Контактное управление в последнее время стало широко использоваться в различных радиоэлектронных конструкциях. Такой тип управления имеет много преимуществ, одно из них — отсутствие подвижных элементов (кнопок, пружин, штоков, рычажков), все это обеспечивает длительную работу устройства.
Сенсорные переключатели можно встретить в телевизорах, микроволновых печках, электромузыкальных инструментах. Различают два способа контактного воздействия: емкостное и резистивное.
В первом случае срабатывание контактного устройства происходит за счет касания металлической пластины (сенсора) человеком, тело которого как известно обладает определенной довольно большой емкостью (рис. 21.1). Во втором случае срабатывание сенсора, состоящего из двух металлических пластин, происходит в результате их замыкания пальцем, кожный покров которого имеет некоторое сопротивление (рис. 21.2).
Описание схемы
Рассмотрим более подробно работу резистивного сенсора. Простейшая схема с использованием такого управления, может быть построена на основе однотранзисторного каскада без термостабилизации, в котором резистор, отвечающий за напряжение смещения на базу транзистора, заменен сенсором (рис. 21.3). В данном случае сенсор состоит из двух пластин, одна — присоединена к базе транзистора, а вторая — к источнику питания. В состоянии покоя, когда не касаются сенсора, через транзистор ток практически не течет, а напряжение на коллекторе равно напряжению питания.
LG 32LE3300, самопроизвольно нажимаются сенсорные кнопки на передней панели.
Рис. 21.1. Принципиальная схема емкостного сенсора
Рис. 21.2. Принципиальная схема резистивного сенсора
Рис. 21.3. Принципиальная схема простейшего сенсора с усилителем
Прикосновение пальца к двум пластинам равнозначно присоединению резистора между источником питания и базой, если вспомнить, что кожный покров имеет сопротивление. В этом случае на базу транзистора относительно эмиттера через кожный покров подается небольшое отрицательное напряжение.
При этом транзистор открывается, в базовой цепи появляется небольшой ток, который вызывает в несколько раз больший ток коллектора транзистора. Напряжение на коллекторе немедленно меняется на величину, равную падению напряжения, образовавшегося на резисторе. Если теперь убрать палец с сенсора, то транзистор вернется в предыдущее состояние и напряжение на коллекторе тоже станет прежним по величине. Такой простой способ прикосновения пальца к сенсору вызывает импульсы на выходе транзисторного каскада. Этот пример в сущности и показывает, как надо строить управление исполнительным радиоэлектронным устройством с использованием сенсорной электронной схемы, которая преобразовывает прикосновение пальца в электрический сигнал.
Неправильно работают кнопки на телевизоре или мониторе. Глючит keyboard.
Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.
- Использование звукового сопровождения с датчиками
- Принципиальная схема датчика пожара на транзисторах
- Сенсорный датчик — переключатель на LM555
- Схема сенсорного дверного звонока на микросхеме
Источник: radiostorage.net
Какие бывают сенсорные кнопки. — Мысли злого плебея — ЖЖ
Оптический, touch free или IR Proximity Sensor.
Принцип работы полностью совпадает с дымовыми извещателями. Он состоит из светодиода и фотоприемника разделенной перегородкой. В результате в нормальном режиме на приемник света не попадает свет от светодиода. Когда над перегородкой появляется препятствие, от свет излучаемый светодиодом отражается от препятствия и попадает на фотоприемник, что регистрируется как «нажатие». Описание работы сенсора.
В отверстии расположено два элемента, — ИК-светодиод и ИК — фототранзистор (оба выполнены в почти одинаковых двухвыводных корпусах). Они расположены с разных сторон печатной платы и направлены в одну сторону, — к отверстию. Печатная плата на участке между ними должна не пропускать свет, то есть, здесь должен быть участок непротравленной фольги. ИК-светодиод постоянно излучает вспышки ИК — света, с частотой около 1 кГц. Мощность излучения светодиода и чувствительность фототранзистора должны быть настроены так, чтобы оптическая система срабатывала при поднесении пальца к отверстию на расстояние около 5 мм (или больше или меньше, — в зависимости от того, как нужно в конкретном случае).
Так как он оптический, то он мало реагирует на радиопомехи. Поэтому его используют как датчик приближения. то есть к нему не прикасаются, а проносят руку на расстоянии меньшем 10 см от сенсора.
