Projecte que he desenvolupat a l'Institut de Disseny i Fabricació de la Universitat Politècnica de València.   Es tracta d'un sensor que mesura girs, acceleracions i canvis d'orientació respecte del camp magnètic, tots als tres eixos de coordenades.   La seua aplicació és per a conèixer la posició espacial en vehicles mòbils (Click ací per continuar llegint).

Introducció

Actualment esta disponible al mercat un gran nombre de sensors inercials que disposen de ferramentes de comunicació i d’una gran versatilitat. Estos sensors s’utilitzen principalment en el camp aeroespacial en aplicacions per a la navegació i control, on es necessari conèixer amb molta precisió les velocitats de rotació i acceleracions d’un vehicle en moviment.

No obstant, estos sensors tenen un preu elevat, es per això que la seua implantació en sistemes es veu reduïda a aplicacions amb alt pressupost.

El nostre objectiu serà el d’implementar-ne un de baix cost, utilitzant circuits integrats que estan disponibles actualment al mercat, a un preu raonable i amb unes prestacions competitives.

Descripció general del sensor

            El circuit és un precís seguidor de l’orientació amb tres graus de llibertat (3DoF – three degrees of freedom). Es podrà calcular l’orientació 3D mijançant les dades cinemàtiques que es capaç de medir: acceleració 3D, quantitat de gir també en 3D, i l’orientació del camp magnètic de la terra.

El principal component és el microcontrolador C8051F121. Este s’encarregarà de comunicar-se amb els sensors, configurar-los i llegir totes les mesures, efectuar els càlculs i enviar el resultat en una trama via sèrie al dispositiu connectat a la UART0.

La comunicació amb els giròscops es farà per SPI (de l’anglès Serial Peripheral Interface), seleccionant cada volta un dels tres giròscops i adquirint les dades.

L’eixida de l’acceleròmetre és simplement una tensió analògica per cada eix, les quals les connectarem a les entrades AIN0.x del microcontrolador

El compàs magnetoresistiu és un poc més complicat ja que les eixides són dos per cada eix, i es calcula l’orientació depenent de la diferència d’una respecte de l’altra. És per això que les passarem per tres operacionals i l’eixida la connectarem a tres entrades AIN0.x. A més consta d’un circuit amb Mosfets que s’encarregarà d’alinear els moments magnètics als ponts resistius de mesura. Quan s’exposen a intensos camps magnètics com imans d’altaveus, ferramentes magnetitzades o conductors d’alta corrent, un pols generat pel microcontrolador els desmagnetitzarà.

Integrats utilitzats

El circuit integrat es muntarà amb la tecnologia SMD (Surface Mounted Device) de muntatge superficial per a reduir al màxim les dimensions. El microcontrolador escollit per a l’aplicació és el C8051F121 del fabricant Silicon Laboratories, Inc. de la família MCS51. Este xip es capaç de processar 100 milions d’instruccions per segon i és un dels més potents d’esta família. L’enviament de les dades es realitzarà mitjançant una de les dos UARTs de les que disposa.

Per a mesurar l’angle de gir utilitzarem el giròscop  ADIS16100 de la casa Analog Devices, Inc. Degut a que no s’han trobat sensors que mesuren en un sol integrat els girs en els tres eixos, s’ha decidit utilitzar este situant-ne cada un en diferents plaques, orientades de tal manera que amiden els eixos X, Y i Z. L’ADIS16100 és capaç de mesurar ± 300º per segon, el que supera àmpliament les nostres necessitats.

L’acceleròmetre l’hem triat del fabricant suís ST Microelectronics, el LIS3L02AS4. El que ens ha fet decidir-nos per aquest integrat és que es pot triar entre dos diferents escales de mesura, ± 2g ó ± 6g, donant una resolució màxima de 0,5mg a 100Hz que és més que suficient. El consum és mínim, característica molt important si es desitja muntar en un robot mòbil que funcione a bateries.

El kit de compàs magnètic HMC1055 és de Honeywell, reconeguda corporació multinacional americana. Els tres integrats que composen el kit magnetoresistiu són el HMC1051Z, que va situat en vertical i que medix l’eix Z; el HMC1052 que s’encarrega de medir els eixos X i Y; i també ens proporcionen un acceleròmetre de dos eixos per a compensació de la inclinació, integrat que no muntarem ja que esta funció la implementarem amb l’acceleròmetre de ST Microelectronics. També ens faran falta dos mosfets i tres operacionals per a completar la circuiteria del sensor magnètic.

També s’inclouran al circuit dos reguladors de tensió, el popular 7805 (el MC7805CD2TG concretament) per a donar tensió de 5 volts i un NCP565D2T33G per a la de 3,3 volts, els dos de la casa ON Semiconductor. D’esta manera la tension d’alimentació externa del circuit podran variar des de 6 fins a 20 volts.

Per tal de fer modificacions al software del microcontrolador s’ha dotat del connector JTAG, amb el que connectant-lo a l’USB Debug Adapter, podrem modificar el programa sense necessitat de desoldar el xip. Un botó de reset i un led per a indicar la correcta alimentació també s’han afegit.

IMATGES DEL SENSOR ACABAT

Visita la fotoweb con mis mejores fotos clicando aquí...