Schemi e metodi per l'implementazione dei sensori tattili capacitivi. Sensore tattile capacitivo semplice Acquista un sensore tattile fai-da-te

Spesso un elemento radio come un interruttore reed trova la sua applicazione nell'elettronica. La sua particolarità è la capacità di chiudere i contatti durante l'irradiazione campo magnetico. Cosa significa questo? Prendendo un semplice magnete o posizionando un elettromagnete vicino all'interruttore reed, potrete facilmente chiudere e aprire i contatti di questo elemento radio. Fondamentalmente, è una sorta di sensore senza contatto.

Definizione del concetto

Cos'è un sensore senza contatto? Si intende un dispositivo elettronico che registra la presenza di un determinato oggetto nella sua area di copertura e funziona senza alcun intervento meccanico o di altro tipo.

I sensori senza contatto sono utilizzati in un'ampia varietà di campi. Ciò include la creazione di elettrodomestici e sistemi di sicurezza degli impianti, tecnologie industriali e l'industria automobilistica. A proposito, questo elemento è popolarmente chiamato "interruttore senza contatto".

Vantaggi

Tra i principali vantaggi dei sensori senza contatto ci sono:

Dimensioni compatte;

Alto grado di tenuta;

Durata e affidabilità;

Leggero;

Varietà di opzioni di installazione;

Nessun contatto con l'oggetto e nessun feedback.

Classificazione

Esistere Vari tipi sensori senza contatto. Sono classificati in base al principio di azione e sono:

Capacitivo;

Ottico;

Induttivo;

Ultrasonico;

Magnetosensibile;

Pirometrico.

Consideriamo ciascuno di questi tipi di dispositivi separatamente.

Sensori capacitivi

Questi dispositivi si basano sulla misurazione di condensatori elettrici. Il loro dielettrico contiene l'oggetto soggetto a registrazione. Lo scopo di questi tipi di sensori senza contatto è di funzionare con una varietà di applicazioni. Questo è, ad esempio, il riconoscimento dei gesti. I sensori pioggia per auto sono prodotti come capacitivi. Tali dispositivi misurano a distanza il livello del liquido durante la lavorazione vari materiali eccetera.

Il sensore di prossimità capacitivo è un sistema analogico che funziona a una distanza massima di settanta centimetri. A differenza di altri tipi di dispositivi simili, ha maggiore precisione e sensibilità. Dopotutto, il cambiamento di capacità in esso avviene solo in pochi picofarad.

Circuito sensore senza contatto di questo tipo include piastre costituite da un circuito stampato conduttivo, nonché la ricarica. In questo caso, si forma un condensatore. Inoltre, ciò accadrà in qualsiasi momento o in un elemento conduttivo messo a terra o in qualche oggetto la cui costante dielettrica è diversa dall'aria. Tale dispositivo funzionerà anche se una persona o parte del suo corpo si trova nell’area di copertura del dispositivo, che sarà simile al potenziale di terra. Quando il dito si avvicina, ad esempio, la capacità del condensatore cambierà. E anche tenendo conto del fatto che il sistema non è lineare, non sarà difficile per lui rilevare un oggetto estraneo che si è formato all'interno dei confini osservati.

Lo schema di collegamento per un sensore senza contatto di questo tipo può essere complicato. Il dispositivo può utilizzare più elementi indipendenti l'uno dall'altro nelle direzioni sinistra/destra e giù/su. Ciò amplierà le capacità del dispositivo.

Sensori ottici

Tali interruttori senza contatto oggi trovano la loro ampia applicazione in molti rami dell'attività umana, dove operano le apparecchiature necessarie per il rilevamento di oggetti. Quando si collega un sensore senza contatto, viene utilizzata la codifica. Ciò consente di evitare un falso funzionamento del dispositivo a causa dell'influenza estranea delle sorgenti luminose. Sensori simili funzionano anche quando basse temperature. In queste condizioni vengono applicati involucri termici.

Cosa sono i sensori ottici non supervisionati? Questo circuito elettronico, rispondendo ai cambiamenti nel flusso luminoso che cade sul ricevitore. Questo principio di funzionamento consente di registrare la presenza o l'assenza di un oggetto in una particolare area spaziale.

Il design dei sensori ottici senza contatto ha due blocchi principali. Uno di questi è la sorgente di radiazioni e il secondo è il ricevitore. Possono essere ubicati nello stesso edificio o in edifici diversi.

