Ese sensor que a la izquierda ya toqué en las páginas de Habr, así que hoy hablaremos de sus hermanos menores.
Cuando piensas en una nueva startup, a veces parece que en el campo de los dispositivos electrónicos todo ya está pensado para nosotros y el alcance de la creatividad se ha reducido hoy. De hecho, esto está lejos de ser el caso. En los últimos años, se han producido cambios revolucionarios en el mundo de los componentes electrónicos, que continúan hasta nuestros días. Las fichas representadas en el fondo de la moneda eran impensables hace 5 años, pero durante este año solo su familia recibió varios reabastecimientos.
Los componentes electrónicos modernos permiten no solo crear nuevos, sino también expandir la funcionalidad de dispositivos de larga data. Los dispositivos desarrollados con su uso son cada vez más pequeños, más baratos, más funcionales y más fáciles de usar que sus predecesores. Pero lo principal es que son más fáciles de integrar en nuestro mundo digital, lo que significa que escalan bien. Esta es una de las principales razones por las cuales las nuevas empresas tecnológicas están ganando popularidad entre los inversores hoy en día.
Sobre
los microcontroladores modernos y las
técnicas que simplifican el proceso de "inventar" nuevos productos, puede leer en mis artículos anteriores. Hoy, el turno ha llegado a los sensores. Es imposible comprender la inmensidad, por lo que hice una revisión breve y puramente subjetiva de los sensores integrados, que, en mi experiencia personal, pueden ser más útiles, tanto en el diseño de dispositivos completamente nuevos como en el curso de modificaciones, para dar nuevas cualidades a los dispositivos lanzados desde hace mucho tiempo, de modo que distinguirlos de una serie de competidores. Di ventajas a aquellos cuyas ventajas logré evaluar en mis proyectos.
Tendencias generales
Para funcionar, su dispositivo debe comunicarse con el mundo exterior y recibir información. Una persona usa los sentidos para esto, y un dispositivo bajo el control de un microcontrolador usa sensores. Con los años, los sensores se están volviendo más pequeños, más inteligentes y, lo que es más importante, más baratos. Las interfaces analógicas dan paso a las digitales. Los sensores aprendieron a hacer una secuencia de mediciones de forma autónoma y ponerlas en su propia memoria intermedia. Incorporan preprocesadores para procesamiento primario y análisis de resultados de medición. El número de registros para configurar modos de funcionamiento y procesamiento de datos a veces supera los cien. La presencia de procedimientos de autocalibración y funciones tabulares permiten acercar el resultado a una dependencia lineal en una amplia gama de condiciones externas (temperatura, humedad, etc.). Los sensores utilizan cada vez más la tecnología MEMS (microelectromecánica). Aprendieron a realizar independientemente largos procesos de medición y a dar señales cuando los parámetros van más allá del rango permitido. Las tecnologías modernas han reducido el consumo de energía de muchos tipos de sensores a tal nivel que pueden funcionar con una sola batería pequeña durante años.
Sensores inerciales
Los más útiles para ampliar la funcionalidad del dispositivo son, sin duda, los "sensores de inercia" realizados con la tecnología MEMS. Hoy en día, los sensores de seis ejes que contienen un acelerómetro de tres ejes y un giroscopio son los más populares. Al servicio de aquellos que desean obtener aún más información sobre la orientación en el espacio de 9 sensores axiales, en
a los que se les agrega magnetómetro. Los sensores de inercia brindan grandes oportunidades para mejorar dispositivos antiguos y crear nuevos debido al hecho de que tienen cientos de aplicaciones que no son del todo evidentes a primera vista.
Entre esta tríada, el acelerómetro ciertamente juega un papel importante. Cuando opera a frecuencias de sondeo del orden de varias decenas de hertzios, tiene un consumo de corriente excepcionalmente bajo: decenas de microamperios. Los chips sensores inerciales modernos incluyen preprocesadores de procesamiento de datos. Son capaces de producir de forma autónoma un procesamiento primario muy complejo de los datos obtenidos utilizando filtros analógicos y digitales con parámetros programables. Gracias al búfer de memoria FIFO, pueden acumular los resultados obtenidos, analizarlos y enviar una señal para despertar el microcontrolador solo después de alcanzar las condiciones límite registradas en la memoria. Como condiciones límite, pueden actuar no solo los simples como exceder el nivel de aceleración, sino, por ejemplo, un cambio en el ritmo de la marcha. Sí, sí, según las lecturas del acelerómetro, los sensores aprendieron a reconocer de forma independiente la naturaleza del movimiento e incluso sus parámetros individuales. En el momento adecuado, el sensor despierta el microcontrolador y transfiere los datos acumulados del búfer FIFO. El microcontrolador realiza un análisis más serio, si es necesario, realiza la respuesta y nuevamente se duerme. Este algoritmo es el más adecuado para MCU ARM de bajo rendimiento y alto rendimiento.
