aplicações embutidas com sensores basicamente, é um sistema de dados amostrados: tipicamente...

Aplicações Embutidas com SensoresAplicações Embutidas com Sensores

Basicamente, é um sistema de dados amostrados: tipicamente amostra e digitaliza periodicamente as leituras analógicas do sensor e realiza o cálculo em cada período.

Uma grande parte das aplicações embutidas com sensores são para sistemas de tempo real (STR), interagindo diretamente com dispositivos elétricos especializados e indiretamente com dispositivos mecânicos.

A programação dos microcontroladores dos dispositivos normalmente exige o conhecimento das propriedades elétricas e temporais dos dispositivos.


Na figura, temos um controle de laço fechado. A “planta” pode ser uma máquina, um avião, um paciente, um freio, etc.

O controlador digital estima o estado atual da planta a partir das leituras dos sensores e calcula uma saída de controle, baseada na diferença entre o estado atual e o estado desejado (“entrada de referência”).

A saída ativa os atuadores, de forma que a devida ação seja tomada. As saídas digitais são convertidas em uma forma analógica para

ativar os atuadores.


Conversão A/D - D/A:Conversão A/D - D/A:• São fases importantes visto que representam o meio de São fases importantes visto que representam o meio de

comunicação do microcontrolador com o “meio externo”;comunicação do microcontrolador com o “meio externo”;• Um erro em uma dessas fases pode comprometer todo sistema;Um erro em uma dessas fases pode comprometer todo sistema;• Como exemplo veremos as características de um conversor A/D Como exemplo veremos as características de um conversor A/D

feito com um feito com um C da série 16C6;C da série 16C6;

• A função do conversor Análogico-Digital do Delta-Sigma é A função do conversor Análogico-Digital do Delta-Sigma é modelada por dois segmentos do circuito: um modulador e um modelada por dois segmentos do circuito: um modulador e um filtro digital.filtro digital.


• O modulador recebe um sinal de entrada que passa pelo diferenciador O modulador recebe um sinal de entrada que passa pelo diferenciador (somador) junto com um sinal de um conversor (D/A) ;(somador) junto com um sinal de um conversor (D/A) ;

• O sinal diferenciado a seguir passa através de um integrador e finalmente a O sinal diferenciado a seguir passa através de um integrador e finalmente a uma das duas entradas de um comparado;uma das duas entradas de um comparado;

• No comparador o sinal de entrada é comparado a um sinal padrão (VNo comparador o sinal de entrada é comparado a um sinal padrão (VREFREF) e tem ) e tem

sua saída enviada de volta ao diferenciador através do (D/A) de 1-bit e ao filtro sua saída enviada de volta ao diferenciador através do (D/A) de 1-bit e ao filtro digital.digital.

• A saída do comparador passa através de um filtro digital que, após certo A saída do comparador passa através de um filtro digital que, após certo tempo, fornece como resultado da conversão um vetor de bits. tempo, fornece como resultado da conversão um vetor de bits.


• Nesta conversão, um dos objetivos é ter a menor taxa de erro Nesta conversão, um dos objetivos é ter a menor taxa de erro possível, ou ao menos, uma taxa que possa ser tratada pelo possível, ou ao menos, uma taxa que possa ser tratada pelo conversor;conversor;

• Os erros ocorrem devido às aproximaçõesOs erros ocorrem devido às aproximaçõese ao fato de termos de descartar os valores fora de um intervalo e ao fato de termos de descartar os valores fora de um intervalo determinado.determinado.

• Sua lógica é descrita abaixo:Sua lógica é descrita abaixo:


• Tomando os gráficos abaixo vemos o gráfico ‘A’ apresenta Tomando os gráficos abaixo vemos o gráfico ‘A’ apresenta uma maior taxa de erro em comparação ao gráfico ‘B’ devido a uma maior taxa de erro em comparação ao gráfico ‘B’ devido a uma menor taxa de amostras por segundo;uma menor taxa de amostras por segundo;

AA

BB• A distância ‘h’ é conhecida como erro de quantização e, A distância ‘h’ é conhecida como erro de quantização e,

quanto maior for esse erro, maior será a inexatidão do sistema.quanto maior for esse erro, maior será a inexatidão do sistema.

h


Lei de Controle:Lei de Controle:• Normalmente alguma equação ou conjunto de operações sobre o Normalmente alguma equação ou conjunto de operações sobre o

vetor de entrada e o sinal de referência com o intuito de retornar vetor de entrada e o sinal de referência com o intuito de retornar um valor mensurável ao atuador;um valor mensurável ao atuador;

• É parte da rotina que fica embutida no microcontrolador, sendo É parte da rotina que fica embutida no microcontrolador, sendo responsável por ativar sinais críticos internos ao responsável por ativar sinais críticos internos ao microcontrolador, bem como dar outros dispositivos microcontrolador, bem como dar outros dispositivos interrompam o interrompam o C;C;

• Sua definição depende do conhecimento das características do Sua definição depende do conhecimento das características do material envolvido.material envolvido.

Ex.: Em sensores de velocidade é utilizado o efeito Doppler para Ex.: Em sensores de velocidade é utilizado o efeito Doppler para determinar a velocidade de um corpo:determinar a velocidade de um corpo:

luz da e velocidad-

movimento do direção a esensor o entre ângulo -

0.1GHz)(35.5 emitida Frequência -

corpo do Velocidade -

elevada Frequência -

, cos2 00

c

F

V

F

c

FVF

e

e


Sensores de temperatura:Sensores de temperatura:• Analógicos:Analógicos:

Saída de voltagem é função da temperatura;Saída de voltagem é função da temperatura; Faz uso de termistores e sensores de silício;Faz uso de termistores e sensores de silício; Termistor é um resistor semicondutor sensível Termistor é um resistor semicondutor sensível

à temperatura cuja resistência aumenta à temperatura cuja resistência aumenta rapidamente quando uma determinada rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada.temperatura é ultrapassada.

Alguns tipos de termistores são CECC 44000, Alguns tipos de termistores são CECC 44000, IEC 738-1 e DIN 44080IEC 738-1 e DIN 44080;

Possuem o mais variado uso: proteção de Possuem o mais variado uso: proteção de instrumentos eletrônicos, proteção de instrumentos eletrônicos, proteção de sistemas telefônicos, prevenção de erros em sistemas telefônicos, prevenção de erros em circuitos digitais, reguladores de temperatura, circuitos digitais, reguladores de temperatura, etcetc.


• A saída destes dispositivos é A saída destes dispositivos é direcionada para um comparador ou um direcionada para um comparador ou um conversor A/D onde os dados da conversor A/D onde os dados da temperatura são convertidos em um temperatura são convertidos em um formato digital (vetor de bits).formato digital (vetor de bits).

• Apesar de ser necessário o uso de Apesar de ser necessário o uso de dispositivos adicionais, os termistores e dispositivos adicionais, os termistores e os sensores de temperatura de silício os sensores de temperatura de silício continuam a ser populares,devido ao continuam a ser populares,devido ao baixo custo.baixo custo.


• Sensores Analog-Plus:Sensores Analog-Plus: Geram uma saída lógica derivada da temperatura medida em uma Geram uma saída lógica derivada da temperatura medida em uma

única linha;única linha; O sinal enviado é uma onda quadrada cujo período é proporcional a O sinal enviado é uma onda quadrada cujo período é proporcional a

temperatura medida em Kelvin;temperatura medida em Kelvin; Alguns destes sensores permitem que o valor inicial da temperatura Alguns destes sensores permitem que o valor inicial da temperatura

seja ajustado com um resistor;seja ajustado com um resistor; É possível que seja usado vários desse sensores (“em paralelo”) É possível que seja usado vários desse sensores (“em paralelo”)

para diferentes mensurações e / ou verificação de diferentes locais;para diferentes mensurações e / ou verificação de diferentes locais;


Sensores de Pressão:Sensores de Pressão:• No esquema, um gel de fluor-No esquema, um gel de fluor-

silicone isola o fundo e os fios do silicone isola o fundo e os fios do meio externo, permitindo que a meio externo, permitindo que a variação de pressão seja variação de pressão seja transmitida para o diafragma, que transmitida para o diafragma, que dentro de si possui um cristal dentro de si possui um cristal (Quartzo ou a Turmalina).(Quartzo ou a Turmalina).

• A transmissão de sinal é baseada A transmissão de sinal é baseada no efeito piezo-elétrico, isto é, a no efeito piezo-elétrico, isto é, a capacidade que alguns cristais capacidade que alguns cristais possuem de variar a sua possuem de variar a sua condutividade de acordo com a condutividade de acordo com a variação de pressão. A voltagem variação de pressão. A voltagem gerada é proporcional ao grau de gerada é proporcional ao grau de compressão.compressão.


• O sinal, após a conversão O sinal, após a conversão (A/D) envia ao (A/D) envia ao C uma onda C uma onda quadrada que é tratada a quadrada que é tratada a partir da equação ao lado partir da equação ao lado para medir a pressão real.para medir a pressão real.

• Um exemplo desse Um exemplo desse dispositivo é a série MPXS dispositivo é a série MPXS 4100A, usado para a 4100A, usado para a regulagem do fluído para regulagem do fluído para braços hidráulicos, braços hidráulicos, caçambas, etc.caçambas, etc.


Sistema Remoto de detecção múltiplaSistema Remoto de detecção múltipla• Sistema de controle de pressão, umidade e aceleração Sistema de controle de pressão, umidade e aceleração


• Um transdutor de pressão barométrica capacitivo. • Ao lado temos uma fotografia da disposição completa de cinco transdutores com um capacitor interno da referência (centro inferior)• Abaixo um close de um único elemento.


Diagrama estrutural e Diagrama estrutural e fotografia do sensor fotografia do sensor capacitivo da umidade. capacitivo da umidade.

Resposta medida do Resposta medida do sensor capacitivo da sensor capacitivo da umidade em diversas umidade em diversas temperaturas. temperaturas.


Diagrama estrutural de um acelerômetro de torção capacitivo central. Diagrama estrutural de um acelerômetro de torção capacitivo central.


Exemplo de uso: Aviões de médio porte.


Fontes:Fontes:• Liu, J.W.S. Real-Time Systems. Prentice-Hall, 2000.• http://www.maxim-ic.com/appnotes.cfm/appnote-number/649• Texas intruments• www.voltts.com.br• Tecway Serviços Técnicos e Comércio Ltda.• SWISSERV Comércio e Serviços Ltda.• IMF eletrônica• National Instruments (www.ni.com/devzone)• www.howstuffworks.com/bytes.htm. • www.maxin-ic.com• Sensor do Brasil

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