chương 1, học viên xây dựng hệ thống nhận dạng theo phương pháp sử dụng hệ thống cảm biến thu thập dữ liệu. Hệ thống bao gồm 2 phần, phần thứ nhất là thiết bị găng tay gồm hệ các cảm biến gắn trên một găng tay để cố định vị trí các cảm biến và phần hệ vi điều khiển để thu thập và truyền tải dữ liệu. Trong chương này học viên trình bày về cấu tạo và cách hoạt động của găng tay cảm biến. Hệ thống hoạt động dựa trên việc thu thập dữ liệu từ hệ thống các cảm biến gắn trên bàn tay thực.
Để mô phỏng lại bàn tay học viên sử dụng 2 loại cảm biến: cảm biến độ cong gắn trên các ngón tay và cảm biến gia tốc gắn trên lưng của bàn tay. Phần hệ vi điều khiển học viên sử dụng KIT dựa trên Chip ATmega324U thuộc họ AVR. Cảm biến cong Hình 2.Cảm biến độ cong Để xác định độ cong của các ngón tay, học viên sử dụng cảm biến độ uốn cong gắn dọc theo trục của các ngón tay. Cảm biến độ cong là một thanh điện trở dài mà điện trở sẽ thay đổi theo độ uốn cong của thanh, thanh càng cong lớn thì sẽ có điện trở càng lớn.
Cảm biến được gắn cố định theo các khớp chuyển động trong các thiết bị để tính toán, được sử dụng trong các ứng dụng robot, xây dựng đơn giản hay các thiết bị y tế, vật lý trị liệu. 13 Cảm biến học viên sử dụng trong thiết bị là loại dài 2,2 inch, độ dài phù hợp để gắn trên ngón tay bao phủ một khớp, một ngón tay gắn 2 cảm biến. Thẳng Bẻ cong 45o Bẻ cong 90o Hình 2.Các vị trí của cảm biến độ cong Ở trạng thái thẳng điện trở của thanh là 25kΩ (có thể có sai số), khi uốn cong tối đa điện trở thanh sẽ tăng lên đến 45kΩ. Mô hình các cảm biến gắn trên găng tay Cách sử dụng cảm biến cong: Cảm biến cong được gắn trên các ngón tay , mỗi ngón tay 2 cảm biến gắn trên 2 khớp tích cực, khớp đầu ngón tay không có khả năng chuyển động tự do và cũng không quá ảnh hưởng đến quá trình nhận dạng nên bỏ qua.
Riêng ngón cái chỉ 2 cảm biến cong là không đủ, 14 do ngón cái có khả năng xoay tự do, học viên gắn thêm một cảm biến gia tốc để xác định góc của ngón cái. Mạch ghép nối cảm biến cong Mắc cảm biến vào mạch điện theo sơ đồ như trên, với Vin được cấp cố định, ta sẽ có Vout biến đổi theo công thức như sau: 𝑅1 Vout = Vin ( ) 𝑅1 +𝑅2 Ta cần chọn R2 thích hợp sao cho khoảng biến thiên của R1 gây ra thay đổi đủ lớn trên Vout và giá trị này sẽ được vi điều khiển đọc và đưa về máy tính xử lý. Với giá trị R1 của flex, học viên chọn giá trị R2 là xấp xỉ 40kΩ. Dữ liệu đọc được từ ADC là các dữ liệu tương tự (analog).
Trong khi đó, vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một vi điều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sự kết hợp của hai mức 0 và 1. Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong vi điều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0oC đến 255oC, như chúng ta đã biết, một thanh ghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (28) giá trị nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt độ không nguyên như 28.123 oC sẽ không được ghi lại. Quá trình này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (Analog to Digital Converter). 15 Có rất nhiều phương pháp chuyển đổi ADC, học viên sẽ trình bày một cách chuyển đổi rất cơ bản và phổ biến, phương pháp chuyển đổi mà học viên nói là phương pháp chuyển đổi trực tiếp (direct converting) hoặc flash ADC.
Các bộ chuyển đổi ADC theo phương pháp này được cấu thành từ một dãy các bộ so sánh (như opamp), các bộ so sánh được mắc song song và được kết nối trực tiếp với tín hiệu analog cần chuyển đổi. Một điện áp tham chiếu (reference) và một mạch chia áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp so sánh khác nhau cho mỗi bộ so sánh.5 mô tả một bộ chuyển đổi flash ADC có 4 bộ so sánh, Vin là tín hiệu analog cần chuyển đổi và giá trị sau chuyển đổi là các con số tạo thành từ sự kết hợp các mức nhị phân trên các chân Vo.5, bạn thấy rằng do ảnh hưởng của mạch chia áp (các điện trở mắc nối tiếp từ điện áp +15V đến ground), điện áp trên chân âm (chân -) của các bộ so sánh sẽ khác nhau. Trong lúc chuyển đổi, giả sử điện áp Vin lớn hơn điện áp “V-” của bộ so sánh 1 (opamp ở phía thấp nhất trong mạch) nhưng lại nhỏ hơn điện áp V- của các bộ so sánh khác, khi đó ngõ Vo1 ở mức 1 và các ngõ Vo khác ở mức 0, chúng ta thu được một kết quả số. Một cách tương tự, nếu tăng điện áp Vin ta thu được các tổ hợp số khác nhau.
