Комплети и технике за имплементацију капацитивног осјетљивог додира

The Enormous Radio / Lovers, Villains and Fools / The Little Prince (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Комплети и технике за имплементацију капацитивног осјетљивог додира


У овом чланку су представљене неке основне конфигурације крупног кола и говори се о томе како се бавити ниском и високом фреквенцијом.

Подршка информације

  • Електрична поља и капацитети
  • Фактори који утичу на капацитете
  • Оп-Амп осцилаторски кругови
  • Позитивне повратне информације

Претходни чланак

  • Увод у Цапацитиве Тоуцх Сенсинг

Мерење промена

Ако сте прочитали претходни чланак, знате да је суштина капацитивног додира сензора промена капацитета која се јавља када се објект (обично људски прст) приближава кондензатору. Присуство прста повећава капацитивност помоћу 1) увођења супстанце (тј. Људског меса) са релативно високом диелектричном константом и 2) обезбеђивање проводне површине која ствара додатни капацитет паралелно са постојећим кондензатором.

Наравно, сама чињеница да промене капацитета нису нарочито корисне. За стварно извођење капацитивног осетљивог додира потребан је круг који може мерити капацитивност са довољно прецизношћу да би доследно идентификовао повећање капацитета узрокованог присуством прста. Постоје различити начини да се то уради, неки су прилично јасни, други су софистицирани. У овом чланку ћемо погледати два опћа приступа имплементацији капацитивно-сенсе функционалности; први се базира на временски константи РЦ (отпорник-кондензатор), а други се заснива на смјенама у фреквенцији.

РЦ Тиме Цонстант - Као Стари Пријатељ

Ако сте као ја, осећате нејасна осећања универзалне носталгије када видите експоненцијалну кривину која представља напон преко кондензатора за пуњење или пражњење. Постоји нешто у вези тога - можда је то био први пут да сам схватио да већа математика заправо има некакав однос према стварности, или можда у овом добу робота за сакупљање грожђа нешто је привлачно за једноставност кондензатора који пражњавају. У сваком случају, знамо да се ова експоненцијална кривуља мења када се промени отпор или капацитивност. Рецимо да имамо РЦ коло састављен од 1 МΩ отпорника и капацитивног сензора за додир са типичном капацитивношћу од 10 пФ.

Можемо користити улаз за улаз / излаз опште намјене (конфигурисан као излаз) како би се сензор покупио до високог напона. Затим, потребан нам је кондензатор за пражњење кроз велики отпорник. Важно је схватити да не можете једноставно пребацити стање излаза на ниску логику. И / О пин који је конфигурисан као излаз ће погађати логички низак сигнал, тј. Он ће обезбедити излаз с прикључком ниске импедансе на земаљски чвор. Стога, кондензатор би се брзо испуштао кроз ову ниску импеданцију - тако брзо да микроконтролер не би могао да открије суптилне временске варијације створене малим промјенама капацитета. Оно што нам је потребно је пин са високим импеданцама који ће приморати скоро сву струју да отпусти кроз отпорник, а то се може остварити конфигурисањем пин-а као улаза. Дакле, прво поставите пин као логички висок излаз, а затим се фаза пражњења иницира променом пин на улаз. Добијени напон ће изгледати овако:

Ако неко додирне сензор и на тај начин ствара додатних 3 пФ капацитета, временска константа ће се повећавати и то:

Време пражњења није много различито по људским стандардима, али савремени микроконтролер сигурно може открити ову промјену. Рецимо да имамо тајмер који ради на 25 МХз; покрећемо тајмер када пребацимо пин у режим уноса. Овај тајмер можемо да користимо да пратимо време пражњења тако што конфигуришемо исти пин који функционише као окидач који покреће догађај хватања ("снимање" значи чување вриједности тајмера у посебном регистру). Догађај за хватање ће се десити када напон пражњења прелази логички низак праг, на пример 0, 6 В. Као што је приказано на сљедећем графикону, разлика у пражњењу с прагом од 0, 6 В је ΔТ = 5, 2 μс.

Са временским периодом часовника сата 1 / (25 МХз) = 40 нс, овај ΔТ одговара 130 брисања. Чак и ако би се промена капацитета смањила за фактор од 10, и даље ћемо имати 13 крпеља разлике између нетвачног сензора и додира сензора.

Дакле, идеја је да више пута пуните и испуштате кондензатор док надгледате време пражњења; ако време пражњења прелази унапред одређени праг, микроконтролер претпоставља да је прст дошао у контакт са осјетљивим на додир кондензатор (ставио сам "контакт" у наводницима јер прст никада није додирнуо кондензатор-као што је наведено у претходном чланак, кондензатор је одвојен од спољашњег окружења маском за лемљење и кућиштем уређаја). Међутим, стварни живот је мало компликованији од идеалне расправе овде представљене; извори грешака су разматрани доле у ​​одељку "Суочавање са стварношћу".

