Ёмкостные датчики Датчики внесения ёмкости в схемах для МК

February 16, 2011 by admin Комментировать »

Датчики, реагирующие на внесение в измеряемую цепь дополнительной ёмкости, применяются в охранных системах и в автоматике. Чаще всего ёмкость вносится телом человека, хотя это может быть и другой достаточно массивный предмет

На Рис. 3.32 показана абстрактная система сенсорного управления с ёмкостной связью, в которой присутствуют три базовых элемента. Во-первых, человек, прикасающийся пальцем или иной частью тела к контактной площадке ХТ1. Во- вторых, объект управления, с которым электрически соединяется площадка XTL В-третьих, земляная поверхность, по отношению к которой рассчитываются монтажные ёмкости CJ, С4,

Рис. 3.32. Сенсорное управление объектом.

 

Ориентировочные значения:

•   С1 — ёмкость тела человека по отношению к «земле» — 75…200 пФ;

•   С2 — ёмкость «палец – сенсорная площадка» — 0.1…10 пФ;

•   CJ — ёмкость «человек – управляемый объект» — 1…10пФ;

•   С4 — собственная ёмкость управляемого объекта по отношению к «земле» — 10…300 пФ.

Если учесть, что система должна реагировать не только на конкретного человека, но и на любого прохожего, то становится очевидным факт сложности идентификации показаний. Ёмкости, входящие в цепь управления, зависят от множества трудно учитываемых факторов, в том числе и от геометрических габаритов человека. Разброс составляет один-два порядка, из-за чего возникают проблемы, связанные с неустойчивостью срабатывания, с влиянием помех, с необходимостью периодической калибровки всей системы управления.

Слово «сенсорный», как правило, ассоциируется с ёмкостными датчиками. Однако, «сенсоры» могут использовать и другие физические явления, например, свойство кожи человека проводить электрический ток, отражение луча света, ультразвуковая локация и т.д. Общим для всех сенсорных датчиков является специальная чувствительная (сенсорная) площадка или поверхность.

На Рис. 3.33, а…р показаны схемы подключения датчиков внесения ёмкости кМК.

 

а)  инверторы микросхемы DDI охвачены положительной обратной связью через резистор R1. Это приводит к тому, что небольшое возмущение на входе (например, прикосновение пальцем к «сенсору» ХТ1) вызывает изменение напряжения на выходе, которое регистрирует МК;

б)  первоначально конденсатор С2 заряжен. При замыкании пальцем контактных площадок ХТ1 и ХТ2, заряд передаётся на вход триггера, собранного на двух инверторах микросхемы DDI, и он изменяет своё состояние до следующего прикосновения;

в)  импульсы с частотой около 300 кГц поступают на контактную площадку ХТ1 от генератора, собранного на трёх инверторах микросхемы DDL Если замкнуть площадки XT! и ХТ2 пальцем, то импульсы пониженной амплитуды будут поступать на вывод 9 микросхемы DDI и далее на вход МК. Резистором R3 регулируется чувствительность. Конструкция «сенсоров» ХТ1, ХТ2 может быть такой: две медные пластины 60×80 мм, расположенные на расстоянии 1…2 мм;

г)  кабель охранного шлейфа нагружается не на резистор (как обычно), а на конденсатор С/. МК в режиме выхода с ВЫСОКИМ уровнем периодически заряжает его через резистор /?/, а затем измеряет в режиме входа время разряда до определённого порога. Если ёмкость конденсатора будет отличаться от номинала, например, в результате обрыва или закорачивания охранного шлейфа, это отразится на времени разряда. Диоды VDI, защищают вход МК от наводок;

д)  ХТ1 — это сенсорная панель, физически расположенная вблизи от общего провода. Благодаря усилителю DA1 чувствительности датчика достаточно, чтобы прикасаться к площадке XT! пальцем через бумагу Частота генерации «меандра» с выхода М К составляет 100…200 кГц;

 

Рис. 3.33. Схемы подключения датчиков внесения ёмкости к МК {продолжение):

е)  ёмкостный датчик приближения собран по схеме М.Цакова на двух высокочастотных генераторах (триггеры Шмитта микросхемы DDI) с задающими цепочками R2, CI, С2 и R3, СЗ. Два сигнала частотой 200 кГц суммируются в логическом элементе «2И-НЕ» и детектируются диодами VDI, VD2. Подбором элементов CJ, добиваются начального равенства частот двух генераторов. При приближении руки человека к телескопической антенне WAl, понижается частота верхнего генератора и на выходе детектора появляется положительное напряжение, которое измеряется через АЦП МК;