Quando si considera il principio di funzionamento di un sensore senza contatto, si possono distinguere tre tipi di dispositivi ottici:

1. Barriera. Gli interruttori ottici di questo tipo (T) funzionano su un raggio diretto. In questo caso, i dispositivi sono costituiti da due parti separate: un trasmettitore e un ricevitore, posizionati coassialmente l'uno rispetto all'altro. Il flusso di radiazioni emesso dall'emettitore deve essere diretto esattamente al ricevitore. Quando il raggio viene interrotto da un oggetto, l'interruttore viene attivato. Tali sensori hanno una buona immunità al rumore. Inoltre, non hanno paura delle gocce di pioggia, della polvere, ecc.
2. Diffondere. Il funzionamento degli interruttori ottici di tipo D si basa sull'utilizzo di un raggio riflesso da un oggetto. Il ricevitore e il trasmettitore di tale dispositivo si trovano in un unico alloggiamento. L'emettitore dirige il flusso verso l'oggetto. Il raggio, riflesso dalla sua superficie, è distribuito in diverse direzioni. In questo caso, parte del flusso ritorna indietro, dove viene catturata dal ricevitore. Di conseguenza, l'interruttore scatta.
3. Riflesso. Tali sensori ottici di prossimità sono del tipo R. Utilizzano un raggio riflesso da un riflettore. Anche il ricevitore e l'emettitore di tale dispositivo si trovano nello stesso alloggiamento. Quando il raggio colpisce il riflettore, viene riflesso e finisce nell'area del ricevitore, provocando l'attivazione del dispositivo. Tali dispositivi funzionano a una distanza dall'oggetto non superiore a 10 metri. Forse possono essere usati per fissare oggetti traslucidi.

Sensori induttivi

Il funzionamento di questo dispositivo si basa sul principio di tenere conto dei cambiamenti nell'induttanza dei suoi componenti principali: la bobina e il nucleo. Da qui il nome di tale sensore.

I cambiamenti nell'induzione indicano che nel campo magnetico della bobina è apparso un oggetto metallico, che l'ha cambiato e, di conseguenza, l'intero circuito di connessione, la cui funzione principale è assegnata al comparatore. In questo caso, viene inviato un segnale al relè e la corrente elettrica viene interrotta.

Sulla base di ciò, possiamo parlare dello scopo principale di un tale dispositivo. Viene utilizzato per misurare il movimento di un'apparecchiatura che deve essere spenta se vengono superati i limiti di movimento. I sensori stessi hanno limiti di movimento che vanno da un micron a venti millimetri. A questo proposito, tale dispositivo è anche chiamato interruttore di posizione induttivo.

Una revisione dei sensori senza contatto di questo tipo ci consente di distinguere diverse varietà. Questa classificazione si basa sul diverso numero di fili di collegamento:

1. Due fili. Tali sensori induttivi sono collegati direttamente al circuito. Questa è l'opzione più semplice, ma allo stesso tempo piuttosto capricciosa. Richiede una resistenza al carico nominale. Se questo indicatore diminuisce o aumenta, il funzionamento del dispositivo diventa errato.
2. Tre fili. Questo tipo di sensore a induzione è il più comune. In tali circuiti, due fili devono essere collegati alla tensione e un filo deve essere collegato direttamente al carico.
3. A quattro e cinque fili. In questi sensori, due fili sono collegati al carico e il quinto viene utilizzato per selezionare la modalità operativa richiesta.

Sensori ad ultrasuoni

Questi dispositivi trovano largo impiego nei più svariati ambiti produttivi, risolvendo numerosi problemi di automazione dei cicli tecnologici. I sensori di prossimità a ultrasuoni vengono utilizzati per determinare la posizione e la distanza di vari oggetti.

Servono ad esempio per rilevare etichette, anche trasparenti, per misurare distanze e controllare il movimento di un oggetto. Sono utilizzati per determinare il livello del liquido. Nasce la necessità, ad esempio, di tenere conto del consumo di carburante durante l'esecuzione dei lavori di trasporto. E queste sono solo alcune delle numerose applicazioni degli interruttori a ultrasuoni.

Tali sensori sono abbastanza compatti. Si distinguono per la costruzione di alta qualità e l'assenza di varie parti mobili. Questa apparecchiatura non teme la contaminazione, il che è abbastanza importante in condizioni industriali, e inoltre non richiede quasi alcuna manutenzione.

