สัมผัสเซ็นเซอร์สัมผัส แบบแผนและคำอธิบายโดยละเอียด

เซ็นเซอร์สัมผัส (เซ็นเซอร์สัมผัส) มีหลักการทำงานที่แตกต่างกัน เช่น ตัวต้านทาน (ฟิล์มนำไฟฟ้า) ออปติคัล (อินฟราเรด) อะคูสติก (SAW) ตัวเก็บประจุ ฯลฯ โครงการนี้เป็นการทดลองกับเซ็นเซอร์สัมผัสแบบคาปาซิทีฟ เซ็นเซอร์ชนิดนี้รู้จักกันดีว่าเป็นอุปกรณ์ชี้ตำแหน่งที่ใช้ในแท็บเล็ตพีซีและสมาร์ทโฟน

หลักการของเซ็นเซอร์สัมผัส capacitive

เซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความจุที่เกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดจากการถูกวัตถุนำไฟฟ้า เช่น นิ้วปิดบัง มีหลายวิธีในการวัดความจุ โครงการนี้ใช้วิธีการรวมที่ใช้ในเครื่องวัดความจุ การเปลี่ยนแปลงของความจุ Cx ค่อนข้างเล็ก ประมาณ 1pF ถึง 10pF แต่จะตรวจพบได้ง่ายเพราะมิเตอร์วัดความจุมีความละเอียดในการวัดที่ 20pF นอกจากนี้ วัตถุที่จะตรวจจับต้องต่อสายดินเพื่อสร้างวงจร Cx ตามหลักการทำงาน อย่างไรก็ตาม มันทำงานได้ดีแม้ว่าร่างกายมนุษย์จะถูกแยกออกจากโลก อาจเป็นเพราะสาเหตุต่อไปนี้

ฮาร์ดแวร์

ซอฟต์แวร์

ขั้นแรก ปรับเทียบแต่ละจุด (รับเวลาอ้างอิงถึง Cs) จากนั้นเรียกใช้การสแกนในช่วงเวลาคงที่ เมื่อเวลาในการรวมระบบเพิ่มขึ้นและเกินเกณฑ์ ระบบจะตัดสินว่า "ตรวจพบแล้ว" ฮิสเทรีซิสต้องการขีดจำกัด มิฉะนั้นเอาต์พุตจะไม่เสถียรเมื่อแตะครึ่งเดียว เวลาในการวัดสำหรับแต่ละจุดจะเท่ากับเวลารวม ดังนั้นจึงสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว

มิเตอร์วัดความจุจะวัดเวลาการรวมด้วยความละเอียดหนึ่งรอบ (100 ns) ด้วยเครื่องเปรียบเทียบแบบแอนะล็อกและแคลมป์อินพุต อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะนี้ไม่มีอยู่ในพอร์ต I/O ทั้งหมด ในการใช้เซ็นเซอร์สัมผัสบนพอร์ต I/O ใดๆ เวลารวมจะถูกวัดโดยการสำรวจ ซอฟต์แวร์และความละเอียดกลายเป็น 3 รอบ (375ns) ใน สภาพปกติจำนวนครั้งที่รายงานประมาณ 80 และเพียงพอสำหรับปุ่มสัมผัส

บทสรุป

ด้วยเหตุนี้ ฉันสามารถยืนยันได้ว่าเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟสามารถนำไปใช้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ทั่วไปได้อย่างง่ายดาย แผ่นพลาสติกสามารถหนาได้ถึง 1 มม. (ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก) เพื่อประสิทธิภาพที่ดี เมื่อใช้ ATtiny2313 สำหรับโมดูลเซ็นเซอร์สัมผัส จะสามารถมีจุดสัมผัสได้ 15 จุด โปรแกรมควบคุมที่ใช้ในโครงการนี้เป็นการทดลองและไม่ได้รับการทดสอบในสภาพแวดล้อมที่สกปรก เช่น เสียงและการรบกวน ดังนั้นอาจจำเป็นต้องใช้อัลกอริธึมป้องกันเสียงรบกวนสำหรับการใช้งานจริง

รายการองค์ประกอบวิทยุ

หน้า 1

เซ็นเซอร์สัมผัสใช้เพื่อตรวจจับความเป็นจริงของการสัมผัสกับวัตถุ ไมโครสวิตช์ธรรมดาสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์สัมผัสได้ เซ็นเซอร์ความเค้นเชิงกลใช้เพื่อวัดขนาดของแรงที่เกิดขึ้นที่จุดสัมผัส โดยปกติแล้ว สเตรนเกจจะใช้เป็นเซ็นเซอร์ที่วัดแรง

ในเครื่องกลึง เซ็นเซอร์สัมผัสใช้เพื่อควบคุมขนาดของชิ้นงาน ชิ้นส่วนที่กลึง และ ล้ำสมัยเครื่องมือ. ปัญหาของการวินิจฉัยหุ่นยนต์ (ใช้หุ่นยนต์มานุษยวิทยาและพอร์ทัลในตัว กลึงและการทำงานภายนอกในระบบพิกัดทรงกระบอก) ได้รับการพิจารณาในบทที่

ในการวัดการสึกหรอโดยวิธีการโดยตรง จะใช้เซ็นเซอร์สัมผัส ซึ่งจะบันทึกการสึกหรอตามมิติหรือเมื่อเคลื่อนไหว ให้สวมใส่ตาม พื้นผิวด้านหลัง. การออกแบบเซ็นเซอร์แสดงในรูปที่ 4.8, ก. กรณีที่ 4 ได้รับการแก้ไขบนหน่วยที่เคลื่อนย้ายได้ / เครื่องจักร สนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับถูกสร้างขึ้นในขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้ส่วนปลายสั่น เมื่อปลายสัมผัสถูกบล็อก แรงสั่นสะเทือนจะถูกบันทึกไว้ ระบบอิเล็กทรอนิกส์ 8 พร้อมเครื่องขยายเสียง 7 และพิกัดสอดคล้องกับขนาดที่วัดได้ เซ็นเซอร์ได้รับการปกป้องจากชิป มันถูกใช้กับเครื่องจักร CNC และใน GPS ไม่เพียงแต่เพื่อวัดการสึกหรอ แต่ยังเพื่อกำหนดพิกัดจริงของปลายใบมีดเครื่องมือเพื่อแก้ไขโปรแกรมควบคุมโดยอัตโนมัติ

หลักการทำงานของเซ็นเซอร์สัมผัสลวด (เซ็นเซอร์สัมผัส) แสดงในรูปที่ 5.26. หุ่นยนต์จะติดตามพิกัดของจุดฐานสองจุด A และ B โดยอัตโนมัติ ซึ่งกำหนดโดยเซ็นเซอร์สัมผัสบน การเชื่อมต่อมุมตามโปรแกรมที่ปรับแล้ว ค้นหาตำแหน่งที่ต้องการเพื่อเริ่มการเชื่อม (จุด C) หากการเบี่ยงเบนของรอยต่อชนจากตำแหน่งเดิมเกิดจากการเคลื่อนที่ขนานกัน หากการเคลื่อนตัวของข้อต่อก้นจากตำแหน่งเดิมเกิดจากการเคลื่อนที่ขนานกับจุดหมุนที่สัมพันธ์กับจุดเชื่อม ให้แก้ไขโปรแกรมการวางตำแหน่งของหุ่นยนต์หัวเตาใน จุดเริ่มการเชื่อม จำเป็นต้องกำหนดพิกัดของจุดฐานอย่างน้อยสามจุดบนองค์ประกอบการเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์

โดยปกติแล้ว หัวศูนย์จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานของเซ็นเซอร์สัมผัส ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเซ็นเซอร์สัมผัสไฟฟ้า วิทยุ และการสั่นสะเทือน หัวเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าหัวสัมผัส แบ่งออกเป็นสองประเภท: ด้วยตำแหน่งศูนย์ที่เปลี่ยนและคงที่ของปลายการวัด

ให้เราพิจารณาคุณสมบัติของอุปกรณ์ที่ระบุไว้ข้างต้นเมื่อใช้เป็นเซ็นเซอร์สัมผัสในสภาวะเฉพาะของร้านอิเล็กโทรไลต์ปรอท

