Strana 1

Dotykové senzory sa jednoducho používajú na detekciu kontaktu objektu. Ako dotykový senzor môže slúžiť jednoduchý mikrospínač. Senzory mechanické namáhanie používa sa na meranie veľkosti sily vytvorenej v bode kontaktu. Typicky sa tenzometre používajú ako snímače, ktoré merajú sily.  

V sústruhoch sa dotykové snímače používajú na sledovanie rozmerov obrobku, obrábanej časti a reznej hrany nástroja. Problémy diagnostiky robotov (antropomorfných a portálových robotov zabudovaných do sústruh, a vonkajších, pracujúcich vo valcovej súradnicovej sústave) pojednáva kap.  

Na meranie opotrebenia priamymi metódami sa používajú dotykové snímače, ktoré zaznamenávajú buď rozmerové opotrebenie, alebo pri pohybe opotrebenie pozdĺž boku. Konštrukcia snímača je znázornená na obr. 4.8, a. Kryt 4 je pripevnený k pohyblivej jednotke / stroju. Vo vinutí elektromagnetu sa vytvára striedavé magnetické pole, ktoré spôsobuje kmitanie hrotu. Keď sa hrot dotkne bloku, jeho vibrácie sa narušia, čo zaznamená elektronický systém 8 so zosilňovačom 7 a súradnice zodpovedajú nameranej veľkosti. Senzor je chránený pred čipmi. Používa sa na CNC strojoch a v GPS nielen na meranie opotrebenia, ale aj na určenie skutočných súradníc hrotu ostria nástroja za účelom automatického nastavovania riadiacich programov.  

Princíp činnosti drôtového hmatového snímača (dotykového snímača) je znázornený na obr. 5.26. Robot automaticky používa súradnice dvoch základných bodov A a B, ktoré určí zapnutý hmatový senzor rohové spojenie, podľa nastaveného programu nájde požadované miesto na začatie zvárania (bod C), ak sa tupý spoj odchyľuje od východisková pozícia spôsobené jeho paralelným posunom. Ak je posunutie tupého spoja z jeho pôvodnej polohy spôsobené jeho paralelným posunom s otočením vzhľadom na bod zvárania, potom je potrebné na prispôsobenie programu polohovania horáka robota na počiatočný bod zvárania určiť súradnice najmenej troch základných bodov na spojovacích prvkoch so snímačom.  

Nulové hlavy sú zvyčajne navrhnuté na základe dotykových senzorov, z ktorých sú široko používané elektrické, rádiové a vibračné kontaktné senzory. Tieto hlavice, nazývané aj dotykové hlavice, sú rozdelené do dvoch tried: s variabilnou a pevnou nulovou polohou meracieho hrotu.  

Zvážme vlastnosti vyššie uvedených zariadení pri ich použití ako dotykového senzora v špecifických podmienkach dielne na elektrolýzu ortuti.  

Snímanie chápadiel a ostatných výkonných orgánov manipulátora je vykonávané snímačmi sily úchopu 6 a dotykovými snímačmi 7 pri interakcii PR s vonkajším prostredím.  

Zváracia časť PR zahŕňa: zvárací usmerňovač; zvárací horák; montážne konzoly; podávací mechanizmus Zvárací drôt; dotykový snímač obrobku na zváranie; dotykové senzorové ovládacie zariadenie; požadované množstvo káble; valec s inertným plynom, reduktor s prietokomerom a plynový ohrievač; hadice a objímky.  

Kapacitný snímač je jedným z typov bezkontaktné senzory, ktorého princíp činnosti je založený na zmene dielektrickej konštanty média medzi dvoma doskami kondenzátora. Jedna doska je obvod dotykového senzora vo forme kovovej platne alebo drôtu a druhá je elektricky vodivá látka, napríklad kov, voda alebo ľudské telo.

Pri vývoji systému automatické zapínanie prívod vody do toalety pre bidet, bolo potrebné použiť kapacitný snímač prítomnosti a spínač s vysoká spoľahlivosť, odolnosť voči zmenám vonkajšej teploty, vlhkosti, prachu a napájacieho napätia. Chcel som tiež odstrániť potrebu, aby sa človek dotýkal ovládacích prvkov systému. Prezentované požiadavky mohli splniť len dotykové senzorové obvody fungujúce na princípe meniacej sa kapacity. Pripravená schéma uspokojujúce nevyhnutné požiadavky Nevedel som to nájsť, musel som to vyvinúť sám.

Výsledkom je univerzálny kapacitný dotykový senzor, ktorý nevyžaduje konfiguráciu a reaguje na približujúce sa elektricky vodivé predmety vrátane osoby na vzdialenosť až 5 cm Rozsah použitia navrhovaného dotykového senzora nie je obmedzený. Dá sa použiť napríklad na zapnutie osvetlenia, systémov poplašné zariadenie proti vlámaniu, určenie hladiny vody a v mnohých iných prípadoch.

Schémy elektrických obvodov

Na ovládanie prívodu vody do WC bidetu boli potrebné dva kapacitné dotykové senzory. Jeden snímač musel byť inštalovaný priamo na toalete, v prítomnosti osoby a pri absencii signálu logickej jednotky musel produkovať signál logickej nuly. Druhý kapacitný snímač mal slúžiť ako spínač vody a byť v jednom z dvoch logických stavov.

Pri privedení ruky k snímaču musel snímač zmeniť logický stav na výstupe - z počiatočného stavu jedného do stavu logickej nuly, kedy sa ručička opäť dotkla, z nulového stavu do stavu logickej jednotky. A tak ďalej donekonečna, pokiaľ dotykový spínač prijíma signál logickej nuly zo snímača prítomnosti.

