Датчики современных мобильных устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное АВТОНОМНОЕ образовательное учреждение Высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Датчики современных мобильных устройств (планшет, смартфон). Типы датчиков, конструктивное исполнение, принцип действия, чувствительность и диапазон измерений»

Автор:

Сизякин С. Л.

Руководитель:

Земляков В. В.

Ростов-на-Дону 2014



Аннотация

Курсовая работа содержит 28 страниц машинописного текста, 16 рисунков, 18 таблиц.

В работе исследованы такие датчики, как сенсорный экран, датчик приближения и освещенности, акселерометр, гироскоп, микрофон.

Приведены блок-схемы модулей систем, основные принципы работы и таблицы с характеристиками датчиков.



Содержание

Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения

1.2 Датчики смартфонов

Глава 2. Конструктивное исполнение, принцип действия исследуемых датчиков

2.1 Сенсорный экран

2.2 Датчик приближения и датчик освещенности

2.3 Акселерометр

2.4 Гироскоп

2.5 Микрофон (MEMS)

Глава 3. Чувствительность, диапазон измерений и иные характеристики исследуемых датчиков

3.1 Сенсорные экраны

3.2 Датчики приближения и освещенности

3.3 Акселерометры (MEMS)

3.4 Гироскопы (MEMS)

3.5 Микрофоны (MEMS)

Заключение



Глава 1. Теоретическая часть

1.1 Общие сведения

Современный человек просто не представляет свою жизнь без мобильного телефона. Уже давно смартфоны являются не только средством связи, но и позволяют нам быстро и доступно получать необходимую информацию. Люди привыкли обращаться в интернет за различными советами, за ответами на интересующие вопросы. Со смартфоном это можно сделать в любое время в любом месте. Свежие новости, почта, социальные сети, погода и курсы валют - и еще много нужной и не очень информации можно получить, если вы являетесь обладателем «умного телефона». Уже 10 лет назад в мобильные телефоны стали встраивать фото, видеокамеры и МР3-плееры. С каждым годом качество этих функций улучшалось. И сейчас, если у вас есть смартфон, вам не нужен ни фотоаппарат, ни плеер, ни даже телевизор. Все удовольствия сосредоточены в одном устройстве. Можно смотреть фильмы, слушать аудиокниги или читать популярные сейчас электронные книги. Все это можно делать в любое свободное время: на работе -- в обеденный перерыв, в транспорте -- по дороге домой, да и в любой момент времени.

Использование мобильного интернета и смартфонов позволяет многим компаниям быть более продуктивными, принимать быстрые решения и контролировать бизнес-процессы. Стремительными темпами развивается электронная коммерция. Крупные интернет магазины имеют свои сайты и приложения, которые информируют клиентов об акциях, скидках, поступающих новинках. Это облегчает фирмам процесс работы, а пользователям поиск необходимых товаров. Также смартфоны положительно влияют на производство: благодаря мобильным технологиям не только улучшается безопасность, но и происходит экономия средств и быстрое решение возникающих проблем.

Несмотря на скромные размеры, современные смартфоны -- очень сложные устройства с мощными многоядерными процессорами, камерами с автофокусом и оптической стабилизацией, экранами большого разрешения с высокими значениями PPI (PPI (произносится как пи-пи-ай) -- сокращение для англ. pixels per inch -- пикселей на дюйм, применяется для указания разрешающей способности при вводе или выводе графики.). Кроме того, любой смартфон оснащён различными датчиками, которые делают использование устройства более удобным, либо расширяют его возможности.

1.2 Датчики смартфонов

Типы. Первый датчик, который является самым наглядным и заметным - сенсорный экран. Устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Следующий датчик, который стали широко применять в смартфонах это акселерометр, который раньше также часто называли G-сенсором. Этот датчик служит для измерения ускорения устройства по трём осям. Очевидно, что ускорение есть только тогда, когда устройство перемещается или поворачивается в пространстве, поэтому положение неподвижного смартфона акселерометр определить не может.

