سنسور خازنی یکی از انواع سنسورهای غیر تماسی است که اصل عملکرد آن بر اساس تغییر در ثابت دی الکتریک محیط بین دو صفحه خازن است. یک پوشش خدمت می کند سنسور لمسیمدارها به شکل صفحه یا سیم فلزی است و دومی یک ماده رسانای الکتریکی است مانند فلز، آب یا بدن انسان.

هنگام توسعه یک سیستم روشن شدن خودکاربرای تامین آب توالت برای یک بید، استفاده از حسگر حضور خازنی و سوئیچ با آن ضروری شد قابلیت اطمینان بالا، مقاومت در برابر تغییر دمای خارجی، رطوبت، گرد و غبار و ولتاژ تغذیه. همچنین می‌خواستم نیازی به لمس کنترل‌های سیستم را از بین ببرم. الزامات ارائه شده فقط می تواند توسط مدارهای حسگر لمسی که بر اساس اصل تغییر ظرفیت خازنی کار می کنند برآورده شود. من نتوانستم طرح آماده ای پیدا کنم که شرایط لازم را برآورده کند، بنابراین مجبور شدم خودم آن را توسعه دهم.

نتیجه یک حسگر لمسی خازنی جهانی است که نیازی به پیکربندی ندارد و به نزدیک شدن اجسام رسانای الکتریکی، از جمله یک فرد، در فاصله تا 5 سانتی متر پاسخ می دهد. دامنه کاربرد سنسور لمسی پیشنهادی محدود نیست. به عنوان مثال می توان از آن برای روشن کردن سیستم های روشنایی استفاده کرد دزدگیر دزدگیر، تعیین سطح آب و در بسیاری موارد دیگر.

نمودارهای مدار الکتریکی

برای کنترل آب در بیدی توالت، دو سنسور لمسی خازنی مورد نیاز بود. یک سنسور باید مستقیماً روی توالت نصب می شد و در صورت عدم وجود یک سیگنال منطقی یک سیگنال منطقی تولید می کرد. دومین حسگر خازنی قرار بود به عنوان سوئیچ آب عمل کند و در یکی از دو حالت منطقی قرار گیرد.

هنگامی که عقربه به سنسور آورده شد، سنسور باید حالت منطقی را در خروجی تغییر می داد - از حالت یک اولیه به حالت صفر منطقی، زمانی که دست دوباره لمس شد، از حالت صفر به حالت منطقی یک. و به همین ترتیب ad infinitum، تا زمانی که سوئیچ لمسی یک سیگنال فعال کننده صفر منطقی را از سنسور حضور دریافت کند.

مدار حسگر لمسی خازنی

اساس مدار حسگر حضور لمسی خازنی یک ژنراتور پالس مستطیلی اصلی است که مطابق با طرح کلاسیک بر روی دو عنصر منطقی ریزمدار D1.1 و D1.2 ساخته شده است. فرکانس ژنراتور با درجه بندی عناصر R1 و C1 تعیین می شود و حدود 50 کیلوهرتز انتخاب می شود. مقدار فرکانس عملاً هیچ تأثیری بر عملکرد سنسور خازنی ندارد. فرکانس را از 20 به 200 کیلوهرتز تغییر دادم و از نظر ظاهری هیچ تأثیری در عملکرد دستگاه مشاهده نکردم.

از پایه 4 تراشه D1.2 شکل مستطیلیاز طریق مقاومت R2 به ورودی های 8، 9 ریزمدار D1.3 و از طریق مقاومت متغیر R3 به ورودی های 12،13 از D1.4 می رود. سیگنال با تغییر جزئی در شیب جلوی پالس به ورودی ریزمدار D1.3 می رسد. سنسور نصب شده، که یک تکه سیم یا صفحه فلزی است. در ورودی D1.4، به دلیل خازن C2، جلو برای مدت زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد تغییر می کند. به لطف وجود مقاومت اصلاح کننده R3، می توان لبه پالس را در ورودی D1.4 برابر با لبه پالس در ورودی D1.3 تنظیم کرد.

اگر دست یا جسم فلزی خود را به آنتن (سنسور لمسی) نزدیک کنید، ظرفیت ورودی ریزمدار DD1.3 افزایش می‌یابد و جلوی پالس ورودی نسبت به جلوی پالس به تأخیر می‌افتد. در ورودی DD1.4. برای "گرفتن" این تاخیر، پالس های معکوس به تراشه DD2.1 که یک فلیپ فلاپ D است که به شرح زیر عمل می کند، تغذیه می شود. در امتداد لبه مثبت پالس که به ورودی ریزمدار C می رسد، سیگنالی که در آن لحظه در ورودی D بود به خروجی ماشه مخابره می شود، در نتیجه، اگر سیگنال در ورودی D تغییر نکند، پالس های دریافتی در ورودی D ارسال می شود ورودی شمارش C بر سطح سیگنال خروجی تأثیر نمی گذارد. این خاصیت ماشه D ساخت یک سنسور لمسی خازنی ساده را ممکن کرد.

هنگامی که ظرفیت آنتن، به دلیل نزدیک شدن بدن انسان به آن، در ورودی DD1.3 افزایش می یابد، پالس به تاخیر می افتد و این باعث رفع ماشه D و تغییر حالت خروجی آن می شود. LED HL1 برای نشان دادن وجود ولتاژ تغذیه و LED HL2 برای نشان دادن نزدیکی به سنسور لمسی استفاده می شود.

