Khóa luận Sử dụng cảm biến gia tốc ADXL202 để xây dựng thiết bị trỏ thay thế cho chuột máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Hoàng Trung Thành SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL202 ĐỂ XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ THAY CHO CHUỘT MÁY TÍNH KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử - Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Vũ Hà Đồng hướng dẫn:CN. Phạm Duy Hưng HÀ NỘI – 2005 Lời cảm ơn Trước tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy giáo TS. Lê Vũ Hà, cùng Người đồng hướng dẫn cử nhân Phạm Duy Hưng thuộc Khoa Điện Tử- Viễn Thông đã tận tình hướng dẫn tôi tìm hiểu và nghiên cứu khóa luận này. Tôi cũng tỏ lòng biết ơn tới các Thầy, cô giáo trong Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã có công đào tạo, quan tâm, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Đồng thời em cũng chân cảm ơn các cán bộ trong phòng Robot đã tạo mọi điều kiện cho em làm tốt phần thực nghiệm của mình Cuối cùng, tôi muốn cám ơn tới tất cả bạn bè, gia đình và người thân đã đông viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành khóa luận này. Hà nội, ngày 1 tháng 6 năm 2005 Sinh viên TÓM TẮT NỘI DUNG Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, việc phát minh ra các linh kiện mới có kích thước vô cùng nhỏ với tính năng ứng dụng cao. Các linh kiện đã được tích hợp theo quy trình sản xuất theo công nghệ cao góp phần thu gọn các sản phẩm điện tử. Công nghệ vi cơ điện tử đã được phát triển mạnh ở nhiều nước và nó cũng được đầu tư phát triển vì trong tương lai công nghệ này sẽ góp phần vào việc phát triển ngành công nghệ điện tử với những ưu điểm của nó. Khoá luận này trình bày về vấn đề sử dụng cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS, sử dụng cảm biến gia tốc ADXL202 để xây dựng thiết bị trỏ chuột bằng tay. Xây dựng hệ thống điều khiển chuột dựa vào việc thay đổi số xung vào hai kênh X và Y của cảm biến ADXL202. Tín hiệu giả chuột được thực hiện bằng phần mềm nhúng vào vi điều khiển Basic Stamp (BS2sx). Tìm hiểu chuẩn PS/2 và cách định dạng gói dữ liệu của nó. Đồng thời khoá luận cũng tìm hiểu được dịnh dạng chuẩn PS/2 chuột. cũng như các gửi dữ liệu tới PC của nó. MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu………………………………………………………1 Chương 2: Giới thiệu tổng quan về công nghệ MEMS…………………..4 2.1. Giới thiệu chung những đặc điểm của công nghệ MEMS……….4 2.2. Xu hướng phát triển công nghệ trong tương lai…………….........5 Chương 3: Cảm biến gia tốc kiểu tụ chế tạo theo công nghệ MEMS……7 3.1 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụ…........7 3.2 Cảm biến gia tốc MEMS kiểu tụADXL202……………………….9 3.2.1 Đặc tính của cảm biến gia tốc ADXL202………………………..9 3.2.2 Cấu trúc của cảm biến ADXL202………………………………10 3.3 Đặc tuyến của cảm biến…………………………………………..16 Chương 4: Vi điều khiển Basic Stamp.........................................................18 4.1 Giới thiệu về Basic Stamp ……………………………………….18 4.2 Ngôn ngữ lập trình cho Basic Stamp …………………………….23 Chương 5: Ứng dụng cảm biến ADXL202 xây dựng hệ thống trỏ chuột máy tính……………………………………………………………………..25 5.1 Khái quát chuột máy tính…………………………………………25 5.2 Chuẩn PS/2………………………………………………………..30 5.3 Mô hình hệ thống………………………………………………….35 Kết luận………………………………………………………………………40 Phụ lục………………………………………………………………………..41 Tài liệu tham khảo 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 khối (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 thần 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 cơ 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 trường 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 tương 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 trạng 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 quả 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 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 .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 cảm 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= 0x 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 x0. Cũng trong hình 3, nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển một khoảng là x thì 0xx kCA += , 0xx kCB −= (1) hay có thể viết lại là: xx x CCA += 0 0 , xx x CCB −= 0 0 (2) do đó ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−+=−=∆ xxxxCxCCC BA 000 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 xCC ≈∆ (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 chế 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 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 3.4:Véc tơ gia tốc trên phương véc tơ gia tốc trọng trường 3.2.2 Cấu trúc của cảm biến gia tốc ADXL202: Hình 2.3 dưới miêu tả sơ đồ khối của ADXL202: Hình 3.5: Sơ đồ khối của cảm biến ADXL202 Cảm biến gia tốc hai chiều kiểu tụ cho phép xác định một cách độc lập các gia tốc theo các phương trục toạ độ X và Y. Theo sơ đồ khối ta thấy cảm biến này có hai loại lối ra đó là lối ra số trên các kênh Xout và Yout (độ rộng xung tỉ lệ với gia tốc) và lối ra tương tự trên các kênh Yfilt và Xfilt (mức điện áp tương tự tỉ lệ với gia tốc). Cảm biến có thể được sử dụng để đo cả gia tốc tĩnh và gia tốc động. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 10 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Bề mặt của cảm biến là có cấu tạo từ nhiều lớp silíc, trên bề mặt có cấu tạo là những lò xo cung cấp điện trở để kìm hãm gia tốc. Mọi sự chuyển động của những khối không cân xứng các tụ khác nhau kết quả là sẽ xuất hiện một xung vuông ở lối ra với biên độ tỷ lệ với gia tốc. Trên mỗi trục sẽ được dải điều biến chỉnh sửa tín hiệu và xác định rõ hướng của gia tốc. Lối ra này cung cấp tới bộ điều biến chu kỳ xung (DCM) đó là sự kết hợp chặt chẽ những tụ bên ngoài để đặt dải thông trên mỗi trục. Tín hiệu tương tự đã được lọc và chuyển đổi tới chu kỳ xung lối ra bởi DCM. Sau khi qua bộ DCM tín hiệu thu được sẽ là tín hiệu số. Điện trở Rset đặt độ rộng xung PWM (T2). Còn tín hiệu tương tự thu được ở các kênh Xfilt và Yfilt thông qua các tụ lọc Cx và Cy. Một điện trở ngoài đặt khoảng thời gian của chu kỳ công suất lối ra.A(g)= 0 (g) gia tốc tạo ra 50% chu kỳ xung suất lối ra. Chi phí thấp, tất cả là số, vi điều khiển có thể được sử dụng để đo gia tốc bởi sự định thời cả hai chu kỳ xung và khoảng thời gian trên mỗi trục. Cấu hình chân của cảm biến ADXL202: Hình 3.6: Sơ đồ chân của cảm biến ADXL202 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 11 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Chân Tên Mô tả chức năng 1 NC Không kết nối 2 TPV Test point 3 ST Self Test 4 COM Chân chung 5 T2 Nối với Rset để đặt T2 6 NC Không kết nối 7 COM Chân chung 8 NC Không kết nối 9 Yout Lối ra số kênh Y 10 Xout Lối ra số kênh X 11 Yfilt Lối ra tương tự kênh Y 12 Xfilt Lối ra tương tự kênh X 13 DDV +3V đến +5.25V 14 DDV +3V đến +5.25V Dạng xung lối ra số của cảm biến ADXL202: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 12 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Lối ra số của ADXL202 là bộ điều biến chu kỳ công suất. Gia tốc tỷ lệ với tỷ số T1/T2. Định mức lối ra của ADXL202 là: 0 g = 50% chu kỳ công suất Scale factor là 12.5% chu kỳ công suất thay đổi trên g Chọn dải thông sử dụng CX và CY: ADXL202 cung cấp giới hạn dải cho các chân Xfilt và Yfilt. Các tụ phải thêm tại những chân để thực hiện bộ lọc thông thấp tránh hiện tượng chồng phổ và giảm nhiễu. Công thức tính 3 db dải thông: F-3 db = )).(*)32(2( yxCkΩπ 1 Hay đơn giản hơn: F-3 db = ),( yxC 5 Fµ Dung sai của điện trở nội (Rfilt) có thể thay đổi nhiều khoảng ±25% với giá trị định mức là 32KΩ, vậy dải thông sẽ thay đổi theo. Dung kháng tối thiểu trong mọi trường hợp yêu cầu là 1000 pF cho C(X,Y). Lựa chọn tụ lọc, CX và CY: Dải thông Giá trị của tụ 10Hz 0.47µF 50Hz 0.10µF 100Hz 0.05µF ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 13 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính 200Hz 0.027µF 500Hz 0.01µF 5kHz 0.001µF Chu kỳ lối ra của DCM được đặt cho cả hai kênh bởi một điện trở đơn từ RSET tới đất. công thức tính toán chu kỳ: T2 = Ω Ω M Rset 125 )( Giá trị điện trở cho T2: T2 RSET 1ms 125kΩ 2ms 250kΩ 5ms 625kΩ 10ms 1.25MΩ Tính gia tốc lối ra: theo sự nghiên cứu và thực nghiệm thì gia tốc của cảm biến ADXL202 được tính theo công thức sau: Acceleration (in g) = gpercycleDuty gZeroatCycleDutyCycleDuty − ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 14 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Theo những đặc điểm chính của data sheet, thì định mức chu kỳ công suất lối ra của ADXL202 là 50% tại Zero g và 12.5% chu kỳ công suất thay đổi per g. Bởi vậy công thức tính chu kỳ công suất như sau: Acceleration (in g) = %5.12 %50)2/1( −TT H Người thiết kế cần nắm vững những khái niệm sau: Resolution(độ phân giải): sự thay đổi tín hiệu nhỏ nhất cần phát hiện ra. Bandwidth(băng thông): tần số cao nhất cần được phát hiện ra. Acquisition Time(thời gian nhận): đó là thời có thể nhận tín hiệu trên mỗi trục. Những khái niệm trên sẽ giúp xác định rõ dải thông của gia tốc kế, tốc độ đồng hồ của vi điều khiển và chiều dài của chu kỳ T2. Sự lựa chọn dải thông của gia tốc kế sẽ được xác định rõ bằng đo đạc độ phân dải (dải thông nhỏ nhất có thể phát hiện ra gia tốc). bộ lọc có thể được sử dụng làm giảm nhiễu nền và cải thiện độ phân giải của gia tốc kế. Độ phân giải phụ thuộc vào cả dải thông bộ lọc tín hiệu tương tự tại Xfilt và Yfilt và tốc độ của bộ đếm vi điều khiển. Lối ra của tương tự của ADXL202 có đặc trưng dải thông khoảng 5kHz, cao hơn nhiều so với trạng thái của chu kỳ công suất có khả năng chuyển đổi. Người sử dụng phải lọc tín hiệu tại những thời điểm để giới hạn hiện tượng chồng phổ. Để làm giảm tối thiểu lỗi DCM dải thông tín hiệu tương tự cần nhỏ hơn 1/10 tần số DCM. Dải thông của tín hiệu tương tự có thể giảm hơn nữa để làm giảm nhiễu và cải thiện độ phân giải. Nhiễu của ADXL202 có thể xác định thông qua công thức sau: Noise(rms) = (500 µg/ z )*( ). 