Чтобы нивелировать этот недостаток акселерометра, совместно с ним в подавляющем большинстве современных устройств, в том числе самых бюджетных, применяется гироскоп. В отличие от акселерометра, гироскоп может определять положение в пространстве (угол наклона по трём осям) даже неподвижного аппарата. Погрешность откалиброванного гироскопа в современных смартфонах, как правило, не превышает 1-2 градусов

Практически каждый современный смартфон также не обходится без датчика приближения. Сенсор представляет собой инфракрасный излучатель с приёмником, спрятанный под фронтальным стеклом устройства. Он может определять наличие предмета перед собой на расстоянии около пяти сантиметров. Благодаря этому датчику достаточно поднести смартфон к уху во время звонка и дисплей отключится автоматически (равно как и включится, если убрать устройство), нет необходимости пользоваться для этого кнопкой включения.

Многие смартфоны, за исключением бюджетных моделей, оснащают датчиками освещённости. Главное назначение этого сенсора есть определение уровня внешней освещённости и регулировка яркости подсветки дисплея в соответствии с ним, что позволяет экономить заряд аккумулятора. Так же во время разговора датчик освещенности позволяет отключать дисплей.

И кроме того, наиболее распространенным датчиком в смартфонах является микрофон. Этот сенсор позволяет улавливать голос человека и интерпретировать его в аналоговый сигнал с последующей цифровой обработкой.



Глава 2. Конструктивное исполнение, принцип действия исследуемых датчиков

2.1 Сенсорный экран

В современных мобильных устройствах -- смартфонах, коммуникаторах, плеерах -- используются сенсорные экраны двух типов: резистивные и ёмкостные. При этом более 90% всех сенсорных дисплеев сегодня относятся к резистивному типу, хотя уже явно наметилась тенденция к увеличению доли ёмкостных экранов. Резистивные экраны чувствительны к нажатию, а ёмкостные -- к касанию. Эта разница обусловлена конструкцией дисплеев, и приучить, например, ёмкостной экран к распознаванию нажатий карандашом невозможно в принципе.

Резистивные сенсорные экраны

Данная технология получила наибольшее распространение среди мобильных устройств, что объясняется простотой технологии и низкой себестоимостью производства. Резистивный экран представляет собой LCD дисплей (англ. liquid crystal display - жидкокристаллический дисплей), на который наложены две прозрачные пластины, разделенные слоем диэлектрика. Верхняя пластина -- гибкая, так как на нее нажимает пользователь, нижняя -- жестко закреплена на экране. На обращенные друг к другу поверхности нанесены проводники. Традиционная резистивная технология основана на изменении электрического сопротивления двух проводящих плёнок при прикосновении к одной из них, так как они при этом начинают контактировать друг с другом. В резистивном экране в таком случае происходит замыкание двух абстрактных электрических цепей на обоих плёнках - микроконтроллер измеряет напряжение на выходе одной из этой двух цепей и сравнивает их с записанными в программу значениями, определяя тем самым координаты текущего прикосновения к экрану

Общий принцип работы резистивного сенсора. Микроконтроллер подает напряжение последовательно на электроды верхней и нижней пластины. При нажатии на экран, гибкий слой прогибается, и его внутренняя проводящая поверхность касается нижнего проводящего слоя, изменяя тем самым сопротивление всей системы. Изменение сопротивления фиксируется микроконтроллером и таким образом определяются координаты точки касания.

Четырёхпроводной экран. Конструкция и принцип действия четырёхпроводного резистивного сенсорного экрана.

1. На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.

2. Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Рис.1. Устройство 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Пятипроводной экран. Конструкция и принцип действия пяти -проводного резистивного сенсорного экрана.

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В. Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

1. На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.

2. Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Рис.2. Устройство 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Достоинства и недостатки резистивного сенсора. К достоинствам можно отнести простоту и малую стоимость, неплохую чувствительность, а также возможность нажимать на экран как пальцем, так и любым предметом. Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096Ч4096 пикселей. Из недостатков необходимо отметить плохое светопропускание (приходится использовать более яркую подсветку -- не более 85% для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), плохая поддержка множественных нажатий (мультитач), не могут определять силу нажатия, а так же довольно быстрый механический износ -- не более 35 млн. нажатий в одну точку (однако в сравнении со временем жизни смартфона этот недостаток не так уж важен, так как обычно быстрее сам аппарат выйдет из строя прежде сенсорного экрана), недостаточная вандалоустойчивость (плёнку легко разрезать).

