Sensores e Microprocessadores

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INTRODUÇÃO
O nível de desenvolvimento industrial de uma sociedade pode ser avaliado, pela aplicação destinada aos sensores e microprocessadores, sendo estes instrumentos de medição, detecção, registo e controle, das mais diversas variáveis presentes nos processos fabris em todo o globo.
A demanda por esses dispositivos é crescente ao passo do consumismo, permitindo o aumento da produtividade, controle da qualidade e monitoria adequada, assim ao longo do tempo vêm se sofisticando em grande velocidade para acompanhar as novas necessidades surgidas a cada dia. São basicamente incorporados por circuitos eletrônicos integrados, possuindo uma imensa gama de variações de conectividade, podendo assumir diversas aplicações.
SENSORES E MICROPROCESSADORES
Nas plantas automatizadas os sensores e microprocessadores são elementos muito importantes. Na nossa vida cotidiana, estão presentes em várias situações, ainda que muitas vezes não nos damos conta. Vamos analisar, por exemplo, o funcionamento de um termômetro. Ele indica a temperatura do nosso corpo através do mercúrio, uma substância que se expande com o aumento da temperatura. Então, podemos dizer que o mercúrio é o sensor da temperatura do corpo. Quando subimos numa balança analógica e observamos nosso peso, por exemplo, estamos diante de um processo que faz uso de um sensor. A balança indica nosso peso ou massa porque uma mola sofre uma deformação mecânica proporcional a ele. 
O sensor percebe (ou "sente") uma determinada grandeza física/química e a transmite para um indicador (termômetro, ponteiro da balança, etc.) e, em muitos casos, também para um controlador (microprocessadores). Na transmissão de uma grandeza física/química há uma transformação de sinal. A deformação da mola pelo peso transforma-se no acionamento do ponteiro da balança, por exemplo. 
Sensor é, então, um dispositivo capaz de monitorar a variação de uma grandeza física e transmitir esta informação a um sistema em que a indicação seja inteligível para nós ou para o elemento de controle do sistema. No caso do automóvel, por exemplo, o elemento que controla o sistema é o motorista; 
Já o microprocessador, geralmente chamado apenas de processador, é um circuito integrado que realiza as funções de cálculo e tomada de decisão. A história do uso comercial deste material começou nos anos 50, mas foi por volta dos anos 70 que se solidificou como o primeiro microprocessador da história, o Intel 4004 de 4 bits. A partir deste momento os microprocessadores foram evoluindo, sendo cada vez mais miniaturizados, adicionando mais funcionalidades e aumentando sua capacidade de cálculo bruto, atingindo assim sua situação atual, onde em cada microprocessador podemos encontrar vários núcleos de execução, diversas linhas de execução (inclusive mais de um por núcleo) e adicionando cada dia mais funcionalidades.
SENSOR
Literalmente, podemos definir a palavra sensor como “aquilo que sente”. Na eletrônica, um sensor é conhecido como qualquer componente ou circuito eletrônico que permita a análise de uma determinada condição do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotação de um motor ou a distância de um carro até algum obstáculo próximo ou até mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a detecção de partículas subatômicas e radiações cósmicas.
Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor é um componente que transforma um tipo de energia em outro. Um motor, por exemplo, é um tipo de transdutor, pois converte energia química ou elétrica em energia mecânica. Porém, um sensor pode ser definido como um transdutor específico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia elétrica, utilizada para a leitura de alguma condição ou característica do ambiente.
O desenvolvimento de sensores e a sua aplicação trouxe como consequência inúmeras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a eficiência no funcionamento de um motor ou de uma linha de produção, realizar uma pesquisa científica com maior precisão e em menor tempo, até o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de batê-lo ou de ter a segurança de que qualquer tentativa de furto de sua casa poderá ser frustrada, tais são as vantagens oferecidas pelo uso de sensores.
Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrônicos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores analógicos e sensores digitais. Essa divisão é feita de acordo com a forma a qual o componente responde à variação da condição.
