هذا المستشعر الذي لمسته على صفحات هبر على اليسار ، لذلك سنتحدث اليوم عن إخوته الصغار.
عندما تفكر في بدء تشغيل جديد ، يبدو أحيانًا أنه في مجال الأجهزة الإلكترونية تم التفكير في كل شيء بالفعل لنا وتقلص نطاق الإبداع اليوم. في الواقع ، هذا أبعد ما يكون عن القضية. على مدى السنوات القليلة الماضية ، حدثت تغييرات ثورية في عالم المكونات الإلكترونية ، والتي لا تزال مستمرة حتى يومنا هذا. كانت الرقائق المصورة على خلفية العملة المعدنية غير واردة قبل 5 سنوات ، لكن خلال هذا العام لم تتلق سوى أسرتها عدة تجديدات.
لا تسمح المكونات الإلكترونية الحديثة بإنشاء مكونات جديدة فحسب ، بل تتيح أيضًا توسيع وظائف الأجهزة الموجودة منذ فترة طويلة. أصبحت الأجهزة المطورة مع استخدامها أصغر وأرخص وأكثر وظيفية وأسهل استخدامًا من سابقاتها. ولكن الشيء الرئيسي هو أنها أسهل في الاندماج في عالمنا الرقمي ، مما يعني أنها تتسع بشكل جيد. هذا هو أحد الأسباب الرئيسية وراء اكتساب الشركات الناشئة التكنولوجية شعبية لدى المستثمرين اليوم.
حول أجهزة
التحكم الدقيقة الحديثة والتقنيات التي تبسط عملية "اختراع" منتجات جديدة ، يمكنك أن تقرأ في مقالاتي السابقة. اليوم ، حان دور المجسات. من المستحيل فهم الضخامة ، لذلك قمت بمراجعة مختصرة وذاتية بحتة لأجهزة الاستشعار المدمجة ، والتي قد تكون مفيدة للغاية ، في تجربتي الشخصية ، سواء في تصميم أجهزة جديدة تمامًا أو أثناء التعديلات ، من أجل إعطاء ميزات جديدة للأجهزة التي تم إصدارها لفترة طويلة ، بحيث التمييز بينها وبين عدد من المنافسين. لقد قدمت مزايا لأولئك الذين تمكنت من تقييم مزاياهم في مشاريعي.
الاتجاهات العامة
لكي يعمل جهازك ، يجب أن يتصل جهازك بالعالم الخارجي ، ويتلقى المعلومات. شخص يستخدم الحواس لهذا ، وجهاز تحت سيطرة متحكم يستخدم أجهزة استشعار. على مر السنين ، أصبحت أجهزة الاستشعار أصغر وأكثر ذكاء والأهم من ذلك أنها أرخص. واجهات التناظرية تفسح المجال أمام الرقمية. تعلم المستشعرون إجراء سلسلة من القياسات بشكل مستقل ووضعها في ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة بهم. أنها تتضمن المعالجات الأولية للمعالجة الأولية وتحليل نتائج القياس. يتجاوز عدد سجلات إعداد أوضاع التشغيل ومعالجة البيانات في بعض الأحيان 100. يتيح وجود إجراءات المعايرة الذاتية والوظائف الجدولية تقريب النتيجة من الاعتماد الخطي في مجموعة واسعة من الظروف الخارجية (درجة الحرارة والرطوبة وما إلى ذلك). تستخدم أجهزة الاستشعار بشكل متزايد تكنولوجيا MEMS (الكهروميكانيكية الدقيقة). لقد تعلموا كيفية إجراء عمليات قياس طويلة بشكل مستقل وإعطاء إشارات عندما تتجاوز المعلمات المدى المسموح به. خفضت التقنيات الحديثة من استهلاك الطاقة لأنواع كثيرة من أجهزة الاستشعار إلى مستوى يمكن أن يعمل على بطارية صغيرة واحدة لسنوات.
