Sensor yang di sebelah kiri saya sudah menyentuh halaman Habr, jadi hari ini kita akan berbicara tentang adik laki-lakinya.
Ketika Anda memikirkan sebuah startup baru, kadang-kadang tampaknya di bidang perangkat elektronik semuanya sudah dipikirkan oleh kita dan ruang lingkup kreativitas telah menyempit saat ini. Sebenarnya, ini jauh dari kasus. Selama beberapa tahun terakhir, perubahan revolusioner telah terjadi di dunia komponen elektronik, yang berlanjut hingga hari ini. Keripik yang dilukiskan pada latar belakang koin itu tidak terpikirkan 5 tahun yang lalu, tetapi selama tahun ini hanya keluarga mereka yang menerima beberapa pengisian.
Komponen elektronik modern memungkinkan tidak hanya membuat yang baru, tetapi juga memperluas fungsionalitas perangkat yang sudah lama ada. Perangkat yang dikembangkan dengan penggunaannya menjadi lebih kecil, lebih murah, lebih fungsional dan lebih mudah digunakan daripada pendahulunya. Tetapi yang utama adalah mereka lebih mudah diintegrasikan ke dalam dunia digital kita, yang berarti mereka berskala baik. Ini adalah salah satu alasan utama mengapa startup teknologi mendapatkan popularitas dengan investor saat ini.
Tentang
mikrokontroler modern dan
teknik yang menyederhanakan proses "menciptakan" produk baru, Anda dapat membaca di artikel saya sebelumnya. Hari ini, giliran datang ke sensor. Tidak mungkin untuk memahami besarnya, jadi saya membuat tinjauan singkat dan murni subjektif dari sensor terintegrasi, yang, dalam pengalaman pribadi saya, mungkin paling berguna, baik dalam desain perangkat yang sama sekali baru dan dalam perjalanan modifikasi, untuk memberikan kualitas baru pada perangkat yang telah lama dirilis, sehingga membedakan mereka dari sejumlah pesaing. Saya memberi keuntungan kepada mereka yang kelebihannya saya berhasil evaluasi dalam proyek saya.
Tren umum
Agar berfungsi, perangkat Anda harus berkomunikasi dengan dunia luar, menerima informasi. Seseorang menggunakan indra untuk ini, dan perangkat di bawah kendali mikrokontroler menggunakan sensor. Selama bertahun-tahun, sensor menjadi lebih kecil, lebih cerdas, dan yang lebih penting, lebih murah. Antarmuka analog memberi jalan ke digital. Sensor belajar untuk membuat urutan pengukuran secara mandiri dan menempatkannya di memori buffer mereka sendiri. Mereka menggabungkan preprosesor untuk pemrosesan primer dan analisis hasil pengukuran. Jumlah register untuk pengaturan mode operasi dan pemrosesan data terkadang melebihi seratus. Kehadiran prosedur kalibrasi-sendiri dan fungsi-fungsi tabular memungkinkan untuk membawa hasilnya lebih dekat ke ketergantungan linier dalam berbagai kondisi eksternal (suhu, kelembaban, dll.). Sensor semakin menggunakan teknologi MEMS (microelectromechanical). Mereka belajar bagaimana secara mandiri melakukan proses pengukuran yang panjang dan memberikan sinyal ketika parameter melampaui rentang yang diizinkan. Teknologi modern telah mengurangi konsumsi energi dari banyak jenis sensor ke tingkat yang dapat dioperasikan pada baterai kecil tunggal selama bertahun-tahun.
Sensor lembam
Yang paling berguna untuk memperluas fungsionalitas perangkat tidak diragukan lagi adalah "sensor inersia" yang dibuat menggunakan teknologi MEMS. Saat ini, sensor enam sumbu yang mengandung accelerometer tiga sumbu dan giroskop adalah yang paling populer. Untuk mereka yang ingin mendapatkan lebih banyak informasi tentang orientasi dalam ruang 9 sensor aksial, di
yang ditambahkan magnetometer. Sensor lembam memberikan peluang besar untuk memperbaiki perangkat lama dan membuat perangkat baru karena fakta bahwa mereka memiliki ratusan aplikasi yang tidak begitu jelas pada pandangan pertama.
