در این مقاله قصد داریم نگاهی به حسگرهای مختلف استفاده شده در تلفنهای همراه هوشمند بیندازیم. با ما همراه باشید.
در قسمت اول این مقاله،حسگرهای موبایل های همراه هوشمند را به ۳ دسته‌ی حرکتی، محیطی و موقعیتی تقسیم بندی کردیم و با سنسورهای حرکتی یا Motion Sensors آشنا شدیم. امروز قصد داریم که با دسته‌ی دوم این حسگرها یعنی حسگرهای محیطی آشنا شویم.
حسگرهای محیطی، پارامترهای مربوط به محیط اطراف مانند دما، فشار هوا، نور و رطوبت را اندازه‌گیری می‌کنند. سنسورهای دماسنج یا Thermometer، فشار سنج یا Barometer و نور سنج یا Photometer از جمله حسگرهای محیطی هستند.
حسگر فشار سنج، فشار هوای اطراف شما را اندازه‌گیری می‌کند. اطلاعات این حسگر در گزارش وضعیت جوی و بالا بردن دقت اطلاعاتی برنامه‌های آب و هوا و اطلاعات دقیق ارتفاع دستگاه از سطح دریا است که این اطلاعات میتواند به بالا بردن دقت GPS گوشی نیز منجر شود. در واقع فشار هوا، نیرویی است که هوا بر یک واحد از سطح زمین وارد می‌کند که واحد اندازه‌گیری آن میلی‌بار یا هکتوپاسکال است.
در اینجا برد اصلی گوشی آیفون ۷ پلاس را مشاهده می کنید. تراشه‌ی کوچک قرمز رنگ سنسور فشار سنج است.
مدل آن BMP280 و ساخت شرکت Bosch است و دقیقا همان مدل که در آیفون ۶ پلاس استفاده شده است. BMP280 یکی از بهترین فشار سنج های طراحی شده برای موبایل است که دقت بالا در کنار مصرف بسیار پایین را برای دستگاه به ارمغان می‌آورد. محدوده سنجش این فشار سنج بین ۳۰۰ تا ۱۱۰۰ هکتوپاسکال و مصرف آن نیز ۲٫۷۴ میکروآمپر است. در اسکرین شات‌های زیر فعالیت فشار سنج را بر روی گوشی آیفون مشاهده میکنید.
واضح است که فشار هوا تقریبا ۱۰۱۴ هکتو پاسکال و ارتفاع نیز تقریبا ۲۴ پا است. با بالا رفتن عقربه‌ی فشار هوا، باید انتظار هوای خوبی را داشت ولی با پایین آمدن آن هوای بدی را در پیش خواهیم داشت.
حسگر نور همانطور که از نامش مشخص است، نور محیط را تشخیص داده و اندازه گیری می‌کند و نور صفحه‌ی نمایش را طبق نور محیط تنظیم می‌کند. با افزایش نور محیط، مقاومت حسگر کاهش یافته و جریان بیشتری را عبور می‌دهد و نور صفحه به نسبت افزایش می‌یابد و با کاهش نور محیط، حسگر به نسبت و بصورت اتوماتیک نور صفحه را کاهش می دهد. اگر به بالای صفحه نمایش گوشی خود نگاهی بیندازید حتما سنسور نور را تشخیص خواهید داد.
در این اسکرین شات، مشخصات سنسور نور گوشی شیائومی Mi 5 را میبینید.
مدل حسگر CM36686 ALS و ساخت شرکت Capella است. مصرف این سنسور ۰٫۲۶ میلی آمپر و توان اندازه‌گیری آن ۶۵۵۳ لوکس است. لوکس یکای شدت روشنایی قابل درک برای انسان است که به‌صورت شار نوری بر واحد سطح تعریف می‌شود. شدت روشنایی محیط این گوشی Mi5 در لحظه‌ی ثبت تصویر نیز ۷۶ لوکس است که می‌توانید نمودار آن را نیز مشاهده کنید. این اسکرین شات نیز برنامه‌ی Light Meter را نشان می دهد در حال ثبت فعالیت سنسور نور Liteon LTR55X ALSPRX است.
حسگر رطوبت وظیفه بررسی رطوبت محیط اطراف و بعضا دمای محیط و در دسترس قرار دادن این اطلاعات برای برخی بخش‌های دستگاه را دارد. در این عکس سنسور رطوبت و دمای گوشی سامسونگ گلکسی S4 را مشاهده میکنید.
نام این سنسور SHTC1 و ساخت شرکت Sensirion است. این سنسور توانایی تشخیص رطوبت نسبی از کمترین مقدار تا حداکثر میزان رطوبت تعریفی یعنی ۱۰۰٪-۰٪ رطوبت را دارد. همچنین این حسگر توانایی سنجش دمای محیط از –۳۰°C تا ۱۰۰°C را دارد و مصرف آن نیز ۲ میکرو وات است.
این نوع سنسورها معمولا یک محدوده و توان فعالیت معمولی Typical و یک محدوده فعالیت حداکثری Maximum دارند که در شکل زیر توان فعالیت معمولی و حداکثری این سنسور را هم در بحث رطوبت نسبی RH در دمای اتاق و هم در بحث دما مشاهده میکنید.