Ёмкостной сенсорный экран.

Обычный ёмкостный сенсор. Построен на изменении другой физической величины - не сопротивления, а ёмкости. Человеческое тело обладает определённой электрической ёмкостью, и при контактировании с экраном эта ёмкость дополнительно подключается к системе сенсорной панели. Поскольку напряжение обратно пропорционально заряду, то в месте увеличения значения напряжения и происходит касание. Эта зависимость используется в определении координат прикосновения в микроконтроллерах ёмкостных экранов. Ёмкостный сенсорный экран в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка. Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший микроконтроллер на основе данных с электродов по углам панели.

Рис.3. Устройство ёмкостного сенсора.

Конструкция и принцип работы ёмкостного экрана. Стеклянная панель покрыта прозрачным резистивным материалом (к примеру, сплав оксида индия и оксида олова). Электроды по углам экрана подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (для всех углов - одинаковое). Если прикоснуться к экрану токопроводящим предметом (например, пальцем) - появляется утечка тока и чем ближе этот предмет к электроду, тем меньше сопротивление экрана, т.е. сила тока - больше. А название «ёмкостный» экран получил из-за того, что переменный ток способен проводить предмет большой ёмкости (например, палец).

Достоинства и недостатки ёмкостного сенсора. К достоинствам можно отнести высокое светопропускание (около 90%), большой ресурс на нажатия (около 200 млн.), просто и удобно работать с «листаниями». К недостатком можно отнести необходимость использовать именно пальцы (без перчаток, причём) либо специальные стилусы. С обычным стилусом ничего не получится. мультитач (определение сенсором нескольких касаний по экрану) невозможен, высокая вероятность случайных нажатий. Особенно часто система распознаёт нажатие как «листание» из-за того, что нажать пальцем в точку и ни на долю миллиметра его не сдвинуть крайне сложно.

Проекционно-ёмкостный сенсор. Конструкция и принцип работы проекционно-ёмкостного сенсора.

Одним из вариантов реализации являются сенсорные панели на основе проекционно-ёмкостной технологии, которые представляют собой две стеклянные пластины, между которыми находится сетка тонких (толщиной 100-250 мкм) электродов с частотой примерно 2-4 линии/мм. Так, у одного из самых распространённых проекционно-ёмкостных экранов Zypos компании Zytronic разрешающая способность составляет 4 линии на 1 мм, благодаря чему достигается точность позиционирования с погрешностью не более 1 мм. В процессе работы управляющий микроконтроллер посылает короткие импульсы по каждому из электродов. При нахождении пальца вблизи сенсорной поверхности возникает эффект, аналогичный подключению конденсатора большой емкости (роль которого в данном случае выполняет тело человека) к расположенным поблизости электродам. Измеряя величину падения напряжения (возникающего вследствие утечки тока через конденсатор), микроконтроллер определяет координаты точки касания

Достоинства и недостатки проекционно-ёмкостного сенсора. В настоящее время существует множество ограничений и препятствий замене проекционно-ёмкостными экранами резистивных. Несмотря на то, что проекционно-ёмкостные экраны обладают намного лучшими функциональными и эксплуатационными (в два раза меньшее время отклика - 5 мс, оптическая прозрачность до 92-93 %, широкий диапазон рабочих температур -40 до +70 єC ) характеристиками, а также высокой надёжностью (сотни миллионов прикосновений к экрану, в то время как у резистивных только до 35 тысяч), они обладают как минимум на порядок большей стоимостью изготовления. Кроме экономически препятствий, существует также невозможность использования на настоящий момент проекционно-ёмкостных экранов в перчатке и сложность алгоритмов определения координат касания в микроконтроллере.

Рис.4. Устройство проекционно-емкостного сенсора.

Рис.5. Мультитач.



2.2 Датчик приближения и датчик освещенности

Датчик приближения. Распознавание приближения по бесконтактной технологии довольно быстро нашло применение в области портативных устройств, питающихся автономно. Функция активно используется в последних моделях смартфонов и планшетов, в музыкальных плеерах. Ее основным назначением является повышение надежности устройств и экономия электрической энергии.