การตรวจจับอุปกรณ์จับยึดและส่วนควบคุมอื่นๆ ของตัวจัดการนั้นดำเนินการโดยเซ็นเซอร์แรงจับ 6 และเซ็นเซอร์สัมผัส 7 เมื่อ PR โต้ตอบกับสภาพแวดล้อมภายนอก

ส่วนเชื่อมของ PR ประกอบด้วย: เครื่องเชื่อมแนวเชื่อม; ไฟฉายเชื่อม; ขายึด; กลไกการป้อนลวดเชื่อม เซ็นเซอร์สัมผัสชิ้นงานสำหรับการเชื่อม อุปกรณ์ควบคุมเซ็นเซอร์สัมผัส จำนวนเงินที่ต้องการสายเคเบิล; ถังแก๊สเฉื่อยตัวลดขนาดพร้อมเครื่องวัดการไหลและเครื่องทำความร้อนแก๊ส ท่อและแขนเสื้อ

เกี่ยวกับวิธีการขันสกรูเซ็นเซอร์สัมผัส capacitive กับไมโครคอนโทรลเลอร์ ฉันคิดว่าความคิดนี้ค่อนข้างจะมีแนวโน้มที่ดี สำหรับอุปกรณ์บางปุ่มแบบสัมผัสจะพอดีกว่าปุ่มแบบกลไก ในบทความนี้ ผมจะพูดถึงการใช้งานสิ่งนี้ เทคโนโลยีที่มีประโยชน์ขึ้นอยู่กับคณะกรรมการพัฒนา STM32 Discovery

ดังนั้น เมื่อเริ่มฝึกฝน STM32 ให้เชี่ยวชาญ ฉันจึงตัดสินใจทำแบบฝึกหัดเพื่อเพิ่มความสามารถในการตรวจจับการสัมผัสไปยังอุปกรณ์ เมื่อเริ่มจัดการกับทฤษฎีและการปฏิบัติของบทความข้างต้น ฉันทำซ้ำโครงร่างของเพื่อน "ก. มันทำงานได้อย่างสมบูรณ์ แต่ฉันผู้ชื่นชอบความเรียบง่ายต้องการทำให้มันง่ายขึ้นโดยกำจัดองค์ประกอบที่ไม่จำเป็น ในความคิดของฉัน ตัวต้านทานภายนอกและเส้นทางพลังงานกลายเป็นฟุ่มเฟือย ทั้งหมดนี้อยู่ในไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่แล้ว รวมถึง AVR และ STM32 ฉันหมายถึงตัวต้านทานแบบดึงขึ้นของพอร์ต I / O ทำไมไม่ชาร์จบันทึกและนิ้วของเรา ฉันวางวงจรไว้บนเขียงหั่นขนมซึ่งเป็นครั้งแรกที่น่าแปลกใจที่ฉันจับได้ ที่จริง มันไร้สาระด้วยซ้ำที่จะเรียกมันว่าวงจรเพราะทั้งหมดที่เราต้องการก็แค่เชื่อมต่อ หน้าสัมผัสเพลทที่ขาบอร์ด debug ไมโครคอนโทรลเลอร์จะดูแลงานทั้งหมด

โปรแกรมเป็นอย่างไร? ประการแรก สองหน้าที่:
เอาต์พุตแรกไปยังขาเซ็นเซอร์ (ศูนย์พินของรีจิสเตอร์ C) ตรรกะ "0"

โมฆะ Sensor_Ground (เป็นโมฆะ) ( GPIOC->CRL = 0x1; GPIOC->BRR |= 0x1; )

อันที่สองตั้งค่าเอาต์พุตเดียวกันกับอินพุตโดยดึงขึ้นเพื่อจ่ายไฟ

โมฆะ Sensor_InPullUp (เป็นโมฆะ) ( GPIOC->CRL = 0x8; GPIOC->BSRR |= 0x1; )

ในตอนเริ่มต้นของรอบการเลือกตั้ง ให้เรียก Sensor_Ground() และรอสักครู่เพื่อปล่อยประจุที่เหลือทั้งหมดบนเซ็นเซอร์ลงสู่พื้น จากนั้นเรารีเซ็ตตัวแปรการนับ ซึ่งเราจะพิจารณาเวลาในการชาร์จของเซ็นเซอร์และเรียก Sensor_InPullUp()

Sensor_Ground(); ดีเลย์(0xFF); //นับตัวนับว่างอย่างง่าย = 0; Sensor_InPullUp();

ตอนนี้เซ็นเซอร์เริ่มชาร์จผ่านตัวต้านทานแบบดึงขึ้นภายในโดยมีค่าประมาณสิบKΩ ​​(30..50KΩ สำหรับ STM32) ค่าคงที่เวลาของวงจรดังกล่าวจะเท่ากับสองสามรอบ ดังนั้นฉันจึงเปลี่ยนเครื่องสะท้อนเสียงควอตซ์บนกระดานดีบักให้เร็วขึ้น 20 MHz (แต่ฉันไม่ได้สังเกตทันทีว่าควอตซ์เปลี่ยนไป บน STM32 Discovery โดยไม่ต้องบัดกรี) ดังนั้นเราจึงนับรอบโปรเซสเซอร์จนกว่าหน่วยตรรกะจะปรากฏขึ้นที่อินพุต:

ในขณะที่(!(GPIOC->IDR & 0x1)) ( count++; )

หลังจากออกจากลูปนี้ การนับตัวแปรจะเก็บตัวเลขตามสัดส่วนความจุของแผ่นรับความรู้สึก ในกรณีของฉันกับชิป 20MHz นับคือ 1 สำหรับไม่มีแรงกด 7-10 สำหรับการสัมผัสที่เบาที่สุด 15-20 สำหรับการสัมผัสปกติ ยังคงเป็นเพียงการเปรียบเทียบกับค่าเกณฑ์และอย่าลืมเรียก Sensor_Ground() อีกครั้งเพื่อให้เซ็นเซอร์ถูกปล่อยออกมาในรอบการสำรวจถัดไป
ความไวที่ได้นั้นเพียงพอที่จะระบุการสัมผัสบนตัวเปล่าได้อย่างมั่นใจ แพลตฟอร์มโลหะ. เมื่อเซ็นเซอร์ถูกปกคลุมด้วยกระดาษหรือพลาสติก ความไวจะลดลงสามถึงสี่ครั้ง มีเพียงการกดอย่างมั่นใจเท่านั้นที่กำหนดไว้อย่างดี เพื่อเพิ่มความไวในกรณีที่จำเป็นต้องหุ้มเซ็นเซอร์ด้วยวัสดุป้องกัน คุณสามารถเพิ่มความถี่สัญญาณนาฬิกาของไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ ด้วยชิปซีรีส์ STM32F103 ที่สามารถทำงานได้ที่ความถี่สูงถึง 72 MHz แม้แต่สิ่งกีดขวางมิลลิเมตรระหว่างนิ้วและเซ็นเซอร์ก็ไม่รบกวน
เมื่อเทียบกับการใช้งาน "a" วิธีการของฉันเร็วกว่ามาก (ตามคำสั่งของโหลรอบเพื่อสำรวจเซ็นเซอร์ตัวเดียว) ดังนั้นฉันจึงไม่ทำให้โปรแกรมซับซ้อนโดยการตั้งค่าตัวจับเวลาขัดจังหวะ

สุดท้ายเป็นวิดีโอสาธิตการทำงานของเซ็นเซอร์

Main.c ของโปรแกรมทดสอบ

ไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์

ขอบคุณผู้ใช้สำหรับบทความไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F ARM ที่มีประโยชน์มาก เริ่มต้นอย่างรวดเร็วด้วย STM32-Discovery สำหรับผู้ใช้สำหรับแนวคิดและคำอธิบายเชิงทฤษฎีที่เข้าใจได้

