Arduino İle ADXL335 İvmeölçer(Accelerometer) Sensörü Kullanımı

ADXL335 İvmeölçer(Accelerometer) Sensörü

İvmeölçer Nedir?

İvmeölçer, bir nesnenin ivmesini, yani birim zamanda hız değişimini ölçen bir sensördür. Başka bir deyişle, bir cismin ne kadar hızlandığını ya da yavaşladığını ölçer. Genellikle m/s² ya da g (yerçekimi ivmesi) cinsinden sonuç verir. İvmeölçerler sadece doğrusal hareketleri değil, aynı zamanda eğilme, sarsıntı ve titreşim gibi çeşitli hareketleri de tespit edebilir. İvmeölçer yerçekimi ivmesini (g = 9.81 m/s2) kullanarak cihazın yere göre hangi açıda durduğunu (eğimini) belirler. Bu özellikleri sayesinde;

• Akıllı telefonunuzu çevirdiğinizde ekranın dönmesini,

• Arabanızdaki hava yastığının çarpışma anında açılmasını,

• Drone’un havadaki dengesini korumasını,

• Spor saatinizin adımlarınızı saymasını,

• Robotunuzun eğimi algılamasını,

• Görüntü sabitlenmesini,

sağlayan temel bileşenlerden biridir. 

İvmeölçer Nasıl Çalışır?

İvmeölçerlerin nasıl çalıştığını anlamak için, yer çekimsiz ortamda bulunan küçük, şeffaf bir küp hayal edin. Küpün merkezinde duran bir top olsun. Ortam yer çekimsiz olduğu için top, merkezde hareketsizce yüzer. Top, ön, arka, sol, sağ, üst ve alt olmak üzere her bir iç taraftan duvarlara eşit mesafededir. Küp hareket etmediğinde, top mükemmel bir şekilde merkezde kalır. Bu durumda ivmeölçer üç eksende de (X, Y ve Z) 0 kuvvet algılar.

Ancak küp herhangi bir yönde hareket etmeye veya ivmelenmeye başlar başlamaz, top atalet(nesnelerin hareket değişikliklerine direnme eğilimi) nedeniyle biraz geride kalır. Top hareketin tersi yönündeki duvara kuvvet uygular. 

İvmeölçerler genellikle bu kuvvetin şiddetini g-kuvveti cinsinden ifade eder; örneğin 1g, 2g veya 3g gibi. Öyleyse önce, "1g"nin tam olarak ne anlama geldiğinden bahsedelim.

G Kuvveti Nedir?

"1g" dediğimizde, Dünya yüzeyindeki yerçekimi ivmesini kastediyoruz. 1g dünyada yaklaşık 9,8m/s² iken, Ayda 1/6’sı, Marsta 1/3’üdür. Telefonunuz masanın üzerinde hareketsiz dururken bile, yerçekimi nedeniyle doğrudan aşağı doğru 1g'lik bir kuvvet uygular. İvmeölçerlerin yerçekimi ivmesi ile gerçek hareketten kaynaklanan ivmeyi ayırt etmediğini, sadece tüm yönlerdeki toplam ivmeyi algıladığını bilmek önemlidir. Çünkü ivme statik ve dinamik ivme olmak üzere ikiye ayrılır. Dinamik İvme; Nesne hızlandığında veya yavaşladığında oluşan hız değişimiyken, Statik İvme: Nesne dururken bile ona etki eden yerçekimi ivmesidir (g). İvmeölçer ise toplam ivmeyi algılar.

Örneğimize dönecek olursak, küpü yer çekimi olan dünyaya yerleştirdiğimizde ne olacağını görelim: Küpü bir masanın üzerine koyarsak, yerçekimi topu aşağı doğru çeker. Hareket yoktur. Ancak yerçekimi kuvveti etkisiyle top Z eksenine -1g kuvvet uygular. X ve Y eksenlerinde ise kuvvet 0g okur. Çünkü bu yönlere herhangi bir kuvvet uygulanmaz.

Küpü 90⁰ sağa yatırdığımızda ise top bu sefer X eksenine 1g kuvvet uygular. Y ve Z eksenlerine uygulanan kuvvet 0g olur.

