Kraft, mekanisk stress og berøringssensorer. Stort leksikon om olje og gass
En kapasitiv sensor er en av typene berøringsfrie sensorer, hvis prinsipp er basert på en endring i dielektrisitetskonstanten til mediet mellom to kondensatorplater. Den ene platen er en kretssensor i form av en metallplate eller ledning, og den andre er en elektrisk ledende substans, som metall, vann eller menneskekroppen.
Ved utvikling av et system automatisk start vannforsyning til toalettet for et bidet, ble det nødvendig å bruke kapasitiv sensor tilstedeværelse og bryter å ha høy pålitelighet, motstand mot endringer i ytre temperatur, fuktighet, støv og forsyningsspenning. Jeg ønsket også å eliminere behovet for at en person skulle berøre kontrollene til systemet. Kravene kunne bare gis av sensorkretser som opererer etter prinsippet om kapasitansendring. Ferdig opplegg tilfredsstillende nødvendige krav Jeg fant den ikke, så jeg måtte utvikle den selv.
Resultatet ble en universell kapasitiv berøringssensor som ikke krever justering og reagerer på nærmer seg elektrisk ledende objekter, inkludert en person, i en avstand på opptil 5 cm. Omfanget av den foreslåtte berøringssensoren er ikke begrenset. Den kan for eksempel brukes til å slå på belysning, systemer innbruddsalarm, bestemme vannstanden og i mange andre tilfeller.
Elektriske kretsskjemaer
To kapasitive berøringssensorer var nødvendig for å kontrollere vannstrømmen i toalettbideten. En sensor måtte installeres direkte på toalettet, den måtte gi et logisk nullsignal i nærvær av en person, og i fravær av et logisk enhetssignal. Den andre kapasitive sensoren skulle tjene som en vannbryter og være i en av to logiske tilstander.
Når en hånd ble brakt til sensoren, måtte sensoren endre den logiske tilstanden ved utgangen - fra den opprinnelige enkelttilstanden til å gå til tilstanden logisk null, når hånden ble berørt igjen fra nulltilstanden for å gå til tilstanden av logisk. Og så videre i det uendelige, helt til sensorbryteren mottar et logisk nullaktiveringssignal fra tilstedeværelsessensoren.
Kapasitiv berøringssensorkrets
Grunnlaget for den kapasitive berøringsnærværssensorkretsen er en master firkantbølgegenerator, laget iht klassisk mønster på to logiske elementer av brikken D1.1 og D1.2. Oscillatorfrekvensen bestemmes av verdiene til elementene R1 og C1 og velges ved omtrent 50 kHz. Frekvensverdien har praktisk talt ingen innvirkning på driften av den kapasitive sensoren. Jeg endret frekvensen fra 20 til 200 kHz og merket ikke visuelt noen effekt på driften av enheten.
Med 4 brikker utgang D1.2 signal rektangulær form gjennom motstanden R2 går inn inngangene 8, 9 til D1.3-brikken og gjennom den variable motstanden R3 til inngangene 12.13 D1.4. Signalet kommer til inngangen til D1.3-brikken med en liten endring i helningen på pulsfronten pga. installert sensor, som er et stykke ledning eller en metallplate. På inngangen D1.4, på grunn av kondensatoren C2, endres fronten for tiden som kreves for å lade den opp. På grunn av tilstedeværelsen av en avstemningsmotstand R3, er det mulig å sette pulsfrontene på inngang D1.4 lik pulsfronten på inngang D1.3.
Hvis du tar med hånden eller metallgjenstand, da vil kapasitansen ved inngangen til DD1.3-mikrokretsen øke og fronten av den innkommende pulsen vil bli forsinket i tid, i forhold til fronten av pulsen som ankommer inngangen til DD1.4. for å "fange" denne forsinkelsen, mates ca inverterte pulser til DD2.1-brikken, som er en D-flip-flop som fungerer på følgende måte. På den positive kanten av pulsen som ankommer inngangen til mikrokretsen C, sendes signalet som var på inngangen D i det øyeblikket til utgangen til utløseren. Derfor, hvis signalet på inngangen D ikke endres, vil innkommende pulser på telleinngangen C påvirker ikke nivået på utgangssignalet. Denne egenskapen til D-utløseren gjorde det mulig å lage en enkel kapasitiv berøringssensor.
Når kapasitansen til antennen, på grunn av menneskekroppens tilnærming til den, ved inngangen til DD1.3 øker, blir pulsen forsinket, og dette fikses av D-utløseren, og endrer utgangstilstanden. HL1 LED tjener til å indikere tilstedeværelsen av forsyningsspenning, og HL2 for å indikere nærheten til berøringssensoren.
Berøringsbryterkrets
Den kapasitive berøringssensorkretsen kan også brukes til å betjene berøringsbryteren, men med litt raffinement, siden den ikke bare trenger å svare på tilnærmingen til menneskekroppen, men også forbli i en stabil tilstand etter fjerning av hånden . For å løse dette problemet var det nødvendig å legge til en annen D-utløser, DD2.2, til utgangen til berøringssensoren, koblet i henhold til divider-by-to-kretsen.
Den kapasitive sensorkretsen har blitt litt modifisert. For å eliminere falske positiver, siden en person kan bringe og fjerne hånden sakte, på grunn av tilstedeværelsen av interferens, kan sensoren sende ut flere pulser til telleinngangen D på utløseren, og bryte den nødvendige bryteroperasjonsalgoritmen. Derfor ble det lagt til en RC-kjede av elementene R4 og C5, som i en kort periode blokkerte muligheten for å bytte D-utløseren.
