Arduino İvme Sensörü Kullanımı

03.01.2022 • 6 dk okuma
Arduino İvme Sensörü Kullanımı arduino ivme sensörü

Bu içeriğimizde, arduino ivme sensörü kullanımını inceliyoruz. Modern akıllı telefonlardan insansız hava araçlarına (İHA), robotik stabilizasyon sistemlerinden oyun konsollarına kadar hareket algılamanın kritik olduğu her yerde ivmeölçerler (accelerometers) kullanılır. Fiziksel bir cismin anlık hız değişim oranını (ivmesini) üç eksende yüksek hassasiyetle ölçen bu duyargalar, ataletsel seyrüsefer sistemlerinin en temel bileşenidir.

Bu rehberimizde, mikro-elektro-mekanik sistemler (MEMS) teknolojisine dayanan popüler ADXL335 3 eksenli ivmeölçer modülünü, kapasitif algılama mekanizmasını, Roll ve Pitch açılarının matematiksel hesaplanmasını ve Arduino ile arayüz tasarımını tüm mühendislik detaylarıyla ele alacağız.

İvmeölçerler, havacılık ve uzay sanayiinde otopilot sistemleri ve füzelerin yönlendirilmesinde kullanılan yüksek hassasiyetli ataletsel seyrüsefer ve GPS Küresel Konumlama Sistemi bileşenlerinden, endüstriyel dönen makinelerin titreşim analizine kadar geniş bir spektrumda kendine yer bulur. Ayrıca tabletlerde dikey/yatay ekran yönlendirmesi ve İHA’ların havada asılı kalması (stabilizasyon) bu küçük çipler sayesinde gerçekleşir.

Arduino İvme Sensörü Kullanımı
Arduino İvme Sensörü Kullanımı

Fiziksel olarak yeryüzündeki yerçekimi ivmesi yaklaşık 1\text{ g} olarak kabul edilir ve bu değer standardizasyon gereği 9.80665\text{ m/s}^2 olarak tanımlanır. Yerçekimi ivmesi Ay yüzeyinde Dünya’nın yaklaşık 1/6‘sı, Mars’ta ise yaklaşık 1/3‘ü kadardır. İvmeölçer sensörler hem dinamik ivmeleri (hareket, darbe veya titreşim) hem de statik ivmeleri (yerçekimi açısı yani eğim algılama) yüksek doğrulukla tespit edebilirler.

Yazı İçeriği

Reklam Alanı — Click for AD Place

ADXL335 Modülü Teknik Özellikleri

ADXL335, Analog Devices firması tarafından geliştirilen, son derece düşük güç tüketimine sahip, küçük ve ince bir 3 eksenli ivmeölçer entegresidir. Çip, x, y ve z eksenlerindeki ivmeyi ölçerek bunlarla orantılı analog voltaj çıkışları üretir. Modülün temel elektriksel karakteristikleri şunlardır:

  • 3 Eksenli Ölçüm: X, Y ve Z eksenlerinde tam ve bağımsız ölçüm yapar.
  • Ölçüm Aralığı: \pm 3\text{ g} minimum tam ölçek aralığına sahiptir (dinamik ve statik ölçümler için idealdir).
  • Besleme Gerilimi: 1.8\text{ V} ile 3.6\text{ V} DC arasında çalışır (Genellikle modül kartı üzerinde 3.3\text{ V} LDO regülatörü bulunur).
  • Düşük Güç Tüketimi: Tipik olarak yalnızca 350\text{ }\mu\text{A} akım çeker.
  • Analog Çıkış: Mikrodenetleyicilerde harici bir kütüphaneye ihtiyaç duymadan doğrudan analog-dijital dönüştürücü (ADC) pinleriyle okunabilir.

ADXL335 hakkında daha kapsamlı elektriksel karakteristikler ve frekans yanıt sınırları için üreticinin hazırladığı resmi ADXL335 teknik veri sayfasına (datasheet) göz atabilirsiniz.

