Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

GVHD: ThS. NGÔ BÁ VIỆT
SVTH:
1. VÕ NGỌC TIẾN

15141307

2. LÂM MINH CẢNH 15141105

Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT
ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC

GVHD: ThS. NGÔ BÁ VIỆT
SVTH:
1. VÕ NGỌC TIẾN

15141307

2. LÂM MINH CẢNH

15141105

Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o----

Tp. HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Võ Ngọc Tiến

MSSV: 15141307

Lâm Minh Cảnh

MSSV: 15141105

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện tử - truyền thông

Mã ngành: 941

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ: 1

Khóa:

2015

Lớp: 15941DT

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
(ghi những thông số, tập tài liệu tín hiệu, hình ảnh…) ................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2. Nội dung thực hiện:
(ghi những nội dung chính cần thực hiện như trong phần tổng quan) ........................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
ThS. Ngô Bá Việt

i


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o----

Tp. HCM, ngày 25 tháng 12 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Võ Ngọc Tiến
Lớp: 15941DT

MSSV: 15141307

Họ tên sinh viên 2: Lâm Minh Cảnh
Lớp: 15941DT

MSSV: 15141105

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
XE LĂN ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC
Tuần/ngày
Tuần 1
(2/9 – 8/9)
Tuần 2
(9/9 – 15/9)
Tuần 3
(16/9 – 22/9)

Nội dung

Xác nhận
GVHD

- Gặp giáo viên hướng dẫn
- Chọn đề tài.
- Báo cáo GVHD.
- Viết đề cương chi tiết cho đồ án.
- Báo cáo GVHD.
- Trình bày phướng án thực hiện đề tài.
- Phân chia công việc cho từng thành viên.

Tuần 4
(23/9 – 29/9)
Tuần 5
(30/9 – 6/10)
Tuần 6
(7/10 – 13/10)

- Báo cáo GVHD.
- Tìm hiểu về cảm biến gia tốc MPU6050
- Báo cáo GVHD.
- Tìm hiểu thuật tốn xử lý của MPU6050
- Lập danh sách, mua những linh kiện cần thiết.
- Viết chương trình diều khiển cho MPU6050
ii


Tuần 7
(14/10 - 20/10)

- Báo cáo GVHD.
- Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ
sử dụng vi điều khiển Arduino nano.

Tuần 8
(21/10 – 27/10)
Tuần 9
(28/10 – 3/11)

- Báo cáo GVHD.
- Nộp báo cáo tiến độ.
- Báo cáo GVHD.
- Tiến hành giao tiếp giữa MPU6050 và bộ xử
lý tín hiệu điều khiển động cơ.

Tuần 10
(4/11 – 10/11)

- Báo cáo GVHD.
- Chạy thử nghiệm và cân chỉnh bộ điều khiển
MPU6050

Tuần 11
(11/11 – 17/11)

- Báo cáo GVHD.
-Thiết kế và viết chương trình cho cảm biến
khoảng cách lazer VL53L0X trước sau xe .

Tuần 12

(18/11 – 24/11)
Tuần 13
(15/11 – 1/12)

- Báo cáo GVHD.
- Thi cơng bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ.
- Báo cáo GVHD.
- Thi công bộ điều khiển MPU6050.
- Chạy thử nghiệm

Tuần 14
(2/12 – 8/12)
Tuần 15
(9/12 – 15/12)
Tuần 16
(16/12 – 22/12)
Tuần 17

- Báo cáo GVHD.
- Cân chỉnh, tối ưu sản phẩm.
- Báo cáo GVHD.
- Chỉnh sửa và hoàn thiện báo cáo
- Báo cáo GVHD.
- Nộp quyển đồ án tốt nghiệp
- Bảo vệ ĐATN

(23/12 – 29/12)
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)
iii

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và khơng sao chép
từ một tài liệu hay cơng trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Võ Ngọc Tiến