5.1*BW Tại 100Hz giá trị của nhiễu sẽ là: ) =6.12 mg Noise(rms) = (500 µg/Hz)*( )5.1(*100 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 15 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Thường thì giá trị đỉnh của nhiễu là giá trị mong muốn. nhiễu đỉnh – đỉnh được ước lượng bằng phương pháp thống kê. Bandwith CX,CY Rms noise Peak to peak noise 10Hz 0.47µF 1.9 mg 7.6 mg 50Hz 0.10µF 4.3 mg 17.2 mg 100Hz 0.05µF 6.1 mg 24.4 mg 200Hz 0.027µF 8.7 mg 35.8 mg 500Hz 0.01µF 13.7 mg 54.8 mg 3.3.Đặc tuyến ra của ADXL202: Khảo sát hệ hệ giao động lò so ta thấy mối quan hệ giữa số xung thu được từ bộ đếm và góc nghiêng của cảm biến so với phương của trọng trường ta thu được tín hiệu hình sin điều hoà như hình vẽ 2.7. Phương trình của dạng xung lối ra : P(t) = Asin(αt + ϕ) + offset Theo hình vẽ 2.7 ta có: - Biên độ của đặc tuyến: A = 2 minmax PP − - Độ dịch offset: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 16 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Offset = A + Pmin = 2 minmax PP + Hình 3.7: Mối quan hệ giữa góc và xung lối ra Từ các phương trình trên ta có cơ sở để tính toán góc nghiêng dựa vào lối ra số của cảm biến gia tốc: Xung = Asin(góc) + offset Góc = arcsin[(xung - offset)/A] Pitch = arcsin[(xung - offset)/A] Pitch = arcsin[(xung - offset)/A] Tín hiệu lối ra là chu kỳ hình sin biến đổi từ 0Æ360o, hai kênh X và Y lệnh pha 90o và hoàn toàn độc lập với nhau. Sở dĩ đặc tuyến của ADXL202 có dạng Sin điều hòa, do cấu tạo của nó là dạng tụ, để thay đổi gia tốc thì những bản tụ phải thay đổi khoảng cách sự thay đổi đó làm cho số xung phát ra thay đổi trên hai kênh X và Y dựa vào phần mềm nhúng vào Basic Stamp và dụng cụ đo ta thấy số xung ra quan hệ với ra tốc góc theo phương trình giao động điều hòa cho nên đặc tuyến lối ra là giao động điều hòa dạng sin. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 17 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU VỀ VI ĐIỀU KHIỂN BASIC STAMP 4.1. Giới thiệu về Basic Stamp Basic Stamp là vi điều khiển được phát triển bởi Paralax, nó rễ lập trình sử dụng ngôn ngữ lập trình Basic Stamp. Nó được gọi là “Stamp” vì nó có kích thước trung bình của một tem thư. Hiện tại có hai họ Stamp được biết đến là Basic Stamp I, Basic Stamp II. Trong đó Basic Stamp II lại được chia ra theo tiêu chuẩn và chức năng thực hiện cao đó là hai loại (- SX và - E). Và hiện nay thì Basic Stamp II được sử dụng rộng rãi hơn với những tiến bộ của nó. Cả hai họ Stamp đều có những đặc điểm chung: - Kích thước nhỏ. - Sử dụng nguồn một chiều từ 5V – 15V, phụ thuộc vào ứng dụng. - Chương trình Basic được lưu trữ trong bộ nhớ cố định EEPROMS nên không bị mất khi nguồn bị mất. Bất cứ khi nào nguồn được nối, Stamp sẽ chạy chương trình Basic trong bộ nhớ. Stamp có thể lập trình lại và nạp lại bất cứ khi nào nó được kết nối với PC. Soạn thảo một chương trình mới, ấn một phím chạy chương trình, và chương trình sẽ được nạp vào trong Stamp. - Các chân vào ra (I/O) có thể được kết nối với thiết bị số khác, đối với Basic Stamp I thì dòng tiêu thụ khi đang ở trạng thái chạy là 2mA và khi ở trạng thái nghỉ là 20µA. Còn đối với Basic Stamp II thì dòng tiêu thụ khi đang ở trạng thái chạy là 8mA và khi ở trạng thái nghỉ là 100µA. - Giá thành không cao song dựa vào bộ vi xử lý PIC có thể cho phép vận hành 5 triệu lệnh ngôn ngữ máy trên giây. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 18 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Mạch Basic Stamp là vi điều khiển (máy tính thu nhỏ) dùng thiết kế để sử dụng trong những ứng dụng rộng dãi. Nhiều dự án đòi hỏi gắn vào hệ thống xử lý thông minh có thể sử dụng Basic Stamp để điều khiển. Mỗi Basic Stamp ở trên một chíp Basic, bộ nhớ trong (RAM và EEPROM) điều chỉnh hiệu điện thế nuôi là 5V. Chúng ta xác định rõ phát triển PBASIC cho Basic Stamp vì nó rất đơn giản, dễ học học ngôn ngữ lập trình thích, thích hợp với với công việc thiết kế và điều khiển. Nó bao gồm nhiều lệnh đặc chưng trong những dạng khác nhau của Basic (GOTO, FOR…NEXT, IF…THEN…ELSE) và một số lệnh đặc biệt (SERIN, SEROUT, PWM, COUNT). Basic Stamp sử dụng trong phần thực nghiệm là BS2sx Hình 4.1: Vi điều khiển BS2sx Các đặc tính của nó được trình bày trong bảng sau đây: Tên chíp BS2Sx Môi trường 0° đến 70° Vi điều khiển Microchip Pic 16C57c Tốc độ xử lý 50MHz Tốc độ thực hiện chương trình 10.000 lệnh/s Kích thước RAM 32Bytes Kích thước ẺEPOM Số chân vào ra I/O 16K Bytes 16 Giao tiếp máy tính PC Nối tiếp (9600 Baud) ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 19 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Vi điều khiển BS2sx có 24 chân, bao gồm các chân vào ra chân nguồn, đất. với kích thước khoảng 16 mm. Hình 4.2: Sơ đồ chân vi điều khiển BS2sx Số chân Tên Mô tả 1 SOUT Serial out: được nối với chân Rx của cổng truyền nối tiếp DB9. 