stran 1
Senzorji na dotik se preprosto uporabljajo za zaznavanje, da je predmet vzpostavil stik. Preprosto mikrostikalo lahko služi kot senzor za dotik. Mehanski senzorji napetosti se uporabljajo za merjenje količine sile, ki nastane na točki dotika. Običajno se merilniki napetosti uporabljajo kot senzorji za merjenje sil.
V stružnicah se senzorji na dotik uporabljajo za spremljanje dimenzij obdelovanca, obdelanega dela in rezalnega roba orodja. Problematika diagnostičnih robotov (antropomorfnih in portalnih robotov, vgrajenih v stružnica, in zunanji, ki delujejo v cilindričnem koordinatnem sistemu) so obravnavani v pogl.
Za merjenje obrabe z direktnimi metodami se uporabljajo senzorji na dotik, ki beležijo ali dimenzijsko obrabo ali ob premikanju obrabo po boku. Zasnova senzorja je prikazana na sl. 4.8, a. Ohišje 4 je pritrjeno na premično enoto/stroj. V navitju elektromagneta se ustvari izmenično magnetno polje, ki povzroči nihanje konice. Ko se konica dotakne bloka, so njegove vibracije motene, kar se zabeleži elektronski sistem 8 z ojačevalnikom 7, koordinate pa ustrezajo izmerjeni velikosti. Senzor je zaščiten pred čipi. Uporablja se na CNC strojih in v GPS ne le za merjenje obrabe, ampak tudi za določanje dejanskih koordinat konice rezila orodja za namene avtomatske prilagoditve krmilnih programov.
Načelo delovanja žičnega taktilnega senzorja (senzorja na dotik) je prikazano na sl. 5.26. Robot samodejno uporablja koordinate dveh baznih točk A in B, ki jih določi vklopljen taktilni senzor kotna povezava, po prilagojenem programu poišče zahtevano mesto za začetek varjenja (točka C), če je odstopanje sočelnega spoja od prvotnega položaja posledica njegovega vzporednega premika. Če je premik čelnega spoja iz prvotnega položaja posledica njegovega vzporednega premika z zavojem glede na varilno točko, potem je za prilagoditev robotskega programa pozicioniranja gorilnika na začetno varilno točko potrebno določiti koordinate najmanj treh baznih točk na spojnih elementih s senzorjem.
Ničelne glave so običajno zasnovane na osnovi senzorjev na dotik, od katerih se široko uporabljajo električni, radijski in vibracijski kontaktni senzorji. Te glave, imenovane tudi glave na dotik, so razdeljene v dva razreda: s spremenljivim in fiksnim ničelnim položajem merilne konice.
Razmislimo o značilnostih zgoraj omenjenih naprav, ko jih uporabljamo kot senzor na dotik v posebnih pogojih delavnice za elektrolizo živega srebra.
Zaznavanje prijemal in drugih izvršilnih organov manipulatorja poteka s senzorji sile prijemanja 6 in senzorji dotika 7 med interakcijo PR z zunanjim okoljem.
Varilni del PR vključuje: varilni usmernik; varilni gorilnik; montažni nosilci; mehanizem za podajanje varilne žice; senzor dotika obdelovanca za varjenje; krmilna naprava s senzorjem na dotik; zahtevana količina kabli; jeklenka z inertnim plinom, reduktor z merilnikom pretoka in plinski grelec; cevi in rokavi.
Kapacitivni senzor je ena od vrst brezkontaktnih senzorjev, katerih princip delovanja temelji na spremembi dielektrične konstante medija med dvema kondenzatorskima ploščama. Ena obloga služi senzor za dotik vezja v obliki kovinske plošče ali žice, druga pa je električno prevodna snov, kot je kovina, voda ali človeško telo.
Pri razvoju sistema za samodejni vklop dovoda vode v stranišče za bide je postalo potrebno uporabiti kapacitivni senzor prisotnosti in stikalo z visoka zanesljivost, odpornost na spremembe zunanje temperature, vlažnosti, prahu in napajalne napetosti. Prav tako sem želel odpraviti potrebo, da se oseba dotakne sistemskih kontrol. Predstavljene zahteve so lahko izpolnjene le s senzorskimi vezji na dotik, ki delujejo na principu spreminjanja kapacitivnosti. Pripravljena shema zadovoljivo potrebne zahteve Nisem ga našel, moral sem ga razviti sam.
Rezultat je univerzalni kapacitivni senzor na dotik, ki ne zahteva konfiguracije in se odziva na približevanje električno prevodnih predmetov, vključno z osebo, na razdalji do 5 cm. Obseg uporabe predlaganega senzorja na dotik ni omejen. Uporablja se lahko na primer za vklop razsvetljave, sistemov protivlomni alarm, določanje nivoja vode in v mnogih drugih primerih.
Sheme električnih vezij
Za nadzor dovoda vode v WC bideju sta bila potrebna dva kapacitivna senzorja na dotik. En senzor je bilo treba namestiti neposredno na stranišče, v prisotnosti osebe je moral proizvesti signal logične ničle, v odsotnosti signala logične enote. Drugi kapacitivni senzor naj bi služil kot vodno stikalo in bil v enem od dveh logičnih stanj.
Ko je bila roka približana senzorju, je moral senzor na izhodu spremeniti logično stanje - iz začetnega stanja ena v stanje logične ničle, ob ponovnem dotiku roke pa iz stanja nič v stanje logične ena. In tako naprej do neskončnosti, dokler stikalo na dotik od senzorja prisotnosti prejema signal za omogočanje logične ničle.