ยูพีดี หลังจากความคิดเห็น "a ฉันตัดสินใจที่จะตรวจสอบการตอกบัตรและพบว่าโดยค่าเริ่มต้น STM32 Discovery ถูกตั้งค่าเป็นความถี่สัญญาณนาฬิกา
(HSE / 2) * 6 = 24 MHz โดยที่ HSE คือความถี่ของผลึกภายนอก ดังนั้น การเปลี่ยนควอตซ์จาก 8 เป็น 20 MHz ฉันทำให้ STM ทำงานได้ไม่ดีที่ 60 MHz ดังนั้น ประการแรก ข้อสรุปบางอย่างอาจไม่ถูกต้องทั้งหมด และประการที่สอง สิ่งที่ฉันทำอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของชิป ในกรณี ของความล้มเหลวดังกล่าวในไมโครคอนโทรลเลอร์มีการขัดจังหวะของ HardFault ฉันกำลังตรวจสอบเพิ่มเติม ความถี่สูง. ดังนั้นชิปจึงเริ่มที่จะล้มเหลวที่ 70 MHz เท่านั้น แต่ถึงแม้ว่าตัวควบคุมจะย่อยโปรแกรมนี้ที่ 60 MHz เมื่อใช้อุปกรณ์ต่อพ่วงหรือทำงานกับหน่วยความจำแฟลช มันสามารถทำงานที่คาดไม่ถึงได้ สรุป: ถือว่าหัวข้อนี้เป็นการทดลอง ทำซ้ำเฉพาะในอันตรายและความเสี่ยงของคุณเอง

เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟเป็นหนึ่งในประเภทของเซ็นเซอร์แบบไม่สัมผัสซึ่งหลักการทำงานขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของตัวกลางระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุสองแผ่น หนึ่งซับทำหน้าที่ เซ็นเซอร์สัมผัสวงจรในรูปของแผ่นโลหะหรือลวด และอันที่สองเป็นสารนำไฟฟ้า เช่น โลหะ น้ำ หรือร่างกายมนุษย์

เมื่อพัฒนาระบบ สตาร์ทอัตโนมัติการจ่ายน้ำเข้าห้องน้ำสำหรับโถสุขภัณฑ์ จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์วัดระยะแบบ capacitive และสวิตช์ที่มี ความน่าเชื่อถือสูง, ทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายนอก ความชื้น ฝุ่นละออง และแรงดันไฟฟ้า ฉันยังต้องการขจัดความจำเป็นที่บุคคลต้องสัมผัสส่วนควบคุมของระบบ ข้อกำหนดสามารถทำได้โดยวงจรเซ็นเซอร์ที่ทำงานบนหลักการของการเปลี่ยนแปลงความจุเท่านั้น เสร็จสิ้นโครงการน่าพอใจ ข้อกำหนดที่จำเป็นหาไม่เจอเลยต้องพัฒนาตัวเอง

ผลลัพธ์ที่ได้คือเซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive สากลที่ไม่ต้องการการปรับแต่งและตอบสนองต่อการเข้าใกล้วัตถุที่นำไฟฟ้า รวมถึงบุคคล ที่ระยะห่างสูงสุด 5 ซม. ขอบเขตของเซ็นเซอร์สัมผัสที่เสนอนั้นไม่จำกัด ใช้งานได้ เช่น เปิดไฟ ระบบ สัญญาณกันขโมยการกำหนดระดับน้ำและในหลายกรณี

แผนภาพวงจรไฟฟ้า

จำเป็นต้องใช้เซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive สองตัวเพื่อควบคุมการไหลของน้ำในโถสุขภัณฑ์ ต้องติดตั้งเซ็นเซอร์หนึ่งตัวโดยตรงในห้องน้ำ โดยจะต้องให้สัญญาณศูนย์แบบลอจิคัลต่อหน้าบุคคล และในกรณีที่ไม่มีสัญญาณหน่วยลอจิคัล เซ็นเซอร์ capacitive ตัวที่สองควรทำหน้าที่เป็นสวิตช์น้ำและอยู่ในสถานะตรรกะอย่างใดอย่างหนึ่ง

เมื่อนำมือไปที่เซ็นเซอร์เซ็นเซอร์จะต้องเปลี่ยนสถานะตรรกะที่เอาต์พุต - จากสถานะเดียวเริ่มต้นไปยังสถานะของศูนย์ตรรกะเมื่อมือถูกสัมผัสอีกครั้งจากสถานะศูนย์เพื่อไปยังสถานะ ของตรรกะอย่างใดอย่างหนึ่ง และอื่น ๆ จนกระทั่งสวิตช์เซ็นเซอร์ได้รับสัญญาณเปิดใช้งานศูนย์ตรรกะจากเซ็นเซอร์แสดงตน

วงจรเซ็นเซอร์สัมผัสแบบ Capacitive

พื้นฐานของวงจรเซ็นเซอร์ตรวจจับการสัมผัสแบบ capacitive คือเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมหลักซึ่งทำขึ้นตาม โครงการคลาสสิกบนสององค์ประกอบลอจิกของชิป D1.1 และ D1.2 ความถี่ออสซิลเลเตอร์ถูกกำหนดโดยค่าขององค์ประกอบ R1 และ C1 และเลือกที่ประมาณ 50 kHz ค่าความถี่แทบไม่มีผลกระทบต่อการทำงานของเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ ฉันเปลี่ยนความถี่จาก 20 เป็น 200 kHz และไม่ได้สังเกตเห็นผลกระทบใด ๆ ต่อการทำงานของอุปกรณ์

ด้วยสัญญาณ D1.2 ของชิป 4 ตัว ทรงสี่เหลี่ยมผ่านตัวต้านทาน R2 เข้าสู่อินพุต 8, 9 ของชิป D1.3 และผ่านตัวต้านทานผันแปร R3 ไปยังอินพุต 12.13 D1.4 สัญญาณมาถึงอินพุตของชิป D1.3 โดยมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความชันของหน้าพัลส์เนื่องจาก ติดตั้งเซ็นเซอร์ซึ่งเป็นชิ้นส่วนของลวดหรือแผ่นโลหะ ที่อินพุต D1.4 เนื่องจากตัวเก็บประจุ C2 ด้านหน้าจะเปลี่ยนไปตามเวลาที่ต้องชาร์จใหม่ เนื่องจากมีตัวต้านทานปรับ R3 จึงเป็นไปได้ที่จะตั้งค่าด้านหน้าของพัลส์ที่อินพุต D1.4 เท่ากับด้านหน้าของพัลส์ที่อินพุต D1.3

ถ้าเอามือหรือ วัตถุที่เป็นโลหะจากนั้นความจุที่อินพุตของไมโครเซอร์กิต DD1.3 จะเพิ่มขึ้น และด้านหน้าของพัลส์ที่เข้ามาจะล่าช้าตามเวลา สัมพันธ์กับด้านหน้าของพัลส์ที่มาถึงอินพุตของ DD1.4 เพื่อ "จับ" ความล่าช้านี้เกี่ยวกับพัลส์คว่ำจะถูกป้อนไปยังชิป DD2.1 ซึ่งเป็น D flip-flop ที่ใช้งานได้ ด้วยวิธีดังต่อไปนี้. บนขอบบวกของพัลส์ที่มาถึงอินพุตของไมโครเซอร์กิต C สัญญาณที่อยู่ที่อินพุต D ในขณะนั้นถูกส่งไปยังเอาต์พุตของทริกเกอร์ ดังนั้น หากสัญญาณที่อินพุต D ไม่เปลี่ยนแปลง พัลส์ขาเข้าที่อินพุตการนับ C ไม่ส่งผลต่อระดับของสัญญาณเอาต์พุต คุณสมบัติของทริกเกอร์ D นี้ทำให้สามารถสร้างเซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive อย่างง่ายได้

เมื่อความจุของเสาอากาศเนื่องจากการเข้าใกล้ของร่างกายมนุษย์ที่อินพุตของ DD1.3 เพิ่มขึ้นพัลส์จะล่าช้าและสิ่งนี้ได้รับการแก้ไขโดยทริกเกอร์ D ซึ่งเปลี่ยนสถานะเอาต์พุต ไฟ LED HL1 ใช้เพื่อระบุการมีอยู่ของแรงดันไฟฟ้า และ HL2 เพื่อระบุความใกล้ชิดกับเซ็นเซอร์สัมผัส