Triggeren DD2.2 fungerer på samme måte som DD2.1, men signalet til inngangen D leveres ikke fra andre elementer, men fra den inverse utgangen til DD2.2. Som et resultat, på den positive kanten av pulsen som ankommer inngang C, endres signalet ved inngang D til det motsatte. For eksempel, hvis det i den opprinnelige tilstanden var en logisk null ved pinne 13, vil utløseren byttes og en logisk enhet settes til pinne 13 ved å føre hånden til sensoren én gang. Neste gang sensoren påvirkes, vil en logisk null igjen settes på pinne 13.
For å blokkere bryteren i fravær av en person på toalettet, leveres en logisk enhet fra sensoren til inngangen R (innstilling null ved utløserutgangen, uavhengig av signalene på alle dens andre innganger) til DD2.2 mikrokretsen . Ved utgangen av den kapasitive bryteren settes en logisk null, som mates gjennom selen til bunnen av brytertransistoren magnetventil i strømforsyningen og koblingsenheten.
Motstand R6, i fravær av et blokkeringssignal fra den kapasitive sensoren i tilfelle feil eller brudd i kontrollledningen, blokkerer utløseren ved inngang R, og eliminerer dermed muligheten for spontan vanntilførsel til bidet. Kondensator C6 beskytter inngang R mot forstyrrelser. LED HL3 tjener til å indikere vannforsyningen i bidet.
Struktur og detaljer av kapasitive berøringssensorer
Da jeg begynte å designe et bidetsensorsystem, virket den vanskeligste oppgaven for meg å være utviklingen av en kapasitiv tilstedeværelsessensor. Dette skyldtes en rekke restriksjoner på installasjon og drift. Jeg ville ikke at sensoren skulle kobles mekanisk til toalettlokket, siden den må fjernes med jevne mellomrom for vask og ikke forstyrret sanitisering selve toalettet. Derfor valgte jeg kapasitansen som det reagerende elementet.
Tilstedeværelsessensor
I henhold til ovennevnte publiserte skjema laget jeg en prototype. Detaljene til den kapasitive sensoren er satt sammen på et trykt kretskort, kortet er plassert i en plastboks og lukkes med et lokk. For å koble til antennen er det installert en enkeltpinners kontakt i huset, og en firepinners RSh2N-kontakt er installert for å levere forsyningsspenning og signal. PCB koblet til loddekontakter kobberledere i PTFE-isolasjon.
Den kapasitive berøringssensoren er satt sammen på to mikrokretser i KR561-serien, LE5 og TM2. I stedet for KR561LE5-brikken kan du bruke KR561LA7. Chips av 176-serien, importerte analoger, er også egnet. Motstander, kondensatorer og lysdioder passer til alle typer. Kondensator C2, for stabil drift av den kapasitive sensoren ved drift under forhold med store temperatursvingninger miljø du må ta med en liten TKE.
Sensoren er installert under toalettets plattform, som den er installert på dreneringstank på et sted der det ved lekkasje fra tanken ikke kan komme inn vann. Sensorkroppen limes til toalettskålen med dobbeltsidig tape.
Antennesensoren til den kapasitive sensoren er et stykke kobbertråd 35 cm lang i PTFE-isolasjon, limt med gjennomsiktig tape til ytterveggen av toalettskålen en centimeter under glassplanet. Sensoren er godt synlig på bildet.
For å justere følsomheten til berøringssensoren, er det nødvendig, etter å ha installert den på toalettet, ved å endre motstanden til innstillingsmotstanden R3 for å få HL2 LED til å slukke. Deretter legger du hånden på toalettlokket over plasseringen av sensoren, HL2 LED skal lyse, hvis du fjerner hånden, slukker du. Siden det menneskelige låret i massevis flere hender, så under drift vil berøringssensoren, etter en slik innstilling, fungere garantert.
Designet og detaljene til den kapasitive berøringsbryteren
Den kapasitive berøringsbryterkretsen har mer informasjon og en bolig var nødvendig for å romme dem større størrelse og av estetiske grunner, utseende huset som tilstedeværelsessensoren var plassert i var lite egnet for montering på et iøynefallende sted. rj-11-veggkontakten for å koble til telefonen trakk oppmerksomheten til seg selv. Den passer til størrelsen og ser bra ut. Etter å ha fjernet alt overflødig fra stikkontakten, plasserte jeg det trykte kretskortet til den kapasitive berøringsbryteren i den.
For fiksering trykt kretskort et kort stativ ble installert ved bunnen av saken og et trykt kretskort med berøringsbryterdeler ble skrudd fast med en skrue.
Den kapasitive sensorsensoren ble laget ved å lime et ark messing til bunnen av stikkontaktdekselet med Moment-lim, etter å ha kuttet ut et vindu for lysdiodene i dem. Når lokket er lukket, kommer fjæren (tatt fra en flintlighter) i kontakt med messingplaten og gir dermed elektrisk kontakt mellom kretsen og sensoren.
Den kapasitive berøringsbryteren festes til veggen ved hjelp av en selvskruende skrue. For dette er det gitt et hull i kroppen. Deretter er brettet, kontakten installert og dekselet festes med låser.
