Ce capteur que sur la gauche j'ai déjà touché sur les pages de Habr, donc aujourd'hui nous allons parler de ses jeunes frères.
Quand vous pensez à une nouvelle startup, il semble parfois que dans le domaine des appareils électroniques, tout a déjà été pensé pour nous et le champ de la créativité s'est rétréci aujourd'hui. En fait, c'est loin d'être le cas. Au cours des dernières années, des changements révolutionnaires ont eu lieu dans le monde des composants électroniques, qui se poursuivent encore aujourd'hui. Les jetons représentés sur le fond de la pièce étaient impensables il y a 5 ans, mais cette année, seule leur famille a reçu plusieurs reconstitutions.
Les composants électroniques modernes permettent non seulement d'en créer de nouveaux, mais également d'étendre les fonctionnalités des appareils existants de longue date. Les appareils développés avec leur utilisation deviennent plus petits, moins chers, plus fonctionnels et plus faciles à utiliser que leurs prédécesseurs. Mais l'essentiel est qu'ils sont plus faciles à intégrer dans notre monde numérique, ce qui signifie qu'ils évoluent bien. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles les startups technologiques gagnent en popularité auprès des investisseurs aujourd'hui.
À propos
des microcontrôleurs modernes et des
techniques qui simplifient le processus «d'inventer» de nouveaux produits, vous pouvez lire dans mes articles précédents. Aujourd'hui, c'est au tour des capteurs. Il est impossible de saisir l'immensité, j'ai donc fait un bref examen purement subjectif des capteurs intégrés, qui, selon mon expérience personnelle, peuvent être les plus utiles, à la fois dans la conception d'appareils complètement nouveaux et au cours de modifications, afin de donner de nouvelles qualités aux appareils lancés depuis longtemps, de sorte que les distinguer d'un certain nombre de concurrents. J'ai donné des avantages à ceux dont j'ai réussi à évaluer les avantages dans mes projets.
Tendances générales
Pour fonctionner, votre appareil doit communiquer avec le monde extérieur et recevoir des informations. Une personne utilise les sens pour cela, et un appareil sous le contrôle d'un microcontrôleur utilise des capteurs. Au fil des ans, les capteurs deviennent plus petits, plus intelligents et, surtout, moins chers. Les interfaces analogiques cèdent la place au numérique. Les capteurs ont appris à effectuer une séquence de mesures de manière autonome et à les mettre dans leur propre mémoire tampon. Ils intègrent des préprocesseurs pour le traitement primaire et l'analyse des résultats de mesure. Le nombre de registres de réglage des modes de fonctionnement et de traitement des données dépasse parfois une centaine. La présence de procédures d'auto-étalonnage et de fonctions tabulaires permet de rapprocher le résultat d'une dépendance linéaire dans une large gamme de conditions externes (température, humidité, etc.). Les capteurs utilisent de plus en plus la technologie MEMS (microélectromécanique). Ils ont appris à conduire indépendamment de longs processus de mesure et à donner des signaux lorsque les paramètres dépassent la plage autorisée. Les technologies modernes ont réduit la consommation d'énergie de nombreux types de capteurs à un niveau tel qu'ils peuvent fonctionner sur une seule petite batterie pendant des années.
Capteurs inertiels
Les plus utiles pour étendre la fonctionnalité de l'appareil sont sans aucun doute les «capteurs inertiels» fabriqués à l'aide de la technologie MEMS. Aujourd'hui, les capteurs à six axes contenant un accéléromètre à trois axes et un gyroscope sont les plus populaires. Au service de ceux qui souhaitent obtenir encore plus d'informations sur l'orientation dans l'espace de 9 capteurs axiaux, en
qui sont ajoutés magnétomètre. Les capteurs inertiels offrent de grandes opportunités pour améliorer les anciens et créer de nouveaux appareils, car ils ont des centaines d'applications qui ne sont pas tout à fait évidentes à première vue.
