Датчик прикосновения на транзисторе. Датчик касания Датчик касания своими руками
Датчик прикосновения TTP223B (Сенсорная кнопка) используется для коммутации электрических цепей (включатель/выключатель), является отличной заменой традиционным механическим кнопкам (ключам). Отличается повышенной надежностью по причине отсутствия движущихся частей и низким энергопотреблением.
Для использования сенсорной кнопки TTP223B необходимо подключить питание и Arduino контроллер, либо другое микропроцессорное управляющее устройство. На плате находится светодиод, обозначенный "D", который загорается, когда на модуль подается питание. На плате модуля предусмотрено четыре отверстия для закрепления на плоской поверхности.
Сенсорная площадка работает по емкостной технологии. Срабатывание модуля на коммутацию происходит от прикосновения пальцем к сенсорному датчику. В состоянии покоя - на выходе модуля низкий уровень напряжения, при касании сенсора - появляется высокий уровень напряжения. После 12 секунд бездействия модуль переходит в режим пониженного энергопотребления.
Датчик прикосновения TTP223B имеет один 3-х контактный разъем.
Обозначение контактов
SIG (выходной цифровой сигнал);VCC (напряжение питания);
GND (общий контакт).
Питание модуля осуществляется либо от Arduino, а также другого микропроцессорного управляющего устройства, либо от внешнего источника питания (блока питания). Напряжение питания модуля 2 – 5,5 В.
Характеристики
модуль собран на микросхеме TTP223B;сенсор работает по емкостной технологии;
светодиодная индикация питания;
напряжение питания модуля: 2 – 5,5 В;
чувствительность: 0 – 50 пФ;
время отклика (режим пониженного энергопотребления): 220 мс;
время отклика (активный режим): 60 мс;
размеры (Д х Ш х В): 24 х 24 7,5 мм;
вес: 3 г.
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.
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!В данной статье представлены некоторые основные схемы построения емкостных датчиков прикосновений и обсуждения, как бороться с низкочастотным и высокочастотным шумом.
Предыдущая статья
Измерение изменений
Если вы читали предыдущую статью, то вы знаете, что суть емкостных датчиков прикосновений заключается в изменении емкости, которое происходит, когда объект (обычно палец человека) приближается к конденсатору. Присутствие пальца увеличивает емкость, так как:
- вводит вещество (т.е. человеческую плоть) с относительно высокой диэлектрической проницаемостью;
- обеспечивает проводящую поверхность, которая создает дополнительную емкость параллельно существующему конденсатору.
Конечно, сам факт того, что емкость изменяется, не особенно полезен. Для того, чтобы на самом деле реализовать емкостной датчик касаний, нам необходима схема, которая может измерять емкость с точностью, достаточной, чтобы идентифицировать увеличение емкости, вызванное наличием пальца. Существуют различные способы сделать это, некоторые довольно просты, другие более сложные. В данной статье мы рассмотрим два основных подхода для реализации емкостного сенсорного функционала: первый основан на постоянной времени RC (резистор-конденсатор) цепи, а второй основан на сдвигах частоты.
Постоянная времени RC цепи
Возможно, вы также испытываете чувства ностальгии по университету, когда видите экспоненциальную кривую, представляющую график напряжения во время заряда или разряда конденсатора. Возможно, кто-то при взгляде на эту кривую впервые понял, что высшая математика всё-таки имеет какое-то отношение к реальному миру, да и в век роботов, работающих на виноградниках , есть что-то привлекательное в простоте разряда конденсатора. В любом случае, мы знаем, что эта экспоненциальная кривая изменяется, когда изменяется либо резистор, либо конденсатор. Скажем, у нас есть RC цепь, состоящая из резистора 1 МОм и емкостного датчика касаний с типовой емкостью (без пальца) 10 пФ.
Мы можем использовать вывод входа/выхода общего назначения (настроенный, как выход) для заряда конденсатора до напряжения, соответствующего высокому логическому уровню. Затем нам необходимо разрядить конденсатор через большой резистор. Важно понимать, что вы не можете просто переключить состояние выхода на низкий логический уровень. Вывод I/O, сконфигурированный на выход, будет управлять сигналом низкого логического уровня, то есть, он создаст низкоомное соединение выхода с землей. Таким образом, конденсатор быстро разрядится через это низкое сопротивление - так быстро, что микроконтроллер не сможет обнаружить едва заметные временные изменения, созданные небольшими изменениями емкости. Что нам здесь нужно, так это вывод с большим входным сопротивлением, что заставит почти весь ток разряда течь через резистор, а это может быть достигнуто настройкой вывода для работы, как вход. Итак, сначала вы установите вывод, как выход, выдающий высокий логический уровень, а затем этап разряда, вызывается изменением режима работы вывода на вход. Результирующее напряжение будет выглядеть примерно следующим образом:
Если кто-то прикасается к датчику и тем самым создает дополнительную емкость 3 пФ, постоянная времени будет увеличиваться следующим образом:
По человеческим меркам время разряда не сильно отличается, но современный микроконтроллер, безусловно, может обнаружить это изменение. Скажем, у нас есть таймер с тактовой частотой 25 МГц; мы запускаем таймер, когда переключаем вывод в режим входа. Мы можем использовать таймер для отслеживания времени разряда, настроив этот же вывод действовать, как триггер, который инициирует событие захвата («захват» означает хранение значения таймера в отдельном регистре). Событие захвата произойдет, когда напряжение разряда пересечет порог низкого логического уровня вывода, например, 0,6 В. Как показано на следующем графике, разница во времени разряда с порогом 0,6 В составляет ΔT = 5.2 мкс.
