. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak na vodě odolné dotykové senzory u mikrokontrolérů

Jak na vodě odolné dotykové senzory u mikrokontrolérů

Popis problému dotykových senzorů a snadné řešení pro vodě odolné dotykové senzory, určené do náročných prostředí.

Teorie dotykových senzorů:
Konstrukce kapacitního senzorového snímače je důležitým článkem jejich designů. Každé čidlo musí mít k dispozici jeden ADC kanál a digitální I/O pin. Příklad jednoduché dotykové plošky, složené ze dvou písmen E je na obr. 1.


Obr. 1: Příklad motivu snímací plošky

V praxi nemusí být čidlo tvořeno proloženým motivem, naopak, primární požadavek je kladen na co možná největší mezeru mezi oběma bloky a kvalitní dielektrikum, nacházející se pod samotným senzorem. To jinak tvoří nežádoucí kapacitní vazbu mezi oběma piny a stěžuje možnost detekce.

V praxi často používaným způsobem je použití jednoho pinu jako budiče a druhého jako snímače, přičemž jeden spoj může být použit jako společný i pro větší množství snímačů. Tím je snížen nárok na požadované prostředky. V praxi se tak nejčastěji používají maximálně dva kanály ADC avšak větší množství budičů.

Snímání hodnoty dotykového senzoru probíhá vždy postupně v těchto bodech:

  1. Zem (L) na budič
  2. Zem (L) na snímací pin
  3. Připravení ADC vstupu a konfigurace převodníku
  4. Krátké zpoždění pro ustálení náboje (1x NOP je ideální)
  5. Nastavení snímacího pinu jako vstup
  6. Napětí Vdd (H) na budič
  7. Krátké zpoždění pro ustálení náboje (1x NOP je ideální)
  8. Start ADC konverze
  9. Načtení získané analogové hodnoty

Na následujícím obrázku je graficky zobrazen průběh snímání dotykového senzoru.


Obr. 2: Průběh sejmutí dotykového senzoru

Princip spočívá v přenosu náboje přes kapacitu snímací plošky na měřenou kapacitu (kapacita ADC vstupu). Čím větší je kapacita přítomná na snímací plošce, tím větší je přenesený náboj. ADC vstupem je poté měřeno aktuální napětí na kondenzátoru CHOLD – obr. 3, které je přímo úměrné aktuální kapacitě snímací plošky.


Obr. 3: Principiální schéma snímání dotykového senzoru

Jakmile dojde k přepnutí budícího pinu a zahájení měření, bude napětí VDD rozloženo mezi kapacitu snímací plošky – CSENSOR a kapacitu ADC vstupu – CHOLD. Následující rovnice popisuje napětí, které bude sejmuté ADC vstupem jako funkci kapacity senzoru a vnitřní kapacity ADC.

Tolik obecný princip kapacitního dotykového senzoru. V praxi se však častěji využívá princip popsaný dále, kdy společná zem zařízení je spojena s obecnou zemí, například jednoduchou kapacitní vazbou. Dotyk prstu poté nezpůsobí zvýšení náboje, ale naopak jeho odvedení do obecné země a tedy jeho snížení.

Práce ve vlhkém prostředí:
Jakmile se na takovém dotykovém senzoru objeví kapka vody, dojde k vytvoření silnější vazby mezi budicí a snímací ploškou, která však není nijak vedena mezi zemí zařízení ani zemí obecnou – obr. 4. Přítomnost vody zvyšuje hodnotu Csensor a tím i následně změřenou hodnotu V_ADC, podle předchozího vzorce. Čím silnější je vazba mezi budicím a snímacím pinem, tím větší indukované napětí bude naměřeno.


Obr. 4: Znečištěný dotykový senzor

Jakmile však dojde k dotyku prstu na snímací plošku, dojde k odvedení části náboje do obecné země a tedy opačné reakci, než v případě vody či jiných nečistot. Tím je zajištěna správná funkce i v případě zhoršených podmínek a eliminována falešná detekce.

