Dieser Sensor, den ich links bereits auf den Seiten von Habr berührt habe, also werden wir heute über seine jüngeren Brüder sprechen.
Wenn Sie an ein neues Startup denken, scheint es manchmal, dass im Bereich der elektronischen Geräte bereits alles für uns gedacht wurde und sich der Umfang der Kreativität heute verringert hat. Dies ist in der Tat weit davon entfernt. In den letzten Jahren haben sich in der Welt der elektronischen Komponenten revolutionäre Veränderungen ergeben, die bis heute andauern. Die auf dem Hintergrund der Münze abgebildeten Chips waren vor 5 Jahren undenkbar, aber in diesem Jahr erhielt nur ihre Familie mehrere Nachschub.
Moderne elektronische Komponenten ermöglichen nicht nur die Erstellung neuer, sondern erweitern auch die Funktionalität langjähriger Geräte. Die mit ihrer Verwendung entwickelten Geräte werden kleiner, billiger, funktionaler und benutzerfreundlicher als ihre Vorgänger. Hauptsache, sie lassen sich leichter in unsere digitale Welt integrieren, was bedeutet, dass sie gut skalierbar sind. Dies ist einer der Hauptgründe, warum Tech-Startups heute bei Investoren immer beliebter werden.
Informationen zu
modernen Mikrocontrollern und
Techniken , die das "Erfinden" neuer Produkte vereinfachen, finden Sie in meinen vorherigen Artikeln. Heute sind die Sensoren an der Reihe. Es ist unmöglich, die Unermesslichkeit zu erfassen, deshalb habe ich einen kurzen und rein subjektiven Überblick über integrierte Sensoren gegeben, die meiner persönlichen Erfahrung nach sowohl beim Entwurf völlig neuer Geräte als auch im Zuge von Modifikationen am nützlichsten sein können, um lang freigegebenen Geräten neue Eigenschaften zu verleihen unterscheiden sie von einer Reihe von Wettbewerbern. Ich gab denen Vorteile, deren Vorteile ich in meinen Projekten bewerten konnte.
Allgemeine Trends
Um zu funktionieren, muss Ihr Gerät mit der Außenwelt kommunizieren und Informationen empfangen. Eine Person nutzt dafür die Sinne, und ein Gerät unter der Kontrolle eines Mikrocontrollers verwendet Sensoren. Im Laufe der Jahre werden Sensoren kleiner, intelligenter und vor allem billiger. Analoge Schnittstellen weichen digitalen. Die Sensoren lernten, eine Abfolge von Messungen autonom durchzuführen und in ihren eigenen Pufferspeicher zu legen. Sie enthalten Präprozessoren für die primäre Verarbeitung und Analyse von Messergebnissen. Die Anzahl der Register zum Einstellen der Betriebsarten und der Datenverarbeitung überschreitet manchmal einhundert. Das Vorhandensein von Selbstkalibrierungsverfahren und Tabellenfunktionen ermöglicht es, das Ergebnis einer linearen Abhängigkeit in einem weiten Bereich äußerer Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw.) näher zu bringen. Sensoren verwenden zunehmend die MEMS-Technologie (Microelectromechanical). Sie lernten, langwierige Messvorgänge selbständig durchzuführen und Signale zu geben, wenn Parameter den zulässigen Bereich überschreiten. Moderne Technologien haben den Energieverbrauch vieler Sensortypen so weit gesenkt, dass sie jahrelang mit einer einzigen kleinen Batterie betrieben werden können.
Trägheitssensoren
Am nützlichsten für die Erweiterung der Funktionalität des Geräts sind zweifellos „Trägheitssensoren“, die mithilfe der MEMS-Technologie hergestellt wurden. Heute sind sechsachsige Sensoren mit einem dreiachsigen Beschleunigungsmesser und einem Gyroskop am beliebtesten. Im Dienste derer, die noch mehr Informationen über die räumliche Ausrichtung von 9 Axialsensoren erhalten möchten, in
welche Magnetometer hinzugefügt werden. Inertialsensoren bieten großartige Möglichkeiten zur Verbesserung alter und zur Schaffung neuer Geräte, da sie Hunderte von Anwendungen haben, die auf den ersten Blick nicht ganz offensichtlich sind.
