Введение в емкостные датчики прикосновения. Датчик касания

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).

Для некоторых электротехнических устройств имеется необходимость в сенсорном включении, то есть начало или конец работы должно происходить при простом касании пальца руки к сенсорному контакту. Применить это можно в схемах электронных замков, сигнализаций, обычной техники, что упрощает её включение и выключение (всего лишь нужно прикоснуться).

В этой статье предлагаю достаточно простую электронную схему сенсорного включателя, которую может собрать практически любой человек. Состоит эта схема всего из нескольких электронных компонентов, главными из которых являются биполярные транзисторы, выполняющие роль усилителей сигнала. Ко входу (базе) первого транзистора подсоединяется сам провод сенсора (к которому нужно прикасаться). С выхода транзистора выходит усиленный в сотни раз сигнал, что подаётся на следующий элемент. Второй транзистор усиливает ещё больше уже до этого усиленный сигнал, ну и то же самое делает третий каскад схемы. В итоге мы из крайне малого сигнала, идущего от сенсора, получаем ток, что может зажечь светодиод (либо включить реле, что будет управлять тем или иным устройством).

Напомню, что биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий три вывода (эмиттер, коллектор и база). Он способен усиливать электрический сигнал в 10-1000 раз. При подаче на управляющий вывод небольшого сигнала (где-то от 0,6 до 0,7 вольт) на выходе мы можем получить уже электрический ток и/или напряжение гораздо большей величины.

База является управляющим электродом, относительно эмиттера. То есть, от источника питания подается на базу (через ограничивающий резистор, создающий некое смещение) и коллектор определенная величина напряжения. При напряжении между базой и эмиттером до 0,6 вольт транзистор ещё будет закрыт (не будет пропускать через себя ток относительно эмиттера и коллектора). Повышая напряжение между базой и эмиттером уже от 0,6 и где-то до 0,7 вольт мы постепенно открывает транзистор от полностью закрытого состояния в полностью открытое. Следовательно, транзистор выполняет роль переменного резистора, который управляется небольшими токами и может изменять своё сопротивления от бесконечно большого до практически нулевого (всё же оно есть, хоть и весьма малое).

Резисторы в схеме простого сенсорного включателя, стоящие в цепи коллекторов, выполняют роль ограничителей тока. Их номиналы 1 мегаом, 1 килоом и 220 ом. Можно ставить маленькой мощности, небольшие по размеру (токи в схеме достаточно малые). В данной электрической схеме применены биполярные транзисторы типа КТ315 (подойдут с любым буквенным индексом). Эти транзисторы старотипные, найти их можно где угодно, и стоят они копейки (если их покупать). Заменить их можно на КТ3102 или любые другие, с похожими характеристиками. Эти транзисторы имеют проводимость n-p-n (новичкам стоит это учесть). Можно поставить в схему транзисторы и обратной проводимости (p-n-p) серии КТ361 или КТ3107, но тогда нужно будет поменять полярность на питании (на плюс подключать минус и наоборот).

Хочу заметить, что данная электрическая схема сенсора является не фиксированной, то есть выходное устройство будет срабатывать и работать только тогда, когда вы касаетесь входного сенсора. Как только вы перестанете касаться сенсора, то и выходное устройство также выключится.

Изначально в схему простого сенсорного включателя я поставил на выход обычный светодиод, который просто зажигался при касании сенсора. Если вместо светодиода поставить небольшое реле, то можно уже на выходе схемы иметь переключатель, что можно подключить к различным электрическим устройствам (звонку, лампочки, двигателю и т.д.). Параллельно катушки реле нужно будет припаять электролитический конденсатор небольшой ёмкости (где-то от 100 до 1000 микрофарад, и напряжением не менее чем у источника питания). А также подключить диод (обратное включение), что позволит исключить влияние на саму схему напряжения самоиндукции, возникающей на катушки реле. Диод подойдет любой!

P.S. Учтите, что светодиод имеет полярность! Если вы поставите его неправильно, то светиться он не будет. В случае использования реле учитывайте выходной ток транзистора. То есть, КТ315 может иметь на своём выходе силу тока не более 100 миллиампер. Следовательно, если поставить большую релюшку, у которой катушка потребляет большие токи, то транзистор может выйти из строя. Нужно ставить реле с соответствующим током на катушке или ставить более мощный биполярный транзистор на выходе схемы.

