cartoonphuc2
New Member
Tải Khóa luận Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến
Tóm tắt nội dung Vào năm 2007, TS. Chử Đức Trình và nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra thiết bị vi kẹp có gắn cảm biến. Thiết bị này có chiều dài là 490 µm, chiều rộng là 350 µm, chiều dày là 30 µm với khoảng cách giữa hai miệng của vi kẹp là 40 µm. Vi kẹp có đặc điểm nổi bật là điện áp ứng dụng tối đa khoảng 4.5 V, với actuator được thiết kế linh hoạt như mô hình lược silicon. Thiết bị này phát huy tác dụng hiệu quả trong trường hợp thao tác kẹp các vật cỡ µm. Việc thiết kế một mạch điều khiển cho vi kẹp này là rất quan trọng và cần thiết. Do vậy khóa luận này trình bày vấn đề thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến.
Khóa luận gồm những nội dung chính sau:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về vi kẹp có gắn cảm biến và bài toán điều khiển. Trong chương này sẽ giới thiệu về tác dụng và những đặc tính kĩ thuật của vi kẹp. Tại sao phải thiết kế một thiết bị với những đặc điểm như vậy? Và vấn đề điều khiển thiết bị này như thế nào? Những yêu cầu của quá trình thiết kế.
Chương 2 giới thiệu về họ vi điều khiển 16 bit MSP430x1xx. Chương này đề cập đến những đặc điểm đặc trưng của họ vi điều khiển 16 bit này, các cổng vào/ ra số, truyền nối tiếp không đồng bộ, các bộ biến đổi ADC, DAC 12 bit.
Chương 3 chia làm hai phần chính: Phần 1 trình bày về thiết kế phần cứng bo mạch điều khiển vi kẹp. Trong phần này trình bày nguyên lý hoạt động và thiết kế của các khối khuếch đại tín hiệu vi sai, khối điều khiển trung tâm, khối ghép nối máy tính, khối điều khiển vi kẹp. Phần hai trình bày về công cụ lập trình và cách cấu hình hoạt động cho vi điều khiển MSP430F167.
Chương 4 kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu trong thời gian tới.
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Khoảng cách giữa hai hàm vi kẹp được giám sát bởi thế ra của cầu Wheatstone. Lực tiếp xúc giữa vi kẹp và vật được xác định dựa trên độ dịch chuyển và độ cứng của cánh tay vi kẹp.
Hình 1.2 biểu diễn mặt cắt ngang và biểu diễn bề mặt chế tạo của cảm biến có gắn vi kẹp.
1.1.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon
Cảm biến có gắn vi kẹp được thiết kế ở trạng thái thường mở. Cấu trúc của vi kẹp dựa trên silicon kết hợp với polymer, mỗi bộ chấp hành bao gồm 41 răng lược silicon với những lớp polymer SU8 ở giữa. Mỗi răng silicon có chiều rộng là 6 µm, chiều dài là 75 µm, và bề dày là 30 µm. Lớp polymer SU8 có chiều rộng là 3 µm.
Hình 1.1: Hình vẽ nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm biến
Hình 1.2: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay của vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu hình học và các thông số. Biểu diễn cấu hình của cầu Wheatstone.
1.1.4 Thông số kỹ thuật của vi kẹp có gắn cảm biến
Hình 1.3 biểu diễn một vài trạng thái khác nhau của miệng vi kẹp. Hình 1.3(a) là trạng thái không hoạt động của vi kẹp với độ mở là 40 µm. Khoảng cách giữa hai miệng có thể được đóng tới 8 µm khi áp dụng một điện thế khoảng 4.5 V tới các cánh tay (hình 1.3 b). Trong hình 1.3 (c) và (d) minh họa cho thao tác kẹp dây kim loại 23 µm.
Hình 1.3: Hoạt động của thiết bị
a) vị trí ban đầu miệng của vi kẹp có gắn cảm biến; (b) khi có áp đặt một điện thế 4.5 V tới cả những cánh tay; (c) trước khi kẹp vật; (d) khi kẹp vật ( dây kim loại ).
Hình 1.4 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng của miệng vi kẹp trong không khí khi có thế dc áp dụng tới chấp hành điện nhiệt. Độ dịch chuyển này là tổng số dịch chuyển của hai miệng vi kẹp khi cả hai cánh tay hoạt động. Sai số của phép đo được ước lượng là 1.5 µm. Sự di chuyển cực đại 32 µm được đo tại điện áp ứng dụng 4.5 V. Do vậy, những vi kẹp này có khả năng thao tác với các vật có đường kính giữa 8 và 40 µm.