Obvod kapacitného dotykového snímača

Základom obvodu snímača prítomnosti kapacitného snímača je hlavný generátor pravouhlých impulzov, vyrobený podľa klasickej schémy na dvoch logické prvkyčipy D1.1 a D1.2. Frekvencia generátora je určená menovitými hodnotami prvkov R1 a C1 a volí sa okolo 50 kHz. Hodnota frekvencie nemá prakticky žiadny vplyv na činnosť kapacitného snímača. Zmenil som frekvenciu z 20 na 200 kHz a vizuálne som nezaznamenal žiadny vplyv na chod zariadenia.

Z kolíka 4 čipu D1.2 obdĺžnikový tvar cez odpor R2 ide na vstupy 8, 9 mikroobvodu D1.3 a cez premenlivý odpor R3 na vstupy 12,13 D1.4. Signál prichádza na vstup čipu D1.3 s miernou zmenou sklonu čela impulzu vďaka inštalovanému snímaču, ktorým je kus drôtu alebo kovová platňa. Na vstupe D1.4 sa vplyvom kondenzátora C2 predná časť zmení na čas potrebný na jeho dobitie. Vďaka prítomnosti trimovacieho rezistora R3 je možné nastaviť hranu impulzu na vstupe D1.4 rovnú hrane impulzu na vstupe D1.3.

Ak priblížite ruku alebo ruku k anténe (dotykový senzor), kovový predmet, potom sa kapacita na vstupe mikroobvodu DD1.3 zvýši a predná časť prichádzajúceho impulzu bude časovo oneskorená vzhľadom na prednú časť impulzu prichádzajúceho na vstup DD1.4. Aby sa toto oneskorenie „chytilo“, invertované impulzy sa privádzajú do čipu DD2.1, čo je klopný obvod D, ktorý funguje nasledovne. Pozdĺž kladnej hrany impulzu prichádzajúceho na vstup mikroobvodu C sa signál, ktorý bol v tom momente na vstupe D, prenáša na výstup spúšťača. V dôsledku toho, ak sa signál na vstupe D nezmení, prichádzajúce impulzy na počítací vstup C neovplyvňuje úroveň výstupného signálu. Táto vlastnosť spúšte D umožnila vyrobiť jednoduchý kapacitný dotykový snímač.

Keď sa kapacita antény v dôsledku priblíženia sa ľudského tela k nej zvýši na vstupe DD1,3, impulz sa oneskorí a tým sa zafixuje spúšť D a zmení sa jej výstupný stav. LED HL1 sa používa na indikáciu prítomnosti napájacieho napätia a LED HL2 na indikáciu blízkosti dotykového senzora.

Obvod dotykového spínača

Obvod kapacitného dotykového snímača je možné použiť aj na ovládanie dotykového spínača, avšak s menšou úpravou, keďže potrebuje nielen reagovať na priblíženie ľudského tela, ale aj po odtiahnutí ruky zostať v rovnovážnom stave. Aby sme tento problém vyriešili, museli sme na výstup dotykového snímača pridať ďalšiu D spúšť, DD2.2, prepojenú pomocou deliča dvoma obvodmi.

Obvod kapacitného snímača bol mierne upravený. Aby sa vylúčili falošné poplachy, pretože osoba môže v dôsledku rušenia pomaly priviesť a odstrániť ruku, snímač môže odoslať niekoľko impulzov na počítací vstup D spúšťača, čím poruší požadovaný prevádzkový algoritmus spínača. Preto pribudol RC reťazec prvkov R4 a C5, ktorý na krátky čas zablokoval možnosť prepínania D spúšte.

Trigger DD2.2 funguje rovnako ako DD2.1, ale signál na vstup D nie je dodávaný z iných prvkov, ale z inverzného výstupu DD2.2. Výsledkom je, že pozdĺž kladnej hrany impulzu prichádzajúceho na vstup C sa signál na vstupe D mení na opačný. Napríklad, ak v počiatočnom stave bola na kolíku 13 logická nula, potom jedným zdvihnutím ruky na snímač sa spúšť prepne a na kolíku 13 sa nastaví logická jednička. Pri ďalšej interakcii so snímačom sa kolík 13 opäť nastaví na logickú nulu.

Na zablokovanie spínača v neprítomnosti osoby na toalete sa zo snímača na vstup R privádza logická jednotka (nulové nastavenie na výstupe spúšte, bez ohľadu na signály na všetkých jeho ostatných vstupoch). Na výstupe kapacitného spínača je nastavená logická nula, ktorá je privádzaná cez zväzok do bázy tranzistora spínacieho kľúča. solenoidový ventil vo výkonovej a spínacej jednotke.

Rezistor R6 pri absencii blokovacieho signálu z kapacitného snímača v prípade jeho poruchy alebo prerušenia riadiaceho vodiča blokuje spúšť na vstupe R, čím eliminuje možnosť spontánneho prívodu vody do bidetu. Kondenzátor C6 chráni vstup R pred rušením. LED HL3 slúži na indikáciu prívodu vody v bidete.

Dizajn a detaily kapacitných dotykových snímačov

Keď som začal vyvíjať senzorový systém pre prívod vody do bidetu, najťažšou úlohou sa mi zdal vývoj kapacitného senzora obsadenosti. Bolo to spôsobené množstvom obmedzení pri inštalácii a prevádzke. Nechcel som, aby bol senzor mechanicky spojený s vekom toalety, pretože je potrebné ho pravidelne odstraňovať na umývanie a nezasahovať do dezinfekcie samotnej toalety. Preto som si ako reagujúci prvok vybral kontajner.