Несмотря на идентичность функции с proximity sensor (датчиком приближения), он называется «touch free». Таких ВДУ с питанием 230В на Aliexpress нет, но сенсорные выключатели с питанием 12В есть (1, 2, 3) продавцы их рекомендуют использовать для управления дверями чистюлями боящимися инфекции от прикосновения к залапаному сенсору. Внутренности одного из них с mysku.
Видно, что он состоит из рядом расположенных «инфракрасного пульта» и интегрального приемника его сигнала. То есть с любым из них может работать инфракрасное ПДУ, если его правильно обучить.
Если есть желание самостоятельно что-то похожее сделать, то там же есть инфракрасные датчики (TCRT5000L) для этих целей.
Только сделать что-то приличное будет сложнее на нем, так как интегральный приемник выделяет полезный сигнал из несущей, а транзистор этого не делает. Пример реализации с интегральным приемником.
Они чувствительны к загрязнению. Его сейчас не используют, но он встречался в советских кодовых замках и некоторых цветных телевизорах. Это обычная кнопка, только контакты замыкаются пальцем. На схеме телевизоров они так даже и обозначались. Ненавистники развитого социализма это могут объяснить дефицитом кнопок в СССР. Я это утверждать не буду, так как большинство фотографий телевизоров с УСУ-1-15 (устройство сенсорного управления) было с обычными кнопками имеющими пластиковый толкатель.
Описание сенсора используемого в кодовом замке дано в журнале радио №4, 1982 год.
Схема отдельного сенсора оттуда.
Сенсорную кнопку такого типа можно купить у мастеркит (nm4013).
Фотография сенсора с его инструкции по сборке.
Может быть трех типов. Буду называть по типу общеизвестного устройства в котором оно проявляется.
Определить можно по блестящей металлической пластине спереди. Он реагирует на емкостной ток между фазой и землей через тело человека. Для его работы обязательно нужна фаза. В принципе это самый надежный способ по трем причинам:
-ловится сигнал достаточной чтобы зажечь неоновую лампочку, по моим измерениям, мощность сигнала может достигать 2мкВт;
-частота сигнала очень низкая, поэтому не влияют радиопомехи;
-ток емкостной, а значит грязь на сенсоре не влияет на его работу.
В моем выключателе geagood он реализован так.
Сенсор выглядит так.
На таком же принципе был реализованы советские выключатели с микросхемой к145ап2, только там схема сенсора немного другая. В этой ток фазы идет через выпрямитель, стабилизатор, эмиттер транзистора Q3 и резистор сопротивлением 10МОм на тело человека, а там с фазы на тело человека через три резистора сопротивлением больше 1 МОм.
Как он выглядел. Фотографии нарыл в интернете.
Щуп осциллографа.
Если посмотреть на экран осциллографа, то при прикосновении к щупу на экране появится синусоида амплитудой . Эта синусоида появляется из-за протекания емкостного тока от фазных проводов, проложенных рядом с телом человека, через тело человека на щуп, а потом на осциллограф и наконец на землю. Физики-теоретики емкостной ток называют «током смещения», так как он проходит через изолятор.
То есть такой сенсор работает по тому же принципу что и «указатель напряжения», только «направление тока» обратное. Так как в качестве «земли» здесь участвует не громадная поверхность тверди, а только тело человека, то мощность сигнала в этом случае во много раз меньше.
Например, мой мультиметр с внутренним сопротивлением 10 МОм показывает напряжение равное 6В при вставлении одного конца в «ноль», а другого к пальцу. Если щуп вставить в «фазу», то он показывать будет 60В. То есть мощность сигнала падает в 100 раз. Мультиметр может показывать еще меньше, так как в другом месте и другой мультиметр с таким же внутренним сопротивлением показал 4В.
Промышленные выключатели так вроде не делали и не делают, но схемы их есть в интернетах и книгах. Например «Андрей Кашкаров Сенсорный регулятор освещения с блокировкой включения [текст] / Андрей Кашкаров, Андрей Бутов // Оригинальные конструкции для радиолюбителей. — Москва: Альтекс, 2005 г. — C. 62-65» или «Бутов, А.Л. Сенсорный регулятор освещения с акустическим реле [текст] / Н.А.
