THIẾT KẾ THƯỚC THỦY THỂ HIỆN DẠNG KỸ THUẬT SỐ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ THƯỚC THỦY THỂ HIỆN
DẠNG KỸ THUẬT SỐ

Họ và tên sinh viên:

Mai Tuấn Phong
Lê Trọng Nghĩa

Ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
Niên khóa: 2012-2016

Tháng 06 năm 2016


THIẾT KẾ THƯỚC THỦY THỂ HIỆN
DẠNG KỸ THUẬT SỐ

TÁC GIẢ
Mai Tuấn Phong
Lê Trọng Nghĩa

Khóa luận tốt nghiệp được đệ trình đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ Sư Ngành Cơ Điện Tử

Giáo viên hướng dẫn:
ThS. Đào Duy Vinh

KS. Nguyễn Trung Trực

Tháng 06 năm 2016MỤC
2

LỤC


DANH SÁCH HÌNH
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Thông số chi tiết của Ardiuno Pro Mini.............................................................7
Bảng 2.2: sơ đồ chân của cảm biến GY521-MPU6050....................................................13
Bảng 4.1: Kết nối dây Arduino promini với cảm biến GY-521 MPU6050.......................26
Bảng 4.2: Khảo nghiệm thông số của thước thủy khi đo vật trong mặt phẳng có độ
nghiêng theo phương ngang X.........................................................................................45
Bảng 4.3: Khảo nghiệm thông số của thước khi đo vật trong mặt phẳng có độ nghiêng
theo phương đứng Y.........................................................................................................46
Bảng 4.4: Khảo nghiệm thông số của thước khi dùng đo góc của vật thể......................48

3


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hổ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian
bắt đầu từ khi học tập ở giảng đường đại học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè.
Lời đầu tiên, chúng em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS. Đào Duy Vinh,
KS Nguyễn Trung Trực đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ án và viết luận
văn tốt nghiệp.

Chúng em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Cơ Khí Công Nghệ,
Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong
những năm em học tập. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ là
nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quí báu để em bước
vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Chúng em xin bày tỏ sự ơn sâu sắt tới quý thầy, cô trong hội đồng đã dành thời
gian để nhận xét, góp ý để luận văn của chúng em được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin dành lời cảm ơn trân trọng đối với những người thân trong gia
đình cũng như bạn bè đã động viên ủng hộ và luôn tạo cho chúng em những điều kiện
thuận lợi nhất trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Trong quá trình làm đồ án, cũng như là trong quá trình viết luận văn khó tránh
khỏi sai sót, rất mong các Thầy, Cô bỏ qua. Đồng thời do trình độ lý luận cũng như kinh
nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót, em
rất mong nhận được ý kiến đóng góp Thầy, Cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm.
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Mai Tuấn Phong
Lê Trọng Nghĩa

4


TÓM TẮT
Đề tài: Thiết kế thước thủy đo góc thể hiện dạng kỹ thuật số.
Thời gian thực hiện: Từ tháng 2/2016 đến tháng 6/2016.
Địa điểm thực hiện: Tại xưởng CK6- khoa Cơ Khí Công Nghệ, trường ĐH Nông
Lâm TP.HCM.
Khóa luận đã xây dựng được thiết bị đo độ nghiêng và đo góc thể hiện dạng kỹ
thuật số trên cơ sở dùng vi điều khiển Arduino Pro Mini và cảm biến MPU6050. Với ứng
dụng cụ thể là đo tất cả các góc trong phạm vi 360° hoặc bốn góc một phần tư 90°. Có