Parmi cette triade, l'accéléromètre joue certainement un rôle majeur. Lorsqu'il fonctionne à des fréquences d'interrogation de l'ordre de plusieurs dizaines de hertz, il a une consommation de courant exceptionnellement faible - des dizaines de microampères. Les puces à capteur inertiel modernes comprennent des préprocesseurs de traitement des données. Ils sont capables de produire de manière autonome un traitement primaire très complexe des données obtenues à l'aide de filtres analogiques et numériques à paramètres programmables. Grâce à la mémoire tampon FIFO, ils peuvent accumuler les résultats obtenus, les analyser et envoyer un signal pour réveiller le microcontrôleur uniquement lorsque les conditions aux limites enregistrées dans la mémoire sont atteintes. En tant que conditions aux limites, non seulement des conditions aussi simples que le dépassement du niveau d'accélération, mais, par exemple, un changement du rythme de marche, peuvent agir. Oui, oui, sur la base des lectures de l'accéléromètre, les capteurs ont appris à reconnaître indépendamment la nature du mouvement et même ses paramètres individuels. Au bon moment, le capteur réveille le microcontrôleur et lui transfère les données accumulées du tampon FIFO. Le microcontrôleur effectue une analyse plus sérieuse, si nécessaire, effectue la réponse et se met à nouveau en veille. Cet algorithme est le mieux adapté aux microcontrôleurs ARM hautes performances et basse consommation.
Ayant des dimensions de plusieurs millimètres, ces capteurs sont parfaitement adaptés aux applications de sécurité, aux capteurs de sabotage, aux interrupteurs d'alimentation des appareils scellés. Sur la base de ceux-ci, il est pratique d'implémenter des commandes sans bouton pour les appareils aux performances anti-vandalisme et / ou dans des conditions de fonctionnement difficiles. Il est possible de suivre la position relative des parties du corps d'une personne ou d'une structure complexe, de déterminer la nature du mouvement (pour distinguer la marche de la course ou de la montée des escaliers, pour fixer des moments d'immobilité, de tourner ou de s'éloigner d'une voiture, etc.), pour déterminer le moment de l'apparition de vibrations dangereuses du moteur ou turbines, signalez que la pente est hors de portée et bien plus encore!
Étonnamment, même les capteurs à 9 canaux n'ont pas vraiment appris à résoudre le problème auquel il semblerait qu'ils étaient initialement destinés. Ils sont capables de suivre la trajectoire du mouvement avec une précision acceptable uniquement dans les limites des mouvements sur de courtes distances et de courtes périodes. Il est impossible de les utiliser pour remplacer la navigation GPS à l'intérieur - les erreurs de mesure s'accumulent trop rapidement. De plus, en fonction du temps et de la température, les relevés gyroscopiques «flottent» et le magnétomètre nécessite un étalonnage préalable. Rappelez-vous ces exigences ennuyeuses pour décrire les huit avec votre téléphone pour l'orientation dans l'espace? C'est de cet opéra ...
Capteurs pour mesurer les mouvements et les distances
Galaxie extrêmement grande d'appareils avec différents principes de fonctionnement et tailles.
L'une des applications les plus populaires est la définition de petits déplacements.
La solution optimale au problème de mesure dépend du matériau des objets en mouvement. Les interrupteurs Reed sont les moins chers et les plus faciles à déterminer approximativement la position des objets magnétisés, mais il existe des solutions intégrées beaucoup plus avancées basées sur l'effet Hall. Les capteurs à induction ont une utilisation très limitée, mais les capteurs capacitifs sont utilisés beaucoup plus souvent, en raison de la simplicité de la microminiaturisation.
Les capteurs basés sur des optocoupleurs ont leurs avantages: ils sont utilisés depuis longtemps et largement. Je ne m'attarderai pas sur les capteurs de distance à ultrasons, qui sont extrêmement populaires en raison de leur utilisation répandue comme modules pour Arduino.