Бутов // Радио-конструктор. — 2009. — №9. -С. 24-26″, «Кашкаров, Электронные схемы для «Умного дома», стр. 29-33″ и т.д. В интеретах и журналах гуляет две схемы превращения сенсора «указатель напряжения» в сенсор «щуп осциллографа». Обе схемы придуманы Бутовым-Кашкаровым.
На биполярных транзисторах два варианта.
На полевом транзисторе.
Вероятно, они не рабочие, так как у меня подобное превращение «указателя напряжения» в «щуп осциллографа» при помощи замены биполярного транзистора на составной, привело к превращению в глючный датчик приближения. Причем срабатывать начал при приближении на расстояние 20 см. Как многие пишут в интернетах по другому и не бывает, хотя возможно у Бутова-Кашкарова получилось, так как они настраивали коэффициент усиления. В настоящее время реализовывать сенсор по их методике не имеет смысла, так как сейчас существуют специальные дешевые микросхемы емкостных сенсоров с внутренним генератором очень маленького размера. Они должны быть более устойчивы к помехам. А если делать что-то с нуля, то микроконтроллеры сейчас реализуют такие сенсоры без всякой обвязки.
В таких сенсорах измеряется электрическая емкость между пластиной сенсора и цепями питания. Для этого в них существует генератор и приемник. В этом сенсоре эта емкость изменяет частоту колебаний генератора или амплитуду сигнала. Упрощенно, это тот же самый «указатель напряжения», только частота переменного напряжения увеличена в 1000-1000000 раз, в результате сопротивление конденсатора образованного человеком и проводами питания уменьшилось в такое-же количество раз, а значит без ухудшения помехозащищенности можно в такое же количество раз уменьшить напряжение или измеряемую емкость. По такому принципу можно делать сенсорные кнопки к которым надо прикасаться, датчики приближения или датчики объема/движения. Все зависит от мощности генератора. Любопытно, что русская википедия, когда описывает тачпад, то коммуниста Термена, Ленина, Дзержинского, Сталина и архипилаг-ГУЛАГ не вспоминают, хотя первое такое устройство придумал Термен и продемонстрировал его Ленину, а потом стал работать на соловетскую власть в шарашке. Зато много букв напечатали про apple, epson, apolo и т. д. Сейчас такие сенсоры реализуются чисто программно в микроконтроллерах или при помощи дешевых микросхем. На первый взгляд может показаться, что они отвязаны от электрической сети с глухозаземленной нейтралью, но это не так, так как смартфоны подключенные к зарядному устройству сходят с ума, если в них нет связи вторичной обмотки трансформатора с первичной. Так что хотя они и устойчивее «щупа осциллографа», но «указатель напряжения» получше будет. Они чувствительны к помехам ИИП, так как работают приблизительно на тех же частотах. Я конечно имею ввиду дешевые решения. Пластина сенсора в таких устройствах изолирована от внешней поверхности, поэтому снаружи будет стекло или пластик. Как они организовываются программно надо искать по ключевым словам «mTouch», «qTouch», «QMatrix». Продаются два типа микросхем их реализующих аппаратно: ttp22x (Китай) и at42qt10xx (microchip). В интернетах рекомендуют увеличивать площадь таких кнопок при помощи подпайки к выводам микросхемы проводов/антенн, но это глупо, так как эти «антенны» снизят помехоустойчивость и даже может оказаться, что кнопка всегда нажата. Тем более длинные провода к такому сенсору противопоказаны. Даже экранировка проводов не помогает от глюков. Они подходят только для сенсора типа «указатель напряжения». Я увеличил площадь сенсора при помощи приклейки над сенсором «бутерброда»состоящего из изолятора и проводящей пластины снаружи. Таким образом в рабочем режиме емкость сенсора не сильно увеличилась, но зато прикосновение к любой части металлической пластины над сенсором приводит к эффекту равнозначному прикосновению к месту над сенсором. В качестве изолятора использовал слюденую бумагу.
Таких сенсоров не бывает, так как у всех веществ, кроме ферромагнетиков, магнитная проницаемость близка к 1. Существующие индуктивные сенсоры — это просто кнопки, в которых вместо замыкающихся контактов надо прогибать электропроводную/магнитную пластину, тем самым изменяя потери энергии в катушке над которой расположена токопроводящая пластина. Я его описал только из-за того, что может возникнуть впечатление, что я что-то пропустил, так как в теории электротехники описываются три типа пассивных компонентов: резистор, конденсатор и индуктивность. Соответственно можно предположить что существует три типа сенсорных кнопок.
