شتاب و ژایرو

سنسورهای شتاب، ژایرو، لرزش و تیلت انواع مختلفی دارند. کاربری‌های متنوعی برای این سنسورها مشخص شده است. در این متن سعی کرده‌ایم به تمامی سوالات شما پاسخ دهیم. تیترها را دنبال کنید. 

سنسور شتاب و ژایرو

جهت تشخیص حرکت از ماژول‌های شتاب سنج استفاده می‌شود. شتاب یکی از پارامترهای فیزیکی است. در مباحث مختلف فیزیکی از موضوع شتاب به عنوان یک پارامتر جهت تصمیم گیری و تشخیص استفاده می‌شود. برای تشخیص شتاب لازم است نوع شتاب را بدانیم، شتاب استاتیکی و شتاب گرانشی، ماژول‌های شتاب سنج بسته به نوع سنسور مورد استفاده دارای تراشه 3 محوره، 6 محوره و 9 محوره هستند. نکته بعدی در انتخاب ماژول شتاب و ژایرو سرعت خواندن و ارسال اطلاعات آن است. طبیعتا هرچه پروژه مورد نظر حساس‌تر باشد، سرعت ارسال داده‌ها اهمیت زیادتری خواهد داشت. در این بخش از دانشجو کیت انواع سنسور شتاب سنج و ژایرو ، سنسور تشخیص حرکت، سنسور کجی، سنسور تشخیص زاویه و ... قابل تهیه هستند. 

شناخت سنسور شتاب سنج

سنسورهای شتاب‌سنج (Accelerometer Sensors) ابزارهای الکترونیکی هستند که برای اندازه‌گیری شتاب یا تغییر سرعت جسم‌ها به کار می‌روند. این سنسورها اطلاعات مربوط به حرکت یا شتاب را در سه جهت (X، Y، Z) اندازه‌گیری می‌کنند. ماژول‌ها و سنسورهای شتاب‌سنج معمولا در انواع پروژه‌های الکترونیکی، رباتیک، خودروهای هوشمند، تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تقسیم بندی شتاب سنج معمولا بر اساس تعداد محورها صورت میگیرد. سنسورهای یک محوره: این نوع سنسورها فقط در یک جهت شتاب را اندازه‌گیری می‌کنند (مثلا فقط در جهت X یا Y یا Z). سنسورهای سه محوره: این نوع سنسورها قابلیت اندازه‌گیری شتاب در سه جهت X، Y و Z را دارا هستند. در ادامه توضیحات بیشتری در خصوص سنسورهای شتاب را بررسی می‌کنیم.

• تکنولوژی استفاده شده: بسیاری از سنسورهای شتاب‌سنج از فناوری MEMS (سیستم میکروالکترومکانیک) استفاده می‌کنند. این سنسورها از ساختارهای میکروسکوپی با استفاده از سیلیکون استفاده می‌کنند.
• محدوده شتاب (Range): محدوده شتاب نشان‌دهنده حداکثر مقدار شتابی است که سنسور می‌تواند اندازه‌گیری کند. این ویژگی به واحد g یا متر بر ثانیه مربع (m/s²) اندازه‌گیری می‌شود.
• رزولوشن: رزولوشن سنسور نشان‌دهنده دقت در اندازه‌گیری شتاب است. رزولوشن بالا به معنای دقت بیشتر در اندازه‌گیری تغییرات کوچک شتاب است.
• رابط ارتباطی: بسیاری از ماژول‌های شتاب‌سنج از روش‌های ارتباطی مختلف مانند I2C یا SPI برای ارتباط با میکروکنترلرها استفاده می‌کنند.
• کاربردها: این سنسورها در انواع کاربردها از جمله اندازه‌گیری حرکت، تشخیص لرزش، شتاب خودروها، تعیین جهت و شتاب‌سنجی در بازی‌های الکترونیکی و واقعیت مجازی، و دیگر کاربردهای الکترونیکی استفاده می‌شوند.

برنامه‌نویسان معمولا از کتابخانه‌ها و راهکارهای نرم‌افزاری مختلف برای ارتباط با این سنسورها و پردازش داده‌های حاصل از آن‌ها استفاده می‌کنند.

