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Aplicações 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.
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Aplicações 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.
Aplicações Embutidas com Sensores • 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.
Aplicações Embutidas com Sensores • Conversão A/D - D/A: • São fases importantes visto que representam o meio de comunicação do microcontrolador com o “meio externo”; • Um erro em uma dessas fases pode comprometer todo sistema; • Como exemplo veremos as características de um conversor A/D feito com um C da série 16C6; • A função do conversor Análogico-Digital do Delta-Sigma é modelada por dois segmentos do circuito: um modulador e um filtro digital.
Aplicações Embutidas com Sensores • O modulador recebe um sinal de entrada que passa pelo diferenciador (somador) junto com um sinal de um conversor (D/A) ; • O sinal diferenciado a seguir passa através de um integrador e finalmente a uma das duas entradas de um comparado; • No comparador o sinal de entrada é comparado a um sinal padrão (VREF) e tem sua saída enviada de volta ao diferenciador através do (D/A) de 1-bit e ao filtro digital. • A saída do comparador passa através de um filtro digital que, após certo tempo, fornece como resultado da conversão um vetor de bits.
Aplicações Embutidas com Sensores • Nesta conversão, um dos objetivos é ter a menor taxa de erro possível, ou ao menos, uma taxa que possa ser tratada pelo conversor; • Os erros ocorrem devido às aproximaçõese ao fato de termos de descartar os valores fora de um intervalo determinado. • Sua lógica é descrita abaixo:
Aplicações Embutidas com Sensores • Tomando os gráficos abaixo vemos o gráfico ‘A’ apresenta uma maior taxa de erro em comparação ao gráfico ‘B’ devido a uma menor taxa de amostras por segundo; A B • A distância ‘h’ é conhecida como erro de quantização e, quanto maior for esse erro, maior será a inexatidão do sistema. h
Aplicações Embutidas com Sensores • Lei de Controle: • Normalmente alguma equação ou conjunto de operações sobre o vetor de entrada e o sinal de referência com o intuito de retornar um valor mensurável ao atuador; • É parte da rotina que fica embutida no microcontrolador, sendo responsável por ativar sinais críticos internos ao microcontrolador, bem como dar outros dispositivos interrompam o C; • Sua definição depende do conhecimento das características do material envolvido. • Ex.: Em sensores de velocidade é utilizado o efeito Doppler para determinar a velocidade de um corpo:
Aplicações Embutidas com Sensores • Sensores de temperatura: • Analógicos: • Saída de voltagem é função da temperatura; • Faz uso de termistores e sensores de silício; • Termistor é um resistor semicondutor sensível à temperatura cuja resistência aumenta rapidamente quando uma determinada temperatura é ultrapassada. • Alguns tipos de termistores são CECC 44000, IEC 738-1 e DIN 44080; • Possuem o mais variado uso: proteção de instrumentos eletrônicos, proteção de sistemas telefônicos, prevenção de erros em circuitos digitais, reguladores de temperatura, etc.
Aplicações Embutidas com Sensores • A saída destes dispositivos é direcionada para um comparador ou um conversor A/D onde os dados da temperatura são convertidos em um formato digital (vetor de bits). • Apesar de ser necessário o uso de dispositivos adicionais, os termistores e os sensores de temperatura de silício continuam a ser populares,devido ao baixo custo.
Aplicações Embutidas com Sensores • Sensores Analog-Plus: • Geram uma saída lógica derivada da temperatura medida em uma única linha; • O sinal enviado é uma onda quadrada cujo período é proporcional a temperatura medida em Kelvin; • Alguns destes sensores permitem que o valor inicial da temperatura seja ajustado com um resistor; • É possível que seja usado vários desse sensores (“em paralelo”) para diferentes mensurações e / ou verificação de diferentes locais;
Aplicações Embutidas com Sensores • Sensores de Pressão: • No esquema, um gel de fluor-silicone isola o fundo e os fios do meio externo, permitindo que a variação de pressão seja transmitida para o diafragma, que dentro de si possui um cristal (Quartzo ou a Turmalina). • A transmissão de sinal é baseada no efeito piezo-elétrico, isto é, a capacidade que alguns cristais possuem de variar a sua condutividade de acordo com a variação de pressão. A voltagem gerada é proporcional ao grau de compressão.
Aplicações Embutidas com Sensores • O sinal, após a conversão (A/D) envia ao C uma onda quadrada que é tratada a partir da equação ao lado para medir a pressão real. • Um exemplo desse dispositivo é a série MPXS 4100A, usado para a regulagem do fluído para braços hidráulicos, caçambas, etc.
Aplicações Embutidas com Sensores • Sistema Remoto de detecção múltipla • Sistema de controle de pressão, umidade e aceleração
Aplicações Embutidas com Sensores • 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.
Aplicações Embutidas com Sensores • Diagrama estrutural e fotografia do sensor capacitivo da umidade. • Resposta medida do sensor capacitivo da umidade em diversas temperaturas.
Aplicações Embutidas com Sensores • Diagrama estrutural de um acelerômetro de torção capacitivo central.
Aplicações Embutidas com Sensores Exemplo de uso: Aviões de médio porte.
Aplicações Embutidas com Sensores • 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