Innstillingen av den kapasitive bryteren er praktisk talt den samme som innstillingen til nærværssensoren beskrevet ovenfor. For tuning må du legge på forsyningsspenningen og justere motstanden slik at HL2 LED lyser når en hånd føres til sensoren, og slukker når den fjernes. Deretter må du aktivere berøringssensoren og ta og ta hånden til brytersensoren. HL2 LED skal blinke og den røde HL3 LED skal lyse. Når hånden fjernes, skal den røde LED-en forbli tent. Når hånden løftes opp igjen eller kroppen fjernes fra sensoren, skal HL3-LED-en gå ut, det vil si å slå av vanntilførselen i bidet.
Universal PCB
De kapasitive sensorene presentert ovenfor er satt sammen på kretskort, som er litt forskjellige fra kretskortet vist på bildet nedenfor. Dette skyldes kombinasjonen av begge kretskortene til ett universelt. Hvis du monterer berøringsbryteren, trenger du bare å kutte spor nummer 2. Hvis du monterer tilstedeværelsessensoren, fjernes spor nummer 1 og ikke alle elementer er installert.
Elementene som er nødvendige for driften av berøringsbryteren, men som forstyrrer driften av tilstedeværelsessensoren, R4, C5, R6, C6, HL2 og R4, er ikke installert. I stedet for R4 og C6 loddes trådhoppere. Kjedet R4, C5 kan stå igjen. Det vil ikke påvirke arbeidet.
Nedenfor er en tegning av et trykt kretskort for rifling ved bruk av den termiske metoden for å påføre spor på folien.
Det er nok å skrive ut tegningen på glanset papir eller kalkerpapir, og malen er klar for produksjon av et trykt kretskort.
Problemfri drift av kapasitive sensorer for berøringskontrollsystemet for vannforsyning i bidet har blitt bevist i praksis for tre års kontinuerlig drift. Ingen feil ble registrert.
Jeg vil imidlertid merke meg at kretsen er følsom for kraftig impulsstøy. Jeg mottok en e-post der jeg ba om hjelp med oppsett. Det viste seg at under feilsøkingen av kretsen var det et loddejern med en tyristortemperaturkontroller i nærheten. Etter å ha slått av loddebolten, fungerte kretsen.
Det var en annen sak. Den kapasitive sensoren ble installert i lampen, som var koblet til samme stikkontakt som kjøleskapet. Når du slår den på, tennes lyset og når du slår den av igjen. Problemet ble løst ved å koble lampen til en annen stikkontakt.
Et brev kom om vellykket bruk av den beskrevne kapasitive sensorkretsen for justering av vannstanden i oppbevaringstank fra plast. I nedre og øvre del ble det limt med silikon langs sensoren, som styrte av og på den elektriske pumpen.
Berøringssensor for Arduino
Modulen er en berøringsknapp; et digitalt signal genereres ved utgangen, hvis spenning tilsvarer nivåene av logiske enere og null. Refererer til kapasitive berøringssensorer. Vi møter slike inndataenheter når vi jobber med visning av et nettbrett, iPhone eller en berøringsskjerm. Hvis vi trykker på ikonet på skjermen med en pekepenn eller en finger, bruker vi for dette et område av tavleoverflaten på størrelse med et Windows-ikon, som bare berøres av en finger, pekepennen er ekskludert. Grunnlaget for modulen er TTP223-BA6-brikken. Det er en strømindikator.
Rytmekontroll for melodiavspilling
Når den er installert i enheten, er sensorområdet på modulkortets overflate dekket med et tynt lag av glassfiber, plast, glass eller tre. Fordelene med en kapasitiv berøringsknapp inkluderer lang levetid og muligheten for å forsegle frontpanelet på enheten, anti-vandalegenskaper. Dette gjør at berøringssensoren kan brukes i utendørs apparater i direkte kontakt med vanndråper. For eksempel en ringeklokkeknapp eller Hvitevarer. Interessant bruk i utstyr smart hus- utskifting av lysbrytere.
Kjennetegn
Forsyningsspenning 2,5 - 5,5 V
Berøringsresponstid i ulike strømforbruksmoduser
lav 220 ms
typisk 60 ms
Utgangssignal
Spenning
høy stokk. nivå 0,8 X forsyningsspenning
lav stokk. nivå 0,3 X forsyningsspenning
Strøm ved 3 V forsynings- og logikknivåer, mA
lav 8
høy -4
Bordmål 28 x 24 x 8 mm
Kontakter og signal
Ingen berøring - utgangssignalet har et lavt logisk nivå, berør - en logisk enhet ved sensorutgangen.
Hvorfor det fungerer eller en teori
Menneskekroppen, som alt som omgir oss, har elektriske egenskaper. Når berøringssensoren utløses, vises vår kapasitans, motstand, induktans. På undersiden av modulkortet er det en seksjon av folie koblet til inngangen til mikrokretsen. Mellom operatørens finger og folien på undersiden er det et dielektrisk lag - materialet til bærebunnen til modulens trykte kretskort. I kontaktøyeblikket lades menneskekroppen med en mikroskopisk strøm som strømmer gjennom en kondensator dannet av et stykke folie og en menneskelig finger. I et forenklet syn flyter strømmen gjennom to kondensatorer koblet i serie: en folie, en finger plassert på motsatte overflater av brettet, og menneskekroppen. Derfor, hvis overflaten på brettet er dekket med et tynt lag isolator, vil dette føre til en økning i tykkelsen på det dielektriske laget til folie-fingerkondensatoren og vil ikke forstyrre driften av modulen.
TTP223-BA6-mikrokretsen fanger opp en liten mikrostrømpuls og registrerer en berøring. På grunn av egenskapene til mikrokretsen, forårsaker denne teknologien ingen skade for å arbeide med slike strømmer. Når vi berører etuiet til en fungerende TV eller skjerm, passerer mikrostrømmer av større størrelse gjennom oss.
Lavstrømsmodus
Etter at strømmen er satt på, er berøringssensoren i en lavstrømsmodus. Etter utløsning i 12 sekunder går modulen over i normal modus. Hvis ytterligere kontakt ikke oppstår, vil modulen gå tilbake til redusert strømforbruksmodus. Responshastigheten til modulen for å berøre i ulike moduser er gitt i spesifikasjonene ovenfor.
Jobbe med Arduino UNO
Last ned følgende program til Arduino UNO.
#define ctsPin 2 // Kontakt for tilkobling av berøringssensorens signallinje
int ledPin = 13; // Pin for LED
Ugyldig oppsett() (
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(ctsPin, INPUT);
}
void loop() (
int ctsValue = digitalRead(ctsPin);
if (ctsValue == HØY)(
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("TOUCHED");
}
ellers(
digitalWrite(ledPin,LOW);
Serial.println("ikke rørt");
}
forsinkelse(500);
}
Koble til berøringssensoren og Arduino UNO som vist. Kretsen kan suppleres med en LED som tennes ved berøring av sensoren, koblet gjennom en 430 Ohm motstand til pinne 13. Berøringsknapper er ofte utstyrt med berøringsindikator. Dette gjør det lettere for operatøren å jobbe. Når en mekanisk knapp trykkes inn, føler vi et klikk uavhengig av reaksjonen til systemet. Her er nyheten i teknologien litt overraskende på grunn av våre motoriske ferdigheter som har utviklet seg gjennom årene. Trykkindikatoren redder oss fra en overdreven følelse av nyhet.
Elektor 2008 №7-8
Driften av kapasitive berøringssensorer er basert på den elektriske kapasitansen til menneskekroppen. For eksempel, når en finger bringes nær sensoren, skaper dette en kapasitans mellom sensoren og bakken, som ligger i området 30 ... 100 pF. Denne effekten kan brukes i nærhetssensorer og berøringsbrytere.
Berøringskapasitive sensorer har åpenbare fordeler i forhold til andre sensorer (for eksempel utløst av 50/60 Hz interferens eller måling av motstand), men de er mer arbeidskrevende å implementere. Chipprodusenter som Microchip har laget tilpassede IC-er for dette formålet tidligere. Men selv nå er det mulig å lage en pålitelig kapasitiv detektor og/eller bryter med kun et lite antall standardkomponenter.
I denne kretsen oppdager vi endringer i signalpulsbredden som oppstår når en kontakt berøres. I figur 1 kan følgende noder vurderes (fra venstre til høyre):
Ris. 1. IC1 - 561TL1
Rektangulær pulsgenerator, laget på Schmitt-utløseren (IC CD4093);
RC-krets med quenching-diode etterfulgt av Schmitt trigger/terminalplate med 470 pF isolasjonskondensator;
- Integrerende RC-krets som konverterer endringer i pulsbredde til spenning. Denne spenningen ligger i området 2,9 ... 3,2 volt når platen berøres, og 2,6 volt ellers.
- LM 339-komparatoren brukes til å sammenligne spenningen i punkt C med referansespenningen ved punkt D. Sistnevnte er ca 2,8 V og stilles inn av en spenningsdeler.
Så snart sensorplaten berøres, vil utgangen til kretsen bli aktiv. For å forklare driften av kretsen viser figur 2 bølgeformer av signaler i forskjellige punkter. Den stiplede linjen viser tilstanden når sensorplaten berøres, den heltrukne linjen viser når det ikke er noen berøring.
Ris. 2. Oscillogrammer av signaler på forskjellige punkter.
Referansespenningen ved punkt D justeres én gang ved hjelp av deleren R4/R5 (ved å endre verdien til R4). Størrelsen på denne spenningen er svært avhengig av overflatearealet til sensorplaten (vanligvis noen få kvadratcentimeter). Stort torg overflaten på platen øker kapasitansen og spenningen i punkt C vil likevel være større enn spenningen når platene ikke berørte. Referansespenningen i punkt D bør settes nærmere 3,4 V. Berøringssensoren kan også fungere med plater stort område(du kan for eksempel bruke hele kroppen som sensor).
Utgangssignalet kan brukes til å slå på ulike belastninger. I mange tilfeller anbefales det å legge til én Schmitt-trigger til utgangen, spesielt hvis utgangen er koblet til en digital inngang.
Wim Abuys
Ris. 4. Plasseringen av komponentene på kretskortet.
Ris. 5. PCB.
Ris. 6. Trykt kretskort (speilbilde).
En kapasitiv sensor er en av typene berøringsfrie sensorer, hvis prinsipp er basert på en endring i dielektrisitetskonstanten til mediet mellom to kondensatorplater. Den ene platen er en kretssensor i form av en metallplate eller ledning, og den andre er en elektrisk ledende substans, som metall, vann eller menneskekroppen.
Ved utvikling av et system for automatisk å slå på vannforsyningen til toalettskålen for et bidet, ble det nødvendig å bruke en kapasitiv tilstedeværelsessensor og en bryter med høy pålitelighet, motstand mot endringer i ekstern temperatur, fuktighet, støv og forsyningsspenning. Jeg ønsket også å eliminere behovet for at en person skulle berøre kontrollene til systemet. Kravene kunne bare gis av sensorkretser som opererer etter prinsippet om kapasitansendring. Jeg fant ikke et ferdig opplegg som tilfredsstilte de nødvendige kravene, jeg måtte utvikle det selv.