Senzor prítomnosti

Na základe vyššie zverejnenej schémy som vyrobil prototyp. Časti kapacitného snímača sú namontované vytlačená obvodová doska, doska je vložená do plastovej krabičky a uzavretá vekom. Pre pripojenie antény je v puzdre inštalovaný jednokolíkový konektor RSh2N pre napájanie napájacieho napätia a signálu. Doska plošných spojov je spojená s konektormi spájkovaním medenými vodičmi vo fluoroplastovej izolácii.

Kapacitný dotykový snímač je zostavený na dvoch mikroobvodoch série KR561, LE5 ​​​​a TM2. Namiesto mikroobvodu KR561LE5 môžete použiť KR561LA7. Vhodné sú aj mikroobvody série 176 a dovážané analógy. Rezistory, kondenzátory a LED budú vyhovovať akémukoľvek typu. Kondenzátor C2, pre stabilnú prevádzku kapacitného snímača pri prevádzke v podmienkach veľkých výkyvov teploty okolia, je potrebné odobrať s malým TKE.

Snímač je inštalovaný pod záchodovou plošinou, na ktorej je inštalovaný cisterna na mieste, kde sa v prípade úniku z nádrže voda nedostane. Telo snímača je prilepené k toalete pomocou obojstrannej pásky.

Anténny snímač kapacitného snímača je kus medi lankový drôt 35 cm dlhé zateplené fluoroplastom, prilepené priehľadnou páskou na vonkajšiu stenu WC misy centimeter pod rovinu skiel. Senzor je jasne viditeľný na fotografii.

Ak chcete nastaviť citlivosť dotykového snímača, po jeho inštalácii na toaletu zmeňte odpor orezávacieho odporu R3 tak, aby LED HL2 zhasla. Ďalej položte ruku na veko toalety nad umiestnením senzora, LED HL2 by sa mala rozsvietiť, ak ruku stiahnete, mala by zhasnúť. Vzhľadom k tomu, ľudské stehno podľa hmotnosti viac rúk, potom počas prevádzky bude dotykový snímač po takomto nastavení zaručene fungovať.

Dizajn a detaily kapacitného dotykového spínača

Obvod kapacitného dotykového spínača má viac častí a na ich umiestnenie je potrebný kryt väčšia veľkosť a z estetických dôvodov, vzhľad Puzdro, v ktorom sa nachádzal snímač prítomnosti, nebolo príliš vhodné na inštaláciu na viditeľné miesto. Pozornosť upútala nástenná zásuvka rj-11 na pripojenie telefónu. Mala správnu veľkosť a vyzerala dobre. Po odstránení všetkého nepotrebného zo zásuvky som do nej umiestnil plošný spoj pre kapacitný dotykový spínač.

Na upevnenie dosky plošných spojov bol na spodok puzdra nainštalovaný krátky stojan, na ktorý bola pomocou skrutky priskrutkovaná doska plošných spojov s časťami dotykového spínača.

Kapacitný snímač bol vyrobený prilepením plátku mosadze na spodok krytu zásuvky lepidlom Moment, pričom sa predtým vyrezalo okienko pre LED diódy v nich. Pri zatváraní veka sa pružina (prevzatá z kamienkového zapaľovača) dostane do kontaktu s mosadzným plechom a zaistí tak elektrický kontakt medzi obvodom a snímačom.

Kapacitný dotykový spínač sa montuje na stenu pomocou jednej samoreznej skrutky. Na tento účel je v kryte vytvorený otvor. Ďalej je nainštalovaná doska a konektor a kryt je zaistený západkami.

Nastavenie kapacitného spínača sa prakticky nelíši od nastavenia snímača prítomnosti opísaného vyššie. Na jeho nastavenie je potrebné priviesť napájacie napätie a nastaviť odpor tak, aby sa LED HL2 rozsvietila, keď sa k senzoru priloží ruka, a zhasne, keď sa odpojí. Ďalej musíte aktivovať dotykový senzor a presunúť a odobrať ruku k senzoru spínača. LED HL2 by mala blikať a červená LED HL3 by sa mala rozsvietiť. Keď je ruka odstránená, červená LED by mala zostať svietiť. Keď opäť zdvihnete ruku alebo sa vzdialite telom od senzora, LED HL3 by mala zhasnúť, čiže vypnúť prívod vody v bidete.

Univerzálna PCB

Vyššie uvedené kapacitné snímače sú zostavené na doskách s plošnými spojmi, ktoré sa mierne líšia od dosky s plošnými spojmi zobrazenej na fotografii nižšie. Je to spôsobené spojením oboch dosiek plošných spojov do jednej univerzálnej. Ak zostavíte dotykový spínač, stačí odrezať stopu číslo 2. Ak zostavíte dotykový snímač prítomnosti, potom sa stopa číslo 1 odstráni a nie sú nainštalované všetky prvky.

Prvky potrebné na činnosť dotykového spínača, ktoré však narúšajú činnosť snímača prítomnosti R4, C5, R6, C6, HL2 a R4, nie sú nainštalované. Namiesto R4 a C6 sú spájkované drôtové prepojky. Reťaz R4, C5 je možné ponechať. Neovplyvní to prácu.

Nižšie je nákres dosky plošných spojov na vrúbkovanie tepelnou metódou nanášania dráh na fóliu.

Výkres stačí vytlačiť na lesklý papier alebo pauzovací papier a šablóna je pripravená na výrobu plošného spoja.

Bezproblémová prevádzka kapacitné snímače pre systém dotykového ovládania prívodu vody do bidetu sa v praxi potvrdilo za tri roky nepretržitej prevádzky. Neboli zaznamenané žiadne poruchy.

Chcem však poznamenať, že obvod je citlivý na silný impulzný šum. Dostal som e-mail so žiadosťou o pomoc s nastavením. Ukázalo sa, že pri ladení obvodu bola v blízkosti spájkovačka s tyristorovým regulátorom teploty. Po vypnutí spájkovačky začal obvod fungovať.