Kapacitivno vezje senzorja na dotik
Osnova vezja kapacitivnega senzorja prisotnosti na dotik je glavni pravokotni impulzni generator, izdelan po klasični shemi na dveh logičnih elementih mikrovezja D1.1 in D1.2. Frekvenca generatorja je določena z vrednostmi elementov R1 in C1 in je izbrana okoli 50 kHz. Vrednost frekvence praktično ne vpliva na delovanje kapacitivnega senzorja. Spremenil sem frekvenco iz 20 na 200 kHz in vizualno nisem opazil nobenega vpliva na delovanje naprave.
Iz nožice 4 čipa D1.2 pravokotne oblike preko upora R2 gre na vhode 8, 9 mikrovezja D1.3 in preko spremenljivega upora R3 na vhode 12,13 D1.4. Signal prihaja na vhod mikrovezja D1.3 iz drobiž naklon fronte impulza zaradi nameščen senzor, ki je kos žice ali kovinske plošče. Na vhodu D1.4 se zaradi kondenzatorja C2 fronta spremeni za čas, potreben za ponovno polnjenje. Zahvaljujoč prisotnosti obrezovalnega upora R3 je mogoče nastaviti rob impulza na vhodu D1.4 enak robu impulza na vhodu D1.3.
Če roko ali kovinski predmet približate anteni (senzor na dotik), se bo kapacitivnost na vhodu mikrovezja DD1.3 povečala in sprednji del dohodnega impulza bo časovno zakasnjen glede na sprednji del impulza, ki prihaja na vhodu DD1.4. Da bi "ujeli" to zakasnitev, se obrnjeni impulzi napajajo na čip DD2.1, ki je D flip-flop, ki deluje na naslednji način. Vzdolž pozitivnega roba impulza, ki prihaja na vhod mikrovezja C, se signal, ki je bil v tistem trenutku na vhodu D, prenese na izhod sprožilca. Posledično, če se signal na vhodu D ne spremeni, se vhodni impulzi at vhod za štetje C ne vpliva na nivo izhodnega signala. Ta lastnost sprožilca D je omogočila izdelavo preprostega kapacitivnega senzorja na dotik.
Ko se kapacitivnost antene, zaradi pristopa človeškega telesa k njej, na vhodu DD1.3 poveča, se impulz zakasni in to popravi sprožilec D, spremeni njegovo izhodno stanje. LED HL1 se uporablja za prikaz prisotnosti napajalne napetosti, LED HL2 pa za prikaz bližine senzorja za dotik.
Vezje stikala na dotik
Vezje kapacitivnega senzorja na dotik se lahko uporablja tudi za upravljanje stikala na dotik, vendar z malo spremembo, saj se mora ne samo odzvati na približevanje telesa osebe, ampak tudi ostati v mirnem stanju, ko umaknete roko. Da bi rešili to težavo, smo morali dodati še en D sprožilec, DD2.2, na izhod senzorja za dotik, povezan z delilnikom z dvema vezjema.
Vezje kapacitivnega senzorja je nekoliko spremenjeno. Da bi izključili lažne alarme, ker lahko oseba počasi prinese in odstrani roko, lahko zaradi prisotnosti motenj senzor oddaja več impulzov na štetni vhod D sprožilca, kar krši zahtevani algoritem delovanja stikala. Zato je bila dodana RC veriga elementov R4 in C5, ki je za kratek čas blokirala možnost preklopa D sprožilca.
Sprožilec DD2.2 deluje na enak način kot DD2.1, vendar se signal na vhod D ne dovaja iz drugih elementov, temveč iz inverznega izhoda DD2.2. Kot rezultat, vzdolž pozitivnega roba impulza, ki prihaja na vhod C, se signal na vhodu D spremeni v nasprotno. Na primer, če je bila v začetnem stanju na pin 13 logična ničla, potem se bo z enkratnim dvigom roke na senzor sprožilec preklopil in na pin 13 bo nastavljena logična ničla. Ob naslednji interakciji s senzorjem bo pin 13 spet nastavljen na logično ničlo.
Za blokiranje stikala v odsotnosti osebe na stranišču se logična enota napaja iz senzorja na vhod R (nastavitev ničle na izhodu sprožilca, ne glede na signale na vseh njegovih drugih vhodih). Na izhodu kapacitivnega stikala je nastavljena logična ničla, ki se prek snopa napaja na bazo ključni tranzistor vključevanje elektromagnetni ventil v napajalni in stikalni enoti.
Upor R6 v odsotnosti blokirnega signala kapacitivnega senzorja v primeru njegove okvare ali prekinitve krmilne žice blokira sprožilec na vhodu R in s tem odpravi možnost spontanega dovoda vode v bideju. Kondenzator C6 ščiti vhod R pred motnjami. LED HL3 služi za prikaz dotoka vode v bideju.
Zasnova in podrobnosti kapacitivnih senzorjev na dotik
Ko sem začel razvijati senzorski sistem za dovod vode v bideju, se mi je zdela najtežja naloga razvoj kapacitivnega senzorja zasedenosti. To je bilo posledica številnih omejitev namestitve in delovanja. Nisem želel, da bi bil senzor mehansko povezan s straniščnim pokrovom, saj ga je treba občasno odstraniti za pranje in ne bi motil sanacija samo stranišče. Zato sem kot reakcijski element izbral posodo.
