Емкостной сенсорный датчик, электрическая схема, печатная плата

Быстрый и точный емкостной датчик приближения

» Схемы » Безопасность

11-04-2011

Electronic Design Europe

Александр Соколов

Две небольшие микросхемы и несколько пассивных компонентов – все, что требуется для создания емкостного датчика приближения с отличной чувствительностью и сверхмалым временем отклика.

Сделанный на инверторе с триггером Шмитта U1A и времязадающих элементах R1 и C1, высокочастотный генератор (см. схему) вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов. Две независимых RC цепочки – опорная R4, C2 и измерительная R3, CS (CS – емкость сенсорной площадки) обеспечивают задержку импульсов генератора, следующих по двум различным путям.

Этот емкостной датчик приближения имеет время отклика меньше микросекунды, а его чувствительность определяется размером сенсорной площадки.
 Надписи на схеме
Sensor pad Сенсорная площадка
Out Выход

Для настройки датчика вращайте подстроечный резистор R4 до тех пор, пока положительный фронт импульса на входе C микросхемы D-триггера U2 не начнет чуть-чуть запаздывать относительно фронта импульса на входе D. При этом на выходе триггера будет фиксироваться «лог. 1», и в таком состоянии выход будет находиться все время, пока в зоне обнаружения сенсора не появится какой-либо предмет.

При появлении предмета из проводящего или диэлектрического материала возле сенсорной площадки ее емкость относительно земли возрастает. Изменение емкости увеличивает время задержки сигнала по входу D.

В результате, в тот момент, когда нарастающий фронт импульса достигнет входа C, на входе D будет «лог.

0», и, соответственно, на выходе схемы также установиться низкий логический уровень, сигнализирующий о присутствии объекта.

Диапазон обнаружения зависит, в основном, от размеров сенсорной площадки. При использовании металлического диска дальность обнаружения примерно равна его диаметру. Время отклика равно одному периоду генератора, и на практике может составлять доли микросекунды, но не может быть меньше постоянной времени R3, CS.

Схема может использоваться в качестве быстродействующего датчика приближения для промышленных применений, или элемента системы безопасности. Она может детектировать как открывание дверей или коробок, так и приближение человека. Схема обладает бóльшим быстродействием и лучшим диапазоном чувствительности, чем ультразвуковые датчики приближения.

Источник: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=95619

Простой ёмкостной датчик прикосновения

Электор 2008 №7-8

Работа ёмкостных датчиков прикосновения основана на электрической ёмкости человеческого тела. Например, когда близко к датчику подносят палец, то это создаёт ёмкость между датчиком и землёй, лежащую в диапазоне 30…100 пФ. Этот эффект может быть использован в датчиках приближения и переключателях, управляемых прикосновением.

Сенсорные ёмкостные датчики имеют очевидные преимущества по сравнению с другими датчиками (например, срабатывающими от наводок частотой 50/60 Гц или измеряющими сопротивление), но они более трудоёмки в реализации.

Производители микросхем, такие как Microchip в прошлом создали специальные ИС для этих целей.

Однако и сейчас можно создать надёжный ёмкостный детектор и/или переключатель, используя только небольшое число стандартных компонентов.

В этой схеме мы детектируем изменения ширины импульсов сигнала, возникающие при касании контакта. На рисунке 1 можно рассмотреть следующие узлы (слева направо):

Рис. 1. IC1 — 561ТЛ1

— Генератор прямоугольных импульсов, выполненный на триггере Шмитта (ИС CD4093); RC цепь с гасящим диодом, за которыми идёт триггер Шмитта/контактная пластина с изолирующим конденсатором ёмкостью 470 пФ; — Интегрирующая RC цепь, преобразующая изменения ширины импульсов в напряжение. Это напряжение лежит в районе 2,9…3,2 вольт, когда до пластины дотрагиваются, и 2,6 вольт в другом случае.

— Компаратор LM 339 используется для сравнения напряжения в точке C с образцовым напряжением в точке D. Последнее составляет около 2,8 В и устанавливается делителем напряжения.

Как только произойдёт касание сенсорной пластины, выход схемы станет активным. Для пояснения работы схемы на рисунке 2 приведены осциллограммы сигналов в разных точках. Пунктирная линия показывает состояние при касании пластины датчика, сплошная линия — при отсутствии касания.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов а разных точках.

Образцовое напряжение в точке D настраивается один раз с помощью делителя R4/R5 (изменяя значение R4). Величина этого напряжения сильно зависит от площади поверхности пластины-датчика (обычно несколько квадратных сантиметров).

Большая площадь поверхности пластины увеличивает ёмкость и напряжение в точке C тем не менее будет больше, по сравнению с тем напряжением, когда пластины не касались. Образцовое напряжение в точке D должно быть установлено ближе к значению 3,4 В.

Датчик прикосновения может так же работать с пластинами большой площади (например, можно использовать в качестве сенсора весь корпус).

Схема будет работать только в том случае, если высокие частоты (300 кГц) могут проходить на землю. В батарейном варианте схема не работает без соединения с землёй.

Во многих системах имеются достаточные паразитные ёмкости на землю. В некоторых случаях необходимо добавить дополнительный конденсатор между землёй и общим проводом схемы.

