Tài liệu tham khảo
[1] Analog devices, Inc.
[2] Ann. Rev. Fluid Mech “Microeclectromechical Systems”.
[3] Colinfahey “Basic Stamp and PS/2 mouse”.
[4] Grigore C. Burdea “Haptic feedback for Vitual Reality”
[5] Parallax Inc.
www.parallaxinc.com.
[6]
Phạm Duy Hưng, Trần Thu Hồng, Đặng Cao Sơn, Nguyễn Thăng Long,Trần
Quang Vinh và Nguyễn Phú Thuỳ “Ứng dụng cảm biến gia tốc MEMS để đo các
góc nghiêng” kỉ yếu hội nghị toàn quốc về khí cụ bay có điều khiển.
[7] Scott Edwards “programming and Customizing the Basic Stamp omputer”.
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính
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…
Hình 1.4: Điều khiển máy tính thông qua thông qua bàn tay.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
2
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính
Hình 1.5: Áp dụng trong lĩnh vực cơ khí.
Mục tiêu của khoá luận này là xây dựng một mô hình đơn giản cho giao diện
haptic, sử dụng cảm biến gia tốc để thu nhận thôn tin về vị trí cử động của bàn tay và
các ngón tay. Dùng các thông tin đó để điều khiển con trỏ trên màn hình máy tính.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
3
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MEMS
2.1 Giới thiệu chung những đặc điểm của công nghệ MEMS.
Hệ thống vi cơ điện tử MEMS (
Micro Electro Mechanical Systems) là sự hợp
thành của các yếu tố cơ và điện.
Các linh kiện MEMS lúc đầu chỉ là những sản phẩm
trong lĩnh vực cơ làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay cho các đầu đo truyền
thống. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là của công nghệ vi điện tử đã giúp
cho công nghệ MEMS có những bước phát triển mạnh mẽ, mở ra nhiều các kỹ thuật
sản xuất mới: công nghệ vi cơ dạng kh
ối (bulk-micromachining), và công nghệ vi cơ
bề mặt (surface-micromachining) với vật liệu chủ yếu là đơn tinh thể silic. Các thành
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
thấp, độ tin cậy cao, độ ổn định cao. Với sự kết hợp những khả năng trên, MEMS sẽ
đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế, bao gồm các lĩnh vực như chăm sóc sức
khoẻ, giao thông, quân sự, không gian, xây dựng, sản xuất, kiến trúc và hệ thống
truyền thông. Những ứng dụng được áp dụng: trong y học ,công nghệ hàng không,
trong công nghệ thông tin…
2.2 Xu hướng phát triển công nghệ MEMS:
Trong t
ương lai MEMS sẽ được áp dụng với những chức năng lớn hơn, áp dụng
rộng dãi hơn. Các thiết bị vi cơ có thể làm việc độc lập hoặc có thể làm việc phối hợp
cùng nhau. Thiết bị vi cơ có kích thước nhỏ cho nên nó có thể áp dụng trong các lĩnh
vực mà các linh kiện khác không đáp ứng được do yêu cầu về kích thước hay độ chính
xác. Tuy nhiên vật liệu chế tạo MEMS thì mới ở trạ
ng thái khởi đầu, vì vây việc tìm ra
những vật liệu mới phù hợp rất thuận lợi cho việc phát triển công nghệ MEMS. Trong
tương lai thì những sản phẩm MEMS sẽ phục vụ trong nhiều lĩnh vực của đời sống
hơn do những ưu việt của nó. Sự đầu tư của các công ty lớn vào MEMS đã đem lại
cho nó những thành công và ngày càng xuất hiện nhiều sản phẩm thương hiệu hóa .
Với những đặc điểm nhỏ gọn, xử lý thông minh thì ngày nay các sản phẩm áp dụng
công nghệ MEMS được phát triển ở nhiều nước và rất được quan tâm.
Hiện nay tại Trường Đại Học Quốc Gia Thì MEMS cũng rất được quan tâm, và
đầu tư phát triển. Trường đã thành lập một phòng nghiên cứu về MEMS gồm các thầy
giáo và các sinh viên và quan tâm nghiên cứu về công nghệ này. Thông qua quá trình
tìm hiểu nghiên cứu đã có một số kết qu
ả bước đầu. có rất nhiều đề tài nghiên cứu
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
5
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính
khoa học có giá trị. Những nghiên cứu này mục đích là áp dụng các linh kiện MEMS
vào lĩnh vực công nghệ điện tử và viễn thông .
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
tạp hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn .Trong khóa
luận này sử dụng cảm biến gia tốc ADXL202 kiểu tụ chế tạo theo công nghệ vi cơ điện
tử MEMS.
3.1. Nguyên tắc hoạt động của c
ảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ:
Hình 2.1 đưa ra nguyên tắc đo gia tốc xét tương tự như hệ dao động lò xo gồm:
vật có khối lượng m, lò xo có độ cứng k.
Hình 3.1:Hệ khối lượng lò xo để đo gia tốc
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
7
Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính
Ta thấy theo định luật Hooke thì lực tác dụng tỷ lệ với độ biến dạng của lò so:
F= kx. Mà theo định luật II Newton đối với hệ quy chiếu quán tính ta lại có : F= ma.
Từ đó ta có: a =
m
kx
, Để đo được gia tốc ta chỉ cần tính độ dịch chuyển do các giá trị
độ cứng k và khối lượng vật đã biết, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ
điện có hai bản cực song song khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được.
Hình 3.2:Mô hình hai tụ nối tiếp nhau.
Điện dung của tụ điện đơn là C=
0
x
k
, với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính
của môi trường nằm giữa hai bản tụ. Nếu biết k, điện dung của tụ điện C ta có thể tính
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
+
=
0
0
,
xx
x
CC
B
−
=
0
0
(2)
do đó
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
+
=−=∆
xxxx
CxCCC
BA
00
0
11
(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
trên phương gia tốc trọng trường.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN
9
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét