ADXL320 İVME SENSÖRÜ İLE DİJİTAL SU TERAZİSİ TASARIMI Yavuz EROL, Murat SERHATLIOĞLU Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Fırat Üniversitesi yerol@firat.edu.tr ÖZET Bu çalışmada Analog Devices firması tarafından üretilen MEMS tabanlı ADXL320 model iki eksenli ivme sensörü yardımıyla dijital su terazisi tasarımı gerçekleştirilmiştir. PIC16F877A mikrodenetleyicisi ile tasarlanan elektronik devre yardımıyla X-Y ekseni doğrultusundaki açısal değişimler hassas bir şekilde ölçülebilmekte ve bargraf LED li gösterge yardımıyla zeminin düzgünlüğü hakkında fikir yürütülebilmektedir. Anahtar Kelimeler: İvme sensörü, ADXL320, eğim ölçer 1. GİRİŞ MEMS teknolojisi 1990 lı yıllardan itibaren yarıiletken teknolojisinde yaşanan gelişmelerle birlikte önem kazanmıştır. Bu gelişmeler sayesinde günümüzde var olan mekanik ve elektrik sistemlerin minyatürleştirilmiş halleri mikron boyutlarında gerçekleştirilmektedir [1]. MEMS yapılar basınç, sıcaklık, ivme, elektromanyetik radyasyon ölçümü vb. alanlarda kullanılmaktadır [2-4]. Entegre devre teknolojisindeki hızlı gelişmelerle birlikte MEMS yapıların uygulama alanları da yaygınlaşmaktadır. Otomotiv sektöründe hava yastığı sistemlerinde, havacılık ve uzay sanayisinde, haberleşme ve optik sistemlerinde, biyolojik maddelerin bilimsel amaçlarla analizinde MEMS tabanlı elektronik devreler görmek mümkündür [5]. Bu çalışmada MEMS tabanlı ivmeölçer devresi yardımıyla eğim açısı ölçümü gerçekleştirilmiş ve inşaat sektöründe kullanılan su terazisi aletine alternatif olacak dijital eğim ölçer cihazı tasarlanmıştır. 2. İVME SENSÖRLERİ MEMS teknolojisinin gelişimine bağlı olarak oldukça önem kazanmış sensörlerden birisi ivme sensörüdür. İvme sensörü, ivmenin algılanması ve ölçümü işlemini yapan bir elemandır ve ivmenin değeriyle orantılı olarak elektriksel (analog veya dijital) bir çıkış gerilimi üretir. Nesnenin hızında ya da hızın yönlendiği doğrultuda bir değişim meydana geldiğinde ivme oluşur. Bir ivmeölçer ivmenin yanında, çarpma, titreşim, dönme ve eğim gibi değişken durumların ölçülmesinde de kullanılır [6]. İvme sensörlerinin analog ve dijital olmak üzere iki türü bulunmaktadır. Analog ivme sensörlerinin çok farklı prensiplere göre çalışan çeşitleri vardır. En yaygın olanları kapasite hassasiyetli ve piezoelektrik etkili algılamaya sahip olan sensörlerdir. Analog çıkışlı ivme sensörleri uygulanan ivmeye bağlı olarak sürekli değişen bir gerilim üretir. Dijital çıkışlı ivme sensörlerinde ise çıkış sinyali olarak, PWM (darbe genişlik modülasyonu) olarak bilinen, değişken frekanslı kare dalga üretilir. İvmenin değeri PWM sinyalinin görev periyodu ile doğrudan orantılıdır. I2C, SPI, UART desteği olan dijital ivme sensörleri de bulunmaktadır [7]. Bir ivme sensörünün çıkış işareti ofset, yükseltme ve filtreleme gibi işlemlere ihtiyaç duyar. Analog çıkış gerilimli ivme sensörleri için çıkış işareti, ivmelenmenin yönüne bağlı olarak pozitif veya negatif gerilim olabilir. Diğer sensörlerde olduğu gibi analog dijital çevirici için değer ölçeklendirilmeli ve/veya maksimum kazanç elde edilebilecek oranda yükseltilmedir [8]. İvme sensörleri bir, iki ve üç eksende ayrı ayrı ya da birlikte ölçüm yapabilecek yetenektedir. En çok kullanılan türü iki eksenli olanlarıdır. Ancak üç eksenli ivme sensörleri giderek yaygınlaşmakta ve ucuzlamaktadır. İvme sensörünün, yerçekimi ivmesini ölçme amaçlı eğim sensörü olarak kullanılması halinde çıkış aralığının ±1.5g civarında olması yeterlidir. Çarpma sensörü olarak kullanılması halinde (en yaygın olanı müzikal uygulamalardır) ±5g yeterlidir. İvme ölçümü işlemi çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Hız, konum, çarpma, titreşim ya da yerçekimi ivmesinin ölçülmesinde kullanılabilir [9]. İki eksenli ivme sensörlerinin kullanıldığı uygulamalarda pitch (uçağın kanattan dönme hareketi) ve roll (uçağın burundan dönme hareketi) ölçülebilir [10]. Bu ölçüm kafa hareketlerinin elde edilmesinde oldukça etkilidir. Üçüncü eksen üç boyutlu uzayda oryantasyonu gözlemlemek için eklenebilir. Ayrıca model uçaklarda oldukça fazla kullanılmaktadır. Çarpma detektörü olarak kullanımında ivme sensörü, ivmedeki ani değişimleri tespit eder. Bu ani hareket aşırı sönümlü bir titreşim olarak algılanır. Bilgisayarın düşmesi halinde yere çarpmayı algılayarak hard diski korumaya alan sistemler bulunmaktadır [11]. 2.1. ADXL320 İvme Sensörü ADXL320 Analog Devices firması tarafından üretilen düşük maliyetli, düşük güç tüketimine sahip, her bir eksen için analog çıkış üreten çift eksenli ivme ölçen bir entegredir. Hem dinamik ivmelenmeyi (titreşim), hem de statik ivmelenmeyi (yerçekimi) ölçebilen bu sensör ±5 g aralığında ölçüm yapabilmektedir. ADXL320 4mm 4mm 1.45mm boyutunda 16 bacaklı LFCSP kılıflı olarak piyasada bulunmaktadır [12]. Şekil 1 de kılıf yapısı ve board üzerindeki hali görülmektedir. Şekil 1: ADXL320 pin konfigürasyonu 41
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Standart gürültü eşiği 250ug/Hz olarak verilmektedir. Böylece dar bant (<60Hz) kullanılan eğim algılama uygulamalarında 2mg nin üzerinde sinyal çözünürlüğüne izin verir. X OUT ve Y OUT çıkışlarına C X ve C Y kondansatörleri bağlanarak bant genişliği ayarlanabilmektedir. 0.5Hz 2.5kHz lik bant genişliği aralığı uygulamalarda kullanılabilir. Şekil 2 de sensörün iç yapısına ait blok diyagram görülmektedir. Şekil 3: İvme sensörü üzerine etkiyen kuvvetlerin vektörel gösterimi Şekil 2: ADXL320 blok diyagramı ADXL320 ivme sensörü hareket duyarlılığı ve eğim algılama, akıllı el aletleri, cep telefonları, spor ve sağlık sektörü uygulamalarında ve PC güvenlik-koruma sistemlerinin tasarımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Çıkış gerilimi besleme gerilimi ile doğrudan orantılı olarak değişir. Çıkış hassasiyeti Vs=5V için 312mV/g iken, Vs=2.4V için 135mV/g kadardır. Besleme gerilimi arttığı zaman, gürültü hassasiyeti düşmektedir. Bunun sebebi gürültü gerilimi sabit kaldığı halde çıkış hassasiyetinin artmasıdır. Vs=5V için gürültü hassasiyeti 150µg/ Hz, iken Vs=2.4V için 300µg/ Hz kadardır. Self-test gerilimi yaklaşık olarak besleme geriliminin karesiyle orantılı olarak değişmektedir. Vs=5V için 250mV, Vs=2.4V için 25mV luk bir çıkış alınabilmektedir [12]. 