В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.
В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.
Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.
Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.
Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).
Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.
Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения . Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.
Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.
Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор , и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса - скорее интерес представляет емкость в определенный момент.
Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.
Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:
Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.
Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.
Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:
На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.
Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.
Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.
Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.
Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.
Нередко в электронике находит свое применение такой радиоэлемент, как геркон. Его особенность состоит в способности замыкания контактов при облучении магнитным полем. Что это означает? Взяв простой магнит или разместив недалеко от геркона электромагнит, можно легко производить замыкание и размыкание контактов этого радиоэлемента. По своей сути он и является своеобразным бесконтактным датчиком.
Что же такое бесконтактный датчик? Под ним понимают такой электронный прибор, который регистрирует присутствие определенного объекта в зоне своего действия и срабатывает без каких-либо механических или любых других воздействий.
Бесконтактные датчики применяются в самых различных сферах. Это создание бытовых приборов и системы охраны объектов, промышленные технологии и автомобилестроение. Кстати, в народе данный элемент называют «бесконтактным выключателем».
Среди основных достоинств бесконтактных датчиков выделяют их:
Компактные размеры;
Высокую степень герметичности;
Долговечность и надежность;
Небольшой вес;
Разнообразие вариантов установки;
Отсутствие контакта с объектом и обратного воздействия.
Существуют различные типы бесконтактных датчиков. Они классифицируются по принципу действия и бывают:
Емкостными;
Оптическими;
Индуктивными;
Ультразвуковыми;
Магниточувствительными;
Пирометрическими.
Рассмотрим каждый из этих видов приборов отдельно.
В основе этих приборов находится измерение электроконденсаторов. В их диэлектрике и находится тот объект, который подлежит регистрации. Назначение бесконтактных датчиков такого типа заключается в работе со множеством приложений. Это, например, распознавание жестов. Емкостными выпускают автомобильные датчики дождя. Такие приборы дистанционно измеряют уровень жидкости в процессе обработки различных материалов и т. д.
Емкостной бесконтактный датчик представляет собой аналоговую систему, работающую на расстоянии до семидесяти сантиметров. В отличие от других типов подобных приборов, он обладает большей точностью и чувствительностью. Ведь изменение в нем емкости происходит всего лишь в несколько пикофарад.
Схема бесконтактного датчика данного типа включает в себя пластины, состоящие из проводящей печатной платы, а также зарядку. В этом случае происходит формирование конденсатора. Причем это будет происходить в любое время либо в проводящем заземленном элементе, либо в каком-то объекте, диэлектрическая проницаемость которого отлична от воздуха. Такой прибор сработает и в случае появления в зоне действия устройства человека или части его тела, которая будет аналогична потенциалу земли. По мере приближения, например, пальца, изменится емкость конденсатора. И даже учитывая то, что система является нелинейной, обнаружить возникший в просматриваемых границах посторонний объект для нее не составит никакого труда.
Схема подключения такого бесконтактного датчика может быть усложнена. В устройстве могут быть задействованы сразу несколько независимых друг от друга элементов в направлениях влево/вправо, а также вниз/вверх. Это позволит расширить возможности прибора.
Такие бесконтактные выключатели на сегодняшний день находят свое широкое применение во многих отраслях человеческой деятельности, где работает оборудование, необходимое для обнаружения объектов. При подключении бесконтактного датчика используется кодирование. Это позволяет не допустить ложного срабатывания устройства при постороннем влиянии источников света. Работают подобные датчики и при низких температурах. В этих условиях на них надевают термокожухи.
Что представляют собой оптические бесконтрольные датчики? Это электронная схема, реагирующая на изменение того светового потока, который падает на приемник. Подобный принцип действия позволяет зафиксировать наличие или же отсутствие объекта в той или иной пространственной области.
В конструкции оптических бесконтактных датчиков имеется два основных блока. Один из них - источник излучения, а второй - приемник. Они могут находиться как в одном, так и в различных корпусах.
При рассмотрении принципа действия бесконтактного датчика можно выделить три типа оптических устройств:
В основе работы данного прибора лежит принцип учета изменений индуктивности основных его составляющих - катушки и сердечника. Отсюда пошло и само название такого датчика.
Изменения индукции свидетельствуют о том, что в магнитном поле катушки появился металлический предмет, который изменил его и, соответственно, всю схему подключения, основная функция в которой возложена на компаратор. При этом происходит подача сигнала на реле и отключение электрического тока.