انواع ماژول شتاب سنج

چند نمونه از ماژول‌ها و سنسورهای شتاب‌سنج که به عنوان محصولات معروف در بازار الکترونیک موجود هستند عبارتند از:

• MPU-6050: یک ماژول سنسور شتاب‌سنج و ژیروسکوپ با قابلیت اندازه‌گیری در سه جهت (سه محوره) است. این ماژول از رابط ارتباطی I2C یا SPI پشتیبانی می‌کند.
• ADXL335: یک سنسور شتاب‌سنج سه محوره است که از رابطهای آنالوگ برای انتقال داده‌های شتاب به میکروکنترلر یا سایر دستگاه‌ها استفاده می‌کند.
• ADXL345: همانند ADXL335، این سنسور نیز از شرکت Analog Devices است و قابلیت اندازه‌گیری شتاب در سه جهت (سه محوره) را دارا می‌باشد. این ماژول از رابطهای I2C و SPI پشتیبانی می‌کند.
• Bosch BMA180: سنسور شتاب‌سنج سه محوره با رزولوشن بالا از شرکت Bosch است. این ماژول از رابط ارتباطی I2C پشتیبانی می‌کند.
• LIS3DH: یک سنسور شتاب‌سنج سه محوره با اندازه کوچک و مصرف انرژی پایین از شرکت STMicroelectronics. این ماژول از رابطهای I2C و SPI پشتیبانی می‌کند.
• MPU-9250: یک ماژول کامبینه شتاب‌سنج و ژیروسکوپ با قابلیت اندازه‌گیری در سه جهت و همچنین جهت‌سنجی (مگنتومتر) است. این ماژول از رابط I2C و SPI پشتیبانی می‌کند.
• MMA8452Q: یک سنسور شتاب‌سنج سه محوره با قابلیت اندازه‌گیری در دامنه‌های مختلف شتاب و از رابط I2C پشتیبانی می‌کند.

توجه داشته باشید که موارد فوق نمونه‌هایی از ماژول‌ها و سنسورهای شتاب‌سنج هستند و در بازار ممکن است مدل‌ها و نام‌ها تا حدودی تغییر کنند.

شناخت سنسور ژایروسکوپ Gyro

سنسور ژایرو (Gyroscope Sensor) یک دستگاه الکترونیکی است که برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای یا نرخ چرخش یک جسم در اطراف محورهای مختلف استفاده می‌شود. این سنسور به طور اصطلاحی به عنوان ژایروسکوپ نیز شناخته می‌شود. سنسورهای ژایرو به صورت تک محوره یا سه محوره موجودند و بسته به نوع و کاربرد، می‌توانند اطلاعات مربوط به نرخ چرخش در یک یا سه جهت فضایی را اندازه‌گیری کنند. در ادامه توضیحات کلی در مورد سنسور ژایرو را بررسی می‌کنیم.

• اندازه‌گیری نرخ چرخش: ژایروسکوپ‌ها برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای یا نرخ چرخش یک جسم در اطراف یک یا چند محور به کار می‌روند. نتایج اندازه‌گیری به واحد درجه در هر ثانیه (DPS یا Degrees Per Second) یا رادیان در هر ثانیه نمایش داده می‌شوند.
• محورهای اندازه‌گیری: ژایروها ممکن است تک محوره (تنها در یک جهت) یا سه محوره (X، Y، Z) باشند. در مدل‌های سه محوره، اندازه‌گیری‌ها در اطراف سه جهت فضایی انجام می‌شود.
• تکنولوژی استفاده شده: بسیاری از ژایروسکوپ‌ها از تکنولوژی MEMS (سیستم میکروالکترومکانیک) برای اندازه‌گیری نرخ چرخش استفاده می‌کنند. این تکنولوژی از ساختارهای میکروسکوپی با استفاده از سیلیکون استفاده می‌کند.
• کاربردها: ژایروسکوپ‌ها در محصولات متنوعی از جمله رباتیک، هواپیماها، هواپیماهای بدون سرنشین (UAV)، خودروهای هوشمند، دستگاه‌های پوشیدنی، دستگاه‌های بازی، و تجهیزات نظامی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• رابط ارتباطی: بسیاری از ژایروسکوپ‌ها از روش‌های ارتباطی مختلف مانند I2C یا SPI برای ارتباط با میکروکنترلرها یا سایر دستگاه‌ها استفاده می‌کنند.

با ترکیب داده‌های سنسور ژایرو با داده‌های سنسور شتاب‌سنج، می‌توان اطلاعات دقیق‌تری در مورد حرکت و جابجایی یک جسم در فضا را در اختیار داشت که این ترکیب به نام سیستم IMU (Inertial Measurement Unit) معروف است.

