 1. Cảm biến Accelerometer MMA7455L Giới thiệu: MMA7455 là cảm biến đo gia tốc 3 trục. 7455L MMA7455L ACCELEROMETER 2 MỤC LỤC I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm cảm biến 2. Cảm biến gia tốc II. Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MMA7455L 1. Cảm biến Accelerometer MMA7455L. Ứng dụng của cảm biến gia tốc MMA7455L MMA7455L ACCELEROMETER 3 I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm về cảm biến  Cảm biến là thiết bị dung để cảm nhận biến đổi các