In dieser Triade spielt der Beschleunigungsmesser sicherlich eine große Rolle. Bei Abfragefrequenzen in der Größenordnung von mehreren zehn Hertz hat es einen außergewöhnlich niedrigen Stromverbrauch - zehn Mikroampere. Moderne Inertialsensorchips enthalten Datenverarbeitungspräprozessoren. Sie sind in der Lage, unter Verwendung von analogen und digitalen Filtern mit programmierbaren Parametern autonom eine sehr komplexe Primärverarbeitung der erhaltenen Daten zu erzeugen. Dank des FIFO-Speicherpuffers können sie die erhaltenen Ergebnisse akkumulieren, analysieren und ein Signal senden, um den Mikrocontroller erst nach Erreichen der im Speicher aufgezeichneten Randbedingungen zu wecken. Als Randbedingungen können nicht nur so einfache wie das Überschreiten des Beschleunigungsniveaus, sondern beispielsweise eine Änderung des Laufrhythmus wirken. Ja, ja, basierend auf den Beschleunigungsmesserwerten lernten die Sensoren, die Art der Bewegung und sogar ihre einzelnen Parameter unabhängig zu erkennen. Im richtigen Moment weckt der Sensor den Mikrocontroller und überträgt die akkumulierten Daten aus dem FIFO-Puffer an diesen. Der Mikrocontroller führt bei Bedarf eine ernsthaftere Analyse durch, führt die Reaktion durch und geht wieder in den Schlaf. Dieser Algorithmus eignet sich am besten für leistungsstarke ARM-MCUs mit geringem Stromverbrauch.
Mit Abmessungen von mehreren Millimetern eignen sich solche Sensoren perfekt für Sicherheitsanwendungen, Manipulationssensoren und Leistungsschalter versiegelter Geräte. Basierend auf diesen ist es praktisch, knopflose Steuerungen für Geräte mit vandalensicherer Leistung und / oder rauen Betriebsbedingungen zu implementieren. Es ist möglich, die relative Position von Körperteilen oder einer komplexen Struktur einer Person zu verfolgen, die Art der Bewegung zu bestimmen (um das Gehen von Laufen oder Treppensteigen zu unterscheiden, Momente der Unbeweglichkeit zu beheben, sich von einem Auto zu entfernen oder sich von ihm zu entfernen usw.), um den Moment des Auftretens gefährlicher Motorvibrationen zu bestimmen oder Turbinen geben ein Signal, dass die Neigung außerhalb der Reichweite liegt und vieles mehr!
Überraschenderweise haben sogar 9-Kanal-Sensoren nicht wirklich gelernt, das Problem zu lösen, für das sie ursprünglich gedacht zu sein scheinen. Sie sind in der Lage, die Bewegungsbahn nur innerhalb der Grenzen von Bewegungen über kurze Entfernungen und kurze Zeiträume mit akzeptabler Genauigkeit zu verfolgen. Es ist unmöglich, sie als Ersatz für die GPS-Navigation in Innenräumen zu verwenden - Messfehler häufen sich zu schnell. Zusätzlich schweben die Kreiselwerte je nach Zeit und Temperatur und das Magnetometer muss vorab kalibriert werden. Erinnern Sie sich an diese nervigen Anforderungen, um die Acht mit Ihrem Telefon zur Orientierung im Weltraum zu beschreiben? Dies ist aus dieser Oper ...
Sensoren zur Messung von Bewegungen und Entfernungen
Extrem große Galaxie von Geräten mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien und Größen.
Eine der beliebtesten Anwendungen ist die Definition kleiner Verschiebungen.
Die optimale Lösung des Messproblems hängt vom Material der sich bewegenden Objekte ab. Reed-Schalter sind die billigsten und am einfachsten zu bestimmenden Positionen magnetisierter Objekte. Es gibt jedoch viel fortschrittlichere integrierte Lösungen, die auf dem Hall-Effekt basieren. Induktionssensoren werden nur sehr begrenzt verwendet, kapazitive Sensoren werden jedoch aufgrund der Einfachheit der Mikrominiaturisierung viel häufiger verwendet.
Auf Optokopplern basierende Sensoren haben ihre Vorteile: Sie werden lange und weit verbreitet eingesetzt. Ich werde nicht auf Ultraschall-Abstandssensoren eingehen, die aufgrund ihrer weit verbreiteten Verwendung als Module für Arduino äußerst beliebt sind.
In den entwickelten Geräten werden zu Unrecht Sensoren verwendet, die auf „Miniaturkameras“ und Lasern basieren. Meiner Meinung nach ist dies vergebens, da der Preis für diese Geräte dank der weit verbreiteten Verwendung in Manipulatoren vom Typ Maus auf einem sehr niedrigen Niveau liegt.