Bol tu ďalší takýto prípad. Kapacitný snímač bol inštalovaný v lampe, ktorá bola pripojená k rovnakej zásuvke ako chladnička. Keď bol zapnutý, svetlo sa rozsvietilo a keď sa znova vyplo. Problém bol vyriešený pripojením lampy k inej zásuvke.

Dostal som list o úspešnej aplikácii opísaného kapacitného senzorového okruhu na úpravu hladiny vody v zásobná nádrž vyrobené z plastu. V spodnej a hornej časti sa nachádzal senzor prilepený silikónom, ktorý ovládal zapínanie a vypínanie elektrického čerpadla.

Volič 2008 č. 7-8

Kapacitné dotykové senzory fungujú na základe elektrickej kapacity ľudského tela. Napríklad, keď sa prst priblíži k senzoru, vytvorí sa kapacita medzi senzorom a zemou v rozsahu 30...100 pF. Tento efekt možno použiť v senzoroch priblíženia a dotykovo ovládaných spínačoch.

Kapacitné dotykové senzory majú zjavné výhody v porovnaní s inými snímačmi (napríklad spúšťanými rušením s frekvenciou 50/60 Hz alebo tými, ktoré merajú odpor), sú však náročnejšie na prácu. Výrobcovia čipov ako Microchip už v minulosti vytvorili vlastné integrované obvody na tento účel. Teraz je však možné vytvoriť spoľahlivý kapacitný detektor a/alebo spínač s použitím len malého počtu štandardných komponentov.

V tomto obvode zisťujeme zmeny v šírke impulzu signálu, ku ktorým dochádza pri dotyku kontaktu. Na obrázku 1 môžete zvážiť nasledujúce uzly (zľava doprava):

Ryža. 1. IC1 - 561TL1

Generátor obdĺžnikových impulzov založený na Schmittovom spúšťači (IC CD4093);
RC obvod s odrušovacou diódou, za ktorou nasleduje Schmittova spúšťacia/kontaktná doska s oddeľovacím kondenzátorom 470 pF;
- Integračný RC obvod, ktorý premieňa zmeny šírky impulzu na napätie. Toto napätie leží v oblasti 2,9...3,2 voltov pri dotyku dosky a 2,6 voltov inak.
- Komparátor LM 339 sa používa na porovnanie napätia v bode C s referenčným napätím v bode D. Posledné je asi 2,8 V a nastavuje sa deličom napätia.

Akonáhle sa dotknete dotykovej dosky, výstup obvodu sa aktivuje. Na vysvetlenie činnosti obvodu ukazuje obrázok 2 oscilogramy signálov v rôznych bodoch. Bodkovaná čiara zobrazuje stav pri dotyku senzorovej dosky, plná čiara - keď nedochádza k dotyku.

Ryža. 2. Oscilogramy signálov v rôznych bodoch.

Referenčné napätie v bode D sa upraví raz pomocou deliča R4/R5 (zmena hodnoty R4). Veľkosť tohto napätia silne závisí od plochy povrchu senzorovej dosky (zvyčajne niekoľko štvorcových centimetrov). Väčší povrch dosky zvyšuje kapacitu a napätie v bode C bude napriek tomu väčšie v porovnaní s napätím, keď sa dosky nedotýkali. Referenčné napätie v bode D by malo byť nastavené bližšie k 3,4 V. Dotykový snímač môže pracovať aj s platňami veľká plocha(ako senzor môžete napríklad použiť celé telo).

Výstupný signál je možné použiť na spínanie rôznych záťaží. V mnohých prípadoch sa odporúča pridať jeden Schmitt trigger na výstup, najmä ak je výstup pripojený k digitálnemu vstupu.

Wim Abuis

Ryža. 4. Usporiadanie súčiastok na doske plošných spojov.

Ryža. 5. Doska plošných spojov.

Ryža. 6. Doska plošných spojov (zrkadlový pohľad).

Kapacitný dotykový senzor

Hlavným prvkom potrebným na implementáciu kapacitného senzorového systému je variabilný kondenzátor. Musí mať jednoduchý dizajn a citlivosť na dotyk. Keďže snímací prvok je vyrobený ako „otvorený“ kondenzátor, elektrické pole môže interagovať s externým kapacitným objektom, v našom prípade prstom. Obrázok 1 znázorňuje pohľad zhora a zboku na kapacitný snímač implementovaný priamo na doske.

Ryža. 1.

Ako je znázornené na obrázku 1, medzi vodivou vrstvou a zemou je vytvorený kondenzátor. Interakciou vodivej vrstvy a okolitých vodičov vzniká základná kapacita, ktorej hodnotu je možné merať. Základná kapacita takéhoto snímača je asi 10 pF. Keď vodič, t.j. prst sa priblíži k otvorenému kondenzátoru, v dôsledku rušenia elektrického poľa sa kapacita kondenzátora zmení. Vďaka kapacite prsta sa kapacita snímača zvyšuje aj bez dotyku. Zmeraním kapacity snímača a porovnaním každého výsledku so základnou kapacitou môže mikrokontrolér určiť nielen to, či bolo stlačené tlačidlo, ale aj postupnosť aktivácie, ktorá sa používa na implementáciu zložitejších rozhraní, ako sú posuvníky.

Citlivosť snímača závisí od vzdialenosti medzi vodivou a uzemňovacou vrstvou. Odporúčaná vzdialenosť je 0,5 mm. Okrem toho celková citlivosť systému závisí od hrúbky dosky: so znižovaním hrúbky dosky sa citlivosť znižuje. Odporúčaná hrúbka dosky je 1…1,5 mm.

Kapacita snímača bez kapacity prstov je asi 5...10 pF.