Senzor prisotnosti
Na podlagi zgoraj objavljenega diagrama sem naredil prototip. Deli kapacitivnega senzorja so sestavljeni na tiskanem vezju, plošča je nameščena v plastični škatli in zaprta s pokrovom. Za priključitev antene je v ohišje nameščen enopolni konektor, za napajanje napajalne napetosti in signala pa štiripolni konektor RSh2N. Tiskano vezje je na konektorje povezano s spajkanjem z bakrenimi vodniki v fluoroplastični izolaciji.
Kapacitivni senzor na dotik je sestavljen na dveh mikrovezjih serije KR561, LE5 in TM2. Namesto mikrovezja KR561LE5 lahko uporabite KR561LA7. Primerna so tudi mikrovezja serije 176 in uvoženi analogi. Upori, kondenzatorji in LED bodo ustrezali kateri koli vrsti. Kondenzator C2, za stabilno delovanje kapacitivni senzor pri delovanju v pogojih velikih temperaturnih nihanj okolju je treba vzeti z majhnim TKE.
Senzor je nameščen pod straniščno ploščadjo, na katero je nameščen cisterna na mestu, kamor v primeru puščanja iz rezervoarja voda ne more priti. Telo senzorja je prilepljeno na straniščno školjko z dvostranskim lepilnim trakom.
Senzor antene kapacitivnega senzorja je kos bakra nasedla žica Dolžina 35 cm izolirana s fluoroplastiko, prilepljena s prozornim trakom na zunanjo steno WC školjke centimeter pod ravnino stekel. Senzor je dobro viden na fotografiji.
Če želite prilagoditi občutljivost senzorja na dotik, po namestitvi na stranišče spremenite upor obrezovalnega upora R3, tako da LED HL2 ugasne. Nato položite roko na straniščni pokrov nad mestom senzorja, LED HL2 mora zasvetiti, če roko odstranite, mora ugasniti. Ker človeško stegno po masi več rok, potem bo med delovanjem senzor na dotik po takšni nastavitvi zagotovljeno deloval.
Zasnova in podrobnosti kapacitivnega stikala na dotik
Vezje kapacitivnega stikala na dotik ima več podrobnosti in za njihovo namestitev je bilo potrebno stanovanje večja velikost, in iz estetskih razlogov, videz Ohišje, v katerem je bil senzor prisotnosti, ni bilo preveč primerno za namestitev na vidno mesto. Pozornost je pritegnila stenska vtičnica za priklop telefona rj-11. Bil je prave velikosti in dobro je izgledal. Ko sem iz vtičnice odstranil vse nepotrebno, sem vanjo namestil tiskano vezje za kapacitivno stikalo na dotik.
Za pritrditev tiskanega vezja smo na dno ohišja namestili kratko stojalo in nanj z vijakom privili tiskano vezje z deli stikala na dotik.
Kapacitivni senzor smo izdelali tako, da smo z lepilom Moment na dno pokrova vtičnice prilepili medeninasto ploščo, pri čemer smo predhodno izrezali okence za LED diode v njih. Pri zapiranju pokrova pride vzmet (iz vžigalnika na kresilni kamen) v stik z medeninasto pločevino in tako zagotovi električni stik med tokokrogom in senzorjem.
Kapacitivno stikalo na dotik je nameščeno na steno z enim samoreznim vijakom. V ta namen je v ohišju predvidena luknja. Nato se namestita plošča in konektor ter pritrdi pokrov z zapahi.
Nastavitev kapacitivnega stikala se praktično ne razlikuje od nastavitve zgoraj opisanega senzorja prisotnosti. Če ga želite nastaviti, morate uporabiti napajalno napetost in prilagoditi upor tako, da LED HL2 zasveti, ko roko približate senzorju, in ugasne, ko jo odstranite. Nato morate aktivirati senzor za dotik ter premakniti in umakniti roko k senzorju stikala. LED HL2 bi morala utripati, rdeča LED HL3 pa bi morala svetiti. Ko roko umaknete, mora rdeča LED lučka ostati osvetljena. Ko ponovno dvignete roko ali odmaknete telo od senzorja, mora LED HL3 ugasniti, to je izklop dovoda vode v bideju.
Univerzalni PCB
Predstavljeno zgoraj kapacitivni senzorji sestavljeno na tiskanih vezjih, ki se nekoliko razlikujejo od tiskanega vezja, prikazanega spodaj na fotografiji. To je posledica kombinacije obeh tiskanih vezij v eno univerzalno. Če sestavite stikalo na dotik, morate izrezati samo tir številka 2. Če sestavite senzor prisotnosti na dotik, potem se tir številka 1 odstrani in vsi elementi niso nameščeni.
Elementi, ki so potrebni za delovanje stikala na dotik, a motijo delovanje senzorja prisotnosti, R4, C5, R6, C6, HL2 in R4, niso vgrajeni. Namesto R4 in C6 so spajkani žični mostički. Veriga R4, C5 lahko ostane. Ne bo vplivalo na delo.
Spodaj je prikazana risba tiskanega vezja za narebričenje s termično metodo nanašanja tirnic na folijo.
Dovolj je, da risbo natisnete na sijajni papir ali pavs papir in šablona je pripravljena za izdelavo tiskanega vezja.