مدار سوئیچ لمسی

از مدار حسگر لمسی خازنی نیز می توان برای کار با سوئیچ لمسی استفاده کرد، اما با کمی تغییر، زیرا نه تنها باید به نزدیک شدن بدن فرد پاسخ دهد، بلکه پس از برداشتن دست نیز در حالت ثابت باقی می ماند. برای حل این مشکل، مجبور شدیم یک ماشه D دیگر به نام DD2.2 را به خروجی حسگر لمسی اضافه کنیم که با استفاده از یک تقسیم کننده به دو مدار متصل شده است.

مدار حسگر خازنی کمی اصلاح شده است. برای از بین بردن مثبت کاذب، از آنجایی که فرد می تواند به آرامی دست خود را بیاورد و بردارد، به دلیل وجود تداخل، سنسور می تواند چندین پالس را به ورودی شمارش D ماشه ارسال کند و الگوریتم عملیاتی مورد نیاز سوئیچ را نقض کند. بنابراین، یک زنجیره RC از عناصر R4 و C5 اضافه شد که برای مدت کوتاهی توانایی تغییر ماشه D را مسدود کرد.

ماشه DD2.2 به همان روش DD2.1 کار می کند، اما سیگنال ورودی D نه از عناصر دیگر، بلکه از خروجی معکوس DD2.2 تامین می شود. در نتیجه، در امتداد لبه مثبت پالس که به ورودی C می رسد، سیگنال در ورودی D به سمت مخالف تغییر می کند. به عنوان مثال، اگر در حالت اولیه یک صفر منطقی در پایه 13 وجود داشت، با یک بار بالا بردن دست خود به سمت سنسور، ماشه تغییر می کند و یک منطقی روی پایه 13 تنظیم می شود. دفعه بعد که با سنسور تعامل کردید، پین 13 دوباره روی صفر منطقی تنظیم می شود.

برای مسدود کردن سوئیچ در غیاب فردی در توالت، یک واحد منطقی از سنسور به ورودی R ارائه می شود (تنظیم صفر در خروجی ماشه، بدون توجه به سیگنال های موجود در سایر ورودی های آن). یک صفر منطقی در خروجی سوئیچ خازنی تنظیم شده است که از طریق مهار به پایه ترانزیستور کلید برای روشن کردن شیر برقی در واحد قدرت و سوئیچینگ عرضه می شود.

مقاومت R6 در صورت عدم وجود سیگنال مسدود کننده از سنسور خازنی در صورت خرابی آن یا شکستن سیم کنترل، ماشه را در ورودی R مسدود می کند و در نتیجه امکان تامین آب خود به خود در بیده را از بین می برد. خازن C6 ورودی R را از تداخل محافظت می کند. LED HL3 برای نشان دادن میزان آب موجود در بیده عمل می کند.

طراحی و جزئیات حسگرهای لمسی خازنی

هنگامی که من شروع به توسعه یک سیستم حسگر برای تامین آب در یک بید کردم، به نظرم سخت ترین کار توسعه یک سنسور اشغال خازنی بود. این به دلیل تعدادی محدودیت نصب و راه اندازی بود. من نمی خواستم سنسور به طور مکانیکی به درب توالت وصل شود، زیرا باید به طور دوره ای برای شستشو برداشته شود و تداخلی با آن ایجاد نمی کند. ضد عفونی کردنخود توالت به همین دلیل است که یک ظرف را به عنوان عنصر واکنش انتخاب کردم.

سنسور حضور

بر اساس نمودار منتشر شده در بالا، یک نمونه اولیه ساختم. قطعات حسگر خازنی روی یک برد مدار چاپی مونتاژ می شوند و برد در یک جعبه پلاستیکی قرار می گیرد و با یک درب بسته می شود. برای اتصال آنتن، یک کانکتور تک پین در کیس نصب شده است. برد مدار چاپی با لحیم کاری به کانکتورها متصل می شود هادی های مسیدر عایق فلوئوروپلاستیک

سنسور لمسی خازنی روی دو ریز مدار سری KR561 LE5 و TM2 مونتاژ شده است. به جای ریز مدار KR561LE5، می توانید از KR561LA7 استفاده کنید. ریز مدارهای سری 176 و آنالوگ های وارداتی نیز مناسب هستند. مقاومت ها، خازن ها و ال ای دی ها برای هر نوع مناسب هستند. خازن C2، برای عملکرد پایدار سنسور خازنی هنگام کار در شرایط نوسانات دما زیاد محیط زیستباید با یک TKE کوچک مصرف شود.

سنسور زیر سکوی توالتی که روی آن نصب شده است نصب می شود مخزندر محلی که در صورت نشتی از مخزن، آب نمی تواند وارد شود. بدنه حسگر با استفاده از نوار دو طرفه به توالت چسبانده شده است.

سنسور آنتن سنسور خازنی یک تکه سیم رشته ای مسی به طول 35 سانتی متر است که با فلوروپلاستیک عایق شده و با نوار شفاف به دیواره بیرونی کاسه توالت یک سانتی متر زیر سطح لیوان چسبانده شده است. سنسور به وضوح در عکس قابل مشاهده است.