Рис.6. Интегрированные датчики приближения и освещенности.

Рис.7.Расположение датчиков под фронтальной крышкой корпуса смартфона.

Дисплей прибора будет находиться в неактивном состоянии до тех пор, пока не будет обнаружено приближение руки пользователя, именно за это и отвечает датчик приближения в телефоне. Когда речь идет об использовании подобной технологии, то тут стоит отметить, что в дежурном режиме потреблением энергии занимается исключительно центральный процессор. А когда бесконтактные датчики определяют приближение ладони или пальца, происходит включение дисплея, на котором отображается текущая информация.

Датчик приближения работает так, что позволяет отключать экран смартфона во время разговора для исключения случайных нажатий на клавиши. Существуют специальные приложения, которые дают возможность блокировать экран, просто проводя над ним рукой. Для его включения потребуется нажать аппаратную клавишу. Датчик состоит из двух инфракрасных излучающих частей и одной приемной между ними. Когда рука движется к передней части экрана, приемный ИК-датчик обнаруживает отражения инфракрасного света. При горизонтально движущейся руке ИК-датчик определяет изменение по времени инфракрасного излучения с правой и левой излучающих частей так, что становится понятным, в какую из сторон производится движение рукой. Производство моделей с пользовательским интерфейсом управления жестами Air Gesture уже началось. Эта же функция реализована в новом флагмане компании Samsung -- Galaxy S4. Кроме датчика приближения, рядом с фронтальной камерой расположен еще один датчик, который используется для распознавания жестов. Он распознает движения руки, принимая инфракрасные лучи, которые отражаются от ладони пользователя, и работает в паре с функцией Air Gesture, предоставляя пользователям возможность принять вызов, сменить музыкальную композицию или прокрутить WEB-страницу вверх или вниз буквально одним взмахом руки.

Конструкция и принцип работы датчика приближения. Как известно, емкость между двумя объектами обратно пропорциональна расстоянию между ними и прямо пропорциональна их геометрическим размерам. Система определения близости объектов состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), блока измерения ёмкости датчика (БЁД) и логической схемы, реагирующей на изменение емкости при приближении объекта. В качестве чувствительного элемента используется провод, печатный проводник на плате или часть корпуса. Датчики приближения могут иметь один или два чувствительных элемента.

Взаимная емкость элементов БЁД увеличивается по мере приближения объекта к датчику за счет увеличения емкостей между ЧЭ и объектом. По изменению БЁД судят о приближении объекта. Вместе с тем емкостные датчики имеют простую конструкцию без намоточных деталей, что делает их удобными и технологичными в изготовлении.

Точность и надежность работы датчиков приближения зависит от точности измерения изменившейся емкости системы. Существует несколько методов измерения емкости, которые основаны на преобразовании изменения емкости в изменение напряжения, тока, частоты или ширины импульсов.

Прямой метод измерения подразумевает заряд конденсатора от источника тока в течение определенного времени и затем -- измерение напряжения на конденсаторе. Этот метод требует наличия прецизионного источника очень маленького тока и входа с высоким импедансом для измерения напряжения.

Второй метод подразумевает использование измеряемой емкости в качестве времязадающей величины в RC-генераторе с последующим измерением постоянной времени, частоты или периода. Этот метод прост, но обычно не обеспечивает высокой точности.

Достоинства и недостатки датчика приближения. К достоинствам можно отнести довольно большая зона обнаружения, высокая степень чувствительности, относительная доступность цены (ведь производство датчиков осуществляется из дешевых компонентов, таких как медь, плёнки оксидов олова, индия и печатной краски), малый размер, температурная стабильность, долговечность. Недостатками данного датчика являются низкая помехоустойчивость и возможность дачи ложного срабатывания при наличии посторонних металлических предметов.