Hình 1.4: Sự dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp cung cấp. Đo được độ dịch chuyển tối đa là 32 µm tại 4.5 V
Công suất tiêu thụ của nguồn được tính dựa trên điện áp và dòng tương ứng trên vi chấp hành điện nhiệt. Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp khi tương ứng với công suất tiêu thụ. Trung bình thiết bị cần 5 mW cho 1 µm dịch chuyển của miệng vi kẹp.
Hình 1.5: Sự dịch chuyển của miệng vi kẹp tương ứng với công suất nguồn tiêu thụ.
Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu ra của cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt trên vi chấp hành điện nhiệt. Giá trị điện trở ban đầu của áp điện trở tại nhiệt độ phòng là 39 kOhm. Điện áp nuôi cho cầu là 1 V dc. Điện áp ra lớn nhất là 49 mV tại điện áp đặt lên vi kẹp là 4.5 V. Mối quan hệ giữa điện áp ra và độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến được biểu diễn trong hình 1.7. Độ nhạy của vi kẹp có gắn cảm biến là 1.5 kV/m. Đường cong tuyến tính này trong phạm vi 2 %.
Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn thế đầu ra của cảm biến lực áp trở cantilever khi vi kẹp kẹp một dây kim loại có đường kính 23 µm. Hai miệng của vi kẹp có gắn cảm biến đóng từ từ cho tới khi nó kẹp được vật.
Lực tiếp xúc giữa miệng của vi kẹp và vật được kẹp có thể được ước lượng thông qua sự dịch chuyển của vi kẹp trong hình 1.6.
Hình 1.6: Biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp ứng dụng.
Hình 1.7: Đầu ra của cảm biến lực cantilever tương ứng với độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến.
Hình 1.8 biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và vật được kẹp tương ứng với giá trị điện áp đặt lên vi kẹp. Lực tiếp xúc bằng không cho tới khi hai miệng kẹp vào vật tại điện áp khoảng 3.75 V. Sau đó lực tiếp xúc được tăng tới 135 mN tại điện áp ứng dụng là 4.5 V.
Hình 1.8: Biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và những vật được giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng.
1.2 Bài toán xây dựng hệ thống điều khiển.
Hoạt động của vi kẹp sẽ được cải thiện bằng việc sử dụng một hệ thống điều khiển vòng kín. Một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng độ dịch chuyển và tín hiệu lực phản hồi để điều khiển trạng thái của vi kẹp. Nó tận dụng toàn bộ sự thuận lợi của hệ thống vòng lặp: tăng độ chính xác và cải thiện tốc độ của thao tác, và sự ổn định của quá trình thao tác.
Khóa luận này trình bày thiết kế, chế tạo và kết quả của mạch điện tử điều khiển vòng kín. Hình 1.9 biểu diễn sơ đồ khối mạch điện của hệ thống điều khiển vòng kín. Trong cấu hình này, vi kẹp có gắn cảm biến được kết nối tới máy tính (PC) thông qua một bo mạch điều khiển. Điều khiển sẽ được thực hiện từ PC bằng phần mềm. Tín hiệu lực phản hồi có được từ cảm biến thông qua một bộ khuếch đại sau đó được chuyển thành tín hiệu số (ADC). Dựa trên giá trị so sánh giữa lực tham chiếu và lực phản hồi, bộ chấp hành được điều khiển bởi một vi điều khiển thông qua mạch chuyển đổi số tương tự (DAC). Để đảm bảo cho việc điều khiển đủ công suất, sau mạch DAC có thiết kế thêm một tầng khuếch đại công suất phù hợp với vi kẹp. Đặc biệt trong bo mạch điều khiển có sử dụng vi điều khiển MSP430F167. Vi điều khiển này tích hợp bộ ADC, DAC 12 bit để xử lý tín hiệu phản hồi và truyền tới PC, đồng thời nhận tín hiệu từ PC để thực hiện thao tác điều khiển vi kẹp.