Il sensore a ultrasuoni contiene un riscaldatore piezoelettrico, che funge sia da emettitore che da ricevitore. Questa parte strutturale riproduce un flusso di impulsi sonori, ricevendolo e convertendo il segnale ricevuto in tensione. Successivamente viene inviato al controller, che elabora i dati e calcola la distanza alla quale si trova l'oggetto. Questa tecnologia si chiama ecolocalizzazione.

Il campo attivo di un sensore a ultrasuoni è il campo di rilevamento operativo. Questa è la distanza entro la quale il dispositivo a ultrasuoni può “vedere” un oggetto, indipendentemente dal fatto che si avvicini all'elemento sensibile in direzione assiale o si muova attraverso il cono del suono.

A seconda del principio di funzionamento, si distinguono i sensori a ultrasuoni:

1. Disposizioni. Tali dispositivi vengono utilizzati per calcolare l'intervallo di tempo necessario affinché il suono viaggi da un dispositivo a un particolare oggetto e ritorno. I sensori di posizione a ultrasuoni senza contatto vengono utilizzati per monitorare la posizione e la presenza di vari meccanismi, nonché per contarli. Tali dispositivi vengono utilizzati anche come indicatori di livello per vari liquidi o materiali sfusi.
2. Distanze e spostamenti. Il principio di funzionamento di tali dispositivi è simile a quello utilizzato nel dispositivo sopra descritto. L'unica differenza è il tipo di segnale presente in uscita. È analogico, non discreto. Sensori di questo tipo vengono utilizzati per convertire gli indicatori esistenti della distanza da un oggetto in determinati segnali elettrici.

Sensori magnetici

Questi interruttori vengono utilizzati per il controllo della posizione. I sensori vengono attivati ​​quando si avvicina un magnete, che si trova su una parte mobile del meccanismo. Tali dispositivi hanno un intervallo di temperatura esteso (da -60 a +125 gradi Celsius). Questa funzionalità consente di automatizzare un gran numero di processi produttivi complessi.

Viene utilizzato un sensore di temperatura senza contatto di tipo magneticamente sensibile:

Nelle industrie chimiche e metallurgiche;

Nelle regioni dell'estremo nord;

Sul materiale rotabile;

Nelle unità di refrigerazione;

Su autogru;

Vengono utilizzati nei sistemi di sicurezza degli edifici, nonché per l'apertura automatica di finestre e porte d'ingresso.

I più moderni e ad azione rapida sono i sensori magneticamente sensibili che funzionano secondo l'effetto Hall. Non sono soggetti ad usura meccanica poiché dispongono di un interruttore di uscita elettronico. La risorsa di tali sensori è praticamente illimitata. A questo proposito, il loro utilizzo rappresenta una soluzione pratica e vantaggiosa ai problemi di misurazione del numero di giri dell'albero, fissazione della posizione di oggetti in rapido movimento, ecc.

Quando si misurano i livelli dei liquidi, vengono ampiamente utilizzati sensori magnetici del tipo a galleggiante. Sono l'opzione migliore per determinare gli indicatori richiesti grazie al loro prezzo economico e alla semplicità del design.

Sensori a microonde

Questo tipo di interruttori senza contatto è l'opzione di progettazione più universale, che può essere ottenuta mediante la scansione continua dell'area servita. Vale la pena tenere presente che si trovano in una categoria di prezzo più elevata rispetto, ad esempio, agli analoghi a ultrasuoni.

Il funzionamento di tale dispositivo avviene a causa dell'emissione di onde elettromagnetiche ad alta frequenza, il cui valore è leggermente diverso nei dispositivi di diversi produttori. I sensori a microonde sono configurati per scansionare e ricevere onde riflesse. Ciò consente al dispositivo di registrare anche i più piccoli cambiamenti nello sfondo elettromagnetico. Se ciò accade, il sistema di allarme collegato al sensore viene immediatamente attivato sotto forma di allarme, illuminazione, ecc.

I dispositivi a microonde hanno una maggiore precisione e sensibilità operativa. Per loro muri di mattoni, porte e mobili non sono ostacoli. Questo fatto dovrebbe essere preso in considerazione durante l'installazione del sistema. Il livello di sensibilità del dispositivo può essere modificato impostando il sensore di movimento.

Gli interruttori a microonde vengono utilizzati per controllare l'illuminazione interna ed esterna, i dispositivi di allarme, gli elettrodomestici, ecc.