Da der PAN3101-Sensor auf einer Kamera mit einer Auflösung von bis zu 800 dpi basiert, können Sie bei den Chinesen eineinhalb Dollar pro Stück billiger kaufen.
Ich selbst musste den Lasersensor VL6180XV0 verwenden. Es kostet ungefähr zweieinhalb Dollar und eignet sich zum Messen von Entfernungen bis zu 10 cm. Ich habe versucht, es durch einen Ultraschallsensor zu ersetzen, um die Genauigkeit der Bestimmung des Abstands im Drücker zu erhöhen, der Zigarettenschachteln auswirft, aber dafür brauchte ich eine etwas größere Reichweite. Eine gründliche Untersuchung der Datenblätter, in der ein schlecht dokumentiertes Merkmal erwähnt werden konnte, die Möglichkeit, den Bereich der gemessenen Entfernungen zu ändern, half. Infolgedessen konnte ich es auf 30 cm erhöhen. Leider wirkte sich dies negativ auf die Genauigkeit der Messungen aus. Der Verlust musste durch die Einführung einer digitalen Filterung und eines komplexen Algorithmus zur Positionsbestimmung unter Berücksichtigung früherer Zustände ausgeglichen werden.
Ich kann nur ein paar Worte über Lidars sagen - Festkörpergeräte auf der Basis von Lasern, die häufig ein System beweglicher Spiegel enthalten, mit denen Entfernungen zu einem Objekt gemessen werden.
Sie werden am häufigsten in unbemannten Fahrzeugen, 3D-Kartografie, Drohnensteuerungssystemen ... verwendet. Die neuesten Entwicklungen sind monolithische Chips auf der Basis von Galliumnitrid (GaN), die eine Fläche auf der Platine von weniger als vier Quadratmillimetern einnehmen!
Berührungssensoren
Die heute am weitesten verbreiteten sind kapazitive Sensoren, die in einer Vielzahl von Steuerelementen eingesetzt werden und von dort Lösungen auf mechanischer Basis verdrängen. Kapazitive Sensoren ersetzen heute erfolgreich Tasten. Ihre Vielfalt ist enorm. Es gibt vorgefertigte Panels mit Controllern, die wie der Touchscreen eines Laptops funktionieren.
Es ist möglich, fingerempfindliche Elemente zu bilden - Tasten und Bildlaufleisten, möglicherweise auf einer Platine aus folienbeschichteter Leiterplatte, und entweder spezielle Mikroschaltungen oder integrierte Lösungen zu verwenden, die in einige Mikrocontroller integriert sind, um diese zu warten. Der Lösungspreis ist oft niedriger als bei der mechanischen Version, sodass TTP223-Touch-Button-Controller für fünf Cent pro Stück gekauft werden können
In Fällen, in denen Dichtheit und Vandalismusschutz erforderlich sind, sollte die Verwendung von Piezo-Tasten in Betracht gezogen werden. Wie Sie sich vorstellen können, basiert das Prinzip ihrer Arbeit auf dem piezoelektrischen Effekt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Art von Tasten ist der zuverlässige und langfristige Betrieb in einem weiten Temperatur- und Feuchtigkeitsbereich.
Oft sind Tasten an Feldeffekttransistoren in die Taste integriert sowie Schutzelemente gegen Überlastung durch Strom, Spannung und falsche Polarität.
MEMS-Mikrofone
Dies sind kleine Produkte mit geringem Energieverbrauch. Das Foto zeigt ein Ultra-Miniatur-Mikrofon in einem 1 x 1 mm großen Gehäuse mit seinen „älteren“ Brüdern. Neben Mikrofonen mit analogem Ausgang gibt es auch digitale. Sie umfassen einen analogen Signalverstärkungspfad und einen ADC. Ihre Anwendung ermöglicht es uns, die Kosten für die Anpassung an den Mikrocontroller zu vereinfachen und zu reduzieren, um den Stromverbrauch, den Geräuschpegel und in einigen Fällen nichtlineare Verzerrungen zu reduzieren.