Датчик освещенности. Датчик приближения и освещенности в целях экономии пространства в современных смартфонах интегрированы в едином корпусе. Датчик освещенности служит для определения уровня внешней освещенности. Информацию с данного датчика устройство интерпретирует с помощью специального программного обеспечения и использует для автоматического выставления уровня яркости экрана. Например, когда вокруг темно, яркость уменьшается -- чтобы не раздражать глаза и не тратить зря заряд батареи. А когда, наоборот, очень светло, солнечно, то яркость увеличивается -- чтобы на дисплее можно было разглядеть информацию. Датчики освещенности обычно экономят заряд батареи (яркость снижается, когда вокруг становится темнее и потому, соответственно, уменьшается энергопотребление -- ведь подсветка экрана потребляет много энергии).

В мобильной операционной системе iOS 6 от Apple появилась возможность регулировки автояркости. Ранее датчик освещенности был полностью автоматизированным и регулировал яркость экрана на свое усмотрение. Теперь же пользователь получил возможность контролировать работу этого датчика. Вы можете легко определить уровень яркости, который комфортен для вас, и iOS принимает этот выбор во внимание при расчете уровня яркости для новых условий освещения. Однако для того чтобы датчик корректно функционировал, необходимо произвести небольшую настройку устройства.

Конструкция и принцип работы датчика освещенности. Сенсор включает в своем устройстве фотоэлемент (фоторезистор, фототранзистор), компаратор (для сравнения показателей), микроконтроллер. Принцип работы датчика освещенности прост - при изменении параметров фотоэлемента срабатывает пороговое устройство - компаратор, который подает сигнал на микроконтроллер, который оценивает входные данные, и, в зависимости от данной оценки, координирует освещенность экрана аппарата.

Достоинства и недостатки датчика освещенности. Достоинством является простота исполнения датчика, его малые размеры, высокая чувствительность. Как таковых недостатков в работе датчика нет, они разве что могут проявляться в разных моделях датчиков в зависимости от качества производства. датчик сенсорный акселерометр микрофон

Рис.8. Блок-диаграмма датчика SFH 7776 фирмы OSRAM

Таблица 1. Расшифровка обозначений блока-диаграммы датчика модели SFH 7776 фирмы OSRAM

Наименование	Описание
I2C	встроенная 12-ти битная шина
LED drive	ИК-фотодиод и логика управления
Digital + data-register	цифровой регистр адреса
Analog/amplifer	аналого-цифровой преобразователь
SDA	сигнал времени, подающийся на шину I2C
SCL	сигнал адреса, подающийся на шину I2C
INT	сигнал прерывания
LED_A	анод ИК-фотодиода
LDR	кода, подающийся на LED drive
LED_С	катод ИК-фотодиода
VDD	питание
GND	заземление



2.3 Акселерометр

Конденсаторный акселерометр. Существует несколько видов устройств в зависимости от их архитектуры. Работа акселерометра может основываться на конденсаторном принципе. Подвижная часть такой системы представляет собой обыкновенный грузик, который смещается в зависимости от наклона устройства. По мере его смещения изменяется емкость конденсатора, а именно меняется напряжение. Исходя из этих данных, можно получить смещение грузика, а вместе с тем и искомое ускорение.

Рис.9. Устройство конденсаторного акселерометра модели NG44301A-08 фирмы Sandia Lab.

Рис.10. Схема работы конденсаторного акселерометра.

Пьезоакселерометр. Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры (MEMS - англ. Microelectromechanical systems, Микроэлектромеханические системы) использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках - под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток.

Рис.11. Схема работы пьезоакселерометра.

Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл - и, соответственно, рассчитать искомое ускорение

Блок-диаграмма акселерометра модели LIS352AX фирмы ST Microelectronics.



Таблица 2. Расшифровка обозначений блока-диаграммы датчика модели LIS352AX фирмы ST Microelectronics.

Наименование	Описание
MUX	мультиплексор
DEMUX	демультиплексор
SELF-TEST	инициатор работы датчика
REFERENCE	ссылка
TRIMMING CIRCUIT	схема подстройки
CLOCK	таймер
CHARGE AMPLIFIER	усилитель заряда
S/H	логический блок
Rout	выходное сопротивление
Vout	выходное напряжение
Aux_n	дополнительный вход мультиплексора
S1	селектор мультиплексора

Достоинства и недостатки акселерометров. Достоинствами акселерометров являются малые габариты, умеренная точность определения положения в пространстве, низкое энергопотребление. Недостатком акселерометров является зависимость от движения, ускорения. Датчик не будет работать в недвижимом положении.

