Un sensore capacitivo è uno dei tipi di sensori senza contatto, il cui principio di funzionamento si basa sulla variazione della costante dielettrica del mezzo tra due piastre del condensatore. Serve una copertura sensore tattile circuiti sotto forma di piastra o filo metallico, e il secondo è una sostanza elettricamente conduttiva, come il metallo, l'acqua o il corpo umano.
Quando si sviluppa un sistema accensione automatica fornitura di acqua al WC per il bidet, si è reso necessario l'utilizzo di un sensore di presenza capacitivo e la commutazione con alta affidabilità, resistenza al cambiamento temperatura esterna, umidità, polvere e tensione di alimentazione. Volevo anche eliminare la necessità che una persona toccasse i controlli del sistema. I requisiti presentati potrebbero essere soddisfatti solo da circuiti di sensori tattili che funzionano secondo il principio della variazione della capacità. Schema finito Non sono riuscito a trovarne uno che soddisfacesse i requisiti necessari, quindi ho dovuto svilupparlo da solo.
Il risultato è un sensore tattile capacitivo universale che non richiede configurazione e reagisce all'avvicinamento di oggetti elettricamente conduttivi, inclusa una persona, a una distanza fino a 5 cm. L'ambito di applicazione del sensore tattile proposto non è limitato. Può essere utilizzato, ad esempio, per accendere luci, impianti allarme antifurto, determinando il livello dell'acqua e in molti altri casi.
Schemi elettrici
Per controllare l'afflusso d'acqua nel bidet del WC erano necessari due sensori tattili capacitivi. Un sensore doveva essere installato direttamente sulla toilette; doveva produrre un segnale logico zero in presenza di una persona e in assenza di un segnale logico uno. Il secondo sensore capacitivo avrebbe dovuto fungere da interruttore dell'acqua e trovarsi in uno dei due stati logici.
Quando la mano veniva avvicinata al sensore, il sensore doveva cambiare lo stato logico in uscita - dallo stato iniziale allo stato logico zero, quando la mano veniva nuovamente toccata, dallo stato zero allo stato logico uno. E così via all'infinito, purché l'interruttore touch riceva un segnale di abilitazione di zero logico dal sensore di presenza.
Circuito del sensore tattile capacitivo
La base del circuito del sensore di presenza tattile capacitivo è un generatore di impulsi rettangolare principale, realizzato secondo lo schema classico su due elementi logici del microcircuito D1.1 e D1.2. La frequenza del generatore è determinata dalle caratteristiche degli elementi R1 e C1 e viene selezionata intorno a 50 kHz. Il valore della frequenza non ha praticamente alcun effetto sul funzionamento del sensore capacitivo. Ho cambiato la frequenza da 20 a 200 kHz e visivamente non ho notato alcun effetto sul funzionamento del dispositivo.
Dal pin 4 del chip D1.2 forma rettangolare attraverso il resistore R2 va agli ingressi 8, 9 del microcircuito D1.3 e attraverso il resistore variabile R3 agli ingressi 12,13 di D1.4. Il segnale arriva all'ingresso del microcircuito D1.3 con un leggero cambiamento nella pendenza del fronte dell'impulso dovuto a sensore installato, che è un pezzo di filo o piastra metallica. All'ingresso D1.4, a causa del condensatore C2, cambia il fronte per il tempo necessario a ricaricarlo. Grazie alla presenza della resistenza di trimming R3 è possibile impostare il fronte dell'impulso sull'ingresso D1.4 uguale al fronte dell'impulso sull'ingresso D1.3.
Se avvicini la mano o un oggetto metallico all'antenna (sensore tattile), la capacità all'ingresso del microcircuito DD1.3 aumenterà e la parte anteriore dell'impulso in ingresso verrà ritardata nel tempo rispetto alla parte anteriore dell'impulso arrivando all'ingresso DD1.4. Per "catturare" questo ritardo, gli impulsi invertiti vengono inviati al chip DD2.1, che è un flip-flop D che funziona come segue. Lungo il fronte positivo dell'impulso che arriva all'ingresso del microcircuito C, il segnale che in quel momento era all'ingresso D viene trasmesso all'uscita del trigger. Di conseguenza, se il segnale all'ingresso D non cambia, gli impulsi in ingresso a l'ingresso di conteggio C non influenza il livello del segnale di uscita. Questa proprietà del trigger D ha permesso di realizzare un semplice sensore tattile capacitivo.
Quando la capacità dell'antenna, a causa dell'avvicinamento del corpo umano ad essa, all'ingresso di DD1.3 aumenta, l'impulso viene ritardato e questo fissa il trigger D, modificandone lo stato di uscita. Il LED HL1 viene utilizzato per indicare la presenza della tensione di alimentazione, mentre il LED HL2 viene utilizzato per indicare la vicinanza al sensore touch.
Circuito dell'interruttore tattile
Il circuito del sensore tattile capacitivo può essere utilizzato anche per azionare l'interruttore tattile, ma con una piccola modifica, poiché non deve solo rispondere all'avvicinarsi del corpo umano, ma anche rimanere in uno stato stabile dopo che la mano viene rimossa. Per risolvere questo problema, abbiamo dovuto aggiungere un altro trigger D, DD2.2, all'uscita del sensore tattile, collegato tramite un divisore per due circuiti.