Zemná plocha pod snímačom ho chráni pred ostatnými elektronickými komponentmi v systéme. Pomáha tiež udržiavať konštantnú základnú kapacitu, ktorá je potrebná ako referencia pre každé meranie.

Návrh snímača a používateľského rozhrania

Kompletné rozhranie pozostáva zo samotného kapacitného snímača (implementovaného na doske), ako aj z dielektrika medzi snímačom a prstom pri jeho dotyku.

Implementácia kapacitného snímača na doske plošných spojov

Závislosti kapacitného snímača je možné zobraziť na príklade konvenčného kondenzátora s paralelnými doskami. Obrázok 2 ukazuje jeho kľúčové prvky.

Ryža. 2.

Pojem „základná kapacita“ sa vzťahuje na meranie kapacity snímača, ktorý nebol vystavený žiadnemu vplyvu. Pre jednoduchosť budeme ako základnú kapacitu brať kapacitu kondenzátora tvorenú vodivou vrstvou v hornej časti dosky plošných spojov a zemniacou vrstvou v spodnej časti (spodná a horná doska na obrázku 2).

Vzdialenosť d je určená sama vytlačená obvodová doska. Ako už bolo uvedené, s klesajúcim d sa zvyšuje základná kapacita a znižuje sa citlivosť. Špecifické kapacity priestoru (e 0) a materiálu (e r) určujú dielektrickú konštantu dosky.

Oblasť snímača A je zvyčajne obmedzená veľkosťou prsta, vypočítaná ako priemer medzi prstom dieťaťa a dospelého. Upozorňujeme, že oblasť snímača, ktorú nezakryjete prstom, je zbytočná.

Proces návrhu teda potrebuje minimalizovať základnú kapacitu snímača. Podmienkou dobrej citlivosti a spoľahlivosti systému je maximalizácia zmeny kapacity pri priblížení prsta k senzoru. Samozrejme, tieto dva ciele sa navzájom vylučujú: keď sa plocha senzora zväčšuje na veľkosť prsta, základná kapacita sa zvyšuje, pretože je úmerná A.

Ryža. 3.

Obrázok 3 zobrazuje rozloženie tlačidiel a posúvača použité ako príklad v tomto dokumente.

Ryža. 4. Konštrukcia vrstiev (červená - horná signálna vrstva, modrá - spodná vrstva zeme)

Obrázok 4 zobrazuje štyri možnosti umiestnenia snímača na dosku plošných spojov, líšiace sa konštrukciou základnej vrstvy.

Vľavo hore zobrazuje iba vrchnú vrstvu signálu: štyri senzorové podložky obklopené vrchnou zemnou vrstvou; spodná vrstva sa nepoužíva. Pravá horná strana obrázku zobrazuje rovnaký dizajn dosky s 25% výplňou základnej roviny. Vľavo dole je verzia s 50% a vpravo je vyplnená 100%.

Odporúča sa použiť viacero uzemňovacích plôch pod každým snímačom na izoláciu prvkov snímača od šumu a iných vonkajšie zmeny, čo môže spôsobiť zmenu základnej kapacity. Je zrejmé, že 100% plnenie, ako je znázornené v ľavom dolnom rohu obrázku 4, poskytuje maximálnu izoláciu hluku a tiež zvyšuje základnú kapacitu. Na získanie optimálny pomer hluková izolácia a základná kapacita, je zvykom používať výplň 50% až 75%.

Izolačná vrstva snímača

Pri tomto type aplikácie je izolačná vrstva snímača vyrobená z plastu. Vďaka tejto vrstve sa prsty nedostanú do priameho kontaktu so snímačom. Model uvedený na obrázku 2 možno použiť na vizualizáciu rozhrania medzi prstom a kondenzátorom. V tomto prípade spodný kryt funguje ako senzor a horný ako prst používateľa. Je zrejmé, že keď sa interakčná oblasť zväčší na veľkosť prsta, A sa zväčší a zmena kapacity sa maximalizuje. Keď sa izolačná vrstva d zväčšuje, zmena kapacity sa v opačnom pomere zmenšuje. Kľúčový moment, ktorý nemožno ignorovať, je materiál, z ktorého je izolácia vyrobená. Dielektrická konštanta izolačný materiál, ako aj jeho hrúbka výrazne ovplyvňujú citlivosť a jednoduchosť používania kapacitného dotykového snímača. Tabuľka 1 ukazuje dielektrické konštanty niektorých materiálov.

Stôl 1. Dielektrické konštanty materiálov

Okrem samotného izolátora, dôležitý bod je spojenie medzi snímačom a izolátorom. Ak spojenie nie je tesné a existujú medzery, kapacita snímača sa zmení. Preto sa často používajú lepiace izolátory.

Použitie MSP430 na meranie kapacity dotykového senzora

Teraz sa pozrime na dva spôsoby merania kapacity dotykového snímača.

Metóda merania založená na oscilátore

Prvá metóda je založená na použití oscilátora. Táto metóda môže byť implementovaná na báze MSP430 s použitím jeho komparátora a kapacitného snímača ako ladiaceho prvku. Akákoľvek zmena kapacity snímača bude mať za následok zmenu frekvencie, ktorú je možné merať pomocou Timer_A mikrokontroléra MSP430. Obrázok 5 ukazuje príklad takéhoto systému.

Ryža. 5.

Rezistory R poskytujú podporu pre komparátor, keď je Px.y nastavené vysoko. Tento signál má opačnú polaritu ako signál nabíjania alebo vybíjania kapacity snímača (C snímač), čo vedie k dlhodobým osciláciám. Pri rovnakých hodnotách odporu R sú limitné hodnoty 1/3 V cc a 2/3 V cc, frekvencia oscilácií sa vypočíta podľa vzorca:

f OSC = 1/

Počítaním počtu periód oscilácií za dané časové obdobie možno vypočítať frekvenciu a zmerať kapacitu. V uvažovanej aplikácii je odpor odporu Rc 100 kOhm. Výsledná oscilačná frekvencia je približne 600 kHz s kapacitou snímača 10 pF.

