Sistemas micro de control

Tipos de sistemas de microcontrol

Un sistema de microcontrol controla y regula procesos y funciones con precisión. Existen varios tipos de sistemas de microcontrol, incluidos microcontroladores, sistemas de control, microclimas, microfluídica y microarrays.

• Microcontroladores

  Un microcontrolador es una pequeña computadora en un solo circuito integrado (chip). Los microcontroladores suelen estar integrados en aplicaciones de control y dispositivos de productos para proporcionar control y automatización. Consisten en una unidad central de procesamiento (CPU), memoria (tanto RAM como memoria de solo lectura) y periféricos de entrada/salida. Los microcontroladores interpretan los datos de los sensores, toman decisiones basadas en instrucciones preprogramadas y envían comandos a los actuadores para controlar una aplicación en particular.

• Sistemas de control

  Un sistema de control es un sistema que gestiona y regula el comportamiento de un sistema dinámico. Lo hace mediante retroalimentación para mantener un estado o salida deseado. Los sistemas de control pueden ser de circuito abierto o de circuito cerrado. Un sistema de control de circuito abierto regula y controla el comportamiento de un sistema sin utilizar retroalimentación para determinar la salida real. Los ejemplos de sistemas de control de circuito abierto incluyen controladores de semáforos y lavadoras con tiempo de lavado fijo. Por otro lado, un sistema de control de circuito cerrado utiliza retroalimentación para comparar la salida real del sistema con la salida deseada. Ajusta las entradas de control para minimizar la diferencia (o error) entre las dos cantidades. El control de temperatura en un termostato y el control de velocidad en un automóvil de crucero son ejemplos de sistemas de control de circuito cerrado.

• Microclimas

  Un microclima se refiere a un clima pequeño y localizado que difiere del área circundante. Algunos factores que influyen en los microclimas son la presencia de vegetación, la topografía, la urbanización y las actividades humanas. Los microclimas pueden afectar significativamente la temperatura local, la humedad y otras condiciones climáticas. Como resultado, pueden influir en el crecimiento y la distribución de las especies vegetales y animales. Más importante aún, los microclimas pueden afectar las demandas de energía y el rendimiento de los edificios, lo que puede ser útil para el diseño arquitectónico, la planificación urbana y la gestión ambiental.

• Microfluídica

  La microfluídica es un campo que se ocupa de la manipulación y el control de pequeños volúmenes de fluido, típicamente del orden de microlitros o picolitros, en canales diseñados con dimensiones a escala microscópica. Los canales a escala microscópica a menudo se integran en dispositivos de laboratorio en un chip. Los microcontroladores juegan un papel crucial en la microfluídica, ya que permiten un control preciso del movimiento, la mezcla y el análisis de fluidos dentro de estos sistemas a pequeña escala.

• Microarray

  Un microarray es una tecnología que permite a los científicos estudiar miles de genes a la vez observando las pequeñas manchas en una pequeña superficie sólida. Cada mancha tiene una sonda de ADN diferente que puede adherirse a piezas de genes específicos. Esta tecnología ayuda a los investigadores a descubrir mucho sobre muchos genes al mismo tiempo. Por ejemplo, pueden ver cómo los genes difieren entre las personas, encontrar nuevos genes relacionados con la enfermedad, estudiar cómo los genes trabajan juntos y analizar cómo los genes responden a diferentes medicamentos y situaciones.

Especificaciones y mantenimiento de los sistemas de microcontrol

Las especificaciones de un sistema de control basado en microcontrolador varían según la aplicación y el entorno. Aquí hay un desglose de una especificación general del sistema de microcontrol y sus requisitos de mantenimiento:

• Especificación de la unidad de microcontrolador (MCU):

  Típicamente, la velocidad de reloj del microcontrolador puede variar desde unos pocos megahercios (MHz) hasta varios gigahercios (GHz). Por ejemplo, los microcontroladores de 8/16/32 bits tienen una velocidad de reloj de 1-100 MHz, lo que es suficiente para la mayoría de las aplicaciones de control industrial. Sin embargo, puede ser más alto para tareas avanzadas. El almacenamiento está entre 2 KB y 2 MB, mientras que la unidad de procesamiento está hecha de tecnología de diseño de chip único o incluye diferentes componentes en un chip. Una unidad MCU típica utiliza tecnologías de procesamiento de baja energía como modos de suspensión y partes de apagado para reducir el consumo de energía. La unidad funciona bien en temperaturas altas y bajas, de -40 ℃ a 120 ℃.