thể hiển thị cả mức độ và độ dốc. Công cụ này không chỉ có thể đo các bề mặt nằm ngang
và thẳng đứng, nó cũng có thể đo các góc của tất cả các sườn dốc tăng, giảm. Thiết bị
hoạt động dễ dàng, chính xác nhờ có cảm biến góc, với cấu tạo không ảnh hưởng bởi
nhiệt độ, không mài mòn.
Sơ lược nội dung của đề tài: Thiết kế thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số.
Tính toán thiết kế bộ phận thân thước, các ống thủy.
Tính toán, thiết kế bộ phận hiển thị dạng kỹ thuật số.
Thiết kế mạch điều khiển và hiển thị các giá trị về độ nghiêng, độ lớn các góc đo.
Thiết kế mạch hiển thị thông số bằng LED 7 đoạn.
Viết chương trình đo và hiển thị giá trị độ nghiêng và góc độ
Khảo nghiệm các thông số cơ bản của thước thủy.
Đánh giá hoạt động mạch điều khiển và chương trình điều khiển.

5


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay các thiết bị đo lường được sử dụng rất rộng rãi và không thể thiếu
trong các ngành thuộc các lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Tuy nhiên các loại thiết bị đo
thông thường theo phương pháp cổ điển mà chúng ta hay dùng lại có những nhược
điểm và hạn chế gây nhiều phiền toái, ví dụ như thước thủy sử dụng phương pháp căng
thủy thông thường đo độ nghiêng và đo góc một cách rất khó khăn, để thực hiện cần
tốn nhiều thời gian, độ chính xác không cao. Tay nghề chế tạo đường ống thủy theo
thời gian sẽ có những thay đổi xấu. Vì vậy dẫn đến kết quả không đạt được cao, tồn
nhiều nhân công gian và điều quan trọng hơn liên quan đến chuyên ngành là sự chính
xác về kích thước sau khi đo của chi tiết có nhiều sai số, độ chính xác thấp.
Để bắt kịp xua hướng phát triển của các ngành sản xuất và nhu cầu cấp bách
hiện nay nhằm khắc phục những nhược điểm của dụng cụ đo thông thường là thiết kế

ra một dụng cụ đo độ nghiêng và đo góc tiện lợi chính xác hơn, không tốn nhiều thời
gian và nhân công, phục vụ tốt hơn cho đời sống của con người là tất yếu và vô cùng
cần thiết.
Nắm bắt được nhu cầu cấp bách đó, tiến hành thực hiện đề tài “thiết kế thước
thủy thể hiện dạng kỹ thuật số” ứng dụng vi điều khiển Arduino ProMini để lập trình điều
khiển.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Để nghiên cứu một cách chính xác và cụ thể về thiết bị đo độ nghiêng và đo góc
này, cần phải chế tạo ra mô hình, mô tả hoạt động, hình dạng, cấu tạo của thiết bị đo.
Từ đó ta có thể quan sát và tìm hiểu hoạt động, cũng như thấy được những khó khăn
có thể gặp phải khi chế tạo chúng thực tế.
6


Từ mô hình có thể thấy được ưu nhược điểm mà từ đó khắc phục những hạn
chế, phát huy thế mạnh thiết kế thiết bị ưu việt, hiện đại và hoàn thiện hơn cho con
người.
Đặc điểm của thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số rất đa chức năng có thể đo độ
nghiêng theo phương đứng, phương ngang và đo góc và chiều dài, hiển thị số liệu. Tính
góc độ một cách nhanh chóng và chính xác, màn hình hiển thị kỹ thuật số rõ ràng. Dễ
dàng sử dụng chỉ có hai nút bấm. Nó có thể được sử dụng tốt vào lĩnh vực khác nhau thay
vì quy tắc góc, thước thẳng và tìm góc vuông...
1.3 Ý nghĩa khoa học
Đề tài thiết kế thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số thích hợp sử dụng cho các
ngành xây dựng, cơ khí,…
Khi sử dụng thước thủy đo độ nghiêng và đo góc thể hiện dạng kỹ thuật số này,
người dùng tiết kiệm một khoảng thời gian dù là rất nhỏ nhưng cũng có thể rất cần
thiết trong nhịp sống công nghiệp hiện nay.
Thiết kế một thết bị thước thủy có khả năng đo độ nghiêng và đo góc 1 cách chính
xác với công nghệ trong nước góp phần giảm giá thành thước khi đưa vào sản xuất.

Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số
Thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số làm việc bằng cách sử dụng bộ vi xử lý điện
tử để từ đó tính ra độ nghiêng và góc mở của thước. Thước có độ chính xác cao, đo nhanh
chóng, màn hình kỹ thuật số dễ đọc, chất liệu bằng nhôm cho độ bền và nhẹ nhàng.
Thước có thể sử dụng rộng rãi trong việc chế biến gỗ, xây dựng, cơ khí,.., và các lĩnh vực
khác.

7


Trên thị trường hiện nay các loại thước đo độ nghiêng và đo góc rất đa dạng nhỏ
gọn. Một số loại thước được sử dụng trên thị trường.
Thước thủy đo độ nghiêng:

(a) Thước thủy xám - CENTURY

(b) Thước thủy nhựa -CENTURY

Hình 2.1: Thước thủy đo độ nghiêng thông dụng
Thước thủy đo độ nghiêng là thiết bị phù hợp cho các phép đo chính xác của các
độ nghiêng nhỏ. Nó có kiểu nằm ngang với mặt đo ngang hoặc mặt đo đứng. Với thiết bị
đo độ nghiêng này người ta có thể đo được sai lệch phẳng ở phương đứng và phương
ngang cũng như sai lệch từ độ song song cũng như độ thẳng góc. Độ nghiêng nhỏ nhất là
2mm/m và phạm vi đo lớn nhất là 50 mm/m
Thước đo độ phẳng

Hình 2.2: Thước thủy đo độ phẳng Trusco

8


Thước đo độ phẳng với bọt nước (nivô nước) để sử dụng kiểm tra hoặc điều chỉnh
của các bề mặt phẳng và mặt trụ ở vị trí nằm ngang. Thước đo độ phẳng là thiết bị nhất
thiết phải cần lúc đặt máy. Độ sai lệch góc nhỏ nhất có thể xem được là 0.01mm/m
Thước đo góc vạn năng

Hình 2.3: Thước thủy đo góc vạn năng 495D Niigata
Thông số kỹ thuật thước thủy đo góc vạn năng 495D Niigata
Thương hiệu: Niigata (SK)/Japan
Xuất xứ: Nhật Bản
Vạch chia: 1°
Dung sai: ±20'
Giá trị đọc nhỏ nhất: 5' (1/12°)
Khoảng di chuyển của lưỡi: 150mm~300mm
Vật liệu: Thân làm từ thép các bon, lưỡi làm bằng Inox
Kích thước phủ bì: 143 x 73 x10mm
9


Trọng lượng: 400g
Thước đo góc vạn năng có thang đo chính với bên lăn 90 0 và du xích. Quy tắc làm
việc cho sự kiểm tra góc: Các cạnh đo phải vuông góc với các cạnh của mặt phẳng kiểm
tra, giữa các mặt phẳng đo và mặt phẳng kiểm tra còn khe hở ánh sáng có thể nhận ra
được nữa. Nếu muốn kiểm tra góc ở nhiều nơi người ta phải nhấc các thiết bị kiểm tra lên
và để xuống chổ mới, vì khi duy chuyển trên bề mặt kiểm tra gây ra tình trạng ăn mòn
Thước đo góc 1800

Hình 2.4: Thước đo góc 1800 RTD 19
Thông số kỹ thuật thước đo góc 1800 RTD 19
Thương hiệu: Niigata (SK)/Japan
Xuất xứ: Nhật Bản (Made In Japan)
Khoảng đo góc: 0~180°
Vạch chia: 1°
Dung sai: ±20'
Đo chiều dài: 0~100mm
Vạch chia nhỏ nhất: 1mm
10