برای تنظیم حساسیت سنسور لمسی، پس از نصب آن بر روی توالت، مقاومت مقاومت پیرایش R3 را تغییر دهید تا LED HL2 خاموش شود. بعد، دست خود را روی درب توالت بالای محل سنسور قرار دهید، LED HL2 باید روشن شود، اگر دست خود را بردارید، باید خاموش شود. از آنجایی که ران انسان توسط جرم دست های بیشتر، سپس در حین کار، حسگر لمسی، پس از چنین تنظیمی، تضمین می شود که کار کند.

طراحی و جزئیات سوئیچ لمسی خازنی

مدار سوئیچ لمسی خازنی دارای قطعات بیشتری است و برای قرار دادن آنها به محفظه بزرگتری نیاز است و به دلایل زیبایی ظاهرمحفظه ای که سنسور حضور در آن قرار داشت برای نصب در مکانی قابل مشاهده چندان مناسب نبود. پریز دیواری rj-11 برای اتصال تلفن جلب توجه کرد. اندازه مناسبی داشت و ظاهر خوبی داشت. با حذف همه چیز غیر ضروری از سوکت، یک برد مدار چاپی برای یک سوئیچ لمسی خازنی در آن قرار دادم.

برای ایمن سازی برد مدار چاپییک پایه کوتاه در پایه کیس نصب شد و یک برد مدار چاپی با قطعات سوئیچ لمسی با استفاده از یک پیچ به آن پیچ شد.

سنسور خازنی با چسباندن یک ورق برنجی به پایین روکش سوکت با چسب Moment ساخته شد و قبلاً پنجره ای را برای LED های موجود در آنها بریده بود. هنگام بستن درب، فنر (که از یک فندک سنگ چخماق گرفته شده است) با ورق برنجی تماس پیدا می کند و بنابراین تماس الکتریکی بین مدار و سنسور را تضمین می کند.

سوئیچ لمسی خازنی با استفاده از یک پیچ خودکار روی دیوار نصب می شود. برای این منظور یک سوراخ در محفظه در نظر گرفته شده است. سپس برد و کانکتور نصب شده و پوشش با چفت محکم می شود.

راه اندازی یک سوئیچ خازنی عملاً با راه اندازی سنسور حضور که در بالا توضیح داده شد تفاوتی ندارد. برای تنظیم آن، باید ولتاژ تغذیه را اعمال کنید و مقاومت را طوری تنظیم کنید که LED HL2 وقتی دستی به سنسور می‌آید روشن شود و با برداشتن آن خاموش شود. در مرحله بعد، باید سنسور لمسی را فعال کنید و دست خود را به سمت سنسور سوئیچ حرکت دهید و بردارید. LED HL2 باید چشمک بزند و LED قرمز HL3 باید روشن شود. هنگامی که دست برداشته می شود، LED قرمز باید روشن بماند. هنگامی که دوباره دست خود را بالا می آورید یا بدن خود را از سنسور دور می کنید، LED HL3 باید خاموش شود، یعنی منبع آب را در بیده خاموش کنید.

PCB جهانی

در بالا ارائه شده است سنسورهای خازنیمونتاژ شده بر روی بردهای مدار چاپی، کمی متفاوت از برد مدار چاپی که در عکس نشان داده شده است. این به دلیل ترکیب هر دو برد مدار چاپی در یک برد جهانی است. اگر یک سوئیچ لمسی مونتاژ می کنید، فقط باید قطعه شماره 2 را برش دهید. اگر یک سنسور حضور لمسی مونتاژ می کنید، آهنگ شماره 1 حذف می شود و همه عناصر نصب نمی شوند.

عناصر لازم برای عملکرد سوئیچ لمسی، اما تداخل در عملکرد سنسور حضور، R4، C5، R6، C6، HL2 و R4، نصب نشده اند. به جای R4 و C6، جامپرهای سیمی لحیم می شوند. زنجیره R4، C5 را می توان رها کرد. تاثیری در کار نخواهد داشت.

در زیر نقشه ای از یک برد مدار چاپی برای خنجر کردن با استفاده از روش حرارتی اعمال آهنگ بر روی فویل آورده شده است.

کافی است طرح را روی کاغذ گلاسه یا کاغذ ردیابی چاپ کنید و قالب برای ساخت برد مدار چاپی آماده است.

عملکرد بدون مشکل سنسورهای خازنی برای سیستم کنترل لمسی برای تامین آب در یک بیده در عمل طی سه سال کار مداوم تایید شده است. هیچ نقصی ثبت نشده است.

با این حال، می خواهم توجه داشته باشم که مدار به نویز ضربه ای قدرتمند حساس است. ایمیلی دریافت کردم که برای تنظیم آن کمک می خواهد. معلوم شد که در حین اشکال زدایی مدار یک آهن لحیم کاری با یک کنترل کننده دمای تریستور در نزدیکی آن وجود دارد. پس از خاموش شدن هویه لحیم کاری مدار شروع به کار کرد.

چنین مورد دیگری نیز وجود داشت. سنسور خازنی در یک لامپ نصب شده بود که به همان خروجی یخچال متصل بود. وقتی روشن شد، چراغ روشن شد و وقتی دوباره خاموش شد. با اتصال لامپ به پریز دیگر مشکل حل شد.