Променљиви кондензатор, променљива фреквенција

У имплементацији заснованој на фреквенцијској смени, капацитивни сензор се користи као "Ц" део РЦ осцилатора, тако да промјена капацитета доводи до промјене у фреквенцији. Излазни сигнал се користи као улаз у модул бројача који броји број пораста или падања ивица који се јављају у одређеном периоду мерења. Када приближни прст проузрокује повећање капацитивности сензора, фреквенција излазног сигнала осцилатора се смањује, а тиме се смањује и број ивица.

Такозвани релаксацијски осцилатор је заједничко коло које се може користити у ту сврху. Потребно је неколико отпорника и компаратора поред осјетљивог на додир кондензатор; ово изгледа као много више проблема него техника за пуњење / пражњење о којој се говори горе, али ако ваш микроконтролер има интегрисани компараторни модул, то није лоше. Нећу да идем у детаље о овом осцилаторском колу, јер 1) се дискутује на другим местима, укључујући ту и овде, и 2) чини се мало вероватно да бисте желели да користите приступ осцилатора када има много микроконтролера и дискретних ИЦс које нуде функционалност капацитивног додира са високим перформансама. Ако немате другог избора него да креирате свој кондензациони кондензациони кондензатор, мислим да је техника за пуњење / пражњење, која је горе поменута, јаснија. У супротном, учините свој живот мало једноставнијим тако што ћете изабрати микроконтролер са наменским хард-сенсе чипом.

Капацитивни осјетнички периферни микроконтролери ЕФМ32 из Силицон Лабс-а представљају примјер интегрисаног модула базираног на приступу релаксационог осцилатора:

Мултиплексер омогућава фреквенцију осциловања да контролише осам различитих кондензатора осјетљивих на додир. Брзо бициклирање кроз канале, чип може ефикасно надгледати осам тоуцх-сенситиве дугмади истовремено, јер је радна фреквенција микроконтролера толико висока у односу на брзину којом се прст помера.

Суочавање са стварношћу

Капацитивни систем осетљив на додир ће бити погођен буком високих фреквенција и ниских фреквенција.

Шумови високих фреквенција узрокују мање варијације узорка узорка у измереном времену пражњења или броју ивица. На пример, кутија за пуњење / пражњење о којој се говори горе, може имати вријеме пражњења од 675 крпеља, затим 685 крпеља, затим 665 крпеља, затим 670 крпеља и тако даље. Значај ове буке зависи од очекиване промене у пражњењу изазване прстима. Ако се капацитивност повећава за 30%, ΔТ ће бити 130 крпеља. Ако наша високофреквентна варијација износи само око ± 10 клипова, лако можемо разликовати сигнал од буке.

Међутим, повећање капацитета од 30% вероватно је у близини максималног износа промјена које можемо разумно очекивати. Ако добијемо само 3% промене, ΔТ је 13 крпеља, што је превише близу буке. Један од начина смањивања ефекта буке је повећање величине сигнала, а то можете учинити смањењем физичког одвајања између ПЦБ кондензатора и прста. Међутим, често, механички дизајн је ограничен другим факторима, тако да морате учинити све што год добијате. У том случају, потребно је смањити подни ниво буке, који се може остварити просеком. На пример, свако ново време пражњења може се поредити са претходним пражњењем, али до средине последњих 4 или 8 или 32 пражњења. Техника промене фреквенције која је горе поменута аутоматски укључује усредњење, јер мале варијације око средње фреквенције неће значајно утицати на број циклуса који се рачунају унутар периода мерења који је дугачак у односу на период осциловања.

Ниво буке се односи на дуготрајне варијације капацитета сензора без прстију; ово може бити узроковано околишним условима. Ова врста буке не може се усредсредити јер варијација може трајати дужи временски период. Стога, једини начин за ефикасно решавање ниских фреквенција шума је прилагодљивост: Праг који се користи за идентификацију присуства прста не може бити фиксна вредност. Уместо тога, треба га редовно прилагодити на основу измјерених вриједности које не показују значајне краткорочне варијације, као што су оне узроковане приступом прста.

Закључак

Технике имплементације о којима се говори у овом чланку показују да капацитивно додавање сензора не захтева сложени хардвер или високо софистицирани фирмваре. Ипак, она је свестрана, робусна технологија која може пружити значајна побољшања перформанси над механичким алтернативама.