Sensori pirometrici

Il corpo di qualsiasi creatura vivente è caratterizzato dalla presenza di radiazione termica, che è un fascio di onde elettromagnetiche di diversa lunghezza. Quando la temperatura del corpo aumenta, aumenta anche la quantità di energia emessa.

I sensori chiamati sensori pirometrici funzionano in base al rilevamento della radiazione termica. Sono:

Radiazione totale, misura dell'energia termica totale del corpo;

Radiazione parziale, che misura l'energia dell'area limitata dal ricevitore;

Rapporti spettrali, che forniscono un indicatore del rapporto energetico di alcune parti dello spettro.

I sensori senza contatto vengono spesso utilizzati nei dispositivi che registrano il movimento degli oggetti.

Interruttori tattili

Le tecnologie in via di sviluppo hanno influenzato quasi tutte le sfere dell’attività umana. Inoltre non hanno ignorato le questioni relative al miglioramento della casa. Un esempio lampante di ciò è l'interruttore touch. Questo dispositivo consente di controllare l'illuminazione della stanza con un tocco leggero.

L'interruttore touch risponde immediatamente anche al minimo tocco del pulsante. Il suo design comprende tre elementi principali. Tra loro:

1. Un'unità di controllo che elabora il segnale ricevuto e lo trasmette agli elementi necessari.
2. Dispositivo di commutazione. Questa parte chiude e apre il circuito e modifica anche la corrente consumata dalla lampada.
3. Pannello di controllo (touch). Utilizzando questa parte, l'interruttore riceve segnali dal telecomando o dal tocco. I dispositivi più moderni si attivano quando si avvicina la mano.

I modelli standard possono:

Accendere e spegnere le luci;

Regola la luminosità;

Monitorare il funzionamento dei dispositivi di riscaldamento, segnalando le variazioni di temperatura;

Aprire e chiudere le persiane;

Accendi e spegni i dispositivi domestici.

Gli interruttori tattili producono vari tipi. Il modello specifico viene selezionato in base alle esigenze di un ufficio o di un edificio residenziale. Ad esempio, il desiderio di acquistare e installare un dispositivo touch può sorgere a causa della posizione di un interruttore fisso in un luogo scomodo con l'impossibilità di spostarlo. O forse c'è una persona che vive in una casa o in un appartamento la cui mobilità è limitata. A volte gli interruttori fissi si trovano ad un'altezza tale da essere inaccessibili ai bambini. Per risolvere il problema sarà necessario scegliere un modello specifico. Alcuni proprietari preferiscono installare interruttori tattili per modificare la luminosità della luce senza alzarsi dal letto, ecc.

Sensore tattile TTP223B(pulsante a sfioramento) viene utilizzato per la commutazione dei circuiti elettrici (interruttore on/off) ed è un eccellente sostituto dei tradizionali pulsanti meccanici (tasti). È caratterizzato da una maggiore affidabilità dovuta all'assenza di parti mobili e da un basso consumo energetico.

Per utilizzare il pulsante a sfioramento TTP223B, è necessario collegare l'alimentazione e Controllore Arduino o altro dispositivo di controllo a microprocessore. Sulla scheda è presente un LED, etichettato "D", che si accende quando viene applicata l'alimentazione al modulo. La scheda del modulo è dotata di quattro fori per il montaggio su una superficie piana.
Il touch pad utilizza la tecnologia capacitiva. Il modulo si attiva per la commutazione toccando il sensore tattile con un dito. In stato di riposo - c'è un basso livello di tensione all'uscita del modulo, quando si tocca il sensore - a alto livello voltaggio. Dopo 12 secondi di inattività, il modulo entra in modalità di risparmio energetico.
Il sensore tattile TTP223B ha un connettore a 3 pin.

Designazione del perno

S.I.G.(segnale digitale in uscita);
VCC(tensione di alimentazione);
GND(contatto generale).
Il modulo è alimentato da Arduino, così come da un altro dispositivo di controllo a microprocessore, oppure da una fonte di alimentazione esterna (alimentatore). Tensione di alimentazione del modulo 2 – 5,5 V.

Caratteristiche

il modulo è assemblato su un chip TTP223B;
il sensore funziona utilizzando la tecnologia capacitiva;
Indicazione di potenza a LED;
tensione di alimentazione del modulo: 2 – 5,5 V;
sensibilità: 0 – 50 pF;
tempo di risposta (modalità a basso consumo): 220 ms;
tempo di risposta (modalità attiva): 60 ms;
dimensioni (L x P x A): 24 x 24 7,5 mm;
peso: 3 gr.