2.2. ADXL320 nin Çift Eksenli Eğim Sensörü Olarak Kullanılması İvme sensörü için en popüler uygulama alanı eğim algılama işlemidir. İvme sensörü nesnenin uzaydaki dönüşünü belirleyebilmek için, yerçekimi kuvvetini giriş vektörü olarak kullanır. İvme sensörü, eksenler yerçekimine dik olduğu konumda (sensör düzleme paralel iken) eğime karşı oldukça hassastır. Bu durumda, eğime karşı gösterdiği değişim maksimum seviyededir. İvme sensörü yer çekimi yönüne dik olduğu durumda çıkıştaki değişim, eğimin her derecesi için 17.5mg kadardır [12]. Şekil 3 de ivme sensörü üzerine etkiyen kuvvetlerin vektörel gösterimi görülmektedir. Burada R vektörü ivme sensörünün üzerine etkiyen kuvvet vektörüdür. Bu kuvvet yerçekimi veya sensörün hareketi sonucu yerçekimi kuvveti ile eylemsizlik kuvvetinin bileşkesi olarak verilir. R vektörünün 3 bileşeni R=[R X,R Y,R Z ] olarak ifade edilirse, Pisagor teoremine göre R 2 =R 2 x +R 2 y +R 2 z bağıntısı yazılır. Böylece R X, R Y ve R Z bileşenleri bilindiğinde, trigonometrik fonksiyonlar yardımı ile R vektörünün X ve Y eksenleri ile yaptığı açılar hesaplanıp sensörün yeryüzüne göre konumu bulunabilir. İvme sensörünün çıkışındaki analog gerilim seviyesine bağlı olarak PIC mikrodenetleyicinin ADC modülü sayısal bir karşılık üretir. Sensörün besleme gerilimi ve V ref gerilimi 3.3V seçilirse, PIC mikrodenetleyicinin 10 bitlik ADC çözünürlüğü için adım aralığı 3.225mV olur. Tablo 1 de örnek ölçüm sonuçları görülmektedir. Tablo 1: Sayısal dönüşüm sonuçları Analog çıkış Sayısal karşılık X 1.89V 586 Y 2.03V 630 Z 1.81V 561 ADC dönüşüm sonucu yardımıyla ivme ve eğim bilgisinin elde edilmesi için ivme sensörünün 0g de vermiş olduğu zerog değerinin bilinmesi gerekir. Bu değer genelde V DD /2 dir. Tablo 1 de verilen analog gerilim değerlerinden 1.65V değeri çıkarılıp sensörün hassasiyetine bölünürse hangi eksene ne kadar kuvvet uygulandığını bulunabilir. Bu değerin ters sinüsü alınarak R vektörünün X ve Y eksenleri ile yaptığı açılar hesaplanabilir [13]. Şekil 4 de sensörün X ve Y çıkış uçlarından ölçülen gerilimin açıya bağlı değişimi görülmektedir. Ölçüm sırasında besleme gerilimi 3.3V, sensörün ölçüm yapılan masadan yüksekliği h = 10.5cm, sensör yer yüzeyine (masaya) dik ve belirleyici nokta sol üst köşededir. 1,900 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400-90 -80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 X (V) Y (V) Şekil 4: X ve Y ekseni çıkışlarının açıya bağlı değişimi 42
3. TASARLANAN SİSTEM Şekil 5 de dijital su terazisi sistemine ait devre şeması görülmektedir. Devrede PIC16F877A mikrodenetleyici, 2x16 LCD gösterge, ADXL320 ivme sensörü ve bargraf display sürücü devresi bulunmaktadır. Bargraf displayler şekil 6 daki 74HC595 kaydırmalı kaydedicisi ile yapılan devre yardımıyla sürülmektedir. Tasarlanan sistemde X-Y eksenindeki açısal değişimleri görüntülemek için sağ, sol, ileri ve geri olmak üzere 4 adet display bulunmaktadır. Açı ölçüm işlemi -45 ile +45 derece aralığında yapılmaktadır. İvme sensörünün 3.3V luk besleme gerilimi LM1117T regülatörü ile sağlanmaktadır. Devrenin tamamı 5V luk bir güç kaynağından beslenmektedir. LCD nin kontrast ayarı devredeki potansiyometre ile ayarlanmaktadır. Şekil 5: Kontrol devresine ait şema 43