Resultatet ble en universell kapasitiv berøringssensor som ikke krever justering og reagerer på nærmer seg elektrisk ledende objekter, inkludert en person, i en avstand på opptil 5 cm. Omfanget av den foreslåtte berøringssensoren er ikke begrenset. Den kan for eksempel brukes til å slå på belysning, alarmsystemer, oppdage vannstand og i mange andre tilfeller.
Elektriske kretsskjemaer
To kapasitive berøringssensorer var nødvendig for å kontrollere vannstrømmen i toalettbideten. En sensor måtte installeres direkte på toalettet, den måtte gi et logisk nullsignal i nærvær av en person, og i fravær av et logisk enhetssignal. Den andre kapasitive sensoren skulle tjene som en vannbryter og være i en av to logiske tilstander.
Når en hånd ble brakt til sensoren, måtte sensoren endre den logiske tilstanden ved utgangen - fra den opprinnelige enkelttilstanden til å gå til tilstanden logisk null, når hånden ble berørt igjen fra nulltilstanden for å gå til tilstanden av logisk. Og så videre i det uendelige, helt til sensorbryteren mottar et logisk nullaktiveringssignal fra tilstedeværelsessensoren.
Kapasitiv berøringssensorkrets
Grunnlaget for kretsen til den kapasitive sensoren tilstedeværelsessensor er den rektangulære masterpulsgeneratoren, laget i henhold til det klassiske skjemaet på to logiske elementer i mikrokretsen D1.1 og D1.2. Oscillatorfrekvensen bestemmes av verdiene til elementene R1 og C1 og velges ved omtrent 50 kHz. Frekvensverdien har praktisk talt ingen innvirkning på driften av den kapasitive sensoren. Jeg endret frekvensen fra 20 til 200 kHz og merket ikke visuelt noen effekt på driften av enheten.
Fra de 4 utgangene til D1.2-brikken mates et rektangulært signal gjennom motstanden R2 til inngangene 8, 9 til D1.3-brikken og gjennom den variable motstanden R3 til inngangene 12.13 D1.4. Signalet kommer til inngangen til D1.3-brikken med en liten endring i helningen til pulsfronten på grunn av den installerte sensoren, som er et stykke ledning eller en metallplate. På inngangen D1.4, på grunn av kondensatoren C2, endres fronten for tiden som kreves for å lade den opp. På grunn av tilstedeværelsen av en avstemningsmotstand R3, er det mulig å sette pulsfrontene på inngang D1.4 lik pulsfronten på inngang D1.3.
Hvis du bringer en hånd eller en metallgjenstand nærmere antennen (berøringssensor), vil kapasitansen ved inngangen til DD1.3-mikrokretsen øke og fronten av den innkommende pulsen vil bli forsinket i tid i forhold til fronten av puls kommer til inngangen til DD1.4. for å "fange" denne forsinkelsen, mates ca inverterte pulser til DD2.1-brikken, som er en D-flip-flop som fungerer som følger. På den positive kanten av pulsen som ankommer inngangen til mikrokretsen C, sendes signalet som var på inngangen D i det øyeblikket til utgangen til utløseren. Derfor, hvis signalet på inngangen D ikke endres, vil innkommende pulser på telleinngangen C påvirker ikke nivået på utgangssignalet. Denne egenskapen til D-utløseren gjorde det mulig å lage en enkel kapasitiv berøringssensor.
Når kapasitansen til antennen, på grunn av menneskekroppens tilnærming til den, ved inngangen til DD1.3 øker, blir pulsen forsinket, og dette fikses av D-utløseren, og endrer utgangstilstanden. HL1 LED tjener til å indikere tilstedeværelsen av forsyningsspenning, og HL2 for å indikere nærheten til berøringssensoren.
Berøringsbryterkrets
Den kapasitive berøringssensorkretsen kan også brukes til å betjene berøringsbryteren, men med litt raffinement, siden den ikke bare trenger å svare på tilnærmingen til menneskekroppen, men også forbli i en stabil tilstand etter fjerning av hånden . For å løse dette problemet var det nødvendig å legge til en annen D-utløser, DD2.2, til utgangen til berøringssensoren, koblet i henhold til divider-by-to-kretsen.
Den kapasitive sensorkretsen har blitt litt modifisert. For å eliminere falske positiver, siden en person kan bringe og fjerne hånden sakte, på grunn av tilstedeværelsen av interferens, kan sensoren sende ut flere pulser til telleinngangen D på utløseren, og bryte den nødvendige bryteroperasjonsalgoritmen. Derfor ble det lagt til en RC-kjede av elementene R4 og C5, som i en kort periode blokkerte muligheten for å bytte D-utløseren.
Triggeren DD2.2 fungerer på samme måte som DD2.1, men signalet til inngangen D leveres ikke fra andre elementer, men fra den inverse utgangen til DD2.2. Som et resultat, på den positive kanten av pulsen som ankommer inngang C, endres signalet ved inngang D til det motsatte. For eksempel, hvis det i den opprinnelige tilstanden var en logisk null ved pinne 13, vil utløseren byttes og en logisk enhet settes til pinne 13 ved å føre hånden til sensoren én gang. Neste gang sensoren påvirkes, vil en logisk null igjen settes på pinne 13.
For å blokkere bryteren i fravær av en person på toalettet, leveres en logisk enhet fra sensoren til inngangen R (innstilling null ved utløserutgangen, uavhengig av signalene på alle dens andre innganger) til DD2.2 mikrokretsen . En logisk null er satt ved utgangen til den kapasitive bryteren, som mates gjennom selen til bunnen av nøkkeltransistoren for å slå på magnetventilen i strøm- og koblingsenheten.