Исходя из этого можно говорить об основном предназначении такого прибора. Его используют для измерения перемещений части оборудования, которое должно быть отключено, если превышены пределы проходимости. Сами датчики имеют границы движения, варьируемые в пределах от одного микрона до двадцати миллиметров. В связи с этим такой прибор называют еще и индуктивным выключателем положения.
Обзор бесконтактных датчиков подобного типа позволяет выделить из них несколько разновидностей. Подобная классификация основана на различном количестве проводов подключения:
Эти устройства находят свое широкое применение в самых различных сферах производства, решая множество задач по автоматизации технологических циклов. Ультразвуковые бесконтактные датчики используются для определения местонахождения и удаленности различных объектов.
Например, они служат для обнаружения этикеток, причем даже и прозрачных, для измерения расстояния и осуществления контроля над передвижением объекта. С их помощью определяют уровень жидкости. Необходимость в этом возникает, например, для учета расхода топлива при выполнении транспортных работ. И это только некоторые из большого количества применений выключателей ультразвукового типа.
Такие датчики довольно компактны. Их отличает качественная конструкция и отсутствие различных подвижных деталей. Это оборудование не боится загрязнений, что достаточно актуально в условиях производств, а также почти не требует обслуживания.
В составе ультразвукового датчика находится пьезоэлектрический обогреватель, являющийся одновременно и излучателем, и приемником. Данная конструктивная деталь воспроизводит поток звуковых импульсов, принимая его и преобразуя полученный сигнал в напряжение. Далее оно подается на контроллер, который производит обработку данных и вычисляет то расстояние, на котором находится объект. Подобная технология называется эхолокационной.
Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой прибор может «увидеть» объект, и неважно, приближается ли тот к чувствительному элементу в осевом направлении или движется поперек звукового конуса.
В зависимости от принципа работы выделяют ультразвуковые датчики:
Эти выключатели применяются для осуществления контроля положения. Датчики срабатывают при приближении магнита, который расположен на движущейся части механизма. Такие устройства обладают расширенным температурным диапазоном (от -60 до +125 градусов по Цельсию). Подобная функциональность позволяет автоматизировать большое количество сложных производственных процессов.
Бесконтактный датчик температуры магниточувствительного типа применяют:
На химических и металлургических производствах;
В районах Крайнего Севера;
На подвижном составе;
В холодильных установках;
На автокранах;
Свое применение они находят в охранных системах зданий, а также для автоматического открывания окон и входных дверей.
Самыми современными и быстродействующими являются магниточувствительные датчики, работающие на эффекте Холла. Они не подвержены механическому износу, так как обладают электронным выходным ключом. Ресурс таких датчиков практически неограничен. В связи с этим их применение является выгодным и практичным решением задач по измерению числа оборотов вала, фиксации расположения быстро движущихся объектов и т. д.
При измерении уровня жидкостей широко применяют поплавковые магниточувствительные датчики. Они являются оптимальным вариантом для определения необходимых показателей из-за недорогой цены и простоты конструкции.
Подобная разновидность бесконтактных выключателей является наиболее универсальным вариантом конструкции, чего позволяет добиться непрерывное сканирование обслуживаемой зоны. При этом стоит иметь в виду, что они находятся в более высокой ценовой категории, чем, например, ультразвуковые аналоги.
Функционирование подобного прибора происходит благодаря излучению электромагнитных волн, имеющих высокую частоту, значение которой несколько отличается в устройствах различных производителей. Микроволновые датчики настроены на сканирование и приемку отраженных волн. Это позволяет аппарату фиксировать даже самые малейшие изменения электромагнитного фона. Если это происходит, то сразу же срабатывает система оповещения, подключенная к датчику, в виде сигнализации, освещения и т. д.
Микроволновые приборы обладают повышенной точностью срабатывания и чувствительностью. Для них не являются преградами кирпичные стены, двери и предметы мебели. Данный факт следует учесть при установке системы. Уровень чувствительности прибора может быть изменен с помощью настройки датчика движения.
Применяют микроволновые выключатели для управления внутренним и наружным освещением, устройствами сигнализации, электроприборами и т. д.