Тач-сенсоры (датчики касания) бывают разных принципов действия, например резистивный (проводящие пленки), оптический (инфракрасный), акустический (SAW), емкостной и т.д. Данный проект является экспериментом с емкостным датчиком касания. Этот вид датчика хорошо известен как указывающее устройство, используемое в планшетных ПК и смартфонах.

Принцип емкостного датчика касания

Емкостный датчик касания обнаруживает изменение емкости, происходящее на электроде от закрытия проводящим предметом, например пальцем. Есть несколько методов измерения емкости. В этом проекте используется метод интеграции, который используется в измерителе емкости. Изменение емкости Cx довольно небольшое, около 1пФ до 10пФ, но оно будет легко обнаружено, потому что у измерителя емкости разрешение измерения составляет 20пФ. Также, объекты, которые будут обнаруживаться должны быть заземлены, чтобы создать Cx схему согласно с принципом действия. Однако она хорошо работает, даже если человеческое тело изолировано от земли. Это может быть по нижеследующей причине.

Аппаратная часть

Программное обеспечение

Во-первых, откалибруйте каждую точку (получите эталонное время связи с Cs), а затем запустите сканирование в постоянном периоде. Когда время интеграции увеличился и превысит порог, он решит “обнаружено”. Гистерезису требуется порог, или выход не будет стабильным при полу прикосновении. Время измерения для каждой точки равно времени интегрирования, так что это может быть сделано очень быстро.

Измеритель емкости измеряет время интеграции с разрешением один такт (100 нс) с аналоговым компаратором и функцией входной фиксации. Однако эта функция не доступна на всех портах ввода/вывода. Для реализации датчика касания на любом порту ввода/вывода, время интеграции измеряется опросом программным обеспечением, и разрешение становится 3 такта (375ns). В нормальном состоянии число отчета времени около 80, и это достаточно для сенсорных кнопок.

Заключение

В результате, я могу подтвердить, что емкостный сенсор может быть с легкостью реализован на обычном микроконтроллере. Пластиковая накладка может быть до 1 мм в толщину (в зависимости от диэлектрической проницаемости) для хорошей работы. Когда ATtiny2313 используется для модуля датчиков касания, она может иметь 15 точек прикосновения. Программа управления, используемая в этом проекте экспериментальна, и не проверялась в грязных условиях, таких как шумы и помехи, так что для реального использования может потребоваться любой анти-шумовой алгоритм.

Список радиоэлементов

Датчик касания для Arduino

Модуль представляет собой сенсорную кнопку, на его выходе формируется цифровой сигнал, напряжение которого соответствует уровням логических единицы и нуля. Относится к емкостным датчикам касания. С такого рода устройствами ввода данных мы сталкиваемся при работе с дисплеем планшета, айфона или тачскрин монитора. Если на мониторе мы нажимаем на иконку стилусом или пальцем, то здесь для этого используется область поверхности платы размером с иконку Windows касание которой производится только пальцем, стилус исключается. Основа модуля микросхема TTP223-BA6 . Есть индикатор питания.

Управление ритмом воспроизведения мелодии

При установке в прибор сенсорную область поверхности платы модуля закрывают тонким слоем стеклотекстолита, пластмассы, стекла иди дерева. К преимуществам емкостной сенсорной кнопки относится большой срок службы и возможность герметизации передней панели прибора, антивандальные свойства. Это позволяет использовать датчик касания в работающих на открытом воздухе приборах в условиях прямого попадания капель воды. Например, кнопка дверного звонка или бытовые приборы. Интересно применение в оборудовании умный дом - замена выключателей освещения.

Характеристики

Напряжение питания 2,5 - 5,5 В
Время отклика на касание в различных режимах потребления тока
низкое 220 мс
обычное 60 мс
Выходной сигнал
Напряжение
высокий лог. уровень 0,8 Х напряжение питания
низкий лог. уровень 0,3 Х напряжение питания
Ток при питании 3 В и логических уровнях, мА
низкий 8
высокий -4
Размеры платы 28 x 24 x 8 мм

Контакты и сигнал

Нет касания - выходной сигнал имеет низкий логический уровень, касание - на выходе датчика логическая единица.