2 SIN Serial in: được nối với chân Tx của cổng truyền nối tiếp DB9 3 ATN Được nối với chân DTR của cổng truyền nối tiếp 4 VSS Nối với chân GND của cổng truyền nối tiếp 5-20 P0-P15 Chân vào/ra mục đích chung được chia làm hai nhóm mỗi nhóm 8 chân 21 VDD Được nối với nguồn DC 5V 22 RES Reset 23 VSS Được nối với dây đất của nguồn 24 VIN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 20 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Khi chúng ta sử dụng Basic Stamp, hay bất cứ một chíp IC nào thì nên làm theo những nguyên tắc dưới đây: 1. Đặt hệ thống ở vị trí cân bằng và không có sự phóng tích điện. Basic Stamp, hoặc giống như những IC khác, có thể bị phá hủy bởi hiện tượng phóng điện tĩnh thường xảy ra khi chạm vào bề mặt của vật dẫn điện khác. Điều kiện môi trường (thay đổi độ ẩm, gió, độ dốc bề mặt…). Ảnh hưởng đến bề mặt của linh kiện nên cần chú ý khi chạm vào bề mặt của linh kiện. 2. Kiểm tra nguồn đã được tắt trước khi nối hoặc ngắt kết nối. 3. Kiểm tra sự định hướng của Basic Stamp trước khi kết nối với bản mạch hoặc các mạch điện tử khác. Ta nên kiểm tra các loại Basic Stamp trước khi kết nối, vì có rất nhiều loại Basic Stamp nên để tránh những hỏng hóc mạch có thể xảy ra ta cần kiểm tra kỹ trước khi kết nối. Chương trình kết nối Basic Stamp Chúng ta cần cẩn thận xem sét các sơ đồ một cách tỷ mỉ, bởi vì có thể xuất hiện những lỗi rất bình thường khi kết nối giữa chương trình với bản mạch. Với những chương trình kết nối cho tất cả loại BS2, nó có thể đảo lộn một cặp dây dẫn và vẫn lấy kết quả dương sử dụng một trong những kết nối để kiểm tra công nghệ. Thương xuyên kiểm tra kết nối bằng đồng hồ điện và kiểm tra số chân tránh nhầm lẫn. Đối với BS2: ta thấy PC kết nối với BS2 thông qua cổng nối tiếp DB9 chân, chương trình lập trình sẽ được nạp từ PC đến BS2 thông qua cổng nối tiếp này. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 21 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 4.3: Kết nối BS2 với PC thông qua cổng COM. Kết nối với vi điều khiển ADXL202: Hình4.4: Sơ đồ ghép nối Basic Stamp với ADXl202 Các trang thiết bị cần thiết để tiến hành thực nghiệm các chương trình Basic Stamp là: - Có một Basic Stamp. - Có một mạch tương thích và dây nối. - Nguồn cung cấp là nguồn một chiều phù hợp với mạch. - Một máy tính PC có thể là Windows 98/NT/2000/XP. Kết nối và nạp chương trình: 1. Nếu Basic Stamp chưa được chốt vào trong bản mạch, thì hãy kết nối nó vào. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 22 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính 2. Nếu đang sử dụng bản mạch của Parallax, thì có thể kết nối với máy tính theo sơ đồ dưới đây. Còn nếu sử dụng một bản mạch riêng nên chú ý kết nối chương trình. Hình dưới đây miêu tả kết nối chương trình của BS2: 1) Kết nối Basic Stamp vào khe cắm, cần chú ý hướng nối. 2) Nối chín chân cái vào cổng DB9(cổng COM) đực của máy tính. 3) Cắm vào nguồn từ 6-9V (300mA) cung cấp vào trong lỗ trống. 4) Cấp nguồn một chiều 9V cho mạch. Hình 4.5: Mô hình ghép nối của BS2 4.2 Ngôn ngữ lập trình Basic Stamp Cài đặt chương trình phiên bản phần mềm Basic Stamp, soạn thỏa chương trình, sau đó chạy thử. Kiểm tra xem PC đã kết nối với Basic Stamp: và qua cổng COM mấy và chạy chương trình đã soạn thảo. khi mà các phần của thiết bị đã được kết nối, như cổng com, cổng chuột, nguồn nuôi cho Basic Stamp: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 23 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 4.6: Chương trình soạn thảo trên Basic Stamp việc lập trình đòi hỏi phải có kiến thức về ngôn ngữ Basic Stamp, nó là ngôn ngữ không có cấu trúc. Tuy đơn giản song chúng ta phải làm sao xây dựng được lưu đồ để giải quyết vấn đề của bài toán đề ra. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 24 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG CẢM BIẾN KIỂU TỤ ADXL202 XÂY DỰNG THIẾT BỊ TRỎ CHUỘT MÁY TÍNH 5.1. Khái quát về chuột máy tính: Chuẩn PS/2 là chuẩn kết nối các thiết bị ngoại vi kết nối với máy tính. Các thiết bị ngoại vi đó là chuột và bàn phím (mouse and keyboard). Để xem xét chuẩn này ta đi vào tìm hiểu nguyên lý của chuột hay bàn phím xem nguyên lý làm việc của nó, các truyền và nhận dữ liệu. Định dạng các gói dữ liệu, các tín hiệu đồng bộ của nó CLK… Mô hình của của hệ thống điều khiển chuột: Bộ cảm biến → bộ điều khiển chuột → liên kết truyền dữ liệu → dao diện dữ liệu → bộ điều khiển → phần mềm. Bộ cảm biến là bộ phận dò tìm sự chuyển động (điển hình là cơ quang) cảm biến di sự chuyển của chuột và cảm biến trạng thái của những nút bấm. Bộ điều khiển chuột đọc trạng thái của những bộ cảm biến và lấy thông số hiện hành vị trí chuột. Khi những thông tin thay đổi thì bộ điều khiển chuột gửi những gói dữ liệu tới bộ điều khiển giao diện dữ liệu máy tính. Bộ điều khiển chuột trong máy tính nhận những gói dữ liệu và giải mã những thông tin từ những gói đó và tiến hành làm việc theo những dựa trên những thông tin đó. Đặc trưng của bộ điều khiển chuột là có thông tin hiện hành về trạng thái của chuột (vị trí và trạng thái của những nút bấm) và sẽ ra lệnh khi áp dụng hoặc vận hành khi có yêu cầu. Đặc trưng của bộ điều khiển chuột là con trỏ chuột chuyển động theo theo lộ trình khi chuột chuyển động và gửi thông tin tới phần mềm khi chuột được nhấn. Đặc trưng của bộ điều khiển chuột PC hiện đại là sự di chuyển của con trỏ trên màn hình không tuyến tính với sự chuyển động của chuột. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 25 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Công việc đầu tiên là phát hiện sự chuyển động. Có hai sự chuyển động cơ bản được sử dụng trong thiết bị: sự chuyển động của con trỏ để xác định phạm vi chuyển động và sau đó xác định đích chính xác. Hai sự chuyển động này có luật trái ngược, vậy nên người ta đã giải quyết vấn đề này bởi sự phân định sự chuyển động của chuột và sự thay đổi đặc trưng CPI (counts per inch). Khi chuột đã di chuyển chầm chậm tốc độ khoảng 100 CPI và khi chuột chuyển động nhanh thì tốc độ khoảng 400 CPI. Phương pháp này dùng để hiệu chỉnh CPI dựa trên sử dụng bộ điều khiển trong Windows để chuyển đổi sự dịch chuyển của chuột thành sự dịch chuyển con trỏ trên màn hình. Những thông tin về phần cứng của chuột: Chuột lấy tín hiệu ra theo chuẩn nối tiếp RS_232C: 1 Microcontroller 2 Motion detection 3 Button detection 4 RS_232 signal generation 5 5VDC power supply unit Chuột gửi dữ liệu tới máy tính ở mức mà chuẩn RS_232C có thể nhận và chip trong máy tính có thể hiểu được mức vào của RS_232C. lối ra chuột thường khoảng ±5V, thỉnh thoảng ±12V, chuột điện tử thường sử dụng mức thế là +5V. Cài đặt phần cứng: Chuột nối tiếp PC sử dụng đường đặc trưng DTR và RTS để tạo ra nguồn +5V cho mạch vi điều khiển ở trong chuột. vì đặc trưng của chuột cơ quang cũng cần nguồn ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 26 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính cho bốn đèn led trong bộ dò tìm chuyển động quang. Phương pháp đặc trưng là sử dụng diot để lấy dòng từ đường DTR và RTS và tử đó cung cấp thông qua điên trở tới tất cả các đèn hồng ngoại (infrared leds) trong bộ dò tìm chuyển động. Tất cả bốn đèn hồng ngoại được nối nối tiếp với nhau, với thế khoảng +5V qua tất cả các đèn (đặc điểm của những led sử dụng trong chuột). nguồn +5V này hoàn toàn tương thích với nguồn của vi điều khiển chuột. Mạch truyền dữ liệu nối tiếp bao gồm những mạch transistor riêng rẽ đơn giản để tạo mạch tiêu thụ nguồn thấp. Nguồn dương cung cấp lấy từ đường RTS và DTR (sau các diode và trước những điện trở tới đèn led). Nguồn âm cung cấp cho truyền lấy từ chân TD. Đặc trưng của cổng chuột nối tiếp PC lấy dòng 10mA trong tổng dòng và vận hành với mức thế nằm trong khoảng 6-15V. Dữ liệu được gửi sử dụng chuẩn đồng bộ nối tiếp RS_232C. Định dạng của nó như sau: Hinh 5.1: Định dạng dữ liệu chuột ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 27 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Sơ đồ chân: 9 Pin 25 Pin Tên chân Chú thích Shell 1 Chân đất bảo vệ 3 2 TD Dữ liệu nối tiếp từ PC đến chuột 2 3 RD Dữ liệu nối tiếp từ chuột tới PC 7 4 RTS Mức thế dương tới chuột 8 5 CTS 6 6 DSR 5 7 Tín hiệu đất 4 20 DTR Mức thế dương tới chuột RTS = yêu cầu truyền CTS = xóa sạch và truyền DSR = dữ liệu sẵn sàng DTR = dữ liệu đầu cuối sẵn sàng. Cả chân RTS và DTR phải ở mức dương. Các thông số dữ liệu nối tiếp: Tốc độ 1200bps, 7 bit dữ liệu, 1 bit stop ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 28 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Đinh dạng dữ liệu: gói dữ liệu được chia thành 3 byte, nó được gửi tới máy tính trong thời gian mỗi lần trạng thái của chuột thay đổi (chuột được di chuyển hoặc phím của chuột được nhấn hoặc bỏ nhấn). Định dạng dữ liệu của nó như sau: Bít mặt nạ sẽ là 0 nếu chuột nhận 7 bit dữ liệu và 2 bit stop. Nó cũng có thể sử dụng 8 bit dữ liệu và 1 bit stop trong trường hợp bit mặt nạ bit x là 1. và định dạng tốt nhất là 7 bit dữ liệu và 2 bit stop. Bit D6 trong byte thứ nhất sử dụng để đồng bộ phần mềm tới gói dữ liệu chuột nếu như nó không được đồng bộ. LB là trạng thái của phím chuột trái (1 có nghĩa là được bấm) RB là trạng thái của phím chuột phải (1 có nghĩa là được