Vật liệu: Inox cao cấp SUS420J2
Kích thước thước đo góc: Ø90mm x 1.2mm
Trọng lượng: 81g
Thước đo góc 1800 được làm một cách tinh tế, chính xác, vạch chia rõ ràng không
bị mờ khi sử dụng. Vật liệu làm thước Inox cao cấp SUS420J2 của Nhật rất chất lượng,
bóng sáng. Sử dụng thước đo góc PRT-19 để đo hoặc đánh dấu góc độ, kích thước...trong
ngành cơ khí, ngành gỗ, quảng cáo.
Từ nhu cầu rất lớn của thị trường cần một loại thước đo độ nghiêng và đo góc một
cách chính xác hoàn hảo thể hiện dạng kỹ thuật số. Cùng những hạn chế cơ bản của các
loại thước hiện có, nhóm đã tiến hành nghiên cứu thiết kế thước thủy thể hiện dạng kỹ
thuật số tích hợp đo góc, đo độ nghiêng bằng hệ thống điều khiển đơn giản nhưng vẫn có
đầy đủ các chức năng cần thiết của thước đo phù hợp với các tính năng sử dụng trong các
lĩnh vực cơ khí, xây dựng... trong nước.

11


2.2 Vi điều khiển Arduino Pro Mini

Hình 2.5: Arduino Pro Mini

Bảng 2.1: Thông số chi tiết của Ardiuno Pro Mini
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Điện áp đầu vào
Kỹ thuật số I / O Pins
Analog Input Pins
DC hiện tại mỗi I / O Pin
Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM
Tốc độ xung nhịp

ATmega328
3.3V hoặc 5V (tùy thuộc vào mô hình)
3.35 -12 V (model 3.3V) hoặc 5-12 V
(model 5V)
14 (trong đó có 6 cung cấp sản lượng
PWM)
6
40 mA
32 kB (trong đó 0,5 kB sử dụng bởi bộ
nạp khởi động)
2 kB
1 kB
8 MHz (model 3.3V) hoặc 16 MHz (5V
mô hình)

Các chân Digital và chân Analog:
Arduino Pro Mini có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Có 2 mức
điện áp là 0V và 5V với dòng vào và ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân đều có
các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328.
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

12


2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ
liệu TTL Serial.
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: Cho phép xuất ra xung PWM (giá trị 0 – 255 tương
ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) ngoài các chức năng
thông thường ra còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.
LED 13: Trên Arduino Pro Mini có 1 đèn LED màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
(Reset) sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này
được sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino Pro Mini có 6 chân analog (A0 → A5) để đọc giá trị điện áp trong khoảng
0V → 5V. Ngoài ra, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
Board Arduino Pro Mini 5V 16MHz mặc định sử dụng nguồn 5V và IC
ATmega328 chạy ở xung nhịp 16MHZ. Nhưng trên board có sẵn ngõ vào RAW để cấp
nguồn thông qua mạch điều áp. Nguồn vào cho ngõ RAW có thể từ 3.3V - 12V (max
12V)
RAW: Cấp nguồn thông qua mạch điều áp
Vcc: Cấp nguồn 5V hoặc 3.3V
Thông tin về bộ nhớ
Flash: 32k Bytes
EEPROM: 1K Bytes

RAM: 2K Bytes
Vì sử dụng chung dòng chip ATmega328 nên việc lập trình và thiết kế ứng dụng
hoàn toàn tương tự board Arduino Pro Mini
2.3 Mạch hiển thị 4 LED 7 đoạn
2.3.1 LED 7 đoạn
LED 7 đoạn là 1 linh kiện rất phổ dụng, được dùng như là 1 công cụ hiển thị đơn
giản nhất. Trong LED 7 đoạn bao gồm ít nhất là 7 con LED mắc lại với nhau, vì vậy mà
có tên là LED 7 đoạn là vậy, 7 LED đơn được mắc sao cho nó có thể hiển thị được các số
từ 0 - 9, và 1 vài chữ cái thông dụng, để phân cách thì người ta còn dùng thêm 1 LED đơn
để hiển thị dấu chấm (dot).
13