Lâm Minh Cảnh

iv


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, nhóm thực hiện đề tài xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy
Ngô Bá Việt - giảng viên khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp. HCM, đã theo sát hỗ trợ và hướng dẫn nhóm một cách chi tiết trong quá trình
thực hiện đề tài. Thầy ln hỗ trợ hết mình, giải đáp thắc mắc, chỉ ra sai sót cũng
như gợi ý những phương án thực hiện sao cho khả thi và dễ tiếp cận nhất.
Nhóm cùng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy (cô) trong khoa Điện-Điện tử,
đặc biệt là các Thầy trong phịng lab C306 đã tận tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc,
nguyện vọng trong quá trình thực hiện đề tài của nhóm. Sự hỗ trợ của q thầy
(cơ) đóng góp một phần khơng nhỏ vào thành cơng ngày hơm nay.
Nhóm đề tài cũng xin cảm ơn các bạn sinh viên trong khoa Điện-Điện tử đã
nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ nhóm. Những đóng góp của các bạn ln được nhóm
tiếp nhận và xem xét kĩ lưỡng.
Cuối cùng, nhóm xin cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cha, Mẹ - những
người luôn bên cạnh hỗ trợ hết mình về tài chính cũng như tinh thần trong suốt
những năm tháng qua.
Thành công của đề tài ngày hôn nay chính là một phần đóng góp to lớn của

mọi người. Một lần nữa, nhóm xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy
cô, bạn bè và quý phụ huynh đã hỗ trợ nhóm thực hiện đề tài hoàn chỉnh.
Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Võ Ngọc Tiến

Lâm Minh Cảnh

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................................................................ i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................. v
MỤC LỤC ................................................................................................................................. vi
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................. viii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................. xi
TÓM TẮT ................................................................................................................................. xii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ...................................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................................. 1
1.2 MỤC TIÊU ....................................................................................................................... 2
1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................................. 2
1.4 GIỚI HẠN ........................................................................................................................ 2
1.5 BỐ CỤC ............................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 4
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ( MEMS ) ......................................... 4
2.1.1 Tổng quan hệ thống vi cơ điện tử ( MEMS ) ............................................................. 4
2.1.2 Ứng dụng của MEMS ................................................................................................ 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG QUÁN TÍNH ( IMU ) ................................... 6
2.2.1 Tổng quan về đơn vị đo lường quán tính ( IMU ) ..................................................... 6
2.2.2 Tổng quan về gia tốc kế Accelerometers ................................................................... 7
2.2.3 Tổng quan về con quay hồi chuyển Gyroscopes ....................................................... 9
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG............................................................................................. 9
2.3.1 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 (Motion Processing Unit) ............................... 9
2.3.2 VI ĐIỀU KHIỂN ..................................................................................................... 21
2.3.3 MODULE BLUETOOTH ....................................................................................... 24
2.3.4 Module điều khiển động cơ BTS7960 ..................................................................... 27
2.3.5 Cảm biến khoảng cách VL53L0X ........................................................................... 28
2.3.6 Servo SG90 .............................................................................................................. 30
2.3.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A ............................................................................... 31
2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU ............................................................................... 32
2.4.1 Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART ..................................................... 32
2.4.2 Chuẩn truyền thông I²C ........................................................................................... 33
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................................................. 35
vi


3.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 35
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG .................................................................... 35
3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống.................................................................................... 35
3.2.2

Tính tốn và thiết kế mạch .................................................................................. 37

a. Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển - khối cảm biến gia tốc MPU – 6050 ................. 37
b. Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ .............................................................. 42
d. Thiết kế khối cảm biến khoảng cách phát hiện vật cản VL53L0X và Servo ............... 44
d. Thiết kế khối nguồn Acquy 24VDC ............................................................................. 45

3.2.3

Sơ đồ nguyên lý của tồn mạch .......................................................................... 48

CHƯƠNG 4. THI CƠNG HỆ THỐNG .................................................................................... 50
4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................................... 50
4.2 THI CƠNG VÀ ĐĨNG GĨI HỆ THỐNG ..................................................................... 50
4.2.1 Thi công và kiểm tra khối nguồn ............................................................................. 50
4.2.2 Thi cơng bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU – 6050 ................................................ 51
4.2.3 Thi công bộ điều khiển động cơ .............................................................................. 53
4.2.4 Thi công khối cảm biến khoảng cách phát hiện vật cản VL53L0X ........................ 55
4.3

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG .......................................................................................... 55

4.3.1

Lưu đồ giải thuật ................................................................................................. 55

a. Lưu đồ xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050 .................................................................. 56
b. Lưu đồ xử lý điều khiển động cơ. ................................................................................. 58
4.3.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển Arduino IDE .......................................... 63