Hình 1.9: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống điều khiển
1.3 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển
Điều kiện tiên quyết của hệ thống điều khiển là phải đảm bảo tính ổn định, nhận và xử lý tín hiệu điều khiển phải chính xác, công suất đủ lớn để cung cấp cho vi kẹp. Việc xử lý tín hiệu lực phản hồi và tín hiệu điều khiển từ PC đủ nhanh, giảm thiểu tối đa trễ trong quá trình điều khiển. Bo mạch điều khiển đáp ứng được những thông số kĩ thuật như đã được trình bày trong phần trên.
Chương 2
GIỚI THIỆU HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MSP430x1xx
2.1 Giới thiệu
MSP430 là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit, những khối ngoại vi, và hệ thống xung linh hoạt.
Những đặc tính của hộ vi điều khiển MSP430x1xx gồm:
- Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của Pin
+ 0.1-A duy trì RAM
+ 0.8-A chế độ xung thời gian thực
+ 250-A/MIPS tích cực
- Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao :
+ 12-bit hay 10-bit ADC – 200Ksps, cảm biến nhiệt, V(Ref).
+ 12-bit kép DAC.
Hình 2.1: Cấu trúc vi điều khiển MSP430
2.2 Không gian địa chỉ
Cấu trúc vi điều khiển MSP430 có một địa chỉ không gian nhớ được chia sẻ với các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs), các bộ ngoại vi, RAM, và bộ nhớ Flash/ROM được biểu diễn trên hình vẽ. Việc truy cập mã chương trình luôn luôn được thực hiện trên một địa chỉ chẵn. Dữ liệu có thể được truy cập như là nh
Download miễn phí Khóa luận Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến
Tóm tắt nội dung Vào năm 2007, TS. Chử Đức Trình và nhóm nghiên cứu đã chế tạo ra thiết bị vi kẹp có gắn cảm biến. Thiết bị này có chiều dài là 490 µm, chiều rộng là 350 µm, chiều dày là 30 µm với khoảng cách giữa hai miệng của vi kẹp là 40 µm. Vi kẹp có đặc điểm nổi bật là điện áp ứng dụng tối đa khoảng 4.5 V, với actuator được thiết kế linh hoạt như mô hình lược silicon. Thiết bị này phát huy tác dụng hiệu quả trong trường hợp thao tác kẹp các vật cỡ µm. Việc thiết kế một mạch điều khiển cho vi kẹp này là rất quan trọng và cần thiết. Do vậy khóa luận này trình bày vấn đề thiết kế và xây dựng mạch điều khiển vi kẹp có gắn cảm biến.
Khóa luận gồm những nội dung chính sau:
Chương 1 giới thiệu tổng quan về vi kẹp có gắn cảm biến và bài toán điều khiển. Trong chương này sẽ giới thiệu về tác dụng và những đặc tính kĩ thuật của vi kẹp. Tại sao phải thiết kế một thiết bị với những đặc điểm như vậy? Và vấn đề điều khiển thiết bị này như thế nào? Những yêu cầu của quá trình thiết kế.
Chương 2 giới thiệu về họ vi điều khiển 16 bit MSP430x1xx. Chương này đề cập đến những đặc điểm đặc trưng của họ vi điều khiển 16 bit này, các cổng vào/ ra số, truyền nối tiếp không đồng bộ, các bộ biến đổi ADC, DAC 12 bit.
Chương 3 chia làm hai phần chính: Phần 1 trình bày về thiết kế phần cứng bo mạch điều khiển vi kẹp. Trong phần này trình bày nguyên lý hoạt động và thiết kế của các khối khuếch đại tín hiệu vi sai, khối điều khiển trung tâm, khối ghép nối máy tính, khối điều khiển vi kẹp. Phần hai trình bày về công cụ lập trình và cách cấu hình hoạt động cho vi điều khiển MSP430F167.
Chương 4 kết luận và đưa ra hướng nghiên cứu trong thời gian tới.
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
hoạt, cánh tay của vi kẹp và thanh cảm biến cantilever bị uốn cong. Nó tạo ra một ứng xuất dọc theo chiều dài trên hai cạnh đối diện của thanh cantilever làm thay đổi giá trị điện trở của cảm biến áp trở trên thanh cantilever.Khoảng cách giữa hai hàm vi kẹp được giám sát bởi thế ra của cầu Wheatstone. Lực tiếp xúc giữa vi kẹp và vật được xác định dựa trên độ dịch chuyển và độ cứng của cánh tay vi kẹp.
Hình 1.2 biểu diễn mặt cắt ngang và biểu diễn bề mặt chế tạo của cảm biến có gắn vi kẹp.