bấm) X7 – X0 chuyển động theo hướng của trục X (signed byte) Y7 – Y0 chuyển động theo hướng của trục Y (signed byte) Giao diện đồ miêu tả dữ liệu chứa đựng những gói như thế nào: Hình 5.2: Các gói dữ liệu ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 29 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính chuột PC hiện nay ngoài 2 nút có thể nhấn hoặc nhả nó còn thêm nút ở giữa để rê văn bản hoặc các tính năng thích hợp khác. Đinh dạng dữ liệu của nó không chỉ 3 byte nữa mà định dạng dữ liệu của nó bây giờ là 5 byte. Tốc độ 1200bps, 8 bit dữ liệu, 1 bit stop. Dữ liệu được gửi trong 5 byte từ chuột tới PC máy tính: LB trạng thái của phím trái của chuột (0 chuột được bấm, 1 chuột thôi bấm) CB trạng thái của phím trung tâm của chuột (0 chuột được bấm, 1 chuột thôi bấm) RB trạng thái của phím phải của chuột (0 chuột được bấm, 1 chuột thôi bấm) X7 – X0 chuyển động theo hướng của trục X từ gói cuối cùng của định dạng signed byte (-128….+127), hướng dương bên phải. Y7 – Y0 chuyển động theo hướng của trục Y từ gói cuối cùng của định dạng signed byte (-128….+127), hướng dương bên trên. X7’ – X0’ chuyển động theo hướng trục X từ khi gửi gói dữ liệu X7 – X0 trong định dạng signed byte (-128….+127) hướng dương bên phải. Y7’ – Y0’ chuyển động theo hướng trục Y từ khi gửi gói dữ liệu Y7 – Y0 trong định dạng signed byte (-128….+127) hướng dương bên trên Hai byte cuối cùng trong gói dữ liệu (byte 4 và byte 5) chứa đựng thông tin về sự thay đổi dữ liệu chuyển động diễn ra sau khi byte 2 và byte 3 đã được gửi. 5.2. Chuẩn PS/2: Dưới đây là mô hình kết nối mạch Basic Stam thông qua mạch cách ly quang có tác dụng kháng nhiễu tới chuột PS2: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 30 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 5.3: Mô hình kết nối PS/2 đến Basic Stamp thông qua cách ly quang Chuột PS/2 được kết nối với máy tính sử dụng 6 loại chân nối giống nhau như bàn phím PS/2. Dữ liệu được gửi sử dụng giao thức đồng bộ nối tiếp sử dụng xung Clock phát đồng thời với dữ liệu chuột tương tự như giao thức dùng trong bàn phím PS/2. Chuột PS/2 ngày càng trở nên phổ dụng vì nhiều máy tính mới có cổng chuột PS/2 tích hợp và nó cũng thích hợp cho các thiết bị khác dùng. Hình 5.4: Tín hiệu đồng hồ và tín hiệu dữ liệu ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 31 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Độ phân giải chuột và sự tự hiệu chỉnh tốc độ: Chuẩn chuột PS/2 xác định tới 160 CPI và có thể chuyển tới 40, 80, 160 hoặc 320 CPI với phần mềm. Tốc độ tự hiệu chỉnh cực đại cho chuột PS/2 là 40 report/ second * 225 counts per repord = 10200 counts per second. Định dạng gói dữ liệu: L trạng thái phím chuột trái (1 nếu nó được nhấn xuống ) R trạng thái phím chuột phải (1 nếu nó được nhấn xuống ) X0 – X7 chuyển động theo hướng của trục X (giới hạn -128-> +127) Y0 – Y7 chuyển động theo hướng của trục Y (giới hạn -128->+127) XS,YS chuyển động dữ liệu những bit dấu (1 = phủ định) XV,YV chuyển động những bít tràn (1 = nếu hiện tượng tràn xảy ra) Dưới đây là là ví dụ việc gửi dữ liệu tới máy tính: Chuyển động sang trái một đơn vị: 0x18, 0xFF, 0x00 Chuyển động sang phải một đơn vị: 0x08, 0x01, 0x00 Chuyển động xuống dưới một đơn vị : 0x28, 0x00, 0xFF Chuyển động sang lên trên đơn vị: 0x08, 0x00, 0x01 Nhấn phím chuột trái: 0x09, 0x00, 0x00 Thả nhấn phím chuột trái: 0x08, 0x00, 0x00 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 32 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Nhấn phím chuột phải: 0x0C, 0x00, 0x00 Thả nhấn phím chuột phải: 0x08, 0x00, 0x00 Kết nối vật lý: Bộ kết nối chuột PS/2 đề cập chân ra khi chúng được kết nối với máy tính. Chuột kết nối theo chuẩn PS/2 có 6 chân. Chức năng của các chân như sau: 1 Data (chân dữ liệu) 2 No connection (chân không kết nối) 3 GND (chân nối đất) 4 +5V (chân kết nối với nguồn dương 5V) 5 CLK (lối vào xung nhịp) 6 No connection (chân không kết nối) Số chân được sắp xếp theo hình sau: Hình 5.5: Sơ đồ chân của chuột PS/2 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 33 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Sự định hướng truyền được điều khiển bởi đường CLK và Data cả hai được nuôi bởi thiết bị cực góp mở. với máy tính hoặc chuột có thể đặt đường đó là “0”, trong trường hợp không truyền có thể đặt đường đó là “1”. Và dữ liệu có thể đặt là “0” hoặc “1”. Nếu thiết bị (bàn phím hoặc chuột ) muốn gửi thông tin. Nó phải kiểm tra tín hiệu clock nó phải ở mức lôgic cao. Trong trường hợp tín hiệu clock ở mức thấp, điều đó có nghĩa là máy tính ngăn cản việc truyền tín hiệu và như vậy thiết bị phải chờ cho đến tận khi mà máy tính giải phóng tín hiệu clock. Tín hiệu clock phải tiếp tục ở mức cao tối thiểu 50 micro giây trước khi thiết bị bắt đầu truyền dữ liệu. Thiết bị soạn thảo từng