Aquele sensor que, à esquerda, eu já toquei nas páginas de Habr, hoje falaremos sobre seus irmãos mais novos.
Quando você pensa em uma nova startup, às vezes parece que no campo dos dispositivos eletrônicos tudo já foi pensado para nós e o alcance da criatividade diminuiu hoje. De fato, isso está longe de ser o caso. Nos últimos anos, mudanças revolucionárias ocorreram no mundo dos componentes eletrônicos, que continuam até hoje. As fichas mostradas no fundo da moeda eram impensáveis há 5 anos, mas durante este ano apenas sua família recebeu várias recargas.
Componentes eletrônicos modernos permitem não apenas criar novos, mas também expandir a funcionalidade de dispositivos existentes há muito tempo. Os dispositivos desenvolvidos com o uso estão se tornando menores, mais baratos, mais funcionais e mais fáceis de usar do que seus antecessores. Mas o principal é que eles são mais fáceis de integrar ao nosso mundo digital, o que significa que eles são bem dimensionados. Essa é uma das principais razões pelas quais as startups de tecnologia estão ganhando popularidade entre os investidores atualmente.
Sobre
microcontroladores modernos e
técnicas que simplificam o processo de "inventar" novos produtos, você pode ler nos meus artigos anteriores. Hoje, chegou a vez dos sensores. É impossível compreender a imensidão, por isso fiz uma breve e puramente subjetiva revisão dos sensores integrados, que, na minha experiência pessoal, podem ser mais úteis, tanto no design de dispositivos completamente novos quanto no curso de modificações, a fim de dar novas qualidades aos dispositivos lançados há muito tempo. distingui-los de vários concorrentes. Dei vantagens àquelas cujas vantagens consegui avaliar em meus projetos.
Tendências gerais
Para funcionar, seu dispositivo deve se comunicar com o mundo exterior, recebendo informações. Uma pessoa usa os sentidos para isso, e um dispositivo sob o controle de um microcontrolador usa sensores. Ao longo dos anos, os sensores estão se tornando menores, mais inteligentes e, mais importante, mais baratos. As interfaces analógicas dão lugar ao digital. Os sensores aprenderam a fazer uma sequência de medições de forma autônoma e a colocá-las em sua própria memória buffer. Eles incorporam pré-processadores para processamento primário e análise dos resultados das medições. O número de registros para definir modos operacionais e processamento de dados às vezes excede cem. A presença de procedimentos de auto-calibração e funções tabulares permite aproximar o resultado de uma dependência linear em uma ampla gama de condições externas (temperatura, umidade, etc.). Os sensores estão cada vez mais usando a tecnologia MEMS (microeletromecânica). Eles aprenderam a conduzir independentemente processos de medição longos e emitir sinais quando os parâmetros ultrapassam a faixa permitida. As tecnologias modernas reduziram o consumo de energia de muitos tipos de sensores a um nível tal que eles podem operar com uma única bateria pequena por anos.
Sensores inerciais
Os mais úteis para expandir a funcionalidade do dispositivo são, sem dúvida, os "sensores inerciais" feitos usando a tecnologia MEMS. Hoje, os sensores de seis eixos contendo um acelerômetro de três eixos e giroscópio são os mais populares. Ao serviço de quem deseja obter ainda mais informações sobre a orientação no espaço de 9 sensores axiais, em
que são adicionados magnetômetro. Os sensores inerciais oferecem grandes oportunidades para melhorar os antigos e criar novos dispositivos devido ao fato de terem centenas de aplicativos que não são muito óbvios à primeira vista.
Entre essa tríade, o acelerômetro certamente desempenha um papel importante. Ao operar em frequências de pesquisa da ordem de várias dezenas de hertz, possui um consumo de corrente excepcionalmente baixo - dezenas de microamperes. Os chips de sensores inerciais modernos incluem pré-processadores de processamento de dados. Eles são capazes de produzir autonomamente processamento primário muito complexo dos dados obtidos, usando filtros analógicos e digitais com parâmetros programáveis. Graças ao buffer de memória FIFO, eles podem acumular os resultados obtidos, analisá-los e enviar um sinal para despertar o microcontrolador somente após atingir as condições de contorno registradas na memória. Como condições de contorno, não apenas as simples, como exceder o nível de aceleração, mas, por exemplo, uma mudança no ritmo da caminhada, podem agir. Sim, sim, com base nas leituras do acelerômetro, os sensores aprenderam a reconhecer independentemente a natureza do movimento e até seus parâmetros individuais. No momento certo, o sensor desperta o microcontrolador e transfere os dados acumulados do buffer FIFO para ele. O microcontrolador realiza uma análise mais séria, se necessário, executa a resposta e entra novamente no sono. Esse algoritmo é mais adequado para MCUs ARM de alto desempenho e baixa potência.