Ako zdroj hodín je použitý integrovaný 12 kHz VLO. Tento signál sa odošle do časovača WDT. Pri každom prerušení watchdog jadro skúma stav registra časovača Timer_A, TAR. Vypočíta sa rozdiel medzi poslednými dvoma hodnotami registra. V skutočnosti nie je potrebná absolútna hodnota kapacity, zaujímavá je len jej zmena.

Je možné postaviť systém s niekoľkými kapacitnými snímačmi. To si vyžaduje vybudovanie multiplexora na komparátore Comparator_A+ (obrázok 6).

Ryža. 6.

Na implementáciu systému je potrebný jeden rezistor pre každý snímač a tri odpory pre komparátor.

Metóda merania kapacity na báze rezistorov

Druhý spôsob merania kapacity dotykového snímača je založený na použití externého odporu na nabíjanie alebo vybíjanie kapacitného snímača. Na nabíjanie alebo vybíjanie slúži jeden z portov MSP430, čas nabíjania alebo vybíjania sa meria pomocou vstavaného časovača Timer_A. Obrázok 7 zobrazuje príklad systému využívajúceho mikrokontrolér MSP430 na meranie času vybitia kondenzátora.

Ryža. 7.

Pri kapacite snímača C = 10 pF a R = 5,1 M je doba vybíjania približne 250 μs. Px.y je nakonfigurovaný ako vysokoúrovňový výstup pre nabíjanie kondenzátora. Môže byť prekonfigurovaný ako vstup na vybitie snímača C cez R. Maximálny prúd cez port MSP430 je ±50 nA.

Ak port Px.y podporuje prerušenia (pre MSP430 sú to porty P1.x a P2.x), môže byť interný signál nízkej úrovne použitý ako prah, pri ktorom sa generujú. Keď je toto prerušenie prijaté, jadro analyzuje obsah registra časovača Timer_A. Časovač môže použiť interný DCO ako zdroj hodín. Frekvencia generovaného signálu je 8 alebo 16 MHz (v závislosti od rodiny MSP430).

Ryža. 8.

Obrázok 8 znázorňuje jeden cyklus merania. Časovač začne počítať od nuly a v momente, keď napätie na snímači dosiahne prahovú hodnotu V IT, sa načíta hodnota časovača. Časovač môže pracovať aj v režime konštantného počítania, v takom prípade je potrebné odčítať jeho hodnoty v momente začiatku a konca vybitia kondenzátora a vypočítať ich rozdiel. So zvyšujúcou sa kapacitou snímača sa zvyšuje čas vybíjania kondenzátora a zvyšuje sa počet cyklov časovača počas doby merania.

Vyššie bolo povedané, že pre každý port je potrebný jeden odpor. Obvod je možné zjednodušiť použitím jedného odporu pre dva porty. Pri meraní kapacity jedného zo snímačov musí mať port pripojený k druhému nízku úroveň signálu, t.j. slúži ako uzemnenie na vybitie kapacity. Ďalšou výhodou tejto schémy je, že kapacitu každého snímača je možné merať v dvoch smeroch: nabíjanie z nuly na vysoký stupeň a vypúšťanie z Vcc na prah nízkej hladiny. Obrázok 9 ukazuje túto metódu.

Ryža. 9.

Cykly počítania sa musia vykonať dvakrát: počas nabíjania a vybíjania. Šum 50/60 MHz má zároveň menší vplyv na výsledok merania.

softvér

Po prijatí výsledku merania je potrebné ho programovo interpretovať. Šum napájacieho zdroja, posun hodín, externý šum 50/60 MHz môže viesť k nesprávnemu rozhodovaniu.

Niekedy sa kvôli efektívnosti môže vyradiť niekoľko bitov nižšieho rádu z výsledku. To je prijateľné, ak potrebujete iba sledovať skutočnosť, že bolo stlačené tlačidlo. Ale ak je potrebné viac vysoké rozlíšenie, toto si už nemôžeme dovoliť. Nízkopriepustné filtrovanie a jednoduché spriemerovanie viacerých výsledkov môže pomôcť vyhladiť šum. Na dosiahnutie nízkej spotreby energie je však kritickejšia prítomnosť najmenej významných bitov výsledku merania.

Sledovanie základnej kapacity snímača

Bez schopnosti dynamicky monitorovať zmeny v kapacite snímača môžu všetky druhy nestability viesť k falošným zisteniam stlačenia tlačidiel alebo „zaseknutých“ tlačidiel. Zoberme si možnosť s jednoduchým tlačidlom, ktoré má dva stavy: zapnuté / vypnuté. Ak sa výsledok posunie, môže sa priblížiť k prahu, pri ktorom sa tlačidlo považuje za stlačené, to znamená, že dôjde k falošne pozitívnemu výsledku.

Jeden spôsob monitorovania a úpravy základnej kapacity je znázornený na obrázku 10.

Upozorňujeme, že tieto kroky sa vykonávajú pre každý snímač samostatne. Výpočet premennej "Delta" a úprava "základu" sa v algoritmoch RO a RC vykonávajú odlišne. V RO sa nameraná hodnota znižuje so zvyšujúcou sa kapacitou kondenzátora; a v RC sa nameraná hodnota zvyšuje.

Po dokončení merania je prvým krokom zistiť, či došlo k dotyku. Dá sa to dosiahnuť porovnaním výslednej hodnoty s prahovou hodnotou zodpovedajúcou najľahšiemu dotyku, ktorý možno zistiť. Ak sa zistí, že nedošlo k žiadnemu dotyku, upraví sa základná hodnota. Spôsob vykonania úpravy závisí od toho, ktorým smerom k zmene došlo.