Cấu tạo của LED 7 Đoạn:
Anode chung

Cathode chung

Hình 2.6: LED 7 đoạn
LED 7 đoạn có 2 loại: Anode chung và cathode chung
Loại cathode chung: Chân chung được nối Mass, để kích sáng các thanh LED phải
kích các chân còn lại với mức điện áp 1.
Loại anode chung: Chân chung được nối vào nguồn 5V, để kích sáng các thanh
LED phải kích các chân còn lại với mức 0.
Ứng dụng LED 7 đoạn dùng để hiển thị giao tiếp với người sử dụng nhằm giám
sát, theo dõi quá trình nhất định ví dụ: Thời gian, số lượng…
Bằng cách phối hợp sự sáng tắt LED ở các đoạn tạo thành con số, thường là thể
hiện ở dạng số hệ thập phân.
2.3.2 IC 74HC595

Hình 2.7: Cấu tạo IC 74HC595

14


IC 74HC595 là thanh ghi dịch 8 bit kết hợp chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp đầu ra
song song. Chức năng: Thường dùng trong các mạch LED 7 đoạn, LED Matrix,…. Để tiết
kiệm số chân vi điều khiển tối đa (3 chân).
Ý nghĩa hoạt động của một số chân quan trọng:
Chân 14 (Data pin): Đầu vào dữ liệu nối tiếp. Tại 1 thời điểm xung clock chỉ đưa
vào 1 bit.
Các chân nối ra LED (Q0  Q7): 15, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 tương ứng với 8 thanh LED:
a, b, c, e, f, g, d, p.
Chân 13: Chân cho phép tích cực ở mức thấp. Khi ở mức cao, tất cả các đầu ra của
IC 74HC595 trở về trạng thái cao trở xuống, không có đầu ra nào được cho phép.
Chân 12 (Latch pin): Xung clock chốt dữ liệu, khi có 1 xung clock tích cực ở sườn
dương thì cho phép xuất dữ liệu trên các chân output. Lưu ý có thể xuất dữ liệu bất cứ lúc
nào.
Chân 11 (shift clock pin): Chân vào xung clock, khi có 1 xung clock tích cực ở
sườn dương (từ 0 lên 1) thì 1 bit được dịch vào IC.
Chân 10: Khi chân này ở mức thấp (mức 0) thì dữ liệu bị xoá trên IC.
Chân 9 (Q7’): Chân dữ liệu nối tiếp, nếu dùng nhiều IC 74HC595 mắc nối tiếp
nhau thì đưa đầu vào của con tiếp theo khi đã dịch 8bit.
Chân 8: Chân nối GND.
Chân 16: Nối nguồn VCC.2.3.3 Phương pháp điều khiển mạch hiển thị
Mạch hiển thị sử dụng 4 con LED 7 đoạn chung cực âm được điều khiển bằng
74HC595.

Hình 2.8: Mạch 4 LED 7 đoạn

Các cách điều khiển mạch hiển thị 4 LED 7 đoạn. Có hai phương pháp chính để
đưa dữ liệu ra LED 7 đoạn: Phương pháp chốt và phương pháp quét.
15


Phương pháp quét: Dựa vào sự lưu ảnh ở mắt (25 hình / giây), ta cho LED chớp tắt
thật nhanh với tần số >=25 Hz, khi đó mắt sẽ không phát hiện việc chớp tắt liên tục của
LED, xem như LED đang sáng. Nối chân (loại A) chung lên nguồn và điều khiển sáng /tắt
nhanh cho hai thanh b, c (các thanh còn lại tắt) LED sẽ hiển thị số 1.
Bằng cách cho luân phiên nhiều LED hiển thị làm cho mắt cảm thấy nhiều LED 7
đoạn sáng đồng thời, với cách này chỉ cần một bus dữ liệu nối song song cho tất cả các
LED (chân a, b, c, d, e, f, g) với mỗi LED được điều khiển một tín hiệu khác sao cho tại
một thời điểm chỉ có duy nhất một LED 7 đoạn được phép hiển thị. Nếu tăng tần số quét
(giảm thời gian sáng mỗi LED) thì ta sẽ thấy 4 con LED sáng cùng nhau.
Phương pháp chốt: Vẫn sử dụng việc truyền bus dữ liệu tới các LED như phương
pháp quét, các chân LED đều có chân A chung nối sẵn lên nguồn. Mỗi LED 7 đoạn được
chốt với IC. Dữ liệu từng LED sẽ truyền lên bus, ứng với dữ liệu của LED nào thì IC chốt
của LED đó sẽ chốt lại. Sau mỗi lượt dữ liệu xuất đầy đủ trên tất cả LED và các LED sẽ
sáng liên tục chứ không như phương pháp quét.
2.4 Biến trở
Biến trở là điện trở nhưng có thể thay đổi giá trị của nó nhờ các cần gạt hoặc núm vặn.