Il circuito del sensore capacitivo è stato leggermente modificato. Per escludere falsi allarmi, poiché una persona può avvicinare e allontanare lentamente la mano, a causa della presenza di interferenze, il sensore può emettere diversi impulsi all'ingresso di conteggio D del grilletto, violando l'algoritmo di funzionamento richiesto dell'interruttore. Pertanto, è stata aggiunta una catena RC di elementi R4 e C5, che per un breve periodo ha bloccato la possibilità di cambiare il grilletto D.
Il trigger DD2.2 funziona allo stesso modo di DD2.1, ma il segnale all'ingresso D non viene fornito da altri elementi, ma dall'uscita inversa di DD2.2. Di conseguenza, lungo il fronte positivo dell'impulso che arriva all'ingresso C, il segnale all'ingresso D cambia al contrario. Ad esempio, se nello stato iniziale sul pin 13 era presente uno zero logico, alzando una volta la mano sul sensore, il grilletto cambierà e verrà impostato uno zero logico sul pin 13. La prossima volta che interagirai con il sensore, il pin 13 verrà nuovamente impostato su zero logico.
Per bloccare l'interruttore in assenza di una persona nella toilette, viene fornita un'unità logica dal sensore all'ingresso R (impostazione zero all'uscita del grilletto, indipendentemente dai segnali su tutti gli altri ingressi). Uno zero logico viene impostato all'uscita dell'interruttore capacitivo, che viene fornito attraverso il cablaggio alla base del transistor chiave per l'attivazione dell'elettrovalvola nell'unità di alimentazione e commutazione.
Il resistore R6, in assenza di un segnale di blocco dal sensore capacitivo in caso di guasto o interruzione del filo di controllo, blocca il grilletto all'ingresso R, eliminando così la possibilità di approvvigionamento idrico spontaneo nel bidet. Il condensatore C6 protegge l'ingresso R dalle interferenze. Il LED HL3 serve per indicare la riserva d'acqua nel bidet.
Design e dettagli dei sensori tattili capacitivi
Quando ho iniziato a sviluppare un sistema di sensori per l'approvvigionamento idrico nel bidet, il compito più difficile mi è sembrato essere lo sviluppo di un sensore capacitivo di presenza. Ciò era dovuto a una serie di limitazioni di installazione e funzionamento. Non volevo che il sensore fosse collegato meccanicamente al coperchio del WC, poiché deve essere rimosso periodicamente per il lavaggio e non interferirebbe con sanificazione la toilette stessa. Ecco perché ho scelto un contenitore come elemento reattivo.
Sensore di presenza
Sulla base dello schema pubblicato sopra, ho realizzato un prototipo. Le parti del sensore capacitivo sono assemblate su un circuito stampato; la scheda è posta in una scatola di plastica e chiusa con un coperchio. Per collegare l'antenna, nella custodia è installato un connettore a quattro pin RSh2N per fornire la tensione di alimentazione e il segnale; Il circuito stampato è collegato ai connettori mediante saldatura conduttori in rame nell'isolamento fluoroplastico.
Il sensore tattile capacitivo è assemblato su due microcircuiti della serie KR561, LE5 e TM2. Invece del microcircuito KR561LE5, puoi utilizzare KR561LA7. Sono adatti anche i microcircuiti della serie 176 e gli analoghi importati. Resistori, condensatori e LED si adattano a qualsiasi tipo. Condensatore C2, per il funzionamento stabile del sensore capacitivo quando si opera in condizioni di grandi fluttuazioni di temperatura ambiente deve essere preso con un piccolo TKE.
Il sensore è installato sotto la piattaforma della toilette su cui è installato cisterna in un luogo dove, in caso di perdita del serbatoio, non possa entrare acqua. Il corpo del sensore è incollato alla toilette tramite nastro biadesivo.
Il sensore dell'antenna del sensore capacitivo è un pezzo di filo di rame intrecciato lungo 35 cm isolato con fluoroplastico, incollato con nastro trasparente sulla parete esterna del water un centimetro sotto il piano dei bicchieri. Il sensore è chiaramente visibile nella foto.
Per regolare la sensibilità del sensore tattile, dopo averlo installato sulla toilette, modificare la resistenza del resistore di regolazione R3 in modo che il LED HL2 si spenga. Successivamente, posiziona la mano sul coperchio del WC sopra la posizione del sensore, il LED HL2 dovrebbe accendersi, se togli la mano dovrebbe spegnersi. Poiché la coscia umana in massa più mani, quindi durante il funzionamento il sensore tattile, dopo tale regolazione, sarà garantito il funzionamento.
Design e dettagli dell'interruttore tattile capacitivo
Il circuito dell'interruttore tattile capacitivo è composto da più parti ed era necessario un alloggiamento più grande per accoglierle e, per ragioni estetiche, l'aspetto dell'alloggiamento in cui era collocato il sensore di presenza non era molto adatto all'installazione in un luogo visibile. La presa a muro RJ-11 per il collegamento di un telefono ha attirato l'attenzione. Era della taglia giusta e sembrava bello. Dopo aver rimosso tutto ciò che non è necessario dalla presa, ho inserito al suo interno un circuito stampato per un interruttore tattile capacitivo.