Motstand R6, i fravær av et blokkeringssignal fra den kapasitive sensoren i tilfelle feil eller brudd i kontrollledningen, blokkerer utløseren ved inngang R, og eliminerer dermed muligheten for spontan vanntilførsel til bidet. Kondensator C6 beskytter inngang R mot forstyrrelser. LED HL3 tjener til å indikere vannforsyningen i bidet.
Struktur og detaljer av kapasitive berøringssensorer
Da jeg begynte å designe et bidetsensorsystem, virket den vanskeligste oppgaven for meg å være utviklingen av en kapasitiv tilstedeværelsessensor. Dette skyldtes en rekke restriksjoner på installasjon og drift. Jeg ville ikke at sensoren skulle kobles mekanisk til toalettlokket, siden den må fjernes med jevne mellomrom for vask, og ikke forstyrret desinfiseringen av selve toalettet. Derfor valgte jeg kapasitansen som det reagerende elementet.
Tilstedeværelsessensor
I henhold til ovennevnte publiserte skjema laget jeg en prototype. Detaljene til den kapasitive sensoren er satt sammen på et trykt kretskort, kortet er plassert i en plastboks og lukkes med et lokk. For å koble til antennen er det installert en enkeltpinners kontakt i huset, og en firepinners RSh2N-kontakt er installert for å levere forsyningsspenning og signal. Kretskortet kobles til kontaktene ved lodding med kobberledere i fluoroplastisk isolasjon.
Den kapasitive berøringssensoren er satt sammen på to mikrokretser i KR561-serien, LE5 og TM2. I stedet for KR561LE5-brikken kan du bruke KR561LA7. Chips av 176-serien, importerte analoger, er også egnet. Motstander, kondensatorer og lysdioder passer til alle typer. Kondensator C2, for stabil drift av den kapasitive sensoren ved drift under forhold med store svingninger i omgivelsestemperaturen, må tas med en liten TKE.
En sensor er installert under toalettplattformen, hvorpå det er installert en avløpstank på et sted der vann ikke kan komme inn ved lekkasje fra tanken. Sensorkroppen limes til toalettskålen med dobbeltsidig tape.
Antennesensoren til den kapasitive sensoren er et stykke kobbertråd 35 cm lang i PTFE-isolasjon, limt med gjennomsiktig tape til ytterveggen av toalettskålen en centimeter under glassplanet. Sensoren er godt synlig på bildet.
For å justere følsomheten til berøringssensoren, er det nødvendig, etter å ha installert den på toalettet, ved å endre motstanden til innstillingsmotstanden R3 for å få HL2 LED til å slukke. Deretter legger du hånden på toalettlokket over plasseringen av sensoren, HL2 LED skal lyse, hvis du fjerner hånden, slukker du. Siden det menneskelige låret er større i masse enn armen, vil berøringssensoren, etter en slik innstilling, fungere garantert under drift.
Designet og detaljene til den kapasitive berøringsbryteren
Den kapasitive berøringsbryterkretsen har flere detaljer og en større koffert var nødvendig for å imøtekomme dem, og av estetiske grunner var utseendet til kofferten som tilstedeværelsessensoren var plassert i lite egnet for installasjon på et iøynefallende sted. rj-11-veggkontakten for å koble til telefonen trakk oppmerksomheten til seg selv. Den passer til størrelsen og ser bra ut. Etter å ha fjernet alt overflødig fra stikkontakten, plasserte jeg det trykte kretskortet til den kapasitive berøringsbryteren i den.
For å fikse det trykte kretskortet ble det installert en kort stolpe ved bunnen av saken, og et trykt kretskort med berøringsbryterdeler ble skrudd fast med en skrue.
Den kapasitive sensorsensoren ble laget ved å lime et ark messing til bunnen av stikkontaktdekselet med Moment-lim, etter å ha kuttet ut et vindu for lysdiodene i dem. Når lokket er lukket, kommer fjæren (tatt fra en flintlighter) i kontakt med messingplaten og gir dermed elektrisk kontakt mellom kretsen og sensoren.
Den kapasitive berøringsbryteren festes til veggen ved hjelp av en selvskruende skrue. For dette er det gitt et hull i kroppen. Deretter er brettet, kontakten installert og dekselet festes med låser.
Innstillingen av den kapasitive bryteren er praktisk talt den samme som innstillingen til nærværssensoren beskrevet ovenfor. For tuning må du legge på forsyningsspenningen og justere motstanden slik at HL2 LED lyser når en hånd føres til sensoren, og slukker når den fjernes. Deretter må du aktivere berøringssensoren og ta og ta hånden til brytersensoren. HL2 LED skal blinke og den røde HL3 LED skal lyse. Når hånden fjernes, skal den røde LED-en forbli tent. Når hånden løftes opp igjen eller kroppen fjernes fra sensoren, skal HL3-LED-en gå ut, det vil si å slå av vanntilførselen i bidet.
Universal PCB
De kapasitive sensorene presentert ovenfor er satt sammen på kretskort, som er litt forskjellige fra kretskortet vist på bildet nedenfor. Dette skyldes kombinasjonen av begge kretskortene til ett universelt. Hvis du monterer berøringsbryteren, trenger du bare å kutte spor nummer 2. Hvis du monterer tilstedeværelsessensoren, fjernes spor nummer 1 og ikke alle elementer er installert.
