Kapacitív érintésvezérlés működése
A távirányítókban, háztartási gépekben, kaputelefonokban és szórakoztatóelektronikában mind gyakrabban találkozunk olyan ember-gép interfész megoldásokkal, amelyek a kapacitív érintésvezérlés-technológia segítségével egyszerűen megvalósíthatók.
További előnye ennek a technológiának a készülék számára a környezeti hatásokkal (víz, por stb.) szembeni magasabb ellenállóság, hiszen általában nincs szükség a készülékház megbontására.
Cikkünkben áttekintjük a kapacitív érintés- és közelítésérzékelés fizikai alapjait és megvalósítási lehetőségeit.
Általánosan felfedezhető trend, hogy a mikrokontroller-gyártók manapság felruházzák eszközeiket alapszíntű érintésvezérlési funkciókkal, melyek lehetővé teszik különáramkörök illesztése nélkül az egyszerű érintőgombok, alap-gesztusvezérlés integrálását a végtermékbe.
Hogyan működnek az érintőképernyők?
Ezek a megoldások általában tökéletesen alkalmasak arra, hogy a mechanikus kapcsolókat, forgógombokat és csúszkákat korszerű kapacitív érintésvezérlésre cserélje a konstruktőr, azonban pontos pozicionálást igénylő feladatokra, illetve extrém elvárások (fán, vastag üvegen keresztüli vezérlés) esetén már erre a célra fejlesztett professzionálisabb megoldások alkalmazása kívánatos.
Minden, amit tudni kell a BMW E39 530d adagoló pumpa vezérléséről
Ilyen „use-case” például a számítógépek vagy távvezérlők érintőpadja, korszerű sütők, konyhai gépek kezelőszervei vagy a bútorba integrált érintőkapcsolók.
A kapacitív szenzorok olyan vezetőfelületek, melyek kapacitása az emberi test, kéz vagy ujj közelítésének, érintésének hatására megváltozik.
Ez a kapacitás lehet két mérőelektróda közötti kölcsönös kapacitás, vagy egy elektróda és a föld közötti saját kapacitás.
A bekövetkező kapacitásváltozás mértéke nagyon kicsi, érintés esetén 10 pF, közvetlen közelség esetén 1 pF, közelítés esetén mindössze 0,05-0,1 pF nagyságrendbe esik, melynek detektálására vagy egy mikrokontroller A/D konverterét és megfelelő szoftverkönyvtárat vagy dedikált érintésvezérlőt használhatunk.
Érintésérzékelési elvek
A kapacitív érintésérzékelés alapvetően két fő elven alapul:
Hatékony padlófűtés beállítás - Danfoss
- RC érzékelési elv (RC acquisition principle)
- Töltésátviteli-érzékelési elv (Charge transfer acquisition principle)
RC érzékelési elv
Az RC érzékelési elv a kapacitás adott ellenálláson keresztül történő töltési és kisütési idejének változásán alapul.
Amikor az elektródát megérintik, ez az idő megnő, és a változás mérése alkalmas az érintés detektálására.
A legegyszerűbb, RC-elvű érintőgomb-megoldást mikrokontrollerrel és szoftveres időméréssel lehet megvalósítani.
Amikor nem érintjük meg az elektródát, akkor annak kapacitása állandó (Cx), az R-C tag beállított határfeszültségre való feltöltődéséhez szükséges idő t1.
Ujj érintésekor a CT kapacitás párhuzamosan kapcsolódik az elektródakapacitáshoz, így az eredő kapacitásérték kb. 5 pF-dal megemelkedik (C = Cx + CT)), a határfeszültség eléréséhez szükséges töltési/kisülési idő t2 lesz.
Megbízható INA vezérlés autóba
A mérés során a táplálás felfutásakor induló timer méri a töltési időt addig, amíg az érzékelőlábon a feszültség elér egy küszöbértéket.
A mérés elvégzésére könnyen konfigurálható szoftverkönyvtárak állnak rendelkezésre.
Az olcsó és egyszerű felépítés mellett a megoldás csak stabil földelés mellett üzembiztos.
A közelítő ujj változtatja az elektródák közötti szigetelés dielektromos állandóját, ezáltal csökkentve köztük a kapacitást.
Töltésátviteli-érzékelési elv
A töltésátviteli-érzékelési elv a szenzorkapacitásban tárolt töltés egy detektáló kondenzátorba való impulzusszerű átvitelén alapuló módszer.
A mintavételező ellenállás feszültségének egy adott határértékre emelkedéséhez szükséges töltésátviteli periódusok számából következtethetünk az elektróda kapacitására.
Amikor az elektródát megérintik, annak kapacitása nő, nagyobb töltés tárolására lesz képes, ezáltal kevesebb töltési ciklus szükséges a mintavételező kondenzátor adott feszültségre való töltéséhez.
A töltéstranszfer-elv lényege a fenti ábrán követhető nyomon.
A mikrokontroller analóg GPIO-lábához kapcsolt érintőelektróda néhány 10 pF kapacitást képvisel (Cx - szenzorkapacitás).
Az egyik kijelölt GPIO-hoz egy ennél több nagyságrenddel kisebb mintavételező kondenzátort kapcsolunk (Cs sampling kapacitás).