Mettere al sicuro scheda a circuito stampato Alla base del case è stato installato un supporto corto e ad esso è stato avvitato un circuito stampato con parti di interruttori tattili mediante una vite.
Il sensore capacitivo è stato realizzato incollando un foglio di ottone sul fondo del coperchio della presa con colla Moment, avendo precedentemente ritagliato una finestra per i LED al suo interno. Quando si chiude il coperchio, la molla (prelevata da un accendino a pietra focaia) entra in contatto con la lamina di ottone e garantisce così il contatto elettrico tra il circuito e il sensore.
L'interruttore tattile capacitivo viene montato a parete tramite una vite autofilettante. A questo scopo è previsto un foro nell'alloggiamento. Successivamente, la scheda e il connettore vengono installati e il coperchio viene fissato con i fermi.
La configurazione di un interruttore capacitivo non è praticamente diversa dalla configurazione del sensore di presenza sopra descritta. Per configurarlo è necessario applicare la tensione di alimentazione e regolare la resistenza in modo che il LED HL2 si accenda quando si avvicina una mano al sensore e si spenga quando viene rimosso. Successivamente, è necessario attivare il sensore tattile e spostare e rimuovere la mano dal sensore dell'interruttore. Il LED HL2 dovrebbe lampeggiare e il LED rosso HL3 dovrebbe accendersi. Quando togli la mano, il LED rosso dovrebbe rimanere acceso. Quando si alza nuovamente la mano o si allontana il corpo dal sensore, il LED HL3 dovrebbe spegnersi, ovvero chiudere l'alimentazione idrica nel bidet.
PCB universale
I sensori capacitivi presentati sopra sono assemblati su circuiti stampati, leggermente diversi dal circuito stampato mostrato nella foto sotto. Ciò è dovuto alla combinazione di entrambi i circuiti stampati in uno universale. Se si monta un interruttore tattile, è necessario tagliare solo la traccia numero 2. Se si monta un sensore di presenza tattile, la traccia numero 1 viene rimossa e non tutti gli elementi vengono installati.
Gli elementi necessari al funzionamento del touch switch, ma che interferiscono con il funzionamento del sensore di presenza, R4, C5, R6, C6, HL2 e R4, non sono installati. Invece di R4 e C6, i ponticelli sono saldati. La catena R4, C5 può essere lasciata. Non influenzerà il lavoro.
Di seguito è riportato un disegno di un circuito stampato per la zigrinatura utilizzando il metodo termico di applicazione delle tracce sulla lamina.
È sufficiente stampare il disegno su carta lucida o carta da lucidi e il modello è pronto per realizzare un circuito stampato.
Il funzionamento senza problemi dei sensori capacitivi per il sistema di controllo touch per l'approvvigionamento idrico nel bidet è stato confermato nella pratica in tre anni di funzionamento continuo. Non sono stati registrati malfunzionamenti.
Tuttavia, voglio sottolineare che il circuito è sensibile al potente rumore impulsivo. Ho ricevuto un'e-mail in cui mi chiedevo aiuto per configurarlo. Si è scoperto che durante il debug del circuito c'era un saldatore con un regolatore di temperatura a tiristori nelle vicinanze. Dopo aver spento il saldatore, il circuito ha iniziato a funzionare.
C'è stato un altro caso simile. Il sensore capacitivo è stato installato in una lampada collegata alla stessa presa del frigorifero. Quando è stato acceso, la luce si è accesa e quando si è spenta di nuovo. Il problema è stato risolto collegando la lampada ad un'altra presa.
Ho ricevuto una lettera sull'uso riuscito del circuito del sensore capacitivo descritto per la regolazione del livello dell'acqua serbatoio di stoccaggio fatto di plastica. Nelle parti inferiore e superiore era presente un sensore incollato con silicone, che controllava l'accensione e lo spegnimento dell'elettropompa.
Sensori di distanza e di tocco
Sensore ultrasonico
Il sensore a ultrasuoni è uno dei due sensori che sostituiscono la visione del robot. Il sensore a ultrasuoni consente al robot di vedere e rilevare oggetti. Può anche essere utilizzato per consentire a un robot di evitare ostacoli, stimare e misurare la distanza e catturare il movimento di un oggetto.
Le letture del sensore a ultrasuoni sono misurate in centimetri e pollici. Può misurare distanze da 0 a 255 centimetri con una precisione di +/- 3 cm. Il sensore a ultrasuoni funziona secondo lo stesso principio di un localizzatore di pipistrelli: misura la distanza calcolando il tempo impiegato dall'onda sonora per ritornare dopo essere stata riflessa. un oggetto, simile all'eco.
Gli oggetti di grandi dimensioni con superfici dure vengono rilevati meglio. Oggetti da materiali morbidi(tessuto) o rotondo (sfera), nonché troppo sottile, piccolo, ecc., può creare alcune difficoltà al sensore durante il funzionamento.
Si prega di ricordare che due o più sensori a ultrasuoni che operano nella stessa stanza possono interferire e ridurre la precisione dei risultati.
Esempi di utilizzo di sensori di distanza a ultrasuoni includono l'uso nelle automobili per segnali di avvertimento al conducente o controllo automatico basato su segnali provenienti da sensori che identificano situazioni pericolose, combinati in connessioni di rete, con un'interfaccia uomo-macchina (HMI).