نامه ای در مورد کاربرد موفقیت آمیز مدار حسگر خازنی توصیف شده برای تنظیم سطح آب دریافت کردم مخزن ذخیره سازیساخته شده از پلاستیک در قسمت های پایین و بالایی یک سنسور چسبانده شده با سیلیکون وجود داشت که روشن و خاموش شدن پمپ الکتریکی را کنترل می کرد.

در این مقاله، نگاهی دقیق (اما نه خیلی عمیق) به اصول الکتریسیته خواهیم داشت که به ما امکان می دهد لمس انگشت انسان را با استفاده از یک خازن بیشتر تشخیص دهیم.

خازن ها می توانند حساس به لمس باشند

در حدود یک دهه گذشته، تصور دنیایی با الکترونیک بدون حسگرهای لمسی واقعاً دشوار شده است. تلفن های هوشمند قابل مشاهده ترین و گسترده ترین نمونه از این هستند، اما البته دستگاه ها و سیستم های متعدد دیگری نیز وجود دارند که دارای حسگرهای لمسی هستند. برای ساخت حسگرهای لمسی هم می توان از ظرفیت و هم مقاومت استفاده کرد. در این مقاله تنها به سنسورهای خازنی می پردازیم که در اجرا ارجحیت بیشتری دارند.

اگرچه کاربردهای مبتنی بر حسگرهای خازنی می توانند بسیار پیچیده باشند، اصول اساسیاصول زیربنای این فناوری بسیار ساده است. در واقع، اگر مفهوم خازن و عوامل تعیین کننده ظرفیت خازن خاص را درک کنید، در مسیر درستی در درک عملکرد حسگرهای لمسی خازنی قرار دارید.

حسگرهای لمسی خازنی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: مبتنی بر خازن متقابل و مبتنی بر ظرفیت خود. اولین مورد، که در آن خازن حسگر از دو ترمینال تشکیل شده است که به عنوان الکترودهای ساطع کننده و دریافت کننده عمل می کنند، برای نمایشگرهای لمسی ارجح تر است. دومی، که در آن یک پایانه خازن حسگر به زمین متصل است، یک رویکرد مستقیم است که برای یک دکمه لمسی، لغزنده یا چرخ مناسب است. در این مقاله به سنسورهای مبتنی بر ظرفیت ذاتی خواهیم پرداخت.

خازن مبتنی بر PCB

خازن ها می توانند باشند انواع مختلف. همه ما عادت کرده‌ایم ظرفیت خازنی را به شکل اجزای سربی یا بسته‌های نصب سطحی ببینیم، اما در واقعیت، تنها چیزی که واقعاً نیاز دارید دو هادی است که توسط یک ماده عایق (یعنی دی الکتریک) از هم جدا شده‌اند. بنابراین، ایجاد یک خازن با استفاده از لایه های رسانای الکتریکی جدا شده بسیار ساده است برد مدار چاپی. به عنوان مثال، نمای بالا و نمای جانبی خازن مدار چاپی را که به عنوان دکمه لمسی استفاده می شود در نظر بگیرید (به انتقال به لایه PCB دیگری در تصویر نمای جانبی توجه کنید).

جداسازی عایق بین دکمه لمسی و مس اطراف توسط یک خازن ایجاد می شود. در این حالت، مس اطراف به زمین متصل می شود و از این رو دکمه لمسی ما می تواند به عنوان خازن بین پد سیگنال لمسی و زمین مدل شود.

اکنون ممکن است بخواهید بدانید که این چیدمان PCB واقعا چقدر ظرفیت دارد. علاوه بر این، چگونه آن را به طور دقیق محاسبه کنیم؟ پاسخ به سوال اول این است که ظرفیت خازنی بسیار کوچک است، شاید حدود 10 pF. در مورد سوال دوم: اگر الکترواستاتیک را فراموش کردید نگران نباشید زیرا مقدار دقیق ظرفیت خازن مهم نیست. ما فقط به دنبال تغییرات در ظرفیت خازن هستیم و می‌توانیم این تغییرات را بدون اطلاع از رتبه‌بندی ظرفیت خازن چاپی تشخیص دهیم.

تاثیر انگشت

بنابراین چه چیزی باعث این تغییرات خازنی می شود که کنترل کننده حسگر لمسی قرار است تشخیص دهد؟ خوب، البته، یک انگشت انسان.

قبل از اینکه در مورد اینکه چرا انگشت خازن را تغییر می دهد بحث کنیم، مهم است که بدانیم هیچ تماس الکتریکی مستقیمی وجود ندارد. انگشت با لاک روی برد مدار چاپی و به طور معمول توسط یک لایه پلاستیکی که الکترونیک دستگاه را از محیط خارجی جدا می کند از خازن عایق می شود. بنابراین انگشت خازن را تخلیه نمی کندو علاوه بر این، مقدار شارژ ذخیره شده در یک خازن در یک لحظه خاص مورد علاقه نیست - بلکه ظرفیت خازن در یک لحظه خاص مورد علاقه است.