Keď sa meranie kapacity zvyšuje, odporúča sa nastavovať základnú hodnotu pomalšie. Zvýšenie výsledku môže znamenať nielen posun v dôsledku chýb, ale aj v dôsledku pohybu prsta v smere snímača. A ak sa základná hodnota upraví rýchlo, skutočný dotyk prsta si nemusí všimnúť. Na tento účel sa odporúča upraviť základnú hodnotu iba o jednu v každom meracom cykle (obrázok 10).

Ryža. 10.

Implementácia funkcie bežného tlačidla

Budovanie tlačidiel je najbežnejším prípadom použitia kapacitných snímačov. Obrázok 11 ukazuje príklad zostavenia systému so štyrmi tlačidlami.

Ryža. jedenásť.

Hranica, pri ktorej sa rozhoduje o stlačení tlačidla, musí byť vyššia ako hluk.

Implementácia funkcie posúvača

Zložitejšou funkciou, organizovanou na kapacitných snímačoch, je posuvník. V tomto prípade je potrebné sledovať prekročenie niekoľkých prahových hodnôt.

Najjednoduchšia možnosť zostavenia posúvača môže byť organizovaná definovaním niekoľkých pozícií pre každý snímač. Príklad nižšie (obrázok 12) uvažuje o systéme, v ktorom je definovaných 16 pozícií pre každý snímač. Výsledkom je 64-polohový systém.

Ryža. 12.

DELTAMAX je nastavený na maximálnu hodnotu kapacity, ktorú je možné dosiahnuť. Potom sa rozsah od 0 do DELTAMAX rozdelí na určitý počet krokov. Nula zodpovedá prípadu, keď tlačidlo nie je stlačené. Maximálna hodnota určuje polohu prsta. Lineárnejšia charakteristika prenosu systému je dosiahnutá interpoláciou hodnôt všetkých snímačov.

Multiplexné senzory na vytvorenie posúvača

Pri zostavovaní slideru môžete pomocou multiplexovania rozšíriť počet senzorov s obmedzeným počtom vstupných/výstupných portov. V tomto prípade je na jeden výstup pripojených niekoľko snímačov. Prídavný snímač len zvyšuje základnú kapacitu. So zvýšením základnej kapacity je však v momente vystavenia iba jednému zo snímačov odozva snímača menšia. Preto zvyčajne nie sú spojené viac ako dva snímače.

Aby bolo možné určiť, ktorý z multiplexných snímačov je ovplyvnený, musia byť oddelené v priestore. Príklad umiestnenia snímačov v takomto systéme je znázornený na obrázku 13.

Ryža. 13.

Záver

Tento článok popisuje dve metódy implementácie kapacitných dotykových senzorov pomocou MSP430. Každá metóda má svoje výhody a nevýhody. Pozrime sa na tie hlavné.

• Metóda založená na oscilátore:

— Vyžaduje sa mikrokontrolér s komparátorom Comp_A+;
— Počet nezávislých snímačov je obmedzený počtom vstupov Comp_A+;
— Pre každý snímač je potrebný jeden externý odpor R, ako aj obvod troch R;
— Citlivosť je obmedzená spotrebou energie (programovateľný čas merania);

• Metóda založená na rezistore:

— Môže byť implementovaný na akomkoľvek mikrokontroléri MSP430;
— Až 16 nezávislých senzorov (16 I/O portov pracujúcich s prerušením);
— Jeden externý odpor R na každé dva snímače;
— Citlivosť je obmedzená maximálnou frekvenciou mikrokontroléra (pevný čas merania);
— minimálna spotreba energie;

Aplikáciu môže používateľ rozširovať a optimalizovať pre implementáciu koncového zariadenia.

Celý popis rôzne príklady aplikácie MSP430, zdrojové kódy programov, Ďalšie informácie možno nájsť na webovej stránke www.stránka v časti o mikrokontroléroch.

Získanie technických informácií, objednanie vzoriek, doručenie -
e-mail:

Nová rodina generátorov hodín

Texas Instruments predstavil rodinu programovateľné generátory hodín, s 1 až 4 PLL okruhmi. Integrované obvody vám umožňujú generovať až 9 hodinových signálov syntetizovaných z jednej vstupnej frekvencie. Každý výstup podporuje programovanie frekvencie v systéme až do 230 MHz. Uvedené vlastnosti poskytujú množstvo výhod. Medzi ne patrí nižšia spotreba energie, rýchlejší proces navrhovania a jednoduchosť zmeny taktu bez toho, aby ste museli prerábať systém. Tieto výhody výrazne znížia náklady na spotrebiteľské aplikácie, vr. IP TV set-top boxy, IP telefóny, systémy digitálnych médií ( digitálnych televízorov zariadenia na streamovanie médií, tlačiarne, navigačné systémy a prenosné zariadenia).

Nové generátory hodín sú optimalizované na prácu s procesormi DaVinci™ (TI) na generovanie hodinových signálov pre digitálne procesory, audio ADC alebo kodeky a ethernetové alebo USB ovládače. Vstavaný napäťovo riadený kryštálový oscilátor (VCXO) umožňuje frekvenčnú synchronizáciu rôznych dátových tokov.

O spoločnosti Texas Instruments

Senzory vzdialenosti a dotyku

Ultrazvukový senzor

Ultrazvukový senzor je jedným z dvoch senzorov, ktoré nahrádzajú videnie robota. Ultrazvukový senzor umožňuje robotovi vidieť a detekovať objekty. Môže sa tiež použiť na to, aby sa robot mohol vyhnúť prekážkam, odhadnúť a zmerať vzdialenosť a zachytiť pohyb objektu.