• Actuadores y motores:

  El tipo de actuador y motor utilizado en un entorno de sistema de microcontrol determina la velocidad del reloj. Por ejemplo, un motor paso a paso se mueve en varios pasos pequeños, sumando una rotación completa de 200 pasos por revolución. Tiene posibilidades de 200, 400 u 800 pasos por revolución. La clasificación de temperatura para los motores paso a paso es de -20 a 60 grados Celsius. Los servomotores utilizan un conector de tres pines para controlar la posición del vehículo. Su temperatura de trabajo está entre -20 y 60 grados. Los motores de CC tienen opciones con escobillas y sin escobillas con una velocidad nominal de 50,000 RPM para las escobillas y hasta 100,000 RPM para las sin escobillas. Los motores de CC admiten una temperatura de funcionamiento entre -20 y 80 grados C. El mantenimiento de este componente depende del tipo utilizado. Por ejemplo, un usuario puede calibrar la posición y la velocidad, asegurando que el motor/actuador se mueva con precisión. Deben revisar rutinariamente los cables para detectar daños y limpiarlos. Si están dañados, se debe cubrir el conector del cable y reemplazarlo por uno nuevo.

• Sensores:

  Un sistema de control basado en microcontrolador se conecta a sensores digitales o analógicos. Los sensores digitales típicos incluyen ultrasónicos, de temperatura y de proximidad. Los sensores digitales son más precisos, más rápidos y más fáciles de mantener que los analógicos. Cada sensor tiene una especificación de temperatura de funcionamiento que se debe mantener. Por ejemplo, un sensor de humedad dura entre -40 y 120 grados con una capacidad de almacenamiento de 2 a 12 GB. Un sensor ultrasónico tiene una clasificación de temperatura de -20 a 65 grados. Ambos sensores detectan cambios ambientales. El microcontrolador interpreta los datos y toma medidas. Dado que cada sensor puede tener una tecnología diferente (discreta, capacitiva, resistiva, etc.), es importante mantener la comunicación con la MCU ininterrumpida. Se deben realizar verificaciones de rutina para garantizar que el sensor esté leyendo una condición ambiental precisa. Cuando se produce un error de interpretación, los usuarios deben recalibrar el sensor después de su diagnóstico. Si hay un daño físico, como un cable roto o partes corroídas, deben reemplazarse inmediatamente.

Escenarios

Los sistemas de microcontrol tienen diversas aplicaciones en varias industrias y áreas que requieren un control preciso. A continuación, se presentan algunos escenarios de uso para estos sistemas de microcontrol.

• Automóvil

  Los microcontroladores se utilizan en los automóviles modernos para diversas funciones y tareas. Algunos de ellos incluyen la unidad de control del motor (ECU), que controla el motor del automóvil. Otras características incluyen ventanas automáticas, sistemas de seguridad del automóvil, sistemas de frenos antibloqueo, dirección asistida electrónica y control de crucero.

• Electrodomésticos

  Los microcontroladores se implementan en numerosos electrodomésticos. Los ejemplos incluyen lavadoras para controlar los programas de lavado, microcontroladores en hornos de microondas para controlar el tiempo y la potencia, regulación de temperatura y control PID en termostatos inteligentes.

• Dispositivos médicos

  Los microcontroladores son componentes integrales de varios dispositivos médicos. Por ejemplo, se utilizan en bombas de insulina para controlar la administración de fármacos y dispositivos de monitorización de glucosa en sangre para procesar y analizar los niveles de glucosa. Otros dispositivos médicos incluyen marcapasos, dispositivos de imagen como máquinas de resonancia magnética y rayos X, así como dispositivos de cirugía robótica.

• Robótica

  Los microcontroladores juegan un papel crucial en el control de los sistemas robóticos. Se utilizan en brazos robóticos para movimientos y manipulaciones precisos, robots móviles para navegación y evitación de obstáculos, e integración de sensores.

• Telecomunicaciones

  En los sistemas de telecomunicaciones, los microcontroladores se utilizan para la gestión de redes, el enrutamiento y la conmutación. También realizan tareas de procesamiento de señales como codificación, decodificación y modulación/desmodulación. Los microcontroladores facilitan aún más la implementación de protocolos y estándares de telecomunicaciones.

• Electrónica de consumo

  Los microcontroladores se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos de consumo. Los ejemplos incluyen microcontroladores en televisores para el control de la pantalla y el procesamiento de imágenes, cámaras digitales para la captura y el procesamiento de imágenes, y teléfonos inteligentes y relojes inteligentes para diversas funciones como detección y comunicación.

• Automatización industrial

  Los microcontroladores controlan sensores y actuadores en procesos industriales automatizados. También ayudan a interpretar los datos de los sensores y tomar decisiones basadas en criterios predefinidos. Además, los microcontroladores se utilizan para el control de motores en máquinas de fabricación.

• Aeroespacial y defensa

  Los microcontroladores se utilizan en aplicaciones aeroespaciales y de defensa. En el campo aeroespacial, se utilizan en sistemas de satélites para el control de la actitud, la gestión de la carga útil y la comunicación. Los microcontroladores también se aplican en vehículos aéreos no tripulados (UAV) para el control de vuelo, la navegación y la vigilancia. Los sistemas utilizados en el guiado de misiles y los sistemas de aviónica de aeronaves militares también contienen microcontroladores.