پس چرا وجود انگشت باعث تغییر ظرفیت خازنی می شود؟ دو دلیل وجود دارد: اولی مربوط به خواص دی الکتریک انگشت و دومی شامل خواص رسانایی آن است.

انگشت مانند دی الکتریک است

ما معمولاً خازن را دارای یک مقدار ثابت می‌دانیم که با مساحت دو صفحه رسانا، فاصله بین آنها و ثابت دی الکتریک مواد بین صفحات تعیین می‌شود. ما، البته، نمی توانیم ابعاد فیزیکی خازن را به سادگی با لمس آن تغییر دهیم، اما ما می تواندثابت دی الکتریک را تغییر دهید، زیرا انگشت انسان دارای دی است مشخصات الکتریکی، متفاوت از مواد (احتمالاً هوا) که جابجا می کند. درست است که انگشت در ناحیه دی الکتریک واقعی نخواهد بود، یعنی. در فضای عایق به طور مستقیم بین هادی ها، اما چنین "تهاجم" به خازن ضروری نیست:

همانطور که در شکل نشان داده شده است، برای تغییر مشخصات دی الکتریک، نیازی به قرار دادن انگشت بین صفحات نیست، زیرا میدان الکتریکیخازن در محیط توزیع می شود.

به نظر می رسد که گوشت انسان دی الکتریک بسیار خوبی است زیرا بدن ما بیشتر از آب ساخته شده است. ثابت دی الکتریک نسبی خلاء 1 است و ثابت دی الکتریک نسبی هوا فقط کمی بیشتر است (حدود 1.0006 در سطح دریا در دمای اتاق). گذردهی نسبی آب بسیار بیشتر است، حدود 80. بنابراین، برهمکنش انگشت با میدان الکتریکی خازن نشان دهنده افزایش گذردهی نسبی است و بنابراین منجر به افزایش ظرفیت می شود.

انگشت به عنوان راهنما

هر کسی که ضربه خورده باشد جریان الکتریکی، می داند که پوست انسان رسانای جریان است. قبلاً در بالا ذکر کردم که هیچ تماس مستقیمی بین انگشت و دکمه لمسی وجود ندارد (یعنی وضعیتی که انگشت خازن چاپ شده را تخلیه می کند). با این حال، این بدان معنا نیست که هدایت انگشت مهم نیست. در واقع بسیار مهم است، زیرا انگشت به دومین صفحه رسانا در خازن اضافی تبدیل می شود:

در عمل، می توان فرض کرد که این خازن انگشتی جدید به موازات خازن چاپی موجود متصل است. این وضعیت کمی پیچیده‌تر است، زیرا شخصی که از دستگاه حسگر استفاده می‌کند، به‌صورت الکتریکی به زمین روی برد مدار متصل نیست و بنابراین دو خازن در حالت معمول آنالیز مدار به صورت موازی به هم متصل نیستند.

با این حال، ما می توانیم بدن انسان را تامین کننده در نظر بگیریم مجازیزمین زیرا ظرفیت نسبتا زیادی برای جذب بار الکتریکی دارد. در هر صورت، لازم نیست نگران اتصال الکتریکی دقیق خازن انگشتی و خازن چاپی باشیم. نکته مهماین است که اتصال شبه موازی این دو خازن به این معنی است که با اضافه شدن موازی خازن، انگشت ظرفیت کل ظرفیت را افزایش می دهد.

بنابراین، می‌توانیم ببینیم که هر دو مکانیسم تأثیرگذار بین انگشت و حسگر لمسی خازنی به افزایش ظرفیت کمک می‌کنند.

فاصله نزدیک یا تماس

بحث قبلی ما را به این سو هدایت می کند ویژگی جالبحسگرهای لمسی خازنی: تغییر اندازه گیری شده در خازن نه تنها می تواند ایجاد شود تماس بگیریدبین انگشت و سنسور، بلکه فاصله نزدیکبین آنها من معمولاً فکر می کنم یک دستگاه لمسی جایگزین یک کلید یا دکمه مکانیکی می شود، اما فناوری حسگر لمسی خازنی در واقع سطح جدیدی از عملکرد را با اجازه دادن به سیستم برای تشخیص فاصله بین سنسور و انگشت شما معرفی می کند.

هر دو مکانیسم تغییر ظرفیت که در بالا توضیح داده شد تأثیری دارند که به فاصله بستگی دارد. برای یک مکانیسم مبتنی بر ثابت دی الکتریک، با نزدیک شدن انگشت شما به قسمت های رسانای خازن چاپ شده، مقدار برهمکنش دی الکتریک "گوشت" با میدان الکتریکی خازن افزایش می یابد. برای مکانیزم رسانا، ظرفیت خازن انگشتی (مانند هر خازن دیگری) با فاصله بین صفحات رسانا نسبت معکوس دارد.

لطفا توجه داشته باشید که این روش برای اندازه گیری مناسب نیست مطلقفاصله بین سنسور و انگشت؛ حسگرهای خازنی داده های مورد نیاز برای انجام محاسبات دقیق فاصله مطلق را ارائه نمی دهند. من تصور می کنم کالیبره کردن یک سیستم حسگر خازنی برای اندازه گیری فاصله ناهموار ممکن است، اما از آنجایی که مدار حسگر خازنی برای تشخیص طراحی شده است. تغییر می کندظروف، نتیجه این است که این فناوری به ویژه برای شناسایی مناسب است تغییر می کنددر فواصل، یعنی هنگامی که انگشت به سنسور نزدیک می شود یا از آن دور می شود.