Di antara triad ini, akselerometer tentu memainkan peran utama. Ketika beroperasi pada frekuensi polling dengan urutan beberapa puluh hertz, ia memiliki konsumsi arus yang sangat rendah - puluhan microamps. Chip sensor inersia modern termasuk preprosesor pemrosesan data. Mereka mampu secara mandiri menghasilkan pemrosesan primer yang sangat kompleks dari data yang diperoleh menggunakan filter analog dan digital dengan parameter yang dapat diprogram. Berkat buffer memori FIFO, mereka dapat mengakumulasikan hasil yang diperoleh, menganalisisnya, dan mengirim sinyal untuk membangkitkan mikrokontroler hanya setelah kondisi batas yang direkam dalam memori tercapai. Sebagai kondisi batas, tidak hanya yang sederhana seperti melebihi tingkat akselerasi, tetapi, misalnya, perubahan dalam ritme berjalan, dapat bertindak. Ya, ya, berdasarkan pembacaan accelerometer, sensor belajar untuk mengenali secara independen sifat gerakan dan bahkan parameter individualnya. Pada saat yang tepat, sensor membangunkan mikrokontroler dan mentransfer data yang terakumulasi dari buffer FIFO ke mikrokontroler. Mikrokontroler melakukan analisis yang lebih serius, jika perlu, melakukan respons dan kembali tidur. Algoritma ini paling cocok untuk kinerja tinggi, MCU ARM daya rendah.
Memiliki dimensi beberapa milimeter, sensor seperti itu sangat cocok untuk aplikasi keamanan, sensor kerusakan, sakelar daya perangkat yang disegel. Berdasarkan pada mereka, akan lebih mudah untuk menerapkan kontrol tanpa tombol untuk perangkat dalam kinerja anti-perusak dan / atau kondisi operasi yang keras. Dimungkinkan untuk melacak posisi relatif bagian-bagian tubuh seseorang atau struktur yang kompleks, menentukan sifat gerakan (membedakan berjalan dari berlari atau menaiki tangga, merekam momen imobilitas, memutar atau "menjauh" dari mobil, dll.), Menentukan kapan getaran mesin berbahaya terjadi atau turbin, beri sinyal bahwa lereng berada di luar jangkauan dan banyak lagi!
Anehnya, bahkan 9 saluran sensor belum benar-benar belajar bagaimana menyelesaikan masalah yang kelihatannya awalnya dimaksudkan. Mereka dapat melacak lintasan pergerakan dengan akurasi yang dapat diterima hanya dalam batas pergerakan jarak pendek dan periode waktu singkat. Menggunakannya untuk mengganti navigasi GPS di dalam ruangan tidak mungkin - kesalahan pengukuran terakumulasi terlalu cepat. Selain itu, tergantung pada waktu dan suhu, bacaan gyro "mengambang", dan magnetometer membutuhkan kalibrasi awal. Ingat persyaratan menjengkelkan ini untuk menggambarkan delapan dengan telepon Anda untuk orientasi dalam ruang? Ini dari opera itu ...
Sensor untuk mengukur pergerakan dan jarak
Galaksi perangkat yang sangat besar dengan prinsip dan ukuran operasi yang berbeda.
Salah satu aplikasi yang paling populer adalah definisi perpindahan kecil.
Solusi optimal untuk masalah pengukuran tergantung pada bahan benda yang bergerak. Sakelar buluh adalah yang termurah dan termudah untuk secara kasar menentukan posisi objek bermagnet, tetapi ada banyak solusi terintegrasi yang lebih maju berdasarkan efek Hall. Sensor induksi memiliki penggunaan yang sangat terbatas, tetapi sensor kapasitif lebih sering digunakan, karena kesederhanaan mikrominiaturisasi.
Sensor berbasis optocoupler memiliki kelebihan, digunakan untuk waktu yang lama dan luas. Saya tidak akan memikirkan sensor jarak ultrasonik, yang sangat populer karena penggunaannya yang luas sebagai modul untuk Arduino.
Sangat jarang, dalam perangkat yang dikembangkan, sensor yang didasarkan pada "kamera mini" dan laser digunakan. Menurut pendapat saya, ini sia-sia, karena berkat penggunaan yang luas dalam manipulator tipe mouse, harga perangkat ini berada pada tingkat yang sangat rendah.