Sensores Analógicos
Os sensores analógicos são os dispositivos mais comuns. Tais sensores são assim designados pois baseiam-se em sinais analógicos. Sinais analógicos são aqueles que, mesmo limitados entre dois valores de tensão, podem assumir infinitos valores intermediários. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada nível da condição medida, haverá um nível de tensão correspondente. Algumas grandezas físicas que podem assumir valores ao longo do tempo são: pressão, temperatura, velocidade, luminosidade. Essas variáveis são mensuradas por elementos sensíveis com circuitos eletrónicos não digitais.
Sensores digitais
Os sensores digitais baseiam-se em níveis de tensão bem definidos. Tais níveis de tensão podem ser descritos como Alto (High) ou Baixo (Low), ou simplesmente “1” e “0”. Ou seja, esses sensores utilizam lógica binária, que é a base do funcionamento dos sistemas digitais. Ao contrário de um sensor analógico, onde os valores possíveis são teoricamente infinitos, um sensor digital poderá apenas alternar entre certos estados bem definidos, não sendo possível haver um valor intermediário entre eles. Não existem naturalmente grandezas físicas que assumam esses valores, mas eles são assim mostrados ao sistema de controle após serem convertidos pelo circuito eletrónico do transdutor. É utilizado por exemplo em detecção de passagem de objetos, encoders na determinação da distância ou velocidade, etc.
Características importantes
Há uma serie de características relacionadas aos sensores que devem ser levadas em consideração na hora da selecção do instrumento mais indicado para uma dada aplicação.
Tipos de Saída
Estes estados são traduzidos em sinais elétricos para que os sensores possam ser
ligados à porta de dispositivos. As saídas mais comuns destes sensores são:
Digital ou Binária
A saída do dispositivo é discreta, ou seja, só assume valores “0” ou “1” lógicos (saída on/off). Esse tipo de saída só é capaz de determinar se uma grandeza física atingiu um valor predeterminado. A figura a seguir ilustra a saída de um sensor digital de acordo com a variação da entrada ao logo do tempo:
Analógica
O transdutor possui uma saída contínua. Buscam-se sensores que possuam sua saída analógica próxima a uma réplica da variação da grandeza física. Como ilustrado abaixo:
Sensibilidade 
Sensibilidade (ou ganho) é a razão entre o sinal de saída e de entrada para um dado sensor ou transdutor. No caso do sensor analógico, a sensibilidade esta ligada entre á relação entre uma variação na grandeza em questão e a variação na medida fornecida pelo instrumento, ou seja, um sensor muito sensível é aquele que fornece uma variação na saída para uma pequena variação da grandeza medida.
Linearidade
Esse conceito se aplica a sensores analógicos. É a curva de saída do sensor, a partir da grandeza medida. Buscam-se respostas proporcionais às entradas, para facilitar a montagem do circuito de interface, porém nem sempre isso é possível, pois alguns tipos de sensores não são lineares.
A figura abaixo mostra a diferença entre um sensor linear e um não-linear:
Exatidão
Consiste no erro de medida realizado por transdutor em relação a um medidor padrão. 
Exatidão é a aptidão de um instrumento de medição para dar respostas próximas a um valor verdadeiro.Precisão
É a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor medido por um transdutor. Existem autores e principalmente fabricantes que se referem a essa característica como sendo o erro relativo máximo que dispositivo pode apresentar.
Vale lembrar que todo sensor possui um erro de leitura que pode ser maior ou menor conforme o tipo de grandeza medida, as condições de operação do sensor, estado de conservação e a sua qualidade. 
Alcance (Range)
Representa toda a faixa de valores de entrada de um sensor.
Velocidade de Resposta
Trata-se da velocidade com que o sensor fornece o valor da variável. O ideal é que o sensor possua uma resposta instantânea, pois uma resposta lenta pode prejudicar muito a eficiência do sistema de controle.
Estabilidade 
Está relacionada com a flutuação da saída do sensor. Se a flutuação for muito alta, ou seja, se o sensor possui uma baixa estabilidade, a actuação do controlador que utiliza esse sinal pode ser prejudicada.
Tipos de Sensores 
Os sensores podem ser classificados segundo o tipo de sinal que transformam. Assim, para estudar sensores é necessário começar pelos tipos de sinais.
	Figura
	Estímulo
	Sinal
	
	Acústico 
	Onda (Amplitude, fase, polarização), espectro, velocidade de onda.
	
