Módulo Acelerômetro MMA7361

Neste artigo iremos fazer testes de funcionamento do acelerômetro MMA7361. Os acelerômetros são usado para medir aceleração. São baseados na segunda lei de newton que implica que a força resultante aplicada a um corpo produz uma aceleração diretamente proporcional. Portanto, nos acelerômetros eletrônicos, temos uma resposta elétrica quando aplicamos uma variação na posição do dispositivo, que é na verdade uma variação mecânica. Assim temos no mercado acelerômetros com princípios de funcionamento diferentes e inúmeros tipos de aplicações.

A seguir, alguns exemplos de aplicações típicas de acelerômetros:

• Disparo de Air Bags;
• Sensores biomédicos;
• Navegação de aeronaves;
• Correções de inclinação em embarcações;
• Brinquedos como videogames;
• Sensores de vibração para aplicações industriais;
• Alarmes veiculares;
• Telefones celulares e computadores de mão como tablets.

Os acelerômetros encontrados no mercado hoje podem ser do tipo resistivo, capacitivo, de fibra ótica ou piezelétrico.

Algumas características do MMA7361

O MMA7361L é de baixo consumo, com perfil capacitivo  micro usinado com sinal condicionado, tem um filtro passa-baixa  de 1  polo, com compensação de temperatura, selftest, detecção de 0g que detecta queda livre e duas opções de sensibilidade. Inclui o modo sleep que é útil em sistemas portáteis alimentados por bateria.

Este acelerômetro trabalha com até três dimensões de espaço. Em geral os fabricantes denominam estes espaços como X, Y e Z, e suas direções são definidas no datasheet do fabricante. Em geral o eixo Z deveria trabalhar alinhado paralelamente à direção da aceleração da gravidade na Terra. Os eixos X e Y apontam perpendicularmente ao eixo Z e são também perpendiculares entre si. Em outras palavras, fazendo uma figuração com um objeto real, o eixo Z estaria para a altura do objeto, assim como o eixo X estaria para a largura e o eixo Y para a profundidade.

A faixa de medição deste acelerômetro é de ±5000 g.

A saída está no formato analógico.

Alguns pinos do MMA7261

0g-Detect - O sensor oferece uma função que provê um sinal lógico alto quando o módulo está com os três eixos em 0g. É uma função importante na detecção de queda livre e é usado na proteção física de discos magnéticos como HD em notebooks.

Self Test - Esta função  permite a verificação da integridade mecânica e elétrica do acelerômetro a qualquer momento. É uma função importante quando o acelerômetro é usado na preservação de discos rígidos que deve ter sua integridade preservada ao longo de sua vida útil. Ou ainda para verificar se está corretamente soldado e que as conexões galvânicas estão perfeitas. Esta função deve ser ativada com o módulo de cabeça para baixo. Quando este teste é iniciado, uma força eletrostática é aplicada em cada eixo (x, y e z) causando uma deflexão. O eixo x e y são defletidos ligeiramente e o eixo z é defletido para 1 g. Este procedimento garante que o módulo está funcionando.

g-Select - Esta função permite a seleção entre duas sensibilidades disponíveis dependendo do nível lógico aplicado neste pino (g-select). Para nível lógico 0 temos 206 mV/g e para nível 0 temos 800 mV/g. A sensibilidade pode ser alterada a qualquer momento. Com o pino flutuando temos o mesmo
que se estivesse em nível lógico 0.

Sleep Mode - Colocando este pino em nível lógico baixo o módulo entra em sleep mode que é uma condição de baixo consumo com consumo mínimo de 3 µA. As saídas são desligadas.

Diagrama de blocos simplificado do acelerômetro

Layout recomendado pelo fabricante (já incluso no módulo)

Já com os capacitores e um regulador de tensão que permite o módulo ser alimentado tanto com 5V (pino 5V) tanto com 3,3V (pino 3V3), ou seja, está pronto para uso.

Teste e algoritmo utilizado

No teste que se segue amarramos o módulo em uma fan cooler de 12 x 12 cm para podermos ver de uma maneira qualitativa as vibrações nas três direções que acontecem quando o ventilador é ligado.