Questo articolo presenta alcuni progetti di base per i sensori tattili capacitivi e spiega come gestire il rumore a bassa e alta frequenza.

Articolo precedente

Misurare il cambiamento

Se leggi l'articolo precedente, sai che l'essenza dei sensori tattili capacitivi è la variazione di capacità che si verifica quando un oggetto (di solito un dito umano) si avvicina al condensatore. La presenza di un dito aumenta la capacità perché:

1. introduce una sostanza (cioè carne umana) con una costante dielettrica relativamente alta;
2. fornisce una superficie conduttiva che crea capacità aggiuntiva in parallelo con il condensatore esistente.

Naturalmente il fatto che la capacità cambi non è particolarmente utile. Per implementare effettivamente un sensore tattile capacitivo, abbiamo bisogno di un circuito in grado di misurare la capacità con sufficiente precisione per identificare l'aumento di capacità causato dalla presenza di un dito. Esistere vari modi per fare questo, alcuni sono abbastanza semplici, altri sono più complessi. In questo articolo esamineremo due approcci principali per implementare la funzionalità touch capacitiva: il primo si basa sulla costante di tempo del circuito RC (resistore-condensatore) e il secondo si basa sugli spostamenti di frequenza.

Costante di tempo del circuito RC

Potresti anche provare un senso di nostalgia del college quando vedi una curva esponenziale che traccia la tensione mentre un condensatore si carica o si scarica. Forse qualcuno, guardando questa curva per la prima volta, si è reso conto che la matematica superiore ha ancora qualche relazione con il mondo reale, e anche nell'era dei robot che lavorano nei vigneti, c'è qualcosa di attraente nella semplicità di scaricare un condensatore. In ogni caso, sappiamo che questa curva esponenziale cambia quando cambia il resistore o il condensatore. Supponiamo di avere un circuito RC costituito da un resistore da 1 MΩ e un sensore tattile capacitivo con una capacità tipica (senza dito) di 10 pF.

Possiamo usare il pin di ingresso/uscita scopo generale(configurato come uscita) per caricare il condensatore ad una tensione corrispondente ad un livello logico alto. Quindi dobbiamo scaricare il condensatore attraverso un grande resistore. È importante comprendere che non è possibile semplicemente commutare lo stato dell'uscita su livello logico basso. Un pin I/O configurato come uscita guiderà un segnale logico basso, ovvero creerà una connessione a bassa impedenza tra l'uscita e la terra. Pertanto, il condensatore si scaricherà rapidamente attraverso questa bassa resistenza, così rapidamente che il microcontrollore non sarà in grado di rilevare i sottili cambiamenti temporanei creati da piccoli cambiamenti nella capacità. Ciò di cui abbiamo bisogno qui è un pin con un'elevata resistenza di ingresso che farà sì che quasi tutta la corrente di scarica fluisca attraverso il resistore, e ciò può essere ottenuto configurando il pin in modo che agisca come un ingresso. Quindi, prima si imposta il pin come uscita logica alta e quindi viene richiamata la fase di scarica modificando la modalità operativa del pin in ingresso. La tensione risultante sarà simile a questa:

Se qualcuno tocca il sensore e crea così una capacità aggiuntiva di 3 pF, la costante di tempo aumenterà come segue:

Per gli standard umani, il tempo di scarica non è molto diverso, ma un moderno microcontrollore può certamente rilevare questo cambiamento. Diciamo di avere un timer con una velocità di clock di 25 MHz; avviamo il timer quando passiamo dall'uscita alla modalità ingresso. Possiamo utilizzare un timer per tenere traccia del tempo di scarica configurando lo stesso pin in modo che agisca come un trigger che attiva un evento di cattura ("cattura" significa memorizzare il valore del timer in un registro separato). L'evento di cattura si verificherà quando la tensione di scarica supera la soglia logica bassa dell'uscita, ad esempio 0,6 V. Come mostrato nel grafico seguente, la differenza nel tempo di scarica con la soglia di 0,6 V è ΔT = 5,2 µs.

Con un periodo di clock di 1/(25 MHz) = 40 ns, questo ΔT corrisponde a 130 cicli di clock. Anche se la variazione di capacità viene ridotta di un fattore 10, avremo comunque una differenza di 13 cicli tra il sensore non toccato e il sensore toccato.

