Aplicações Embutidas com Sensores

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1 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.

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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.

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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.

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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.

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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 aproximações e ao fato de termos de descartar os valores fora de um intervalo determinado. Sua lógica é descrita abaixo:

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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

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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:

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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 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.

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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.

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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;

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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.

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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.

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

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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.

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Diagrama estrutural e fotografia do sensor capacitivo da umidade. Resposta medida do sensor capacitivo da umidade em diversas temperaturas.

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Diagrama estrutural de um acelerômetro de torção capacitivo central.      

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Exemplo de uso: Aviões de médio porte.

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Fontes: Liu, J.W.S. Real-Time Systems. Prentice-Hall, 2000. Texas intruments Tecway Serviços Técnicos e Comércio Ltda. SWISSERV Comércio e Serviços Ltda. IMF eletrônica National Instruments ( Sensor do Brasil