bit của đường Data khi tín hiệu clock ở mức cao, và nó được đọc bởi máy tính khi tín hiệu clock ở mức thấp. Máy tính có thể ngăn cản truyền trước xung thứ 11. Nếu việc truyền đã kết thúc, thiết bị phải hủy trạng thái truyền hiện hành và chuẩn bi dữ liệu để truyền lại khi mà máy giải phóng tín hiệu clock. Sơ đồ sau miêu tả đặc trưng liên tiếp của sự kiện khi máy tính nhận dữ liệu từ máy tính: Hình 5.6: Việc gửi tín hiệu CLK và dữ liệu liên tiếp đến host. 1. Thiết bị kiểm tra tín hiệu clock. Nếu đường tín hiệu thấp, việc truyền từ thiết bị bị ngăn cản. 2. Thiết bị kiểm tra đường dữ liệu. Nếu đường này là thấp, bộ điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính. 3. Thiết bị kiểm tra tín hiệu clock trong suốt quá trình truyền trong khoảng thời gian không quá 100 micro giây. Nếu thiết bị thấy máy tính dữ tín hiệu clock ở ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 34 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính mức thấp, việc truyền chấm dứt. Máy tính có thể chấm dứt việc truyền bất cứ thời gian nào trong khoảng 10 chu kỳ đầu. 4. Kiểm tra lần cuối cho việc kết thúc truyền được thực hiện tối thiểu trong 5 micro giây sau clock thứ 10. 5. Máy tính có thể dữ tín hiệu clock ở mức thấp ngăn cản việc truyền kế tiếp 6. Máy tính có thể đặt đường dữ liệu thấp nếu nó có byte truyền tới thiết bị. Đường dữ liệu đặt là thấp khi mà bít start (luôn là 0) được đặt vào đường dữ liệu. 7. Máy tính làm tăng tín hiệu clock để cho phép truyền. 5.3 Mô hình hệ thống: Mục đích của khoá luận này là xây dựng hệ thống trỏ chuột máy tính sử dụng giao diện haptic, giao diện giữa người – và máy. Với việc gắn các cảm biến gia tốc kiểu tụ ADXL202 lên ngón tay để điều khiển chuột máy tính. Bằng những chuyển động thay đổi của tay như sang trái hoặc sang phải thì con trỏ chuột trên màn hình cũng chuyển động theo hoặc khi ta chuyển động tay lên trên hoặc xuống dưới thì con trỏ cũng phải chuyển động tương tự. Phần gia tốc động để xác định trạng thái của các ngón tay hay xác định các ngón tay (phím của chuột) được nhấn hay không nhấn để con trỏ chuột. Các cảm biến gắn trên tay có tác dụng thu nhận sựt thay đổi vị trí, trạng thái của bàn tay và các ngón tay để phát xung điều khiển. Trong quá trình làm khoá luận này do thời gian còn hạn chế cho nên về phần đo gia tốc động của cảm biến gia tốc để thực hiện việc nhấn các phím chuột chưa thực hiện được. Tôi hy vọng một ngày nào đấy có thể tiếp tục thực hiện và hoàn thành đề tài của mình. Sau đây là sơ đồ khối các hệ thống của thực nghiệm: bao gồm một cảm biến gia tốc kiểu tụ ADXL202 sử dụng lối ra số. Một vi điều khiển Basic Stam BS2sx, một cổng COM chín 9. để kiểm tra thực nghiệm ta cần một máy PC để lập chương trình và nạp phần mềm nhúng vào vi điều khiển Basic Stamp, nguồn một chiều nuôi vi điểu khiển +12V, một dây cổng COM kết nối với máy tính. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 35 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Hình 5.7: Các khối kết nối - Sensor sử dụng cảm biến ADXL202 kiểu tụ. - µP dùng Basic stamp (BS2sx). - Kết nối máy tính thông qua cổng chuột PS/2. sử dụng chuẩn PS/2 để kết nối. Hình 5.8: Mô hình hệ thống ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 36 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Xây dựng hệ thống trỏ chuột máy tính sử cảm biến kiểu tụ ADXL202. vấn đề chính của mô hình này là việc tạo tín hiệu giả như tín hiệu phát từ chuột PS/2 tới máy tính tín hiệu đó phải hoàn toàn đồng bộ với tín hiệu thật. ta gắn chíp cảm biến ADXL202 kiểu tụ lên ngón tay sự thay đổi của ngón tay sẽ làm thay đổi số xung phát ra từ kênh X và Kênh Y của cảm biến thông qua chương trình nhúng trong Basic Stamp sẽ điều khiển chuột chạy theo sự thay đổi số xung phát ra đó. Đặc tính của cảm biến là có hai kênh và hai kênh đó thay đổi theo gia tốc góc. Vậy để xây dựng được lưu đồ cho bài toán điều khiển chuột bằng cảm biến ADXL202 thông qua mạch Basic Stamp ta cần phải dựa vào những đặc tính của ADXL202: Hình 5.9: Hướng của các kênh X và Y ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 37 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Sau đây là lưu đồ thuật toán của bài toán điều khiển chuột PS/2: giải thích sơ qua chương trình: đâu tiên thì ta cần phải đọc dữ liệu phát ra từ cảm biến ADXL202 bằng lệnh Pulsin số chân, trạng thái, biến số. Trong đó : - Số chân: chân nào đã được nối với mạch Basic Stamp từ cảm biến kiểu tụ ADXL202. - Trạng thái: giá trị mức lối ra ở trạng thái cao hay thấp (1 hoặc 0). - Biến số: giá trị của xung lối ra thường ở dạng (word). ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 38 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Sau khi lấy được số liệu từ cảm biến thông qua lối chân lối ra xung của ADXL202 ta tiến hành lấy số liệu hai lần liên tiếp nhau để xem số liệu các kênh đang tăng hay giảm để tiến hành chọn bít hướng cho toạ độ con trỏ chuột trên màn hình. Vì số liệu lấy từ cảm biến dạng word nên ta cần chuyển đổi nó sang dạng byte để phù hợp với định dạng gói dữ liệu giống như chuẩn PS/2. Ta tiến hành ghép dữ liệu vào các gói dữ liệu của chuẩn PS/2 để chuẩn bị truyền, tín hiệu sẽ được nhận từ host vì ta đã chuẩn hoá nó như tín hiệu của chuột PS/2 nên nó sẽ di chuyển theo sự thay đổi số xung phát ra từ cảm biến. Vấn đề trình bày trong khóa luận này chỉ là một ứng dụng nhỏ của cảm biến ADXL202 và của Basic Stamp. Vì hiện nay những thiết bị này được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống, của khoa học. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 39 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Kết luận Sau quá trình học tập và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của các thầy hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa, em đã hoàn thành được khoá luận tốt nghiệp với đề tài nghiên cứu xây dựng hệ thống trỏ chuột sử dụng cảm biến ADXL202, kết hợp với mạch Basic Stamp phát tín hiệu điều khiển chuột máy tính. Với những kết quả buớc đầu như trên trong thời gian tới em hy vọng sẽ tiếp tục hoàn thiện đề tài hơn nữa, theo hướng tăng độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống. Qua đó em cũng tìm hiểu được cấu trúc của ADXL202, đặc tuyến lối ra của nó. Mạch Basic Stamp và cách lập trình và nạp chương trình, định dạng của chuẩn PS/2 và cách gửi dữ liệu tới PC thông qua cổng PS/2. Kết quả của việc làm thực nghiệm cũng phản ánh được kết quả nghiên cứu lý thuyết. Em hy vọng từ khóa luận này sau này em có thể tìm hiểu được những dụng điều khiển với quy mô lớn hơn phục vụ cho cuộc sống. ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 40 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính Phụ lục Sau đây là chương trình viết trên ngôn ngữ Stamp cho vi điều khiển BS2sx điều khiển con trỏ chuột trên màn hình máy tính: '==================================================================== '{$STAMP BS2} 'STAMP directive (specifies a BS2) DIR0 = %1 'Set pin 0 to OUTPUT DIR1 = %1 'Set pin 1 to OUTPUT OUT0 = %0 'Set DATA line high (pin low) OUT1 = %0 'Set CLOCK line high (pin low) tempData VAR BYTE tempParity VAR BYTE '------------------------------------------------------------------ -- MainLoop: tempCounter VAR WORD FOR tempCounter = 0 TO 10 tempData = $28 GOSUB TransmitPacket tempData = $01 GOSUB TransmitPacket tempData = $ff GOSUB TransmitPacket tempData = $00 GOSUB TransmitPacket PAUSE 100 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 41 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính NEXT FOR tempCounter = 0 TO 10 tempData = $18 GOSUB TransmitPacket tempData = $ff GOSUB TransmitPacket tempData = $01 GOSUB TransmitPacket tempData = $00 GOSUB TransmitPacket PAUSE 100 NEXT GOTO MainLoop STOP '------------------------------------------------------------------ -- TransmitPacket: GOSUB ComputeParity 'First, compute parity tempData = ~tempData 'Invert data bits tempParity = ~tempParity 'Invert parity bit '==== Start Bit ==== OUT0 = %1 'Set data line low (output high) PULSOUT 1, 25 ' Pulse line 1 for (25*2) = 50 usec '==== Data Bits ==== OUT0 = tempData.BIT0 PULSOUT 1, 25 ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 42 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính OUT0 = tempData.BIT1 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT2 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT3 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT4 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT5 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT6 PULSOUT 1, 25 OUT0 = tempData.BIT7 PULSOUT 1, 25 '==== Parity Bit ==== OUT0 = tempParity.BIT0 PULSOUT 1, 25 '==== Stop Bit (high) ==== OUT0 = %0 ' pin low is DATA high PULSOUT 1, 25 PAUSE 1 ' Necessary? Provides 1 msec gap between packets... RETURN '------------------------------------------------------------------ -- ComputeParity: ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 43 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính tempParity = $01 tempParity = tempParity + tempData.BIT0 tempParity = tempParity + tempData.BIT1 tempParity = tempParity + tempData.BIT2 tempParity = tempParity + tempData.BIT3 tempParity = tempParity + tempData.BIT4 tempParity = tempParity + tempData.BIT5 tempParity = tempParity + tempData.BIT6 tempParity = tempParity + tempData.BIT7 tempParity = tempParity & $01 RETURN '==================================================================== ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 44 Khóa luận tốt nghiệp Xây dựng thiết bị trỏ chuột máy tính ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - DHQG HN 45