В виде таблицы.
| Тип сенсора | Внешний вид | Свойства | Помехозащищенность |
| оптический | черный квадрат/круг | 1. Реагирует на расстоянии. 2. Возможно легкое подключение инфракрасного пульта. 3. Большинство рассчитано на питание 12В. |
Высокая |
| резистивный | как на старых советских цветных телевизорах или кодовых замках | 1. Чувствительный к грязи. 2. Сейчас не используется. |
Высокая |
| Емкостной, типа «указатель напряжения» | большая металлическая платина в центре | Требует наличия «фазы». | Высокая |
| Емкостной, типа «щуп осциллографа» | неизвестно, так как они есть только в литературе и интернете | Неизвестно, так как они есть только в литературе и интернете. | Низкая |
| Емкостной, типа «тачпад», LCR-метр или «терменвокс» | стеклянная или пластмассовая пластина спереди | 1. Самый популярный тип, так как емкость в десятки пикофарад сейчас умеют измерять микроконтроллеры напрямую. 2. Провода между микросхемой и сенсорной панелью должны быть очень короткими. 3. Увеличивать площадь кнопки можно только приклейкой над сенсором «бутерброда» состоящего из изолятора и электропроводной пластины. |
средняя |
Источник: zepete.livejournal.com
Введение
Во многих современных устройствах в качестве органов управления используются сенсорные кнопки. Например, у меня на кухне с помощью сенсорных кнопок включается и выключается варочная поверхность.
Сенсорные кнопки хороши тем, что для них не нужны отверстия в корпусе, и у них отсутствует механический износ, присущий традиционным кнопками. Кроме того конструкция сенсорной кнопки, если не считать электронную начинку, намного проще механической, ведь это обычная проводящая поверхность изолированная слоем диэлектрика, и ей можно придать практически любую конфигурацию.
В этой статье я расскажу о простой реализации сенсорной кнопки на микроконтроллере.
Принцип работы сенсорной кнопки
По сути, сенсорная кнопка — это сенсор, то есть какая-то проводящая поверхность, и контроллер, измеряющий его емкость (способность накапливать электрический заряд). При неизменных условиях внешней среды емкость сенсора не меняется. Но когда к нему подносится палец, его емкость увеличивается. По этому изменению контроллер «делает вывод», что пользователь нажал на кнопку.
Емкость измеряется путем подсчета времени, которое требуется для ее заряда до определенного уровня напряжения. Это время зависит как от значения емкости, так и от величины зарядного тока, которая задается какой-то внешней цепью. В простейшем случае эту роль может выполнять резистор, подключенный одним концом к источнику питания, а другим к сенсору.
где Cs — емкость сенсора, Cf — емкости вносимые прикосновением пальца.
Поскольку емкость сенсора и ее изменения очень маленькие (единицы, десятки пикофарад), то время заряда тоже будет небольшим. Чтобы упростить измерение времени заряда, нужно увеличить его значение, а для этого необходимо заряжать емкость сенсора очень маленьким током (микроамперами).
Конфигурация сенсорной кнопки
От конфигурации (от его формы и размера) сенсора зависит его емкость. У меня в проекте использовался сенсор в виде вытравленной круглой контактной площадки диаметром 1 см. Также я пробовал использовать прямоугольные кусочки фольгированного текстолита разного размера. Чем больше площадь сенсора, тем больше его емкость и тем более чувствительную сенсорную кнопку можно сделать.
Чувствительную в том плане, что она будет в состоянии срабатывать через толстый слой диэлектрика. Вообще на эту тему лучше почитать атмеловские материалы, поскольку сейчас я об этом мало что могу сказать.
Схема
Схема, которую использовал я, представлена на рисунке выше.
Сенсор через резистор подключен к выводу микроконтроллера, который подтянут высокоомным резистором к плюсу питания. Первый резистор служит простейшей защитой от электростатики (ESD), а второй ограничивает зарядный ток.
В начальный момент вывод микроконтроллера работает в режиме выхода и на нем установлен уровень логического нуля. Емкость сенсора, если она имеет какой-то заряд, быстро разряжается на внутренние цепи микроконтроллера.