تفاوت سنسور شتاب و سنسور ژایرو

همانطور که توضیح داده شد، سنسور ژایروسکوپ و سنسور شتاب‌سنج دو نوع سنسور مختلف هستند و به اندازه‌گیری و اطلاعات در مورد حرکت و جابجایی یک جسم متصل به آنها می‌پردازند. اما هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در ادامه تفاوت‌های اصلی بین سنسور ژایروسکوپ و سنسور شتاب‌سنج را بررسی می‌کنیم.

شتاب‌سنج (Accelerometer): شتاب‌سنج برای اندازه‌گیری شتاب یا تغییر سرعت در جهات مختلف استفاده می‌شود. شتاب اندازه‌گیری شده به واحد g یا متر بر ثانیه مربع (m/s²) تبدیل می‌شود. محورهای اندازه‌گیری آن معمولا به صورت تک محوره (یک جهت) یا سه محوره (X، Y، Z) عرضه می‌شوند.

ژایروسکوپ (Gyroscope): اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای، ژایروسکوپ برای اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای یا نرخ چرخش در اطراف محورهای مختلف استفاده می‌شود. نتایج به واحد در هر ثانیه (درجه در هر ثانیه یا رادیان در هر ثانیه) یا درجه در هر ثانیه (DPS) نمایش داده می‌شوند. محورهای اندازه‌گیری، معمولا به صورت تک محوره یا سه محوره عرضه می‌شوند (X، Y، Z).

کاربردهای شتاب سنج و ژیروسکوپ

شتاب‌سنج کاربردهای معمول شامل تشخیص جهت و شتابیابی در خودروها، تلفن‌های هوشمند، دستگاه‌های پوشیدنی و سیستم‌های جبران اشکال (IMU) می‌شود. اما کاربرد ژایروسکوپ شامل جهت‌یابی، پایدارسازی فضایی، رباتیک، هواپیماها و هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) و سیستم‌های هدایت شونده است. در بسیاری از سیستم‌های حسگری، از هر دو نوع سنسور به صورت همزمان استفاده می‌شود تا اطلاعات دقیق‌تری در مورد حرکت و جابجایی بدست آید. این ترکیب از سنسورها به نام سیستم موسوم به IMU (Inertial Measurement Unit) مشهور است.

انواع ماژول ژایرو

چند نمونه از ماژول‌ها و سنسورهای ژایرو (Gyroscope) که به عنوان محصولات مشهور در بازار الکترونیک موجود هستند عبارتند از:

• MPU-6050: یک ماژول کامبینه ژایروسکوپ و سنسور شتاب‌سنج با قابلیت اندازه‌گیری در سه جهت (سه محوره) است. این ماژول از رابط ارتباطی I2C یا SPI پشتیبانی می‌کند.
• L3GD20: ژایروسکوپ سه محوره با دقت بالا از شرکت STMicroelectronics. این ماژول از رابط I2C یا SPI برای ارتباط با میکروکنترلرها استفاده می‌کند.
• ITG-3200: یک ژایروسکوپ سه محوره با قابلیت اندازه‌گیری نرخ چرخش بالا. این ماژول از رابط ارتباطی I2C پشتیبانی می‌کند.
• ADXRS450: ژایروسکوپ با کیفیت بالا از شرکت Analog Devices. این ماژول برای اندازه‌گیری نرخ چرخش در یک محور به کار می‌رود.
• GY-521 (MPU-6050 ماژول): این ماژول شامل ژایروسکوپ، سنسور شتاب‌سنج و مگنتومتر است. از رابط I2C برای ارتباط با میکروکنترلرها استفاده می‌کند.
• BMG160: ژایروسکوپ سه محوره با مصرف انرژی پایین از شرکت Bosch. این ماژول از رابط I2C پشتیبانی می‌کند.
• MPU-9250: ماژول کامبینه ژایروسکوپ، سنسور شتاب‌سنج و مگنتومتر با قابلیت اندازه‌گیری در سه جهت. این ماژول از رابط I2C و SPI پشتیبانی می‌کند.

لطفا توجه داشته باشید که مدل‌ها و نام‌ها ممکن است با گذر زمان تغییر کنند، بنابراین بهتر است در صورت نیاز به آخرین اطلاعات، به منابع موثر وبسایت‌های تولیدکننده‌ها یا فروشندگان معتبر مراجعه کنید.

شناخت سنسور تیلت

سنسور تیلت (Tilt Sensor) یک نوع سنسور است که برای اندازه‌گیری و اطلاعات در مورد نسبت تیلت یا شیب یک جسم به کار می‌رود. این سنسورها معمولا بر اساس اصل ژیروسکوپی یا حسگرهای ثقلی عمل می‌کنند و تغییرات زاویه شیب یا تیلت را اندازه‌گیری می‌کنند. تیلت سنسورها به عنوان سنسورهای شیب یا سنسورهای نسبت زاویه‌ای نیز شناخته می‌شوند. در ادامه توضیحات کلی در مورد سنسورهای تیلت را بررسی می‌کنیم.