Módulo amarrado ao ventilador e conectado ao Arduino Due

Conexões físicas do módulo ao Arduino DUE

   MMA7361 | Arduino Due
==========================
      X ---|--- A1
      Y ---|--- A2
      Z ---|--- A3
  Sleep ---|--- 3V3
     5V ---|--- 5V
    GND ---|---GND
==========================

Algoritmo Utilizado

#define qtd 1024

//Inicializa variáveis
int x[qtd];
int y[qtd];
int z[qtd];
int i;
int j;


long x_sum = 0;
long x_off = 0;
long y_sum = 0; 
long y_off = 0;
long z_sum = 0;
long z_off = 0;

void setup() {
  Serial.begin(4800);
}

void loop() {
  Serial.println("Iniciado Calculo de Offset.");
  Serial.println("   ");

  for (i = 0; i < 1024; i++) {
    x_off = x_off + analogRead(A1);
    y_off = y_off + analogRead(A2);
    z_off = z_off + analogRead(A3);
  }
  x_off = x_off >> 10;
  y_off = y_off >> 10;
  z_off = z_off >> 10;
  Serial.println("Offset Calculado!");
  delay(2000);
  Serial.println("Coletando dados...");
  delay(2000);

  for (i = 0; i < qtd; i++) {
    for (j = 0; j <= 1024; j++) {
      x_sum = x_sum + analogRead(A1);
      y_sum = y_sum + analogRead(A2);
      z_sum = z_sum + analogRead(A3);
    }

    x_sum = (x_sum >> 10);
    x_sum = x_sum  - x_off;
    
    y_sum = (y_sum >> 10);
    y_sum = y_sum  - y_off;
    
    z_sum = (z_sum >> 10);
    z_sum = z_sum  - z_off;

    if ((x_sum  <= 20) && (x_sum  >= -20))
      x_sum = 0;
    if ((y_sum  <= 20) && (y_sum  >= -20))
      y_sum = 0;
    if ((z_sum  <= 20) && (z_sum  >= -20))
      z_sum = 0;  

    x[i] = x_sum;
    y[i] = y_sum;
    z[i] = z_sum;

  }

  // imprime -inicio
  Serial.println("Eixo X");
  for (i = 0; i < qtd; i++)
    Serial.println(x[i]);
  Serial.println("Eixo Y");
  for (i = 0; i < qtd; i++)
    Serial.println(y[i]);
  Serial.println("Eixo Z");
  for (i = 0; i < qtd; i++)
    Serial.println(z[i]);
  // imprime -fim

  while (1) {}

}

O algoritmo acima faz o seguinte:

1- Faz um cálculo de offset. Este offset é uma normalização das saídas X, Y e Z para termos um referencial zero, chamado de offset. Este valor será subtraído das próximas medições portanto ele define as saídas como zero quando o acelerômetro estiver parado. Como isto foi feito? Para garantir uma coleta de dados mais realista, quando o módulo é ligado, o software colhe os valores de saída para todos os eixos 1024 vezes e faz uma média destes valores. Esta média será o valor de offset. A média também funciona como um filtro para ruídos mecânicos. Após terminado o cálculo do offset, imprimi-se na serial a frase 'Offset Calculado!', aguarda alguns segundo para dar tempo de ligar o ventilador, e prossegue com a coleta de dados.

2- Após o ventilador ser ligado, inicia-se a coleta de dados que também é baseada na média aritmética dos valores colhidos com uma amostragem de 1024 elementos.

3- Subtrai-se o valor de offset. E coloca uma janela de valor ±20 unidades que será considerado como zero. Ou seja, todo valor colhido entre -20 e 20, após a subtração de offset, é considerado como zero.

4- E por fim, imprime os valores colhidos na serial.

Após isto ser feito, copiamos e colamos os valores colhidos numa planilha eletrônica e geramos um gráfico para cada eixo. Os resultados são os gráficos que se seguem.

Gráfico do eixo X que teve maior variação, ou seja, a direção em que o ventilador mais vibrou.

Gráfico do eixo Y com uma variação menor que no eixo X mas ainda apresentou alguma variação para valores negativos.



Gráfico do eixo Z mostrando que não houve vibração neste sentido.



É isso, com este algoritmo simples já podemos testar o módulo MMA7361.

Até o próximo artigo!