مجسات بالقصور الذاتي
الأكثر فائدة لتوسيع وظائف الجهاز هي بلا شك "أجهزة استشعار بالقصور الذاتي" مصنوعة باستخدام تقنية ممس. اليوم ، مجسات ستة محاور تحتوي على مقياس التسارع ثلاثي المحاور وجيروسكوب هي الأكثر شعبية. في خدمة أولئك الذين يرغبون في الحصول على مزيد من المعلومات حول الاتجاه في الفضاء من 9 أجهزة استشعار محورية ، في
التي تضاف المغنطيسية. توفر المستشعرات بالقصور الذاتي فرصًا رائعة لتحسين الأجهزة القديمة وإنشاء أجهزة جديدة نظرًا لحقيقة أن لديها مئات التطبيقات غير الواضحة تمامًا للوهلة الأولى.
من بين هذا الثلاثي ، يلعب مقياس التسارع بالتأكيد دوراً رئيسياً. عند التشغيل على ترددات الاقتراع بترتيب عشرات hertz ، يكون استهلاكه الحالي منخفضًا للغاية - عشرات microamps. تشمل رقائق أجهزة الاستشعار الحديثة بالقصور الذاتي عمليات معالجة البيانات. فهي قادرة على إنتاج معالجة أولية معقدة للغاية من البيانات التي تم الحصول عليها بشكل مستقل باستخدام مرشحات التناظرية والرقمية مع المعلمات القابلة للبرمجة. بفضل المخزن المؤقت للذاكرة FIFO ، يمكنهم تجميع النتائج التي تم الحصول عليها وتحليلها وإرسال إشارة لإيقاظ متحكم فقط بعد الوصول إلى الشروط الحدودية المسجلة في الذاكرة. كشروط حدية ، ليس فقط تلك البسيطة مثل تجاوز مستوى التسارع ، ولكن ، على سبيل المثال ، تغيير في إيقاع المشي ، يمكن أن تعمل. نعم ، نعم ، بناءً على قراءات التسارع ، تعلمت أجهزة الاستشعار التعرف بشكل مستقل على طبيعة الحركة وحتى معاييرها الفردية. في اللحظة المناسبة ، يوقظ المستشعر المتحكم وينقل البيانات المتراكمة من المخزن المؤقت FIFO إليه. يجري المتحكم الدقيق تحليلًا أكثر جدية ، إذا لزم الأمر ، ينفذ الاستجابة ويذهب مرة أخرى إلى النوم. هذه الخوارزمية مناسبة بشكل أفضل لوحدات ARM عالية الأداء ومنخفضة الطاقة.
تتميز هذه المستشعرات بأبعاد عدة ملليمترات ، وهي مناسبة تمامًا لتطبيقات الأمان وأجهزة استشعار العبث ومفاتيح تشغيل الطاقة للأجهزة المختومة. بناءً عليها ، من الملائم تطبيق عناصر تحكم أقل للزر للأجهزة في أداء مضاد للتخريب و / أو ظروف تشغيل قاسية. من الممكن تتبع الموضع النسبي لأجزاء من جسم الشخص أو هيكل معقد ، وتحديد طبيعة الحركة (للتمييز بين المشي من الركض أو تسلق السلالم ، ولحظات من الجمود ، أو الابتعاد أو "الابتعاد" عن السيارة ، وما إلى ذلك) ، لتحديد وقت حدوث اهتزاز خطير للمحرك أو توربينات ، أعط إشارة إلى أن المنحدر خارج النطاق وأكثر من ذلك بكثير!