1.1.3 Vi chấp hành điện nhiệt polymer-silicon
Cảm biến có gắn vi kẹp được thiết kế ở trạng thái thường mở. Cấu trúc của vi kẹp dựa trên silicon kết hợp với polymer, mỗi bộ chấp hành bao gồm 41 răng lược silicon với những lớp polymer SU8 ở giữa. Mỗi răng silicon có chiều rộng là 6 µm, chiều dài là 75 µm, và bề dày là 30 µm. Lớp polymer SU8 có chiều rộng là 3 µm.
Hình 1.1: Hình vẽ nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm biến
Hình 1.2: Biểu diễn mặt cắt ngang cánh tay của vi kẹp có gắn cảm biến với kí hiệu hình học và các thông số. Biểu diễn cấu hình của cầu Wheatstone.
1.1.4 Thông số kỹ thuật của vi kẹp có gắn cảm biến
Hình 1.3 biểu diễn một vài trạng thái khác nhau của miệng vi kẹp. Hình 1.3(a) là trạng thái không hoạt động của vi kẹp với độ mở là 40 µm. Khoảng cách giữa hai miệng có thể được đóng tới 8 µm khi áp dụng một điện thế khoảng 4.5 V tới các cánh tay (hình 1.3 b). Trong hình 1.3 (c) và (d) minh họa cho thao tác kẹp dây kim loại 23 µm.
Hình 1.3: Hoạt động của thiết bị
a) vị trí ban đầu miệng của vi kẹp có gắn cảm biến; (b) khi có áp đặt một điện thế 4.5 V tới cả những cánh tay; (c) trước khi kẹp vật; (d) khi kẹp vật ( dây kim loại ).Hình 1.4 biểu diễn độ dịch chuyển tương ứng của miệng vi kẹp trong không khí khi có thế dc áp dụng tới chấp hành điện nhiệt. Độ dịch chuyển này là tổng số dịch chuyển của hai miệng vi kẹp khi cả hai cánh tay hoạt động. Sai số của phép đo được ước lượng là 1.5 µm. Sự di chuyển cực đại 32 µm được đo tại điện áp ứng dụng 4.5 V. Do vậy, những vi kẹp này có khả năng thao tác với các vật có đường kính giữa 8 và 40 µm.
Hình 1.4: Sự dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến tương ứng với điện áp cung cấp. Đo được độ dịch chuyển tối đa là 32 µm tại 4.5 V
Công suất tiêu thụ của nguồn được tính dựa trên điện áp và dòng tương ứng trên vi chấp hành điện nhiệt. Hình 1.5 biểu diễn độ dịch chuyển miệng vi kẹp khi tương ứng với công suất tiêu thụ. Trung bình thiết bị cần 5 mW cho 1 µm dịch chuyển của miệng vi kẹp.
Hình 1.5: Sự dịch chuyển của miệng vi kẹp tương ứng với công suất nguồn tiêu thụ.
Hình 1.6 biểu diễn tín hiệu đầu ra của cầu Wheatstone tương ứng với điện áp đặt trên vi chấp hành điện nhiệt. Giá trị điện trở ban đầu của áp điện trở tại nhiệt độ phòng là 39 kOhm. Điện áp nuôi cho cầu là 1 V dc. Điện áp ra lớn nhất là 49 mV tại điện áp đặt lên vi kẹp là 4.5 V. Mối quan hệ giữa điện áp ra và độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến được biểu diễn trong hình 1.7. Độ nhạy của vi kẹp có gắn cảm biến là 1.5 kV/m. Đường cong tuyến tính này trong phạm vi 2 %.
Hơn nữa, hình 1.6 biểu diễn thế đầu ra của cảm biến lực áp trở cantilever khi vi kẹp kẹp một dây kim loại có đường kính 23 µm. Hai miệng của vi kẹp có gắn cảm biến đóng từ từ cho tới khi nó kẹp được vật.
Lực tiếp xúc giữa miệng của vi kẹp và vật được kẹp có thể được ước lượng thông qua sự dịch chuyển của vi kẹp trong hình 1.6.
Hình 1.6: Biểu diễn mối liên hệ giữa điện áp ra của cầu Wheatstone và điện áp ứng dụng.
Hình 1.7: Đầu ra của cảm biến lực cantilever tương ứng với độ dịch chuyển miệng của vi kẹp có gắn cảm biến.