Для организма любого живого существа характерно наличие теплового излучения, которое является пучком электромагнитных волн разной длины. При повышении температуры тела увеличивается и объем излучаемой им энергии.
На основе фиксации теплового излучения работают датчики, которые называются пирометрическими сенсорами. Они бывают:
Суммарного излучения, измеряющими полную тепловую энергию тела;
Частичного излучения, измеряющие энергию ограниченного приемником участка;
Спектрального отношения, выдающие показатель отношения энергии определенных участков спектра.
Бесконтактные датчики-сенсоры чаще всего применяются в приборах, фиксирующих движение объектов.
Развивающиеся технологии затронули практически все сферы жизнедеятельности человека. Не обошли они стороной и вопросы обустройства дома. Одним из ярких примеров тому является сенсорный выключатель. Это устройство позволяет управлять освещением помещения с помощью легкого прикосновения.
Сенсорный выключатель сразу же срабатывает даже при самом слабом прикосновении к кнопке. В его конструкцию входит три основных элемента. Среди них:
Стандартные модели могут:
Включать и выключать свет;
Регулировать яркость;
Контролировать работу отопительных приборов, сообщая об изменениях температуры;
Открывать и закрывать жалюзи;
Включать и выключать бытовые устройства.
Сенсорные выключатели производят различных видов. Конкретная модель выбирается в зависимости от потребностей офиса или жилого дома. Например, желание приобрести и установить сенсорное устройство может возникнуть из-за расположения стационарного выключателя в неудобном месте с невозможностью его переноса. А может, в доме или в квартире живет человек, подвижность которого ограничена. Порой стационарные выключатели находятся на такой высоте, что недоступны для детей. Решение проблемы потребует выбора определенной модели. Некоторые хозяева предпочитают устанавливать сенсорные выключатели для изменения яркости света не вставая с кровати и т. д.
В данной статье представлены некоторые основные схемы построения емкостных датчиков прикосновений и обсуждения, как бороться с низкочастотным и высокочастотным шумом.
Если вы читали предыдущую статью, то вы знаете, что суть емкостных датчиков прикосновений заключается в изменении емкости, которое происходит, когда объект (обычно палец человека) приближается к конденсатору. Присутствие пальца увеличивает емкость, так как:
Конечно, сам факт того, что емкость изменяется, не особенно полезен. Для того, чтобы на самом деле реализовать емкостной датчик касаний, нам необходима схема, которая может измерять емкость с точностью, достаточной, чтобы идентифицировать увеличение емкости, вызванное наличием пальца. Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно просты, другие более сложные. В данной статье мы рассмотрим два основных подхода для реализации емкостного сенсорного функционала: первый основан на постоянной времени RC (резистор-конденсатор) цепи, а второй основан на сдвигах частоты.
Возможно, вы также испытываете чувства ностальгии по университету, когда видите экспоненциальную кривую, представляющую график напряжения во время заряда или разряда конденсатора. Возможно, кто-то при взгляде на эту кривую впервые понял, что высшая математика всё-таки имеет какое-то отношение к реальному миру, да и в век роботов, работающих на виноградниках , есть что-то привлекательное в простоте разряда конденсатора. В любом случае, мы знаем, что эта экспоненциальная кривая изменяется, когда изменяется либо резистор, либо конденсатор. Скажем, у нас есть RC цепь, состоящая из резистора 1 МОм и емкостного датчика касаний с типовой емкостью (без пальца) 10 пФ.
Мы можем использовать вывод входа/выхода общего назначения (настроенный, как выход) для заряда конденсатора до напряжения, соответствующего высокому логическому уровню. Затем нам необходимо разрядить конденсатор через большой резистор. Важно понимать, что вы не можете просто переключить состояние выхода на низкий логический уровень. Вывод I/O, сконфигурированный на выход, будет управлять сигналом низкого логического уровня, то есть, он создаст низкоомное соединение выхода с землей. Таким образом, конденсатор быстро разрядится через это низкое сопротивление - так быстро, что микроконтроллер не сможет обнаружить едва заметные временные изменения, созданные небольшими изменениями емкости. Что нам здесь нужно, так это вывод с большим входным сопротивлением, что заставит почти весь ток разряда течь через резистор, а это может быть достигнуто настройкой вывода для работы, как вход. Итак, сначала вы установите вывод, как выход, выдающий высокий логический уровень, а затем этап разряда, вызывается изменением режима работы вывода на вход. Результирующее напряжение будет выглядеть примерно следующим образом:
Если кто-то прикасается к датчику и тем самым создает дополнительную емкость 3 пФ, постоянная времени будет увеличиваться следующим образом:
По человеческим меркам время разряда не сильно отличается, но современный микроконтроллер, безусловно, может обнаружить это изменение. Скажем, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер, когда переключаем вывод в режим входа. Мы можем использовать таймер для отслеживания времени разряда, настроив этот же вывод действовать, как триггер, который инициирует событие захвата («захват» означает хранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата произойдет, когда напряжение разряда пересечет порог низкого логического уровня вывода, например, 0,6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0,6 В составляет ΔT = 5.2 мкс.