4.4 LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG ............................................................................................. 65
4.4.1

Lưu đồ ................................................................................................................. 65

4.4.2

Xử lý tín hiệu ...................................................................................................... 65

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................................... 71
4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng ............................................................................... 71
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ – NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ........................................................... 73
5.1 KẾT QUẢ ....................................................................................................................... 73
5.2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ .............................................................................................. 81
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................... 83
6.1 KẾT LUẬN..................................................................................................................... 83
6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 84

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 2. 1 Module cảm biến gia tốc MPU -6050 ............................................................ 10
Hình 2. 2 Kit Vi điều khiển arduino pro mini ................................................................ 21
Hình 2. 3 Kit Vi điều khiển Arduino Nano V3.0 ........................................................... 22
Hình 2. 4 Module Bluetooth HC-05............................................................................... 25
Hình 2. 5 Module Bluetooth HC – 06 ............................................................................ 26
Hình 2. 6 Module cầu H BTS7960 ................................................................................ 27
Hình 2. 7 Cảm biến khoảng cách VL53L0X ................................................................. 29
Hình 2. 8 Servo SG90 .................................................................................................... 30
Hình 2. 9 Mạch giảm áp DC LM2596 3A ..................................................................... 31
Hình 2. 10 Chuẩn truyền thơng UART .......................................................................... 32
Hình 2. 11 Ví dụ chuẩn truyền thơng I²C ....................................................................... 33

Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống ....................................................................................... 36
Hình 3. 2 Định hướng các trục của cảm biến MPU-6050 .............................................. 38
Hình 3. 3 Hướng và trục các góc quay ........................................................................... 39
Hình 3. 4 Sơ đồ tín hiệu cảm biến MPU-6050 ............................................................... 40
Hình 3. 5 Sơ đồ nguyên lý bộ xử lý tín hiệu MPU-6050 ............................................... 42
Hình 3. 6 Hình ảnh động cơ xe lăn ............................................................................... 43
Hình 3. 7 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ .................................................... 44
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến khoảng cách VL53L0X và servo ................ 45
Hình 3. 9 Hình ảnh Acquy của xe lăn điện .................................................................... 46
Hình 3. 10 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn acquy .............................................................. 47
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu cảm biến MPU-6050 .......................... 48
Hình 3. 12 Sơ đồ nguyên lý khối xử lý tín hiệu, điều khiển động cơ ............................ 49

Hình 4. 1 Nguồn acquy và cơng tắc ............................................................................... 50
Hình 4. 2 hình ảnh tai nghe ............................................................................................ 51
Hình 4. 3 Vị trí lắp đặt cảm biến MPU-6050 ................................................................. 52
viii


Hình 4. 4 Vị trí lắp đặt pin ............................................................................................. 52
Hình 4. 5 Vị trí cơng tắc và cổng sạc pin ....................................................................... 52
Hình 4. 6 Vị trí và kết nối các thiết bị ............................................................................ 53
Hình 4. 7 Đóng gói thiết bị điều khiển ........................................................................... 53
Hình 4. 8 Hộp đựng bộ điều khiển động cơ ................................................................... 54
Hình 4. 9 Hình ảnh các module bên trong hộp điều khiển động cơ............................... 54
Hình 4. 10 Hộp điều khiển động cơ hồn thiện ............................................................. 54
Hình 4. 11 hình ảnh đầu nối với hộp cảm biến và servo ................................................ 55
Hình 4. 12 Vị trí đặt 2 cảm biến khoảng cách và servo trước ........................................ 55
Hình 4. 13 Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển xe lăn điện qua cảm biến gia tốc..... 56
Hình 4. 14 Lưu đồ chương trình xử lý tính hiệu cảm biến MPU-6050 ......................... 57