С периодом тактовой частоты таймера 1/(25 МГц) = 40 нс, это ΔT соответствует 130 тактам. Даже если изменение емкости будет уменьшено в 10 раз, у нас всё равно будет разница в 13 тактов между нетронутым датчиком и датчиком, к которому прикоснулись.
Таким образом, идея заключается в многократном заряде и разряде конденсатора, контролируя время разряда; если время разряда превышает заданный порок, микроконтроллер предполагает, что палец вошел в «контакт» с конденсатором датчика касаний (я написал «контакт» в кавычках потому, что палец на самом деле никогда не касается конденсатора - как упоминалось в предыдущей статье, конденсатор отделен от внешней среды лаком на плате и корпусом устройства). Тем не менее, реальная жизнь немного сложнее, чем идеализированное обсуждение, представленное здесь; источники ошибок обсуждаются ниже, в разделе «Работа в реальности».
Переменный конденсатор, переменная частота
В реализации на базе изменения частоты емкостной датчик используется в качестве «С»-части в RC генераторе таким образом, что изменение емкости вызывает изменение частоты. Выходной сигнал используется в качестве входного для модуля счетчика, который подсчитывает количество фронтов или спадов, возникающих во время периода измерения. Когда приближающийся палец приводит к увеличению емкости датчика, частота выходного сигнала генератора уменьшается, и, таким образом, количество фронтов/спадов также уменьшается.
Так называемый релаксационный генератор (генератор колебаний, пассивные и активные нелинейные элементы которого не обладают резонансными свойствами) представляет собой основную схему, которая может использоваться для этой цели. Для этого в дополнение к конденсатору датчика касаний требуются несколько резисторов и компаратор. Кажется, это вызывает больше проблем по сравнению с методом заряда/разряда, который обсуждался выше, но если ваш микроконтроллер обладает встроенным модулем компаратора, это не так уж и плохо. Я не буду вдаваться в подробности схемы этого генератора, потому что, во-первых, он обсуждается во многих других местах, и, во-вторых, маловероятно, что вы захотите использовать этот метод генератора, когда есть много микроконтроллеров и отдельных микросхем, которые предлагают высокопроизводительную емкостную сенсорную функциональность. Если у вас нет другого выбора, кроме как создать свою собственную схему емкостного сенсора касаний, я думаю, что метода заряда/разряда, описанный выше более прост. В противном случае, сделайте свою жизнь немного проще, выбирая микроконтроллер со специальным аппаратным обеспечением для емкостного датчика касаний.
Примером встроенного модуля, основанного на релаксационном генераторе, является периферия емкостного датчика в микроконтроллерах EFM32 от Silicon Labs:
Мультиплексор позволяет частоте колебаний управляться восьмью различными конденсаторами датчиков касаний. С помощью быстрого переключения между каналами, контроллер может эффективно контролировать одновременно восемь сенсорных кнопок, так как рабочая частота микроконтроллера очень высока по сравнению со скоростью движения пальца.
Работа в реальности
Емкостная сенсорная система будет зависеть и от высокочастотного, и от низкочастотного шума.
Высокочастотный шум вызывает в измерениях времени разряда или количества фронтов незначительные изменения от отсчета к отсчету. Например, схема заряда/разряда без пальца, о которой говорилось выше, может иметь время разряда 675 тактов, затем 685 тактов, затем 665 тактов, затем 670 тактов и так далее. Значимость этого шума зависит от ожидаемого изменения времени разряда при поднесении пальца. Если емкость увеличивается на 30%, то ΔT будет составлять 130 тактов. Если наши высокочастотные изменения составляют только ±10 тактов, то мы можем легко отличить сигнал от шума.
