đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nôi dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Nội dung chương sẽ bao gồm lý thuyết cơ bản về xử lý tín hiệu của cảm biến gia tốc MPU – 6050, cảm biến phát hiện vật cản VL53L0X, giới thiệu cơ bản về các vi điều khiển Arduino và các thư viện liên quan. Chương 3: Thiết kế và thi công Chương này sẽ đi tìm hiểu sơ đồ và cách kết nối cho hệ thống.
Chương 4: Thi công hệ thống Nội dụng chương này là quá trình thực hiện thi công bộ điều khiển bao gồm bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU6050 và bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ. Chương 5: Nhận xét và đánh giá Nội dụng chương này là tổng hợp các kết quả đạt được sau khi thi công mô hình cùng với nhận xét và đánh giá quá trình thực hiện. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Nội dụng chương này là tổng hợp các kết quả đạt được sau khi thi công mô hình cùng với nhận xét và đánh giá quá trình thực hiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ( MEMS ) 2.1 Tổng quan hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS ) Hệ thống vi cơ điện tử (micro-electro-mechanical systems), viết tắt là MEMS.
MEMS là một công nghệ xử lý được sử dụng để tạo ra các thiết bị hoặc hệ thống tích hợp nhỏ kết hợp các thành phần cơ và điện. Chúng được chế tạo bằng cách sử dụng các kỹ thuật xử lý hàng loạt mạch tích hợp (IC) và có thể có kích thước từ vài micromet đến milimet. Các thiết bị (hoặc hệ thống) này có khả năng cảm nhận, điều khiển và vận hành ở quy mô vi mô và tạo hiệu ứng trên quy mô vĩ mô. Bản chất liên ngành của MEMS sử dụng chuyên môn thiết kế, kỹ thuật và sản xuất từ nhiều lĩnh vực kỹ thuật đa dạng bao gồm công nghệ chế tạo mạch tích hợp, cơ khí, khoa học vật liệu, kỹ thuật điện, hóa học và kỹ thuật hóa học.
Sự phức tạp của MEMS cũng được thể hiện trong một loạt các thị trường và ứng dụng kết hợp các thiết bị MEMS. MEMS có thể được tìm thấy trong các hệ thống khác nhau trên các ứng dụng ô tô, y tế, điện tử, thông tin liên lạc và quốc phòng. Các thiết bị MEMS hiện tại bao gồm gia tốc kế cho cảm biến túi khí, đầu máy in phun, đầu đọc / ghi ổ đĩa máy tính, chip hiển thị chiếu, cảm biến huyết áp, công tắc quang học, cảm biến sinh học và nhiều sản phẩm khác đều được sản xuất và vận chuyển với khối lượng thương mại cao. Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silíc và do đó nó có những ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác.
Vật liệu silíc là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử, giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các phiến silíc được thực hiện trong quy mô công nghiệp. Vật liệu silíc cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện. Vật liệu silic có những tính chất cơ rất tốt: Độ bền kéo của silíc là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép là 4,2.109 N/m2 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khối lượng riêng của silíc là 2,3g/cm3 trong khi khối lượng riêng của thép là 7,9g/cm. MEMS đã được xác định là một trong những công nghệ hứa hẹn nhất cho Thế kỷ XXI và có tiềm năng cách mạng hóa cả sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng bằng cách kết hợp vi điện tử silicon với công nghệ vi mô.
Các kỹ thuật và thiết bị dựa trên hệ thống vi mô của nó có khả năng ảnh hưởng đáng kể đến tất cả cuộc sống và cách chúng ta sống. Nếu chế tạo vi mô bán dẫn được coi là cuộc cách mạng sản xuất vi mô đầu tiên, MEMS là cuộc cách mạng thứ hai. Công nghệ MEMS đã bắt đầu được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ trước, bắt đầu bằng việc chế tạo cảm biến áp suất trên cơ sở công nghệ vi cơ khối. Từ cuối những năm 80, giai đoạn phát triển thứ hai của công nghệ MEMS được bắt đầu với sự phát triển của công nghệ vi cơ bề mặt.
Ngày nay, MEMS trở thành giải pháp công nghệ được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và là mảnh đất màu mỡ cho những cách tân trong kỹ thuật. Mỗi thiết bị mới sử dụng MEMS mang những đặc tính cao hơn về chất lượng, khả năng hoạt động và giá thành. Trong quá trình phát triển của công nghệ MEMS, mô phỏng và thiết kế là quá trình rất quan trọng. Chi phí đầu tư, nghiên cứu và chế tạo sẽ được giảm thiểu nếu các kết quả mô phỏng, thiết kế là đáng tin cậy.
Đề tài rất có ý nghĩa trong việc đưa ra các cấu hình linh kiện MEMS mới và tối ưu các cấu hình sẵn có. Kết quả mô phỏng nếu sai khác 5% so với thực tế đã là rất tốt và nếu sự sai khác đó là 20% thì những thông tin thu được từ mô phỏng, thiết kế vẫn rất hữu ích. Cho đến nay, trên thế giới vẫn liên tục phát triển các phần mềm mô phỏng mới phục vụ cho công nghệ MEMS. Ở Việt Nam, việc mô phỏng và thiết kế các linh kiện MEMS vẫn còn rất mới mẻ.2 Ứng dụng của MEMS a.