نتیجه گیری

اکنون باید اصول اساسی که سیستم های لمسی خازنی بر اساس آنها ساخته شده اند را به وضوح درک کنید. در مقاله بعدی، روش‌هایی را برای پیاده‌سازی این اصول برای کمک به حرکت از تئوری به عمل بررسی خواهیم کرد.

امیدوارم مقاله مفید بوده باشد. نظر بدهید

همانطور که مشخص است، هر سطح فلزیبه عنوان مثال، یک شی فلزی، صفحه یا دستگیره در. سنسورها هیچ عنصر مکانیکی ندارند که به نوبه خود قابلیت اطمینان قابل توجهی به آنها می دهد.

دامنه استفاده از چنین دستگاه هایی بسیار گسترده است، از جمله روشن کردن زنگ، سوئیچ چراغ، کنترل دستگاه های الکترونیکی، گروهی از سنسورهای هشدار و غیره در صورت لزوم، استفاده از حسگر لمسی امکان قرار دادن پنهان سوئیچ را فراهم می کند.

شرح عملکرد سنسور لمسی

عملکرد مدار سنسور زیر بر اساس استفاده از میدان الکترومغناطیسی موجود در خانه ها است که توسط سیم کشی الکتریکی واقع در دیوارها ایجاد می شود.

لمس سنسور با دست معادل اتصال آنتن به ورودی حساس آمپلی فایر است. در نتیجه، الکتریسیته شبکه القایی وارد دروازه ترانزیستور اثر میدانی می شود که نقش یک سوئیچ الکترونیکی را ایفا می کند.

داده شده است سنسور لمسیبه دلیل استفاده از ترانزیستور اثر میدانی KP501A (B, C) بسیار ساده است. این ترانزیستور انتقال جریان تا 180 میلی آمپر را با حداکثر ولتاژ منبع تخلیه تا 240 ولت برای حرف A و 200 ولت برای حروف B و C فراهم می کند. الکتریسیته ساکنیک دیود در ورودی آن وجود دارد.

ترانزیستور اثر میدان مقاومت ورودی بالایی دارد و برای کنترل آن، ولتاژ ساکن بیشتر از مقدار آستانه کافی است. برای این نوع ترانزیستور اثر میدان، ولتاژ آستانه اسمی 1...3 ولت و حداکثر مجاز 20 ولت است.

هنگامی که سنسور E1 را با دست لمس می کنید، درجه پتانسیل القایی روی گیت برای باز کردن ترانزیستور کافی است. در این حالت، در تخلیه VT1 پالس های الکتریکی به مدت 35 میلی ثانیه وجود خواهد داشت که دارای فرکانس هستند. شبکه برق 50 هرتز اکثر رله های الکترومغناطیسی تنها به 3…25 میلی ثانیه برای سوئیچ نیاز دارند. برای جلوگیری از جهش کنتاکت های رله در لحظه تماس، خازن C2 در مدار گنجانده شده است. با توجه به بار انباشته شده روی خازن، رله حتی در نیمه چرخه ولتاژ شبکه هنگامی که VT1 بسته است روشن می شود. تا زمانی که حسگر سنسور لمس شود، رله روشن خواهد بود.

خازن C1 ایمنی سنسور را در برابر تداخل رادیویی با فرکانس بالا افزایش می دهد. می توانید حساسیت لمس سنسور را با تغییر ظرفیت خازن C1 و مقاومت R1 تغییر دهید. گروه تماس K1.1 دستگاه های الکترونیکی خارجی را کنترل می کند.

با افزودن یک ماشه و یک گره سوئیچینگ بار شبکه به این مدار می توانید بدست آورید.

سنسور لمسی برای آردوینو

ماژول یک دکمه لمسی است که یک سیگنال دیجیتال در خروجی آن تولید می شود که ولتاژ آن مطابق با سطوح منطقی یک و صفر است. به حسگرهای لمسی خازنی اشاره دارد. هنگام کار با نمایشگر تبلت، آیفون یا نمایشگر لمسی با این نوع دستگاه های ورودی داده مواجه می شویم. اگر روی مانیتور با یک قلم یا انگشت روی نماد کلیک کنیم، در اینجا از سطح صفحه به اندازه یک نماد ویندوز استفاده می کنیم، فقط با انگشت آن را لمس می کنیم، قلم حذف می شود. اساس ماژول تراشه TTP223-BA6 است. یک نشانگر قدرت وجود دارد.