По соображениям безопасности рабочее напряжение этого конденсатора должно быть не менее 3..4 кВ.

Выходной сигнал может быть использован для включения различных нагрузок. Во многих случаях рекомендуется добавить на выход один триггер Шмитта, особенно если выход соединён с цифровым входом.

Вим Абуйс

Список компонентов: R1, R2, R6 = 10к R3, R5 = 100к R4 = 47к C1, C2 = 470 пФ C3, C4, C5 = 100 нФ D1 = 1N4148 IC1 = 4093 IC2 = LM339D Рис. 3. Печатная плата в сборе.

Рис. 4. Расположение компонентов на печатной плате.

Рис. 5. Печатная плата.

Рис. 6. Печатная плата (зеркальный вид).

Источник: http://zpostbox.ru/simple_capacitive_touch_sensor.html

Несколько схем датчиков

Несколько схем датчиков

В январе 2007 года издательство «Наука и Техника» выпустило книгу автора А.П.Кашкарова «Электронные датчики». На этой страничке хочу познакомить Вас с некоторыми из конструкций.

Очень хочется предупредить — данные схемы я НЕ собирал —  работоспособность их  полностью зависит от «порядочности»  г-на Кашкарова!

В начале рассмотрим схемы с применением микросхемы К561ТЛ1. Первая схема — емкостное реле:

 

Микросхема К561ТЛ1 (зарубежный аналог CD4093B) — одна из самых популярных цифровых микросхем этой серии. Микросхема содержит 4 элемента 2И-НЕ с передаточной характеристикой триггера Шмита (имеет определенный гистерезис).

Данное устройство имеет высокую чувствительность, что позволяет использовать его в охранных устройствах, а также в устройствах, предупреждающих о небезопасном нахождении человека в опасной зоне (например в распиловочных станках). Принцип  устройства основан на изменении емкости между штырем антенны (используется стандартная автомобильная антенна) и полом.

По утверждению автора, данная схема срабатывает при приближении человека среднего размера на расстояние около 1,5 метров. В качестве нагрузки транзистора может использоваться, например, электромагнитное реле с током срабатывания не более 50 миллиампер, которое своими контактами включает исполнительное устройство (сирену и проч.).

Конденсатор С1 служит для снижения вероятности срабатывания устройства от помех.

Следующее устройство — датчик влажности:

 

Особенностью схемы является применение в качестве датчика переменного конденсатора С2 типа 1КЛВМ-1 с воздушным диэлектриком. Если воздух сухой — сопротивление между пластинами конденсатора составляет более 10 Гигаом, а уже при небольшой влажности сопротивление уменьшается.

По сути этот конденсатор представляет собой высокоомный резистор с изменяющимся в зависимости от внешних условий абсорбированной атмосферной влажности сопротивлением. При сухом климате сопротивление датчика велико, и на выходе элемента D1/1 присутствует низкий уровень напряжения.

при увеличении влажности сопротивление датчика уменьшается, возникает генерация импульсов, на выходе схемы присутствуют короткие импульсы. При увеличении влажности частота генерации импульсов увеличивается. В определенный момент влажности генератор на элементе D1/1 превращается в генератор импульсов.

на выходе устройства появляется непрерывный сигнал.

Схема сенсорного датчика показана ниже:

 

Принцип действия этого устройства заключается в реагировании на «наводки» в теле человека или животного от различных электрических устройств.

Чувствительность устройства очень велика — оно реагирует даже на прикосновение к пластине Е1 человека в матерчатых перчатках. При первом прикосновении устройство включается, при втором — выключается.

Конденсатор С1 служит для защиты от помех и его в отдельном случае может и не быть…

Следующее устройство — индикатор влажности почвы. Это устройство может быть использовано, например, для автоматизации полива теплицы:

 Устройство, на мой взгляд, весьма оригинально. Датчиком служит катушка индуктивности L1, закопанная в почву на глубину 35-50 сантиметров. Транзистор Т2 и катушка индуктивности совместно с конденсаторами С5 и С6 образуют автогенератор на частоту около 16 килогерц. При сухой почве амплитуда импульсов на коллекторе транзистора VT2 равна 3 вольтам. Увеличение влажности почвы приводит к понижению амплитуды этих импульсов. Реле включено. При некотором значении влажности генерация срывается, что приводит к выключению реле. Реле своими контактами выключает, например, насос или электромагнитный вентиль в цепи полива. О деталях: Самой ответственной частью схемы является катушка. Эта катушка наматывается на отрезок пластмассовой трубы, диаметром 100 , длиной 300 миллиметров и содержит 250 витков, провода ПЭВ, диаметром 1 миллиметр. Намотка — виток к витку. Снаружи обмотка изолируется двумя — тремя слоями ПХВ изоляционной ленты. Транзисторы можно заменить на КТ315. Конденсаторы — типа КМ. Диоды VD1-VD3 — типа КД521 — КД522. Вся конструкция питается от стабилизированного источника, напряжением 12 вольт. Ток потребления схемой равен (в режимах «влажно-сухо») 20-50 миллиампер. Электронная схема собирается в небольшой герметичной коробке. Для возможности регулировки напротив движка R5 следует предусмотреть отверстие, которое после настройки также герметично закрывается. Для питания использован маломощный трансформатор с выпрямителем и стабилизатором на КР142ЕН8Б. Реле должно нормально срабатывать при токе не более 30 миллиампер и напряжении 8-10 вольт. Для примера — можно применить РЭС10, паспорт 303. Для питания насоса контакты этого реле непригодны. В качестве промежуточного реле можно использовать автомобильное. Контакты такого реле выдерживают ток не менее 10 ампер. Можно применить и реле типа КУЦ от цветных телевизоров. Оба из рекомендованных реле имеют обмотку на 12 вольт и их можно включать до микросхемы стабилизатора (после выпрямителя и сглаживающего конденсатора), либо после стабилизатора ( но тогда микросхему стабилизатора следует установить на небольшой теплоотвод). Также на корпусе следует установить два герметичных разъема (например типа РША). Один разъем используется для подключения сети и исполнительного устройства (насос), другой — для подключения катушки. Настройка схемы сводится к регулированию чувствительности устройства при помощи переменного резистора R5. Окончательная настройка производится на месте работы устройства более точной подстройкой резистора. Следует иметь в виду, что данное устройство несколько изменяет порог включения при изменении температуры почвы (но это не очень существенно, поскольку на глубине в 35-50 сантиметров температура почвы изменяется незначительно).