Karena sensor PAN3101 didasarkan pada kamera dengan resolusi hingga 800 dpi, Anda dapat membeli lebih murah dari Cina satu setengah dolar masing-masing.
Saya sendiri harus menggunakan sensor laser VL6180XV0. Harganya sekitar dua setengah dolar dan cocok untuk mengukur jarak hingga 10 cm. Saya mencoba menggantinya dengan sensor ultrasonik untuk meningkatkan akurasi menentukan jarak di pusher yang mengeluarkan paket rokok, tetapi untuk ini saya membutuhkan kisaran yang sedikit lebih panjang. Sebuah studi menyeluruh tentang lembar data, di mana dimungkinkan untuk menemukan penyebutan fitur yang tidak terdokumentasi dengan baik, kemampuan untuk mengubah kisaran jarak yang diukur, membantu. Hasilnya, saya bisa meningkatkannya menjadi 30 cm. Sayangnya, ini berdampak negatif pada akurasi pengukuran. Kerugian harus dikompensasi oleh pengenalan penyaringan digital dan algoritma yang kompleks untuk menentukan posisi, dengan mempertimbangkan keadaan sebelumnya.
Saya tidak bisa tidak mengatakan beberapa kata tentang lidar - perangkat solid-state berdasarkan laser, sering mengandung sistem cermin bergerak yang digunakan untuk mengukur jarak ke suatu objek.
Mereka paling banyak digunakan dalam kendaraan tak berawak, kartografi 3D, sistem kendali drone ... Perkembangan terakhir adalah chip monolitik yang didasarkan pada gallium nitride (GaN) dan menempati area di papan kurang dari empat milimeter persegi!
Sensor sentuh
Yang paling banyak digunakan saat ini adalah sensor kapasitif, yang digunakan dalam berbagai elemen kontrol, menggantikan dari sana solusi berdasarkan mekanika. Sensor kapasitif hari ini berhasil menggantikan tombol. Keragaman mereka sangat besar. Ada panel siap pakai dengan pengontrol yang berfungsi seperti layar sentuh laptop.
Untuk membentuk elemen yang peka terhadap jari - tombol dan bilah gulir, mungkin pada papan yang terbuat dari PCB berlapis-foil, dan gunakan sirkuit mikro khusus atau solusi terintegrasi yang dibangun ke dalam beberapa mikrokontroler untuk melayani mereka. Harga solusinya seringkali kurang dari versi mekanis, sehingga pengendali tombol sentuh TTP223 dapat dibeli dengan harga masing-masing lima sen
Dalam kasus-kasus di mana ketat dan kinerja anti-perusak diperlukan, ada baiknya mempertimbangkan opsi menggunakan tombol piezo. Seperti yang Anda duga, prinsip kerja mereka didasarkan pada efek piezoelektrik. Keuntungan tambahan dari jenis tombol ini adalah operasi yang andal dan jangka panjang dalam berbagai suhu dan kelembaban.
Seringkali, tombol pada transistor efek medan diintegrasikan ke dalam tombol, serta elemen perlindungan terhadap kelebihan beban oleh arus, tegangan dan koneksi polaritas yang salah.
Mikrofon MEMS
Ini adalah produk berukuran kecil dengan konsumsi energi yang rendah. Foto menunjukkan mikrofon ultra-miniatur dalam wadah 1 x 1 mm dengan saudara-saudaranya yang "lebih tua". Selain mikrofon dengan output analog, ada yang digital. Mereka termasuk jalur amplifikasi sinyal analog dan ADC. Aplikasi mereka memungkinkan kita untuk menyederhanakan dan mengurangi biaya pencocokan dengan mikrokontroler, untuk mengurangi konsumsi daya, tingkat kebisingan, dan dalam beberapa kasus distorsi non-linear.
Dalam proyek perangkat medis universal saya, diperlukan mikrofon yang dapat menangkap suara frekuensi rendah organ manusia. Kebanyakan mikrofon MEMS memiliki frekuensi cut-off yang lebih tinggi, namun, setelah pencarian yang cukup lama kami berhasil menemukan opsi yang baik, meskipun dengan output analog. Bayi dengan nama yang tidak dapat diucapkan SPW0442HR5H-1 yang dibuat oleh Knowles dalam ukuran 3,1 mm x 2,5 mm x 1 mm dapat bekerja dalam kisaran dari 10 Hz hingga 10 KHz dan biaya sekitar setengah euro.