Hình 4. 15 Lưu đồ chương trình con kiểm tra giá trị và gửi tín hiệu điều khiển ........... 57
Hình 4. 16 Lưu đồ giải thuật xử lý điều khiển động cơ ................................................. 58
Hình 4. 17 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến ............................................. 59
Hình 4. 18 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến phía trước ........................... 59
Hình 4. 19 Lưu đồ chương trình con đọc giá trị cảm biến sau ...................................... 60
Hình 4. 20 Lưu đồ chương trình con xử lý khi có tín hiệu cảm biến phía trước ........... 60
Hình 4. 21 Lưu đồ chương trình con xử lý khi có tín hiệu cảm biến phía sau .............. 61
Hình 4. 22 Chương trình con điều khiển động cơ .......................................................... 62
Hình 4. 23 Chương trình con chạy servo ....................................................................... 62
Hình 4. 24 Chương trình con delay_ms ......................................................................... 63
Hình 4. 25 Giao diện Arduino IDE ................................................................................ 64
Hình 4. 26 Lưu đồ kiểm tra giá trị cảm biến để gửi tín hiệu điều khiển ........................ 65
Hình 4. 27 Tín hiệu thơ .................................................................................................. 65
Hình 4. 28 Tín hiệu gật liên tục...................................................................................... 66
Hình 4. 29 Tín hiệu cài đặt giá trị offset ........................................................................ 66
Hình 4. 30 Tín hiệu các giá trị offset đã được thiết lập ................................................. 67
Hình 4. 31 Tín hiệu khi thiết bị đặt nằm ........................................................................ 67
Hình 4. 32 Tín hiệu tiến ................................................................................................. 68
Hình 4. 33 Tín hiệu lùi khi ngửa đầu ra sau ................................................................... 68
ix


Hình 4. 34 Tín hiệu lùi khi quay đầu trái ....................................................................... 69
Hình 4. 35 Tín hiệu lùi khi quay đầu qua phải ............................................................... 69
Hình 4. 36 Tín hiệu sang trái .......................................................................................... 70
Hình 4. 37 Tín hiệu sang phải ........................................................................................ 71

Hình 5. 1 Hộp điều khiển hồn chỉnh ............................................................................ 73
Hình 5. 2 Hình ảnh tai nghe điều khiển hồn thiện....................................................... 74
Hình 5. 3 Hình ảnh hộp chứa cảm biến khoảng cách hồn thiện ................................... 74

Hình 5. 4 Hình ảnh xe lăn đã lắp hộp cảm biến và bộ điều khiển. ................................ 75
Hình 5. 5 Hình ảnh ngồi lên xe lăn ................................................................................ 75
Hình 5. 6 Động tác cúi đầu để điều khiển đi trước ........................................................ 76
Hình 5. 7 Động tác ngước lên khi xe đang đi trước ....................................................... 76
Hình 5. 8 Động tác nghiêng đầu sang trái ...................................................................... 77
Hình 5. 9 Động tác nghiêng đầu sang phải .................................................................... 77
Hình 5. 10 Động tác ngửa đầu ra phía sau ..................................................................... 78
Hình 5. 11 Động tác quay nhìn ra đằng sau ................................................................... 78
Hình 5. 12 Hình ảnh xe dừng khi gặp tường .................................................................. 79
Hình 5. 13 Hình ảnh xe dừng khi lùi gặp tường ............................................................ 79
Hình 5. 14 Xe dừng khi đi trước gặp tủ máy tính .......................................................... 80
Hình 5. 15 Xe dừng khi đi trước gặp người ................................................................... 80
Hình 5. 16 Xe lùi gặp người đang đứng ......................................................................... 81

x


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật cảm biến con quay hồi chuyển Gyroscope ...................... 12
Bảng 2. 2 Thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc Accelerometer ...................................... 13
Bảng 2. 3 Cấu trúc thanh ghi 25 ..................................................................................... 14
Bảng 2. 4 Cấu trúc thanh ghi 27 ..................................................................................... 15
Bảng 2. 5 Bảng phạm vi thang đo đầu ra của con quay hồi chuyển .............................. 16
Bảng 2. 6 Cấu trúc thanh ghi 28 ..................................................................................... 16
Bảng 2. 7 Phạm vi toàn thang đo của các đầu ra gia tốc ................................................ 17
Bảng 2. 8 Cáu trúc thanh ghi 59 đến 64 ......................................................................... 17
Bảng 2. 9 Bảng độ nhạy gia tốc ..................................................................................... 19
Bảng 2. 10 Cấu trúc thanh ghi 67 đến 72 ....................................................................... 19
Bảng 2. 11 Độ nhạy của con quay hồi chuyển ............................................................... 20
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật động cơ DC ...................................................................... 43