Fig. 1
Il principio a ultrasuoni del rilevamento degli ostacoli si basa sul principio dell'eco. Il sensore è costituito da due trasduttori: un trasduttore emette onde ultrasoniche e le onde riflesse vengono rilevate da uno o più altri trasduttori. Lo stesso trasduttore che trasmette le onde ultrasoniche può essere utilizzato anche per rilevare l'onda riflessa. Lo scopo principale dei sensori è quello di rilevare la presenza o l'assenza di un ostacolo, ma questo principio (tempo di volo) consente anche di calcolare la distanza dell'oggetto a partire dal momento del ritorno dell'eco ad una velocità di propagazione del suono nota. .
Gli ultrasuoni non sono altro che vibrazioni ad una frequenza > 20 kHz. La maggior parte dei convertitori disponibili in commercio funzionano a frequenze comprese tra 40 e 250 kHz.
Le variazioni dei parametri acustici dei sensori, dell'ambiente e dei diversi target influiscono in modo significativo sulle prestazioni dei dispositivi.
In un sensore a ultrasuoni, il trasduttore genera un breve impulso che viene inviato al bersaglio e restituito
È importante che la velocità del suono sia funzione della composizione e della temperatura del mezzo (aria) e influenzi la precisione e la risoluzione del sensore. La precisione delle misurazioni della distanza è direttamente proporzionale alla precisione della velocità del suono utilizzata nei calcoli e varia in condizioni reali da 345 m/s a temperatura ambiente fino a più di 380 m/s ad una temperatura di circa 70 °C. Lunghezza d'onda del suono
è una funzione della velocità degli ultrasuoni c ed è correlata alla sua frequenza ѓ, pertanto questi parametri (lunghezza d'onda e frequenza) influiscono anche sulla risoluzione e sulla precisione, nonché sulla dimensione minima target e la gamma di distanze misurate dal sensore.
L'attenuazione del suono è una funzione della frequenza e dell'umidità, che influisce sulla distanza massima rilevata dal sensore. Le onde più lunghe (frequenza più bassa) hanno meno attenuazione. A frequenze superiori a 125 kHz, l'attenuazione massima si verifica con un'umidità relativa del 100%, a frequenze di 40 kHz - già con un'umidità del 50%. Poiché il sensore deve funzionare a qualsiasi livello di umidità, i calcoli utilizzano l'attenuazione massima per ciascuna frequenza.
Il rumore di fondo è una funzione della frequenza e diminuisce all'aumentare della frequenza, influenzando anche la distanza massima rilevabile e la dimensione minima del bersaglio. La risoluzione e la precisione sono maggiori alle frequenze più alte, mentre la portata è maggiore con lunghezze d'onda maggiori.
Sensore tattile
Un sensore tattile è un pulsante che ha due possibili stati: premuto e rilasciato. A livello di programmazione, il sensore riconosce un altro stato: Touch.
È possibile vedere la reazione del sensore tattile sullo schermo del display in modalità Visualizzazione. Quando il pulsante del sensore non viene premuto, sul display appare 0 e quando viene premuto appare 1.
Aggiungendo un sensore tattile al design del robot (ad esempio, sotto forma di paraurti), puoi far sì che il robot cambi il suo comportamento quando il sensore viene attivato.
Il sensore tattile è uno dei sensi del tatto per i robot, che lo rende necessario laddove è richiesta la reazione del robot agli oggetti.
Il sensore tattile consente al robot di toccare.
Il sensore di pressione può determinare il momento in cui viene premuto qualcosa e anche il momento in cui viene rilasciato.
Il sensore tattile è mostrato in Fig. 2.
Fig.2 Sensore tattile
Strumenti di riferimento e apparecchiature aggiuntive utilizzate
Micrometro
Per misurare la velocità al minimo del sensore tattile, è necessario un micrometro (o comparatore) ICH-25, che misurerà la distanza percorsa dal sensore fino al momento dell'operazione.
ICh-25 è progettato per misurare le dimensioni lineari utilizzando metodi assoluti e relativi, determinando l'entità delle deviazioni da una determinata forma geometrica e la posizione relativa delle superfici.
La Figura 3 mostra diversi tipi di indicatori.
Fig.3.
Parametri del micrometro ICH 25:
Campo di misura 0-25 mm.
Il valore di divisione è 0,01 mm.
Dimensioni 159x85x51mm.
Pagina 1
I sensori tattili vengono semplicemente utilizzati per rilevare che un oggetto è entrato in contatto. Un semplice microinterruttore può fungere da sensore tattile. I sensori di stress meccanico vengono utilizzati per misurare la quantità di forza generata nel punto di contatto. In genere, gli estensimetri vengono utilizzati come sensori che misurano le forze.
Nei torni, i sensori tattili vengono utilizzati per monitorare le dimensioni del pezzo, della parte lavorata e del tagliente dell'utensile. Problemi di diagnosi dei robot (robot antropomorfi e portali integrati tornio, ed esterni, che lavorano in un sistema di coordinate cilindriche) sono discussi nel Cap.