In meinem Projekt eines universellen medizinischen Geräts wurde ein Mikrofon benötigt, das niederfrequente Geräusche menschlicher Organe wahrnehmen konnte. Die meisten MEMS-Mikrofone haben eine ziemlich hohe niedrigere Grenzfrequenz. Nach einer langen Suche konnten wir jedoch eine gute Option finden, allerdings mit einem analogen Ausgang. Das Baby mit dem unaussprechlichen Namen SPW0442HR5H-1 von Knowles in den Größen 3,1 mm x 2,5 mm x 1 mm kann im Bereich von 10 Hz bis 10 kHz arbeiten und kostet etwa einen halben Euro.
Druck-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren
Druck-, Feuchtigkeits- und Temperatursensoren werden niemanden lange überraschen. Abhängig von den zu lösenden Aufgaben und dem Projektbudget können Sie Komponenten auswählen, die präzise oder äußerst kostengünstig sind - ein kombinierter chinesischer Feuchtigkeits- und Temperatursensor kostet einen halben Dollar.
In einem meiner Artikel habe ich bereits über die Erfahrung beim Schreiben von Treibern für den kombinierten Temperatur- und Drucksensor HTS221 gesprochen. Abschließend möchte ich nur eine Funktion erwähnen, die oft zu spät beachtet wird: Um relevante Werte für Parameter wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur zu erhalten, ist deren korrekte Installation erforderlich. Andernfalls tritt eine Situation auf, in der Sie überhaupt nicht messen, was erforderlich ist.
Wenn Sie die Messergebnisse in analoger Form über relativ große Entfernungen übertragen müssen (z. B. bei der Messung hoher Temperaturen mit Thermoelementen), sollten Sie natürlich besonders auf die Übertragungs- und Signalanpassungsleitungen achten.
Spezialisierte Sensoren für medizinische Anwendungen
In jüngster Zeit haben sowohl Start-ups als auch führende Hersteller von elektronischen Bauteilen, die auf diesem Gebiet tätig sind, der Entwicklung und Produktion hochintegrierter Schaltkreise, die Sensoren und komplexe Signalverarbeitungsschaltkreise kombinieren, größte Aufmerksamkeit gewidmet.
Integrierte Komponenten und Geräte für die Telemedizin sind ein großes und interessantes Thema, aber aufgrund der räumlichen und zeitlichen Einschränkungen werde ich am Ende des Artikels kurz nur einen solchen Sensor erwähnen, mit dem ich mich während des Projekts zur Entwicklung eines universellen medizinischen Geräts direkt befasse.
Dies ist eine Mikroschaltung, die von Maxim Integrated MAX86150 hergestellt wird. Ihr Körper wird auf dem Post-Splash-Bildschirm dargestellt, während die Proportionen neben der Münze beibehalten werden. Sie kann die Herzfrequenz und den Grad der Sauerstoffsättigung der Muskeln messen und vor allem ein einkanaliges Elektrokardiogramm erstellen.
Im Inneren des Gehäuses mit einer Größe von nur 3,3 x 5,6 x 1,3 mm befinden sich ein 19-Bit-ADC, rote und grüne LEDs mit integrierten Treibern, eine Fotodiode und ein Datenverarbeitungskanal - Knoten zur Rauschunterdrückung, Entfernung von externem Fotodiodenlicht, FIFO-Puffer, digitale und analoge Filter. Die Versorgungsspannung der Mikroschaltung beträgt nur 1,8 Volt, und der Stromverbrauch für nicht verwendete LED-Treiber beträgt im aktiven Modus weniger als 100 Mikroampere und im Schlafmodus etwa eine Mikroampere.
Solche beeindruckenden Funktionen zu einem Preis, der im Einzelhandel deutlich unter 10 US-Dollar liegt, ermöglichen es uns, beispielsweise kleine medizinische Geräte zu entwickeln, um Herzanomalien in den frühen Stadien der Krankheit zu erkennen. Es ist möglich, äußerst kompakte, vollständig autonome Geräte zur Langzeitüberwachung des Zustands des Patienten zu Hause und in Momenten körperlicher Anstrengung zu schaffen.
Diese Familie von Chips wächst ständig, buchstäblich mehrmals im Jahr, ihre neuen Vertreter erscheinen. Die meisten führenden Hersteller elektronischer Komponenten entwickeln auch Entwicklungen in vielen Bereichen der Medizin - von Ultra-Miniaturkameras bis hin zu integrierten Sensoren für Ultraschall.
Große Perspektiven in diesem Bereich eröffnen sich durch den gemeinsamen Einsatz von Geräten auf der neuesten elementaren Basis und künstlicher Intelligenz zur Diagnose von Krankheiten. Aber mehr dazu beim nächsten Mal ...