Однако, увеличение емкости на 30% находится вблизи максимального значения изменения емкости, на которое мы можем рассчитывать. Если мы получим изменение только на 3%, ΔT составит 13 тактов, что слишком близко к уровню шума. Одним из способов уменьшения влияния шума является увеличение амплитуды сигнала, и вы можете сделать это за счет уменьшения физического расстояния, разделяющего печатный конденсатор и палец. Однако, часто механическая конструкция ограничена другими факторами, и вы уже больше не можете увеличить уровень сигнала. В этом случае вам необходимо понизить уровень шума, что может быть достигнуто путем усреднения. Например, каждое новое время разряда может сравниваться не с предыдущим временем разряда, а со средним значением последних 4 или 8 или 32 результатов измерений времени разряда. Метод, основанный на сдвиге частоты и описанный выше, автоматически включает усреднение, потому что небольшие изменения около средней частоты не будут существенно влиять на количество подсчитанных циклов в течение периода измерений, который более длительный по сравнению с периодом колебаний.
Низкочастотный шум относится к долговременным изменениям емкости датчика без прикосновения пальца; эти изменения могут быть вызваны условиями окружающей среды. Этот тип помехи не может быть усреднен, потому что изменения могут сохраняться в течение очель долгого периода времени. Таким образом, единственный способ эффективно бороться с низкочастотным шумом должен быть адаптивным: порог, используемы для обнаружения присутствия пальца, не может быть фиксированным значением. Вместо этого, он должен регулярно корректироваться на основе измеренных значений, которые не показывают значительные кратковременные изменения, такие как те, что вызваны приближением пальца.
Заключение
Методы реализации, обсуждаемые в данной статье, показывают, что емкостное определение касания не требует сложного аппаратного и программного обеспечения. Тем не менее, это универсальная, надежная технология, которая предоставить значительное улучшение производительности по сравнению с механическими альтернативами.
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.
Ваш регион:
Самовывоз из офиса
Самовывоз из офиса в Москве
- При оформлении до 15:00 в будний день заказ можно забрать после 17:00 в тот же день, иначе — на следующий будний день после 17:00. Мы позвоним и подтвердим готовность заказа.
- Получить заказ можно с 10:00 до 21:00 без выходных после его готовности. Заказ будет ждать вас 3 рабочих дня. Если хотите продлить срок хранения, просто напишите или позвоните.
- Запишите номер своего заказа перед визитом. Он необходим при получении.
- Чтобы к нам пройти, предъявите на проходной паспорт, скажите, что вы в Амперку, и поднимитесь на лифте на 3-й этаж.
- бесплатно
Доставка курьером по Москве
- Доставляем на следующий день при заказе до 20:00, иначе — через день.
- Курьеры работают с понедельника по субботу, с 10:00 до 22:00.
- Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
- 250 ₽
Доставка в пункт PickPoint
- PickPoint .
- Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
- 240 ₽
Доставка курьером по Питеру
Доставка курьером по Санкт-Петербургу
- Доставляем через день при заказе до 20:00, иначе — через два дня.
- Курьеры работают с понедельника по субботу, с 11:00 до 22:00.
- При согласовании заказа можно выбрать трёхчасовой интервал доставки (самое раннее — с 12:00 до 15:00).
- Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
- 350 ₽
Доставка в пункт PickPoint
- Доставка в пункт самовывоза — современный, удобный и быстрый способ получить свой заказ без звонков и ловли курьеров.
- Пункт самовывоза — это киоск с человеком или массив железных ящичков. Их ставят в супермаркетах, офисных центрах и других популярных местах. Ваш заказ окажется в том пункте, который выберите.
- Ближайший к себе пункт вы можете найти на карте PickPoint .
- Срок доставки — от 1 до 8 дней в зависимости от города. Например, в Москве это 1-2 дня; в Петербурге — 2—3 дня.
- Когда заказ прибудет в пункт выдачи, вы получите SMS с кодом для его получения.
- В любое удобное время в течение трёх дней вы можете прийти в пункт и с помощью кода из SMS получить заказ.
- Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
- Стоимость доставки — от 240 руб в зависимости от города и габаритов заказа. Она рассчитывается автоматически во время оформления заказа.
- 240 ₽
Доставка в пункт самовывоза
Доставка в пункт PickPoint
- Доставка в пункт самовывоза — современный, удобный и быстрый способ получить свой заказ без звонков и ловли курьеров.
- Пункт самовывоза — это киоск с человеком или массив железных ящичков. Их ставят в супермаркетах, офисных центрах и других популярных местах. Ваш заказ окажется в том пункте, который выберите.
- Ближайший к себе пункт вы можете найти на карте PickPoint .
- Срок доставки — от 1 до 8 дней в зависимости от города. Например, в Москве это 1-2 дня; в Петербурге — 2—3 дня.
- Когда заказ прибудет в пункт выдачи, вы получите SMS с кодом для его получения.
- В любое удобное время в течение трёх дней вы можете прийти в пункт и с помощью кода из SMS получить заказ.
- Оплатить заказ можно наличными при получении или же онлайн при оформлении заказа.
- Стоимость доставки — от 240 руб в зависимости от города и габаритов заказа. Она рассчитывается автоматически во время оформления заказа.