Elementene som er nødvendige for driften av berøringsbryteren, men som forstyrrer driften av tilstedeværelsessensoren, R4, C5, R6, C6, HL2 og R4, er ikke installert. I stedet for R4 og C6 loddes trådhoppere. Kjedet R4, C5 kan stå igjen. Det vil ikke påvirke arbeidet.
Nedenfor er en tegning av et trykt kretskort for rifling ved bruk av den termiske metoden for å påføre spor på folien.
Det er nok å skrive ut tegningen på glanset papir eller kalkerpapir, og malen er klar for produksjon av et trykt kretskort.
Problemfri drift av kapasitive sensorer for berøringskontrollsystemet for vannforsyning i bidet har blitt bevist i praksis for tre års kontinuerlig drift. Ingen feil ble registrert.
Jeg vil imidlertid merke meg at kretsen er følsom for kraftig impulsstøy. Jeg mottok en e-post der jeg ba om hjelp med oppsett. Det viste seg at under feilsøkingen av kretsen var det et loddejern med en tyristortemperaturkontroller i nærheten. Etter å ha slått av loddebolten, fungerte kretsen.
Det var en annen sak. Den kapasitive sensoren ble installert i lampen, som var koblet til samme stikkontakt som kjøleskapet. Når du slår den på, tennes lyset og når du slår den av igjen. Problemet ble løst ved å koble lampen til en annen stikkontakt.
Et brev kom om vellykket bruk av den beskrevne kapasitive sensorkretsen for justering av vannivået i en plastlagringstank. I nedre og øvre del ble det limt med silikon langs sensoren, som styrte av og på den elektriske pumpen.
KRAFT, MEKANISK STRESS OG BErøringssensorer
I SI-systemet hoved- enheter er masse, lengde og tid, mens kraft og akselerasjon er det derivater enheter. I de britiske og amerikanske enhetssystemene er de grunnleggende enhetene kraft, lengde og tid. Kraftenheten er en av de grunnleggende fysiske mengder. Måling av krefter utføres også under mekanisk forskning, og i sivilingeniør, og ved veiing av gjenstander, og ved fremstilling av proteser, etc. Ved bestemmelse av trykk kreves også en kraftmåling. Det antas at når du arbeider med faste gjenstander, måles kraft, og når du arbeider med væsker og gasser, bestemmes trykket. Dette betyr at kraften vurderes når handlingen påføres et bestemt punkt, og trykket defineres når kraften fordeles over et relativt stort område.
Kraftsensorer kan deles inn i to klasser: kvantitative og kvalitative. Kvantitative sensorer måler kraft og representerer dens verdi i elektriske enheter. Eksempler på slike sensorer er momentceller og strekkmålere. Kvalitetssensorer er terskelenheter hvis funksjon ikke er å kvantifisering kraftverdier, men ved å detektere overskuddet av et gitt nivå av påført kraft. Et eksempel på slike enheter er et datamaskintastatur, der hver tast lukker den tilsvarende kontakten bare når den trykkes med en viss kraft. Sensorer av høy kvalitet brukes ofte til å oppdage bevegelse og posisjon til objekter. En dørmatte som reagerer på trykk på den og en piezoelektrisk kabel er også eksempler på kvalitetstrykksensorer.
Metoder for å måle kraft kan deles inn i følgende grupper:
1. Balansere en ukjent kraft ved hjelp av tyngdekraften til et legeme med kjent masse
2. Måling av akselerasjonen til et legeme med kjent masse, som en ukjent kraft påføres
3. Balansere en ukjent kraft med en elektromagnetisk kraft
4. Konverter kraft til væsketrykk og måling av dette trykket
5. Måling av deformasjon av det elastiske elementet i systemet forårsaket av en ukjent kraft
I moderne sensorer brukes metode 5 oftest, og metode 3 og 4 brukes relativt sjelden.
De fleste sensorer gjør det ikke direkte konvertering kraft til et elektrisk signal. Dette krever vanligvis flere mellomtrinn. Derfor er kraftsensorer som regel sammensatte enheter. For eksempel er en kraftsensor ofte en kombinasjon av en kraft-forskyvningstransduser og en posisjons-(forskyvnings)detektor. Dette kan være en enkel spiralfjær, hvis lengdenedgang, forårsaket av den påførte kompresjonskraften, vil være proporsjonal med dens elastisitetskoeffisient.
Figur 1A viser en sensor bestående av en fjær og en forskyvningsdetektor basert på en lineært justerbar differensialtransformator (LRDT). I det lineære området for endring i lengden på fjæren, er spenningen ved utgangen av LVDT proporsjonal med den påførte kraften. På fig. 1B viser en annen versjon av kraftsensoren, bestående av en korrugert membran fylt med væske, som er direkte påvirket av kraften, og en trykksensor. Den korrugerte membranen, som fordeler kraften ved inngangen over overflaten av det følsomme elementet til trykksensoren, spiller rollen som en kraft-trykk-omformer.
lastecelle er et fleksibelt resistivt føleelement, hvis motstand er proporsjonal med den påførte mekaniske spenningen (tøyningsverdi). Alle strain gauges er basert på den tidligere nevnte piezoresistive effekten. En trådlastcelle er en motstand limt til et fleksibelt underlag, som igjen er festet til et objekt hvor kraft eller spenning måles. I dette tilfellet må det sikres en pålitelig mekanisk forbindelse mellom objektet og det strekkfølende elementet, mens motstandstråden må være elektrisk isolert fra objektet. Koeffisienten for termisk utvidelse av underlaget og ledningen må samsvare. For å oppnå god følsomhet må sensoren ha lange lengdesnitt og korte tverrgående (fig. 2). Dette gjøres slik at følsomheten i tverretningen ikke overstiger 2 % av langsgående følsomhet. For måling av spenninger i forskjellige retninger endre konfigurasjonen av sensorene. Det skal bemerkes at halvlederde tøyningsfølende elementer er ganske følsomme for temperaturendringer, derfor er det nødvendig å sørge for temperaturkompensasjonskretser i grensesnittkretsene eller i selve sensorene.