Hình 1.8 biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và vật được kẹp tương ứng với giá trị điện áp đặt lên vi kẹp. Lực tiếp xúc bằng không cho tới khi hai miệng kẹp vào vật tại điện áp khoảng 3.75 V. Sau đó lực tiếp xúc được tăng tới 135 mN tại điện áp ứng dụng là 4.5 V.
Hình 1.8: Biểu diễn lực tiếp xúc giữa hai miệng của vi kẹp và những vật được giữ tương ứng với giá trị điện áp ứng dụng.
1.2 Bài toán xây dựng hệ thống điều khiển.
Hoạt động của vi kẹp sẽ được cải thiện bằng việc sử dụng một hệ thống điều khiển vòng kín. Một hệ thống điều khiển vòng kín sử dụng độ dịch chuyển và tín hiệu lực phản hồi để điều khiển trạng thái của vi kẹp. Nó tận dụng toàn bộ sự thuận lợi của hệ thống vòng lặp: tăng độ chính xác và cải thiện tốc độ của thao tác, và sự ổn định của quá trình thao tác.
Khóa luận này trình bày thiết kế, chế tạo và kết quả của mạch điện tử điều khiển vòng kín. Hình 1.9 biểu diễn sơ đồ khối mạch điện của hệ thống điều khiển vòng kín. Trong cấu hình này, vi kẹp có gắn cảm biến được kết nối tới máy tính (PC) thông qua một bo mạch điều khiển. Điều khiển sẽ được thực hiện từ PC bằng phần mềm. Tín hiệu lực phản hồi có được từ cảm biến thông qua một bộ khuếch đại sau đó được chuyển thành tín hiệu số (ADC). Dựa trên giá trị so sánh giữa lực tham chiếu và lực phản hồi, bộ chấp hành được điều khiển bởi một vi điều khiển thông qua mạch chuyển đổi số tương tự (DAC). Để đảm bảo cho việc điều khiển đủ công suất, sau mạch DAC có thiết kế thêm một tầng khuếch đại công suất phù hợp với vi kẹp. Đặc biệt trong bo mạch điều khiển có sử dụng vi điều khiển MSP430F167. Vi điều khiển này tích hợp bộ ADC, DAC 12 bit để xử lý tín hiệu phản hồi và truyền tới PC, đồng thời nhận tín hiệu từ PC để thực hiện thao tác điều khiển vi kẹp.
Hình 1.9: Sơ đồ mạch nguyên lý của hệ thống điều khiển
1.3 Yêu cầu thiết kế hệ thống điều khiển
Điều kiện tiên quyết của hệ thống điều khiển là phải đảm bảo tính ổn định, nhận và xử lý tín hiệu điều khiển phải chính xác, công suất đủ lớn để cung cấp cho vi kẹp. Việc xử lý tín hiệu lực phản hồi và tín hiệu điều khiển từ PC đủ nhanh, giảm thiểu tối đa trễ trong quá trình điều khiển. Bo mạch điều khiển đáp ứng được những thông số kĩ thuật như đã được trình bày trong phần trên.
Chương 2
GIỚI THIỆU HỌ VI ĐIỀU KHIỂN MSP430x1xx
2.1 Giới thiệu
MSP430 là một sự kết hợp chặt chẽ của một CPU RISC 16 bit, những khối ngoại vi, và hệ thống xung linh hoạt.
Những đặc tính của hộ vi điều khiển MSP430x1xx gồm:
- Kiến trúc nguồn điện cực thấp để mở rộng tuổi thọ của Pin
+ 0.1-A duy trì RAM
+ 0.8-A chế độ xung thời gian thực
+ 250-A/MIPS tích cực
- Xử lý tín hiệu tương tự với hiệu xuất cao :
+ 12-bit hay 10-bit ADC – 200Ksps, cảm biến nhiệt, V(Ref).
+ 12-bit kép DAC.
Hình 2.1: Cấu trúc vi điều khiển MSP430
2.2 Không gian địa chỉ
Cấu trúc vi điều khiển MSP430 có một địa chỉ không gian nhớ được chia sẻ với các thanh ghi chức năng đặc biệt (SFRs), các bộ ngoại vi, RAM, và bộ nhớ Flash/ROM được biểu diễn trên hình vẽ. Việc truy cập mã chương trình luôn luôn được thực hiện trên một địa chỉ chẵn. Dữ liệu có thể được truy cập như là nh