À juste titre, dans les appareils développés, des capteurs basés sur des «caméras miniatures» et des lasers sont utilisés. À mon avis, c'est en vain, car grâce à l'utilisation répandue dans les manipulateurs de type souris, le prix de ces appareils est à un niveau très bas.
Étant donné que le capteur PAN3101 est basé sur un appareil photo avec une résolution allant jusqu'à 800 dpi, vous pouvez acheter moins cher auprès du chinois un dollar et demi chacun.
J'ai moi-même dû utiliser le capteur laser VL6180XV0. Il coûte environ deux dollars et demi et convient pour mesurer des distances jusqu'à 10 cm.J'ai essayé de le remplacer par un capteur à ultrasons afin d'augmenter la précision de la détermination de la distance dans le poussoir qui éjecte les paquets de cigarettes, mais pour cela, j'avais besoin d'une plage légèrement plus longue. Une étude approfondie des fiches techniques, dans laquelle il a été possible de trouver une mention d'une caractéristique mal documentée, la possibilité de changer la plage des distances mesurées, a aidé. En conséquence, j'ai pu l'augmenter à 30 cm, ce qui a malheureusement affecté la précision des mesures. La perte a dû être compensée par l'introduction d'un filtrage numérique et d'un algorithme complexe pour déterminer la position, en tenant compte des états précédents.
Je ne peux que dire quelques mots sur les lidars - des dispositifs à semi-conducteurs basés sur des lasers, contenant souvent un système de miroirs mobiles utilisés pour mesurer les distances à un objet.
Ils sont les plus utilisés dans les véhicules sans pilote, la cartographie 3D, les systèmes de contrôle des drones ... Les derniers développements sont des puces monolithiques à base de nitrure de gallium (GaN) et occupent une surface sur la planche de moins de quatre millimètres carrés!
Capteurs tactiles
Les plus utilisés aujourd'hui sont les capteurs capacitifs, qui sont utilisés dans une variété d'éléments de commande, déplaçant de là des solutions basées sur la mécanique. Les capteurs capacitifs remplacent aujourd'hui avec succès les boutons. Leur diversité est immense. Il existe des panneaux prêts à l'emploi avec des contrôleurs qui fonctionnent comme l'écran tactile d'un ordinateur portable.
Pour former des éléments sensibles aux doigts - boutons et barres de défilement, éventuellement sur une carte en PCB recouvert de papier d'aluminium, et utiliser des microcircuits spécialisés ou des solutions intégrées intégrées à certains microcontrôleurs pour les entretenir. Le prix de la solution est souvent inférieur à la version mécanique, de sorte que les contrôleurs à bouton tactile TTP223 peuvent être achetés à cinq cents pièce.
Dans les cas où l'étanchéité et les performances anti-vandalisme sont nécessaires, il convient d'envisager l'option d'utiliser des boutons piézo. Comme vous pouvez le deviner, le principe de leur travail est basé sur l'effet piézoélectrique. Un avantage supplémentaire de ce type de boutons est un fonctionnement fiable et à long terme dans une large gamme de températures et d'humidité.
Souvent, des boutons sur les transistors à effet de champ sont intégrés dans le bouton, ainsi que des éléments de protection contre les surcharges par le courant, la tension et une connexion de polarité incorrecte.
Microphones MEMS
Ce sont des produits de petite taille à faible consommation d'énergie. La photo montre un microphone ultra-miniature dans un boîtier 1 x 1 mm avec ses frères "plus âgés". En plus des microphones avec sortie analogique, il y en a des numériques. Ils comprennent un chemin d'amplification du signal analogique et un ADC. Leur application nous permet de simplifier et de réduire le coût de l'adaptation avec le microcontrôleur, de réduire la consommation d'énergie, le niveau de bruit et, dans certains cas, les distorsions non linéaires.