والمثير للدهشة أنه حتى مستشعرات القنوات التسعة لم تتعلم حقًا كيفية حل المشكلة التي يبدو أنها كانت مخصصة لها في الأصل. فهي قادرة على تتبع مسار الحركة بدقة مقبولة فقط ضمن حدود الحركات على مسافات قصيرة وفترات زمنية قصيرة. استخدامهم لاستبدال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في الأماكن المغلقة أمر مستحيل - تتراكم أخطاء القياس بسرعة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، اعتمادًا على الوقت ودرجة الحرارة ، فإن قراءات الدوران "تطفو" ، ويتطلب المغنطيسية معايرة أولية. تذكر هذه المتطلبات المزعجة لوصف ثمانية مع هاتفك للتوجه في الفضاء؟ هذا من تلك الأوبرا ...
مجسات لقياس الحركات والمسافات
مجرة كبيرة للغاية من الأجهزة ذات مبادئ وأحجام تشغيل مختلفة.
أحد أكثر التطبيقات شيوعًا هو تعريف النزوح الصغير.
يعتمد الحل الأمثل لمشكلة القياس على مادة الأجسام المتحركة. تعد مفاتيح Reed أرخص وأسهل لتحديد موضع الكائنات الممغنطة تقريبًا ، ولكن هناك حلول متكاملة أكثر تقدمًا تعتمد على تأثير Hall. أجهزة الاستشعار الحثية لها استخدام محدود للغاية ، ولكن يتم استخدام أجهزة الاستشعار بالسعة في كثير من الأحيان ، ويرجع ذلك إلى بساطة microminururization.
تتمتع المستشعرات المستندة إلى optocouplers بمزاياها ؛ فهي تستخدم لفترة طويلة وعلى نطاق واسع. لن أتطرق إلى أجهزة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية ، والتي تحظى بشعبية كبيرة بسبب استخدامها على نطاق واسع كوحدات لاردوينو.
نادرة بشكل غير مرغوب فيه ، في الأجهزة المتقدمة ، يتم استخدام أجهزة استشعار تستند إلى "كاميرات مصغرة" وأشعة الليزر. في رأيي ، لا جدوى من ذلك ، لأنه بفضل الاستخدام الواسع النطاق في المتلاعبين من نوع الماوس ، فإن سعر هذه الأجهزة عند مستوى منخفض للغاية.
نظرًا لأن مستشعر PAN3101 يعتمد على كاميرا بدقة تصل إلى 800 نقطة في البوصة ، فيمكنك شراء بسعر أرخص من الصينية الواحدة ونصف دولار.
أنا شخصيا اضطررت إلى استخدام جهاز استشعار الليزر VL6180XV0. يكلف حوالي دولارين ونصف دولار وهو مناسب لقياس المسافات التي تصل إلى 10 سم ، وحاولت استبدالها بجهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية من أجل زيادة دقة تحديد المسافة في تاجر مخدرات الذي يخرج علب السجائر ، لكنني كنت بحاجة إلى مدى أطول قليلاً. ساعدت دراسة شاملة لأوراق البيانات ، والتي كان من الممكن العثور على إشارة لميزة سيئة التوثيق ، والقدرة على تبديل مجموعة من المسافات المقاسة. وكنتيجة لذلك ، تمكنت من زيادتها إلى 30 سم ، ولسوء الحظ ، أثر هذا سلبًا على دقة القياسات. كان لا بد من تعويض الخسارة عن طريق إدخال التصفية الرقمية وخوارزمية معقدة لتحديد الموقف ، مع مراعاة الحالات السابقة.
لا يسعني إلا أن أقول بضع كلمات حول النجوم - أجهزة الحالة الصلبة القائمة على الليزر ، وغالبًا ما تحتوي على نظام من المرايا المتحركة المستخدمة لقياس المسافات إلى كائن ما.
يتم استخدامها على نطاق واسع في المركبات غير المأهولة ، ورسومات ثلاثية الأبعاد ، وأنظمة التحكم في الطائرات بدون طيار ... آخر التطورات هي رقائق متجانسة قائمة على نيتريد الغاليوم (GaN) وتحتل مساحة على السبورة أقل من أربعة ملليمترات مربعة!