ж)  сначала линия МК настраивается в режим выхода с НИЗКИМ уровнем. Затем эта же линия переводится в режим входа без внутреннего «pull-up» резистора. По таймеру М К измеряется длительность переднего фронта заряда конденсаторов С/, С2, которая зависит от вносимой ёмкости на сенсорной площадке ХТ1\

з)  оптоизолированный сенсор с регулируемой чувствительностью. Прикосновение пальцем к контактной площадке ХТ1 «зажигает» неоновую лампу HL1, которая в свою очередь освещает фоторезистор R4 и приводит к изменению напряжения на входе МК. Порог срабатывания задаётся резистором R5. Резисторы   обеспечивают безопасность человека. Фазный провод сети 220 В легко найти экспериментально, изменив полярность включения вилки в розетку;

и)  к разъёму XI подключается внещний ёмкостный датчик, например, датчик влажности, состоящий из двух стальных пластин с расстоянием между ними 1…10 мм. Сначала МК выставляет на линии НИЗКИЙ уровень, конденсатор датчика Сд разряжается. Затем МК переводит линию в режим входа и через АЦП и таймер измеряет время нарастания напряжения до заданного порога. Для калибровки используется переключатель S1 и образцовый конденсатор С/ повыщенной точности, при этом основной датчик должен быть отключён;

 

Рис. 3.33. Схемы подключения датчиков внесения ёмкости к МК {продолжение): к) специализированная микросхема (фирма Quantum Research Group) принимает сигнал от сенсорной площадки ХТ1, проводит предварительную фильтрацию помех и выдаёт результат OUT. Высокая достоверность показаний гарантируется режимом самокалибровки. Прикосновение пальцем может быть через небольшой слой стекла, пластика, камня, керамики, дерева;

л) датчик приближения к антенне \?Л1 массивного объекта на расстояние около 50 см. Принцип работы: внесение дополнительной ёмкости в цепь затвора транзистора VT1 срывает колебания автогенератора, транзистор закрывается, после чего сигнал на входе М К изменяет уровень с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ. Питание +4.5 В обязательно батарейное;

м) к контактным площадкам ХТ1, ХТ2 подключается любой датчик с диапазоном изменения ёмкости 30…60 пФ. Эта ёмкость определяет частоту генератора на таймере DA2. Аналогичный генератор собран на таймере DAI w образцовом конденсаторе С1. Разность измеренных МК частот пропорциональна вносимой ёмкости. Активизация таймеров проводится поочерёдно установкой противофазных уровней на двух выходах М К. Диоды VD1, VD2— развязывающие;

н) шестиканальный чувствительный сенсор на специализированной микросхеме DA1 (фирма Quantum Research Group), которая имеет хорошую помехоустойчивость и обеспечивает высокую достоверность результатов. Рекомендуется для профессиональных применений;

 

Рис. 3.33. Схемы подключения датчиков внесения ёмкости к МК {окончание): о) цифровой «скользящий» потенциометр на базе специализированной микросхемы DAI фирмы Quantum Research Group. Контакты сенсорных пяохтлок XTI…ХТ22лопжны быть расположены в линию, чтобы к ним удобно было прикасаться. Резисторы R1…R23, соединяющие площадки, желательно применить малогабаритные безвыводные (чип-резисторы);

п) внутренний аналоговый компаратор М К должен работать в режиме «SR Latch» и иметь отдел ьную линию A1N (Рис. 2.30)с выхода компаратора. Так сделано, например, в МК PIC16F887. Прикосновение пальцем к сенсорной площадке ХТ1 затягивает передний и задний фронты импульсов, что фиксируется МК. Для защиты линий портов от внещних наводок и статического электричества могут потребоваться диоды VDI, (показаны пунктиром);

р) МК на своём выходе генерирует импульс положительной полярности и через резистор RI его же принимает на цифровом входе. Прикосновение пальцем к сенсорной площадке ХТ1 затягивает фронты импульса. Разница во времени между фронтами идеального (генерируемого) и реального (принимаемого) сигналов пропорциональна вносимой ёмкости.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты