Sensores electrónicos para microcontroladores

1. Sensores electrónicos para microcontroladores Taller de Interfaces Electrónicas Centro Multimedia

2. Objetivo Que los alumnos conozcan los diversos elementos electrónicos para el diseño de sensores y sean capaces de implementarlos con microcontroladores.

3. Se abordaran los diferentes parámetros físicos como temperatura, iluminación, sonido, presión y humedad, revisando los dispositivos electrónicos que permiten crear los sensores para medir estos parámetros, se construirán dos de ellos y se comprobara su funcionamiento utilizando un microcontrolador.

4. Sensores • Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. • Los sensores son dispositivos electrónicos con la capacidad de detectar la variación de una magnitud física tales como temperatura, iluminación, movimiento y presión; y de convertir el valor de ésta, en una señal eléctrica ya sea analógica o digital. • Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

5. Los sensores transforman las magnitudes físicas del sistema en señales eléctricas. • Digitales • Analógicos Los actuadores transforman las señales eléctricas en magnitudes físicas.

6. Electrónica Es la rama de la física y de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.

7. Es la rama de la ciencia y tecnología que se encarga del estudio, el control y la aplicación de la producción y el procesamiento de las señales eléctricas a través de los gases, el vacío o de materiales conductores o semiconductores. Hace uso de movimientos controlados de electrones a través de esos diversos medios. De ahí el nombre electrónica.

8. Campo de la física que se refiere al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción o almacenamiento de Información.

9. Microcontrolador Es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las Órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

10. Puede ser que alguien llegue a pensar que un microcontrolador es igual a un microprocesador. Esto no es cierto. La primera y la más importante diferencia es su funcionalidad. Para utilizar al microprocesador en una aplicación real, se debe de conectar con componentes tales como memoria o puertos de entrada y salida además de buses de transmisión de datos.

11. Aunque el microprocesador se considera una máquina de computación poderosa, no está preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le conectan. Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se deben utilizar los circuitos especiales. Así era en su inicio y esta práctica sigue vigente en la actualidad.

12. Al microcontrolador se le diseña de tal manera que tenga todos los componentes integrados en el mismo chip. No necesita de otros componentes especializados para su aplicación, porque todos los circuitos necesarios, que de otra manera correspondan a los periféricos, ya se encuentran incorporados. Así se ahorra tiempo y espacio necesario para construir un dispositivo.

13. Transductor Es aquella parte de una cadena de medición que transforma una magnitud física en una señal eléctrica. Los transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectar magnitudes físicas. Normalmente, estas magnitudes, como por ejemplo temperatura presión, humedad del aire, presión sonora, caudal o luz se convierten en una señal normalizada. Un transductor es un dispositivo que convierte una señal de un tipo de energía en otra.

14. Clasificación de los sensores Activos Según el principio físico de funcionamiento Pasivos Analógicos Según el tipo de señales que generan Digitales Temporales Clasificación de los sensores De medida Según el campo de valores que miden Todo- Nada (On-Off) Discretos Según la forma constructiva Integrados Inteligentes Según el tipo de variable física medida

15. Sensores Pasivos o Autogenerativos Generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo sin la necesidad de una fuente de energía externa. Toman energía del estímulo. Termopares, sensores piezoeléctricos, etc. Sensores activos o modulantes Requieren fuente de energía externa o una señal de excitación para poder funcionar. Termistor, Inductor, etc.

16. Sensores Analógicos Proveen una señal continua tanto en magnitud como en contenido espacial o temporal. Temperatura, desplazamiento, intensidad lumínica, etc. Sensores Digitales La salida toma la forma de escalones o estados discretos. Contacto (switch), encoder, etc.

17. Tipos de señales analógicas: • Variables: Equivalen a la suma de un conjunto de senoides de frecuencia mínima mayor que cero. • Continuas: Aquellas que pueden descomponerse en una suma de senoides cuya frecuencia mínima es cero. Tienen un cierto nivel fijo durante un tiempo indefinido, y representan la información mediante su amplitud. • Consideraciones: • El mundo físico es en general analógico -> La mayoría de sensores proporciona este tipo de señales. • Las señales tienen problemas de ruido, interferencias y distorsión, por lo que es necesario un circuito de acondicionamiento.

18. Sensores Digitales • Sensores que generan señales eléctricas que solo toman un numero finito de niveles entre un máximo y un mínimo. • Formato: • Salida en Paralelo • Salida en Serie Variable física a medir n CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL • Señal Analógica CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO ELEMENTO SENSOR Variable física a medir n 1 Salida serie • Señal Analógica CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO ELEMENTO SENSOR CAD PROCESADOR

19. Sensores Temporales • Sensores que proporcionan a su salida señales eléctricas en las que la información esta asociada al parámetro tiempo. • Consideraciones importantes: • Pocos sensores dan a su salida información en dominio temporal. • La señal analógica proporcionada por el sensor puede convertirse en una señal temporal que lleva la información en la frecuencia mediante un oscilador controlado por tensión. SENSOR TEMPORAL OSCILADOR CONTROLADO POR TENSION Señal analógica Variable física a medir Señal temporal ELEMENTO SENSOR

20. Tipos de señales temporales: • Señales temporales senoidales: • Reciben el nombre de señales moduladas • Se obtienen modificando un parámetro temporal de una señal senoidal generada por un circuito oscilador mediante un circuito electrónico denominado demodulador. • Señales temporales cuadradas: Tienen una amplitud fija y un parámetro variable que puede ser: • Frecuencia o periodo • Relación entre la duración del uno y el cero (On/Off): • Periodo constante • Información contenida en la relación entre el tiempo que se está en cada estado ( Ciclo de trabajo) • Suele decirse que está modulada en anchura de pulso. (PWM) • Duración de un impulso • Número total de impulsos que aparecen a la salida a partir de un determinado instante.

21. Sensor de medida: Proporciona a la salida todos los valores posibles correspondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de un determinado rango. • Sensor todo-nada: Detecta si la magnitud de entrada está por encima o por debajo de un determinado valor. Proporciona a la salida una señal eléctrica que solo puede tomar dos valores. SENSOR TODO-NADA CIRCUITO ELECTRÓNICO DETECTOR DE NIVEL Señal analógica Señal temporal Variable física a medir ELEMENTO SENSOR

22. Según el nivel de integración de los sensores • Sensor discreto: Sensor en el que el circuito de acondicionamiento se realiza mediante componentes electrónicos separados e interconectados entre sí. • Sensor integrado: Elemento sensor y circuito acondicionador (al menos este ultimo) construidos en un único circuito integrado, monolítico o hibrido. • Sensor inteligente: Realiza al menos una de las siguientes funciones • Cálculos numéricos • Comunicación en red ( No una punto a punto) • Autocalibración y autodiagnóstico • Múltiples medidas con identificación del sensor

23. Sensores resistivos Son sensores cuya variable medida modifica el valor de una resistencia Esta variación, la mediremos con una resistencia más a continuación del sensor De esta forma, tenemos un divisor de tensión y mediremos la diferencia producida en el voltaje del sensor

24. Termistores Los termistores son elementos en los cuales se miden las variaciones de la temperatura (ºK) en función del cambio de resistencia que experimentan, se basan en semiconductores. Si su coeficiente térmico es positivo se les llama posistores PTC y si su coeficiente térmico es negativo nuristores NTC el fundamento de estos sensores es la variación de resistencia de los semiconductores al variar el número de portadores (electrones libres o huecos). Para un rango limitado de temperatura (50 ºC) la relación de la resistencia en un NTC con la temperatura se suele considerar exponencial. Están hechos de manganeso, cobalto, níquel y óxidos de cobre. El silicio y germanio se utilizan también en la producción de termistores.

25. Aplicaciones de los termistores • Medición de temperatura por calentamiento externo • Medición de flujos por enfriamiento. En el caso de los NTC la adición de una resistencia en paralelo, permite su utilización como un sensor linealizado. Con una temperatura ambiente constante, para corrientes bajas el comportamiento del termistor es casi lineal. Conforme aumenta la corriente, las consecuencias del autocalentamiento son más apreciables y la tensión crece cada vez más despacio y llega un momento en el que la temperatura alcanza un valor para el que la tensión no solo no crece sino que decrece. En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo a la medida de caudal, nivel, conductividad calorífica, nivel de vacío, etc.

26. Ventajas y desventajas • Posibilidad de ligeros cambios de las características con el paso del tiempo. • Este fenómeno se minimiza en los modelos sometidos a envejecimiento artificial. • Intercambiabilidad sólo garantizada para modelos especiales. • Necesidad de reajuste del circuito en caso de sustitución. • Alta sensibilidad y alta resistividad. • Comportamiento no lineal. • Linealizable a costo de perder sensibilidad. • Considerando varios modelos, amplio margen de temperaturas [-100ºC, +450ºC] • Bajo precio.

27. Divisor de tensión

28. NTC tienen una variación proporcional entre 25 y 100 gados centígrados. PTC tienen una variación menos proporcional de resistencia son menos empleadas.

32. Fotorresistencia LDR Las LDR (Light DependentResistors) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiación óptica aporta la energía necesaria para aumentar el número de electrones libres (efecto fotoeléctrico) disminuyendo la resistividad. Se emplea para construir circuitos sensibles a la luz, para encender alumbrado público, para construir barreras luminosas en alarmas o para contar piezas en una cadena de montaje.

33. Su resistencia varía con la luz que incide sobre ellas : Disminuye al recibir más luz y aumenta al recibir menos luz. Las LDR están fabricadas con materiales de estructura cristalina, como el sulfuro de cadmio y el seleniuro de cadmio.  Su valor (en Ohmios) no variara de forma instantánea cuando se pase de estar expuesta a la luz a oscuridad, o viceversa, y el tiempo que dura este proceso no siempre es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro, estos tiempos son cortos, generalmente del orden de una décima de segundo. Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en algunas aplicaciones, concretamente en aquellas que necesitan de mucha exactitud. Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante

34. Ejemplo de arduino con fotorresistencia Conectaremos el divisor de tensión a una entrada analógica de Arduino Fijaremos los umbrales Leeremos con analogRead

39. Potenciómetro  Los potenciómetros son resistencias variables, están formadas por una pista circular o lineal, de material resistivo en cuyos extremos se encuentran dos terminales y por un tercer terminal que recorre la pista anterior. La resistencia entre los extremos de la pista es fija y determinada en el momento de la fabricación, mientras que la resistencia entre uno de los terminales extremos y el terminal central varía según la posición del eje. Estas resistencias se emplean para conseguir divisores de voltaje a voluntad, se emplean para controlar el balance de un aparato de audio, para fijar la temperatura de un termostato, el brillo de una lámpara, etc.

40. En sistemas automáticos se emplean para marcar valores de consigna, para modificar alguna variable del sistema o también como regulador de velocidad de motores. Asimismo se pueden emplear para, asociadas a ejes de giro, y en función del voltaje que dejan pasar, leer ángulos de giro en ellos, como por ejemplo en máquinas que tengan que realizar pequeños movimientos. Debido a que los potenciómetros poseen un ángulo de giro de aproximadamente 270°, no es posible usarlos en mecanismos que deben realizar un giro completo o bien mas de una vuelta sobre su eje.

41. Al variar la posición del eje del potenciómetro, varía la resistencia y puede hacerlo de tres formas diferentes, según los tres tipos de potenciómetros existentes: Lineal: El valor de la resistencia varía linealmente en función del desplazamiento del eje del potenciómetro. Son los más recomendados a la hora de sensar posiciones de mecanismos. Exponencial: La variación de la resistencia respecto al desplazamiento del cursor es exponencial. Logarítmico: El valor de la resistencia varía logarítmicamente al desplazamiento del cursor o eje.

42. Tipos de potenciómetros

47. Magnétoresistor Es un resistor cuya resistencia eléctrica cambia cuando un campo magnético externo es aplicado. Hacen uso del efecto magnétoresistivo. Este efecto fue descubierto en 1856 por William Thomson también conocido como Lord Kelvin. El efecto es notado en materiales ferromagnéticos y depende del campo de fuerza magnético y el angulo entre la dirección de la corriente eléctrica y el campo magnético. Este efecto es también conocido como magnetoresistenciaanisotrópica (AMR).

48. Los magnétoresistores son construidos de largas películas de aleación permanente (permalloy). Para incrementar la sensibilidad de un magnétoresistor de permalloy se cortan barras de aluminio u oro y son colocadas en delgadas películas permallow bajo un ángulo de 45 grados. Esto fuerza a la corriente a fluir en una dirección de 45 grados realtivos a la longitud de la película. Esto es llamado configuración de poste de peluquero. Permalloy, una aleación consiste de 81% de níquel (Ni) y 19% de fierro (Fe) tiene una alta resistencia anisotrópica, así como una baja magnetostricción (cambia de tamaño debido a los campos magnéticos) y por lo tanto es un material preferido para las magnétoresistencias.

49. Anisotropía • Es la propiedad general de la materia según cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc., varían según la dirección en que son examinadas. • En principio toda propiedad física representable mediante una magnitud tensorial es susceptible de presentar un comportamiento anisotrópico. Estas propiedades pueden ser: • - Conductividad (térmica, electrónica, iónica, …) • - Constantes elásticas de un sólido deformable • Cristalización, crecimiento cristalino • Dilatación térmica • - Pleocroísmo • Magnetismo