مجسات اللمس
الأكثر استخداما على نطاق واسع اليوم هي أجهزة استشعار بالسعة ، والتي تستخدم في مجموعة متنوعة من عناصر التحكم ، مما يحل محلها من الحلول القائمة على الميكانيكا. أجهزة الاستشعار بالسعة اليوم استبدال بنجاح الأزرار. تنوعها ضخم. هناك لوحات جاهزة مع وحدات تحكم تعمل مثل شاشة الكمبيوتر المحمول التي تعمل باللمس.
من الممكن تشكيل عناصر حساسة للإصبع - الأزرار وأشرطة التمرير ، وربما على لوحة مصنوعة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور المطلي بالرقائق ، واستخدام الدوائر الدقيقة المتخصصة أو الحلول المدمجة المدمجة في بعض المتحكمات الدقيقة لخدمة هذه العناصر. غالبًا ما يكون سعر الحل أقل من الإصدار الميكانيكي ، لذلك يمكن شراء أدوات التحكم TTP223 التي تعمل باللمس بسعر خمسة سنتات لكل مرة
في الحالات التي يتطلب فيها الضيق والأداء المضاد للتخريب ، يجدر النظر في خيار استخدام أزرار بيزو. كما تعتقد ، يعتمد مبدأ عملهم على التأثير الكهروإجهادي. ميزة إضافية لهذا النوع من الأزرار هي عملية موثوقة وطويلة المدى في مجموعة واسعة من درجات الحرارة والرطوبة.
في كثير من الأحيان ، يتم دمج الأزرار الموجودة على الترانزستورات ذات التأثير الميداني في الزر ، بالإضافة إلى عناصر الحماية ضد الحمل الزائد بواسطة التوصيل الحالي والجهد والاتصال غير الصحيح.
ميمز الميكروفونات
هذه هي منتجات صغيرة الحجم مع انخفاض استهلاك الطاقة. تُظهر الصورة ميكروفونًا مصغرًا للغاية في علبة بحجم 1 × 1 مم مع أشقائها "الأقدم". بالإضافة إلى الميكروفونات ذات الإخراج التناظري ، فهناك مكبرات رقمية. وهي تشمل مسار تضخيم الإشارة التناظرية و ADC. يتيح لنا تطبيقهم تبسيط وتقليل تكلفة المطابقة مع المتحكم الدقيق ، وتقليل استهلاك الطاقة ، ومستوى الضوضاء ، وفي بعض الحالات التشوهات غير الخطية.
في مشروعي لجهاز طبي عالمي ، كان مطلوبًا الميكروفون الذي يمكنه رؤية الأصوات منخفضة التردد للأعضاء البشرية. لدى معظم ميكروفونات MEMS تردد قطع منخفض إلى حد ما ، ومع ذلك ، بعد بحث طويل تمكنا من العثور على خيار جيد ، على الرغم من وجود ناتج تمثيلي. يمكن للطفل الذي يحمل الاسم SPW0442HR5H-1 الذي لا يمكن التنبؤ به والذي صنعته نولز بحجم 3.1 مم × 2.5 مم × 1 مم أن يعمل في حدود 10 هرتز إلى 10 كيلو هرتز ويكلف حوالي نصف يورو.
الضغط والرطوبة وأجهزة استشعار درجة الحرارة
أجهزة استشعار الضغط والرطوبة ودرجة الحرارة لن يفاجئ أي شخص لفترة طويلة. اعتمادًا على المهام التي يتم حلها وميزانية المشروع ، يمكنك اختيار المكونات القادرة على إجراء قياسات دقيقة ، أو الحصول على تكلفة منخفضة للغاية - يمكن العثور على مستشعر رطوبة ودرجة حرارة صيني مدمج مقابل نصف دولار.