Küpü yine sağa 45⁰ yatırdığımızda ise top X ve Z eksenlerine kuvvet uygular. Bu sefer uygulanan kuvvetler X ve Z eksenleri arasında bölünür. X ve Z eksenlerine uygulanan kuvvet 1g’nin cos(45) ve sin(45) ile çarpımıyla 0.71g gibi bir değer bulunur. 

Bu küp ve top modeli, gerçek ivmeölçerlerin tam olarak nasıl yapıldığını göstermese de, ivmeölçerlerin kuvvetleri neden g cinsinden ölçtüğünü, hareketsiz dururken neden Z yönünde 1g okuduğunu ve cihaz farklı açılarda tutulduğunda hangi değerleri görebileceğimizi anlamamıza yardımcı olur. İvmeölçerler farklı çalışma prensiplerine ve kullanım alanlarına göre çeşitli tiplere ayrılır. En yaygın türler şunlardır:

1. Piezoelektrik İvmeölçerler

2. Piezo-resistif İvmeölçerler

3. Kapasitif İvmeölçerler

4. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) İvmeölçerler

ADXL335 ivmeölçer MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) İvmeölçeri olduğu için bu konuyu inceleyeceğiz.

MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) İvmeölçerler

MEMS ivmeölçer, doğrusal ivmeyi ölçmek için tasarlanmış bir mikro elektromekanik sensördür. İçyapısında küçük bir test kütlesi hareket ederken, kapasitanstaki değişiklikleri izleyerek hareketi algılar. Hem statik kuvvetleri(yerçekimi gibi) hem de dinamik kuvvetleri (titreşim, şok veya hareket gibi) yakalayabilir. Geleneksel mekanik veya piezoelektrik tiplere kıyasla, MEMS tabanlı ivmeölçerler daha küçük, daha hafif ve enerji açısından daha verimlidir. MEMS ivmeölçerler, ataletsel navigasyon sistemlerinde (INS) , uçuş kontrol cihazlarında, robotik platformlarda ve savunma sınıfı silah sistemlerinde kullanılır.

MEMS İvmeölçerlerin Yapısı ve Çalışması

MEMS (Mikro-Elektro-Mekanik Sistem) ivmeölçer, özünde doğrudan silikon levha üzerine inşa edilmiş mikroskobik bir mekanik sistemdir. Mekanik ve elektrikli bileşenlerden oluşan sadece birkaç mikron büyüklüğündeki yapılardır. Merkezinde, genellikle "test kütlesi ya da kanıt kütlesi" olarak adlandırılan küçük bir kütle bulunur. Bu kütle, esnek kirişler veya yaylar vasıtasıyla sabit plakalar arasında asılı durur. Hem test kütlesi hem de sabit plakalar, bir kondansatörün parçaları olarak birlikte çalışacak şekilde tasarlanmıştır.

İvmeölçer belirli bir yönde hareket ettiğinde veya ivmeye maruz kaldığında, atalet nedeniyle test kütlesi/kanıt kütlesi yerinde kalmaya çalışırken, cihazın geri kalanı onun etrafında hareket eder. Bu hareket, test kütlesi ile sabit plakalar arasındaki mesafeyi değiştirir. Kapasitans doğrudan plakalar arasındaki mesafeye bağlı olduğundan, diferansiyel kondansatörün kapasitans değeri de buna göre değişir. Çip üzerindeki devre, kapasitanstaki bu değişikliği algılar ve elektriksel bir sinyale dönüştürür. Ardından devre, bu değişikliğe dayanarak tam olarak ne kadar ivme oluştuğunu hesaplar. 

Tek bir diferansiyel kondansatörün, hareketi tespit etmesi zor olduğundan birden fazla sabit plaka kullanılarak, test kütlesi ile sabit plakalar arasındaki diferansiyel kondansatör sayısı artırılmıştır. Bu durum sistemin daha doğru olmasını sağlar ve değişikliklere karşı daha duyarlıdır. 

Şu ana kadar anlattığımız MEMS ivmeölçer konfigürasyonu sadece tek yöndeki(X ekseni boyunca) hareketi algılar. Birden fazla yöndeki-eksendeki hareketleri algılamak için bu konfigürasyonun birbirlerine 90⁰’lik açılarla yerleştirilmesi gerekir. Böylece ivmeölçerimiz X, Y, Z eksenlerindeki hareketleri algılayabilir. Zaten MEMS ivmeölçerlerin tasarımı da bu şekildedir. 