Bảng 3. 2 Khoảng cách trung bình đo của VL53L0X ................................................... 44
Bảng 3. 3 Thông số đo được .......................................................................................... 46
Bảng 4. 1 Hướng dẫn sử dụng xe lăn ............................................................................. 72

xi


TĨM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi cơng bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm
biến gia tốc” là sản phẩm nghiên cứu tạo ra một bộ điều khiển không dây sử dụng các
cử chỉ bằng đầu để điều khiển hoạt động của xe lăn điện. Cụ thể hơn, hoạt động của bộ
điều khiển này dựa trên các cử chỉ bằng đầu được thu thập từ cảm biến gia tốc MPU6050
xử lý bằng vi điều khiển Arduino Promini, sau đó truyền tín hiệu về bộ xử lý tín hiệu
điều khiển động cơ ở xe bằng bluetooth, và điều khiển hoạt động xe lăn điện. Nhóm sử
dụng cảm biến khoảng cách VL53L0X để phát hiện vật cản trước sau xe giúp xe tránh
va chạm. Việc thiết kế và thi cơng bộ điều khiển với tiêu chí an tồn, dễ sử dụng và giá
thành hợp lý cho người dùng là người khuyết tật, bệnh nhân được ưu tiên đặt lên hàng
đầu.

xii


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo công bố của Tổng cục thống kê và UNICEF ngày 11 -1 -2019, hơn 7%
dân số Việt Nam từ 2 tuổi trở lên – khoảng 6,2 triệu người là người khuyết tật. Bên
cạnh đó, có 13% dân số - gần 12 triệu người, sống chung trong hộ gia đình có người
khuyết tật. Người khuyết tật được phân thành 6 loại dạng tật, đó là: khuyết tật vận

động (chân, tay); khuyết tật nghe, nói (câm, điếc); khuyết tật nhìn (khuyết tật về mắt,
khiếm thị); khuyết tật thần kinh, tâm thần (người rối loạn thần kinh, người điên);
khuyết tật trí tuệ (bại não, động kinh, tự kỷ); khuyết tật khác (nạn nhân chất độc da
cam, người nhiễm vi rút độc hủy hoại cơ thể…).[1]
Cơ sở hạ tầng hiện nay ở nước ta vẫn chưa phát triển các hạng mục dành cho
người khuyết tật. Nhà nước đã trợ cấp các dụng cụ hỗ trợ cho người khuyết tật như
chân tay giả, xe lăn, máy trợ thính…nhưng đối với người khuyết tật về vận động hay
nghe, nhìn thì xe lăn là vật dụng rất cần thiết để di chuyển. Tuy nhiên, để một người
khuyết tật có thể tự đi lại được bằng xe lăn thì địi hỏi phải có bộ điều khiển để xe lăn
có thể di chuyển theo ý muốn của người khuyết tật.
Có nhiều nghiên cứu về bộ điều khiển cho xe lăn điện như bài báo “GyroAccelerometer based Control of an Intelligent Wheelchair” [2] của nhớm tác giả
Rafia Hassani, Mohamed Boumehraz, Maroua Hamzi, Zineb Habba được ra mắt ngày
9 tháng 6 năm 2018, đề tài xe lăn điện điều khiển bằng cử động đầu của nhóm sinh
viên đại học sư phạm kỹ thuật Đà Nẵng, Đại học giao thông vận tải, … vẫn còn một
số nhược điểm như thiết bị điều khiển còn sơ sài, sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện
vật cản quá nhiều gây mất thẩm mĩ, …
Với mục đích có thể tạo ra một bộ điều khiển giúp người khuyết tật có thể di
chuyển dễ dàng bằng xe lăn vận dụng một các ưu điểm và nhằm khắc phục một số
nhược điểm mà các nghiên cứu trước đã thực hiện, nhóm xin giới thiệu đề tài:
“Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện bằng cảm biến gia tốc”,
do chính nhóm tiến hành nghiên cứu và thực hiện. Với mơ hình này, chúng ta có thể

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP - Y SINH

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
phát triển bộ điều khiển biến chiếc xe lăn thành một vật dụng hữu ích giúp cho người
khuyết tật có thể đi lại dễ dàng hơn