MEMS Kapasitif Çalışma Mekanizması

MEMS İvmeölçer İç Yapısındaki Mikroskobik Plakalar ve Kütle Mimarisi

ADXL335, tek parçalı polikristal silikon yüzey mikromimarisinden (polysilicon surface-micromachined) üretilmiş bir duyarga yapısına sahiptir. Sensörün iç çalışma adımları şu fiziksel kurallarla gerçekleşir:

  • Süspansiyon Yaylı Kütle Yapısı: Çipin içerisinde yaylarla asılı duran mikroskobik hareketli bir silikon kütle (proof mass) ve buna paralel sabit plakalar yer alır. Bu plakalar aralarında mikroskobik kondansatör yapısının kapasitansını oluşturur.
  • Diferansiyel Kapasitans Değişimi: Sensör herhangi bir eksende ivmelendiğinde veya yerçekimine maruz kaldığında, atalet nedeniyle hareketli kütle yer değiştirir. Bu yer değiştirme, hareketli ve sabit plakalar arasındaki mesafeyi (d) değiştirerek diferansiyel kapasitans dengesini bozar.
  • Gerilim Dönüşümü: Çip içerisindeki entegre sinyal koşullandırma devresi, bu kapasitans değişimini hızla algılar ve doğrudan ivme miktarıyla doğrusal olarak orantılı bir analog çıkış voltajına dönüştürür. Gömülü sensör ve transduser teknolojileri bu sayede mekanik ivmeyi elektriksel sinyale çevirmiş olur.

ADXL335 Modül Arayüzü ve Pin Tanımlamaları

ADXL335 Sensör Kartı Pin Çıkışları Görünümü
ADXL335 Pin Dağılımı
  • VCC: Güç besleme girişi (3.3\text{ V} veya 5\text{ V} bağlanabilir).
  • X-OUT: X ekseni ivme değeriyle orantılı analog çıkış voltajı.
  • Y-OUT: Y ekseni ivme değeriyle orantılı analog çıkış voltajı.
  • Z-OUT: Z ekseni ivme değeriyle orantılı analog çıkış voltajı.
  • GND: Sistem toprak hattı (GND).

Açısal Yönelim ve Eğim Hesaplama Matematiği (Roll & Pitch)

Bir ivmeölçerin 3 eksenli analog çıkış voltajlarını okuyarak sensörün uzaydaki yönelimini (eğim açılarını) yüksek doğrulukla hesaplayabiliriz. Statik yerçekimi vektörünü kullanarak hesaplayabileceğimiz iki temel açısal yönelim şunlardır:

  • Roll (Yatış Açısı – \phi): Sensörün X ekseni etrafındaki dönme açısı.
  • Pitch (Yunuslama Açısı – \theta): Sensörün Y ekseni etrafındaki dönme açısı.
Pitch Roll ve Yaw Yönelim Açılarının Koordinat Ekseni Şeması
Roll, Pitch ve Yaw Dönme Açıları

Sensörün analog çıkışlarından elde ettiğimiz ivme vektörü bileşenleri A_x, A_y ve A_z olarak adlandırılırsa, Euler açıları standart trigonometrik bağıntılar ve iki argümanlı ark-tanjant fonksiyonu (\arctan2) yardımıyla radyan cinsinden şu şekilde hesaplanır:

    \[\text{Roll } (\phi) = \arctan2\left(A_y, A_z\right)\]

    \[\text{Pitch } (\theta) = \arctan2\left(-A_x, \sqrt{A_y^2 + A_z^2}\right)\]

Elde edilen radyan cinsinden açılar, fiziksel olarak daha anlamlı hale getirilmesi için 180/\pi katsayısıyla çarpılarak dereceye (°C) dönüştürülür.

Arduino İvme Sensörü Devre Şeması

Arduino UNO ve ADXL335 İvmeölçer Kablolama Devre Şeması
Kablolama Bağlantı Şeması

Bağlantılarınızı yaparken dikkat etmeniz gereken en önemli husus, ADXL335’in hassas 3.3\text{ V} mantıksal seviyede çalışmasıdır. Arduino UNO kartının 3.3\text{ V} çıkışı sensörün VCC pinine bağlanır. X, Y, Z analog çıkış pinleri sırasıyla Arduino’nun A0, A1, A2 analog girişlerine doğrudan bağlanır.

Arduino İvme Ölçüm ve Açı Hesaplama Kodu

Aşağıda yer alan kaynak kod, ADXL335 modülünden gelen analog voltaj sinyallerini okur. Sensörün sıfır yerçekimi voltajını (1.65\text{ V}) ve duyarlılık değerini (330\text{ mV/g}) hesaba katarak voltajları gerçek yerçekimi (g) birimine dönüştürür. Ardından trigonometrik formülleri uygulayarak Roll ve Pitch eğim açılarını derece cinsinden hesaplayıp seri port ekranına yazdırır:

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

İlgili Yazılar