Cảm biến Quán tính (Inertial sensor) Các loại cảm biến quán tính như Cảm biến gia tốc (Accelerometes) và Cảm biến con quay hồi chuyển (gyroscopes) được ứng dụng rộng rãi trong nghành hàng không, quân sự, tự động hóa, xe hơi, hải quân. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong nghành công nghiệp vũ trụ hàng không được dùng trong trạng thái bay của máy bay, tên lửa, định hướng (các dòng smartphone đời mới nhất đều hỗ trợ cảm biến gyroscopes). Trong nghành quân sự thì có các bệ phóng không đối không, không đối đất,…Trong nghành công nghiệp ô tô thì hiện tượng xe lật nhào làm bung túi khí (air bag)…Trong nghành hải quân thì dùng định hướng (Navigator) trên biển,… b. Cảm biến trong ứng dụng quang (Optical) Có hai ứng dụng cơ bản đó là công nghệ hiển thị (Display) và công nghệ chuyển mạch quang (Optical switching).
Trong công nghệ Display, công nghệ DLP (Digital Light Processing) của hãng Texas Intruments cho các máy chiếu màn hình nhỏ và lớn với thiết bị gương số DMD (Digital Mirror Device). Trong công nghệ chuyển mạch quang thì cho phép truyền ánh sáng đi trong sợi quang, các bộ Ghép kênh phân chia theo độ rộng bước sóng WDM (Wavelength- Division Multiplexing). MEMS trong vô tuyến (Radio Frequency communication). Các ứng dụng của RF MEMS bao gồm các truyền thông không dây (wireless), di động (cellular), radar, vệ tinh, …[3] 2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ( IMU ) 2.1 Tổng quan về đơn vị đo lường quán tính ( IMU ) Đơn vị đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) viết tắt là IMU, là một thiết bị điện tử đo và báo cáo lực định hướng, vận tốc và lực hấp dẫn thông qua việc sử dụng gia tốc kế (accelerometers) và con quay hồi chuyển (gyroscopes) và thường là từ kế (magnetometers).
IMU là thành phần chính của hệ thống dẫn đường quán tính được sử dụng trong máy bay, máy bay không người lái (UAV) và các hệ thống không người lái khác, cũng như tên lửa và thậm chí cả vệ tinh. Các ứng dụng phổ biến cho IMU bao gồm kiểm soát và ổn định, điều hướng và hiệu chỉnh, đo lường và kiểm tra, điều khiển hệ thống không người lái và lập bản đồ di động. Trong một hệ thống điều hướng quán tính, dữ liệu được thu thập và báo cáo bởi IMU được xử lý thông qua máy tính để tính toán vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 Tổng quan về gia tốc kế Accelerometers Khi bạn sử dụng ứng dụng la bàn trên điện thoại thông minh, bằng cách nào đó, điện thoại sẽ biết hướng điện thoại đang chỉ.
Với các ứng dụng tuyệt vời, bằng cách nào đó, nó biết nơi bạn đang tìm kiếm để hiển thị đúng các chòm sao. Điện thoại thông minh và công nghệ di động khác xác định hướng của chúng thông qua việc sử dụng máy gia tốc, một thiết bị nhỏ được tạo thành từ cảm biến chuyển động dựa trên trục. Các cảm biến chuyển động trong gia tốc kế thậm chí có thể được sử dụng để phát hiện động đất và có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế như chân tay nhân tạo và các bộ phận cơ thể nhân tạo khác. Ở một số thiết bị, một phần của chuyển động tự định lượng có sử dụng gia tốc kế.
Máy đo gia tốc là một thiết bị cơ điện dùng để đo lực gia tốc. Việc áp dụng gia tốc kế mở rộng ra nhiều ngành, cả về mặt học thuật và hướng tới người tiêu dùng. Ví dụ, gia tốc kế trong máy tính xách tay bảo vệ ổ cứng khỏi bị hư hại. Nếu máy tính xách tay bị rơi đột ngột trong khi sử dụng, gia tốc kế sẽ phát hiện ra sự cố rơi tự do và tắt ngay ổ cứng để tránh đâm đầu đọc vào đĩa cứng.
Nếu không có điều này, sẽ gây ra các vết trầy xước cho đĩa gây thiệt hại. Gia tốc kế cũng được sử dụng trong xe hơi như là phương pháp công nghiệp để phát hiện tai nạn xe hơi và triển khai túi khí gần như ngay lập tức, giúp tăng tính an toàn cho người sử dụng xe hơi. Trong một ví dụ khác, gia tốc kế động đo lực hấp dẫn để xác định góc mà thiết bị nghiêng so với Trái đất. Bằng cách cảm nhận lượng tăng tốc, người dùng phân tích cách thiết bị di chuyển.
Gia tốc kế cho phép người dùng hiểu môi trường xung quanh của vật phẩm tốt hơn. Với thiết bị nhỏ này, bạn có thể xác định xem một vật thể đang di chuyển lên dốc, liệu nó có rơi xuống nếu nó nghiêng thêm nữa hay không, hay nó bay theo chiều ngang hay hướng xuống dưới. Ví dụ: điện thoại thông minh xoay màn hình giữa chế độ dọc và ngang tùy thuộc vào cách bạn nghiêng điện thoại.