Tilpuma sensoru sensora ieviešanas shēmas un metodes

Environmental Disaster: Natural Disasters That Affect Ecosystems (Aprīlis 2019).

Anonim

Tilpuma sensoru sensora ieviešanas shēmas un metodes


Šajā rakstā ir izklāstītas dažas galvenās kontūra sajūtas konfigurācijas un apspriests, kā rīkoties ar zemu un augstas frekvences troksni.

Atbalsta informācija

  • Elektriskie lauki un kapacitāte
  • Faktori, kas ietekmē kapacitāti
  • Op-Amp oscilatoru shēmas
  • Pozitīvas atsauksmes

Iepriekšējais pants

  • Ievads kapacitatīvā pieskāriena sensēšanā

Izmaiņu mērīšana

Ja esat izlasījis iepriekšējo rakstu, jūs zināt, ka capacitive touch sensing būtība ir kapacitātes izmaiņas, kas rodas, kad objekts (parasti cilvēka pirksts) tuvojas kondensatoram. Pirkstu klātbūtne palielina kapacitāti, 1) ieviešot vielu (ti, cilvēka mīkstumu) ar relatīvi augstu dielektrisko konstanti un 2) nodrošinot vadošu virsmu, kas rada papildu kapacitāti paralēli esošajam kondensatoram.

Protams, vienīgais fakts, ka kapacitātes izmaiņas nav īpaši noderīgas. Lai faktiski veiktu kapacitatīvo sensoru sensoru, mums ir nepieciešama shēma, kas spēj izmērīt kapacitāti ar pietiekamu precizitāti, lai pastāvīgi identificētu kapacitātes palielināšanos, ko izraisa pirksta klātbūtne. Ir dažādi veidi, kā to izdarīt, daži diezgan vienkārši, citi - sarežģītāki. Šajā rakstā mēs aplūkosim divas vispārējas pieejas kapacitatīvās sajūtas funkcionalitātes īstenošanai; pirmais ir balstīts uz RC (rezistors-kondensators) laika konstanti, bet otrais balstās uz frekvences maiņām.

RC laiks ir nemainīgs, kā vecais draugs

Ja jūs esat tāds pats kā es, jums ir neskaidras noskaņas izjūtas, kad redzat eksponenciālo līkni, kas atspoguļo spriegumu pāri uzlādes vai iztukšošanas kondensatoram. Tur ir kaut kas par to - varbūt tas bija viens no pirmajiem reizēm, kad es sapratu, ka augstāka matemātikai ir reāla saikne ar realitāti, vai varbūt šajā vīnogu savākšanas robotajā vecumā ir kaut kas pievilcīgs par iztukšošanas kondensatora vienkāršību. Jebkurā gadījumā mēs zinām, ka šī eksponenciālā līkne mainās, kad mainās pretestība vai kapacitāte. Pieņemsim, ka mums ir RC ķēde, kas sastāv no 1 MΩ rezistoru un kapacitatīvā skārienjūtīga sensora ar tipisku neitrālu kapacitāti 10 pF.

Mēs varam izmantot vispārējas nozīmes ieejas / izejas tapu (konfigurēts kā izeja), lai uzlādētu sensoru aizbāzni līdz loģikas augsta sprieguma līmenim. Tālāk mums ir nepieciešams kondensators izlādēt caur lielu rezistoru. Ir svarīgi saprast, ka jūs nevarat vienkārši pārslēgt izejas stāvokli uz zemu loģiku. I / O spraudnis, kas konfigurēts kā izeja, vadīs loģiski zemu signālu, ti, tas nodrošinās izeju ar zema pretestības savienojumu ar zemes mezglu. Tādējādi, kondensators ātri izlādējas ar šo zemo pretestību - tik strauji, ka mikrokontrolleris nevarēja noteikt nepareizās laika izmaiņas, ko radīja nelielas kapacitātes izmaiņas. Šeit mums ir vajadzīgs augstas pretestības spraudnis, kas gandrīz visu pašreizējo izlādēs ar rezistoru, un to var paveikt, konfigurējot spraudni kā ievadi. Tātad vispirms jūs iestatāt pin kā loģiski augstu izvadi, tad izplūdes fāze tiek sākta, mainot tapu uz ievadi. Iegūtais spriegums izskatīsies šādi:

Ja kāds pieskaras sensoram un tādējādi rada papildu 3 pF kapacitātes, laika konstante palielināsies šādi:

Izpildes laiks nav daudz atšķirīgs pēc cilvēku standartiem, taču modernais mikrokontrolleris noteikti var noteikt šīs pārmaiņas. Pieņemsim, ka mums ir taimeris ar 25 MHz frekvenci; mēs ieslēdzam taimeri, kad pārslēdzam tapu uz ievades režīmu. Mēs varam izmantot šo taimeri, lai izsekotu izplūdes laiku, konfigurējot to pašu tapu, lai darbotos kā sprūda, kas iedarbina uztveršanas notikumu ("uztveršana" nozīmē taimera vērtības saglabāšanu atsevišķā reģistrā). Uztveršanas notikums parādīsies, ja izlādes spriegums šķērsos spraudņa loģikas zemā sliekšņa, piemēram, 0, 6 V. Kā parādīts nākamajā diagrammā, izlādes laika atšķirība ar slieksni 0, 6 V ir ΔT = 5, 2 μs.

Ar taimera pulksteņa avota periodu 1 / (25 MHz) = 40 ns šis ΔT atbilst 130 ērcēm. Pat tad, ja kapacitātes izmaiņas samazinātos par 10 faktoriem, mums joprojām būtu 13 ērču atšķirības starp neskarta sensoru un pieskārienu sensoru.

Tāpēc ideja ir atkārtoti uzlādēt un iztukšot kondensatoru, vienlaikus uzraugot izlādes laiku; ja izlādes laiks pārsniedz iepriekš noteiktu slieksni, mikrokontrolleris pieņem, ka pirksts ir nonācis "kontakts" ar skārienjūtīgo kondensatoru (es ievietoju "kontaktu" pēdiņās, jo pirksts nekādā gadījumā neietekmē kondensatoru, kā minēts iepriekšējā izstrādājums, kondensators ir atdalīts no ārējās vides ar lodēšanas masku un ierīces korpusu). Tomēr reālā dzīve ir nedaudz sarežģītāka nekā šeit piedāvātā idealizētā diskusija; Kļūdas avoti ir aprakstīti sadaļā "Darījumi ar reāli".

Mainīgais kondensators, mainīga frekvence

Izmantojot frekvences-shift-based īstenošanu, capacitive sensors tiek izmantots kā RC daļas oscilatoru "C", tā ka kapacitātes izmaiņas izraisa frekvences izmaiņas. Izejas signāls tiek izmantots kā ieeja pret modulim, kas ņem vērā pieaugošo vai kritošo malu skaitu, kas notiek noteiktā mērīšanas periodā. Ja tuvojošais pirksts palielina sensora kapacitāti, oscilatora izejas signāla frekvence samazinās, un līdz ar to arī malu skaita samazināšanās.

Tā sauktais relaksācijas oscilators ir kopīga ķēde, kuru var izmantot šim nolūkam. Papildus skārienjūtīgajam kondensatoram ir vajadzīgi daži rezistori un salīdzinājums; tas šķiet daudz vairāk nepatikšanas nekā maksas / izlādes tehniku, kas tika apspriesta iepriekš, bet, ja jūsu mikrokontrolleru ir integrēts salīdzinājuma modulis, tas nav pārāk slikti. Es nedomāju sīkāk aplūkot šo oscilatoru ķēdi, jo 1) tas ir apspriests citur, ieskaitot šeit un šeit, un 2) šķiet maz ticams, ka jūs vēlētos izmantot oscilatoru pieeju, ja ir daudz mikrokontrolleru un diskrēta IC piedāvā augstas veiktspējas kapacitatīvā pieskāriena funkcionalitāti. Ja jums nav citas izvēles kā izveidot savu kapacitatīvās skārienjutīgo ķēdi, es domāju, ka iepriekš aprakstītā uzlādēšanas / izlādēšanas tehnika ir daudz vienkāršāka. Pretējā gadījumā, padarot savu dzīvi mazliet vienkāršāku, izvēloties mikrokontrolleru ar speciālu vāciņu sajūtu aparatūru.