Почему это работает или немного теории

Тело человека, как и все что нас окружает, обладает электрическими характеристиками. При срабатывании датчика прикосновения проявляются наши емкость, сопротивление, индуктивность. На нижней стороне платы модуля расположен участок фольги соединенный с входом микросхемы. Между пальцем оператора и фольгой на нижней стороне расположен слой диэлектрика - материал несущей основы печатной платы модуля. В момент касания происходит заряд тела человека микроскопическим током, протекающим через конденсатор, образованный участком фольги и пальцем человека. При упрощенном рассмотрении ток протекает через два последовательно соединенных конденсатора: фольга, палец находящихся на противоположных поверхностях платы и тело человека. Поэтому если поверхность платы закрыть тонким слоем изолятора, то это приведет к увеличению толщины слоя диэлектрика конденсатора фольга-палец и не нарушит работу модуля.
Микросхема TTP223-BA6 фиксирует ничтожный импульс микротока и регистрирует прикосновение. Благодаря свойствам микросхемы работать с такими токами никакого вреда такая технология не наносит. Когда мы касаемся корпуса работающего телевизора или монитора через нас проходят микротоки большей величины.

Режим пониженного потребления

После подачи питания датчик касания находится в режиме пониженного энергопотребления. После срабатывания на 12 секунд модуль переходит в обычный режим. Если далее касание не произошло, то модуль вернется в режим пониженного потребления тока. Скорость реакции модуля на касание в различных режимах приведена в характеристиках выше.

Работа совместно с Arduino UNO

Загрузите в Arduino UNO следующую программу.

#define ctsPin 2 // Контакт подключения линии сигнала датчика касания
int ledPin = 13; // Контакт для светодиода

Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(ctsPin, INPUT);
}

Void loop() {
int ctsValue = digitalRead(ctsPin);
if (ctsValue == HIGH){
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("TOUCHED");
}
else{
digitalWrite(ledPin,LOW);
Serial.println("not touched");
}
delay(500);
}

Соедините датчик касания и Arduino UNO как показано на рисунке. Схему можно дополнить включающимся при касании датчика светодиодом, подключенным через резистор 430 Ом к контакту 13. Сенсорные кнопки часто оснащают индикатором касания. Так удобней работать оператору. При нажатии на механическую кнопку мы чувствуем щелчок независимо от реакции системы. Здесь новизна технологии немного удивляет из-за нашей моторики сложившейся годами. Индикатор нажатия избавляет нас от излишнего ощущения новизны.

Наверное уже никому в наше время не нужно объяснять, что такое тачпад? Этим удобным манипулятором снабжены все современные ноутбуки. Вместо джойстика или мышки, для перемещения курсора и кликов мы используем тачпад, или, по-научному, сенсорную панель.

В этом уроке мы будем работать с простым ёмкостным датчиком, который позволяет отследить всего одно касание (вот он, на рисунке справа). Наша задача, связать касание датчика пальцем с каким-нибудь действием, скажем, с излучением звука зуммером. Трогаем датчик — зуммер пищит. Не трогаем — молчит.

Для решения этой задачи нам понадобится соединить вместе контроллер Ардуино Уно, зуммер, и, собственно, сам датчик. В качестве последнего будем использовать небольшую платку на базе сенсорного чипа TTP223. Для питания устройства годится напряжение в диапазоне от 2 до 5.5 Вольт.

Данный датчик является цифровым, а значит он выдает только одно из двух возможных значений: истина или ложь. В электронике это соответствует высокому и низкому уровню напряжения, соответственно.

1. Подключение

Использованный нами в уроке ёмкостный датчик имеет три контакта:

• VCC — питание +5В;
• GND — земля;
• OUT — сигнал.

Как и все прочие цифровые датчики, линию OUT мы подключаем к любому свободному цифровому входу Ардуино Уно. Традиционно, используем для работы с датчиком вход №2. Получившаяся схема будет иметь вид:

Внешний вид макета

2. Программа

Теперь попробуем оживить всё это. Все что нам потребуется — это считывать состояние вывода №2 на каждом такте программы, и в зависимости от полученного значения, включать или выключать зуммер. Вот что у нас получается:

Int capPin = 2; int buzzPin = 11; void setup() { pinMode(capPin, INPUT); pinMode(buzzPin, OUTPUT); } void loop() { if(digitalRead(capPin)) digitalWrite(buzzPin, HIGH); else digitalWrite(buzzPin, LOW); }

Наконец, записываем программу на Ардуино Уно, и смотрим что получилось!