С периодом тактовой частоты таймера 1/(25 МГц) = 40 нс, это ΔT соответствует 130 тактам. Даже если изменение емкости будет уменьшено в 10 раз, у нас всё равно будет разница в 13 тактов между нетронутым датчиком и датчиком, к которому прикоснулись.
Таким образом, идея заключается в многократном заряде и разряде конденсатора, контролируя время разряда; если время разряда превышает заданный порок, микроконтроллер предполагает, что палец вошел в «контакт» с конденсатором датчика касаний (я написал «контакт» в кавычках потому, что палец на самом деле никогда не касается конденсатора - как упоминалось в предыдущей статье, конденсатор отделен от внешней среды лаком на плате и корпусом устройства). Тем не менее, реальная жизнь немного сложнее, чем идеализированное обсуждение, представленное здесь; источники ошибок обсуждаются ниже, в разделе «Работа в реальности».
В реализации на базе изменения частоты емкостной датчик используется в качестве «С»-части в RC генераторе таким образом, что изменение емкости вызывает изменение частоты. Выходной сигнал используется в качестве входного для модуля счетчика, который подсчитывает количество фронтов или спадов, возникающих во время периода измерения. Когда приближающийся палец приводит к увеличению емкости датчика, частота выходного сигнала генератора уменьшается, и, таким образом, количество фронтов/спадов также уменьшается.
Так называемый релаксационный генератор (генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами) представляет собой основную схему, которая может использоваться для этой цели. Для этого в дополнение к конденсатору датчика касаний требуются несколько резисторов и компаратор. Кажется, это вызывает больше проблем по сравнению с методом заряда/разряда, который обсуждался выше, но если ваш микроконтроллер обладает встроенным модулем компаратора, это не так уж и плохо. Я не буду вдаваться в подробности схемы этого генератора, потому что, во-первых, он обсуждается во многих других местах, и, во-вторых, маловероятно, что вы захотите использовать этот метод генератора, когда есть много микроконтроллеров и отдельных микросхем, которые предлагают высокопроизводительную емкостную сенсорную функциональность. Если у вас нет другого выбора, кроме как создать свою собственную схему емкостного сенсора касаний, я думаю, что метода заряда/разряда, описанный выше более прост. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер со специальным аппаратным обеспечением для емкостного датчика касаний.
Примером встроенного модуля, основанного на релаксационном генераторе, является периферия емкостного датчика в микроконтроллерах EFM32 от Silicon Labs:
Мультиплексор позволяет частоте колебаний управляться восьмью различными конденсаторами датчиков касаний. С помощью быстрого переключения между каналами, контроллер может эффективно контролировать одновременно восемь сенсорных кнопок, так как рабочая частота микроконтроллера очень высока по сравнению со скоростью движения пальца.
Емкостная сенсорная система будет зависеть и от высокочастотного, и от низкочастотного шума.
Высокочастотный шум вызывает в измерениях времени разряда или количества фронтов незначительные изменения от отсчета к отсчету. Например, схема заряда/разряда без пальца, о которой говорилось выше, может иметь время разряда 675 тактов, затем 685 тактов, затем 665 тактов, затем 670 тактов и так далее. Значимость этого шума зависит от ожидаемого изменения времени разряда при поднесении пальца. Если емкость увеличивается на 30%, то ΔT будет составлять 130 тактов. Если наши высокочастотные изменения составляют только ±10 тактов, то мы можем легко отличить сигнал от шума.