Весной у владельцев овощных ям и гаражей появляется еще одна забота — талые воды. Если вовремя не откачать воду — овощи приходят в негодность… Можно процедуру откачки воды поручить автоматике. Схема получается простенькой, а сэкономит Вам множество времени и нервов (эта схема не из книжки!) :

Схема автоматической «водооткачки» работает на принципе электропроводности воды. Основным элементом контроля уровня является блок из трех пластин из нержавеющей стали. Пластины 1 и 2 имеют одинаковую длину, пластина 3 — датчик верхнего уровня воды.

Пока уровень воды ниже уровня 3 пластины — на входе логического элемента D1 уровень логической еденицы, на выходе элемента уровень логического нуля — транзистор заперт, реле обесточено.

При увеличении уровня воды датчик 3 через воду соединяется с общим проводом схемы (пластина 1) — на входе элемента уровень логического нуля, на выходе элемента — уровень логической еденицы — транзистор открывается — реле своими контактами включает насос. Одновременно с насосом на вход схемы подключается пластина 2 датчика.

Эта пластина является датчиком нижнего уровня воды. Насос будет работать до тех пор, пока уровень воды не опустится ниже уровня пластин. После этого насос отключается и схема переходит в дежурный режим… В схеме можно применить практически любые логические элементы КМОП технологии серий 176, 561,564.

Читайте также:  Автомагнитола – как установить и подключить магнитолу в автомобиль своими руками

Реле РЭС22 используется на напряжение срабатывания 10-12 вольт. Данное реле имеет довольно мощные контакты, что позволяет непосредственно управлять насосом типа «Водолей» мощностью до 250 ватт.

Для увеличения надежности работы полезно свободные группы контактов реле (их всего четыре) соединить параллельно и параллельно контактам реле включить цепочку из последовательно соединенных резистора на 100 ом (мощностью не менее 2 ватт) и конденсатора на 0,1 микрофарады (с рабочим напряжением не менее 400 вольт).

Эта цепочка служит для уменьшения искрения на контактах в моменты коммутации. Если у Вас насос большей мощности — придется применить дополнительное промежуточное реле с контактами большей мощности (например пускатель ПМЕ 100 — 200…), обмотку которого (обычно на 220 вольт) коммутировать при помощи реле РЭС22.

В этом случае обычно хватает одной пары контактов и искрогасящую цепочку параллельно контактам реле можно не ставить. Трансформатор питания использован на 12 вольт (был готовый) с мощностью около 5 ватт.

При самостоятельном изготовлении следует учитывать тот факт что трансформатор будет работать непрерывно, поэтому лучше увеличить (для надежности) на 15-20 процентов количество витков первичной и вторичной обмоток по сравнению с расчетными. Использовать Китайские трансформаторы я бы Вам не советовал — при работе они очень сильно греются — может произойти пожар, либо трансформатор попросту сгорит, а Вы будете уверены в надежности работы схемы и перестанете наведываться в гараж… Результат — овощи испорчены… Данное устройство эксплуатируется автором на протяжении 5 лет и показало высокую надежность. Соседи по гаражному кооперативу тоже высоко оценили этот «девайс» — уровень воды в их ямах также значительно понизился…Можно подобное устройство изготовить и без микросхемы:

Реле в данной конструкции используется типа КУЦ (от цветных телевизоров). Этот тип реле имеет две пары замыкающих контактов. Одна пара используется для переключения пластин датчика, другая — для управления насосом. Следует иметь в виду, что реле типа КУЦ нежелательно использовать совместно с микросхемой — могут появиться ложные срабатывания от наводок!

Схема каких либо особенностей не имеет. Возможно, во время настройки придется подобрать резистор R2 в цепи смещения транзистора VT2, добиваясь четкого срабатывания реле при контакте датчика с водой.