วงจรสวิตช์สัมผัส

วงจรเซ็นเซอร์สัมผัสแบบคาปาซิทีฟยังสามารถใช้เพื่อสั่งงานสวิตช์สัมผัสได้ แต่ต้องมีการปรับแต่งเล็กน้อย เนื่องจากไม่เพียงต้องการตอบสนองต่อการเข้าใกล้ของร่างกายมนุษย์เท่านั้น แต่ยังต้องอยู่ในสถานะคงที่หลังจากถอดมือออก . ในการแก้ปัญหานี้ จำเป็นต้องเพิ่มทริกเกอร์ D อีกตัวหนึ่ง DD2.2 ไปยังเอาต์พุตของเซ็นเซอร์สัมผัส ซึ่งเชื่อมต่อตามวงจรหารด้วยสอง

วงจรเซ็นเซอร์ capacitive ได้รับการแก้ไขเล็กน้อย เพื่อขจัดผลบวกที่ผิดพลาด เนื่องจากบุคคลสามารถนำและเอามือของเขาออกได้ช้าเนื่องจากการรบกวน เซ็นเซอร์สามารถส่งสัญญาณพัลส์หลาย ๆ อันไปยังอินพุตการนับ D ของทริกเกอร์ ซึ่งละเมิดอัลกอริธึมการทำงานของสวิตช์ที่จำเป็น ดังนั้นจึงเพิ่มห่วงโซ่ RC ขององค์ประกอบ R4 และ C5 ซึ่งบล็อกความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนทริกเกอร์ D ในช่วงเวลาสั้น ๆ

ทริกเกอร์ DD2.2 ทำงานในลักษณะเดียวกับ DD2.1 แต่สัญญาณไปยังอินพุต D ไม่ได้มาจากองค์ประกอบอื่น แต่มาจากเอาต์พุตผกผันของ DD2.2 เป็นผลให้บนขอบบวกของพัลส์มาถึงอินพุต C สัญญาณที่อินพุต D จะเปลี่ยนไปเป็นตรงกันข้าม ตัวอย่างเช่น หากในสถานะเริ่มต้นมีศูนย์ตรรกะที่พิน 13 เมื่อนำมือของคุณไปที่เซ็นเซอร์หนึ่งครั้ง ทริกเกอร์จะเปลี่ยนและหน่วยลอจิคัลจะถูกตั้งค่าที่พิน 13 ในครั้งถัดไปที่เซ็นเซอร์ถูกดำเนินการ ค่าศูนย์ตรรกะจะถูกตั้งค่าที่พิน 13 อีกครั้ง

ในการปิดกั้นสวิตช์ในกรณีที่ไม่มีบุคคลอยู่ในห้องน้ำ หน่วยลอจิคัลจะถูกจ่ายจากเซ็นเซอร์ไปยังอินพุต R (ตั้งค่าเป็นศูนย์ที่เอาต์พุตทริกเกอร์ โดยไม่คำนึงถึงสัญญาณที่อินพุตอื่น ๆ ทั้งหมด) ของไมโครเซอร์กิต DD2.2 . ที่เอาต์พุตของสวิตช์ capacitive มีการตั้งค่าศูนย์ตรรกะซึ่งป้อนผ่านสายรัดไปยังฐานของทรานซิสเตอร์สวิตช์สวิตช์ โซลินอยด์วาล์วในหน่วยจ่ายไฟและหน่วยสวิตชิ่ง

ตัวต้านทาน R6 ในกรณีที่ไม่มีสัญญาณปิดกั้นจากเซ็นเซอร์ capacitive ในกรณีที่เกิดความล้มเหลวหรือการแตกในสายควบคุม จะบล็อกทริกเกอร์ที่อินพุต R ซึ่งจะช่วยขจัดความเป็นไปได้ที่การจ่ายน้ำตามธรรมชาติไปยังโถปัสสาวะหญิง ตัวเก็บประจุ C6 ปกป้องอินพุต R จากการรบกวน LED HL3 ทำหน้าที่ระบุปริมาณน้ำประปาในโถปัสสาวะหญิง

โครงสร้างและรายละเอียดของเซ็นเซอร์สัมผัส capacitive

เมื่อฉันเริ่มออกแบบระบบเซ็นเซอร์โถปัสสาวะหญิง งานที่ยากที่สุดสำหรับฉันดูเหมือนจะเป็นการพัฒนาเซ็นเซอร์วัดระยะแบบประจุไฟฟ้า เนื่องจากข้อจำกัดหลายประการในการติดตั้งและการใช้งาน ฉันไม่ต้องการให้เซ็นเซอร์เชื่อมต่อกับฝาชักโครกเนื่องจากต้องถอดออกเป็นระยะเพื่อซักและไม่รบกวน การฆ่าเชื้อห้องน้ำเอง ดังนั้นฉันจึงเลือกความจุเป็นองค์ประกอบที่ทำปฏิกิริยา

เซ็นเซอร์การแสดงตน

ตามโครงการที่เผยแพร่ข้างต้น ฉันสร้างต้นแบบ ประกอบชิ้นส่วนเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟบน แผงวงจรพิมพ์, กระดานวางในกล่องพลาสติกและปิดฝา ในการเชื่อมต่อเสาอากาศ มีการติดตั้งคอนเน็กเตอร์แบบขาเดียวในตัวเครื่อง และติดตั้งคอนเน็กเตอร์ RSh2N สี่พินเพื่อจ่ายแรงดันไฟและสัญญาณของแหล่งจ่าย PCB เชื่อมต่อกับขั้วต่อบัดกรี ตัวนำทองแดงในฉนวนไฟเบอร์

เซ็นเซอร์ capacitive แบบสัมผัสถูกประกอบบนไมโครเซอร์กิตสองวงจรของ KR561 ซีรีส์, LE5 ​​​​และ TM2 คุณสามารถใช้ KR561LA7 แทนชิป KR561LE5 ได้ ชิปของซีรีส์ 176 ซึ่งเป็นแอนะล็อกนำเข้าก็เหมาะสมเช่นกัน ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และไฟ LED จะพอดีกับทุกประเภท Capacitor C2 สำหรับการทำงานที่มั่นคงของเซ็นเซอร์ capacitive เมื่อทำงานในสภาวะที่มีอุณหภูมิผันผวนมาก สิ่งแวดล้อมคุณต้องใช้ TKE ขนาดเล็ก

เซ็นเซอร์ถูกติดตั้งไว้ใต้ฐานของโถส้วมซึ่งติดตั้งอยู่ ถังระบายน้ำในสถานที่ซึ่งในกรณีที่มีการรั่วไหลจากถังน้ำไม่สามารถเข้าไปได้ ตัวเซ็นเซอร์ติดอยู่ที่โถชักโครกโดยใช้เทปกาวสองหน้า

เซ็นเซอร์เสาอากาศของเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟคือชิ้นส่วนของลวดทองแดงพันเกลียวยาว 35 ซม. ในฉนวน PTFE ติดกาวด้วยเทปใสที่ผนังด้านนอกของโถชักโครก 1 ซม. ใต้ระนาบของแว่นตา เซ็นเซอร์มองเห็นได้ชัดเจนในภาพถ่าย

ในการปรับความไวของเซ็นเซอร์สัมผัส หลังจากติดตั้งบนโถสุขภัณฑ์แล้ว จำเป็นต้องเปลี่ยนความต้านทานของตัวต้านทานปรับค่า R3 เพื่อให้ LED HL2 ดับลง ถัดไป วางมือบนฝาชักโครกเหนือตำแหน่งของเซ็นเซอร์ ไฟ LED HL2 จะสว่างขึ้น หากคุณเอามือออก ให้ออกไป ตั้งแต่ต้นขามนุษย์โดยมวล มือมากขึ้นจากนั้นในระหว่างการใช้งานเซ็นเซอร์สัมผัสหลังจากการตั้งค่าดังกล่าวจะรับประกันการทำงาน

การออกแบบและรายละเอียดของสวิตช์สัมผัสแบบ capacitive

วงจรสวิตช์สัมผัสแบบ capacitive มี รายละเอียดเพิ่มเติมและต้องมีที่อยู่อาศัยเพื่อรองรับพวกเขา ขนาดใหญ่ขึ้นและด้วยเหตุผลด้านสุนทรียภาพ รูปร่างตัวเรือนที่วางเซ็นเซอร์วัดระยะไม่เหมาะมากสำหรับการติดตั้งในที่ที่เห็นได้ชัดเจน เต้ารับติดผนัง rj-11 สำหรับเชื่อมต่อโทรศัพท์ดึงความสนใจไปที่ตัวเอง มันพอดีกับขนาดจริงและดูดี หลังจากนำทุกสิ่งที่ไม่จำเป็นออกจากเต้าเสียบแล้ว ฉันจึงวางแผงวงจรพิมพ์ของสวิตช์สัมผัสแบบ capacitive เข้าไป

