Наверное уже никому в наше время не нужно объяснять, что такое тачпад? Этим удобным манипулятором снабжены все современные ноутбуки. Вместо джойстика или мышки, для перемещения курсора и кликов мы используем тачпад, или, по-научному, сенсорную панель.

В этом уроке мы будем работать с простым ёмкостным датчиком, который позволяет отследить всего одно касание (вот он, на рисунке справа). Наша задача, связать касание датчика пальцем с каким-нибудь действием, скажем, с излучением звука зуммером. Трогаем датчик — зуммер пищит. Не трогаем — молчит.

Для решения этой задачи нам понадобится соединить вместе контроллер Ардуино Уно, зуммер, и, собственно, сам датчик. В качестве последнего будем использовать небольшую платку на базе сенсорного чипа TTP223. Для питания устройства годится напряжение в диапазоне от 2 до 5.5 Вольт.

Данный датчик является цифровым, а значит он выдает только одно из двух возможных значений: истина или ложь. В электронике это соответствует высокому и низкому уровню напряжения, соответственно.

1. Подключение

Использованный нами в уроке ёмкостный датчик имеет три контакта:

• VCC — питание +5В;
• GND — земля;
• OUT — сигнал.

Как и все прочие цифровые датчики, линию OUT мы подключаем к любому свободному цифровому входу Ардуино Уно. Традиционно, используем для работы с датчиком вход №2. Получившаяся схема будет иметь вид:

Внешний вид макета

2. Программа

Теперь попробуем оживить всё это. Все что нам потребуется — это считывать состояние вывода №2 на каждом такте программы, и в зависимости от полученного значения, включать или выключать зуммер. Вот что у нас получается:

Int capPin = 2; int buzzPin = 11; void setup() { pinMode(capPin, INPUT); pinMode(buzzPin, OUTPUT); } void loop() { if(digitalRead(capPin)) digitalWrite(buzzPin, HIGH); else digitalWrite(buzzPin, LOW); }

Наконец, записываем программу на Ардуино Уно, и смотрим что получилось!

ДАТЧИКИ СИЛЫ, МЕХАНИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ПРИКОСНОВЕНИЯ

В системе СИ основными единицами счи­таются масса, длина и время, в то время как сила и ускорение – производными единицами. В Британской и американской системах единиц основными единицами счи­таются сила, длина и время. Единица измерения силы является одной из фундаменталь­ных физических величин. Измерение сил проводится и при проведении меха­нических исследований, и в гражданском строительстве, и при взвешивании объектов, и при изготовлении протезов и т.д. При определении давления также требуется измерение силы. Считается, что при работе с твердыми объектами измеряется сила, а при работе с жидкостями и газами определяется давление. Это значит, что сила рассматривается тогда, когда действие приложено к конк­ретной точке, а давление определяется тогда, когда сила распределена по срав­нительно большой площади.

Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качествен­ные. Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в элек­трических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики. Качественные датчики - это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в де­тектировании превышения заданного уровня приложенной силы. Примером та­ких устройств является клавиатура компьютера, каждая клавиша которой замыкает соответствующий контакт только при нажатии на нее с определенной силой. Качественные датчики часто используются для детектирования движения и по­ложения объектов. Коврик у двери, реагирующий на давление, при­ложенное к нему, и пьезоэлектрический кабель также являются примерами каче­ственных датчиков давления.

Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:

1. Уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы

2. Измерение ускорения тела известной массы, к которому приложена неизвес­тная сила

3. Уравновешивание неизвестной силы электромагнитной силой

4. Преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления

5. Измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой

В современных датчиках наиболее часто применяется 5 метод, а методы 3 и 4 используются сравнительно редко.

В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в элек­трический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных эта­пов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя сила-перемещение и детектора положения (перемещения). Это может быть про­стая спиральная пружина, уменьшение длины которой, вызванное приложен­ной силой сжатия, будет пропорционально ее коэффициенту упругости.

На рис.1А показан датчик, состоящий из пружины и детектора перемещений, реализованного на основе линейно регулируемого дифференциального трансфор­матора (ЛРДТ). В линейном диапазоне изменения длины пру­жины напряжение на выходе ЛРДТ пропорционально приложенной силе. На рис. 1Б представлен еще один вариант датчика силы, состоящий из гофрированной мембраны, заполненной жидкостью, непосредственно на которую и действует сила, и датчика давления. Гофрированная мембрана, распределяя силу на входе по поверхности чувствительного элемента датчика давления, играет роль преоб­разователя сила-давление.