در این عکس میبینید که این سنسور در گوشی Galaxy S4 با دقت بسیار بالایی دما و رطوبت محیط را تشخیص داده است.
این حسگر وظیفه دارد که اجسام اطراف را شناسایی کند. این کار توسط ایجاد یک میدان الکترومغناطیسی یا یک پرتوی الکترومغناطیسی شبیه مادون قرمز(Infrared) انجام می‌شود و این حسگر تغییرات حاصل در میدان مغناطیسی یا سیگنالهای بازگشتی را دریافت کرده و عکس العمل نشان می‌دهد. شئ شناسایی شده در این پردازش(Thermosensation) را، هدف حسگر(Sensor Target) و حداکثر فاصله‌ی قابل اندازه‌گیری حسگر را دامنه نامی(Nominal Range) می‌گویند. از این حسگرها در اسمارت فون ها، خودروها، توربین‌ها و کمپرسورها و تجهیزات صنعتی و غیر صنعتی مختلف دیگر استفاده می‌شود. در حالت کلی معمولا این سنسورها را به ۳ دسته‌ی خازنی(Capacitive)، القایی(Inductive) و نوری(Photoelectric) تقسیم بندی می‌کنیم. اگر یادتان باشد در معرفی فناوری‌های به‌کار رفته در شیائومی Mi Mix توضیح دادیم که سنسور مجاورت آن از نوع فراصوتی(Ultrasonic) است. در این نوع حسگر مجاورت، صفحه‌ی پیزوالکتریک امواج صوتی با فرکانس بالا را فرستاده و پس از ورود جسم به محیط، سنسور، امواج بازگشتی را دریافت و عکس العمل مناسب اتخاذ می‌شود.
در این شکل یک سنسور مجاورت و نور را مشاهده میکنید.
حسگر، امواج نوری یا مادون قرمز را منتشر می‌کند و این امواج پس از برخورد با شئ به سمت حسگر بازمی‌گردند و سپس در گیرنده به سیگنالهای مناسب بدل شده و اطلاعات به بخش‌های مورد نظر فرستاده می‌شود.
چند هدف ساده‌ی این حسگرها، تشخیص بدن بخصوص سر انسان در شروع تماس‌ها و نزدیک شدن دستگاه به گوش است. بدین صورت که سنسور سر را تشخیص داده و در کسری از ثانیه اطلاعات برگشتی را دریافت و به صفحه نمایش دستور خاموش شدن می‌دهد، در این صورت صفحه نمایش خاموش شده و در حین مکالمه در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌شود. همچنین حالت لمسی صفحه نمایش را قطع کرده تا از هر گونه تماس بدن و صورت با صفحه‌نمایش جلوگیری شود.
سنسورهای مجاورت مبتنی بر مادون قرمز، نقاط ضعف زیادی دارند که از آن‌جمله می‌توان به مصرف بالا، نقاط کوری که سنسور قادر به تشخیص اجسام حاضر در آن نیست، واکنش به کثیف بودن محیط ورودی و خروجی همچنین عملکرد بد این حسگرها در شرایط آب و هوایی مختلف و یا واکنش‌های متفاوت به رنگ‌های متفاوت پوست انسان‌ها یا رنگ‌های مختلف مو اشاره کرد.
سنسورهای مجاورت القایی نقاط ضعف نسل قبل رو پوشانده و عملکردی به مراتب بهتر ارائه می‌دهد. این حسگرها دارای یک نوسان ساز هستند که یک میدان مغناطیسی با فرکانس بالا تولید می‌کند. این حسگرها کم مصرف‌تر و ارزان تر هستند و عملکرد بهتری را ارائه می‌دهند. همچنین سازگاری بیشتری با مقادیر استاندارد SAR و محدوده‌ی تششعاتی برای سر و بدن انسان دارند. محل قرارگیری حسگر مجاورت در تلفنهای همراه هوشمند، معمولا نزدیک اسپیکر تماس و بالای گوشی است. جایی که سنسور بتواند صورت را تشخیص داده ولی محدوده‌ای برای حضور دست انسان حین مکالمه در آن نباشد.
اما اخیرا یک استثنا دیدیم! و آن هم Mi Mix بود! از آن جا که در این محصول سیستم صوتی تماس رایج یعنی اسپیکر حذف شده است و صدا توسط سیستم صوتی پیزوالکتریک منتشر می‌شود، در نتیجه نیازی هم به وجود سنسور مجاورت در بالای بدنه نیست. از طرفی طراحی و صفحه نمایش بدون حاشیه‌ی این محصول اجازه‌ی حضور سنسوری را در بالای صفحه‌ی نمایش، نمی‌دهد. از این رو سنسور مجاورت Mi Mix به پایین صفحه‌ی نمایش منتقل شده و همچنین از نوع فراصوتی است.
در این اسکرین شات مشخصات سنسور مجاورت گوشی Redmi Note 3 Pro را مشاهده میکنید. مدل حسگر LTR55X ALSPRX و ساخت شرکت Liteon است. مصرف حسگر ۰٫۱۵ میلی آمپر و دامنه‌ی نامی آن نیز ۵ سانتی متر است. همچنین واضح است که حسگر هدف خود را در فاصله‌ی ۵ سانتی متری یا بیشتر تشخیص داده است.