کنترل ریتم پخش ملودی

هنگام نصب در دستگاه، ناحیه لمسی سطح برد ماژول با لایه نازکی از فایبرگلاس، پلاستیک، شیشه یا چوب پوشانده می شود. از مزایای دکمه لمسی خازنی می توان به موارد زیر اشاره کرد بلند مدتسرویس و قابلیت آب بندی پنل جلویی دستگاه، خاصیت ضد خرابکاری. این اجازه می دهد تا حسگر لمسی در دستگاه هایی که در خارج از منزل در شرایط تماس مستقیم با قطرات آب کار می کنند استفاده شود. به عنوان مثال، دکمه زنگ در یا لوازم خانگی. کاربرد جالب در تجهیزات خانه هوشمند- تعویض کلیدهای روشنایی

خصوصیات

ولتاژ تغذیه 2.5 - 5.5 ولت
زمان پاسخگویی لمسی در حالت‌های مصرف فعلی مختلف
کم 220 میلی‌ثانیه
معمولی 60 میلی ثانیه
سیگنال خروجی
ولتاژ
ورود به سیستم بالا ولتاژ تغذیه سطح 0.8 X
لاگ کم ولتاژ تغذیه سطح 0.3 X
جریان در 3 ولت منبع تغذیه و سطوح منطقی، میلی آمپر
کم 8
بالا -4
ابعاد تخته 28*24*8 میلیمتر

مخاطبین و سیگنال

بدون لمس - سیگنال خروجی سطح منطقی پایینی دارد، لمس - خروجی سنسور یک منطقی است.

چرا کار می کند یا کمی تئوری

بدن انسان مانند هر چیزی که در اطراف ما قرار دارد دارای ویژگی های الکتریکی است. هنگامی که یک سنسور لمسی فعال می شود، ظرفیت، مقاومت و اندوکتانس ما ظاهر می شود. در سمت پایین برد ماژول یک بخش از فویل وجود دارد که به ورودی میکرو مدار متصل است. بین انگشت اپراتور و فویل در سمت پایین یک لایه دی الکتریک وجود دارد - مواد پایه پشتیبانی از برد مدار چاپی ماژول. در لحظه تماس، بدن انسان توسط یک جریان میکروسکوپی که از یک خازن تشکیل شده توسط یک بخش از فویل و انگشت فرد جریان می یابد، شارژ می شود. در یک نمای ساده شده، جریان از دو خازن متصل به سری عبور می کند: فویل، انگشتی که در سطوح مخالف تخته قرار دارد و بدن انسان. بنابراین اگر سطح برد با یک لایه نازک عایق پوشانده شود، این امر باعث افزایش ضخامت لایه دی الکتریک خازن فویل انگشتی می شود و باعث اختلال در عملکرد ماژول نمی شود.
ریزمدار TTP223-BA6 یک پالس ریز جریان ناچیز را تشخیص می دهد و یک لمس را ثبت می کند. با توجه به خواص میکرو مدار، کار با چنین جریان هایی هیچ آسیبی ندارد. وقتی بدنه یک تلویزیون یا مانیتور در حال کار را لمس می کنیم، ریزجریان هایی با بزرگی بیشتر از ما عبور می کنند.

حالت کم مصرف

پس از اعمال برق، حسگر لمسی در حالت کم مصرف است. پس از شروع به مدت 12 ثانیه، ماژول به حالت عادی می رود. در صورت عدم تماس بیشتر، ماژول به حالت مصرف جریان کم باز می گردد. سرعت پاسخ ماژول به لمس در حالت های مختلف در مشخصات بالا آورده شده است.

همکاری با آردوینو UNO

برنامه زیر را در Arduino UNO بارگذاری کنید.

#define ctsPin 2 // تماس برای اتصال خط سیگنال سنسور لمسی
int ledPin = 13; // تماس برای LED

تنظیم خالی () (
Serial.begin(9600);
pinMode (ledPin، OUTPUT)؛
pinMode (ctsPin، INPUT)؛
}

حلقه خالی() (
int ctsValue = digitalRead(ctsPin);
if (ctsValue == HIGH)(
digitalWrite (ledPin، HIGH)؛
Serial.println("Touched");
}
دیگر(
digitalWrite (ledPin، LOW)؛
Serial.println("لمس نشده");
}
تاخیر (500);
}

حسگر لمسی و آردوینو UNO را مطابق شکل وصل کنید. مدار را می توان با یک LED تکمیل کرد که با لمس سنسور روشن می شود و از طریق یک مقاومت 430 اهم به پین ​​13 متصل می شود. دکمه های لمسی اغلب به یک نشانگر لمسی مجهز هستند. این کار را برای اپراتور راحت تر می کند. هنگامی که یک دکمه مکانیکی را فشار می دهیم، بدون توجه به واکنش سیستم، یک کلیک را احساس می کنیم. در اینجا نوآوری این فناوری به دلیل مهارت های حرکتی ما که در طول سال ها توسعه یافته اند کمی تعجب آور است. نشانگر فشار ما را از احساس تازگی بیش از حد نجات می دهد.

نحوه اتصال سنسور لمسی خازنی به میکروکنترلر این ایده برای من بسیار امیدوار کننده به نظر می رسید، کلیدهای لمسی بسیار مناسب تر از کلیدهای مکانیکی هستند. در این مقاله من در مورد اجرای من از این صحبت خواهم کرد تکنولوژی مفیدبر اساس برد توسعه STM32 Discovery.