1.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển
xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc” sử dụng vi điều khiển Arduino Pro Mini xử lý
được tín hiệu từ cảm biến gia tốc MPU - 6050 sau đó giao tiếp với Arduino Nano ở
bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ đặt dưới xe để điều khiển xe lăn điện, tích hợp
cảm biến khoảng cách lazer VL53L0X để phát hiện vật cản trước sau.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, thi công bộ điều khiển xe lăn điện
sử dụng cảm biến gia tốc”, cần nghiên cứu những nội dung sau đây:
 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu cách thức hoạt động của các module liên quan.
 NỘI DUNG 2: Nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu từ cảm biến gia tốc MPU6050.
 NỘI DUNG 3: Giải pháp truyền tín hiệu giao tiếp giữa bộ cảm biến gia tốc
MPU – 6050 và bộ điều khiển động cơ.
 NỘI DUNG 4: Giải pháp thiết kế và xử lý tín hiệu cảm biến khoảng cách
lazer VL53L0X phát hiện vật cản.
 NỘI DUNG 5: Hoàn thiện hệ thống điều khiển và tiến hành chạy thử nghiệm
xe, thêm các giải pháp an toàn cho người điều khiển xe.
 NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.

1.4 GIỚI HẠN
 Bộ xử lý tín hiệu điều khiển MPU-6050 sử dụng nguồn cấp từ pin sạc 5VDC.
 Bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ sử dụng nguồn cấp Acqui 24VDC cho
2 động cơ DC 24VDC - 15.8A - 250W.
 Giao tiếp truyền tín hiệu giữa module bluetooth HC-05 ở bộ xử lý tín hiệu
MPU6050 và module HC-06 ở bộ xử lý tín hiệu điều khiển động cơ có giới
hạn sử dụng trong phạm vi 10 mét.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Dùng cảm biến khoảng cách lazer VL53L0X để phát hiện vật cản trước và
sau xe lăn có giới hạn đo trung bình như sau:
 Tối thiểu: 2cm.
 Trong nhà: Nền màu trắng: 200cm+, các màu khác: 80cm.
 Ngoài trời: Nền màu trắng: 80cm, các màu khác: 50cm.

1.5 BỐ CỤC
 Chương 1: Tổng quan.
Chương này trình bày 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 cơng
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 cơng 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 cơng mơ
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 mơ
hình cùng với nhận xét và đánh giá q trình thực hiện.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VI CƠ ĐIỆN TỬ ( MEMS )
2.1.1 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 cơng 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 mơ cơng 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


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 cơng 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 mơ 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 q trình phát triển của cơng nghệ MEMS, mơ phỏng và thiết kế là q

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
thơng tin thu được từ mơ 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.

2.1.2 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 khơng,
qn sự, tự động hóa, xe hơi, hải qn.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

5


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 qn sự thì có các bệ phóng khơng đối khơng, khơng
đối đất,…Trong nghành cơng nghiệp ơ tơ thì hiện tượng xe lật nhào làm bung túi khí
(air bag)…Trong nghành hải qn thì dùng định hướng (Navigator) trên biển,…

b. Cảm biến trong ứng dụng quang (Optical)
Có hai ứng dụng cơ bản đó là cơng 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 (WavelengthDivision Multiplexing).

c. MEMS trong vơ 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 )
2.2.1 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
thơng qua máy tính để tính tốn vị trí hiện tại dựa trên vận tốc và thời gian.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.2.2 Tổng quan về gia tốc kế Accelerometers

