Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào : hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc...Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu.hơn, sâu hơn.
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 trường Hhọc viện Kkỹ thuật Qquân sự nói chung và thầy cô giáo trong khoa KTĐK và bộ môn tTự động và kKỹ thuật tính nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Ngọc Hưng, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy, em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này. 4 ___________________________________________ MỤC LỤC Trang Chương 1.Tổng quan về MemsMEMS …………………………………………………………5 1.1 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS……………………………………6 1.2 Ứng dụng của các cảm biến MEMS……………………………………… 10 Chương 2. Vi điều khiển AVR AtTmega8…………………………………………… 12 2.1. Giới thiệu về Atmega8………………………………………………… 13 2.2. Cấu trúc của vi điều khiển………………………………………… 15 2.3. Khối LCD……………………………………………………………… 40 Chương 3 Ngôn ngữ và phần mềm mạch nạp……………………………………… 44 3.1. Khái Niệm……………………………………………………………… 45 3.2. Tóm tắt cấu trúc điều khiển…………………………………………… 48 3.3 Tổ chức bộ nhớ Sram………………………………………………… 54 3.4 Phần mềm lập trình cho AVR Atmega8……………………………… 55 3.5 Phương pháp và phần mềm nạp cho Atmega8……………………………57 Chương 4. Tổng quan về cảm biến……………………………………………………60 4.1. Cảm biến MM7361………………………………………………………60 4.2. Cảm biến L3G4200D………………………………………… 63 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 lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on -chip). Các linh kiện MEMS thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản và chuyên sâu.hơn, sâu hơn. 8 ___________________________________________ 1.1 Công nghệ chế tạo các sản phẩm MEMS Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, các chi tiết vi cơ. Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Tuy nhiên các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng (công nghệ planar nghĩa là phẳng) còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v… Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt 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). Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng thường là ở nhiệt độ cao. Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt nạ (mask) đặt lên bề mặt phiến vật liệu. Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện từ (RF) kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc độ các viên đạn bắn phá. ► Gia công vi cơ bề mặt 10 ___________________________________________ [...]... điện tử 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 nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng 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. .. 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 Xu hướng phát triển và ứng dụng của cảm biến quán tính vi cơ điện ( con quay, gia tốc kế) Việc ứng dụng các hệ thống vi cơ điện (MicroElectroMechanical System -MEMS) sẽ tạo ra sự thay đổi lớn trong công nghệ chế tạo các cảm biến quán. .. 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... nhỏ sử dụng các dãy vi van Chuyển mạch điện cơ: Các vi rơle trong các ứng dụng một chiều, xoay chiều và vô tuyến Hình 2.1 Sơ đồ một hệ đo gia tốc Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin 13 _ cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây Trong đề tài này chúng ta đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến. .. quán tính (con quay, gia tốc kế) Trớc đây công nghệ này là độc quyền của một số cường quốc quân sự (Mỹ, 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. .. 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... 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 2.1Tổng quan về ATMEGA8: Một số đặc tính kỹ thuật - Rom: 8Kbyte Sram: 4Kbytes 16 _ - EEPROM: 4Kbytes 64 thanh ghi I/O 160 thanh ghi vào ra mở rộng 32 thanh ghi đa mục đích 2 bộ định thời 8 bit (0,2)... trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này Phần ứng dụng (Application program section) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích thước của phần boot loader và phần ứng dụng có thể tùy chọn 19 _ Hình 2.3 Tổng quan chế độ hoạt động boot loader Hình trên thể hiện cấu trúc bộ nhớ chương trình có sử dụng boot loader và không sử dụng boot... 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... 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