ADXL335 MEMS İvmeölçer Yapısı ve Çalışması

Bu modül, üzerinde Analog Devices tarafından üretilen küçük, düşük güç tüketimli ve düşük gürültülü 3 eksenli MEMS ivmeölçer olan ADXL335 çipinin yer aldığı bir modüldür. ADXL335 ivmeölçer, hem statik ivmeyi (sensör hareketsizken yerçekiminden kaynaklanan) hem de dinamik ivmeyi (hareket, sarsıntı veya ani darbelerden kaynaklanan) algılayabilir. Modül, X, Y ve Z eksenlerinde +3g ile -3g aralığındaki ivmeyi ölçebilir. Çıkış sinyalleri ivmeyle orantılı analog voltajlardır.

İvmeölçerin üzerinde 6 adet pin bulunur. Bu pinler arasında X, Y ve Z eksenleri boyunca ivmeyi ölçmek için 3 analog çıkış pini, 2 güç kaynağı pini ve 1 tane de kendi kendini test pini(Self Test Pin) bulunur.

ADXL335, 1,8V ile 3,6V DC arasındaki voltajlarla çalışır ve tipik çalışma voltajı 3,3V'tur. Modül üzerinde dâhili bir 3,3V voltaj regülatörü vardır. Bu da Arduino gibi 5V mikrodenetleyicilerle kullanımını kolaylaştırır. Sensörün enerji tasarrufu yüksek olup normal çalışma sırasında yaklaşık 350 μA akım tüketir. Bu, küçük bir LED'den çok daha az güç demektir. 

ADXL335, ±3g aralığında ivme ölçümü yapabilir. Bu, herhangi bir yönde yerçekimi kuvvetinin 3 katına kadar olan ivmeyi algılayabileceği anlamına gelir. Sensör 3g'den fazla bir ivmeye maruz kalırsa bozulmaz, ancak okuma maksimum 3g'de kalır. Sensör şaşırtıcı derecede dayanıklıdır ve 10.000 g'ye kadar aşırı ivmelenmeye dayanabilir. Ancak, bundan daha yüksek bir ivmelenmeye maruz kalması sensöre kalıcı hasar verebilir.

ADXL335'in çıkışı "oransal"dır. Yani ürettiği voltaj, algıladığı ivmeyle doğru orantılı olarak değişir:

• İvme olmadığında (0g), çıkış voltajı tipik olarak 3,3V besleme voltajının yaklaşık yarısı (~1,65V) civarındadır.

• -3g algılarsa, voltaj 0V'a düşer.

• +3g algılarsa, voltaj 3,3V'a yükselir.

Gerilim, ivme miktarına bağlı olarak bu değerler arasında kademeli olarak değişir. X_OUT, Y_OUT ve Z_OUT, 0V - 3.3V arasında analog olarak değiştiği için, mikrodenetleyicideki referans voltajı da 3.3V olarak seçilmelidir. ADXL335 Arduino ile kullanılacaksa Arduino'nun AREF pinine 3.3V bağlanarak kullanılır.

Kullanıcı, ivmeölçerin bant genişliğini X_OUT, Y_OUT ve Z_OUT pinlerine CX, CY ve CZ kapasitörleri ekleyerek sınırlayabilir. Bant genişlikleri, uygulamaya uygun olarak seçilebilir; X ve Y eksenleri için 0,5 Hz ile 1600 Hz arasında ve Z ekseni için 0,5 Hz ile 550 Hz arasında bir aralık mevcuttur. Her durum için CX, CY ve CZ için minimum 0,0047 μF kapasitans önerilir.

ADXL335 İvmeölçerin Teknik Özellikleri

Çalışma Gerilimi: 1,8V – 3,6V

Çalışma Akımı : 350 μA (tipik)

Algılama Aralığı : ±3g (Tam Ölçek)

Sıcaklık Aralığı : -40 ila +85°C

Algılama ekseni : 3 eksen

Hassasiyet : 270 ila 330 mV/g (Oransal)