Per misurare l'usura con metodi diretti vengono utilizzati sensori tattili che registrano l'usura dimensionale oppure, in caso di movimento, l'usura lungo il percorso superficie posteriore. Il design del sensore è mostrato in Fig. 4.8, a. L'alloggiamento 4 è fissato all'unità mobile/macchina. Nell'avvolgimento dell'elettromagnete viene creato un campo magnetico alternato che fa oscillare la punta. Quando la punta tocca il blocco, le sue vibrazioni vengono interrotte, che vengono registrate da un sistema elettronico 8 con un amplificatore 7, e le coordinate corrispondono alla dimensione misurata. Il sensore è protetto dai trucioli. Viene utilizzato sulle macchine CNC e nel GPS non solo per misurare l'usura, ma anche per determinare le coordinate effettive della punta della lama dell'utensile allo scopo di regolare automaticamente i programmi di controllo.
Il principio di funzionamento di un sensore tattile a filo (sensore tattile) è mostrato in Fig. 5.26. Il robot utilizza automaticamente le coordinate di due punti base A e B, determinati da un sensore tattile sulla giunzione angolare, e, secondo un programma adattato, trova il punto di inizio saldatura richiesto (punto C), se la deviazione della giunzione di testa da la posizione originaria è causata dal suo spostamento parallelo. Se lo spostamento del giunto di testa dalla sua posizione originale è causato dal suo spostamento parallelo con una rotazione rispetto al punto di saldatura, allora per adattare il programma di posizionamento del robot della torcia al punto di saldatura iniziale, è necessario determinare il coordinate di almeno tre punti base sugli elementi del giunto con un sensore.
Le teste zero sono solitamente progettate sulla base di sensori tattili, di cui sono ampiamente utilizzati sensori di contatto elettrici, radio e di vibrazione. Queste teste, chiamate anche teste di contatto, si dividono in due classi: con posizione di zero variabile e fissa della punta di misura.
Consideriamo le caratteristiche dei dispositivi sopra menzionati quando li utilizziamo come sensore tattile nelle condizioni specifiche di un'officina di elettrolisi del mercurio.
Il rilevamento delle pinze e degli altri organi esecutivi del manipolatore viene effettuato mediante sensori di forza di presa 6 e sensori di contatto 7 durante l'interazione del PR con l'ambiente esterno.
La parte di saldatura del PR comprende: raddrizzatore di saldatura; cannello per saldatura; staffe di montaggio; meccanismo di alimentazione del filo di saldatura; sensore tattile pezzo per saldatura; dispositivo di controllo del sensore tattile; numero richiesto di cavi; una bombola con gas inerte, un riduttore con flussometro e un riscaldatore a gas; tubi e manicotti.
Un sensore capacitivo è uno dei tipi di sensori senza contatto, il cui principio di funzionamento si basa sulla variazione della costante dielettrica del mezzo tra due piastre del condensatore. Una piastra è un circuito del sensore tattile sotto forma di una piastra o filo metallico, mentre la seconda è una sostanza elettricamente conduttiva, ad esempio metallo, acqua o corpo umano.
Durante lo sviluppo di un sistema per l'apertura automatica dell'alimentazione idrica al WC per un bidet, si è reso necessario l'utilizzo di un sensore di presenza capacitivo e di un interruttore altamente affidabili, resistenti alle variazioni di temperatura esterna, umidità, polvere e tensione di alimentazione. Volevo anche eliminare la necessità che una persona toccasse i controlli del sistema. I requisiti presentati potrebbero essere soddisfatti solo da circuiti di sensori tattili che funzionano secondo il principio della variazione della capacità. Non sono riuscito a trovare uno schema già pronto che soddisfacesse i requisiti necessari, quindi ho dovuto svilupparlo da solo.
Il risultato è un sensore tattile capacitivo universale che non richiede configurazione e reagisce all'avvicinamento di oggetti elettricamente conduttivi, inclusa una persona, a una distanza fino a 5 cm. L'ambito di applicazione del sensore tattile proposto non è limitato. Può essere utilizzato, ad esempio, per accendere l'illuminazione, i sistemi di allarme di sicurezza, determinare i livelli dell'acqua e in molti altri casi.
Schemi elettrici
Per controllare l'afflusso d'acqua nel bidet del WC erano necessari due sensori tattili capacitivi. Un sensore doveva essere installato direttamente sulla toilette; doveva produrre un segnale logico zero in presenza di una persona e in assenza di un segnale logico uno. Il secondo sensore capacitivo avrebbe dovuto fungere da interruttore dell'acqua e trovarsi in uno dei due stati logici.
Quando la mano veniva avvicinata al sensore, il sensore doveva cambiare lo stato logico in uscita - dallo stato iniziale allo stato logico zero, quando la mano veniva nuovamente toccata, dallo stato zero allo stato logico uno. E così via all'infinito, purché l'interruttore touch riceva un segnale di abilitazione di zero logico dal sensore di presenza.
Circuito del sensore tattile capacitivo
La base del circuito del sensore di presenza tattile capacitivo è un generatore di impulsi rettangolare principale, realizzato secondo lo schema classico su due elementi logici del microcircuito D1.1 e D1.2. La frequenza del generatore è determinata dalle caratteristiche degli elementi R1 e C1 e viene selezionata intorno a 50 kHz. Il valore della frequenza non ha praticamente alcun effetto sul funzionamento del sensore capacitivo. Ho cambiato la frequenza da 20 a 200 kHz e visivamente non ho notato alcun effetto sul funzionamento del dispositivo.