На оставшихся элементах микросхемы можно собрать еще одно полезное устройство — имитатор охранной сигнализации:

Устройство предназначено для имитации системы охраны гаража. Для обеспечения бесперебойности работы схема снабжена автономным питанием из батареи аккумуляторов с напряжением 5 вольт. Для экономичности устройства в целом — служит фоторезистор R2. В темное время суток на фоторезистор  свет не попадает — сопротивление его велико — на входе элемента присутствует напряжение логической еденицы — генератор вырабатывает импульсы. Светодиод — «моргает». В светлое время суток сопротивление фоторезистора уменьшается, что приводит к уменьшению напряжения на выводе 10 микросхемы до уровня логического нуля — генератор перестает возбуждаться. Частота импульсов зависит от номиналов конденсатора С1 и резистора R2. В качестве резервного источника использована батарея из 4 аккумуляторов типа КНГ-1,5. Емкости аккумуляторной батареи хватает для непрерывной работы схемы примерно на 20-30 суток (при пропадании сетевого напряжения).
Настройка сводится к подбору с помощью сопротивления резистора R1 уровня чувствительности схемы. Резистором R2 можно изменять частоту генератора.
Данное устройство относится к так называемому «пассивному» устройству защиты, но оно реально работает! Эксплуатация «моргасика» в течении более 5 лет показала его довольно высокую эффективность. За это время не было зафиксировано ни одной попытки вскрытия гаража (у соседей такие случаи бывали). Понятно, что серьезного жулика подобным устройством не напугаешь — (но где они, серьезные жулики — так, одна шпана…).

Источник: http://elektrikvolt.blogspot.com/2013/05/blog-post_3228.html

Введение в емкостные датчики прикосновения

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений.

Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений.

Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости.

Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев.

Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком).

Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой.

Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Сенсорная кнопка

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ.

Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения.

Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Влияние пальца на сенсорную кнопку

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор, и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса – скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами.

Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет.

Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве диэлектрика

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды.

Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80.

Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток.

Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения.

Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве проводника

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору.

Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд.

В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними.

Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Читайте также:  Накидка с подогревом для автомобильного кресла – ремонт своими руками

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния.

Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора.

Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.

Имейте в виду, что этот метода не подходит для измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостные датчики не предоставляют тех данных, которые необходимы для выполнения точных вычислений абсолютных расстояний.

Я полагаю, что можно было бы откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояний, но так как схема емкостных датчиков была разработана для обнаружения изменения емкостей, то отсюда следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменения в расстояниях, т.е. когда палец приближается или удаляется от датчика.

Заключение

Теперь вы должны точно понимать фундаментальные основы, на базе которых строятся емкостные сенсорные системы. В следующей статье мы рассмотрим методы реализации этих основ, которые помогут вам перейти от теории к практике.

Следующая статья в серии: Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Оригинал статьи:

  • Robert Keim. Introduction to Capacitive Touch Sensing

Источник: https://radioprog.ru/post/137

Схемы датчиков движения

На данное время наиболее распространенным и популярным устройством для обнаружения движения является объемный, пассивный, инфракрасный детектор движения.

Принцип его действия основан на приеме теплового излучения от любого объекта пироэлектрическим инфракрасным приемником. Этот элемент работает совместно с полевым транзистором, который выступает в качестве предварительного усилителя.

Содержание:

Для того чтобы диапазон тепловой волны излучаемой человеческим телом (5 – 14 МКМ) воспринимался фотоприемником, применяют специальные светофильтры

Для минимизации ложных срабатываний в конструкцию датчика включены два таких приемника подсоединенных по встречной схеме.

В зависимости от внешней засветки и температуры генерируются  напряжения каждым датчиком в отдельности. Их сигналы вычитаются и компенсируются, при превышении пороговой величины срабатывает реакция устройства на движение.

Датчик движения LX01

Для примера возьмем детектор LX01. Устройство состоит из двух боксов: монтажного и аппаратного, которые соединены подвижным кронштейном, облегчающим настройку зоны сканирования.

В аппаратном боксе находиться плата управления, к которой присоединены сенсоры: пироэлектрический, распознающий движение, светочувствительный фоторезистор для определения уровня освещенности.

Сенсоры прикрывает светопроницаемая пластмассовая шторка с выдавленными по всей площади элементами линз Френеля.

На торце расположены рифленые ручки оперативных регуляторов, связанных с подстроечными резисторами.

На монтажной коробке имеются отверстия для вывода проводов и крепления корпуса осветительного прибора.

Прибор предназначен для коммутирования электрических цепей с общей нагрузкой до 1200 Вт. К устройству можно подключать лампы накаливания и другие осветительные элементы, рассчитанные на напряжение переменного тока 200 – 230 В.

В отличие от детекторов использующихся исключительно для систем тревожной сигнализации устройство имеет дополнительные параметры, регулирующие срабатывание.

Регулятор «TIME» – регулирует время по истечении, которого прибор выключает освещение, если человек продолжает находиться в зоне действия прибора то свет будет включен повторно.

В отличии от детекторов присутствия датчики движения при повторной коммутации полностью включают и выключают осветительный прибор в быстром темпе, что, при неправильной настройке периода срабатывания, приводит к мерцанию света.

Регулятор «DAYLIGHT» – устанавливает светочувствительность прибора и позволяет точно определить порог затмения автоматического включения освещения.