ในการซ่อมแผงวงจรพิมพ์นั้น ได้มีการติดตั้งขาตั้งแบบสั้นไว้ที่ฐานของเคส และแผงวงจรพิมพ์ที่มีชิ้นส่วนสวิตช์สัมผัสถูกขันด้วยสกรู

เซ็นเซอร์เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟทำขึ้นโดยการติดแผ่นทองเหลืองที่ด้านล่างของฝาปิดซ็อกเก็ตด้วยกาว Moment หลังจากตัดหน้าต่างสำหรับไฟ LED ในตัวออก เมื่อปิดฝา สปริง (ที่นำมาจากไฟแช็กหินเหล็กไฟ) จะสัมผัสกับแผ่นทองเหลือง ดังนั้นจึงให้หน้าสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างวงจรกับเซ็นเซอร์

สวิตช์สัมผัสแบบ capacitive ติดอยู่กับผนังโดยใช้สกรูเกลียวปล่อยหนึ่งตัว ด้วยเหตุนี้จึงจัดให้มีรูในร่างกาย ถัดไป มีการติดตั้งบอร์ด คอนเน็กเตอร์ และฝาครอบถูกยึดด้วยสลัก

การตั้งค่าสวิตช์คาปาซิทีฟแทบจะเหมือนกับการตั้งค่าของเซ็นเซอร์วัดระยะที่อธิบายข้างต้น สำหรับการปรับจูน คุณต้องใช้แรงดันไฟฟ้าและปรับตัวต้านทานเพื่อให้ HL2 LED สว่างขึ้นเมื่อนำมือไปที่เซ็นเซอร์ และดับลงเมื่อถอดออก ถัดไป คุณต้องเปิดใช้งานเซ็นเซอร์สัมผัสและนำและเอามือของคุณไปที่เซ็นเซอร์สวิตช์ ไฟ LED HL2 ควรกะพริบและไฟ LED HL3 สีแดงจะสว่างขึ้น เมื่อนำมือออก ไฟ LED สีแดงจะยังคงสว่างอยู่ เมื่อยกมือขึ้นอีกครั้งหรือถอดร่างกายออกจากเซ็นเซอร์ ไฟ LED HL3 ควรดับ นั่นคือปิดการจ่ายน้ำในโถปัสสาวะหญิง

PCB สากล

เซ็นเซอร์คาปาซิทีฟที่แสดงด้านบนประกอบอยู่บนแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งแตกต่างจากแผงวงจรพิมพ์ที่แสดงในภาพด้านล่างเล็กน้อย นี่เป็นเพราะการรวมกันของแผงวงจรพิมพ์ทั้งสองแบบเป็นแผ่นเดียวสากล หากคุณประกอบสวิตช์สัมผัส คุณจะต้องตัดหมายเลขแทร็ก 2 เท่านั้น หากคุณประกอบเซ็นเซอร์การมีอยู่ แทร็กหมายเลข 1 จะถูกลบออกและติดตั้งองค์ประกอบบางอย่าง

ไม่ได้ติดตั้งองค์ประกอบที่จำเป็นสำหรับการทำงานของสวิตช์สัมผัส แต่ขัดขวางการทำงานของเซ็นเซอร์แสดงสถานะ R4, C5, R6, C6, HL2 และ R4 แทนที่จะเป็น R4 และ C6 จัมเปอร์ลวดจะถูกบัดกรี ปล่อยโซ่ R4, C5 ได้ จะไม่กระทบต่องาน

ด้านล่างเป็นภาพวาดของแผงวงจรพิมพ์สำหรับทำเป็นสันโดยใช้วิธีทางความร้อนในการติดรางบนฟอยล์

การพิมพ์ภาพวาดบนกระดาษมันหรือกระดาษลอกลายก็เพียงพอแล้วและเทมเพลตก็พร้อมสำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์

การทำงานที่ปราศจากปัญหาของเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟสำหรับระบบควบคุมแบบสัมผัสของการจ่ายน้ำในโถปัสสาวะหญิงได้รับการพิสูจน์แล้วในทางปฏิบัติเป็นเวลาสามปีของการทำงานอย่างต่อเนื่อง ไม่มีการบันทึกความล้มเหลว

อย่างไรก็ตาม ฉันต้องการทราบว่าวงจรมีความไวต่อสัญญาณรบกวนอันทรงพลัง ฉันได้รับอีเมลขอความช่วยเหลือเกี่ยวกับการตั้งค่า ปรากฎว่าในระหว่างการดีบักของวงจรมีหัวแร้งพร้อมตัวควบคุมอุณหภูมิไทริสเตอร์ในบริเวณใกล้เคียง หลังจากปิดหัวแร้ง วงจรก็ทำงาน

มีอีกกรณีหนึ่ง ติดตั้งเซ็นเซอร์ capacitive ในหลอดไฟซึ่งเชื่อมต่อกับเต้าเสียบเดียวกันกับตู้เย็น เมื่อคุณเปิดเครื่อง ไฟจะเปิดขึ้นและเมื่อคุณปิดเครื่องอีกครั้ง ปัญหาได้รับการแก้ไขโดยการเชื่อมต่อหลอดไฟกับเต้ารับอื่น

มีจดหมายฉบับหนึ่งเกี่ยวกับความสำเร็จของการประยุกต์ใช้วงจรเซ็นเซอร์ capacitive ที่อธิบายไว้เพื่อปรับระดับน้ำใน ถังเก็บน้ำจากพลาสติก ในส่วนล่างและส่วนบน เซ็นเซอร์จะติดซิลิโคนด้วยซิลิโคน ซึ่งควบคุมการเปิดและปิดของปั๊มไฟฟ้า

เซ็นเซอร์สัมผัสแบบ Capacitive

องค์ประกอบหลักที่จำเป็นสำหรับการนำระบบเซ็นเซอร์ capacitive ไปใช้คือตัวเก็บประจุแบบแปรผัน เขาต้องมี การออกแบบที่เรียบง่ายและความไวต่อการสัมผัส เนื่องจากองค์ประกอบการตรวจจับถูกสร้างขึ้นเป็นตัวเก็บประจุแบบ "เปิด" สนามไฟฟ้าสามารถโต้ตอบกับวัตถุ capacitive ภายนอก ในกรณีของเราคือนิ้ว รูปที่ 1 แสดงมุมมองด้านบนและด้านข้างของเซ็นเซอร์ capacitive ที่ใช้งานโดยตรงบนบอร์ด

ข้าว. หนึ่ง.

ดังแสดงในรูปที่ 1 ตัวเก็บประจุก่อตัวระหว่างชั้นสื่อกระแสไฟฟ้ากับพื้น อันตรกิริยาของชั้นนำไฟฟ้าและตัวนำที่อยู่รอบๆ จะสร้างความจุพื้นฐาน ซึ่งสามารถวัดค่าได้ ความจุพื้นฐานของเซ็นเซอร์ดังกล่าวอยู่ที่ประมาณ 10 pF เมื่อตัวนำคือ นิ้วเข้าใกล้ตัวเก็บประจุแบบเปิดอันเป็นผลมาจากการรบกวน สนามไฟฟ้า, ความจุของตัวเก็บประจุเปลี่ยนไป เนื่องจากความจุของนิ้ว ความจุของเซ็นเซอร์จึงเพิ่มขึ้นแม้จะไม่ได้สัมผัส ด้วยการวัดค่าความจุของเซ็นเซอร์และเปรียบเทียบผลลัพธ์แต่ละผลลัพธ์กับค่าความจุพื้นฐาน ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถระบุไม่เพียงแต่การกดปุ่มเท่านั้น แต่ยังรวมถึงลำดับการเปิดสวิตช์ด้วย ซึ่งใช้ในอินเทอร์เฟซที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ตัวเลื่อน .