Silindona Labs EFM32 mikrokontrolleru kapacitatīvā sensora perifērijas ir integrēta moduļa, kas balstās uz relaksācijas oscilatoru pieeju, piemērs:

Multipleksors ļauj svārstību frekvenci kontrolēt ar astoņiem dažādiem skārienjūtīgiem kondensatoriem. Ar ātru braukšanu pa kanāliem, mikroshēma var efektīvi kontrolēt astoņas skārienjūtīgās pogas vienlaikus, jo mikrokontrollera darba frekvence ir tik augsta, cik ātrāk notiek pirkstu pārvietošanās.

Darbs ar realitāti

Kapacitatīvā pieskāriena sensora sistēma skars gan augstfrekvences, gan zemfrekvences troksni.

Augstfrekvences troksnis rada nelielas paraugu un paraugu variācijas izmērītā izlādes laika vai malu skaita dēļ. Piemēram, iepriekš aprakstītajā pirkstgalīgā uzlādes / izlādēšanas ķēdē varētu būt 675 ērces, tad 685 ērces, tad 665 ērces, pēc tam 670 ērces un tā tālāk. Šī trokšņa nozīmīgums ir atkarīgs no gaidāmās pirkstu izraisītās gaidīšanas laika izmaiņām. Ja kapacitāte palielināsies par 30%, tad ΔT būs 130 ērces. Ja mūsu augstfrekvences variācijas ir tikai aptuveni ± 10 ērces, mēs varam viegli atšķirt signālu no trokšņa.

Tomēr jaudas palielinājums par 30%, iespējams, ir tuvu maksimālajam izmaiņām, ko mēs varētu pamatoti sagaidīt. Ja mēs saņemam tikai 3% izmaiņas, ΔT ir 13 ērces, kas ir pārāk tuvu trokšņa grīdai. Viens veids, kā samazināt trokšņa efektu, ir palielināt signāla lielumu, un jūs varat to izdarīt, samazinot fizisko nošķiršanu starp PCB kondensatoru un pirkstu. Tomēr bieži vien mehānisko dizainu ierobežo citi faktori, tādēļ jums ir jādara viss iespējamais no jebkura signāla lieluma. Šajā gadījumā jums ir jāsamazina trokšņa līmenis, ko var sasniegt, vidēji izmantojot. Piemēram, katru jauno budžeta izpildes laiku var salīdzināt nevis ar iepriekšējo budžeta izpildes laiku, bet gan ar pēdējo 4 vai 8 vai 32 izpildes laiku. Augšminētais frekvenču maiņas paņēmiens automātiski ietver vidējo rādītāju, jo nelielas svārstības vidējās frekvences laikā būtiski neietekmēs ciklu skaitu, kas skaitītas mērīšanas periodā, kurš ir garš, salīdzinot ar svārstības periodu.

Zemfrekvences troksnis attiecas uz ilgmūžīgiem pirkstu sensoru kapacitātes variantiem; to var izraisīt vides apstākļi. Šāda veida troksni nevar vidēji izmantot, jo variācija var saglabāties ļoti ilgu laiku. Tādējādi vienīgais veids, kā efektīvi tikt galā ar zemfrekvences troksni, ir pielāgojams: slieksnis, ko izmanto, lai identificētu pirkstu klātbūtni, nevar būt fiksēta vērtība. Tā vietā tas regulāri jāpielāgo, pamatojoties uz izmērītām vērtībām, kurām nav būtisku īstermiņa izmaiņu, piemēram, tādu, ko izraisījusi pirksta pieeja.

Secinājums

Šajā rakstā aprakstītie ieviešanas paņēmieni liecina, ka capacitive touch sensing neprasa sarežģītu aparatūru vai ļoti sarežģītu programmaparatūru. Tomēr tā ir daudzpusīga un stabila tehnoloģija, kas var nodrošināt ievērojamus veiktspējas uzlabojumus salīdzinājumā ar mehāniskām alternatīvām.