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Sistemin sadeleştirilmiş akış diyagramı şekil 9 da verilmiştir. BAŞLA Değişken tanımlamaları Şekil 6: Bargraf display sürücü devresi Gerçekleştirilen sistemin genel görünümü şekil 7 ve 8 de verilmiştir. LCD ye DİJİTAL SU TERAZİSİ yazdır 2 sn bekle AN5 kanalını oku Eksen_X = AN5 AN6 Kanalını Oku Eksen_Y = AN6 Rx = ((5/1024 * Eksen_X) 1,65)/0,19614 Pitch = asin(rx) * 180/π Şekil 7: Dijital su terazisi sisteminin genel görünüşü Ry = ((5/1024 * Eksen_Y) 1,65)/0,19614 Roll = asin(ry) * 180/π Yatay ve dikey için hesaplanan açı değerlerini LCD ye yaz Bargraf displayler de eğim açısı durumunu görüntüle Şekil 9: Akış diyagramı Şekil 8: LCD ve bargraf LED görüntüsü 4. SONUÇLAR Bu çalışmada Analog Devices firması tarafından üretilen ADXL320 çift eksenli ivme sensörü kullanılarak eğim açısının ölçümü gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistem dijital su terazisi olarak herhangi bir zeminin eğiminin ölçümünde kullanılabilecek özelliklerdedir. Açı ölçümü -45 ile +45 derece aralığında 16 kademe hassasiyetle yapılmaktadır. Yatay ve dikeydeki açı değeri 2x16 LCD gösterge üzerinden derece olarak okunabilmekte, aynı zamanda bargraf LED ler 44
yardımıyla X-Y ekseni doğrultusundaki açısal değişim görüntülenmektedir. Gerçekleştirilen uygulama ve testler sonucunda, MEMS tabanlı ivme sensörünün eğim açısı ölçümüne teknolojik bir çözüm sunduğu ve çok kullanışlı olduğu görülmüştür. İvme sensörünün farklı uygulama alanlarına da uyarlanarak yenilikçi cihazların tasarımına bir zemin oluşturması planlanmaktadır. Bu çalışma, Fırat Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü öğrencilerinden Murat Serhatlıoğlu nun Polonya Bialystok Teknoloji Üniversitesinde 2009-2010 ERASMUS ve 2011 IP/WALT programlarında edindiği teknik bilgiler ışığında hazırlanmıştır. 5. KAYNAKLAR [1] Roco, M. C., A Frontier for Engineering - The Aim of Nanotechnology to Build the Future, Molecule by Molecule, Mechanical Engineering,123 (1): 52-55, 2001. [2] Zhu, R., Zhou, Z., Li, S., Sun, X., "A novel miniature azimuth-level detector based on MEMS", Microelectromechanical Systems Conference, 50-53, 2001. [3] Ang, W.T., Khosla, P.K., Riviere, C.N., "Design of allaccelerometer inertial measurement unit for tremor sensing in hand-held microsurgical instrument," Robotics and Automation, 2:1781-1786, 2003. [4] Yurish, S.Y., "Low-cost, dual-axis smart inclinometer," IEEE Sensors, 1488-1491, 2008. [5] Kaplan, H., Dölen, M., Mikro-Elekro-Mekanik-Sistemler (MEMS): Mikro-Akışkan Uygulamaları, 11. Ulusal Makine Teorisi Sempozyumu, 1-10, 2003. [6] Gad-el-Hak, M., The MEMS Handbook, CRC Press, USA, 2001. [7] Kadıoğlu, T., Dinçer, H., İvme sensörü uygulaması, ELECO'2008 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, Bursa, 26-30 Kasım 2008. [8] Verplaetse, C., Inertial Proprioceptive Devices: Self- Motion-Sensing Toys and Tools, IBM Systems Journal, 35:639-650, 1996. [9] Walter, P.L., Trends in Accelerometer Design for Military and Aerospace Applications, Sensors Magazine, 1999. [10] Sebastian Trimpe, S. and D Andrea, R., Accelerometerbased Tilt Estimation of a Rigid Body with only Rotational Degrees of Freedom, IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2630-2636, 2010. [11] Rob, O., Khenkin, A., Harney, K., Managing Acoustic Feedback: Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Contact Microphones for Musical Instruments Acoustics Today, 28-32, 2008. [12] ADXL320 Datasheet, Analog Devices, http://www.analog.com [13] Clifford, M. and Gomez, L., Measuring Tilt with Low-g Accelerometers, Freescale Semiconductor Application Note, 2005. 45