Dans mon projet de dispositif médical universel, un microphone était nécessaire pour percevoir les sons à basse fréquence des organes humains. La plupart des microphones MEMS ont une fréquence de coupure inférieure assez élevée, cependant, après une recherche assez longue, nous avons réussi à trouver une bonne option, bien qu'avec une sortie analogique. Le bébé au nom imprononçable SPW0442HR5H-1 fabriqué par Knowles en taille 3,1 mm x 2,5 mm x 1 mm peut fonctionner dans la plage de 10 Hz à 10 KHz et coûte environ un demi-euro.
Capteurs de pression, d'humidité et de température
Les capteurs de pression, d'humidité et de température ne surprendront personne longtemps. En fonction des tâches à résoudre et du budget du projet, vous pouvez choisir des composants capables de faire des mesures de précision ou à un coût extrêmement faible - un capteur combiné d'humidité et de température chinois peut être trouvé pour un demi-dollar.
Dans un de mes articles, j'ai déjà parlé de l'expérience d'écriture de pilotes pour le capteur combiné de température et de pression HTS221. En conclusion, je veux juste noter une caractéristique qui fait souvent attention trop tard - pour obtenir des valeurs pertinentes pour des paramètres tels que l'humidité et la température, leur installation correcte est nécessaire. Sinon, une situation se produit lorsque vous ne mesurez pas du tout ce qui est requis.
Et bien sûr, si vous devez transférer les résultats de mesure sous forme analogique sur des distances relativement grandes (par exemple, lorsque vous mesurez des températures élevées à l'aide de thermocouples), une attention particulière doit être portée aux lignes de transmission et d'adaptation du signal.
Capteurs spécialisés pour applications médicales
Récemment, les start-ups et les principaux fabricants de composants électroniques travaillant dans ce domaine ont accordé la plus grande attention au développement et à la production de circuits hautement intégrés qui combinent des capteurs et des circuits de traitement de signaux complexes.
Les composants et appareils intégrés pour la télémédecine sont un sujet important et intéressant, mais en raison des limites en place et dans le temps, à la fin de l'article, je ne mentionnerai brièvement qu'un seul de ces capteurs, avec lequel je traite directement en ce moment, pendant le projet de développement d'un appareil médical universel.
Il s'agit d'un microcircuit fabriqué par Maxim Integrated MAX86150, c'est son corps qui est représenté sur l'écran de post-splash tout en conservant les proportions à côté de la pièce. Elle peut mesurer la fréquence cardiaque, le niveau de saturation en oxygène des muscles et, surtout, tirer un électrocardiogramme à canal unique.
À l'intérieur du boîtier, avec une taille de seulement 3,3 x 5,6 x 1,3 mm, il y a un ADC 19 bits, des LED rouges et vertes avec des pilotes intégrés, une photodiode et un canal de traitement des données - nœuds pour la suppression du bruit, suppression de la lumière de la photodiode externe, tampon FIFO, filtres numériques et analogiques. La tension d'alimentation du microcircuit n'est que de 1,8 volts et la consommation électrique des pilotes LED inutilisés est inférieure à 100 microampères en mode actif et environ un microampère en mode veille.
Des fonctions aussi impressionnantes à un prix bien inférieur à 10 $ au détail nous permettent de développer, par exemple, des équipements médicaux de petite taille pour détecter les anomalies cardiaques aux premiers stades de la maladie. Il est possible de créer des appareils extrêmement compacts et entièrement autonomes pour une surveillance à long terme de l'état du patient à la maison et aux moments d'activité physique.
Cette famille de puces s'agrandit constamment, littéralement plusieurs fois par an, ses nouveaux représentants apparaissent. La plupart des principaux fabricants de composants électroniques développent également des développements dans de nombreux domaines dans le domaine de la médecine - des caméras ultra-miniatures aux capteurs intégrés pour ultrasons.
De grandes perspectives dans ce domaine sont ouvertes par l'utilisation conjointe de dispositifs sur la dernière base élémentaire et l'intelligence artificielle pour le diagnostic des maladies. Mais plus à ce sujet la prochaine fois ...