Quindi l'idea è quella di caricare e scaricare ripetutamente il condensatore, controllando il tempo di scarica; se il tempo di scarica supera un vizio prestabilito, il microcontrollore presuppone che il dito sia entrato in "contatto" con il condensatore del sensore touch (ho scritto "contatto" tra virgolette perché il dito in realtà non tocca mai il condensatore - come accennato nell'articolo precedente, il condensatore è separato dall'ambiente esterno mediante verniciatura sulla scheda e sul corpo del dispositivo). Tuttavia, la vita reale è un po’ più complessa della discussione idealizzata qui presentata; le fonti di errore sono discusse di seguito nella sezione Vita reale.

Condensatore variabile, frequenza variabile

In un'implementazione basata sulla variazione di frequenza, un sensore capacitivo viene utilizzato come parte "C" in un oscillatore RC in modo tale che una variazione di capacità provochi una variazione di frequenza. Il segnale di uscita viene utilizzato come ingresso per il modulo contatore, che conta il numero di fronti di salita o di discesa che si verificano durante il periodo di misurazione. Quando un dito che si avvicina provoca un aumento della capacità del sensore, la frequenza del segnale di uscita dell'oscillatore diminuisce e quindi diminuisce anche il numero di fronti/cadute.

Il cosiddetto oscillatore di rilassamento (oscillatore i cui elementi non lineari passivi e attivi non hanno proprietà risonanti) è un circuito base che può essere utilizzato a questo scopo. Ciò richiede diversi resistori e un comparatore oltre al condensatore del sensore tattile. Questo sembra causare più problemi rispetto al metodo di carica/scarica discusso sopra, ma se il tuo microcontrollore ha un modulo comparatore integrato, non è poi così male. Non entrerò nei dettagli sui circuiti di questo oscillatore perché, in primo luogo, se ne parla in molti altri posti e, in secondo luogo, è improbabile che si voglia utilizzare questo metodo dell'oscillatore quando ci sono molti microcontrollori e chip individuali che offrono Funzionalità touch capacitiva ad alte prestazioni. Se non hai altra scelta che creare il tuo circuito del sensore tattile capacitivo, penso che il metodo di carica/scarica sopra descritto sia più semplice. Altrimenti, renditi la vita un po' più semplice scegliendo un microcontrollore con hardware tattile capacitivo dedicato.

Un esempio di modulo embedded basato su un oscillatore di rilassamento è la periferica del sensore capacitivo nei microcontrollori EFM32 di Silicon Labs:

Il multiplexer consente di controllare la frequenza di oscillazione tramite otto diversi condensatori del sensore tattile. Passando rapidamente da un canale all'altro, il controller può controllare efficacemente otto pulsanti a sfioramento contemporaneamente, poiché la frequenza operativa del microcontrollore è molto elevata rispetto alla velocità del movimento delle dita.

Lavora nella realtà

Un sistema touch capacitivo sarà influenzato sia dal rumore ad alta frequenza che da quello a bassa frequenza.

Il rumore ad alta frequenza fa sì che le misurazioni del tempo di scarica o del conteggio dei bordi varino leggermente da campione a campione. Ad esempio, il circuito di carica/scarica senza dita discusso sopra potrebbe avere un tempo di scarica di 675 cicli, quindi 685 cicli, quindi 665 cicli, quindi 670 cicli e così via. L'importanza di questo rumore dipende dalla variazione prevista nel tempo di scarica quando si solleva il dito. Se la capacità aumenta del 30%, il ΔT sarà di 130 cicli. Se le nostre variazioni ad alta frequenza sono solo ±10 cicli di clock, allora possiamo facilmente distinguere il segnale dal rumore.

Tuttavia, un aumento della capacità del 30% è vicino alla variazione massima di capacità che possiamo aspettarci. Se otteniamo solo una variazione del 3%, il ΔT è di 13 cicli, che è troppo vicino al livello di rumore. Un modo per ridurre l'impatto del rumore è aumentare l'ampiezza del segnale e puoi farlo riducendo la distanza fisica che separa il condensatore stampato e il dito. Spesso però la progettazione meccanica è limitata da altri fattori e non è più possibile aumentare il livello del segnale. In questo caso, è necessario ridurre il livello di rumore, cosa che può essere ottenuta facendo una media. Ad esempio, ogni nuovo tempo di scarica può essere confrontato non con il tempo di scarica precedente, ma con la media delle ultime 4 o 8 o 32 misurazioni del tempo di scarica. Il metodo di spostamento della frequenza sopra descritto implica automaticamente la media perché piccoli cambiamenti attorno alla frequenza centrale non influiranno in modo significativo sul numero di cicli contati in un periodo di misurazione più lungo del periodo di oscillazione.