ความไวของเซ็นเซอร์ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าและพื้นดิน ระยะที่แนะนำคือ 0.5 มม. นอกจากนี้ ความไวโดยรวมของระบบขึ้นอยู่กับความหนาของบอร์ด: เมื่อความหนาของบอร์ดลดลง ความไวจะลดลง ความหนาของบอร์ดที่แนะนำคือ 1…1.5 มม.

ความจุของเซ็นเซอร์ที่ไม่มีความจุของนิ้วอยู่ที่ประมาณ 5…10 pF

ชั้นล่างใต้เซ็นเซอร์ป้องกันส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ในระบบ นอกจากนี้ยังช่วยรักษาค่าความจุฐานคงที่ ซึ่งจำเป็นสำหรับการอ้างอิงสำหรับการวัดแต่ละครั้ง

การออกแบบเซนเซอร์และอินเทอร์เฟซผู้ใช้

อินเทอร์เฟซที่สมบูรณ์ประกอบด้วยเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ (ใช้งานบนบอร์ด) เช่นเดียวกับอิเล็กทริกระหว่างเซ็นเซอร์กับนิ้วเมื่อสัมผัส

การนำเซ็นเซอร์ capacitive ไปใช้บนแผงวงจรพิมพ์

สามารถแสดงการพึ่งพาเซ็นเซอร์ Capacitive ได้โดยใช้ตัวอย่างของตัวเก็บประจุแบบแบนทั่วไป รูปที่ 2 แสดงองค์ประกอบหลัก

ข้าว. 2.

คำว่า "ความจุพื้นฐาน" หมายถึงการวัดค่าความจุของเซ็นเซอร์ที่ไม่ได้รับผลกระทบแต่อย่างใด เพื่อความเรียบง่าย เราใช้ความจุของตัวเก็บประจุที่เกิดจากชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ด้านบนของแผงวงจรพิมพ์และชั้นพื้นดินที่ด้านล่าง (แผ่นด้านล่างและแผ่นบนในรูปที่ 2)

ระยะทาง d ถูกกำหนดโดย แผงวงจรพิมพ์. ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เมื่อ d ลดลง ความจุพื้นฐานจะเพิ่มขึ้นและความไวลดลง ความจุจำเพาะของพื้นที่ (e 0) และวัสดุ (e r) กำหนดค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของบอร์ด

พื้นที่เซ็นเซอร์ A มักจะถูกจำกัดด้วยขนาดของนิ้ว โดยคำนวณจากค่าเฉลี่ยระหว่างนิ้วของเด็กกับผู้ใหญ่ โปรดทราบว่าพื้นที่ของเซ็นเซอร์ที่ไม่ได้ถูกปกคลุมด้วยนิ้วนั้นไร้ประโยชน์

ดังนั้น ในระหว่างกระบวนการพัฒนา จึงจำเป็นต้องลดความจุพื้นฐานของเซ็นเซอร์ให้เหลือน้อยที่สุด เงื่อนไขสำหรับความไวและความน่าเชื่อถือของระบบที่ดีคือการเพิ่มการเปลี่ยนแปลงความจุสูงสุดเมื่อนิ้วเข้าใกล้เซ็นเซอร์ แน่นอนว่า เป้าหมายทั้งสองนี้ไม่มีร่วมกัน: เมื่อพื้นที่เซ็นเซอร์เพิ่มขึ้นตามขนาดของนิ้ว ความจุพื้นฐานจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากเป็นสัดส่วนกับ A

ข้าว. 3.

รูปที่ 3 แสดงรูปแบบปุ่มและตัวเลื่อนที่ใช้เป็นตัวอย่างในเอกสารนี้

ข้าว. 4. ชั้นอาคาร (ชั้นสัญญาณสีแดง - บน สีฟ้า - ชั้นล่าง)

รูปที่ 4 แสดงสี่ตัวเลือกสำหรับการวางเซ็นเซอร์บนแผงวงจรพิมพ์ ซึ่งแตกต่างกันในการก่อสร้างชั้นล่าง

ด้านซ้ายบนแสดงเฉพาะชั้นสัญญาณด้านบน: แผ่นเซ็นเซอร์สี่แผ่นล้อมรอบด้วยระนาบพื้นด้านบน ชั้นล่างไม่ได้ใช้ ด้านขวาบนของภาพแสดงการออกแบบบอร์ดแบบเดียวกันโดยมีพื้นที่ครอบคลุมพื้น 25% ซ้ายล่างเป็นรุ่นเติม 50% และขวาเป็นรุ่นเติม 100%

ขอแนะนำให้ใช้ระนาบกราวด์หลายระนาบใต้เซ็นเซอร์แต่ละตัวเพื่อแยกองค์ประกอบของเซ็นเซอร์ออกจากสัญญาณรบกวนและการเปลี่ยนแปลงภายนอกอื่นๆ ที่อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความจุฐาน ชัดเจน 100% padding ดังแสดงในด้านซ้าย มุมล่างรูปที่ 4 ให้การแยกสัญญาณรบกวนสูงสุดและยังเพิ่มความจุฐาน เพื่อให้ได้อัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุดของการแยกสัญญาณรบกวนและความจุพื้นฐาน เป็นเรื่องปกติที่จะใช้วัสดุเติมตั้งแต่ 50% ถึง 75%

ชั้นฉนวนของเซ็นเซอร์

ในการใช้งานประเภทนี้ ชั้นฉนวนของเซ็นเซอร์จะทำจากพลาสติก ด้วยเลเยอร์นี้ นิ้วมือจะไม่สัมผัสโดยตรงกับเซ็นเซอร์ โมเดลที่แสดงในรูปที่ 2 สามารถใช้เพื่อแสดงภาพอินเทอร์เฟซการโต้ตอบระหว่างนิ้วและตัวเก็บประจุ ในกรณีนี้ ซับด้านล่างทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ และส่วนบนทำหน้าที่เป็นนิ้วของผู้ใช้ เป็นที่ชัดเจนว่าเมื่อพื้นที่โต้ตอบเพิ่มขึ้นจนถึงขนาดของนิ้ว A จะเพิ่มขึ้นและการเปลี่ยนแปลงของความจุจะเพิ่มขึ้นสูงสุด เมื่อชั้นฉนวน d เพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงของความจุจะลดลงผกผัน ช่วงเวลาสำคัญซึ่งละเลยไม่ได้คือวัสดุที่ใช้ทำฉนวน ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุฉนวนตลอดจนความหนาของวัสดุนั้นมีอิทธิพลอย่างมากต่อความไวและความสะดวกในการใช้งานเซ็นเซอร์สัมผัสแบบคาปาซิทีฟ ตารางที่ 1 แสดงค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุบางชนิด

ตารางที่ 1. ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุ

นอกจากตัวฉนวนเองแล้ว จุดสำคัญคือการเชื่อมต่อระหว่างเซนเซอร์กับฉนวน หากการเชื่อมต่อหลวมและมีช่องว่าง ความจุของเซ็นเซอร์จะเปลี่ยนไป ดังนั้นจึงมักใช้ฉนวนกาว

การใช้ MSP430 เพื่อวัดความจุของเซ็นเซอร์สัมผัส

พิจารณาสองวิธีในการวัดความจุของเซ็นเซอร์สัมผัส

วิธีการวัดตามออสซิลเลเตอร์

วิธีแรกขึ้นอยู่กับการใช้ออสซิลเลเตอร์ วิธีนี้สามารถใช้ได้กับ MSP430 โดยใช้ตัวเปรียบเทียบและเซ็นเซอร์ capacitive เป็นองค์ประกอบการปรับแต่ง การเปลี่ยนแปลงความจุของเซ็นเซอร์จะส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ ซึ่งสามารถวัดได้โดยใช้ Timer_A บนไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 รูปที่ 5 แสดงตัวอย่างของระบบดังกล่าว

ข้าว. ห้า.