Почта России
- Доставка осуществляется до ближайшего почтового отделения в любом населённом пункте России .
- Тариф и сроки доставки диктует «Почта России». В среднем, время ожидания составляет 2 недели.
- Мы передаём заказ Почте России в течение двух рабочих дней.
- Оплатить заказ можно наличными при получении (наложенный платёж) или же онлайн при оформлении заказа.
- Стоимость рассчитывается автоматически во время заказа и в среднем должна составить около 400 рублей.
Доставка службой EMS
- Служба «EMS Почта России» работает быстрее и надёжнее обычной почты и доставляет до двери покупателя.
- Тариф и сроки доставки диктует служба EMS. В среднем по России время ожидания составляет 4-5 дней.
- Мы передаём заказ в EMS в течение двух рабочих дней.
- Оплатить заказ можно только онлайн при оформлении заказа.
- Стоимость рассчитывается автоматически во время оформления заказа и в среднем должна составить 400-800 рублей для России и 1500-2000 рублей для стран СНГ.
Помимо онлайн-магазина, товар также представлен:
Офис-магазин, м. Таганская
Офис-магазин, м. Таганская
Товары из офиса нельзя заказать через интернет или забронировать. Можно только прийти, схватить и бежать. Доступное количество актуально на момент загрузки страницы.
Офис находится в 5 минутах ходьбы от м. Таганская, по адресу Большой Дровяной переулок, дом 6 .
Скоро Магазин-мастерская, м. Лиговский пр-т
Магазин-мастерская, м. Лиговский пр-т
Товары из магазина-мастерской нельзя заказать через интернет или забронировать. Можно только прийти, схватить и бежать. Доступное количество актуально на момент загрузки страницы.
Магазин-мастерская находится в трёх минутах пешком от метро Лиговский Проспект, на территории пространства «Лофт Проект Этажи», по адресу Лиговский проспект 74Д .
Ёмкостный датчик прикосновения работает как обычная кнопка, но в нём нет подвижных частей. Кнопка почувствует «нажатие» сквозь корпус устройства и сработает как бесконтактный концевик в проектах домашней автоматизации.
Сенсор работает через неметаллические материалы - пластмассу, картон, фанеру или стекло. Эту особенность можно использовать для создания скрытых или защищённых элементов управления.
Поместите модуль в герметичный корпус или спрячьте под лицевую панель устройства - кнопка почуствует приближение пальца даже через четырёхмиллиметровый слой диэлектрика.
Использование в качестве «кнопки» - не единственный вариант использования ёмкостных датчиков. Они отлично подойдут для контроля уровня воды в пластиковой бочке или стеклянном аквариуме.
Что на борту
Система определения прикосновения состоит из чувствительного элемента, блока измерения ёмкости датчика и логической схемы, реагирующей на изменение ёмкости при приближении объекта.
В качестве чувствительного элемента используется токопроводящий контур на лицевой части модуля.
Логика построена на базе микросхемы AT42QT1010 . Она отвечает за автоматическую калибровку датчика. Калибровка занимает примерно полсекунды и выполняется сразу после появления питания на модуле. Кроме того, микросхема фильтрует значения, компенсирует дрейф ёмкостного датчика и корректирует работу устройства при изменении температуры и влажности окружающей среды.
При каждом срабатывании сенсора загорается яркий красный светодиод. Это поможет при отладке проекта и пригодится для создания интерактивных панелей управления.
Подключение
Сенсорный модуль по своей сути аналогичен цифровой кнопке . Пока кнопка нажата, датчик отдаёт логическую единицу; когда кнопка не нажата - логический ноль.
В простом варианте модуль подключается к управляющей электронике как простая кнопка - одним .
Для этого используется левая группа контактов:
- Контакт S - сигнальный пин, подключаемый к цифровому входу контроллера.
- Контакт V - питание. Подключается к линии питания 3,3-5 В.
- Контакт G - подключается к земле.
В правой группе контактов используется только один пин - M. Он переключает режимы работы модуля. Две оставшиеся ноги используются для надёжной фиксации модуля на Troyka Slot Shield .
Переключение режима работы
По умолчанию модуль работает в режиме пониженного энергопотребления. Опрос датчика проводится раз в 80 миллисекунд. Это существенно экономит энергию аккумуляторов.
Если вам требуется увеличить отзывчивость интерфейса, подключите пин М к контроллеру и подайте на него логическую единицу. Модуль переключится в режим высокоскоростной обработки данных, интервал опроса сенсора уменьшится до 10 миллисекунд.
Комплектация
- 1× Плата-модуль
Характеристики
- Напряжение питания: 3,3-5 В
- Контроллер сенсора: AT42QT1010
- Интерфейс кнопки: цифровой, бинарный
- Габариты: 25×25 мм