Tato metoda umožní vyloučení falešné detekce v případě rozložení vody mezi oba kontakty snímací plošky. Rovněž zajistí vyloučení falešné detekce i v případě vody a jiných nečistot, nacházejících se pouze na jednom pinu snímací plošky. Nezajistí však vyloučení problému s vodou rozloženou přes několik snímacích plošek. Pokud se voda rozlije po celé klávesnici a uživatel se dotkne jedné plošky, dojde k vyhodnocení stisku u všech zasažených kláves.

Funkce senzoru s přiloženým prstem:
Jakmile se uživatel prstem dotkne snímací plošky, dojde ke kapacitnímu spojení obou jejích pinů s obecnou zemí. Podle konstrukce senzoru se tak uživatel dotkne (samozřejmě pouze kapacitně) jak budiče, tak snímacího pinu, což je ve formě kapacit CF1 a CF2 znázorněno na obr. 5. Přitom kapacita CF2 nemá na funkci zařízení žádný vliv, neboť je zde pouze nízká impedance a na změně měřeného napětí se projevuje pouze velikost CF1, tedy ta vedená ze snímací poloviny senzoru.


Obr. 5: Principiální schéma dotykového senzoru s přiloženým prstem

Rovnici pro tento případ je možné odvodit z předchozí, pouze doplněním o hodnotu CF1.

Praktická analýza problému:
Obr. 6 zachycuje naměřenou hodnotu na senzoru v průběhu čase. Uvedené dva průběhy byly pořízeny na dvou shodných senzorech, zakrytých buď lepicí páskou s tloušťkou 0,002” (modrý), nebo vrstvou akrylátové barvy s tloušťkou 0,124” (růžový). Velký skok kolem 1000 vzorku byl způsoben přidáním vody na oba senzory, na které byl posléze vždy třikrát po sobě přiložen prst.


Obr. 6: Praktickým měřením zajištěné hodnoty na dvou senzorech s vodou

Viditelný značný rozdíl vlivu nejen vody, ale i přiloženého prstu na obě snímací plochy je zapříčiněn velkým rozdílem tloušťky krycích materiálů a tedy i vzdálenosti samotných předmětů – zhruba 72 násobný.

Je také třeba dodat, že i samotné přidání rozdílné krycí vrstvy způsobí změnu kapacity. To je nejvíce patrné před zhruba 1000 vzorkem, kdy čidlo s lepicí páskou má v klidovém stavu neparně nižší hodnotu.


Obr. 7: Detail naměřených hodnot

Na obr. 7 je uveden detail hodnot naměřených u čidla s krycí barvou, kde je patrný pouze minimální rozdíl měřeného napětí při přidání vody (zhruba ve středu časové osy). Naopak vliv přiložení pouze prstu, nebo současné přítomnosti vody a prstu je stále přibližně shodný a snadno rozpoznatelný.

Závěr:
Tato metoda snímání dotykových senzorů je jedinečná ve své schopnosti velice rozdílné reakce na vodu či jiné nečistoty a samotný prst obsluhující osoby.
Důvodem je skutečnost, že voda vytváří kapacitní spoj pouze mezi piny snímacích plošek, kdežto prsty vytvoří kapacitní spojení s obecnou zemí. Tato metoda je navíc velice dobře použitelná i u maticových klávesnic, kde jediným vstupem ADC je možné v různých časech snímat hodnoty různých tlačítek se samostatnými budiči.

Pro více informací o technologii Microchip mTouch™ naleznete na webové stránce www.microchip.com/mtouch, kde je dostupná řada aplikačních poznámek a dalších materiálů věnovaných tomuto problému. Zájemci mohou navíc využít i volně dostupné online webové semináře věnované dotykovým senzorům, uvedené na webové stránce www.microchip.com/webinars.

Použitá literatura:
AN1286 - Water-Resistant Capacitive Sensing

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Microchip
Přehled distributorů

AN1286 - Water-Resistant Capacitive Sensing
mTouch™ Sensing Solutions Design Center
Microchip WebSeminars







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PU232S - převodník USB-RS232, modul
Modul s obvodem CP2102 od Silicon Labs - převodník USB/RS232 Full pro vývoj a malosériovou výrobu.
od 240 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007