A: Ngõ vào; B: Chân Mass; C: Ngõ ra

Hình 2.9: Cấu tạo biến trở
Cấu tạo biến trở : Bộ phận chính của biến trở là cuộn dây dẫn bằng hợp kim có
điện trở suất lớn (nikêlin hoặc nicrom), được quấn đều đặn theo dọc theo một lõi bằng sứ.
16

Công dụng: Biến trở là điện trở có thể thay đổi trị số và có thể được sử dụng để
điều chỉnh cường độ dòng điện trong mạch.
Nếu mắc hai đầu A, B của cuộn dây này nối tiếp vào mạch điện thì khi dịch chuyển
con chạy C. Không có tác dụng thay đổi điện trở. Vì khi đó nếu dịch chuyển con chạy C
thì dòng điện vẫn chạy qua toàn bộ cuộn dây của biến trở và con chạy sẽ không có tác
dụng làm thay đổi chiều dài của phần cuộn dây có dòng điện chạy qua.
Biến trở của mạch điện có thay đổi. Vì khi đó nếu dịch chuyển con chạy hoặc tay
quay sẽ làm thay đổi chiều dài của phần cuộn dây có dòng điện chạy qua và do đó làm
thay đổi giá trị điện trở của biến trở và của mạch điện.

2.5 Cảm biến góc và gia tốc GY-521 MPU6050

Hình 2.10: Cảm biến góc và gia tốc GY-521 MPU6050
Bảng 2.2: Sơ đồ chân của cảm biến GY521-MPU6050
VCC

5V/3V3
17


GND
SCL
SDA
XDA

0V
Chân SCL trong giao tiếp I2C
Chân SDA trong giao tiếp I2C
Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác)

XCL
AD0

Chân xung (kết nối với cảm biến khác)
Bit 0 của địa chỉ I2C

INT

Chân ngắt

MPU6050 là cảm biến phát hiện, xử lý chuyển động đầu tiên trên thế giới được
tích hợp bộ cảm biến 6 trục và thuộc sở hữu của MotionFusion™. Cảm biến này được sử
dụng vào những thiết bị cầm tay, ứng dụng trong máy tính bảng, và các thiết bị tiêu dùng
khác. MPU6050 được nhúng con quay hồi chuyển 3 trục vi cơ điện tử (MEMS), một cảm
biến gia tốc MEMS 3 trục và một bộ xử lý tín hiệu số với giao tiếp I2C.
MPU6050 có 3 bộ ADC 16 bit để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số
các kết quả ngõ ra của con quay hồi chuyển và 3 bộ ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang số các kết quả ngõ ra của gia tốc. Để theo dõi chính xác cả chuyển động nhanh và
chậm, con quay hồi chuyển có thể lập trình với các mức đo ±2500, ±5000, ±10000 và
±20000/ s (dps) và một gia tốc có thể lập trình với các mức đo ±2g, ±4g, ±8g và ±16g.