Регулятор «SENS» – устанавливает чувствительность пироэлектрического сенсора детектора обнаружения. С его помощью можно регулировать радиус зоны обнаружения.

Технические параметры датчика движения LX01

  • Угол зоны сканирования 1200.
  • Максимальная дальность обнаружения 12м.
  • Питание: переменный ток от 180 до 240В при 20мА.
  • Максимальная нагрузка 1200Вт при 5А.
  • Время отключения 5сек-600сек.
  • Светочувствительность в диапазоне 10-2000Лкс.

Устройство чувствительно к низким температурам окружающей среды и поддерживает  работоспособность только до -100С. Рекомендуется установка в помещениях на высоте от 2м до 4 м.

Принципиальная электрическая схема датчика движения

В состав устройства модели LX01 входят инфракрасный сенсор определяющий движение и элементы, усиливающие и обрабатывающие сигнал.

1. Светофильтующая пластина. 2. Транзистор. 3. Резистор. 4. Контакт питания на +5В. 5. Корпус. 6. Кристалл пироэлектрика. 7. Общий выход.8. Сигнальный выход.

Пассивный, инфракрасный пироэлектрический сенсор это пластина прозрачного кварца, пропускающая лучи инфракрасного диапазона и керамический сенсор.

Так же в корпусе находится усилитель, который согласует высокое выходное напряжение, поступающее с сенсора.

Пироэлектрический сенсор RE-46, который используется в детекторе движения модели LX01, подсоединен к операционному усилителю LM324N. Он имеет сложную структуру, состоящую из четырех каскадов усилителей.

Функциями усилителей DA1.1 и DA1.2 является произведение коррекции поступающего сигнала с последующей передачей на третий каскад — DA1.3.

Компаратор, который к нему присоединен, производит распознание предварительно обработанного сигнала. На четвертом каскаде DA1.4 происходит регулирование времени освещения.

Следует отметить, что при  таком принципе обработки поступающих сигналов определение движущегося объекта сводится не к регистрации наличия теплового излучения, а на выявлении динамического изменения такого излучения.

Фоторезистор (R23), определяющий уровень внешнего освещения, управляется подстроечным резистором R24, а тот в свою очередь соединен с контактом базы танзистора VT1.

Если световая интенсивность увеличивается, то сопротивление  фоторезистора падает, соответственно ток у базы транзистора увеличивается. Он открывается и происходит эффект подтягивания потенциала контакта между резисторами R25 / 21 и потенциала земли.

Таким образом, запрещается поступление сигнала с каскада DD1.4 на базовую клемму транзистора VT2, который активизирует соединительное реле К1. При срабатывании реле ранее, работа фоторезистора будет заблокирована диодом VD4 на весь период активной фазы.

Устройство работает от обычной электросети 220В, 50Гц. Напряжение, поступает на устройство через плавкий предохранитель FU. Через вход  гасящего конденсатора ( на схеме — C11) и диодный мостик (VD7-10), на выходе напряжение будет составлять 18 — 22 вольта.

Далее напряжение, сглаживается и выпрямляется конденсатором С12, подается на стабилизатор DA2 78L08. Повышенное напряжение, которое возникает на выходе из стабилизатора, направляется на стабилитрон (на схеме VD6), который гасит его до 24В. При переключении контактов реле возникают  коммутационные помехи, которые гасятся последовательностью из резистора R26 и С10.

Схемы подключения

Эта модель рассчитана на непосредственное подключение осветительных приборов запитанных от электросети с переменным током 220В, но ограниченна в мощности присоединяемых устройств не более 1 КВт.

Для дополнительного контроля освещения, который предусматривает, как автоматическое, так и ручное включение осветительного прибора используется следующая схема соединения датчика движения через распределительную коробку.

Возможно подключение нескольких детекторов движения для контроля одного осветительного прибора. Такие схемы используются для освежения лестниц или длинных коридоров, которые не могут в полной мере контролироваться одним детектором.

Для того чтобы увеличить максимальную нагрузку используют способ подсоединения датчика движения через промежуточное реле.

В этом случае максимальная мощность потребления будет ограничиваться только параметрами нагрузочной способности используемого промежуточного реле. Таким образом, можно подключать мощные галогенные прожектора с нагрузкой в несколько киловатт.

Применяя, в качестве осветительных элементов, ртутные лампы дневного света, следует помнить, что период между включениями должен соответствовать времени остывания лампы.

Правила установки датчика движения

На стабильность и эффективность функционирования системы тревожной сигнализации влияет место, выбранное для установки детектора движения.

При этом необходимо правильно выбрать не только общую схему, но и точку подключения в каждом помещении. Определяя ее необходимо свести к минимуму негативное влияние внешних факторов, которые могут привести к ложному срабатыванию системы сигнализации.

Следует избегать попадания в область срабатывания конвекционных и интенсивных воздушных потоков (кондиционеры и батареи отопления), а так же прямых солнечных лучей.

Кроме того, поверхность, на которую устанавливается датчик, не должна подвергаться дрожанию и вибрациям (от открывания двери или окна).