Cómo elegir sistemas de microcontrol

Cuando los compradores buscan un sistema de microcontrol, hay varias cosas que deben considerar para asegurarse de que están obteniendo dispositivos que funcionarán de manera adecuada y confiable para sus aplicaciones específicas. Aquí hay algunos factores clave a considerar al elegir un sistema de control basado en microcontrolador:

• Requisitos de la aplicación: En primer lugar, los compradores deben definir claramente los requisitos de la aplicación. Deben considerar cuál es la tarea a la que se aplicará el sistema de control y también deben considerar el entorno en el que funcionará el sistema. Esto incluye cosas como la temperatura de funcionamiento, la humedad, la exposición a productos químicos, etc. Deben tener en cuenta el tiempo que se utilizará el sistema de control y observar las restricciones de espacio disponibles. Al definir claramente la aplicación, los compradores pueden reducir sus opciones solo a aquellos sistemas de microcontrol que son adecuados para su aplicación prevista.
• Potencia de procesamiento y arquitectura: A continuación, los compradores deben considerar la potencia de procesamiento que necesita su aplicación. Pueden comenzar evaluando las tareas de control que ejecutará el sistema. Si la tarea es bastante simple e implica operaciones básicas como la supervisión y la regulación, entonces un sistema de microcontrol con una potencia de procesamiento baja será suficiente. Sin embargo, para aplicaciones exigentes que implican algoritmos complejos o multitarea, se necesitará un microcontrol con mayor potencia de procesamiento. Además, los compradores deben considerar la arquitectura del sistema de control. Es posible que prefieran un sistema de control basado en microcontrolador, pero hay diferentes tipos de microcontroladores disponibles, como controladores de 8 bits, 16 bits y 32 bits. En general, los microcontroladores de 32 bits ofrecen mayor potencia de procesamiento y capacidad de memoria que sus homólogos de 8 y 16 bits. Por lo tanto, si la aplicación lo requiere, los compradores deben optar por un sistema de microcontrol que esté alimentado por un microcontrolador de 32 bits.
• Requisitos de E/S: Los micros de control interactúan con dispositivos y sensores externos a través de puertos de entrada/salida (E/S). Los compradores deben considerar los requisitos específicos de E/S de su aplicación. Más específicamente, deben determinar la cantidad y el tipo de dispositivos de E/S que se conectarán al sistema de control. Deben asegurarse de que el microcontrol seleccionado tenga suficientes puertos de E/S, así como los protocolos de comunicación necesarios para interactuar con todos los periféricos y sensores necesarios.
• Integración del sistema y escalabilidad: Los compradores deben considerar cómo el sistema de microcontrol que desean comprar se integra con los otros componentes de su circuito de control. Esto incluye cosas como interfaces de comunicación, capacidades de red y compatibilidad con sensores. Además, los compradores deben considerar la escalabilidad del sistema de microcontrol. En términos simples, deben asegurarse de que el sistema de control seleccionado se pueda ampliar o actualizar fácilmente en el futuro para satisfacer los requisitos cambiantes o para incorporar nuevas tecnologías.
• Costo y soporte del proveedor: Finalmente, los compradores deben considerar el costo del sistema. Deben buscar un sistema de control basado en microcontrolador que ofrezca un buen equilibrio de rendimiento y funciones a un precio que se ajuste a su presupuesto. Además, los compradores deben investigar la red de soporte y la reputación del proveedor. Elija un proveedor que apoye a los compradores con la documentación, el soporte técnico y las herramientas de desarrollo necesarias para facilitar una implementación exitosa.

P&R

P1: ¿Cuáles son las tendencias actuales en la tecnología de sistemas de control?

R1: Una de las tendencias notables en la tecnología de sistemas de control es el uso creciente de la IA y el aprendizaje automático. Permitir que el sistema aprenda de eventos pasados ​​y mejore la toma de decisiones futuras. Otra tendencia es el movimiento hacia los sistemas de control distribuido (DCS). Esto permite una mayor escalabilidad y flexibilidad. Además, hay un enfoque creciente en la seguridad cibernética para los sistemas de control para protegerse contra ataques maliciosos y violaciones de datos.

P2: ¿Cuál es la diferencia entre un DCS y un sistema de control centralizado tradicional?

R2: Un DCS divide las funciones de control entre múltiples procesadores o controladores distribuidos ubicados en todo el sistema. Un DCS proporciona una mayor escalabilidad, flexibilidad y tolerancia a fallas que los sistemas centralizados que tienen un solo controlador centralizado. Los sistemas de control distribuido también permiten una integración más fácil de sistemas complejos y un mejor manejo de grandes volúmenes de datos.

P3: ¿Cómo juegan los microcontroladores un papel en los sistemas de control?

R3: Los microcontroladores son la columna vertebral de muchos sistemas de control. Ejecutan los algoritmos que rigen los procesos controlados, procesan los datos de entrada de los sensores y envían comandos a los actuadores. Los microcontroladores ofrecen flexibilidad, capacidad de programación y rentabilidad, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones en sistemas de control.