در شکل زیر نیز فعالیت حسگر مجاورت را مشاهده میکنید. واضح است که سنسور تا فاصله‌ی ۵ سانتی متری میتواند اجسام را تشخیص دهد و طبق نمودار، جسمی بطور مکرر به حسگر نزدیک و دور شده است.
سنسور دماسنج همانطور که از نام آن مشخص است وظیفه‌ی اندازه گیری دما را دارد. اکثر تلفنهای همراه هوشمند امروزی درون خود دماسنج دارند، اما این سنسور دماسنج که میخواهیم آن را توضیح دهیم با بقیه فرق دارد! معمولا اکثر اسمارت فون‌ها دماسنج‌های داخلی یا خارجی‌ای را به همراه دارند که دمای فعالیت بخش‌های مختلف گوشی را بررسی لحظه ای می‌کند و نتایج را همیشه در اختیار بخش‌های اصلی قرار می‌دهد. بعنوان مثال اگر دمای Cpu و در نتیجه دمای Soc افزایش بی رویه داشته باشد بطوریکه این افزایش باعث به‌وجود آمدن صدمه به سیستم و پردازنده و یا تراشه‌های دیگر شود، گوشی بصورت اتوماتیک خود را خاموش می‌کند و از ادامه‌ی فعالیت جلوگیری به‌عمل می‌آورد.
اما حسگر مورد بحث ما، دمای محیط را اندازه گیری می‌کند. این اطلاعات را می‌توان بصورت لحظه‌ای بر روی برنامه‌های پیش‌فرض یا اپلیکیشن‌های متفرقه مشاهده و استفاده کرد. بالاتر، در بخش سنسورهای رطوبت، حسگر SHTC1 را معرفی کردیم و بیان شد که این سنسور در گوشی سامسونگ Galaxy S4 استفاده شده است. SHTC1 هم رطوبت سنج و هم یک دماسنج است. بهترین مثالی که می توان از این نمونه‌ی این سنسور زد، گوشی سامسونگ Galaxy Note 3 است.
این حسگر Sensirion بطور دقیق دما و رطوبت محیط را بصورت لحظه‌ای گزارش می‌کند که از این اطلاعات می‌توان در دقت بخشی به اطلاعات گزارشی آب و هوای موجود در اسمارت فون‌ها استفاده کرد.
در این تصویر، شکل اصلی و سایز سنسور دما و رطوبت Sensirion SHTC1 را مشاهده میکنید. در برابر یک سکه‌ی پول، سایز این حسگر بسیار کوچک است!
اثرهال توسط دکتر ادوین هال (Edvin Hall) درسال ۱۸۷۹ کشف شد. هال درحال تحقیق بر تئوری جریان الکترون کلوین بود که دریافت زمانی که میدان یک آهنربا عمود بر سطح مستطیل نازکی از جنس طلا قرار گیرد که جریانی از آن عبور می کند، اختلاف پتانسیل الکتریکی در لبه های مخالف آن پدید می آید و این ولتاژ متناسب با جریان عبوری از مدار و چگالی شار مغناطیسی عمود بر مدار است.
حسگر اثر هال، در واکنش به تغییرات میدان مغناطیسی، خروجی ولتاژ نشان می‌دهد. این نوع سنسورها طیف گسترده ای از کاربرد را پوشش می‌دهند و در استفاده و ساخت بسیاری تجهیزات از این نوع حسگرها استفاده می‌شود که می‌توان به حسگرهای تشخیص مکان، کنترل ولتاژ، کارت‌های مغناطیسی، فشارسنج و … اشاره کرد. عملکرد این حسگر در اسمارت‌فون‌ها شبیه عملکرد حسگر مجاورت است. با استفاده از یک میدان مغناطیسی، این حضور و فعالیت اجسام را تشخیص داده و اطلاعات را دریافت و پردازش می‌کنند. به عنوان مثال اگر شما از یک کاور یا فلیپ کاور یا کیف مغناطیسی برای گوشی خود(با فرض دارا بودن سنسور هال)، با بستن درب فلیپ کاور یا جابجایی آهن ربای کاور، صفحه واکنش نشان داده و خاموش و روشن می‌شود.
در این شکل نحوه‌ی فعالیت سنسور هال یک گوشی تاشو را مشاهده میکنید.
با نزدیک شدن میدان مغناطیسی موجود در بالای گوشی به سنسور، اثر هال رخ داده و خروجی ولتاژ بوجود می‌آید، سنسور هال صفحه نمایش و صفحه‌کلید را غیر فعال کرده و با باز شدن گوشی و دور شدن میدان مغناطیسی، صفحه نمایش و صفحه کلید روشن می‌شوند. گوشی‌های سامسونگ Galaxy S5 و شیائومی Redmi Note 3 Pro نمونه‌هایی از اسمارت فون‌هایی هستند که در آن‌ها حسگر هال استفاده شده است.
پایان قسمت دوم