Традиционная установка детектора – в затененном углу комнаты на высоте не более 2,4-3м с направлением зоны сканирования на центр помещения.
Обозначения на схеме: 1. Датчик движения 2. Сенсор разбития стекла 3. Геркон

4. Детектор дыма

Источник: http://nabludau.ru/shemy-datchikov-dvizheniya/

Простой тач-сенсор

Тач-сенсоры (датчики касания) бывают разных принципов действия, например резистивный (проводящие пленки), оптический (инфракрасный), акустический (SAW), емкостной и т.д. Данный проект является экспериментом с емкостным датчиком касания. Этот вид датчика хорошо известен как указывающее устройство, используемое в планшетных ПК и смартфонах.

Принцип емкостного датчика касания

Емкостный датчик касания обнаруживает изменение емкости, происходящее на электроде от закрытия проводящим предметом, например пальцем. Есть несколько методов измерения емкости. В этом проекте используется метод интеграции, который используется в измерителе емкости.

Изменение емкости Cx довольно небольшое, около 1пФ до 10пФ, но оно будет легко обнаружено , потому что  у измерителя емкости разрешение измерения составляет  20пФ. Также, объекты, которые будут обнаруживаться должны быть заземлены, чтобы создать Cx схему согласно с принципом действия.

Однако она хорошо работает, даже если человеческое тело изолировано от земли. Это может быть по нижеследующей причине.

Проводящие объекты с такой площадью поверхности имеют собственную емкость. Конкретно, C=4πε0r на поверхности шара, ε0 электрическая постоянная, r радиус. Тело человека имеет собственную емкость около 100пФ в соответствии с человеческой моделью для ESD теста. Это достаточно много по сравнению с Cx.

Таким образом, человеческое тело можно рассматривать как заземленный провод, даже если оно не заземлено. Конечно, оборудованию тоже требуются провод заземления или собственный емкостный эквивалент человеческому телу.

Однако в сочетании с землей или человеческим телом, с помощью различных паразитных емкостей и создается цепь Cx.

Аппаратная часть

Электрод датчика (сенсорная область) является 10мм квадратной медной пластиной расположенной на печатной плате и покрытой сверху изоляцией (каптоновой лентой). В качестве схемы датчика используется ATtiny2313 с подтягивающим резистором  1МОм.

Время интеграции при нормальном состоянии определяется значением подтягивающего резистора и паразитной емкости на порту и электроде. Когда к электроду прикасаются пальцем, время интеграции увеличивается и можно обнаружить касание.

 Фактическое время интеграции от нескольких мкс до нескольких десятков мкс.

Программное обеспечение

Во-первых, откалибруйте каждую точку (получите эталонное время связи с Cs), а затем запустите сканирование в постоянном периоде.

Когда время интеграции увеличился и превысит порог, он решит “обнаружено”. Гистерезису требуется порог, или выход не будет стабильным при полу прикосновении.

Время измерения для каждой точки равно времени интегрирования, так что это может быть сделано очень быстро.

Измеритель емкости измеряет время интеграции с разрешением один такт (100 нс) с аналоговым компаратором и функцией входной фиксации.  Однако эта функция не доступна на всех портах ввода/вывода.

Для реализации датчика касания на любом порту ввода/вывода, время интеграции измеряется опросом программным обеспечением, и разрешение становится 3 такта (375ns).

В нормальном состоянии число отчета времени около 80, и это достаточно для сенсорных кнопок.

Заключение

В результате, я могу подтвердить, что емкостный сенсор может быть с легкостью реализован  на обычном микроконтроллере . Пластиковая накладка может быть до 1 мм в толщину (в зависимости от диэлектрической проницаемости) для хорошей работы.

Когда ATtiny2313 используется для модуля датчиков касания, она может иметь 15 точек прикосновения.

Читайте также:  Акустический кабель – как правильно рассчитать и выбрать, таблица, калькулятор

Программа управления, используемая в этом проекте экспериментальна, и не проверялась в грязных условиях, таких как шумы и помехи, так что для реального использования может потребоваться  любой анти-шумовой алгоритм.

Скачать список элементов (PDF)

Оригинал статьи

Прикрепленные файлы:

Источник: http://cxem.net/mc/mc178.php

21. Емкостной датчик

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК

Устройство реагирует на приближение руки к металлическому предмету, например замку, сейфу, или же на касание охраняемого предмета. Датчиком может служить и любая электропроводная пластина с размерами примерно 200х200 мм. Чувствительность датчика зависит от настройки и может составлять до 20 см.

Отличительной особенностью приведенных схем емкостных датчиков является их малое потребление (работа в режиме микротоков), что позволяет применять автономное питание.

В основе работы схемы (рис. 3.34) используется принцип изменяемой емкости. При поднесении руки к датчику WA1 в колебательный контур автогенератора на транзисторе VT1 вносится емкость, и его частота меняется. Начальная частота автогенератора около 280 кГц. Схема настраивается так, чтобы второй колебательный контур (L2, С7) был в резонансе с частотой автогенератора.

На транзисторе VT4 собран активный детектор ВЧ сигнала. При достаточной амплитуде напряжения в контуре (L2, С7) VT4 будет находиться в насыщении (при этом VT5 заперт).

Рис. 3.34

Цепь из резисторов R6, R7 обеспечивает устойчивую работу схемы при изменении питающего напряжения от 3,5 до 10В. Резистором R6 можно установить нужную чувствительность датчика.