Hình 2.11: Bộ phận chính của cảm biến MPU6050
Linh hoạt trong việc cấp nguồn, MPU6050 hoạt động với điện áp VDD từ 2.37V
đến 3.46V. Ngoài ra MPU6050 cung cấp một chân điện áp tham chiếu VLOGIC, dùng
18


trong thiết lập mức logic của giao tiếp I2C. Điện áp VLOGIC có thể là 1.8V±5% hoặc
VDD.
Tính năng của cảm biến MPU6050

Cảm biến tốc độ góc ba trục trong MPU6050 có các tính năng sau:
Cảm biến tốc độ góc (gyroscope) với ngõ ra là tín hiệu số. Người dùng có thể lập
trình chọn các mức đo ±2500, ±5000, ±10000 và ±20000/giây (dps).
Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển.
Các tính năng của cảm biến gia tốc 3 trục trong MPU6050:
Cảm biến gia tốc ba trục ngõ ra là tín hiệu số có thể lập trình các mức đo ±2g,
±4g, ±8g và ±16g.
Tích hợp ADC 16 bit cho phép lấy mẫu đồng thời các con quay hồi chuyển.
Phát hiện phương hướng và truyền tín hiệu.
Một số tính năng bổ sung trong MPU6050:
Kết hợp chuyển động 6 trục bởi bộ xử lý chuyển động số tích hợp trên IC.
Bus I2C để đọc dữ liệu từ các cảm biến bên ngoài.
Dòng tiêu thụ 3.9mA khi tất cả chuyển động 6 trục.
Xử lý chuyển động.
Xử lý chuyển động 3D.
Thu thập dữ liệu từ những con quay hồi chuyển và gia tốc trong khi xung nhịp dữ
liệu lấy mẫu tại một mức đo do người dùng định nghĩa.
Bộ đệm FIFO 1024 Byte tích hợp trên MUP6050 giúp tiết kiệm điện năng bằng
cách cho phép bộ vi xử lý đọc dữ liệu cảm biến trong sự truyền và sau đó vào chế độ công
suất thấp như MPU thu thập nhiều dữ liệu hơn.
Bộ dao động
Tùy chọn xung clock bên ngoài là 32.768 kHz hoặc 19.2MHz.

19


Chương 3
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Nội dung thực hiện đề tài.
Thời gian thực hiện: Từ tháng 2/2016 đến tháng 6/2016.

Địa điểm thực hiện tại: Xưởng CK6- Bộ môn Cơ Điện Tử- Khoa Cơ Khí Công
Nghệ-Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
Nội dung nghiên cứu là về các tính năng và cách thức hoạt động của thước thủy thể
hiện dạng kỹ thuật số, các các thuật toán điều khiển: Điều khiển cảm biến MPU6050,
Encoder và hiển thị đèn LED 7 đoạn.
Thiết kế, tính toán các chi tiết của thân thước và cánh thước dựa trên mô hình 3D
được mô phỏng trên phần mềm Solidworks, mạch điều khiển được thiết kế và mô phỏng
hoạt động trên phần mềm Proteus 8.1.
3.2 Phương pháp nghiên cứu đề tài.
Tra cứu, tham khảo các tài liệu liên quan đến đề tài từ đó làm cơ sở để thiết kế,
điều khiển thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số.
Nghiên cứu phương pháp truyền dữ liệu I2C để giao tiếp giữa cảm biến góc và gia
tốc GY-521 MPU6050 với vi điều khiển từ đó xác định các hướng nghiêng, các góc độ
của thước thủy.
Sử dụng phương pháp quét để điều khiển LED 7 đoạn hiển thị giá trị góc.

Chương 4
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
20


1 Thân thước; 2. Ống thủy đứng; 3. Modun 4LED 7 đoạn theo phương đứng;

4. Cánh thước; 5. Vi điều khiển; 6. Modun 4LED 7 đoạn theo phương ngang
7 Ống thủy ngang; 8. Cảm biến GY-521 MPU6050;
9. Modun 4LED 7 đoạn thể hiển góc đo; 10. Công tắc nguồn; 11. Ống thủy nghiêng
12. Biến trở
Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số.