• اندازه‌گیری شیب: سنسورهای تیلت برای اندازه‌گیری شیب یا تیلت یک جسم نسبت به یک محور مشخص به کار می‌روند. این محور معمولا یکی از محورهای فضایی می‌باشد.
• نوع حسگر: حسگرهای ثقلی (Gravity-Based) برخی از سنسورهای تیلت بر پایه حسگرهای ثقلی کار می‌کنند. این حسگرها به تغییرات ثقل در جهت‌های مختلف حساس هستند و تغییرات در شیب را اندازه‌گیری می‌کنند. نوع دیگر آن، حسگر ژیروسکوپ است. برخی از سنسورهای تیلت از اصل ژیروسکوپی استفاده می‌کنند. این حسگرها تغییرات زاویه شیب یا تیلت را بر اساس نرخ چرخش اندازه‌گیری می‌کنند.
• محورهای اندازه‌گیری: سنسورهای تیلت ممکن است برای اندازه‌گیری تیلت در یک یا چند محور فضایی طراحی شوند.
• کاربردهای تیلت: سنسورهای تیلت در انواع کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله در اتومبیل‌ها برای تشخیص تغییرات زاویه شیب یا تیلت خودرو در حین رانندگی، در دستگاه‌های بازی الکترونیکی برای تشخیص حرکت و شیب بازیکن، در تجهیزات نظامی و تجهیزات پزشکی هم کاربرد دارند.
• رابط ارتباطی: بسته به نوع سنسور، ممکن است از روش‌های ارتباطی مختلفی مانند آنالوگ یا دیجیتال برای ارتباط با میکروکنترلرها یا سایر دستگاه‌ها استفاده کنند.

یکی از معروف‌ترین کاربردهای سنسورهای تیلت در دنیای الکترونیک، تشخیص جهت نمایشگرها در تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی است که با تغییرات در شیب گوشی یا ساعت هوشمند، صفحه نمایش نیز تغییر می‌کند.

انواع ماژول تیلت

سنسورهای تیلت (Tilt Sensors) متنوعی در بازار موجود هستند و می‌توانند از تکنولوژی‌های مختلف برخوردار باشند. در ادامه، چند نمونه از ماژول‌های تیلت را معرفی می‌کنیم.

• ماژول SW-520D Tilt Sensor : یک ماژول ساده تیلت با حساسیت بالا که از حسگرهای ثقلی برای اندازه‌گیری شیب استفاده می‌کند. این ماژول به صورت آنالوگ اطلاعات شیب را ارائه می‌دهد. 
• ماژول LSM303DLH 3D: یک ماژول کامبینه شامل سنسور شتاب‌سنج، ژایروسکوپ و قطب نما (مگنتومتر) است که به صورت سه محوره اطلاعات شیب و جهت را ارائه می‌دهد.
• ماژول GY-50 L3G4200D 3-Axis: یک ماژول ژایروسکوپ سه محوره که از ژایروسکوپ L3G4200D استفاده می‌کند. این ماژول اطلاعات نرخ چرخش و تغییرات شیب را ارائه می‌دهد.
• ماژول SSW-20 Dual Axis Tilt Switch: یک ماژول دو محوره که از حسگرهای تعیین جهت برای ارائه اطلاعات در مورد شیب در دو جهت استفاده می‌کند.
• ماژول SW-420 Vibration Tilt Sensor: این ماژول از حسگرهای لرزشی برای اندازه‌گیری تغییرات شیب با لرزش‌های خاص استفاده می‌کند.
• ماژول FSR402 Force Sensitive: یک ماژول تیلت که از حسگرهای مقاومتی حساس به فشار (Force Sensitive Resistor - FSR) برای اندازه‌گیری تغییرات فشار و شیب استفاده می‌کند.

لطفا توجه داشته باشید که نام و مدل ماژول‌ها ممکن است با گذر زمان تغییر کند و بهتر است برای جزئیات بیشتر و مشخصات فنی به منابع اصلی تولیدکننده‌ها یا فروشندگان مراجعه کنید.