Taktile sensorer- dette er en spesiell klasse av kraft- eller trykktransdusere, som er preget av en liten tykkelse. Disse sensorene er nyttige når kraft eller trykk måles mellom to overflater som er nær hverandre. Slike sensorer brukes ofte i robotikk, for eksempel er de installert på "fingrene" til mekaniske aktuatorer for å sikre tilbakemelding ved kontakt med en gjenstand - dette minner om hvordan menneskelige huds taktile sensorer fungerer. Berøringssensorer brukes i berøringsskjermer, tastaturer og andre enheter som må reagere på fysisk berøring. Taktile sensorer er mye brukt i biomedisin, for å bestemme bitt av tenner og riktig installasjon av kroner i tannlegepraksis, samt i studiet av trykk på en persons ben når du går. Noen ganger, under proteseoperasjoner, installeres de i kunstige ledd for å justere posisjonen osv. I konstruksjon og mekanisk industri brukes taktile sensorer for å bestemme kreftene som virker på faste enheter.
Flere metoder brukes for å produsere taktile føleelementer. I noen av dem, en spesiell tynt lag materiale som er følsomt for mekanisk påkjenning. På fig. 3 viser en enkel taktil sensor som gir av/på-funksjoner, bestående av to folieark og et avstandsstykke. Runde (eller annen nødvendig form) hull er laget inne i pakningen. Ett av foliearkene er jordet og det andre er koblet til en belastningsmotstand. Hvis det er nødvendig å kontrollere flere sensitive soner, brukes en multiplekser. Når en ekstern kraft påføres topplederen over hullet i pakningen, bøyer den seg og kommer i kontakt med bunnlederen, og får dermed elektrisk kontakt med den, og jorder belastningsmotstanden. I dette tilfellet blir utgangssignalet null, som indikerer den påførte kraften. Topp- og bunnlederne kan screentrykkes med ledende blekk på et underlag. De følsomme sonene til slike sensorer bestemmes av rader og kolonner med blekkmerkede ledere. Berøring i et bestemt område av den følsomme overflaten fører til lukking av den tilsvarende raden og kolonnen, som viser lokaliseringen av den påførte kraften. Gode taktile sensorer oppnås på grunnlag av piezoelektriske filmer, som brukes i både passiv og aktiv modus. Mange taktile sensorer fungerer som berøringsbrytere. I motsetning til tradisjonelle brytere, hvor påliteligheten til kontaktene er sterkt redusert når fuktighet og støv kommer på dem, kan piezoelektriske brytere, på grunn av deres monolitiske design, fungere under ugunstige miljøforhold.
En annen type taktile sensorer er piezoresistiv følsomt element. Den er laget av materialer hvis elektriske motstand avhenger av det påførte mekanisk stress eller trykk. Slike materialer inkluderer ledende elastomerer eller trykkfølsomme pastaer. Ledende elastomerer er laget av silikongummi, polyuretan og andre materialer som inneholder ledende partikler eller fibre. For eksempel oppnås ledende gummi ved å introdusere karbonpulver i vanlig gummi. Prinsippet for drift av elastomere sensorer er enten basert på en endring i kontaktområdet når en elastomer klemmes mellom to ledende plater, eller på en endring i tykkelsen på det elastomere laget. Avhengig av størrelsen ekstern kraft som virker på sensoren, endres området til kontaktsonen mellom klemanordningen og elastomeren, som et resultat av at den elektriske motstanden endres.
Tynnere piezoresistive taktile sensorer er laget av halvlederpolymerer, hvis motstand også avhenger av trykk. Utformingen av slike sensorer ligner en membranbryter. Sammenlignet med strekkmålere har piezoresistive sensorer et bredere dynamisk område.
Piezoelektriske kraftsensorer
De betraktede piezoelektriske taktile sensorene er ikke beregnet for nøyaktige kraftmålinger. Basert på den samme piezoelektriske effekten er det imidlertid også mulig å implementere presisjonskraftsensorer, både aktive og passive. Når du designer slike sensorer, bør det alltid huskes at piezoelektriske enheter ikke kan måle stasjonære prosesser. Dette betyr at piezoelektriske kraftsensorer konverterer kraftendringer til et vekslende elektrisk signal, men de reagerer ikke på noen måte på en konstant ekstern kraft. Siden påførte krefter kan endre noen av materialenes egenskaper, må utformingen av aktive sensorer ta hensyn til den omfattende påvirkningen av eksitasjonssignaler. På fig. 4 viser en variant av den aktive kraftsensoren. Når du utfører kvantitative målinger med slike sensorer, bør det huskes at måleområdet avhenger av den mekaniske resonansfrekvensen til den piezoelektriske krystallen som brukes. Prinsippet for drift av slike sensorer er basert på det faktum at under den mekaniske belastningen av kvartskrystaller av visse seksjoner som brukes som resonatorer i elektroniske generatorer, skifter deres resonansfrekvens.