Когда она разрядится вывод микроконтроллера переключится в режим входа с отключенным подтягивающим резистором и емкость сенсора начинает заряжаться через внешний высокоомный резистор. В это время программа опрашивает состояние вывода микроконтроллера и подсчитывает количество циклов опроса. Когда емкость зарядится до напряжения логической единицы, микроконтроллер зафиксирует это и сравнит состояние счетчика с каким-то пороговым значением. По результату этого сравнения микроконтроллер определяет поднесен ли к сенсору палец или нет.
Сам принцип думаю понятен, теперь можно посмотреть как это может выглядеть в Си коде. Для реализации одиночных сенсорных кнопок, я написал небольшой программный модуль — драйвер.
Чтобы добавить его в свой проект, нужно переписать заголовочный и сишный файл драйвера (sensor.c и sensor.h) в папку проекта, добавить сишный файл sensor.c к проекту внутри среды разработки и включить заголовочный файл драйвера sensor.h (с помощью директивы include) в свой файл, где будут использоваться функции драйвера.
Разберем как им пользоваться. Для хранения настроек сенсора используется структура данных sensor_t. В настройки сенсорной кнопки входит адрес порта, номер вывода в порте, пороговое значение и текущее состояние. Чтобы добавить к проекту сенсорную кнопку, нужно для начала создать переменную типа sensor_t.
#include «sensor.h»
.
//объявляем сенсорную кнопку
sensor_t sensor1;
Для инициализации используется функция SENS_Init(. ) которой нужно передать адрес переменной, хранящей настройки, номер вывода микроконтроллера, адрес используемого порта и пороговое значение срабатывания. Пороговое значение зависит от емкости сенсора (от его геометрии) и от зарядного тока. Сейчас значение можно определить только экспериментально, потом я хочу добавить функцию калибровки.
//инициализация sensor1 — 0-й вывод порта B, порог — 25 циклов опроса.
SENS_Init(PORTB, 25);
Опрос одной сенсорной кнопки выполняет функция SENS_Poll(. ), которой нужно передать адрес переменной типа sensor_t. Эта функция возвращает состояние сенсорной кнопки. Для всех возможных состояний сенсорной кнопки объявлен специальный тип данных sensor_state_t. Но функция опроса возвращает только два состояния SENS_PRESSED и SENS_NOT_PRESSED. Остальные состояния сделаны на будущее.
//опрос одной сенсорной кнопки
if (SENS_Poll(
Функция SENS_Poll(. ) выполняет один цикл разряда- заряда сенсора.
void SENS_Poll(sensor_t *sens)
uint8_t count = 0;
uint8_t pin = sens->pin;
volatile uint8_t *port = sens->port;
/*разрядка конденсатора*/
DirReg(port) |= 1 while(PinReg(port)
if (count > SENS_COUNT_MAX) return;
>
>
/*заряд конденсатора и подсчет времени*/
count = 0;
DirReg(port)
while((PinReg(port)
if (count > SENS_COUNT_MAX) <
break;
>
>
/*сравнение вр. разряда с калиброванным значением*/
if (count > sens->calibr) <
sens->state = SENS_PRESSED;
>
else sens->state = SENS_NOT_PRESSED;
>
>
Для достоверного определения состояния сенсора, эту функцию лучше вызывать несколько раз. Так же как делается при опросе механических кнопок. Работу функции нежелательно прерывать прерываниями, иначе подсчет времени заряда будет некорректным. Частоту вызова функции опроса можно сделать такой же, как при работе с механическими кнопками.
Функция не оптимальная, из-за того, что доступ к порту осуществляется через указатель. Но это позволяет упростить процедуру настройки сенсора, используя только адрес регистра PORTX, а адреса регистров DDRX и PINX вычисляются из него.
И последняя функция драйвера — это SENS_GetState(. ). Она просто возвращает текущее значение сенсорной кнопки.
//переменная типа sensor_state_t
sensor_state_t state;
.
state = SENS_GetState(
if (state == SENSOR_PRESSED) //сделать что-нибудь
.
>
Код самого тестового проекта очень простой. Инициализация выхода для светодиода, инициализация сенсорной кнопки и бесконечный опрос кнопки в цикле while(1). Никаких прерываний не используется. Частота работы микроконтроллера 9.6 МГц.
Источник: chipenable.ru