2.4 Гироскоп

Гироскоп (в переводе значит «вращение» или «смотреть») -- устройство, имеющее способность измерения изменения углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат. Современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота - конструкция примерно та же, но на выходе другая величина. гироскопы обычно являются твердотельными устройствами и не имеют движущихся частей за исключением сенсорного кольца, которое имеет возможность отклоняться. Оно показывает величину и направление угловой скорости за счет использования эффекта «силы Кориолиса».

Конструкция и принцип работы гироскопа. Во время вращения гироскопа силы Кориолиса действуют на кремниевое кольцо, являясь причиной радиального движения по периметру кольца (Симла Кориолимса -- одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения). По периметру кольца равномерно расположены восемь приводов/преобразователей. При этом есть одна пара приводов «первичного движения» и одна пара первичных снимающих преобразователей, расположенных относительно их главных осей (0° и 90°). Две пары вторичных переключающих преобразователей расположены относительно их вторичных осей (45° и 135°). Приводы первичного движения и первичные переключающие преобразователи действуют вместе в замкнутой системе, чтобы возбуждать и контролировать первичную рабочую амплитуду вибрации и частоты (22 кГц).

Вторичные снимающие преобразователи распознают радиальное движение на вторичных осях, величина которого пропорциональна угловой скорости вращения, благодаря которой гироскоп обретает угловую скорость. Преобразователи производят двухполосный сжатый передающий сигнал, демодулирующийся обратно в полосы, ширина которых контролируется пользователем одним простым внешним конденсатором. Это дает пользователю возможность полностью контролировать производительность системы и делает преобразование абсолютно независимым от постоянного напряжения или низкочастотных параметрических условий электроники.

Рис.12. Схема «колеса» гироскопа.

Рис.13. Гироскоп модели L3G4200D производства фирмы ST Microelectronics (используется в iPhone 4)

Однако встречаются и гироскопы, устройство которых "заточено" именно под вращение. Такие MEMS - одни из красивейших.

Рис.14. «Вращательный» гироскоп.

Рис.15. Блок-диаграмма устройства гироскопа модели LISY300AL фирмы ST Microelectronics.



Таблица 2. Расшифровка обозначений блока-диаграммы гироскопа модели LISY300AL фирмы ST Microelectronics.

Наименование	Описание
TRANS-IMPEDANC AMPLIFIER	усилитель импенланса
AUTOMATIC GAIN CONTROL	микроконтроллер
PHASE GENERATOR	фазовый генератор
REFERENCE	ссылка
TRIMMING CIRCUIT	схема подстройки
CLOCK	таймер
CHARGE AMPLIFIER	усилитель заряда
DEMODULATOR	демодулятор
ACTIVE LOW-PASS FILTER	фильтр нижних частот

Достоинства и недостатки гироскопа. Достоинства. Подобные датчики обладают миниатюрными габаритами (6,5х1,2 мм) при сверхнизком потреблении энергии (12 мВт). Для них характерен широкий диапазон измерения (до 900 градусов/сек), сверхмалый вес 0,08 грамм и высокая стабильность работы.

Гироскопы подобной конструкции можно с успехом применять для измерения скоростей вращения объекта по трем осям в транспортных и персональных навигаторах для определения и сохранения параметров движения и определения местоположения; в системах отслеживания по трассе на сельскохозяйственной технике для стабилизации антенн; в промышленной аппаратуре, робототехнике и других сферах. Использование данных датчиков угловой скорости на летательных аппаратах позволяет на порядок уменьшить габариты, вес, энергопотребление приборов и в результате значительно снизить цену навигационной системы в целом. Надежность и точность в управлении широкого спектра самолетов, вертолетов и других летательных аппаратов при этом увеличивается.

Таким образом, данный вид гироскопов оптимально подходит для использования в ситуации, когда есть ограничения по габаритам, весу и стоимости изделия.

2.5 Микрофон (MEMS)

Еще один тип MEMS-устройств - микроскопические микрофоны. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка - мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками - при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Рис.15. Схема конденсаторного микрофона.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется (продырявить какой-нибудь предмет множеством расположенных в определенном порядке отверстий). Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана - и только она.

Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект, в этом случае под мембраной ставится пьез кристалл. Дальше - как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

Рис.16.Самый миниатюрный MEMS-микрофон компании Akustica (S=1 мм2)

Достоинства и недостатки микрофона. Достоинствами микрофона конденсаторного типа на пьезокристалле являются уникально малые габариты, точность передачи звука, низкое энергопотребление. Простота исполнения практически лишает недостатков данную конструкцию.



Глава 3. Чувствительность, диапазон измерений и иные характеристики исследуемых датчиков

3.1 Сенсорные экраны

Поддерживается с ограничениями, максимум 2 точки касания.

Если нужна только стеклянная панель, без каких-либо прозрачных проводящих плёнок -- условно 95%. Если не нужна даже она (можно применить штатное покрытие экрана) -- условно 100%

Высокая -- до пикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя -- до нескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем). Низкая -- крупными блоками экрана (невозможно рисование, требуются очень крупные элементы интерфейса).

Огран -- аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника, промышленная аппаратура). Помещ -- общий доступ в охраняемом помещении. Улица -- общий доступ на улице.

3.2 Датчики приближения и освещенности

Параметр	GP2AP002A00F
	Значение параметра
Габаритные размеры	5.6 Ч 2.1 Ч 1.2 [H] мм
Максимальная дистанция чувствительности	25 мм
Миниимальная дистанция чувствительности	1,5 мм
Напряжение питания	2.4 В до 3.2 В
Длина волны излучения (инфракрасный излучающий диод)	940 нм
Пиковая длина волны (датчик освещенности)	555 нм
Рабочая температура	-25°C to +85 °C

Таблица 4. Интегрированные датчики освещенности и приближения модели GP2AP002S00F фирмы SHARP

Параметр	MAX44000
	Значение параметра
Габаритные размеры	2мм x 2мм x 0.6мм [H] мм
Максимальная дистанция чувствительности	30 мм
Миниимальная дистанция чувствительности	1 мм
Напряжение питания	1.7 В до 3,6 В
Длина волны излучения (инфракрасный излучающий диод)	1070 нм
Пиковая длина волны (датчик освещенности)	595 нм
Рабочая температура	. -40°C до +105°C

Таблица 5. Интегрированные датчики освещенности и приближения модели MAX44000 фирмы Maxim Integrated

Параметр	SFH7776
	Значение параметра
Габаритные размеры	2,1 мм x 2,5 мм x 0.8 мм [H] мм
Максимальная дистанция чувствительности	27 мм
Миниимальная дистанция чувствительности	1,2 мм
Напряжение питания	2,3 В до 3,6 В
Длина волны излучения (инфракрасный излучающий диод)	950 нм
Пиковая длина волны (датчик освещенности)	560 нм
Рабочая температура	. -40°C до +85°C



Таблица 6. Интегрированные датчики освещенности и приближения модели SFH7776 фирмы OSRAM

Параметр	CM3623
	Значение параметра
Габаритные размеры	2 мм x 2,2 мм x 1 мм [H] мм
Максимальная дистанция чувствительности	23 мм
Миниимальная дистанция чувствительности	1,6 мм
Напряжение питания	2,5 В до 3,6 В
Длина волны излучения (инфракрасный излучающий диод)	940 нм
Пиковая длина волны (датчик освещенности)	550 нм
Рабочая температура	. -40°C до +85°C

3.3 Акселерометры (MEMS)

Таблица 8. Акселерометр модели LIS352AX фирмы ST Microelectronics.

Параметр	LIS352AX
	Значение параметра
Габаритные размеры	3 мм x 0,5 мм x 0,9 мм [H] мм
Чувствительность	0.363 - 5% до 0.363 + 5% В/g
Изменение чувствительности к температуре	±0.01 %/°C
Напряжение питания	2,16 В до 3,6 В
Плотность шума	100 мкg/Гц
Напряжение уровня 0-g	1.25- 3.5% до 1.25+ 3.5% В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C

Таблица 9. Акселерометр модели BMA220 фирмы BOSH.