Thước thủy đo và hiển thị dạng kỹ thuật số có hai chức năng đo độ cân bằng theo

phương ngang, phương đứng và đo góc. Kết quả đo được hiển thị giá trị lên màn hình
LED 7 đoạn.
Sơ đồ cấu tạo của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số được thể hiện ở
(Hình 4.1). Khi đặt thước lên một mặt phẳng bất kỳ, cảm biến cân bằng GY-521 MPU
6050 (8) tự phát hiện độ nghiêng của mặt phẳng đó so với phương ngang. Dữ liệu sẽ được
21


truyền về cho mạch điều khiển (5). Mạch điều khiển có nhiệm vụ phân tích xử lý số liệu
và hiển thị lên màn hình LED 7 đoạn (6). Tương tự như vậy khi đặt cạnh của thiết bị vào
mặt phẳng theo phương đứng thì giá trị sai lệch so với phương đứng được hiển thị lên
màn hình LED 7 đoạn (3).
Dùng thước thủy thể hiện thị dạng kỹ thuật số để đo một góc nào đó bằng cách
xoay cánh thước (4) quanh trục xoay (12) để cho hai cạnh A,B. Sao cho hai cạnh A,B
trùng với hai cạnh của góc cần đo. Lúc này tại khớp xoay có gắn biến trở đọc dữ liệu và
truyền tín hiệu về cho mạch điều khiển. Mạch điều khiển xử lý số liệu vá thể hiện giá trị
góc đo lên màn hình LED 7 đoạn (9) từ đó xác định được độ lớn của góc cần đo.
4.1 Tính toán thiết kế phần cứng của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số
4.1.1 Khớp xoay

A

Thân thước.

B. Cánh thước.
22

C. Trục xoay.

Hình 4.2: Khớp xoay.
Yêu cầu: Thân thước (A) và cánh thước (B) bằng: Vật liệu bằng nhôm, ít có biến
dạng do nhiệt.
Yêu cầu thiết kế khớp xoay: Trục xoay (C) có nhiệm vụ liên kết giữa thân thước và
cánh thước. Tại vị trí khớp xoay phải được gắn trục xoay để khớp xoay chuyển động quay
quanh trục xoay.
4.1.2 Thân thước.

1

Thân thước; 2. Lỗ lắp ống thủy đứng; 3. Lỗ lắp modun LED (Y);

4. Lỗ lắp modun LED (X); 5. Nơi lắp ống thủy ngang; 6. Lỗ lắp modun LED (góc)
7. Lỗ lắp nút nguồn; 8. Lỗ lắp ống thủy nghiêng; 9. Lỗ lắp trục xoay
Hình 4.3: Thân thước.
Yêu cầu: Thân thước bằng vật liệu bằng nhôm, ít có biến dạng do nhiệt.

23


4.2 Mạch nguyên lý của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số
4.2.1 Sơ đồ khối của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số

Cảm biến

Mạch điều khiển

Cảm biến góc gia tốc
GY-521 MPU6050

Mạch hiển thị
LED 7 đoạn

Biến trở

Hình 4.4: Sơ đồ khối của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số
Sơ đồ khối của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số được thể hiện trên
(Hình 4.4).
Khối mạch điều khiển: Có chức năng nhận, xử lý tín hiệu từ khối cảm biến và khối
biến trở để xuất ra giá trị hiển thị.
Khối cảm biến: Có chức năng tự động so sánh số liệu và truyền dữ liệu về cho
mạch điều khiển.
Khối biến trở: Có chức năng đọc dữ liệu và truyền dữ liệu về cho mạch điều khiển.
Khối hiển thị: Có chức năng hiển thị giá trị độ lớn góc nghiêng, độ lớn góc từ
mạch điều khiển truyền đến.
4.2.2 Mạch nguyên lý điều khiển thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số

24


Hình 4.5: Mạch nguyên lý điều khiển của thiết bị thước thủy thể hiện dạng kỹ thuật số
Chân Vcc và chân GND được kết nối với nguồn 5 V có chức năng cung cấp nguồn
cho vi điều khiển.
25