Dal pin 4 del microcircuito D1.2, un segnale rettangolare viene fornito attraverso il resistore R2 agli ingressi 8, 9 del microcircuito D1.3 e attraverso il resistore variabile R3 agli ingressi 12,13 di D1.4. Il segnale arriva all'ingresso del chip D1.3 con una leggera variazione nella pendenza del fronte dell'impulso dovuta al sensore installato, che è un pezzo di filo o una piastra metallica. All'ingresso D1.4, a causa del condensatore C2, cambia il fronte per il tempo necessario a ricaricarlo. Grazie alla presenza della resistenza di trimming R3 è possibile impostare il fronte dell'impulso sull'ingresso D1.4 uguale al fronte dell'impulso sull'ingresso D1.3.
Se avvicini la mano o un oggetto metallico all'antenna (sensore tattile), la capacità all'ingresso del microcircuito DD1.3 aumenterà e la parte anteriore dell'impulso in ingresso verrà ritardata nel tempo rispetto alla parte anteriore dell'impulso arrivando all'ingresso DD1.4. Per "catturare" questo ritardo, gli impulsi invertiti vengono inviati al chip DD2.1, che è un flip-flop D che funziona come segue. Lungo il fronte positivo dell'impulso che arriva all'ingresso del microcircuito C, il segnale che in quel momento era all'ingresso D viene trasmesso all'uscita del trigger. Di conseguenza, se il segnale all'ingresso D non cambia, gli impulsi in ingresso a l'ingresso di conteggio C non influenza il livello del segnale di uscita. Questa proprietà del trigger D ha permesso di realizzare un semplice sensore tattile capacitivo.
Quando la capacità dell'antenna, a causa dell'avvicinamento del corpo umano ad essa, all'ingresso di DD1.3 aumenta, l'impulso viene ritardato e questo fissa il trigger D, modificandone lo stato di uscita. Il LED HL1 viene utilizzato per indicare la presenza della tensione di alimentazione, mentre il LED HL2 viene utilizzato per indicare la vicinanza al sensore touch.
Circuito dell'interruttore tattile
Il circuito del sensore tattile capacitivo può essere utilizzato anche per azionare l'interruttore tattile, ma con una piccola modifica, poiché non deve solo rispondere all'avvicinarsi del corpo umano, ma anche rimanere in uno stato stabile dopo che la mano viene rimossa. Per risolvere questo problema, abbiamo dovuto aggiungere un altro trigger D, DD2.2, all'uscita del sensore tattile, collegato tramite un divisore per due circuiti.
Il circuito del sensore capacitivo è stato leggermente modificato. Per escludere falsi allarmi, poiché una persona può avvicinare e allontanare lentamente la mano, a causa della presenza di interferenze, il sensore può emettere diversi impulsi all'ingresso di conteggio D del grilletto, violando l'algoritmo di funzionamento richiesto dell'interruttore. Pertanto, è stata aggiunta una catena RC di elementi R4 e C5, che per un breve periodo ha bloccato la possibilità di cambiare il grilletto D.
Il trigger DD2.2 funziona allo stesso modo di DD2.1, ma il segnale all'ingresso D non viene fornito da altri elementi, ma dall'uscita inversa di DD2.2. Di conseguenza, lungo il fronte positivo dell'impulso che arriva all'ingresso C, il segnale all'ingresso D cambia al contrario. Ad esempio, se nello stato iniziale sul pin 13 era presente uno zero logico, alzando una volta la mano sul sensore, il grilletto cambierà e verrà impostato uno zero logico sul pin 13. La prossima volta che interagirai con il sensore, il pin 13 verrà nuovamente impostato su zero logico.
Per bloccare l'interruttore in assenza di una persona nella toilette, viene fornita un'unità logica dal sensore all'ingresso R (impostazione zero all'uscita del grilletto, indipendentemente dai segnali su tutti gli altri ingressi). Uno zero logico viene impostato all'uscita dell'interruttore capacitivo, che viene fornito attraverso il cablaggio alla base del transistor chiave per l'attivazione dell'elettrovalvola nell'unità di alimentazione e commutazione.
Il resistore R6, in assenza di un segnale di blocco dal sensore capacitivo in caso di guasto o interruzione del filo di controllo, blocca il grilletto all'ingresso R, eliminando così la possibilità di approvvigionamento idrico spontaneo nel bidet. Il condensatore C6 protegge l'ingresso R dalle interferenze. Il LED HL3 serve per indicare la riserva d'acqua nel bidet.
Design e dettagli dei sensori tattili capacitivi
Quando ho iniziato a sviluppare un sistema di sensori per l'approvvigionamento idrico nel bidet, il compito più difficile mi è sembrato essere lo sviluppo di un sensore capacitivo di presenza. Ciò era dovuto a una serie di limitazioni di installazione e funzionamento. Non volevo che il sensore fosse collegato meccanicamente al coperchio del wc, poiché necessita di essere rimosso periodicamente per il lavaggio, e per non interferire con la sanificazione del wc stesso. Ecco perché ho scelto un contenitore come elemento reattivo.