Однако, увеличение емкости на 30% находится вблизи максимального значения изменения емкости, на которое мы можем рассчитывать. Если мы получим изменение только на 3%, ΔT составит 13 тактов, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов уменьшения влияния шума является увеличение амплитуды сигнала, и вы можете сделать это за счет уменьшения физического расстояния, разделяющего печатный конденсатор и палец. Однако, часто механическая конструкция ограничена другими факторами, и вы уже больше не можете увеличить уровень сигнала. В этом случае вам необходимо понизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения. Например, каждое новое время разряда может сравниваться не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 результатов измерений времени разряда. Метод, основанный на сдвиге частоты и описанный выше, автоматически включает усреднение, потому что небольшие изменения около средней частоты не будут существенно влиять на количество подсчитанных циклов в течение периода измерений, который более длительный по сравнению с периодом колебаний.
Низкочастотный шум относится к долговременным изменениям емкости датчика без прикосновения пальца; эти изменения могут быть вызваны условиями окружающей среды. Этот тип помехи не может быть усреднен, потому что изменения могут сохраняться в течение очель долгого периода времени. Таким образом, единственный способ эффективно бороться с низкочастотным шумом должен быть адаптивным: порог, используемы для обнаружения присутствия пальца, не может быть фиксированным значением. Вместо этого, он должен регулярно корректироваться на основе измеренных значений, которые не показывают значительные кратковременные изменения, такие как те, что вызваны приближением пальца.
Методы реализации, обсуждаемые в данной статье, показывают, что емкостное определение касания не требует сложного аппаратного и программного обеспечения. Тем не менее, это универсальная, надежная технология, которая предоставить значительное улучшение производительности по сравнению с механическими альтернативами.
Электор 2008 №7-8
Работа ёмкостных датчиков прикосновения основана на электрической ёмкости человеческого тела. Например, когда близко к датчику подносят палец, то это создаёт ёмкость между датчиком и землёй, лежащую в диапазоне 30...100 пФ. Этот эффект может быть использован в датчиках приближения и переключателях, управляемых прикосновением.
Сенсорные ёмкостные датчики имеют очевидные преимущества по сравнению с другими датчиками (например, срабатывающими от наводок частотой 50/60 Гц или измеряющими сопротивление), но они более трудоёмки в реализации. Производители микросхем, такие как Microchip в прошлом создали специальные ИС для этих целей. Однако и сейчас можно создать надёжный ёмкостный детектор и/или переключатель, используя только небольшое число стандартных компонентов.
В этой схеме мы детектируем изменения ширины импульсов сигнала, возникающие при касании контакта. На рисунке 1 можно рассмотреть следующие узлы (слева направо):
Рис. 1. IC1 - 561ТЛ1
Генератор прямоугольных импульсов, выполненный на триггере Шмитта (ИС CD4093);
RC цепь с гасящим диодом, за которыми идёт триггер Шмитта/контактная пластина с изолирующим конденсатором ёмкостью 470 пФ;
- Интегрирующая RC цепь, преобразующая изменения ширины импульсов в напряжение. Это напряжение лежит в районе 2,9...3,2 вольт, когда до пластины дотрагиваются, и 2,6 вольт в другом случае.
- Компаратор LM 339 используется для сравнения напряжения в точке C с образцовым напряжением в точке D. Последнее составляет около 2,8 В и устанавливается делителем напряжения.
Как только произойдёт касание сенсорной пластины, выход схемы станет активным. Для пояснения работы схемы на рисунке 2 приведены осциллограммы сигналов в разных точках. Пунктирная линия показывает состояние при касании пластины датчика, сплошная линия - при отсутствии касания.
Рис. 2. Осциллограммы сигналов а разных точках.
Образцовое напряжение в точке D настраивается один раз с помощью делителя R4/R5 (изменяя значение R4). Величина этого напряжения сильно зависит от площади поверхности пластины-датчика (обычно несколько квадратных сантиметров). Большая площадь поверхности пластины увеличивает ёмкость и напряжение в точке C тем не менее будет больше, по сравнению с тем напряжением, когда пластины не касались. Образцовое напряжение в точке D должно быть установлено ближе к значению 3,4 В. Датчик прикосновения может так же работать с пластинами большой площади (например, можно использовать в качестве сенсора весь корпус).