Nemoteno delovanje kapacitivnih senzorjev za sistem upravljanja na dotik za dovod vode v bideju je potrjeno v praksi v treh letih neprekinjenega delovanja. Zabeležene niso bile nobene okvare.
Vendar želim opozoriti, da je vezje občutljivo na močan impulzni hrup. Prejel sem e-poštno sporočilo s prošnjo za pomoč pri nastavitvi. Izkazalo se je, da je bil med odpravljanjem napak vezja v bližini spajkalnik s tiristorskim regulatorjem temperature. Po izklopu spajkalnika je vezje začelo delovati.
Bil je še en tak primer. Kapacitivni senzor je bil nameščen v svetilko, ki je bila priključena na isto vtičnico kot hladilnik. Ko je bil prižgan, se je lučka prižgala in ko je spet ugasnila. Težavo smo rešili s priključitvijo svetilke na drugo vtičnico.
Prejel sem pismo o uspešni uporabi opisanega kapacitivnega senzorskega vezja za regulacijo nivoja vode v plastičnem hranilniku. V spodnjem in zgornjem delu je bil s silikonom nalepljen senzor, ki je krmilil vklop in izklop električne črpalke.
Kapacitivni senzor na dotik
Glavni element, potreben za izvedbo kapacitivnega senzorskega sistema, je spremenljivi kondenzator. Mora imeti preprost dizajn in občutljivost na dotik. Ker je zaznavni element zgrajen kot "odprt" kondenzator, električno polje lahko komunicira z zunanjim kapacitivnim predmetom, v našem primeru s prstom. Slika 1 prikazuje pogled od zgoraj in s strani kapacitivnega senzorja, implementiranega neposredno na ploščo.
riž. 1.
Kot je prikazano na sliki 1, se med prevodno plastjo in zemljo oblikuje kondenzator. Medsebojno delovanje prevodne plasti in okoliških vodnikov ustvari osnovno kapacitivnost, katere vrednost je mogoče izmeriti. Osnovna kapacitivnost takega senzorja je približno 10 pF. Ko je dirigent, tj. se prst približa odprtemu kondenzatorju, kar povzroči motnje električno polje, se kapacitivnost kondenzatorja spremeni. Zaradi kapacitivnosti prsta se zmogljivost senzorja poveča tudi brez dotika. Z merjenjem kapacitivnosti senzorja in primerjavo vsakega rezultata z osnovno kapacitivnostjo lahko mikrokrmilnik ugotovi ne samo dejstvo, da je bil gumb pritisnjen, ampak tudi zaporedje aktivacije, ki se uporablja za implementacijo bolj zapletenih vmesnikov, kot so drsniki.
Občutljivost senzorja je odvisna od razdalje med prevodno in ozemljitveno plastjo. Priporočena razdalja je 0,5 mm. Poleg tega je celotna občutljivost sistema odvisna od debeline plošče: ko se debelina plošče zmanjšuje, se občutljivost zmanjšuje. Priporočena debelina plošče je 1…1,5 mm.
Kapacitivnost senzorja brez prstne kapacitivnosti je približno 5...10 pF.
Ozemljitvena plošča pod senzorjem ga ščiti pred drugimi elektronskimi komponentami v sistemu. Prav tako pomaga ohranjati konstantno osnovno kapacitivnost, ki je potrebna kot referenca za vsako meritev.
Oblikovanje senzorja in uporabniškega vmesnika
Celoten vmesnik je sestavljen iz samega kapacitivnega senzorja (implementiranega na plošči) ter dielektrika med senzorjem in prstom ob dotiku.
Izvedba kapacitivnega senzorja na tiskanem vezju
Odvisnosti kapacitivnega senzorja lahko prikažemo na primeru običajnega ploščati kondenzator. Slika 2 prikazuje njene ključne elemente.
riž. 2.
Izraz "osnovna kapacitivnost" se nanaša na merjenje kapacitivnosti senzorja, ki ni bil izpostavljen nobenim vplivom. Zaradi enostavnosti bomo kot osnovno kapacitivnost vzeli kapacitivnost kondenzatorja, ki ga tvorita prevodna plast v zgornjem delu tiskanega vezja in ozemljitvena plast v spodnjem delu (spodnja in zgornja plošča na sliki 2).
Razdalja d se določi sama tiskano vezje. Kot smo že omenili, ko se d zmanjša, se osnovna kapacitivnost poveča in občutljivost zmanjša. Specifične kapacitivnosti prostora (e 0) in materiala (e r) določajo dielektrično konstanto plošče.
Območje senzorja A je običajno omejeno z velikostjo prsta, izračunano kot povprečje med prstoma otroka in odraslega. Upoštevajte, da je območje senzorja, ki ga ne pokriva vaš prst, neuporabno.
Zato mora proces načrtovanja zmanjšati osnovno kapacitivnost senzorja. Pogoj za dobro občutljivost in zanesljivost sistema je čim večja sprememba kapacitivnosti, ko se prst približuje senzorju. Seveda se ta dva cilja med seboj izključujeta: ko se površina senzorja poveča na velikost prsta, se poveča osnovna kapacitivnost, saj je sorazmerna z A.
riž. 3.
Slika 3 prikazuje postavitev gumba in drsnika, uporabljenega kot primer v tem dokumentu.
riž. 4. Konstrukcija plasti (rdeča - zgornja signalna plast, modra - spodnja zemeljska plast)
Slika 4 prikazuje štiri možnosti postavitve senzorja na tiskano vezje, ki se razlikujejo po konstrukciji ozemljitvenega sloja.