شناخت سنسور قطب نما

سنسور قطب‌نما (Compass Sensor) یک حسگر الکترونیکی است که جهت قطب‌نما (شمال، جنوب، شرق، غرب) را اندازه‌گیری می‌کند. این سنسورها از تکنولوژی‌ها و اصول مختلفی برای اندازه‌گیری جهت استفاده می‌کنند، از جمله مگنتومترها (حسگرهای مغناطیسی) و ژایروسکوپ‌ها. سنسورهای قطب‌نما به عنوان یک جزء از سیستم‌های ملاحتی و جهت‌یابی در محصولات مختلف مانند دستگاه‌های پوشیدنی، گوشی‌های هوشمند، و تجهیزات نظامی استفاده می‌شوند. در ادامه توضیحات کلی در مورد سنسورهای قطب‌نما را بررسی می‌کنیم.

• اندازه‌گیری میدان مغناطیسی: سنسورهای قطب‌نما از میدان مغناطیسی زمین برای تعیین جهت استفاده می‌کنند. این اندازه‌گیری معمولا با حسگرهای مغناطیسی یا مگنتومترها انجام می‌شود.
  
• محورهای اندازه‌گیری: بسیاری از سنسورهای قطب‌نما به صورت سه محوره (X، Y، Z) طراحی شده‌اند تا جهت مغناطیسی در فضای سه بعدی را اندازه‌گیری کنند.
• دقت و دمای عملکری: برخی از سنسورهای قطب‌نما دارای دقت بالا و عملکرد پایدار در شرایط دمایی مختلف هستند.
• محیط‌های کاربرد: این سنسورها در انواع مختلف محیط‌ها استفاده می‌شوند، از جمله محیط‌های شهری، مسیریابی، کوهنوردی، ناوبری در دریا، و تجهیزات نظامی.
• رابط ارتباطی: برخی از سنسورهای قطب‌نما از رابط‌های ارتباطی مختلفی نظیر I2C یا SPI برای اتصال به میکروکنترلرها یا دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند.

مثال‌هایی از سنسورهای قطب‌نما HMC5883L, QMC5883L, AK8963, LIS3MDL و Honeywell HMC5983 از مثال‌های شناخته‌شده از سنسورهای قطب‌نما هستند. لطفا توجه داشته باشید که عملکرد و مشخصات فنی می‌تواند در مدل‌ها و تولیدکنندگان مختلف متفاوت باشد. بهتر است در هنگام انتخاب سنسور، مشخصات فنی مربوط به دقت، محدوده‌های کاری، و محیط‌های استفاده را به دقت بررسی کنید.

انواع ماژول قطب نما

در ادامه، چند نمونه از ماژول‌های قطب‌نما (Compass Module) که در بازار الکترونیک موجود هستند را معرفی می‌کنیم.

• ماژول HMC5883L 3-Axis: این ماژول از مگنتومتر HMC5883L استفاده می‌کند و قابلیت اندازه‌گیری جهت در سه محور فضایی را داراست. این ماژول با رابط I2C کار می‌کند.
• ماژول QMC5883L 3-Axis: یک ماژول کامپوزیت با دقت بالا که از سنسور Memsic QMC5883L استفاده می‌کند. این ماژول نیز از رابط I2C برخوردار است.
• ماژول AK8963 3-Axis: این ماژول از مگنتومتر AK8963 استفاده می‌کند و قابلیت اندازه‌گیری جهت در سه محور را داراست. این ماژول معمولاً با رابط I2C یا SPI ارتباط برقرار می‌کند.
• ماژول LIS3MDL 3-Axis: ماژول دیگری که از مگنتومتر LIS3MDL استفاده می‌کند. این ماژول با رابط I2C و SPI کار می‌کند و دارای دقت بالاست.
• ماژول HMC5983 3-Axis: یک ماژول دیگر از خانواده HMC که از مگنتومتر HMC5983 استفاده می‌کند. این ماژول از رابط I2C پشتیبانی می‌کند.
• ماژول CMPS11: ماژولی با دقت بالا که ترکیبی از مگنتومتر و ژایروسکوپ برای ارائه دقت بیشتر و جبران اثرات تیلت استفاده می‌کند. این ماژول با رابط I2C کار می‌کند.
• ماژول Honeywell HMC5983: یک ماژول با دقت بالا از Honeywell که از مگنتومتر HMC5983 استفاده می‌کند. این ماژول معمولاً از رابط I2C یا SPI پشتیبانی می‌کند.

لطفاً توجه داشته باشید که ترتیب و مدل‌ها ممکن است با گذر زمان تغییر کنند. همچنین، برای اطلاعات دقیق‌تر و انتخاب مناسب‌ترین ماژول بر اساس نیازهای خاص، به دیتاشیت و مشخصات فنی هر ماژول مراجعه کنید.