Khi bạn sử dụng ứng dụng la bàn trên điện thoại thơng 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 chịm sao. Điện thoại
thơng 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 khơng 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 tồn 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 khơng, hay nó bay theo chiều
ngang hay hướng xuống dưới. Ví dụ: điện thoại thơng minh xoay màn hình giữa chế
độ dọc và ngang tùy thuộc vào cách bạn nghiêng điện thoại.
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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hiện ra sự cố rơi tự do và tắt ngay ổ cứng để tránh đâm đầu đọc vào đĩa cứng. Nếu
khơng có điều này, cả hai sẽ tấn công và gây ra các vết trầy xước cho đĩa để mở rộng
tệp và đọc 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.
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 khơng, hay nó bay theo chiều
ngang hay hướng xuống dưới. Ví dụ: điện thoại thơng minh xoay màn hình giữa chế
độ dọc và ngang tùy thuộc vào cách bạn nghiêng điện thoại.
Một máy gia tốc tuy có thiết kế vẻ ngoài khiêm tốn nhưng một gia tốc kế bao
gồm nhiều bộ phận khác nhau và hoạt động theo nhiều cách, hai trong số đó là hiệu
ứng áp điện và cảm biến điện dung. Hiệu ứng áp điện là hình thức gia tốc phổ biến
nhất và sử dụng các cấu trúc tinh thể siêu nhỏ bị căng thẳng do lực gia tốc. Những
tinh thể này tạo ra một điện áp từ ứng suất, và gia tốc kế diễn giải điện áp để xác định
vận tốc và định hướng.
Gia tốc kế cảm nhận sự thay đổi điện dung giữa các cấu trúc vi mô nằm bên
cạnh thiết bị. Nếu một lực gia tốc di chuyển một trong các cấu trúc này, điện dung sẽ
thay đổi và gia tốc kế sẽ chuyển điện dung đó thành điện áp để giải thích.
Gia tốc kế được tạo thành từ nhiều thành phần khác nhau, và có thể được mua
dưới dạng một thiết bị riêng biệt. Màn hình analog và kỹ thuật số có sẵn, mặc dù đối
với hầu hết các thiết bị công nghệ, các thành phần này được tích hợp vào cơng nghệ
chính và được truy cập bằng phần mềm hoặc hệ điều hành.

Gia tốc kế thông thường được tạo thành từ nhiều trục, hai để xác định hầu hết
chuyển động hai chiều với tùy chọn thứ ba cho định vị 3D. Hầu hết các điện thoại
thông minh thường sử dụng các mơ hình ba trục, trong khi xe hơi chỉ sử dụng hai trục
để xác định thời điểm va chạm. Độ nhạy của các thiết bị này khá cao vì chúng đo tốc
độ tăng tốc rất nhanh trong vài phút. Gia tốc kế càng nhạy, nó càng dễ đo tốc độ.[4]
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.2.3 Tổng quan về con quay hồi chuyển Gyroscopes
Con quay hồi chuyển là một thiết bị dùng để đo đạc hoặc duy trì phương hướng,
dựa trên các nguyên tắc bảo toàn momen động lượng. Thực chất, con quay cơ học là
một bánh xe hay đĩa quay với các trục quay tự do theo mọi hướng. Phương hướng
này thay đổi nhiều hay ít tùy thuộc vào mơ men xoắn bên ngồi hơn là liên quan đến
con quay có vận tốc cao mà không cần mô men động lượng lớn. Vì mơ men xoắn
được tối thiểu hóa bởi việc gắn kết thiết bị trong các khớp vạn năng (gimbal), hướng
của nó duy trì gần như cố định bất kể so với bất kỳ chuyển động nào của vật thể mà
nó tựa lên.
Cũng có những con quay dựa trên các nguyên tắc vận hành như các thiết bị điện,
con quay MEMS vi mạch đóng gói được tìm thấy trên các thiết bị sử dụng điện, laser
vòng trạng thái rắn, con quay sợi quang học, và con quay lượng tử siêu nhạy.
Các ứng dụng của con quay như các hệ định vị qn tính nơi mà la bàn từ khơng
thể hoạt động hay khơng đạt đủ độ chính xác, hay đối với sự ổn định hóa của các thiết
bị bay như máy bay trực thăng được điều khiển bằng tín hiệu rada hoặc máy bay
khơng người lái. Do có độ chính xác cao, con quay cũng được dùng để định hướng
trong khai thác mỏ hầm lò.
Con quay hồi chuyển đặc trưng bởi một số ứng xử như tiến động và chương

động. Con quay hồi chuyển có thể được sử dụng để làm la bàn con quay, loại bổ sung
hoặc thay thế la bàn từ (trên tàu, máy bay và phi thuyền khơng gian), để hỗ trợ tính
ổn định (kính thiên văn Hubble, xe đạp, xe máy và tàu thuyền) hoặc được sử dụng
làm một bộ phận của hệ dẫn đường quán tính. Các hiệu ứng hồi chuyển được sử dụng
trong boomerang, yo-yo, và PowerBall.[5]