Тензодатчик - это гибкий резистивный чувствительный элемент, сопротивление которого пропорционально приложенному механическому напряжению (вели­чине деформации). Все тензодатчики построены на основе ранее упоминавшегося пьезорезистивного эффекта. Проволочный тензодатчик представляет собой резистор, наклеенный на гиб­кую подложку, которая в свою очередь прикрепляется на объект, где измеряется сила или напряжение. При этом должна обеспечиваться надежная механическая связь между объектом и тензочувствительным элементом, в то время как провод резистора должен быть электрически изолирован от объекта. Коэффициенты теп­лового расширения подложки и провода должны быть согласованы. Для получения хорошей чувствительности датчик должен иметь длинные продольные участки и короткие поперечные (рис. 2). Это делается для того, чтобы чувстви­тельность в поперечном направлении не превышала 2% от продольной чувствительности. Для измерения напря­жeний в разных направлениях меняется конфигурация датчиков. Следует отме­тить, что полупроводниковые тензочувствительные эле­менты обладают довольно сильной чувствительностью к изменениям температу­ры, поэтому в интерфейсных схемах или в самих датчиках необходимо предус­матривать цепи температурной компенсации.

Тактильные датчики - это специальный класс преобразователей силы или давле­ния, кото­рые характеризуются небольшой толщиной. Эти датчики полезны в слу­чаях, когда сила или давление измеряются между двумя поверхностями, располо­женными близко друг к другу. Такие датчики часто используются в робототехнике, например, их устанавливают на «пальцы» механических приводов для обеспе­чения обратной связи при контакте с объектом - это напо­минает то, как работа­ют тактильные сенсоры кожи человека. Датчики касания используются в сенсор­ных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физи­ческое прикосновение. Тактильные датчики широко применяются в биоме­дицине, для опреде­ления прикуса зубов и правильности установки коронок в сто­матологической практике, а также при исследовании давления на ноги человека при ходьбе. Иногда при проведении операций протезирования их устанавливают в искусственные суставы для корректировки положения и т.д. В строительстве и на механических производствах тактильные датчики используются для определе­ния сил, действующих на закрепленные устройства.

Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются не­сколько мето­дов. В некоторых из них на поверхности объекта формируется специ­альный тонкий слой из ма­териала, чувствительного к механическим напряжениям. На рис. 3 показан простой тактильный датчик, обеспечиваю­щий функции вклю­че­ния-выключения, со­стоящий из двух листов фольги и прокладки. Внутри про­кладки сде­ланы круглые (или лю­бой другой необходимой формы) отверстия. Один из листов фольги зазем­лен, а второй подсоеди­нен к нагрузочному ре­зистору. Если требуется контро­лировать не­сколько чув­ствительных зон, исполь­зуется мультиплексор. Когда к верхнему про­воднику приклады­вается внешняя сила над отвер­стием в прокладке, он прогибается и соприкаса­ется с ниж­ним проводни­ком, тем самым устанав­ливая с ним электриче­ский контакт, заземляю­щий нагрузочный резистор. При этом выходной сигнал становится равным нулю, что свиде­тельствует о прило­женной силе. Верхний и нижний проводники могут изготавливаться мето­дом тра­фаретной печати проводя­щими чернилами на подложке. Чувствительные зоны таких датчиков определяются ря­дами и колонками проводников, нанесенных чер­нилами. Прикосно­вение в опре­деленному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответ­ст­вующих ряда и колонки, что по­казывает локализацию приложен­ной силы. Хорошие тактиль­ные датчики получаются на основе пьезоэлектрических пленок, которые используются как в пассивном, так и в активном режимах. Многие тактильные датчики выполняют функции сен­сорных переключателей. В отличие от традиционных переключателей, надежность контактов которых сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, пьезоэлектрические ключи, благодаря своему монолитному исполнению, могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чув­ствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопро­тивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся проводящие эластомеры или пасты, чувствительные изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие час­тицы или волокна. Например, проводящая резина получается при введении в обыч­ную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами, либо на изменении толщины эластомерного слоя. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между прижимным устройством и эластомером, в резуль­тате чего изменяется электрическое сопротивление.

Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупро­водниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конст­рукция таких датчиков напоминает мембранный переключатель. По срав­нению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают бо­лее широким динамическим диапазоном.

Пьезоэлектрические датчики силы

Рассмотренные пьезоэлектрические тактильные датчики не предназначены для проведения точных измерений силы. Однако на основе того же пьезоэлектрического эффекта можно реализовать и прецизионные датчики силы, как активные, так и пассивные. При разработке таких датчиков всегда следует помнить, что пьезоэлектрические устройства не могут измерять стационарные процессы. Это означает, что пьезоэлектрические датчики силы преобразуют изменения силы в пе­ременный электрический сигнал, но при этом они никак не реагируют на постоян­ное значение внешней силы. Поскольку приложенные силы могут изменять некото­рые свойства материалов, при разработке активных датчиков необходимо учитывать всестороннее влияние сигналов возбуждения. На рис. 4 показан вариант активного датчика силы. При проведении количественных измерений при помощи таких дат­чиков следует помнить, что его диапазон измерения зависит от частоты механическо­го резонанса применяемого пьезоэлектрического кристалла. Принцип действия та­ких датчиков основан на том, что при механической нагрузке кварцевых кристаллов определенных срезов, используемых в качестве резонаторов в электронных генера­торах, происходит сдвиг их резонансной частоты.