Zgoraj levo prikazuje samo zgornjo signalno plast: štiri senzorske ploščice, obdane z zgornjo ozemljitveno plastjo; spodnji sloj se ne uporablja. Zgornja desna stran slike prikazuje enako zasnovo plošče s 25-odstotno zapolnitvijo ozemljitvene ravnine. Spodaj levo je različica s 50% in desno je 100% zapolnjena.
Priporočljivo je, da pod vsakim senzorjem uporabite več ozemljitvenih ravnin, da izolirate elemente senzorja od šuma in drugih zunanjih sprememb, ki bi lahko povzročile spremembo osnovne kapacitivnosti. Očitno 100-odstotno polnjenje, kot je prikazano v spodnjem levem kotu slike 4, zagotavlja maksimalno izolacijo hrupa in tudi poveča osnovno kapacitivnost. Da bi dosegli optimalno razmerje med zvočno izolacijo in osnovno zmogljivostjo, je običajno uporabiti polnilo od 50% do 75%.
Izolacijska plast senzorja
V tej vrsti aplikacije izolacijski sloj Senzor je izdelan iz plastike. Zahvaljujoč tej plasti prsti ne pridejo v neposredni stik s senzorjem. Model, predstavljen na sliki 2, se lahko uporabi za vizualizacijo vmesnika med prstom in kondenzatorjem. V tem primeru spodnji pokrov deluje kot senzor, zgornji pa kot uporabnikov prst. Postane jasno, da se A poveča, ko se območje interakcije poveča na velikost prsta, sprememba kapacitivnosti pa je največja. Ko se izolacijska plast d poveča, se sprememba kapacitivnosti zmanjša v obratnem sorazmerju. Ključna točka, ki ga ne gre zanemariti, je material, iz katerega je izdelana izolacija. Dielektrična konstanta izolacijski material, kot tudi njegova debelina močno vplivata na občutljivost in enostavnost uporabe kapacitivnega senzorja za dotik. Tabela 1 prikazuje dielektrične konstante nekaterih materialov.
Tabela 1. Dielektrične konstante materialov
Poleg samega izolatorja, pomembna točka je povezava med senzorjem in izolatorjem. Če povezava ni tesna in obstajajo vrzeli, se bo kapacitivnost senzorja spremenila. Zato se pogosto uporabljajo lepilni izolatorji.
Uporaba MSP430 za merjenje kapacitivnosti senzorja na dotik
Zdaj pa si poglejmo dve metodi za merjenje kapacitivnosti senzorja na dotik.
Oscilatorska merilna metoda
Prva metoda temelji na uporabi oscilatorja. To metodo je mogoče izvesti na osnovi MSP430 z uporabo njegovega primerjalnika in kapacitivnega senzorja kot nastavitvenega elementa. Vsaka sprememba kapacitivnosti senzorja bo povzročila spremembo frekvence, ki jo je mogoče izmeriti s Timer_A mikrokrmilnika MSP430. Slika 5 prikazuje primer takšnega sistema.
riž. 5.
Upori R zagotavljajo podporo za primerjalnik, ko je Px.y nastavljen na visoko vrednost. Ta signal je po polarnosti nasproten signalu polnjenja ali praznjenja kapacitivnosti senzorja (senzor C), kar vodi do dolgotrajnih nihanj. Pri enakih vrednostih upora R, mejne vrednosti so 1/3 V cc in 2/3 V cc, frekvenca nihanja se izračuna po formuli:
f OSC = 1/
S štetjem števila nihajnih obdobij v določenem časovnem obdobju je mogoče izračunati frekvenco in izmeriti kapacitivnost. V obravnavani aplikaciji je upornost upora R C 100 kOhm. Nastala frekvenca nihanja je približno 600 kHz s kapacitivnostjo senzorja 10 pF.
Integrirani 12 kHz VLO se uporablja kot vir takta. Ta signal se napaja v nadzorni časovnik WDT. Z vsako prekinitvijo nadzornega psa jedro pregleda stanje časovnega registra Timer_A, TAR. Izračuna se razlika med zadnjima dvema vrednostma registra. V resnici absolutna vrednost kapacitivnosti ni potrebna, zanimiva je le njena sprememba.
Možno je zgraditi sistem z več kapacitivnimi senzorji. To zahteva izgradnjo multiplekserja na primerjalniku Comparator_A+ (slika 6).
riž. 6.
Za izvedbo sistema je potreben en upor za vsak senzor in trije upori za primerjalnik.
Metoda merjenja kapacitivnosti na osnovi upora
Druga metoda merjenja kapacitivnosti senzorja na dotik temelji na uporabi zunanjega upora za polnjenje ali praznjenje kapacitivnega senzorja. Za polnjenje ali praznjenje se uporablja eden od priključkov MSP430, čas polnjenja ali praznjenja se meri z vgrajenim časovnikom Timer_A. Slika 7 prikazuje primer sistema, ki uporablja mikrokrmilnik MSP430 za merjenje časa praznjenja kondenzatorja.
riž. 7.
Pri vrednosti kapacitivnosti senzorja C = 10 pF in R = 5,1 M je čas praznjenja približno 250 μs. Px.y je konfiguriran kot visokonivojski izhod za polnjenje kondenzatorja. Lahko se ga rekonfigurira kot vhod za praznjenje senzorja C skozi R. Največji tok prek vrat MSP430 je ±50 nA.