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
2.3.1 Module cảm biến gia tốc MPU-6050 (Motion Processing Unit)
a. Giới thiệu về module cảm biến gia tốc MPU – 6050
Hiện nay trên các thiết bị điện thoại thơng minh đều tích hợp cảm biến gia tốc
để đo và phát hiện các chuyển động nhằm thực hiện các mục đích như chống trộm,
ứng dụng để điều khiển trò chơi, ... Một số ứng dụng như xe cân bằng, flycam, máy

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
bay khơng người lái,... Có rất nhiều loại cảm biến gia tốc trên thị trường như GY521, LSM9DS0, BNO055, MPU – 6050, … mỗi loại cảm biến có ưu nhược điểm
riêng và giá thành khác nhau. Nhưng phổ biến nhất, có nhiều ưu điểm và giá thành
hợp lý, để phù hợp với đề tài này, chúng tôi chọn cảm biến MPU - 6050.
Module cảm biến MPU - 6050 là cảm biến xử lý chuyển động tích hợp 6 trục:
3 trục gia tốc (tri-axis MEMS Accelerometer), 3 trục con quay hồi chuyển (tri-axis
MEMS Gyroscope) và 1 bộ xử lý chuyển động số Digital Motion Processor TM
(DMPTM) được sản xuất bởi hãng InvenSense. MPU-6050 cũng được thiết kế để
giao tiếp với các vi điều khiển theo chuẩn giao tiếp I2C. Trong MPU-6050 cũng tích
hợp sẵn bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) 16-bit. Để theo dõi chính xác sự nhanh
chậm của chuyển động, chúng ta có thể chọn phạm vi thang đo của con quay hồi
chuyển là ±250, ±500, ±1000, ±2000o/sec tương ứng với phạm vi thang đo của gia

tốc kế ±2g, ±4g, ±8g, ±16g.

Hình 2. 1 Module cảm biến gia tốc MPU -6050
Thông số kỹ thuật:
 VCC: 3.3V – 5V.
 GND: Mass.
 SCL: Chân SCL trong giao tiếp I2C.
 SDA: Chân SDA trong giao tiếp I2C.
 XDA: Chân dữ liệu (kết nối với cảm biến khác).
 XCL: Chân xung (kết nối với cảm biến khác).
 AD0: Bit 0 của địa chỉ I2C.
 IN1: Chân ngắt
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b. Các đặc trưng của module cảm biến gia tốc MPU – 6050
 Đặc trưng của cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope).
Ba trục của con quay hồi chuyển trong MPU6050 gồm một số đặc trưng
sau:
 Ngõ ra số của 3 trục X, Y, Z đều có thể sử dụng ở phạm vi thang đo
như ±250, ±500, ±1000, ±2000o/sec.
 Tín hiệu đồng bộ hóa bên ngồi được kết nối với chân FSYNC hỗ trợ
đồng bộ hóa hình ảnh, video và GPS.
 Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời.
 Tăng cường độ chính xác và ổn định nhiệt độ nhằm làm giảm sự hiệu
chỉnh của người lập trình.

 Cải thiện hiệu suất và giảm nhiễu khi làm việc ở tần số thấp.
 Sử dụng bộ lọc thơng thấp kỹ thuật số.
 Dịng hoạt động 3.6mA.
 Dòng điện chờ 5μA.
 Đặc trưng của cảm biến gia tốc (Accelerometer).
 Ngõ ra số của 3 trục cho phép lập trình với thang đo ±2g, ±4g, ±8g,
±16g.
 Tích hợp ADC 16-bit cho phép lấy mẫu đồng thời.
 Dòng hoạt động: 500μA.
 Dịng hoạt động ở cơng suất thấp: 10μA tại 1.25Hz, 20μA tại 5Hz, 60μA
tại 20Hz, 110μA tại 40Hz.
 Phát hiện hướng và điều hướng.
 Ngắt (interrupt).
 Một số đặc trưng khác
 9 Trục MontionFusion nằm trên chip Digital Montion Processer(DMP).
 Giao tiếp I2C hỗ trợ đọc dữ liệu từ các cảm biến ngồi.
 Dịng hoạt động là 3.9mA khi tất cả 6 trục của cảm biến và DMP được
sử dụng.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP - Y SINH

11