Транзисторы VT2 и VT3 используются как диоды для стабилизации режимов работы транзисторов VT1 и VT4 при изменении питающего напрядения. По сравнению с диодами переход транзистора обеспечивает лучшую стабилизацию напряжения при малых рабочих токах.

Для удобства настройки схемы к коллектору VT5 можно подключить светодиод с ограничительным резистором (величина резистора зависит от напряжения питания и может быть от 200 до 1000 Ом).

Рис. 3.35

Рис. 3.36. Топология печатной платы

Грубая настройка схемы производится конденсатором С7, плавная — сердечником катушки L2, а также резистором R6.

Окончательная настройка устройства проводится с реальным датчиком WA1, с которым схема будет в дальнейшем работать.

При этом если охраняемый предмет имеет большую металлическую поверхность, то может потребоваться установка разделительного конденсатора небольшой емкости (5…100 пФ) между WA1 и контактом 1 схемы.

Катушки L1, L2 намотаны на ферритовом стержне типа 600НН (или 400НН) диаметром 10 мм и длиной
55 мм (см. рис. 3.35). Такие ферриты используются в качестве антенны в приемниках на СВ и ДВ диапазонах.

Катушка L1 содержит 350 витков, L2 — 250 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,08…0,12 мм, которые распределены равномерно по бумажному каркасу на ферритовом стержне.

Сердечник L2 должен перемещаться относительно каркаса.

Постоянные резисторы применены типа С2-23, подстроечный R6 — СПЗ-19а, конденсатор С10 типа К53-1, остальные конденсаторы типа К10-17.

На рис. 3.36 и 3.37 приведена конструкция печатной платы и расположение на ней элементов.

Схема датчика размещается в любом пластмассовом корпусе и крепится вблизи отдатчика WA1 (100…200 мм).

Устройство может работать совместно с другими схемами охраны в качестве датчика или как самостоятельное охранное устройство при наличии звукового индикатора (рис. 3.38).

Параметры катушек L1, L2 такие же, как в схеме, приведенной на рис. 3.34, катушка L3 намотана на двух склеенных вместе ферритовых кольцах (600…2000НН) типоразмера КЮхбхЗ и содержит 250 витков того же провода (индуктивность ее около 120 мГн).

Рис. 3.37. Расположение элементов

Принцип работы звукового генератора на транзисторах VT6 и VT7 аналогичен с приведенной схемой на рис. 4.12. В качестве источника звука HF1 подойдет любой пьезоизлучатель, но топология печатной платы (рис. 3.39) дана для установки ЗГИ 8.

На плате резисторы R1 и R2 раполагаются над конденсаторами, что увеличивает плотность монтажа, а конденсатор С10 применен типа К50-16 на 16 В.

При питании схемы от источника с напряжением 6 В ток потребления в режиме ОХРАНА не превышает 1 мА, а при звуковом сигнале — 3 мА.

Рис. 3.38

Рис. 3.39

Источник: http://lib.qrz.ru/node/6038

Емкостной датчик уровня топлива на ATMega8A

Скачать схему, прошивки и примеры печатных плат емкостного датчика уровня топлива.

Знать уровень топлива в баке не только “прикольно”, но иногда жизненно необходимо. В некоторых случаях затруднительно оценить уровень топлива в баке из-за его расположения или недостаточной прозрачности. Для таких случаев и существуют датчики уровня топлива. На сегодняшний день наиболее распространены поплавковые датчики. Принцип работы таких датчиков достаточно прост.

Поплавковый механизм в зависимости от уровня топлива в баке изменяет положение подвижного контакта потенциометра. Показание напряжения на потенциометре измеряются и преобразуются в человекочитаемый вид. Однако не всегда имеется возможность установить поплавковый датчик из-за его габаритов.

Кроме того, в аппаратах, где крен является нормальным состоянием, например, сверхлегкие летательные аппараты, возможен перекос и подклинивание поплавкового механизма. Кроме того, положение бака в наземном и полетном положении может отличаться, что может внести изменения в работу поплавкового механизма. Однако существуют и другие способы измерения уровня топлива.

Я говорю о емкостном датчике топлива. Он особо актуален, если существует необходимость избавится от подвижных частей.

Этот способ основан на измерении электрической емкости датчика, которая, в свою очередь, зависит от уровня топлива. Датчик, с помощью которого измеряется уровень топлива, называют емкостным датчиком уровня топлива. Конструкция датчика достаточно проста и представляет собой не что иное, как конденсатор.

Он состоит из двух обкладок, между которыми существует зазор, который может заполнять топливо. Исполнение датчика может быть в виде двух металлических пластин или вставленных одна в другую трубок.

При этом поверхности двух электродов (обкладок конденсатора) не должны иметь электрического контакта, а промежуток между обкладками должен свободно заполняться топливом при погружении датчика и так же свободно освобождаться при уменьшении уровня топлива.

Поскольку топливо заполняет пространство между обкладками конденсатора (датчика), его емкость изменяется. Этот способ подходит только для жидкостей, не проводящих электрический ток. Таким способом  не получится измерить  уровень воды. Бензин и другие виды жидкого топлива электрический ток не проводят.

