Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo chuyên ngành viễn thông Thiet ke va xay dung mach dieu khien
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆNinh Văn TrưởngTHIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂNVI KẸP CÓ GẮN CẢM BIẾNKHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Điện tử -Viễn thông Cán bộ hướng dẫn: TS. Chử Đức Trình Cán bộ đồng hướng dẫn: CN. Phan Văn MinhHÀ NỘI - 2008 Lời cảm ơnTrước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Chử Đức Trình, người thầy đã tận tình giúp đỡ và những ý kiến đóng góp quý báu giúp em trong quá trình hoàn thiện khóa luận. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới thầy cô trong khoa Điển tử-Viễn thông, cán bộ giảng dạy phòng MEMS trường ĐH Công nghệ-ĐH Quốc Gia Hà Nội, CN. Phan Văn Minh đã tạo điều kiện và trang bị cho em những kiến thức cần thiết để hoàn thành khóa luận. Em cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện công việc.Với sự hiểu biết và kinh nghiệm làm việc còn non trẻ nên bản khóa luận này không thể tránh khỏi những khiếm khuyết. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến nhiệt tình từ thầy cô và bạn bè.Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn.Hà Nội ngày 28 tháng 5 năm 2008Sinh viên Ninh Văn Trưởng Tóm tắt nội dungVào 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. Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHNChương 1 Giới thiệu1.1 Vi kẹp có gắn cảm biến1.1.1 Giới thiệuGắn các bộ điều khiển lực vào các bộ chấp hành cho phép cải thiện tính khéo léo, chính xác và tốc độ thao tác.Phần này giới thiệu sơ lược vi kẹp có gắn cảm biến dựa trên bộ chấp hành điện-nhiệt polymer-silicon và một thanh cantilever cảm biến lực áp điện trở. Vi kẹp có gắn cảm biến được đề xuất với chiều dài là 490 µm, chiều rộng 350 µm và chiều dày là 30 µm với công suất tiêu thụ thấp và nhiệt độ hoạt động thấp. Hơn nữa, thiết bị này được chế tạo với công nghệ tương thích CMOS và do đó có khả năng tích hợp với các mạch điều khiển trên một chip.1.1.2 Chế tạoVi kẹp có gắn cảm biến dựa trên sự trên kết hợp của vi chấp hành điện-nhiệt polymer-silicon và thanh cảm biến lực áp trở cantilever. Sơ đồ nguyên lý được biểu diễn trong hình 1.1. Khi cơ cấu chấp hành điện nhiệt được kích 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-siliconCảm 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.Ninh Văn Trưởng – K49ĐB1 Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHNHình 1.1: Hình vẽ nguyên lý của vi kẹp có gắn cảm biếnHình 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.Ninh Văn Trưởng – K49ĐB2 Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHN1.1.4 Thông số kỹ thuật của vi kẹp có gắn cảm biếnHình 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 ).Ninh Văn Trưởng – K49ĐB3 Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHNHình 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 VCông 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.Ninh Văn Trưởng – K49ĐB4 Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHNHình 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.Ninh Văn Trưởng – K49ĐB5 Khóa luận tốt nghiệp ĐH Công Nghệ - ĐHQGHNHình 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.Ninh Văn Trưởng – K49ĐB6 [...]... sử dụng-truy nhập bit TXWAKE Khi máy phát tải từ UxTXBUF, WUT cũng được tải từ TXWAKE khởi động lại bit TXWAKE Quy trình sau khi gửi ra ngoài một khung không dùng đến để cho biết một đặc tính địa chỉ sẽ đi theo: 1) Thiết lập TXWAKE, sau khi viết bất kỳ đặc tính nào tới UxTXBUF UxTXBUF phải được đọc cho dữ liệu mới (UTXIF = 1) Giá trị TXWAKE được chuyển tới WUT và những nội dung của UxTXBUF được chuyển... đoạn không dùng đến TXWAKE được tự động xác lập lại 2) Viết đặc tính địa chỉ đích tới UxTXBUF UxTXBUF cần phải được sẵn sàng cho dữ liệu mới (UTXIFGx = 1) Miêu tả đặc tính mới của lý thuyết địa chỉ được chuyển ra ngoài sau đó nhận dạng-địa chỉ giai đoạn không dùng đến trên UTXDx Đầu tiên viết đặc tính “không bảo dưỡng” tới UxTXBUF được cần thiết trong thứ tự chuyển bit TXWAKE tới WUT và tạo ra một... một tín hiệu PUC hoặc bằng việc thiết lập bit SWRST Sau một PUC, bit SWRST được tự động thiết lập, giữ USART trong một điều kiện reset Khi thiết lập, bit SWRST xác lập lại bit Ex, UTXIEx, URXIFGx, RXWAKE, TXEPT Làm cho các cờ có thể truyền và nhận, URXEx và UTXEx, không được thay đổi bởi SWRST Xoá SWRT làm giảm USART cho hoạt động Xem thêm chương modul USART, chế độ 12C cho USART0 khi lại định hình... cho đường không dùng đến thì bit stop thứ hai được đếm như bit đánh dấu đầu tiên của giai đoạn không dùng đến Đặc tính đầu tiên nhận sau khi một giai đoạn không dùng đến là một đặc tính địa chỉ Bit RXWAKE được sử dụng như một thẻ địa chỉ cho mỗi khối của đặc tính Trong định dạng đa xử lý đường-không dùng đến, bit này được thiết lập khi một đặc tính nhận được một địa chỉ và được chuyển tới UxRXBUF Hình . với việc sử dụng-truy nhập bit TXWAKE. Khi máy phát tải từ UxTXBUF, WUT cũng được tải từ TXWAKE khởi động lại bit TXWAKE.Quy trình sau khi gửi ra ngoài. theo:1) Thiết lập TXWAKE, sau khi viết bất kỳ đặc tính nào tới UxTXBUF. UxTXBUF phải được đọc cho dữ liệu mới (UTXIF = 1).Giá trị TXWAKE được chuyển