Con dimensiones de varios milímetros, estos sensores son perfectamente adecuados para aplicaciones de seguridad, sensores de manipulación, interruptores de alimentación de dispositivos sellados. Con base en ellos, es conveniente implementar controles sin botones para dispositivos con un rendimiento antivandálico y / o condiciones de operación severas. Es posible rastrear la posición relativa de las partes del cuerpo de una persona o una estructura compleja, determinar la naturaleza del movimiento (distinguir caminar de correr o subir escaleras, registrar momentos de inmovilidad, girar o "alejarse" de un automóvil, etc.), determinar el momento de ocurrencia de vibraciones peligrosas del motor o turbinas, den una señal de que la pendiente está fuera de alcance y mucho más.
Sorprendentemente, incluso los sensores de 9 canales no han aprendido realmente cómo resolver el problema para el que parece que fueron diseñados originalmente. Son capaces de seguir la trayectoria del movimiento con una precisión aceptable solo dentro de los límites de los movimientos en distancias cortas y períodos cortos de tiempo. Usarlos para reemplazar la navegación GPS en interiores es imposible: los errores de medición se acumulan demasiado rápido. Además, dependiendo del tiempo y la temperatura, las lecturas del giroscopio “flotan” y el magnetómetro requiere una calibración preliminar. ¿Recuerdas estos molestos requisitos para describir los ocho con tu teléfono para orientarte en el espacio? Esto es de esa ópera ...
Sensores para medir movimientos y distancias.
Galaxia extremadamente grande de dispositivos con diferentes principios y tamaños operativos.
Una de las aplicaciones más populares es la definición de pequeños desplazamientos.
La solución óptima al problema de medición depende del material de los objetos en movimiento. Los interruptores de láminas son los más baratos y fáciles de determinar aproximadamente la posición de los objetos magnetizados, pero hay soluciones integradas mucho más avanzadas basadas en el efecto Hall. Los sensores de inducción tienen un uso muy limitado, pero los sensores capacitivos se usan con mucha más frecuencia, debido a la simplicidad de la microminiaturización.
Los sensores basados en optoacopladores tienen sus ventajas; se usan durante mucho tiempo y ampliamente. No me detendré en los sensores de distancia ultrasónicos, que son extremadamente populares debido a su uso generalizado como módulos para Arduino.
Raramente merecido, en los dispositivos desarrollados, se utilizan sensores basados en "cámaras en miniatura" y láseres. En mi opinión, es en vano, porque gracias al uso generalizado en manipuladores de tipo ratón, el precio de estos dispositivos está en un nivel muy bajo.
Dado que el sensor PAN3101 se basa en una cámara con una resolución de hasta 800 ppp, puede comprar más barato en el chino y medio dólar cada uno.
Yo mismo tuve que usar el sensor láser VL6180XV0. Cuesta alrededor de dos dólares y medio y es adecuado para medir distancias de hasta 10 cm. Traté de reemplazarlo con un sensor ultrasónico para aumentar la precisión de determinar la distancia en el empujador que expulsa los paquetes de cigarrillos, pero para esto necesitaba un rango un poco más largo. Ayudó un estudio exhaustivo de las hojas de datos, en el que fue posible encontrar una mención de una característica mal documentada, la capacidad de cambiar el rango de distancias medidas. Como resultado, pude aumentarlo a 30 cm. Desafortunadamente, esto afectó negativamente la precisión de las mediciones. La pérdida tuvo que ser compensada con la introducción del filtrado digital y un algoritmo complejo para determinar la posición, teniendo en cuenta los estados anteriores.
No puedo dejar de decir algunas palabras sobre los lidares: dispositivos de estado sólido basados en láseres, que a menudo contienen un sistema de espejos móviles utilizados para medir distancias a un objeto.
Son los más utilizados en vehículos no tripulados, mapeo 3D, sistemas de control de drones ... ¡Los últimos desarrollos son chips monolíticos basados en nitruro de galio (GaN) y ocupan un área en el tablero de menos de cuatro milímetros cuadrados!
Sensores táctiles
Los más utilizados hoy en día son los sensores capacitivos, que se utilizan en una variedad de elementos de control, desplazando de allí las soluciones basadas en la mecánica. Los sensores capacitivos de hoy reemplazan exitosamente los botones. Su diversidad es enorme. Hay paneles listos para usar con controladores que funcionan como la pantalla táctil de una computadora portátil.
Para formar elementos sensibles a los dedos: botones y barras de desplazamiento, posiblemente en una placa de PCB recubierta de aluminio, y use microcircuitos especializados o soluciones integradas integradas en algunos microcontroladores para darles servicio. El precio de la solución es a menudo menor que la versión mecánica, por lo que los controladores de botón táctil TTP223 se pueden comprar a cinco centavos cada uno.
En los casos en que se requiera rigidez y rendimiento antivandálico, vale la pena considerar la opción de usar botones piezoeléctricos. Como puede suponer, el principio de su trabajo se basa en el efecto piezoeléctrico. Una ventaja adicional de este tipo de botones es el funcionamiento confiable y a largo plazo en una amplia gama de temperaturas y humedad.