Şok Direnci : 10.000g’ye kadar

Boyut : 4 mm x 4 mm x 1,45 mm

Ölçekleme İle İlgili Anlaşılamayan Durum

0g = 1,65V ve 3g = 3,3V olduğuna göre 1g = 2,2V ve 2g = 2,75V oluyor. Yani g başına artış 0,55V oluyor. Fakat sensörün hassasiyet değeri 330 mV/g yani 0,330V/g. Yani g başına artış 0,33V olması gerekiyor. Bu farklılığın sebebi net olarak anlaşılamamıştır. Uygulamada ise bu durum map komutu kullanılarak map(x_deger, 0, 1023, -3000, 3000); olarak yapılmış g değeri miliG bulunup sonra g değerine çevrilmiş. Sensörün bilgilerinde de 0V’un -3g’ye ve 3,3V’un +3g’ye denk geldiği belirtilmiş. Bu durumda map komutu ile yapılan uygulama doğru gözüküyor ama bu sefer de hassasiyet değeri olan 330 mV/g’nin hesaplamada nasıl kullanılacağı muallakta kalıyor.

ADXL335 İvmeölçerin Pin Çıkışları

VCC: Modülün besleme pinidir. Bunu Arduino kartınızdaki 5V çıkış pinine bağlamanız gerekir.

X-Out: X ekseni boyunca ivmeye orantılı bir analog voltaj üretir.

Y-Out: Y ekseni boyunca ivmeye orantılı bir analog voltaj üretir.

Z-Out: Z ekseni boyunca ivmeye orantılı analog voltaj üretir.

GND: Topraklama pinidir.

ST (Kendi Kendini Test Etme): Bu pin, sensörün projenizde düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmek için kullanılır. Test sırasında bu pin 3.3V’a bağlanır. Bu pine kesinlikle 3.6V gerilim uygulanmamalıdır. Bu özelliği nasıl kullanacağımız hakkında daha fazla bilgiyi eğitimin sonunda ele alacağız. 

ADXL335 İvmeölçerin Arduino İle Kullanımı

X_OUT, Y_OUT ve Z_OUT, 0V - 3.3V arasında analog olarak değiştiği için Arduino referans voltajını 3.3V belirlememiz gerekir. Bunun için Arduino’ya harici referans voltajı vermemizi sağlayan AREF pinine, yine Arduino 3.3V çıkışından referans voltajını verdik. 3.3V ile AREF pinini kısa devre yaptığımız için analogReference(EXTERNAL); komutunu mutlaka kullanmalıyız. Aksi takdirde dâhili olarak üretilen aktif referans voltajı ile AREF pinini kısa devre yaparak Arduino'nuza hasar verebilirsiniz.

ADXL335 İvmeölçerin Kendi Kendini Test Etme Özelliği

ADXL335 ivmeölçer, sensörün düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmenizi sağlayan kendi kendine test özelliğine sahiptir. Bu Özellik, modül üzerinde bulunan ST (kendi kendine test) pini adı verilen özel bir pin aracılığıyla çalışır. İvmeölçeri test etmek istediğinizde, ST pinini 3.3V'a bağlamanız yeterlidir. Bu bağlantı, çip içinde küçük bir elektrostatik kuvvet oluşturur ve bu kuvvet, ivmeölçerin içindeki küçük mekanik kirişi hareket ettirir. Bu hareket, sensörün gerçek ivmelenme yaşadığında olanları simüle ederek, sensörün doğru çalışıp çalışmadığını doğrulamanıza olanak tanır. Başarılı bir kendi kendine test sırasında, sensörün çıkış değerlerinde aşağıdaki değişikliklerin olması gerekmektedir:

• X ekseninde −1,08 g (−325 mV)

• Y ekseninde +1,08 g (+325 mV)

• Z ekseninde +1,83 g (+550 mV)

Test işlemlerini tamamladıktan sonra, projenizin normal çalışması sırasında ST pininin ya boşta bırakılması ya da toprak (GND) pinine bağlanması gerektiğini unutmayın. 

NOT: ST pinini asla 3,6V'tan daha yüksek bir voltaja bağlamamaya dikkat edin. Bunu yapmak ivmeölçerinizde kalıcı hasara neden olabilir.

Uygulamalarla İlgili Notlar

Uygulamada kullandığımız ADXL335 ivmeölçerde Z ekseni, yukarıdaki konu anlatımında kullandığımız resimlerdeki ivmeölçere göre ters konumdadır. Bu yüzden okunan değerlerin buna göre yorumlanması gerekmektedir.