Параметр	BMA220
	Значение параметра
Габаритные размеры	2 мм x 2 мм x 0,98 мм [H] мм
Чувствительность	0.363 - 5% до 0.363 + 5% В/g
Изменение чувствительности к температуре	±0.01 %/°C
Напряжение питания	1,6 В до 3,6 В
Плотность шума	95 мкg/Гц
Напряжение уровня 0-g	1.25- 3.5% до 1.25+ 3.5% В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C



3.4 Гироскопы (MEMS)

Таблица 11. Гироскоп модели LY503ALH фирмы ST Microelectronics.

Параметр	LY503ALH
	Значение параметра
Габаритные размеры	5 мм x 5 мм x 1,5 мм [H] мм
Чувствительность	0,83 до 0,333 мВ/g°/s
Изменение чувствительности к температуре	±0.05 %/°C
Напряжение питания	2,7 В до 3,6 В
Плотность шума	0.014 °/s/
Напряжение уровня 0-g	1.23 В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C

Таблица 13. Гироскоп модели LPY530AL фирмы ST Microelectronics.

Параметр	LPY530AL
	Значение параметра
Габаритные размеры	5 мм x 5 мм x 1,5 мм [H] мм
Чувствительность	0,83 до 3,33 мВ/g°/s
Изменение чувствительности к температуре	±0.05 %/°C
Напряжение питания	2,7 В до 3,6 В
Плотность шума	0.035 °/s/
Напряжение уровня 0-g	1.23 В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C

3.5 Микрофоны (MEMS)

Таблица 14. Микрофон модели MP45DT02 фирмы ST Microelectronics.

Параметр	MP45DT02
	Значение параметра
Габаритные размеры	4,72 мм x 3,75 мм
Чувствительность	-29 до -23 дБ*В
Изменение чувствительности к температуре	±0.05 %/°C
Напряжение питания	1,64 В до 3,6 В
Рабочая температура	. -30°C до +85°C



Таблица 15. Микрофон модели ADMP401 фирмы Analog Devices.

Параметр	ADMP401
	Значение параметра
Габаритные размеры	4 мм x 3,5 мм
Чувствительность	-45 до -39 дБ*В
Изменение чувствительности к температуре	±0.05 %/°C
Напряжение питания	1,5 В до 3 В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C

Таблица 16. Микрофон модели SMM310 фирмы Infineon.

Параметр	SMM310
	Значение параметра
Габаритные размеры	4,5 мм x 3,5 мм
Чувствительность	-45 до -39 дБ*В
Изменение чувствительности к температуре	±0.05 %/°C
Напряжение питания	1,4 В до 3,3 В
Рабочая температура	. -40°C до +85°C



Заключение

За несколько лет наш мир изменился очень сильно: раньше мы искали ближайший телефон-автомат или квартиру знакомых, чтобы сделать звонок, а теперь достаточно лишь достать маленькое устройство из кармана и выбрать имя вызываемого абонента. Отличие очевидно -- каждый человек теперь «вооружен» высокотехнологичным аппаратом с выходом в Интернет, который совмещает несколько разных устройств в одном корпусе. И если раньше PDA или коммуникатор были дорогими, то сегодня смартфон можно приобрести по небольшой цене.

Сегодня в мире насчитывается 5 миллиардов мобильных телефонов и 1 миллиард смартфонов. Причём цифра постоянно растёт в пользу вторых. даже сама мысль, что телефон сможет заменить фотоаппарат/видеокамеру, была невозможна всего лишь 10 лет назад, а уже в 2011 году мы стали свидетелями «бума камерофонов». Сегодня же Nokia Lumia 1020 с 41 мегапиксельной камрой может запросто обойти недорогую «мыльницу». И это -- далеко не предел.

Множество встроенных датчиков обеспечивают широкие аппаратные возможности смартфонов. Можно узнать свое местоположение, можно производить замер километража при беге, следить за здоровьем, использовать смартфон как игровую консоль -- список применения этим датчикам чрезвычайно большой. Наличие смартфона для человека уже является потребностью, которая удовлетворяет растущие запросы по сбору и обработке данных в нашем информационной эре.

Размещено на Allbest.ru