بنابراین، تازه شروع به تسلط بر STM32، تصمیم گرفتم قابلیت تشخیص لمس را به عنوان تمرین به دستگاه اضافه کنم. پس از شروع به درک تئوری و عمل در مقاله فوق، مدار رفیق "الف" را تکرار کردم. عالی کار کرد، اما من که عاشق مینیمالیسم هستم، می خواستم آن را با خلاص شدن از عناصر غیر ضروری ساده کنم. به نظر من. یک مقاومت خارجی و یک مسیر منبع تغذیه، همه اینها را دارند در انتظار یک ترفند، مداری را روی تخته نان مونتاژ کردم که در کمال تعجب، اولین بار هم کار کرد، زیرا تنها چیزی که نیاز داریم این است برای اتصال صفحه تماس به پایه برد اشکال زدایی، میکروکنترلر تمام کارها را انجام خواهد داد.

برنامه چیه؟ دو عملکرد اول:
اولین خروجی یک "0" منطقی به پایه سنسور (صفر پایه ثبت C)

Void Sensor_Ground (Vid) (GPIOC->CRL = 0x1; GPIOC->BRR |= 0x1; )

دومی همان خروجی را به‌عنوان ورودی پیکربندی می‌کند و به منبع تغذیه متصل می‌شود.

Void Sensor_InPullUp (void) (GPIOC->CRL = 0x8؛ GPIOC->BSRR |= 0x1;)

اکنون در ابتدای چرخه نظرسنجی، Sensor_Ground() را فراخوانی می کنیم و مدتی صبر می کنیم تا تمام شارژ باقیمانده روی سنسور به زمین تخلیه شود. سپس متغیر count را که برای محاسبه زمان شارژ سنسور استفاده می شود، مجددا تنظیم می کنیم و Sensor_InPullUp() را فراخوانی می کنیم.

Sensor_Ground(); تاخیر (0xFF)؛ //تعداد شمارنده خالی ساده = 0; Sensor_InPullUp();

اکنون سنسور از طریق یک مقاومت کششی داخلی با مقدار اسمی حدود ده ها KOhms (30..50KOhms برای STM32) شروع به شارژ می کند. ثابت زمانی چنین مداری برابر با چند سیکل ساعت خواهد بود، بنابراین من رزوناتور کوارتز روی برد اشکال زدایی را به یک سریعتر، 20 مگاهرتز تغییر دادم (به هر حال، من بلافاصله متوجه نشدم که در STM32 Discovery کوارتز وجود دارد. بدون لحیم کاری تغییر می کند). بنابراین ما چرخه های پردازنده را می شمریم تا زمانی که یک منطقی در ورودی ظاهر شود:

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

پس از خروج از این حلقه، متغیر count عددی متناسب با ظرفیت صفحه سنسور را ذخیره می کند. در مورد من با یک تراشه 20 مگاهرتز، مقدار شمارش 1 است که فشار وجود ندارد، 7-10 با سبک ترین لمس، 15-20 با لمس معمولی است. تنها چیزی که باقی می‌ماند این است که آن را با مقدار آستانه مقایسه کنید و فراموش نکنید که Sensor_Ground() را دوباره فراخوانی کنید تا در چرخه نظرسنجی بعدی سنسور قبلاً تخلیه شود.
حساسیت به دست آمده برای تشخیص با اطمینان لمس روی پدهای فلزی لخت کافی است. هنگام پوشاندن سنسور با یک ورق کاغذ یا پلاستیک، حساسیت سه تا چهار بار کاهش می یابد. برای افزایش حساسیت در مواردی که سنسور باید با مواد محافظ پوشانده شود، می توانید فرکانس کلاک میکروکنترلر را افزایش دهید. با تراشه سری STM32F103 که قادر به کار در فرکانس های تا 72 مگاهرتز است، موانع میلی متری بین انگشت و سنسور مانعی نخواهد بود.
در مقایسه با اجرای "a، رویکرد من بسیار سریعتر کار می کند (حدود 12 چرخه ساعت در هر نظرسنجی از یک سنسور)، بنابراین من با تنظیم وقفه های تایمر، برنامه را پیچیده نکردم.

در نهایت، یک ویدئو نشان می دهد که چگونه سنسور کار می کند.

برنامه تست Main.c.

به میکروکنترلر

با تشکر از کاربر برای مقاله بسیار مفید میکروکنترلرهای ARM STM32F. شروع سریع با STM32-Discovery، به کاربر برای ایده و توضیحات نظری قابل فهم.

UPD. پس از نظرات "a من تصمیم گرفتم به ساعت نگاه کنم و متوجه شدم که به طور پیش فرض STM32 Discovery روی فرکانس ساعت تنظیم شده است.
(HSE / 2) * 6 = 24 مگاهرتز، که در آن HSE فرکانس کریستالی خارجی است. بر این اساس، با تغییر کوارتز از 8 به 20 مگاهرتز، من STM ضعیف را مجبور کردم تا در 60 مگاهرتز کار کند، بنابراین، اولاً، برخی از نتایج کاملاً صحیح نیستند، و ثانیاً، کاری که من انجام می‌دادم می‌تواند منجر به خرابی تراشه شود در مورد چنین میکروکنترلر دارای یک وقفه HardFault است، من فرکانس های بالاتر را بررسی کردم، بنابراین، تراشه فقط در 70 مگاهرتز شروع به از کار انداختن می کند، اما اگر چه کنترلر این برنامه خاص را در 60 مگاهرتز پردازش می کند. نتیجه گیری: با این موضوع به عنوان یک آزمایش رفتار کنید، فقط با خطر و خطر خود تکرار کنید.