	Eléctrico
	Carregamento, corrente, tensão, permissividade e condutividade
	
	Magnético
	Campo magnético, fluxo magnético e permeabilidade
	
	Óptico 
	Onda (Amplitude, fase, polarização), velocidade de onda, índice de refração, emissividade, absorção, relfetividade
	
	Térmico
	Temperatura, fluxo, calor específico, condutividade térmica
	
	Mecânico
	Posição (linear, angular), aceleração, força, massa, densidade, momento, torque, orientação
MICROCONTROLADORES
Tudo começou quando o homem começou a contar as coisas. Quanto mais coisas eram acumuladas, mais difícil era o controle das quantidades. 
Quando começou o comércio, ou seja, a troca de bens e mercadorias, o controle do dinheiro tornou-se um problema a ser resolvido. Avançando no tempo, surgiram as calculadoras, para facilitar a vida do homem, cometendo-se menos erros. 
Embora as primeiras gerações de computadores tivessem obtido grande sucesso nas décadas de 50 e 60, apresentavam alguns inconvenientes: o tamanho e a velocidade. Um impacto tecnológico viria a reduzir as dimensões dos computadores ao mesmo tempo em que os tornariam mais rápidos: o surgimento dos microprocessadores. 
O microprocessador é um dispositivo lógico programável em um único chip de silício, concebido sob a tecnologia VLSI (circuito integrado em alta escala). Ele age sob o controle de um programa armazenado em memória, executando operações aritméticas, lógica booleana, tomada de decisão, além de entrada e saída, permitindo a comunicação com outros dispositivos periféricos. 
Um microprocessador é um circuito integrado (“chip”) capaz de executar instruções, tendo com sua principal parte a Unidade Central de Processamento (CPU). Com o avanço tecnológico na área da microeletrônica, outras características vêm sendo incorporadas ao longo das últimas décadas aos microprocessadores, como unidades de gerenciamento de memória, memória cache, coprocessador numérico, etc, tornando-os cada vez mais complexos.
Origem 
As calculadoras até então eram mecânicas e limitadas a cálculos como adição e subtração. A primeira tentativa de construir uma Calculadora electrónica foi o que hoje é chamado de computador ENIAC, feito de válvulas eletrônicas e do tamanho de um prédio de 4 andares. Consumia uma energia enorme e só era ligado à noite por causa deste consumo elevado. Os bairros ao redor do prédio tinham problemas com a tensão elétrica baixa em virtude do ENIAC. 
Criado na Segunda Guerra Mundial para calcular trajetórias balísticas, o conceito de arquitetura do ENIAC é até hoje aplicado nos modernos microprocessadores. John Von Neumann foi o criador deste conceito. Os semicondutores avançaram e surgiu a idéia de fabricar circuitos inteiros integrados em um único encapsulamento. Surgiram os Cis (Circuitos Integrados).
Financiada pelos japoneses, uma jovem empresa formada por engenheiros vindos da Fairchild foi contratada para produzir em grande escala CIs para calculadoras. Seu nome era INTEL, de INTegrated ELectronics.
A origem dos microprocessadores é datada em 1971, quando a Intel Corporation lançou no mercado o microprocessador 4004, denominado originalmente como “calculadora em um único chip”, podendo ser considerado como o primeiro processador de propósito geral. Possuía em torno de 3.000 transistores e logo surgiram aplicações para ele. A partir desta nova tecnologia surgiriam as calculadoras mais modernas, os computadores pessoais (PC), as “workstations”, e atualmente os microprocessadores vêm derrubando a última fronteira na área dos computadores: os “mainframes”.
Aplicações de Microprocessadores