Hodnoty ultrazvukového snímača sa merajú v centimetroch a palcoch. Dokáže merať vzdialenosti od 0 do 255 centimetrov s presnosťou +/-3 cm Ultrazvukový senzor funguje na rovnakom princípe ako lokátor netopier: Meria vzdialenosť výpočtom času, ktorý potreboval na návrat zvukovej vlny po odraze od objektu, podobne ako pri ozvene.

Najlepšie sú detekované veľké predmety s tvrdým povrchom. Objekty z mäkké materiály(látka) alebo guľatá (guľa), ako aj príliš tenké, malé atď., môžu snímaču pri práci spôsobiť určité ťažkosti.

Pamätajte, že dva alebo viac ultrazvukových snímačov pracujúcich v tej istej miestnosti môže rušiť a znižovať presnosť výsledkov.

Príklady použitia ultrazvukových snímačov vzdialenosti zahŕňajú použitie v automobiloch na varovné signály pre vodiča alebo automatické riadenie na základe signálov zo snímačov, ktoré identifikujú nebezpečné situácie, kombinované do sieťových pripojení s rozhraním človek-stroj (HMI).

Obr.1

V jadre ultrazvukový princíp Detekcia prekážok je založená na princípe ozveny. Senzor pozostáva z dvoch prevodníkov: jeden prevodník vysiela ultrazvukové vlny a odrazené vlny sú detekované jedným alebo viacerými ďalšími prevodníkmi. Ten istý prevodník, ktorý prenáša ultrazvukové vlny, možno použiť aj na detekciu odrazenej vlny. Hlavným účelom senzorov je detekovať prítomnosť alebo neprítomnosť prekážky, ale tento princíp (čas letu) umožňuje aj vypočítať vzdialenosť k objektu od času návratu ozveny pri známej rýchlosti šírenia zvuku. .

Ultrazvuk nie je nič iné ako vibrácie s frekvenciou > 20 kHz. Väčšina komerčne dostupných meničov pracuje na frekvenciách v rozsahu 40-250 kHz.

Zmeny akustických parametrov snímačov, životné prostredie a rôzne účely výrazne ovplyvňujú výkon zariadení.

IN ultrazvukový senzor prevodník generuje krátky pulz, nasmerovaný na cieľ a vracajúci sa späť

Je dôležité, že rýchlosť zvuku je funkciou zloženia a teploty média (vzduchu) a ovplyvňuje presnosť a rozlíšenie snímača. Presnosť meraní vzdialenosti je priamo úmerná presnosti rýchlosti zvuku použitej pri výpočtoch a mení sa podľa reálnych podmienkach od 345 m/s pri izbová teplota až viac ako 380 m/s pri teplote okolo 70 °C. Vlnová dĺžka zvuku

je funkciou rýchlosti ultrazvuku c a súvisí s jeho frekvenciou ѓ, preto tieto parametre (vlnová dĺžka a frekvencia) ovplyvňujú aj rozlíšenie a presnosť, ako aj minimálna veľkosť ciele a rozsah vzdialeností nameraných snímačom.

Tlmenie zvuku je funkciou frekvencie a vlhkosti, ktorá ovplyvňuje maximálnu vzdialenosť detekovanú snímačom. Dlhšie vlny (nižšia frekvencia) majú menší útlm. Pri frekvenciách nad 125 kHz nastáva maximálny útlm pri relatívna vlhkosť 100%, pri frekvenciách 40 kHz - už pri vlhkosti 50%. Keďže snímač musí pracovať pri akejkoľvek úrovni vlhkosti, výpočty využívajú maximálny útlm pre každú frekvenciu.

Šum pozadia je funkciou frekvencie a znižuje sa so zvyšujúcou sa frekvenciou, čo tiež ovplyvňuje maximálnu detekovateľnú vzdialenosť a minimálnu veľkosť cieľa. Rozlíšenie a presnosť sú vyššie pri vyšších frekvenciách, zatiaľ čo dosah je vyšší pri dlhších vlnových dĺžkach.

Dotykový senzor

Dotykový senzor je tlačidlo, ktoré má dva možné stavy – stlačený a uvoľnený. Programovo senzor rozpozná ďalší stav: Dotyk.

Reakciu dotykového snímača môžete vidieť na displeji v režime zobrazenia. Keď senzorové tlačidlo nie je stlačené, na displeji sa zobrazí 0 a po stlačení sa zobrazí 1.

Pridaním dotykového senzora do dizajnu robota (napríklad vo forme nárazníka) môžete prinútiť robota zmeniť svoje správanie, keď je senzor aktivovaný.

Dotykový senzor je jedným z hmatových zmyslov pre roboty, vďaka čomu je potrebný tam, kde sa vyžaduje reakcia robota na predmety.

Dotykový senzor umožňuje robotovi dotyk.

Tlakový senzor dokáže určiť moment, kedy sa naň niečo stlačí, ako aj moment uvoľnenia.

Dotykový snímač je znázornený na obr.2.

Obr.2 Dotykový senzor

Použité referenčné prístroje a dodatočné vybavenie

Mikrometer

Pre merania nečinný pohyb Dotykový snímač vyžaduje mikrometer (alebo číselník) ICH-25, ktorý bude merať vzdialenosť prejdenú snímačom, kým sa nespustí.

ICh-25 je určený na meranie lineárnych rozmerov pomocou absolútnych a relatívnych metód, určenie veľkosti odchýlok od daného geometrického tvaru a relatívnu polohu povrchy.

Obrázok 3 zobrazuje niekoľko typov ukazovateľov.

Obr.3.

Parametre mikrometra ICH 25:

Rozsah merania 0-25 mm.

Hodnota delenia je 0,01 mm.

Rozmery 159x85x51 mm.