Tendo dimensões de vários milímetros, esses sensores são perfeitamente adequados para aplicações de segurança, sensores de violação, interruptores de energia de dispositivos selados. Com base neles, é conveniente implementar controles sem botão para dispositivos com desempenho antivandalismo e / ou condições operacionais adversas. É possível rastrear a posição relativa de partes do corpo de uma pessoa ou de uma estrutura complexa, determinar a natureza do movimento (distinguir andar de correr ou subir escadas, fixar momentos de imobilidade, virar ou "afastar-se" de um carro etc.), determinar o momento de ocorrência de vibração perigosa do motor ou turbinas, dê um sinal de que a inclinação está fora de alcance e muito mais!
Surpreendentemente, mesmo os sensores de 9 canais não aprenderam realmente como resolver o problema para o qual parece que eles foram originalmente destinados. Eles são capazes de rastrear a trajetória do movimento com precisão aceitável apenas dentro dos limites dos movimentos em curtas distâncias e curtos períodos de tempo. É impossível usá-los para substituir a navegação GPS em ambientes fechados - os erros de medição se acumulam muito rapidamente. Além disso, dependendo do tempo e da temperatura, as leituras do giroscópio “flutuam” e o magnetômetro requer calibração preliminar. Lembra-se desses requisitos irritantes para descrever os oito com o seu telefone para orientação no espaço? É dessa ópera ...
Sensores para medir movimentos e distâncias
Galáxia extremamente grande de dispositivos com diferentes princípios e tamanhos operacionais.
Uma das aplicações mais populares é a definição de pequenos deslocamentos.
A solução ideal para o problema de medição depende do material dos objetos em movimento. Os interruptores Reed são os mais baratos e fáceis de determinar aproximadamente a posição dos objetos magnetizados, mas existem soluções integradas muito mais avançadas baseadas no efeito Hall. Os sensores de indução têm uso muito limitado, mas os sensores capacitivos são usados com muito mais frequência, devido à simplicidade da microminiaturização.
Os sensores baseados em optoacopladores têm suas vantagens: eles são usados por um longo tempo e amplamente. Não vou me debruçar sobre sensores de distância ultrassônicos, que são extremamente populares devido ao seu amplo uso como módulos para o Arduino.
Imerecidamente raro, nos dispositivos desenvolvidos, são usados sensores baseados em “câmeras em miniatura” e lasers. Na minha opinião, é em vão, porque, graças ao amplo uso de manipuladores do tipo mouse, o preço desses dispositivos está em um nível muito baixo.
Como o sensor PAN3101 é baseado em uma câmera com uma resolução de até 800 dpi, você pode comprar mais barato do chinês e meio dólar cada.
Eu mesmo tive que usar o sensor a laser VL6180XV0. Custa cerca de dois dólares e meio e é adequado para medir distâncias de até 10 cm. Tentei substituí-lo por um sensor ultrassônico para aumentar a precisão de determinar a distância no empurrador que ejeta as maços de cigarro, mas para isso eu precisava de um alcance um pouco mais longo. Um estudo minucioso das folhas de dados, nas quais foi possível encontrar uma menção a um recurso mal documentado, a capacidade de alternar o alcance das distâncias medidas, ajudou. Como resultado, consegui aumentá-lo para 30 cm. Infelizmente, isso afetou negativamente a precisão das medições. A perda teve que ser compensada pela introdução da filtragem digital e um algoritmo complexo para determinar a posição, levando em consideração os estados anteriores.
Não posso deixar de dizer algumas palavras sobre lidares - dispositivos de estado sólido baseados em lasers, geralmente contendo um sistema de espelhos móveis usados para medir distâncias de um objeto.
Eles são mais amplamente utilizados em veículos não tripulados, cartografia 3D, sistemas de controle de drones ... Os últimos desenvolvimentos são chips monolíticos baseados em nitreto de gálio (GaN) e ocupam uma área no tabuleiro de menos de quatro milímetros quadrados!
Sensores de toque
Os mais utilizados atualmente são os sensores capacitivos, que são usados em uma variedade de elementos de controle, substituindo soluções baseadas em mecânica. Hoje, os sensores capacitivos substituem com sucesso os botões. A diversidade deles é enorme. Existem painéis prontos com controladores que funcionam como a tela de toque de um laptop.
É possível formar elementos sensíveis ao dedo - botões e barras de rolagem, possivelmente em uma placa feita de PCB revestido com papel alumínio, e usar microcircuitos especializados ou soluções integradas incorporadas em alguns microcontroladores para atendê-los. O preço da solução geralmente é menor do que a versão mecânica, então os controladores de botão de toque TTP223 podem ser comprados a cinco centavos de dólar cada
Nos casos em que o desempenho de estanqueidade e anti-vandalismo é necessário, vale a pena considerar a opção de usar botões piezo. Como você pode imaginar, o princípio do trabalho deles é baseado no efeito piezoelétrico. Uma vantagem adicional desse tipo de botão é a operação confiável e de longo prazo em uma ampla faixa de temperaturas e umidade.