ตัวต้านทาน R ให้การสนับสนุนตัวเปรียบเทียบเมื่อตั้งค่า Px.y ไว้สูง สัญญาณนี้อยู่ในขั้วตรงข้ามกับสัญญาณการชาร์จหรือการคายประจุของความจุของเซ็นเซอร์ (เซ็นเซอร์ C) ซึ่งนำไปสู่การสั่นในระยะยาว ด้วยค่าความต้านทาน R ที่เท่ากันค่าขอบเขตคือ 1/3 V cc และ 2/3 V cc ความถี่การสั่นคำนวณโดยสูตร:

fOSC = 1/

โดยการนับจำนวนช่วงเวลาของการแกว่งในช่วงเวลาที่กำหนด ความถี่สามารถคำนวณได้และสามารถวัดความจุได้ ในแอปพลิเคชันนี้ ความต้านทานของตัวต้านทาน RC คือ 100 kΩ เป็นผลให้ความถี่การสั่นอยู่ที่ประมาณ 600 kHz โดยมีความจุเซ็นเซอร์ 10 pF

VLO 12 kHz แบบบูรณาการถูกใช้เป็นแหล่งสัญญาณนาฬิกา สัญญาณนี้ใช้กับ WDT ตัวจับเวลาจ้องจับผิด ด้วยการขัดจังหวะของ watchdog แต่ละครั้ง เคอร์เนลจะตรวจสอบสถานะของ Timer_A timer register, TAR คำนวณความแตกต่างระหว่างค่ารีจิสเตอร์สองค่าสุดท้าย ในความเป็นจริงไม่ต้องการค่าสัมบูรณ์ของความจุ แต่การเปลี่ยนแปลงเท่านั้นที่น่าสนใจ

สามารถสร้างระบบที่มีเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟหลายตัวได้ สิ่งนี้ต้องการการสร้างมัลติเพล็กเซอร์บนตัวเปรียบเทียบ Comparator_A + (รูปที่ 6)

ข้าว. 6.

ในการปรับใช้ระบบ จำเป็นต้องมีตัวต้านทานหนึ่งตัวสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัว และตัวต้านทานสามตัวสำหรับตัวเปรียบเทียบ

วิธีการวัดค่าความจุตามตัวต้านทาน

วิธีที่สองในการวัดความจุของเซ็นเซอร์สัมผัสนั้นใช้ตัวต้านทานภายนอกเพื่อชาร์จหรือคายประจุเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟ พอร์ต MSP430 หนึ่งพอร์ตใช้สำหรับชาร์จหรือคายประจุ เวลาการชาร์จหรือคายประจุจะถูกวัดโดยใช้ตัวจับเวลา Timer_A ในตัว รูปที่ 7 แสดงตัวอย่างระบบที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 เพื่อวัดเวลาการคายประจุของตัวเก็บประจุ

ข้าว. 7.

ด้วยค่าความจุของเซ็นเซอร์ C = 10 pF และ R = 5.1 M เวลาในการคายประจุจะอยู่ที่ประมาณ 250 µs Px.y ได้รับการกำหนดค่าให้เป็นเอาต์พุตระดับสูงเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ สามารถกำหนดค่าใหม่เป็นอินพุตเพื่อปล่อยเซ็นเซอร์ C ผ่าน R ได้ กระแสสูงสุดผ่านพอร์ต MSP430 คือ ±50 nA

หากพอร์ต Px.y รองรับการขัดจังหวะ (สำหรับ MSP430 สิ่งเหล่านี้คือพอร์ต P1.x และ P2.x) สัญญาณเสียงต่ำภายในสามารถใช้เป็นเกณฑ์ที่จะสร้างได้ เมื่อได้รับอินเตอร์รัปต์นี้ เคอร์เนลจะวิเคราะห์เนื้อหาของ Timer_A timer register ตัวจับเวลาสามารถใช้ DCO ภายในเป็นแหล่งสัญญาณนาฬิกา ความถี่ของสัญญาณที่สร้างขึ้นคือ 8 หรือ 16 MHz (ขึ้นอยู่กับตระกูล MSP430)

ข้าว. 8.

รูปที่ 8 แสดงหนึ่งรอบการวัด ตัวจับเวลาเริ่มนับจากศูนย์และในขณะที่แรงดันไฟฟ้าบนเซ็นเซอร์ถึงเกณฑ์ V IT ค่าตัวจับเวลาจะถูกอ่าน นอกจากนี้ตัวจับเวลาสามารถทำงานในโหมดการนับคงที่ในขณะที่จำเป็นต้องอ่านค่าของมันในเวลาที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการปลดปล่อยตัวเก็บประจุและคำนวณความแตกต่าง เมื่อความจุของเซ็นเซอร์เพิ่มขึ้น เวลาคายประจุของตัวเก็บประจุจะเพิ่มขึ้น และจำนวนรอบของตัวจับเวลาจะเพิ่มขึ้นระหว่างการวัด

ได้กล่าวไว้ข้างต้นว่าแต่ละพอร์ตจำเป็นต้องมีตัวต้านทานหนึ่งตัว วงจรสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้โดยใช้ตัวต้านทานหนึ่งตัวสำหรับสองพอร์ต ขณะวัดความจุของเซ็นเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง พอร์ตที่เชื่อมต่อกับตัวที่สองควรมีระดับสัญญาณต่ำ กล่าวคือ ทำหน้าที่เป็นพื้นสำหรับคายประจุ ข้อดีอีกประการของรูปแบบดังกล่าวคือความจุของเซ็นเซอร์แต่ละตัวสามารถวัดได้ในสองทิศทาง: การชาร์จจากศูนย์ถึง ระดับสูงและการคายประจุจาก V cc ถึงเกณฑ์ระดับต่ำ รูปที่ 9 แสดงวิธีนี้

ข้าว. เก้า.

การนับรอบต้องทำสองครั้ง: ระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ในเวลาเดียวกัน สัญญาณรบกวน 50/60 MHz มีผลกระทบต่อผลการวัดน้อยกว่า

ซอฟต์แวร์

หลังจากได้รับผลการวัดแล้ว จะต้องตีความด้วยโปรแกรม สัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ, ออฟเซ็ตนาฬิกา, สัญญาณรบกวนภายนอก 50/60 MHz อาจนำไปสู่การตัดสินใจที่ไม่ดี

ในบางครั้ง เพื่อประสิทธิภาพ คุณสามารถทิ้งผลลัพธ์ที่มีลำดับต่ำสองสามบิต ซึ่งยอมรับได้หากคุณต้องการติดตามเฉพาะการคลิกปุ่มเท่านั้น แต่ถ้าจำเป็นต้องใช้ความละเอียดสูงกว่านี้ จะไม่สามารถจ่ายได้อีกต่อไป การกรองสัญญาณความถี่ต่ำผ่านและการหาค่าเฉลี่ยอย่างง่ายของผลลัพธ์หลายๆ แบบสามารถช่วยให้เสียงรบกวนเป็นไปอย่างราบรื่น แต่เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานต่ำ การมีบิตต่ำของผลการวัดมีความสำคัญมากกว่า

การติดตามความจุของฐานเซนเซอร์

หากไม่มีความสามารถในการติดตามการเปลี่ยนแปลงความจุของเซ็นเซอร์แบบไดนามิก ความไม่เสถียรใดๆ อาจนำไปสู่การตรวจจับที่ผิดพลาดของการกดปุ่มหรือการ "ค้าง" ของปุ่ม พิจารณาตัวแปรด้วยปุ่มธรรมดาที่มีสองสถานะ: เปิด/ปิด หากผลลัพธ์เปลี่ยนไป อาจเข้าใกล้เกณฑ์ที่ถือว่ากดปุ่ม นั่นคือ ค่าบวกที่ผิดพลาดจะเกิดขึ้น

วิธีหนึ่งในการติดตามและปรับความจุฐานแสดงไว้ในรูปที่ 10

คุณต้องใส่ใจกับข้อเท็จจริงที่ว่าการดำเนินการเหล่านี้ดำเนินการกับเซ็นเซอร์แต่ละตัวแยกกัน การคำนวณตัวแปร "เดลต้า" และการปรับ "ฐาน" ทำได้แตกต่างกันในอัลกอริธึม RO และ RC ใน RO ค่าที่วัดได้จะลดลงเมื่อความจุของตัวเก็บประจุเพิ่มขึ้น และใน RC ค่าที่วัดได้จะเพิ่มขึ้น