Với mạch điện có 4 bộ so sánh như trong hình 1, sẽ có tất cả 5 trường hợp có thể xảy ra, hay nói theo cách khác điện áp analog Vin được chia thành 5 mức số khác nhau. Tuy nhiên, bạn chú ý là các ngõ Vo không phải là các bit của tín hiệu số ngõ ra, chúng chỉ là đại diện để tổ hợp thành tín hiệu số ngõ ra, dễ hiểu hơn chúng ta không sử dụng được các bit Vo trực tiếp mà cần một bộ giải mã (decoder). Trong bảng 1 học viên trình bày kết quả sau khi giải mã ứng với các tổ hợp của các ngõ Vo. Mạch flash ADC với 4 bộ so sánh.
Độ phân giải (resolution): như trong ví dụ trên, nếu mạch điện có 4 bộ so sánh, ngõ ra digital sẽ có 5 mức giá trị. Tương tự nếu mạch điện có 7 bộ so sánh thì sẽ có 8 mức giá trị có thể ở ngõ ra digital, khoảng cách giữa các mức tín hiệu trong trường hợp 8 mức sẽ nhỏ hơn trường hợp 4 mức. Nói cách khác, mạch chuyển đổi với 7 bộ so sánh có giá trị digital ngõ ra “mịn” hơn khi chỉ có 4 bộ, độ “mịn” càng cao tức độ phân giải càng lớn. Trong trường hợp có 8 mức giá trị ngõ ra, chúng ta cần 3 bit nhị phân để mã hóa hết các giá trị này, vì thế mạch chuyển đổi ADC với 7 bộ so sánh sẽ có độ phân giải là 3 bit.
Một cách tổng quát, nếu một mạch chuyển đổi ADC có độ phân giải n bit thì sẽ có 2n mức giá trị có thể có ở ngõ ra digital. Để tạo ra một mạch chuyển đổi flash ADC có độ phân giải n bit, chúng ta cần đến 2n-1 bộ so sánh, giá trị này rất lớn khi thiết kế bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải cao. Độ phân giải liên quan mật thiết 17 đến chất lượng chuyển đổi ADC, việc lựa chọn độ phân giải phải phù hợp với độ chính xác yêu cầu và khả năng xử lý của bô điều khiển. Analog và digital của hàm sin.
Điện áp tham chiếu (reference voltage): Cùng một bộ chuyển đổi ADC nhưng có người muốn dùng cho các mức điện áp khác nhau, ví dụ người A muốn chuyển đổi điện áp trong khoảng 0-1V trong khi người B muốn dùng cho điện áp từ 0V đến 5V. Rõ ràng nếu hai người này dùng 2 bộ chuyển đổi ADC đều có khả năng chuyển đổi đến điện áp 5V thì người A không sử dụng hết khả năng của thiết bị. Vấn đề sẽ được giải quyết bằng một đại lượng gọi là điện áp tham chiếu - Vref (reference voltage). Điện áp tham chiếu thường là giá trị điện áp lớn nhất mà bộ ADC có thể chuyển đổi.
Trong các bộ ADC, Vref thường là thông số được đặt bởi người dùng, nó là điện áp lớn nhất mà thiết bị có thể chuyển đổi. Ví dụ, một bộ ADC 10 bit có Vref=3V, nếu điện áp ở ngõ vào là 1V thì giá trị số thu được sau khi chuyển đổi sẽ là: 1023x(1/3)=314. Trong đó 1023 là giá trị lớn nhất mà một bộ ADC 10 bit có thể tạo ra (1023=210-1). Vì điện áp tham chiếu ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình chuyển đổi, chúng ta cần tính toán để chọn 1 điện áp tham chiếu phù hợp, không được nhỏ hơn giá trị lớn nhất của input nhưng cũng đừng quá lớn.
Chuyển đổi ADC trên AVR: Chip AVR Atmega32U4 của Atmel có tích hợp sẵn các bộ chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Có tất cả 12 kênh 18 đơn (các chân ADC0 đến ADC11), 16 tổ hợp chuyển đổi dạng so sánh, trong đó có 2 kênh so sánh có thể khuyếch đại. Bộ chuyển đổi ADC trên AVR không hoạt động theo nguyên lý flash ADC mà học viên đề cập ở phần trên, ADC trong AVR là loại chuyển đổi xấp xỉ lần lượt (successive approximation ADC). ADC trên AVR cần được duy trì bằng nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá +/-0.
Nhiễu (noise) là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng các bộ ADC, để giảm thiểu sai số chuyển đổi do nhiễu, nguồn cấp cho ADC cần phải được lọc kỹ càng. Cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc dùng để xác định hướng của bàn tay. Trong luận văn học viên sử dụng 2 cảm biến gia tốc, một gắn trên lưng bàn tay để xác định hướng cho cả bàn tay và một trên ngón tay cái để xác định góc cho riêng ngón tay cái. Cảm biến gia tốc ADXL345 Ứng dụng phổ biến: 19 Cell Phone/PMP/PDA: Image Stability, Text Scroll, Motion Dialing, E;Compass, Tap to Mute HDD: phát hiện trạng thái rơi tự do (Freefall Detection) Laptop PC: phát hiện rơi hay bị lấy cắp (Freefall Detection, Anti Theft) Bổ chính độ nghiêng cho la bàn điện tử (E Compass Tilt Compensation) 3D Gaming: Cảm biến đo độ nghiêng và chuyển động (Tilt and Motion Sensing), Ghi sự kiện (Event Recorder) Cảm biến gia tốc sẽ đo hình chiếu của gia tốc trọng trường lên 3 trục của cảm biến.
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 vào góc hợp bởi phương ngang và phương của mỗi trục.