No nosso dia-a-dia nos deparamos com inúmeras aplicações de microprocessadores, sendo que na maioria das vezes de forma desapercebida. Pode-se citar, apenas a título de exemplo: o relógio digital/despertador, calculadoras, alarmes anti-furto de residências e automóveis, o controle de injeção de combustível em automóveis, os eletrodomésticos como microondas e máquinas de lavar-louças, videocassetes, etc. Também não podemos deixar de mencionar os microcomputadores, hoje presentes não só no ambiente de trabalho (escritórios e linhas de produção), mas também em muitas residências.
Evolução Dos Microprocessadores
Existem diversos fabricantes de microprocessadores que foram surgindo desde o lançamento pioneiro da Intel, como a Motorola, a Zilog e a Texas Instruments, entre outros. A Intel, após o lançamento do microprocessador 4004, concebeu outros microprocessadores, e alguns deles foram utilizados na implementação dos primeiros PCs, tornando-se referência de mercado. Os principais microprocessadores lançados no mercado pela Intel são.
4004 (1971): primeiro microprocessador de 4 bits, contendo 45 instruções e 4 Kbytes de capacidade de endereçamento de memória. Foi utilizado em aplicações simples, como calculadoras, os primeiros vídeo games e pequenos sistemas de controle.
8080 (1973): primeiro dos microprocessadores modernos de 8 bits. A partir dele outros fabricantes começaram a lançar seus microprocessadores de 4 e 8 bits, alavancando um grande avanço tecnológico nesta área. Ele é capaz de endereçar 64 Kbytes de memória, possui mais instruções do que o anterior e ainda utiliza um clock cerca de 10 vezes mais rápido que o 8008. Além disso, possui a vantagem de ser compatível com a família TTL, facilitando o seu interfaceamento com outros componentes.
80186 (1982): evolução do 8086, sendo compatível a nível de software com o seu antecessor. Possui recursos adicionais, como gerador de clock interno, controlador de interrupção programável, temporizadores, unidade programável de ADM (acesso direto à memória) e unidade de seleção de dispositivos de memória e E/S.
80286 (1983): versão avançada do 8086, ainda em 16 bits, tendo sido projetado para permitir aplicações de multi-usuários e multitarefas. Pode endereçar até 16 Mbytes de memória física e 1 Gbytes de memória virtual.
Funcionamento de um Microprocessador
O microcontrolador (microprocessador) é uma máquina electrônica capaz de buscar e executar instruções de programas alocados em memória.
Após a energização de um microcontrolador, é gerado um sinal de reset que zera o Program Counter, ou seja, posiciona o Contador de Programa no endereço inicial.
O programa é executado a partir de seu início; O microprocessador irá buscar e executar a instrução que está localizada no endereço de memória definida pelo PC (início do programa).
Para buscar uma instrução na Memória, o microprocessador/microcontrolador gasta um determinado tempo chamado de Ciclo de Busca. Para executar a instrução buscada, gasta outro tempo determinado chamado de Ciclo de Execução
Ciclo de Busca: operação de leitura de uma instrução a partir daposição de memória cujo endereço é definido pelo conteúdo do PC. Nesse ciclo o conteúdo do PC é incrementado de uma, duas ou três unidades. Isso depende do tamanho da instrução; 
Ciclo de Execução: executa a instrução (operações de movimentação de informação, operações aritméticas e lógicas, etc.).
CONCLUSÃO
Apesar de cada microprocessador ter seu próprio desenho interno, todos os microprocessadores compartilham do mesmo conceito básico. O mesmo acontece com os sensores. 
Nos despositivos mais modernos os sensores e microprocessadores são aplicados em circuitos em comum. O Sensor monitora a variação de uma grandeza física e transmitir esta informação a um sistema de control, muida das vezes um microprocessador e ele toma a decisão com base nas instruções fornecida.