Выходной сигнал может быть использован для включения различных нагрузок. Во многих случаях рекомендуется добавить на выход один триггер Шмитта, особенно если выход соединён с цифровым входом.
Вим Абуйс
Рис. 4. Расположение компонентов на печатной плате.
Рис. 5. Печатная плата.
Рис. 6. Печатная плата (зеркальный вид).
Здесь будут рассмотрены датчики звука и касания, чаще всего использующиеся в составе сигнализаций.
Модуль, по сути, представляет собой сенсорную кнопку. Как понимает автор, принцип действия устройства основан на том, что, прикасаясь к контакту датчика человек, становится антенной для приема наводок на частоте бытовой сети переменного тока . Эти сигналы поступают на компаратор LM393YD
Габариты модуля 42 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1.
При срабатывании датчика загорается (мигает) светодиод L2. Потребляемый ток 3,9 мА в ждущем режиме и 4,9 мА при срабатывании.
Не совсем ясно, какой порог чувствительности датчика должен регулироваться переменным резистором. Данные модули с компаратором LM393YD являются стандартными и к ним припаивают различные датчики, получая, таким образом, модули различного назначения. Выводы питания «G» — общий провод, «+» – питание +5В. На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании датчика на выходе появляется импульсы с частотой 50 Гц. На контакте «A0» присутствует инвертированный относительно «D0» сигнал . В целом модуль срабатывает дискретно, как кнопка, в чем можно убедиться с помощью программы LED_with_button .
Датчик касания позволяет использовать в качестве кнопки управления любую металлическую поверхность, отсутствие движущихся частей должно положительно сказаться на долговечности и надежности.
Модуль должен срабатывать от звуков, громкость которых превышает заданный предел. Чувствительным элементом модуля является микрофон, работающий вместе с компаратором на микросхеме LM393YD .
Габариты модуля 42 х 15 х 13 мм, масса 3,4 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В.
Потребляемый ток 4,1 мА в ждущем режиме и 5 мА при срабатывании.
На выводе «A0» напряжение изменяется в соответствии уровнем громкости сигналов, принимаемых микрофоном, с повышением громкости показания уменьшаются, в этом можно убедиться с помощью программы AnalogInput2.
На цифровом входе «D0» присутствует низкий логический уровень, при превышении заданного порога низкий уровень меняется на высокий. Порог срабатывания можно регулировать переменным резистором. При этом загорается светодиод L2. При резком громком звуке наблюдается задержка в 1-2 с при обратном переключении.
В целом полезный датчик для организации системы умного дома или сигнализации.
С первого взгляда модуль кажется аналогичным предыдущему. Чувствительным элементом модуля является микрофон, следует отметить, что по данному модулю в сети не так уж много информации .
Габариты модуля 40 х 15 х 13 мм, масса 2,8 г., аналогично предыдущему случаю в плате модуля имеется крепежное отверстие диаметром 3 мм. Индикация питания осуществляется светодиодом L1. Выводы питания «G» — общий провод, «+»– питание +5В.
При срабатывании геркона загорается светодиод L2. Потребляемый ток 4,2 мА в ждущем режиме и до 6 мА при срабатывании.
На выводе «A0» при повышении уровня громкости происходит увеличение показаний (использована программа AnalogInput2).
На контакте «D0» присутствует низкий логический уровень, при срабатывании датчика он меняется на высокий. Порог срабатывания настраивается подстроечным резистором (использована программа LED_with_button).
Этот датчик действительно практически не отличается от предыдущего, но взаимозаменяемость их возможна не всегда, т.к. при изменении уровня громкости характер изменения уровня напряжение на аналоговом выходе различается.
На этом автор заканчивает обзор большого набора из различных датчиков для аппаратной платформы Arduino. В целом данный набор произвел на автора смешанное впечатление. В набор входят как достаточно сложные датчики, так и совсем простые конструкции. И если в случае наличия на плате модуля токоограничительных резисторов, светодиодных индикаторов и т.п. автор готов признать полезность подобных модулей, то небольшая часть модулей представляет собой одиночный радиоэлемент на плате. Зачем нужны такие модули, остается непонятным (видимо крепление на стандартных платах служит целям унификации). В целом набор является неплохим способом познакомиться с большинством широко распространенных датчиков, применяемых в Arduino проектах.