Il rumore a bassa frequenza si riferisce a cambiamenti a lungo termine nella capacità del sensore senza toccare un dito; questi cambiamenti possono essere causati da condizioni ambiente. Questo tipo di interferenza non può essere mediato perché i cambiamenti possono persistere per un periodo di tempo molto lungo. Pertanto, l’unico modo per gestire efficacemente il rumore a bassa frequenza deve essere adattivo: la soglia utilizzata per rilevare la presenza di un dito non può essere un valore fisso. Deve invece essere regolato regolarmente sulla base di valori misurati che non mostrano cambiamenti significativi a breve termine, come quelli causati dall’avvicinamento di un dito.

Conclusione

I metodi di implementazione discussi in questo documento mostrano che il rilevamento del tocco capacitivo non richiede hardware e software complessi. Tuttavia, si tratta di una tecnologia versatile e affidabile che fornirà miglioramenti significativi delle prestazioni rispetto alle alternative meccaniche.

Elettore 2008 n. 7-8

I sensori tattili capacitivi funzionano in base alla capacità elettrica del corpo umano. Ad esempio, quando un dito viene avvicinato al sensore, si crea una capacità tra il sensore e la terra, compresa tra 30 e 100 pF. Questo effetto può essere utilizzato nei sensori di prossimità e negli interruttori controllati al tocco.

I sensori tattili capacitivi presentano evidenti vantaggi rispetto ad altri sensori (ad esempio, quelli attivati ​​da interferenze con una frequenza di 50/60 Hz o misurazione della resistenza), ma richiedono più lavoro da implementare. I produttori di chip come Microchip hanno creato in passato circuiti integrati personalizzati per questo scopo. Tuttavia, ora è possibile creare un rilevatore capacitivo e/o un interruttore affidabile utilizzando solo un numero limitato di componenti standard.

In questo circuito, rileviamo i cambiamenti nell'ampiezza dell'impulso del segnale che si verificano quando viene toccato un contatto. Nella Figura 1 puoi considerare i seguenti nodi (da sinistra a destra):

Riso. 1.IC1-561TL1

Generatore di impulsi rettangolare basato su trigger Schmitt (IC CD4093);
Circuito RC con un diodo di soppressione seguito da una piastra di contatto/innesco Schmitt con un condensatore di isolamento da 470 pF;
- Un circuito RC integrato che converte le variazioni dell'ampiezza dell'impulso in tensione. Questa tensione è nell'ordine di 2,9...3,2 volt quando si tocca la piastra e di 2,6 volt altrimenti.
- Il comparatore LM 339 viene utilizzato per confrontare la tensione nel punto C con la tensione di riferimento nel punto D. Quest'ultima è di circa 2,8 V ed è fissata dal partitore di tensione.

Non appena viene toccata la piastra tattile, l'uscita del circuito diventerà attiva. Per spiegare il funzionamento del circuito, la Figura 2 mostra gli oscillogrammi dei segnali in diversi punti. La linea tratteggiata mostra lo stato quando viene toccata la piastra del sensore, la linea continua - quando non c'è alcun tocco.

Riso. 2. Oscillogrammi di segnali in punti diversi.

La tensione di riferimento nel punto D viene regolata una volta utilizzando il divisore R4/R5 (modificando il valore di R4). L'entità di questa tensione dipende fortemente dalla superficie della piastra del sensore (di solito diversi centimetri quadrati). Grande piazza la superficie delle armature aumenta la capacità e la tensione nel punto C sarà comunque maggiore rispetto alla tensione che si aveva quando le armature non si toccavano. La tensione di riferimento nel punto D dovrebbe essere impostata più vicina a 3,4 V. Il sensore tattile può funzionare anche con piastre di grandi dimensioni (ad esempio, l'intero corpo può essere utilizzato come sensore).

Il segnale di uscita può essere utilizzato per accendere diversi carichi. In molti casi si consiglia di aggiungere un trigger Schmitt all'uscita, soprattutto se l'uscita è collegata a un ingresso digitale.

Wim Abuis

Riso. 4. Disposizione dei componenti sul circuito stampato.

Riso. 5. Scheda a circuito stampato.

Riso. 6. Circuito stampato (vista speculare).

A. V. Skuryatin, Mosca

Il sensore tattile è stato creato durante uno studio sperimentale del processo di maschiatura in transistor bipolare, descritto da VI Brovin.

Il circuito proposto per la ripetizione è un amplificatore con alta sensibilità al campo elettromagnetico creato da dispositivi esterni. Quando il contatto d'ingresso del circuito è collegato all'antenna, il LED segnala la presenza di radiazioni di campo elettromagnetico e interferenze provenienti da apparecchiature elettriche. Il LED indicherà anche il fatto di toccare il contatto, poiché il ruolo dell'antenna in questo caso è svolto dal corpo umano. Da qui il nome: sensore tattile. Un altro nome per il circuito è antenna attiva.

Il diagramma schematico del sensore tattile è mostrato nella Figura 1.

Il circuito ricorda un auto-oscillatore acceso transistor npn strutture. Uno dei terminali dell'avvolgimento L1 è collegato direttamente al pin di ingresso X1. La polarità del LED VD1 non ha importanza. Il resistore R2 limita la corrente attraverso il LED e, quindi, determina la luminosità del suo bagliore quando il sensore viene attivato.

Il sensore tattile è assemblato su una breadboard di 40×40 mm. Aspetto il progetto è mostrato nella Figura 2.

Figura 2.	Aspetto del sensore tattile.

Gli avvolgimenti L1 e L2 si trovano su un telaio comune con due sezioni di avvolgimento e un nucleo di ferrite di sintonia. Il diametro esterno del telaio è di 10 mm, la lunghezza del nucleo è di 23 mm, il diametro della filettatura alla base del nucleo è di 6 mm. Nel disegno mostrato in Figura 2, L1 è avvolto nella sezione superiore, L2 in quella inferiore. Ogni bobina contiene 100 spire di filo PEL 0,2. Gli avvolgimenti sono inclusi secondo. Usando un cacciavite, il nucleo viene avvitato nel telaio. LED VD1: qualsiasi serie AL307. Un petalo di messa a terra viene utilizzato come X1. Toccandolo si accende il LED.

Parallelamente a VD1, è possibile collegare un dispositivo di misurazione, ad esempio un multimetro in modalità di misurazione della tensione, che consentirà di valutare il livello di intensità del campo. In questo caso, l'antenna esterna può essere un pezzo di filo di montaggio lungo diversi centimetri. L'impostazione del circuito si ridurrà alla scelta della lunghezza dell'antenna e alla ricerca della posizione del nucleo in cui la tensione sul LED è massima.

Il circuito non è esigente riguardo alla scelta dell'elemento base. Ad esempio, nella versione originale del circuito veniva utilizzato un transistor KT815G, la resistenza del resistore R1 era di 100 kOhm. Come L1 e L2 sono state utilizzate due bobine su un nucleo di ferrite di un'antenna magnetica a onde lunghe di un ricevitore radio. Le bobine potrebbero essere spostate lungo il nucleo. Durante lo spostamento delle bobine si sono osservati fenomeni che non contraddicevano la legge dell'induzione elettromagnetica, contrariamente allo schema proposto in. Quando le bobine furono significativamente distanti l'una dall'altra e senza nucleo di ferrite, il circuito smise di funzionare.

Il circuito può trovare applicazione pratica non solo nella progettazione di misuratori di intensità di campo, ma anche in dispositivi di automazione e segnalazione. Il sensore tattile può essere collegato al microcontrollore. Per fare ciò, dovresti eseguire una conversione della tensione da analogico a digitale sul LED VD1, possibilmente utilizzando le risorse del microcontrollore stesso, se contiene un ADC integrato.

In conclusione, va notato che esistono molti circuiti di sensori tattili basati su transistor ad effetto di campo e non contenenti elementi induttivi. Forse il loro lavoro in molti casi è più efficace, ma il progetto presentato in questo articolo è un esempio di una soluzione tecnica originale ed è rivolto ai radioamatori principianti.

Letteratura

1. Brovin V.I. Il fenomeno del trasferimento di energia delle induttanze attraverso i momenti magnetici di una sostanza situata nello spazio circostante e la sua applicazione. - M.: MetaSintez, 2003 - 20 p.
2. Krylov K.S., Lee Jaeho, Kim Young Jin, Kim Seunghwan, Lee Sang-Ha. Brevetto per invenzione n. 2395876. Antenna magnetica attiva con nucleo in ferrite.