Sensore di presenza
Sulla base dello schema pubblicato sopra, ho realizzato un prototipo. Le parti del sensore capacitivo sono assemblate su un circuito stampato; la scheda è posta in una scatola di plastica e chiusa con un coperchio. Per collegare l'antenna, nella custodia è installato un connettore a quattro pin RSh2N per fornire la tensione di alimentazione e il segnale; Il circuito stampato è collegato ai connettori mediante saldatura con conduttori di rame in isolamento fluoroplastico.
Il sensore tattile capacitivo è assemblato su due microcircuiti della serie KR561, LE5 e TM2. Invece del microcircuito KR561LE5, puoi utilizzare KR561LA7. Sono adatti anche i microcircuiti della serie 176 e gli analoghi importati. Resistori, condensatori e LED si adattano a qualsiasi tipo. Il condensatore C2, per un funzionamento stabile del sensore capacitivo quando opera in condizioni di grandi fluttuazioni della temperatura ambiente, deve essere preso con un piccolo TKE.
Un sensore è installato sotto la piattaforma del WC, su cui è installata la cassetta di scarico in un luogo dove, in caso di perdita dalla cassetta, l'acqua non può entrare. Il corpo del sensore è incollato alla toilette tramite nastro biadesivo.
Il sensore dell'antenna del sensore capacitivo è un pezzo di filo di rame intrecciato lungo 35 cm isolato con fluoroplastico, incollato con nastro trasparente sulla parete esterna del water un centimetro sotto il piano dei bicchieri. Il sensore è chiaramente visibile nella foto.
Per regolare la sensibilità del sensore tattile, dopo averlo installato sulla toilette, modificare la resistenza del resistore di regolazione R3 in modo che il LED HL2 si spenga. Successivamente, posiziona la mano sul coperchio del WC sopra la posizione del sensore, il LED HL2 dovrebbe accendersi, se togli la mano dovrebbe spegnersi. Poiché la coscia umana ha una massa maggiore della mano, durante il funzionamento il sensore tattile, dopo tale regolazione, sarà garantito per funzionare.
Design e dettagli dell'interruttore tattile capacitivo
Il circuito dell'interruttore tattile capacitivo è composto da più parti ed era necessario un alloggiamento più grande per accoglierle e, per ragioni estetiche, l'aspetto dell'alloggiamento in cui era collocato il sensore di presenza non era molto adatto all'installazione in un luogo visibile. La presa a muro RJ-11 per il collegamento di un telefono ha attirato l'attenzione. Era della taglia giusta e sembrava bello. Dopo aver rimosso tutto ciò che non è necessario dalla presa, ho inserito al suo interno un circuito stampato per un interruttore tattile capacitivo.
Per fissare il circuito stampato, alla base del case è stato installato un supporto corto e ad esso è stato avvitato con una vite un circuito stampato con parti dell'interruttore tattile.
Il sensore capacitivo è stato realizzato incollando un foglio di ottone sul fondo del coperchio della presa con colla Moment, avendo precedentemente ritagliato una finestra per i LED al suo interno. Quando si chiude il coperchio, la molla (prelevata da un accendino a pietra focaia) entra in contatto con la lamina di ottone e garantisce così il contatto elettrico tra il circuito e il sensore.
L'interruttore tattile capacitivo viene montato a parete tramite una vite autofilettante. A questo scopo è previsto un foro nell'alloggiamento. Successivamente, la scheda e il connettore vengono installati e il coperchio viene fissato con i fermi.
La configurazione di un interruttore capacitivo non è praticamente diversa dalla configurazione del sensore di presenza sopra descritta. Per configurarlo è necessario applicare la tensione di alimentazione e regolare la resistenza in modo che il LED HL2 si accenda quando si avvicina una mano al sensore e si spenga quando viene rimosso. Successivamente, è necessario attivare il sensore tattile e spostare e rimuovere la mano dal sensore dell'interruttore. Il LED HL2 dovrebbe lampeggiare e il LED rosso HL3 dovrebbe accendersi. Quando togli la mano, il LED rosso dovrebbe rimanere acceso. Quando si alza nuovamente la mano o si allontana il corpo dal sensore, il LED HL3 dovrebbe spegnersi, ovvero chiudere l'alimentazione idrica nel bidet.
PCB universale
I sensori capacitivi presentati sopra sono assemblati su circuiti stampati, leggermente diversi dal circuito stampato mostrato nella foto sotto. Ciò è dovuto alla combinazione di entrambi i circuiti stampati in uno universale. Se si monta un interruttore tattile, è necessario tagliare solo la traccia numero 2. Se si monta un sensore di presenza tattile, la traccia numero 1 viene rimossa e non tutti gli elementi vengono installati.
Gli elementi necessari al funzionamento del touch switch, ma che interferiscono con il funzionamento del sensore di presenza, R4, C5, R6, C6, HL2 e R4, non sono installati. Invece di R4 e C6, i ponticelli sono saldati. La catena R4, C5 può essere lasciata. Non influenzerà il lavoro.
Di seguito è riportato un disegno di un circuito stampato per la zigrinatura utilizzando il metodo termico di applicazione delle tracce sulla lamina.
È sufficiente stampare il disegno su carta lucida o carta da lucidi e il modello è pronto per realizzare un circuito stampato.
Il funzionamento senza problemi dei sensori capacitivi per il sistema di controllo touch per l'approvvigionamento idrico nel bidet è stato confermato nella pratica in tre anni di funzionamento continuo. Non sono stati registrati malfunzionamenti.