Če vrata Px.y podpirajo prekinitve (za MSP430 sta to vrata P1.x in P2.x), se notranji signal nizke ravni lahko uporabi kot prag, pri katerem se generirajo. Ko prejme to prekinitev, jedro analizira vsebino časovnega registra Timer_A. Časovnik lahko uporabi notranji DCO kot vir ure. Frekvenca generiranega signala je 8 ali 16 MHz (odvisno od družine MSP430).
riž. 8.
Slika 8 prikazuje en merilni cikel. Časovnik začne šteti od ničle in v trenutku, ko napetost na senzorju doseže prag V IT, se odčita vrednost časovnika. Časovnik lahko deluje tudi v načinu stalnega štetja, v tem primeru je potrebno prebrati njegove vrednosti v trenutku začetka in konca praznjenja kondenzatorja in izračunati njihovo razliko. Ko se kapacitivnost senzorja poveča, se čas praznjenja kondenzatorja poveča in število ciklov časovnika med obdobjem merjenja se poveča.
Zgoraj je bilo rečeno, da je za vsaka vrata potreben en upor. Vezje je mogoče poenostaviti z uporabo enega upora za dve vrati. Pri merjenju kapacitivnosti enega od senzorjev mora imeti vrata, povezana z drugim, nizko raven signala, tj. služi kot ozemljitev za praznjenje kapacitivnosti. Druga prednost te sheme je, da se kapacitivnost vsakega senzorja lahko meri v dveh smereh: polnjenje od nič do visoki ravni in praznjenje od V cc do praga nizke ravni. Slika 9 prikazuje to metodo.
riž. 9.
Štetje ciklov je treba izvesti dvakrat: med polnjenjem in praznjenjem. Hkrati ima šum 50/60 MHz manjši vpliv na rezultat meritve.
Programska oprema
Ko je rezultat meritve prejet, ga je treba programsko interpretirati. Hrup napajanja, odmik ure, zunanji šum 50/60 MHz lahko privedejo do nepravilnega odločanja.
Včasih je zaradi učinkovitosti mogoče nekaj nižjih bitov rezultata zavrči. To je sprejemljivo, če morate samo slediti dejstvu, da je bil gumb pritisnjen. Če pa je potrebno več visoka ločljivost, tega si ne moremo več privoščiti. Nizkoprepustno filtriranje in preprosto povprečenje več rezultatov lahko pomagata zgladiti hrup. Toda za doseganje nizke porabe energije je bolj pomembna prisotnost najmanj pomembnih bitov merilnega rezultata.
Sledenje osnovni zmogljivosti senzorja
Brez zmožnosti dinamičnega spremljanja sprememb v kapacitivnosti senzorja lahko vse vrste nestabilnosti vodijo do napačnih zaznav pritiskov gumbov ali "zataknjenih" gumbov. Oglejmo si možnost s preprostim gumbom, ki ima dve stanji: vklop/izklop. Če se rezultat premakne, se lahko približa pragu, pri katerem se šteje, da je gumb pritisnjen, kar pomeni, da bo prišlo do lažno pozitivnega rezultata.
Ena metoda za spremljanje in prilagajanje osnovne zmogljivosti je prikazana na sliki 10.
Upoštevajte, da se ti koraki izvajajo za vsak senzor posebej. Izračun spremenljivke »Delta« in prilagoditev »baze« se v algoritmih RO in RC izvajata različno. V RO se izmerjena vrednost zmanjšuje, ko se kapacitivnost kondenzatorja poveča; v RC pa se izmerjena vrednost poveča.
Po končani meritvi je prvi korak ugotoviti, ali je prišlo do dotika. To lahko storite s primerjavo dobljene vrednosti s pragom, ki ustreza najlažjemu dotiku, ki ga je mogoče zaznati. Če se ugotovi, da dotika ni bilo, osnovna vrednost prilagodi. Kako pride do prilagoditve, je odvisno od tega, v katero smer je prišlo do spremembe.
Ko se meritev kapacitivnosti poveča, je priporočljivo, da osnovno vrednost prilagodite počasneje. Povečanje rezultata lahko pomeni ne samo premik zaradi napak, ampak tudi zaradi premika prsta v smeri senzorja. In če osnovno vrednost hitro prilagodite, dejanskega dotika prsta morda ne boste opazili. Da bi to naredili, je priporočljivo, da osnovno vrednost prilagodite samo za enkrat v vsakem merilnem ciklu (slika 10).
riž. 10.
Izvajanje funkcije navadnega gumba
Izdelava gumbov je najpogostejši primer uporabe kapacitivnih senzorjev. Slika 11 prikazuje primer izgradnje sistema s štirimi gumbi.
riž. 11.
Prag, pri katerem se odloči, da je gumb pritisnjen, mora biti višji od hrupa.
Izvedba funkcije drsnika
Bolj zapletena funkcija, organizirana na kapacitivnih senzorjih, je drsnik. V tem primeru je treba spremljati preseganje več pragov.
Najenostavnejša možnost za izdelavo drsnika je lahko organizirana z določitvijo več položajev za vsak senzor. Spodnji primer (slika 12) obravnava sistem, v katerem je za vsak senzor določenih 16 položajev. Rezultat je sistem s 64 položaji.
riž. 12.