หลังจากเสร็จสิ้นการวัดแล้ว อันดับแรก จำเป็นต้องพิจารณาว่ามีการแตะเกิดขึ้นหรือไม่ ซึ่งสามารถทำได้โดยการเปรียบเทียบค่าที่ได้รับกับเกณฑ์ที่สอดคล้องกับการสัมผัสที่เบาที่สุดที่สามารถรับรู้ได้ หากพิจารณาแล้วว่าไม่มีการแตะ ค่าฐานจะถูกปรับ การปรับเปลี่ยนจะเกิดขึ้นได้อย่างไรขึ้นอยู่กับทิศทางของการเปลี่ยนแปลง

เมื่อการวัดความจุเพิ่มขึ้น ขอแนะนำให้ปรับค่าฐานให้ช้าลง ผลลัพธ์ที่เพิ่มขึ้นไม่เพียงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงอันเนื่องมาจากข้อผิดพลาดเท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวของนิ้วไปในทิศทางของเซ็นเซอร์ด้วย และหากค่าฐานปรับอย่างรวดเร็ว อาจไม่สังเกตเห็นการสัมผัสจริงของนิ้ว ในการทำเช่นนี้ ขอแนะนำให้ปรับค่าฐานเพียงหนึ่งหน่วยในแต่ละรอบการวัด (ภาพที่ 10)

ข้าว. 10.

การใช้ฟังก์ชันปุ่มปกติ

การสร้างปุ่มเป็นกรณีการใช้งานทั่วไปสำหรับเซนเซอร์แบบคาปาซิทีฟ รูปที่ 11 แสดงตัวอย่างการสร้างระบบด้วยปุ่มสี่ปุ่ม

ข้าว. สิบเอ็ด

เกณฑ์ที่ใช้ในการตัดสินใจว่ากดปุ่มจะต้องสูงกว่าเสียงรบกวน

การใช้งานฟังก์ชันตัวเลื่อน

ฟังก์ชันที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจัดอยู่บนเซ็นเซอร์คาปาซิทีฟคือตัวเลื่อน ในกรณีนี้ จำเป็นต้องตรวจสอบเกินเกณฑ์หลายเกณฑ์

วิธีที่ง่ายที่สุดในการสร้างตัวเลื่อนสามารถจัดระเบียบได้หากมีการกำหนดตำแหน่งหลายตำแหน่งสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัว ตัวอย่างด้านล่าง (รูปที่ 12) พิจารณาระบบที่มีการกำหนดตำแหน่ง 16 ตำแหน่งสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัว ผลลัพธ์คือระบบ 64 ตำแหน่ง

ข้าว. 12.

DELTAMAX คือค่าความจุสูงสุดที่สามารถเข้าถึงได้ จากนั้นช่วงตั้งแต่ 0 ถึง DELTAMAX จะแบ่งออกเป็นขั้นตอนจำนวนหนึ่ง ศูนย์สอดคล้องกับกรณีที่ไม่ได้กดปุ่ม ตำแหน่งของนิ้วกำหนดโดยค่าสูงสุด ลักษณะการถ่ายโอนเชิงเส้นที่มากขึ้นของระบบทำได้โดยการแก้ไขค่าของเซ็นเซอร์ทั้งหมด

เซ็นเซอร์มัลติเพล็กซ์เพื่อสร้างตัวเลื่อน

เมื่อสร้างตัวเลื่อน คุณสามารถขยายจำนวนเซ็นเซอร์ด้วยจำนวนพอร์ตอินพุต/เอาต์พุตที่จำกัดโดยใช้มัลติเพล็กซ์ ในกรณีนี้ เซ็นเซอร์หลายตัวเชื่อมต่อกับเอาต์พุตเดียว เซ็นเซอร์เพิ่มเติมเพิ่มความจุฐานเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ด้วยความจุพื้นฐานที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่กระทบกับเซ็นเซอร์เพียงตัวเดียว การตอบสนองของเซ็นเซอร์จึงน้อยลง ดังนั้นจึงเป็นเรื่องปกติที่จะไม่เชื่อมต่อเซ็นเซอร์มากกว่าสองตัวเข้าด้วยกัน

ในการพิจารณาว่าเซ็นเซอร์แบบมัลติเพล็กซ์ตัวใดได้รับผลกระทบ จะต้องแยกจากกันในช่องว่าง ตัวอย่างตำแหน่งของเซ็นเซอร์ในระบบดังกล่าวแสดงในรูปที่ 13

ข้าว. 13.

บทสรุป

บทความนี้กล่าวถึงสองวิธีในการใช้เซ็นเซอร์สัมผัสแบบ capacitive โดยใช้ MSP430 แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ลองพิจารณาสิ่งหลัก ๆ

• วิธีการตามออสซิลเลเตอร์:

- ต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์พร้อม Comp_A + ตัวเปรียบเทียบ
— จำนวนเซ็นเซอร์อิสระถูกจำกัดโดยจำนวนของอินพุต Comp_A+
- ต้องการตัวต้านทานภายนอก R หนึ่งตัวสำหรับเซ็นเซอร์แต่ละตัว เช่นเดียวกับสายโซ่ของ R สามตัว
— ความไวถูกจำกัดโดยการใช้พลังงาน (เวลาการวัดที่ตั้งโปรแกรมได้);

• วิธีการตามตัวต้านทาน:

- ใช้ได้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ MSP430 ทุกรุ่น
- เซ็นเซอร์อิสระสูงสุด 16 ตัว (พอร์ต I / O 16 พอร์ตที่ทำงานกับอินเตอร์รัปต์)
— ตัวต้านทานภายนอก R หนึ่งตัวสำหรับเซ็นเซอร์ทุกสองตัว
- ความไวถูกจำกัดโดยความถี่สูงสุดของไมโครคอนโทรลเลอร์ (เวลาการวัดคงที่)
— การใช้พลังงานขั้นต่ำ;

ผู้ใช้สามารถขยายและเพิ่มประสิทธิภาพแอปพลิเคชันเพื่อใช้อุปกรณ์ปลายทางได้

คำอธิบายแบบเต็ม ตัวอย่างต่างๆแอปพลิเคชัน MSP430 แหล่งที่มาของโปรแกรม ข้อมูลเพิ่มเติมสามารถพบได้บนเว็บไซต์ www.siteในหัวข้อไมโครคอนโทรลเลอร์

การรับข้อมูลทางเทคนิค การสั่งซื้อตัวอย่าง การจัดส่ง -
อีเมล:

เครื่องกำเนิดนาฬิกาตระกูลใหม่

Texas Instruments แนะนำครอบครัว เครื่องกำเนิดนาฬิกาที่ตั้งโปรแกรมได้,ด้วยวงจร PLL 1 ถึง 4 วงจร ไอซีช่วยให้คุณสร้างสัญญาณนาฬิกาได้ถึง 9 แบบที่สังเคราะห์จากความถี่อินพุตเดียว แต่ละเอาต์พุตรองรับการตั้งโปรแกรมความถี่ในระบบสูงสุด 230 MHz คุณสมบัติเหล่านี้มีข้อดีหลายประการ ซึ่งรวมถึงการใช้พลังงานที่ลดลง กระบวนการออกแบบที่เร็วขึ้น และความสะดวกในการเปลี่ยนความเร็วสัญญาณนาฬิกาโดยไม่ต้องออกแบบระบบใหม่ ข้อดีเหล่านี้จะช่วยลดต้นทุนการใช้งานของผู้บริโภคได้อย่างมาก รวมถึง IP set-top box, โทรศัพท์ IP, ระบบสื่อดิจิทัล (ทีวีดิจิตอล, อุปกรณ์สตรีมมิ่งมีเดีย, เครื่องพิมพ์, ระบบนำทาง และอุปกรณ์พกพา)

เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกาใหม่ได้รับการปรับแต่งให้ทำงานร่วมกับโปรเซสเซอร์ DaVinci TM (TI) เพื่อสร้างนาฬิกาสำหรับโปรเซสเซอร์ดิจิทัล, ADC หรือตัวแปลงสัญญาณเสียง และตัวควบคุมอีเทอร์เน็ตหรือ USB คริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าในตัว (VCXO) ช่วยให้สามารถซิงโครไนซ์ความถี่ของสตรีมข้อมูลต่างๆ

เกี่ยวกับ Texas Instruments