Измеряя электрическую емкость датчика можно оценить уровень топлива в баке. Хотелось бы обратить внимание на некоторые недостатки такого способа измерения. Дело в том, что диэлектрические свойства топлива могут изменяться при изменении химического состава топлива. Т.е.

при смене типа топлива, возможно, придется калибровать прибор. Не смотря на это, такой способ позволяет устанавливать датчик в баке под углом, или даже монтировать в крышку заливной горловины бака. Датчик не имеет подвижных частей, что в некоторых случаях крайне необходимо.

Насколько безопасно помещать электрическую схему в бак? Многих беспокоит этот вопрос. А вдруг искра? Наша схема датчика питается напряжением 5В, а датчик заряжается через резистор в несколько мегаом.

В этих условиях образование искры невозможно. Напряжение в 5В ничтожно мало для возникновения искры пробоя. Кроме того, в баке любого автомобиля уже “плавает” электрический датчик уровня топлива.

Низкие напряжения и токи не могут вызвать искру и возгорание топлива.

Я не ставил перед собой задачу получить супер точный датчик, способный измерить уровня топлива в 1мм и погрешностью в 0,1%, хотя это вполне возможно. Учитывая, что датчик создавался для аппаратов, где топливо в баке будет подвижно, нас вполне устроит бюджетный вариант с погрешностью в 5%.

Немного о конструктивных особенностях. Для уменьшения паразитных емкостей измерительная схема должна находиться в непосредственной близости от датчика. Не допускается подключение датчика к измерительной схеме с помощью проводов более 20 мм.

Другими словами измерительная схема должна быть на датчике, датчик в баке, в то время, как дисплей должен находиться возле человека на некотором расстоянии от бака. Поэтому, конструктивно схема измерения уровня топлива разделена на два модуля – модуль емкостного датчика топлива и модуль отображения.

Эти два модуля связаны между собой тремя проводами по двум из них подается питание к модулю датчика, по третьему – от модуля датчика передаются данные в цифровом виде к модулю отображения.

Это позволило решить вопрос с передачей данных на несколько метров, и дает возможность конструктивно изменять модуль отображения. При этом схему модуля датчика модифицировать не придется.

Схема модуля датчика основана на измерении времени заряда датчика. Чем выше уровень топлива, тем выше емкость датчика, тем больше времени потребуется для заряда датчика (конденсатора). Работает схема следующим образом. Используется встроенный в микроконтроллер ATMega8A аналоговый компаратор.

На вход компаратора PD7 подается половина напряжения питания через резистивный делитель R3,R4. В момент, когда датчик зарядится до этого напряжения, сработает компаратор. На ноге PD6 устанавливается логический «0». Датчик разряжается через резистор R2.

После чего выход PD6 переключается и работает как вход компаратора, запускается таймер, а датчик начинает заряжаться через резистор R1. При достижении напряжения установленного на входе PD7, срабатывает компаратор, таймер останавливается. Показания таймера используются для вычислений.

Для обеспечения стабильности микроконтроллер должен тактироваться кварцем. Чем больше частота, на которой работает контроллер, тем выше точность измерения. В нашей схеме ATMega8A тактируется кварцем 16Мгц.

Измерения выполняются постоянно, усредняются и один раз в секунду отправляются по последовательному порту UART на скорости 9600 в виде числового значения. На этом функции модуля датчика и заканчиваются.

В качестве датчика я использовал две полоски из фольгированного текстолита толщиной 1.5мм размерами: 290×20 мм. Полоски склеены между собой фольга к фольге через небольшие непроводящие прокладки.

Расстояние между пластинами 1.5 мм. Их можно делать практически любой длины. При необходимости можно обрезать. Особо важно обеспечить равномерный зазор между пластинами по всей длине  “конденсатора” .

Отображением полученных от модуля емкостного датчика данных занимается модуль отображения. Этот модуль можно спроектировать в соответствии с Вашими требованиями. Данные можно выводить на светодиодную линейку, на дисплей, как в нашем случае, на стрелочный индикатор или любое другое устройство отображения. При необходимости модуль датчика можно подключить к компьютеру через такой  переходник.

Модуль отображения работает следующим образом. Данные в числовом виде принимаются от модуля датчика по порту UART на скорости 9600, рассчитываются показания уровня топлива и выводятся на дисплей.

Но для того, чтобы выполнить корректный пересчет, модулю отображения потребуется знать как минимум два значения датчика – числовое показание датчика при пустом баке и числовое показание датчика при полном баке.

Для этого, после установки датчика выполняется процедура калибровки прибора. Модуль отображения запоминает показания при пустом и полном баке, сохраняет в своей энергонезависимой памяти и в соответствии с этими данными выполняет пересчет.

Поскольку от модуля не требуется особого быстродействия, его микроконтроллер ATMega8A работает на частоте 2Мгц от встроенного RC-генератора.

Процедура калибровки прибора: -топливный бак должен быть пуст, прибор выключен -нажмите и удерживайте кнопку -включите питание прибора -отпустите кнопку -на экране появится “SET 0”. Убедитесь, что бак пуст и нажмите кнопку. -на экране появится “SET 100”. Залейте полный бак топлива и нажмите кнопку.

-калибровка завершена.

Источник: http://www.avislab.com/blog/fuel/

Ссылка на основную публикацию