DELTAMAX je nastavljen na največjo vrednost kapacitivnosti, ki jo je mogoče doseči. Nato je obseg od 0 do DELTAMAX razdeljen na določeno število korakov. Nič ustreza primeru, ko gumb ni pritisnjen. Največja vrednost določa položaj prsta. Bolj linearna karakteristika prenosa sistema je dosežena z interpolacijo vrednosti vseh senzorjev.
Multipleksni senzorji za izdelavo drsnika
Pri gradnji drsnika lahko razširite število senzorjev z omejenim številom vhodno/izhodnih vrat z multipleksiranjem. V tem primeru je na en izhod priključenih več senzorjev. Dodatni senzor vodi le do povečanja osnovne zmogljivosti. Vendar pa je s povečanjem osnovne kapacitivnosti v trenutku izpostavljenosti samo enemu od senzorjev odziv senzorja manjši. Zato običajno več kot dva senzorja nista povezana skupaj.
Da bi ugotovili, kateri od multipleksiranih senzorjev je prizadet, jih je treba prostorsko ločiti. Primer lokacije senzorjev v takem sistemu je prikazan na sliki 13.
riž. 13.
Zaključek
Ta članek obravnava dve metodi za implementacijo kapacitivnih senzorjev na dotik z uporabo MSP430. Vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti. Poglejmo si glavne.
- Metoda na osnovi oscilatorja:
— Potreben je mikrokrmilnik s primerjalnikom Comp_A+;
— Število neodvisnih senzorjev je omejeno s številom vhodov Comp_A+;
— Za vsak senzor je potreben en zunanji upor R, pa tudi vezje treh R;
— Občutljivost je omejena s porabo energije (programabilen čas merjenja);
- Metoda na osnovi upora:
— Lahko se implementira na katerikoli mikrokrmilnik MSP430;
— Do 16 neodvisnih senzorjev (16 I/O vrat, ki delujejo s prekinitvami);
— en zunanji upor R za vsaka dva senzorja;
— Občutljivost je omejena z največjo frekvenco mikrokontrolerja (fiksen čas merjenja);
— Minimalna poraba energije;
Aplikacijo lahko uporabnik razširi in optimizira za izvedbo v končni napravi.
Celoten opis različni primeri Aplikacije MSP430, izvorne kode programa, dodatne informacije najdete na spletni strani www.stran v razdelku o mikrokontrolerjih.
potrdilo o prejemu tehnične informacije, naročanje vzorcev, dostava -
e-pošta:
Nova družina taktnih generatorjev
Texas Instruments je predstavil družino programabilni urni generatorji, imajo od 1 do 4 PLL vezja. IC-ji lahko ustvarijo do 9 taktnih signalov, sintetiziranih iz ene vhodne frekvence. Vsak izhod podpira programiranje frekvence v sistemu do 230 MHz. Naštete lastnosti zagotavljajo številne prednosti. Ti vključujejo nižjo porabo energije, hitrejši proces načrtovanja in enostavno spreminjanje hitrosti ure, ne da bi bilo treba znova načrtovati sistem. Te prednosti bodo znatno znižale stroške potrošniških aplikacij, vklj. IP TV sprejemniki, IP telefoni, digitalni medijski sistemi ( digitalne televizije, pretočne medijske naprave, tiskalniki, navigacijski sistemi in prenosne naprave).
Novi taktni generatorji so optimizirani za delo s procesorji DaVinci™ (TI) za ustvarjanje taktnih signalov za digitalne procesorje, zvočne ADC-je ali kodeke ter krmilnike Ethernet ali USB. Vgrajen napetostno krmiljen kristalni oscilator (VCXO) omogoča frekvenčno sinhronizacijo različnih podatkovnih tokov.
| Sestava nove družine ur generatorji |
||
|---|---|---|
| Ime | PLL | Izhod, V |
| CDCE949 | 4 | 2,5/3,3 |
| CDCE937 | 3 | 2,5/3,3 |
| CDCE925 | 2 | 2,5/3,3 |
| CDCE913 | 1 | 2,5/3,3 |
| CDCEL949 | 4 | 1,8 |
| CDCEL937 | 3 | 1,8 |
| CDCEL925 | 2 | 1,8 |
| CDCEL913 | 1 | 1,8 |
O Texas Instruments
Elektor 2008 št. 7-8
Kapacitivni senzorji na dotik delujejo na podlagi električne kapacitivnosti človeškega telesa. Na primer, ko se prst približa senzorju, to ustvari kapacitivnost med senzorjem in ozemljitvijo, ki leži v območju 30...100 pF. Ta učinek je mogoče uporabiti v senzorjih bližine in stikalih, ki se upravljajo na dotik.
Kapacitivni senzorji na dotik imajo očitne prednosti v primerjavi z drugimi senzorji (na primer tistimi, ki se sprožijo zaradi motenj s frekvenco 50/60 Hz ali tistimi, ki merijo upor), vendar so za izvedbo bolj zahtevni. Proizvajalci čipov, kot je Microchip, so v preteklosti izdelali IC po meri za te namene. Vendar pa je zdaj mogoče ustvariti zanesljiv kapacitivni detektor in/ali stikalo z uporabo le majhnega števila standardnih komponent.