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.

Аппаратная часть

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. 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.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
U?	МК AVR 8-бит	ATtiny2313-20PU	1			В блокнот
R1-R8	Резистор	1 МОм	8			В блокнот
R9-R16	Резистор	R9-R16	8			В блокнот
C1	Электролитический конденсатор	100 мкФ	1			В блокнот
C2	Конденсатор	100 нФ	1			В блокнот
D1-D8	Светодиод		8

Датчик касания для Arduino

Модуль представляет собой сенсорную кнопку, на его выходе формируется цифровой сигнал, напряжение которого соответствует уровням логических единицы и нуля. Относится к емкостным датчикам касания. С такого рода устройствами ввода данных мы сталкиваемся при работе с дисплеем планшета, айфона или тачскрин монитора. Если на мониторе мы нажимаем на иконку стилусом или пальцем, то здесь для этого используется область поверхности платы размером с иконку Windows касание которой производится только пальцем, стилус исключается. Основа модуля микросхема TTP223-BA6 . Есть индикатор питания.

Управление ритмом воспроизведения мелодии

При установке в прибор сенсорную область поверхности платы модуля закрывают тонким слоем стеклотекстолита, пластмассы, стекла иди дерева. К преимуществам емкостной сенсорной кнопки относится большой срок службы и возможность герметизации передней панели прибора, антивандальные свойства. Это позволяет использовать датчик касания в работающих на открытом воздухе приборах в условиях прямого попадания капель воды. Например, кнопка дверного звонка или бытовые приборы. Интересно применение в оборудовании умный дом - замена выключателей освещения.

Характеристики

Напряжение питания 2,5 - 5,5 В
Время отклика на касание в различных режимах потребления тока
низкое 220 мс
обычное 60 мс
Выходной сигнал
Напряжение
высокий лог. уровень 0,8 Х напряжение питания
низкий лог. уровень 0,3 Х напряжение питания
Ток при питании 3 В и логических уровнях, мА
низкий 8
высокий -4
Размеры платы 28 x 24 x 8 мм

Контакты и сигнал

Нет касания - выходной сигнал имеет низкий логический уровень, касание - на выходе датчика логическая единица.

Почему это работает или немного теории

Тело человека, как и все что нас окружает, обладает электрическими характеристиками. При срабатывании датчика прикосновения проявляются наши емкость, сопротивление, индуктивность. На нижней стороне платы модуля расположен участок фольги соединенный с входом микросхемы. Между пальцем оператора и фольгой на нижней стороне расположен слой диэлектрика - материал несущей основы печатной платы модуля. В момент касания происходит заряд тела человека микроскопическим током, протекающим через конденсатор, образованный участком фольги и пальцем человека. При упрощенном рассмотрении ток протекает через два последовательно соединенных конденсатора: фольга, палец находящихся на противоположных поверхностях платы и тело человека. Поэтому если поверхность платы закрыть тонким слоем изолятора, то это приведет к увеличению толщины слоя диэлектрика конденсатора фольга-палец и не нарушит работу модуля.
Микросхема TTP223-BA6 фиксирует ничтожный импульс микротока и регистрирует прикосновение. Благодаря свойствам микросхемы работать с такими токами никакого вреда такая технология не наносит. Когда мы касаемся корпуса работающего телевизора или монитора через нас проходят микротоки большей величины.

Режим пониженного потребления

После подачи питания датчик касания находится в режиме пониженного энергопотребления. После срабатывания на 12 секунд модуль переходит в обычный режим. Если далее касание не произошло, то модуль вернется в режим пониженного потребления тока. Скорость реакции модуля на касание в различных режимах приведена в характеристиках выше.

Работа совместно с Arduino UNO

Загрузите в Arduino UNO следующую программу.

#define ctsPin 2 // Контакт подключения линии сигнала датчика касания
int ledPin = 13; // Контакт для светодиода

Void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(ledPin, OUTPUT);
pinMode(ctsPin, INPUT);
}

Void loop() {
int ctsValue = digitalRead(ctsPin);
if (ctsValue == HIGH){
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Serial.println("TOUCHED");
}
else{
digitalWrite(ledPin,LOW);
Serial.println("not touched");
}
delay(500);
}

Соедините датчик касания и Arduino UNO как показано на рисунке. Схему можно дополнить включающимся при касании датчика светодиодом, подключенным через резистор 430 Ом к контакту 13. Сенсорные кнопки часто оснащают индикатором касания. Так удобней работать оператору. При нажатии на механическую кнопку мы чувствуем щелчок независимо от реакции системы. Здесь новизна технологии немного удивляет из-за нашей моторики сложившейся годами. Индикатор нажатия избавляет нас от излишнего ощущения новизны.