Sensor tekanan, kelembaban dan suhu
Sensor tekanan, kelembaban dan suhu tidak akan mengejutkan siapa pun untuk waktu yang lama. Tergantung pada tugas yang diselesaikan dan anggaran proyek, Anda dapat memilih komponen yang mampu melakukan pengukuran presisi, atau memiliki biaya yang sangat rendah - kombinasi kelembaban Cina dan sensor suhu dapat ditemukan dengan harga setengah dolar.
Dalam salah satu artikel saya, saya sudah berbicara tentang pengalaman menulis driver untuk sensor suhu dan tekanan gabungan HTS221. Sebagai kesimpulan, saya hanya ingin mencatat satu fitur yang sering kali terlambat diperhatikan - untuk mendapatkan nilai yang relevan untuk parameter seperti kelembaban dan suhu, pemasangan yang benar diperlukan. Kalau tidak, suatu situasi akan muncul ketika Anda mengukur sama sekali apa yang diperlukan.
Dan tentu saja, jika Anda perlu mengirimkan hasil pengukuran dalam bentuk analog pada jarak yang relatif besar (misalnya, ketika mengukur suhu tinggi menggunakan termokopel), perhatian khusus harus diberikan pada saluran transmisi dan pencocokan sinyal.
Sensor khusus untuk aplikasi medis
Baru-baru ini, baik pemula maupun produsen komponen elektronik terkemuka yang bekerja di bidang ini telah memberikan perhatian paling langsung pada pengembangan dan produksi sirkuit yang sangat terintegrasi yang menggabungkan sensor dan sirkuit pemrosesan sinyal yang kompleks.
Komponen dan perangkat terintegrasi untuk telemedicine adalah topik besar dan menarik, tetapi karena keterbatasan tempat dan waktu, di akhir artikel, saya akan menyebutkan secara singkat hanya satu sensor semacam itu, yang secara langsung saya hadapi saat ini, selama proyek untuk mengembangkan perangkat medis universal.
Ini adalah rangkaian mikro yang diproduksi oleh Maxim Integrated MAX86150, tubuhnya yang digambarkan pada layar percikan pos sambil mempertahankan proporsi di sebelah koin. Dia dapat mengukur detak jantung, tingkat saturasi oksigen otot, dan yang paling penting, menembakkan elektrokardiogram saluran tunggal.
Di dalam casing, dengan ukuran hanya 3,3 X 5,6 X 1,3 mm, terdapat ADC 19-bit, LED merah dan hijau dengan driver bawaan, fotodioda, dan saluran pemrosesan data - node untuk peredam suara, penghapusan cahaya fotodioda eksternal, buffer FIFO, filter digital dan analog. Tegangan suplai rangkaian mikro hanya 1,8 volt, dan konsumsi daya untuk driver LED yang tidak digunakan kurang dari 100 microamp dalam mode aktif dan sekitar satu microampere dalam mode tidur.
Fungsi yang mengesankan seperti itu dengan harga jauh lebih rendah dari $ 10 di ritel memungkinkan kita untuk mengembangkan, misalnya, peralatan medis berukuran kecil untuk mendeteksi kelainan jantung pada tahap awal penyakit. Dimungkinkan untuk membuat perangkat otonom penuh yang sangat kompak untuk pemantauan jangka panjang kondisi pasien di rumah dan pada saat-saat aktivitas fisik.
Keluarga keripik ini terus berkembang, beberapa kali dalam setahun, perwakilannya yang baru muncul. Sebagian besar produsen komponen elektronik terkemuka juga mengembangkan perkembangan di banyak bidang di bidang kedokteran - dari kamera ultra-miniatur hingga sensor terintegrasi untuk ultrasound.
Prospek besar di bidang ini dibuka dengan penggunaan bersama perangkat pada basis unsur terbaru dan kecerdasan buatan untuk diagnosis penyakit. Tetapi lebih banyak tentang hal itu lain kali ...