A Cx kapacitás Vdd-re töltődik az SW1 bekapcsolásával, majd az ábrán látható logikai kapcsolók (SW5 és SW6) megfelelő szekvenciával való kapcsolásával töltésének egy része periodikusan átkerül a Cs kondenzátorba, melynek kimeneti feszültsége, melyet a GPIO port A/D átalakítóján keresztül a mikrokontroller mér, alapállapotban N ilyen ciklus után éri el a kijelölt határfeszültséget.
Amennyiben a szenzor érintést érzékel, annak kapacitása megemelkedik, több töltést tárol, emiatt egységidő alatt több töltést is tud átáramoltatni a Cs kondenzátorba.
Annak kimeneti feszültsége sokkal hamarabb (n
Célkontrollerek
Hasonló elven működnek és egy fokkal magasabb integrálhatóságot biztosítanak a mikrokontrolleres rendszerek számára a kimondottan érintésérzékelési feladatra kifejlesztett célkontrollerek is, mint például a Holtek BS8xx-sorozata.
Ezek az eszközök már egy sor olyan funkcióval is rendelkeznek, amelyek nagyobb megbízhatósággal ruházzák fel az applikációt még nehezebb környezeti feltételek mellett is, minimalizálják az energiafogyasztást, és kis külső komponensigényű megoldást nyújtanak a host-mikrokonroller számára.
A sorozat fejlettebb tagjai soros kommunikációra is képesek, és dekódolt formában adják vissza az érintőgombok állapotjelzéseit.
Az Azoteq megoldásai
Magyarországon az Azoteq név nem tartozik az széleskörűen ismert márkanevek közé, bár az általuk 2004 óta folyamatosan fejlesztett kapacitív közelítés- és érintésérzékelő megoldások számos, itthon is kapható eszközben megtalálhatóak.
ProxSenseTM technológiájukat felhasználva a világon a legérzékenyebb érintésvezérlőket kínálják, amelyek képesek akár 100 attofarad (10-16 F) kapacitásváltozás érzékelésére is, miközben a jel-zaj viszony 1000:1.
Ez a különleges érzékenység az egyszerű érintőkapcsolóknál jóval összetettebb eszközök készítését teszi lehetővé.
Miközben közelítünk az elektródához, először a közelítésérkelő (Proximity Output Pin) jelez, ami például automatikus megvilágításra használható, majd az érintéskor egy másik kimenet (Touch Output Pin) aktiválódik, mely a kívánt vezérlést végzi.
Három érzékelőelektródát egymás mellé téve egyszerű gesztusvezérlőt tudunk megvalósítani, ami egy adott irányú simítást érzékelve kapcsol.
Az ilyen eszközök széles körben használhatók funkcióválasztásra (pl. mosógépprogram) vagy folyamatos szabályzásra (hangerő, fényerő).
A 7 ... 16 csatornás vezérlőkben megfelelő számú csatorna áll rendelkezésre billentyűzetvezérlő, illetve érintőpad- és gesztuspadvezérlő alkalmazásokhoz.
Ha a vezérlő kölcsönöskapacitás-elven működik és az elektródák mátrixszerű mintázatban vannak elhelyezve, az érzékelési pontok száma a sorok és oszlopok szorzata.
Az éritést végző emberi ujj felülete több szomszédos csatornára hat, a ProxSense eljárás nagy érzékenységéből adódóan az ezek közötti súlyozott átlagból az elektródasűrűségnél nagyobb érintési pontosság határozható meg, ami lépcsőzetességmentes mozdulatkövetést biztosít.
Az Azoteq partnerei részére nemcsak a vezérlő IC-ket, hanem változatos alakú és tulajdonságú, professzionális gesztusérzékelő és touchpad modulokat is kínál, legyen szükség akár merev vagy hajlékony felületre, billentyűzetmintára, vagy az érzékelőbe integrált visszajelző fények beépítésére.
Az Azoteq IC-k érzékenysége lehetővé teszi az akár 11 mm vastag szigetelőanyagon (fán vagy üvegen) keresztül történő érzékelést.
Ez a képesség nagy felbontással és nagy pontossággal párosul.
Bútorokba, háztartási gépekbe, igényes burkolatok vagy vastag üveg mögé rejtett kapacitív kapcsolók szükségtelenné teszik a díszburkolat felületének lyukakkal vagy kivágásokkal történő megszakítását.
Vezető felületen keresztül természetesen nem lehetséges kapacitív érzékelés, viszont lehetséges olyan struktúra létrehozása, ahol egy fémfelület minimális nyomás alkalmazásával bekövetkező alakváltozásával létrejövő kapacitásváltozás az érintésvezérléshez hasonló módon vezérlésre használható.
Ha az érzékelőelektródákat tartalmazó NyÁK elé egy vékony (0,13 mm), szilárd kétoldalas ragasztóanyagot (szigetelőt), majd az elé egy vékony (<0,1 mm), rozsdamentes acéllemezt vagy egy a belső oldalán vezetőpasztával bevont műanyag lemezt (<0,3 mm) ragasztunk, az elektródák és a lemez között kapacitás jön létre.
Ez a kapacitás minimális erő (<100 gramm) hatására olyan mértékben változik meg, hogy az biztosan detektálható az Azoteq integrált áramköreivel.
Az ilyen érintőfelületek vandálbiztos és csapadéknak kitett környezetben is használhatók, akár kaputelefonokban vagy zuhanykabinban való alkalmazásuk is lehetséges.
Az érzékelőelektródák tervezése a fejlesztőmérnököktől nagy figyelmet és tapasztalatot kíván.
tags: #érintésvezérlés #működése