في أحد مقالاتي ، تحدثت بالفعل عن تجربة كتابة برامج التشغيل لجهاز استشعار درجة الحرارة والضغط المدمج HTS221. في الختام ، أريد فقط الإشارة إلى ميزة واحدة غالباً ما يتم الاهتمام بها متأخرة جدًا - للحصول على القيم ذات الصلة لمعلمات مثل الرطوبة ودرجة الحرارة ، التثبيت الصحيح ضروري. خلاف ذلك ، سوف تنشأ حالة عندما كنت لا تقيس على الإطلاق ما هو مطلوب.
وبالطبع ، إذا كنت بحاجة إلى إرسال نتائج القياس في شكل تمثيلي عبر مسافات كبيرة نسبيًا (على سبيل المثال ، عند قياس درجات الحرارة المرتفعة باستخدام المزدوجات الحرارية) ، فيجب إيلاء اهتمام خاص لخطوط نقل الإشارة والمطابقة.
مجسات متخصصة للتطبيقات الطبية
في الآونة الأخيرة ، أولت كل من الشركات الناشئة والشركات الرائدة في مجال المكونات الإلكترونية العاملة في هذا المجال أقصى اهتمام مباشر لتطوير وإنتاج دوائر متكاملة للغاية تجمع بين أجهزة الاستشعار ودارات معالجة الإشارات المعقدة.
تعد المكونات والأجهزة المتكاملة للتطبيب عن بُعد موضوعًا كبيرًا ومثيرًا للاهتمام ، ولكن نظرًا للقيود الموجودة في المكان والزمان ، في نهاية المقال ، سأذكر بإيجاز واحدًا فقط من هذه المستشعرات ، والذي أتعامل معه بشكل مباشر الآن ، خلال المشروع لتطوير جهاز طبي عالمي.
هذه هي الدائرة المصغرة التي صنعتها شركة Maxim Integrated MAX86150 ، حيث يتم تصوير جسمها على شاشة ما بعد البداية مع الحفاظ على النسب بجوار العملة. يمكنها قياس معدل ضربات القلب ومستوى تشبع الأكسجين في العضلات ، والأهم من ذلك ، تصوير رسم قلب أحادي القناة.
داخل العلبة ، بحجم 3.3 X 5.6 X 1.3 مم فقط ، يوجد ADC 19 بت ومصابيح LED حمراء وخضراء مع برامج تشغيل مدمجة ، وثنائي ضوئي وقناة معالجة البيانات - عقد لقمع الضوضاء ، وإزالة ضوء الثنائي الضوئي الخارجي ، ومخزن مؤقت FIFO ، ومرشحات رقمية وتمثيلية. يبلغ الجهد الكهربائي للتيار الكهربائي المصغر 1.8 فولت فقط ، بينما يقل استهلاك الطاقة لبرامج تشغيل LED غير المستخدمة عن 100 ميكرومتر في الوضع النشط وحوالي ميكروبير واحد في وضع السكون.
إن مثل هذه الوظائف الرائعة بسعر يقل عن 10 دولارات في البيع بالتجزئة تسمح لنا بتطوير ، على سبيل المثال ، معدات طبية صغيرة الحجم للكشف عن تشوهات القلب في المراحل المبكرة من المرض. من الممكن إنشاء أجهزة مستقلة تمامًا تمامًا من أجل المراقبة الطويلة لحالة المريض في المنزل وفي لحظات من الجهد البدني.
تتوسع عائلة الرقائق هذه باستمرار ، حرفيًا عدة مرات في السنة ، يظهر ممثلوها الجدد. تقوم معظم الشركات الرائدة في تصنيع المكونات الإلكترونية بتطوير تطورات في العديد من المجالات في مجال الطب - من الكاميرات فائقة الدقة إلى أجهزة استشعار متكاملة للموجات فوق الصوتية.
يتم فتح آفاق كبيرة في هذا المجال عن طريق الاستخدام المشترك للأجهزة على أحدث قاعدة عنصرية والذكاء الاصطناعي لتشخيص الأمراض. ولكن المزيد عن ذلك في المرة القادمة ...