Для некоторых электротехнических устройств имеется необходимость в сенсорном включении, то есть начало или конец работы должно происходить при простом касании пальца руки к сенсорному контакту. Применить это можно в схемах электронных замков, сигнализаций, обычной техники, что упрощает её включение и выключение (всего лишь нужно прикоснуться).

В этой статье предлагаю достаточно простую электронную схему сенсорного включателя, которую может собрать практически любой человек. Состоит эта схема всего из нескольких электронных компонентов, главными из которых являются биполярные транзисторы, выполняющие роль усилителей сигнала. Ко входу (базе) первого транзистора подсоединяется сам провод сенсора (к которому нужно прикасаться). С выхода транзистора выходит усиленный в сотни раз сигнал, что подаётся на следующий элемент. Второй транзистор усиливает ещё больше уже до этого усиленный сигнал, ну и то же самое делает третий каскад схемы. В итоге мы из крайне малого сигнала, идущего от сенсора, получаем ток, что может зажечь светодиод (либо включить реле, что будет управлять тем или иным устройством).

Напомню, что биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий три вывода (эмиттер, коллектор и база). Он способен усиливать электрический сигнал в 10-1000 раз. При подаче на управляющий вывод небольшого сигнала (где-то от 0,6 до 0,7 вольт) на выходе мы можем получить уже электрический ток и/или напряжение гораздо большей величины.

База является управляющим электродом, относительно эмиттера. То есть, от источника питания подается на базу (через ограничивающий резистор, создающий некое смещение) и коллектор определенная величина напряжения. При напряжении между базой и эмиттером до 0,6 вольт транзистор ещё будет закрыт (не будет пропускать через себя ток относительно эмиттера и коллектора). Повышая напряжение между базой и эмиттером уже от 0,6 и где-то до 0,7 вольт мы постепенно открывает транзистор от полностью закрытого состояния в полностью открытое. Следовательно, транзистор выполняет роль переменного резистора, который управляется небольшими токами и может изменять своё сопротивления от бесконечно большого до практически нулевого (всё же оно есть, хоть и весьма малое).

Резисторы в схеме простого сенсорного включателя, стоящие в цепи коллекторов, выполняют роль ограничителей тока. Их номиналы 1 мегаом, 1 килоом и 220 ом. Можно ставить маленькой мощности, небольшие по размеру (токи в схеме достаточно малые). В данной электрической схеме применены биполярные транзисторы типа КТ315 (подойдут с любым буквенным индексом). Эти транзисторы старотипные, найти их можно где угодно, и стоят они копейки (если их покупать). Заменить их можно на КТ3102 или любые другие, с похожими характеристиками. Эти транзисторы имеют проводимость n-p-n (новичкам стоит это учесть). Можно поставить в схему транзисторы и обратной проводимости (p-n-p) серии КТ361 или КТ3107, но тогда нужно будет поменять полярность на питании (на плюс подключать минус и наоборот).

Хочу заметить, что данная электрическая схема сенсора является не фиксированной, то есть выходное устройство будет срабатывать и работать только тогда, когда вы касаетесь входного сенсора. Как только вы перестанете касаться сенсора, то и выходное устройство также выключится.

Изначально в схему простого сенсорного включателя я поставил на выход обычный светодиод, который просто зажигался при касании сенсора. Если вместо светодиода поставить небольшое реле, то можно уже на выходе схемы иметь переключатель, что можно подключить к различным электрическим устройствам (звонку, лампочки, двигателю и т.д.). Параллельно катушки реле нужно будет припаять электролитический конденсатор небольшой ёмкости (где-то от 100 до 1000 микрофарад, и напряжением не менее чем у источника питания). А также подключить диод (обратное включение), что позволит исключить влияние на саму схему напряжения самоиндукции, возникающей на катушки реле. Диод подойдет любой!

P.S. Учтите, что светодиод имеет полярность! Если вы поставите его неправильно, то светиться он не будет. В случае использования реле учитывайте выходной ток транзистора. То есть, КТ315 может иметь на своём выходе силу тока не более 100 миллиампер. Следовательно, если поставить большую релюшку, у которой катушка потребляет большие токи, то транзистор может выйти из строя. Нужно ставить реле с соответствующим током на катушке или ставить более мощный биполярный транзистор на выходе схемы.