Freqüentemente, botões nos transistores de efeito de campo são integrados ao botão, bem como elementos de proteção contra sobrecarga por conexão de corrente, tensão e polaridade incorreta.
Microfones MEMS
Estes são produtos de tamanho pequeno com baixo consumo de energia. A foto mostra um microfone ultra-miniatura em um estojo de 1 x 1 mm com seus irmãos "mais velhos". Além de microfones com saída analógica, existem digitais. Eles incluem um caminho de amplificação de sinal analógico e um ADC. Sua aplicação nos permite simplificar e reduzir o custo da correspondência com o microcontrolador, reduzir o consumo de energia, o nível de ruído e, em alguns casos, distorções não lineares.
No meu projeto de um dispositivo médico universal, era necessário um microfone capaz de perceber sons de baixa frequência de órgãos humanos. A maioria dos microfones MEMS possui uma frequência de corte mais baixa, porém, após uma longa pesquisa, conseguimos encontrar uma boa opção, embora com uma saída analógica. O bebê com o nome impronunciável SPW0442HR5H-1 fabricado pela Knowles no tamanho 3,1 mm x 2,5 mm x 1 mm pode trabalhar na faixa de 10 Hz a 10 KHz e custa cerca de meio euro.
Sensores de pressão, umidade e temperatura
Sensores de pressão, umidade e temperatura não surpreenderão ninguém por muito tempo. Dependendo das tarefas que estão sendo resolvidas e do orçamento do projeto, você pode escolher componentes capazes de fazer medições de precisão ou com um custo extremamente baixo - um sensor combinado de umidade e temperatura chinês pode ser encontrado por meio dólar.
Em um dos meus artigos, eu já falei sobre a experiência de escrever drivers para o sensor combinado de temperatura e pressão HTS221. Concluindo, quero apenas observar um recurso que muitas vezes recebe atenção tarde demais - para obter valores relevantes para parâmetros como umidade e temperatura, é necessária a instalação correta deles. Caso contrário, uma situação surgirá quando você não estiver medindo o que é necessário.
E, é claro, se você precisar transferir os resultados da medição em forma analógica por distâncias relativamente grandes (por exemplo, ao medir altas temperaturas usando termopares), atenção especial deve ser dada às linhas de transmissão e de correspondência de sinal.
Sensores especializados para aplicações médicas
Recentemente, tanto as start-ups quanto os principais fabricantes de componentes eletrônicos que trabalham neste campo prestaram atenção mais direta ao desenvolvimento e produção de circuitos altamente integrados que combinam sensores e circuitos complexos de processamento de sinais.
Componentes e dispositivos integrados para telemedicina são um tópico grande e interessante, mas, devido às limitações no local e no tempo, no final do artigo, mencionarei brevemente apenas um sensor com o qual estou lidando diretamente agora, durante o projeto para desenvolver um dispositivo médico universal.
Este é um microcircuito fabricado pela Maxim Integrated MAX86150, é o seu corpo que é retratado na tela inicial do post, mantendo as proporções próximas à moeda. Ela pode medir a freqüência cardíaca, o nível de saturação de oxigênio dos músculos e, o mais importante, disparar um eletrocardiograma de canal único.
Dentro do gabinete, com um tamanho de apenas 3,3 x 5,6 x 1,3 mm, há um LED ADC de 19 bits, vermelho e verde com drivers embutidos, um fotodiodo e um canal de processamento de dados - nós para supressão de ruído, remoção da luz externa do fotodiodo, buffer FIFO, filtros digitais e analógicos. A tensão de alimentação do microcircuito é de apenas 1,8 volts e o consumo de energia dos drivers de LED não utilizados é inferior a 100 microamp no modo ativo e cerca de um microampere no modo de suspensão.
Essas funções impressionantes a um preço bem abaixo de US $ 10 no varejo nos permitem desenvolver, por exemplo, equipamentos médicos de pequeno porte para detectar anormalidades cardíacas nos estágios iniciais da doença. É possível criar dispositivos totalmente autônomos extremamente compactos para monitoramento a longo prazo da condição do paciente em casa e em momentos de esforço físico.
Esta família de chips está em constante expansão, literalmente várias vezes ao ano, seus novos representantes aparecem. A maioria dos principais fabricantes de componentes eletrônicos também está desenvolvendo desenvolvimentos em muitas áreas no campo da medicina - desde câmeras ultra-miniatura até sensores integrados para ultra-som.
Grandes perspectivas nessa área são abertas pelo uso conjunto de dispositivos na mais recente base elementar e inteligência artificial para o diagnóstico de doenças. Mas mais sobre isso da próxima vez ...