A menudo, los botones de los transistores de efecto de campo están integrados en el botón, así como elementos de protección contra sobrecarga por corriente, voltaje y conexión de polaridad incorrecta.
Micrófonos MEMS
Estos son productos de pequeño tamaño con bajo consumo de energía. La foto muestra un micrófono ultra miniatura en una caja de 1 x 1 mm con sus hermanos "mayores". Además de los micrófonos con salida analógica, hay digitales. Incluyen una ruta de amplificación de señal analógica y un ADC. Su aplicación nos permite simplificar y reducir el costo de la coincidencia con el microcontrolador, para reducir el consumo de energía, el nivel de ruido y, en algunos casos, las distorsiones no lineales.
En mi proyecto de un dispositivo médico universal, se requería un micrófono que pudiera percibir sonidos de baja frecuencia de órganos humanos. La mayoría de los micrófonos MEMS tienen una frecuencia de corte bastante baja, sin embargo, después de una búsqueda bastante larga logramos encontrar una buena opción, aunque con una salida analógica. El bebé con el nombre impronunciable SPW0442HR5H-1 fabricado por Knowles en un tamaño de 3.1 mm x 2.5 mm x 1 mm puede trabajar en el rango de 10 Hz a 10 KHz y cuesta alrededor de medio euro.
Sensores de presión, humedad y temperatura.
Los sensores de presión, humedad y temperatura no sorprenderán a nadie durante mucho tiempo. Dependiendo de las tareas que se resuelvan y del presupuesto del proyecto, puede elegir componentes capaces de realizar mediciones de precisión o que tengan un costo extremadamente bajo: se puede encontrar un sensor chino combinado de humedad y temperatura por medio dólar.
En uno de mis artículos, ya hablé sobre la experiencia de escribir controladores para el sensor combinado de temperatura y presión HTS221. En conclusión, solo quiero señalar una característica a la que a menudo se le presta atención demasiado tarde: para obtener valores relevantes para parámetros como la humedad y la temperatura, es necesaria su correcta instalación. De lo contrario, surgirá una situación en la que no esté midiendo lo que se requiere.
Y, por supuesto, si necesita transferir los resultados de la medición en forma analógica a distancias relativamente grandes (por ejemplo, cuando se miden altas temperaturas con termopares), se debe prestar especial atención a las líneas de transmisión y coincidencia de señales.
Sensores especializados para aplicaciones médicas.
Recientemente, tanto las nuevas empresas como los principales fabricantes de componentes electrónicos que trabajan en este campo han prestado la mayor atención directa al desarrollo y la producción de circuitos altamente integrados que combinan sensores y complejos circuitos de procesamiento de señales.
Los componentes y dispositivos integrados para telemedicina son un tema grande e interesante, pero debido a las limitaciones en el lugar y el tiempo, al final del artículo, mencionaré brevemente solo uno de esos sensores, que estoy tratando directamente en este momento, durante el proyecto para desarrollar un dispositivo médico universal.
Este es un microcircuito fabricado por Maxim Integrated MAX86150, es su cuerpo el que se representa en la pantalla de presentación posterior al tiempo que mantiene proporciones al lado de la moneda. Puede medir la frecuencia cardíaca, el nivel de saturación de oxígeno de los músculos y, lo más importante, disparar un electrocardiograma de un solo canal.
Un ADC de 19 bits, LED rojo y verde con controladores incorporados, un fotodiodo y un canal de procesamiento de datos: los nodos para la supresión de ruido, la eliminación de la llamarada externa del fotodiodo, el búfer FIFO, los filtros digitales y analógicos están ocultos dentro de una caja que mide solo 3.3 X 5.6 X 1.3 mm. El voltaje de alimentación del microcircuito es de solo 1.8 voltios, y el consumo de energía para los controladores LED no utilizados es inferior a 100 microamperios en modo activo y aproximadamente una microamperia en modo de reposo.
Estas funciones impresionantes a un precio muy inferior a $ 10 en el comercio minorista nos permiten desarrollar, por ejemplo, equipos médicos de pequeño tamaño para detectar anomalías cardíacas en las primeras etapas de la enfermedad. Es posible crear dispositivos extremadamente autónomos y totalmente autónomos para el monitoreo a largo plazo de la condición del paciente en el hogar y en los momentos de esfuerzo físico.
Esta familia de chips está en constante expansión, literalmente varias veces al año, aparecen sus nuevos representantes. La mayoría de los principales fabricantes de componentes electrónicos también están desarrollando desarrollos en muchas áreas en el campo de la medicina, desde cámaras ultraminiatura hasta sensores integrados para ultrasonido.
El uso conjunto de dispositivos en la última base elemental y la inteligencia artificial para el diagnóstico de enfermedades abre grandes perspectivas en esta área. Pero más sobre eso la próxima vez ...