V tem vezju zaznavamo spremembe v širini impulza signala, ki se pojavijo ob dotiku kontakta. Na sliki 1 si lahko ogledate naslednja vozlišča (od leve proti desni):
riž. 1. IC1 - 561TL1
Generator pravokotnih impulzov na osnovi Schmittovega prožilca (IC CD4093);
RC vezje z dušilno diodo, ki mu sledi Schmittova sprožilna/kontaktna plošča z ločilnim kondenzatorjem 470 pF;
- Integrirano vezje RC, ki pretvarja spremembe širine impulza v napetost. Ta napetost je v območju 2,9 do 3,2 voltov, ko se plošča dotakne, in 2,6 voltov drugače.
- Primerjalnik LM 339 se uporablja za primerjavo napetosti v točki C z referenčno napetostjo v točki D. Slednja je približno 2,8 V in se nastavi z delilnikom napetosti.
Takoj ko se dotaknete plošče na dotik, bo izhod vezja postal aktiven. Za razlago delovanja vezja slika 2 prikazuje oscilograme signalov v različne točke. Črtkana črta prikazuje stanje, ko se senzorska plošča dotakne, polna črta - ko ni dotika.
riž. 2. Oscilogrami signalov na različnih točkah.
Referenčna napetost v točki D se enkrat prilagodi z uporabo delilnika R4/R5 (s spreminjanjem vrednosti R4). Velikost te napetosti je močno odvisna od površine senzorske plošče (običajno nekaj kvadratnih centimetrov). Veliko območje površina plošče poveča kapacitivnost in napetost v točki C bo kljub temu večja od napetosti, ko se plošči ne dotikata. Referenčna napetost v točki D mora biti nastavljena bližje 3,4 V. Senzor na dotik lahko deluje tudi s ploščami z veliko površino (kot senzor lahko na primer uporabimo celotno telo).
Izhodni signal se lahko uporablja za vklop različnih bremen. V mnogih primerih je priporočljivo dodati en Schmittov prožilec na izhod, še posebej, če je izhod povezan z digitalnim vhodom.
Wim Abuis
riž. 4. Razporeditev komponent na tiskanem vezju.
riž. 5. PCB.
riž. 6. Tiskano vezje (zrcalni pogled).
Senzorji na dotik (senzorji na dotik) imajo različne principe delovanja, kot so uporovni (prevodni filmi), optični (infrardeči), akustični (SAW), kapacitivni itd. Ta projekt je eksperiment s kapacitivnim senzorjem na dotik. Ta vrsta senzorja je dobro znana kot kazalna naprava, ki se uporablja v tabličnih računalnikih in pametnih telefonih.
Načelo delovanja kapacitivnega senzorja na dotik
Kapacitivni senzor na dotik zazna spremembo kapacitivnosti, ki se pojavi na elektrodi, ko jo pokrijemo s prevodnim predmetom, kot je prst. Obstaja več metod za merjenje kapacitivnosti. Ta projekt uporablja metodo integracije, uporabljeno v merilniku kapacitivnosti. Sprememba kapacitivnosti Cx je precej majhna, približno 1pF do 10pF, vendar jo bo zlahka zaznati, ker ima merilnik kapacitivnosti merilno ločljivost 20pF. Prav tako morajo biti predmeti, ki bodo zaznani, ozemljeni, da se ustvari vezje Cx v skladu z načelom delovanja. Vendar deluje dobro, tudi če človeško telo izoliran od tal. To je lahko posledica naslednjih razlogov.
Strojna oprema
Programska oprema
Najprej umerite vsako točko (pridobite referenčni komunikacijski čas s Cs) in nato zaženite skeniranje s konstantnim obdobjem. Ko se čas integracije poveča in preseže prag, se odloči, da je »zaznano«. Za histerezo je potreben prag, sicer izhod ne bo stabilen, ko se ga dotaknete do polovice. Merilni čas za vsako točko je enak integracijskemu času, tako da je to mogoče narediti zelo hitro.
Merilnik kapacitivnosti meri integracijski čas z ločljivostjo enega takta (100 ns) z analognim primerjalnikom in funkcijo vhodne klešče. Vendar ta funkcija ni na voljo na vseh V/I vratih. Za implementacijo senzorja na dotik na kateri koli V/I vrati se čas integracije meri s anketiranjem programsko opremo, ločljivost pa postane 3 urni cikli (375 ns). V normalnem stanju je številka poročanja o času približno 80, kar je dovolj za gumbe na dotik.
Zaključek
Posledično lahko potrdim, da je kapacitivni senzor mogoče enostavno implementirati na običajen mikrokrmilnik. Plastični pokrov je lahko debel do 1 mm (odvisno od dielektrične konstante), da dobro deluje. Ko se ATtiny2313 uporablja za modul senzorja na dotik, ima lahko 15 točk na dotik. Nadzorni program, uporabljen v tem projektu, je poskusni in ni bil preizkušen v umazane razmere, kot so hrup in motnje, zato je za dejansko uporabo morda potreben kakršen koli algoritem proti hrupu.
Seznam radioelementov
| Imenovanje | Vrsta | Denominacija | Količina | Opomba | Trgovina | Moja beležka |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ti? | MK AVR 8-bitni | ATtiny2313-20PU | 1 | V beležnico | ||
| R1-R8 | upor | 1 MOhm | 8 | V beležnico | ||
| R9-R16 | upor | R9-R16 | 8 | V beležnico | ||
| C1 | Elektrolitski kondenzator | 100 µF | 1 | V beležnico | ||
| C2 | Kondenzator | 100 nF | 1 | V beležnico | ||
| D1-D8 | LED | 8 |