Tuttavia, voglio sottolineare che il circuito è sensibile al potente rumore impulsivo. Ho ricevuto un'e-mail in cui mi chiedevo aiuto per configurarlo. Si è scoperto che durante il debug del circuito c'era un saldatore con un regolatore di temperatura a tiristori nelle vicinanze. Dopo aver spento il saldatore, il circuito ha iniziato a funzionare.
C'è stato un altro caso simile. Il sensore capacitivo è stato installato in una lampada collegata alla stessa presa del frigorifero. Quando è stato acceso, la luce si è accesa e quando si è spenta di nuovo. Il problema è stato risolto collegando la lampada ad un'altra presa.
Ho ricevuto una lettera sull'uso riuscito del circuito del sensore capacitivo descritto per regolare il livello dell'acqua in un serbatoio di plastica. Nelle parti inferiore e superiore era presente un sensore incollato con silicone, che controllava l'accensione e lo spegnimento dell'elettropompa.
Il circuito proposto per la ripetizione è un amplificatore altamente sensibile al campo elettromagnetico creato da dispositivi esterni. Quando il contatto d'ingresso del circuito è collegato all'antenna, il LED segnala la presenza di radiazioni di campo elettromagnetico e interferenze provenienti da apparecchiature elettriche. Il LED indicherà anche il fatto di toccare il contatto, visto il ruolo dell'antenna in questo caso eseguite dal corpo umano. Da qui il nome: sensore tattile. Un altro nome per il circuito è antenna attiva.
Diagramma schematico il sensore tattile è mostrato nella Figura 1.
Il circuito ricorda un oscillatore a transistor strutture npn. Uno dei terminali dell'avvolgimento L1 è collegato direttamente al pin di ingresso X1. La polarità del LED VD1 non ha importanza. Il resistore R2 limita la corrente attraverso il LED e, quindi, determina la luminosità del suo bagliore quando il sensore viene attivato.
Il sensore tattile è montato su tagliere dimensione 40×40 mm. Aspetto il progetto è mostrato nella Figura 2.
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| Figura 2. | Aspetto del sensore tattile. |
Gli avvolgimenti L1 e L2 si trovano su un telaio comune con due sezioni di avvolgimento e un nucleo di ferrite di sintonia. Il diametro esterno del telaio è di 10 mm, la lunghezza del nucleo è di 23 mm, il diametro della filettatura alla base del nucleo è di 6 mm. Nel disegno mostrato in Figura 2, L1 è avvolto nella sezione superiore, L2 in quella inferiore. Ogni bobina contiene 100 spire di filo PEL 0,2. Gli avvolgimenti sono inclusi secondo. Usando un cacciavite, il nucleo viene avvitato nel telaio. LED VD1: qualsiasi serie AL307. Un petalo di messa a terra viene utilizzato come X1. Toccandolo si accende il LED.
VD1 può essere collegato in parallelo dispositivo di misurazione, ad esempio, un multimetro in modalità di misurazione della tensione, che consentirà di valutare il livello di intensità del campo. In questo caso, l'antenna esterna può essere un pezzo di filo di montaggio lungo diversi centimetri. L'impostazione del circuito si ridurrà alla scelta della lunghezza dell'antenna e alla ricerca della posizione del nucleo in cui la tensione sul LED è massima.
Il circuito non è esigente riguardo alla scelta dell'elemento base. Ad esempio, nella versione originale del circuito veniva utilizzato un transistor KT815G, la resistenza del resistore R1 era di 100 kOhm. Come L1 e L2 sono state utilizzate due bobine su un nucleo di ferrite di un'antenna magnetica a onde lunghe di un ricevitore radio. Le bobine potrebbero essere spostate lungo il nucleo. Durante lo spostamento delle bobine si sono osservati fenomeni che non contraddicevano la legge dell'induzione elettromagnetica, contrariamente allo schema proposto in. Quando le bobine furono significativamente distanti l'una dall'altra e senza nucleo di ferrite, il circuito smise di funzionare.
Il circuito può trovare applicazione pratica non solo nella progettazione di misuratori di intensità di campo, ma anche in dispositivi di automazione e segnalazione. Il sensore tattile può essere collegato al microcontrollore. Per fare ciò, dovresti eseguire una conversione della tensione da analogico a digitale sul LED VD1, possibilmente utilizzando le risorse del microcontrollore stesso, se contiene un ADC integrato.
In conclusione, va notato che esistono molti circuiti di sensori tattili basati su transistor ad effetto di campo e non contenenti elementi induttivi. In molti casi potrebbero funzionare in modo più efficiente, ma il design mostrato in questo articolo è un esempio dell'originale soluzione tecnica ed è rivolto ai radioamatori principianti.
Letteratura
- Brovin V.I. Il fenomeno del trasferimento di energia delle induttanze attraverso i momenti magnetici di una sostanza situata nello spazio circostante e la sua applicazione. - M.: MetaSintez, 2003 - 20 p.
- Krylov K.S., Lee Jaeho, Kim Young Jin, Kim Seunghwan, Lee Sang-Ha. Brevetto per invenzione n. 2395876. Antenna magnetica attiva con nucleo in ferrite.
