مرتبط با :
مقالات آموزشي الکترونیک
حسگرهای لمسی سال هاست كه متداول است. پیشرفت های اخیر در حوزه ی ابزارات برنامه پذیر، موجب شده است كه حسگرهای لمسی خازنی به عنوان جایگزینی عملی و مناسب برای كلیدهای مكانیكی در حوزه های متفاوت مطرح شوند.
حسگرهای خازنی دارای پوششی سه میلیمتری می باشند. تشخیص انگشت هنگامی كه ضخامت لایه ی پوششی افزایش می یابد بسیار سخت تر می گردد. به بیان دیگر زمانی كه ضخامت لایه زیاد می شود، تنظیمات سیستم برای كاركرد صحیح پیچیده می گردد. برای اینكه نشان دهیم چگونه یك حسگر خازنی بسازیم كه از محدوده های فناوری روز فراتر رود، لایه ی پوششی را از جنس شیشه و با ضخامتmm 10 انتخاب می كنیم. كار كردن با شیشه راحت است و در دسترس نیز می باشد، همچنین بدلیل شفاف بودنش می توانیم قسمت های زیرین را ببینیم. پوششهای شیشه ای كاربرد مستقیم بسیاری در وسایل خانگی دارند.
ظرفیت خازنی انگشت
در قلب هر سیستم حسگر خازنی، مجموعه ای از هادی ها وجود دارد. این هادی ها و میدان های الكتریكی متقابلاً بر هم اثر می گذارند. بافت بدن انسان مملو از الكترولیت های هادی می باشد كه توسط پوست كه یك دی الكتریك پراتلاف است، پوشیده شده است. چیزی كه امكان عملكرد حسگر های خازنی را فراهم می كند، هدایت الكتریكی انگشت است.
یك خازن تخت ساده دارای دو هادی است كه توسط یك دی الكتریك از هم جدا شده اند. بیشتر انرژی در این سیستم بین دو صفحه متمركز شده است. مقداری از انرژی كل، بیرون از دو صفحه هدر می رود. خطوط میدان الكتریكی مرتبط با این اثر، میدان نشتی یا میدان حاشیه نامیده می شود. یكی از چالش های تولید یك حسگر خازنی عملی، طراحی یک سری از مدار های الكتریكی می باشد كه میدان حاشیه ایی را به داخل ناحیه ی تماس هدایت كند. یك خازن تخت انتخاب مناسبی برای این كار نمی باشد.
قرار دادن یك انگشت در ناحیه میدان های الكتریكی حاشیه ای موجب می شود كه یك سطح هادی در سیستم خازنی قرار گیرد. ظرفیت ذخیره بار الكتریكی اضافی كه توسط انگشت ایجاد می شود را ظرفیت خازنی انگشت می نامیم و با CF نشان می دهیم. در این مقاله ظرفیت خازنی حسگر بدون وجود انگشت را CP می نامیم. تصور غلطی كه در مورد حسگر های خازنی وجود دارد این است كه در این سیستم، انگشت باید زمین شود تا سیستم كار كند. یك انشگت را می توان حس كرد بدلیل اینكه دارای بار است و این هنگامی كه انگشت زمین شده باشد و یا حتی حالت شناور داشته باشد، اتفاق می افتد.
نمای حسگر
شكل 1 نمای برد مدار ( PCB ) را نمایش می دهد. در این طرح از یك كلید لمسی خازنی استفاده شده است. قطر كلید 10 mm می باشد كه تقریباً برابر اندازه ی سر انگشت های یك انسان بالغ است. PCB طرح ما دارای چهار كلید است كه هر كدام mm 20 با هم فاصله دارند. صفحه ی زمین بر روی لایه ی بالایی قرار دارد. صفحه ی حسگر توسط یك شكاف یكنواخت از صفحه ی زمین جدا شده است. اندازه این شكاف از جمله پارامترهای مهم در طراحی می باشد. اگر شكاف خیلی كوچك باشد انرژی زیادی به زمین هدایت می شود و اگر بیش از حد بزرگ باشد كنترل نحوه ی هدایت انرژی به لایه ی پوششی از دستتمان خارج می گردد. شكافی با قطر mm 0.5 برای هدایت میدان حاشیه ایی به لایه ایی از جنس شیشه و به قطر mm10 مناسب می باشد.
شكل 1 ) نمای PCB
شكل 2 ) نمای مقطع حسگر خازنی
میدان الكتریكی كوتاه ترین مسیر را به زمین پیدا می كند. ضریب دی الكتریك εr، مشخص می كند كه چه مقدار انرژی در ماده جمع می شود. ضریب دی الكتریك شیشه ی استاندارد پنجره در حدود 8، ماده ی FR4 مربوط به PCB در حدود 4 و شیشه ی پیركس (كه در مواد شفاف مورد كاربرد دارد) در حدود 5 می باشد. در طرح این حسگر، از شیشه ی استاندارد پنجره استفاده شده است. توجه داشته باشید كه ورق شیشه با استفاده از یك لایه ی عایق الكتریكی 468-MP از 3M روی PCB قرار گرفته است.
حسگر خازنی 101
اجزای اصلی یك سیستم حسگر خازنی شامل یك منبع جریان برنامه پذیر، یك مقایسه كننده آنالوگ و یك گذرگاه مالتی پلكسر آنالوگ می باشد. عملكرد اسیلاتور وقفه ای (رلاكسیون) تابعی از خازن استفاده شده در طرح می باشد. مدار ساده شده طرح در شكل 3 آمده است.
شكل 3 ) مدار ساده شده اسیلاتور وقفه ای
خروجی مقایسه كننده وارد ورودی كلاك (ساعت) یك مدار مدولاتور عرض پالس (PWM) می شود. خروجی این مدار نیز، ورودی یك شمارشگر 16بیتی می باشد. فركانس كلاك شمارشگر برابر MHz 24 می باشد. روش كار به این صورت است كه حضور انگشت موجب افزایش ظرفیت خازنی می شود. در نتیجه تعداد شمارش ها زیاد می گردد. شكل موج این سیستم در شكل 4 آمده است.
شكل 4 ) شكل موج خروجی سیستم
شكل 5 پیاده سازی این طرح توسط یك مدار را نشان می دهد.
شكل 5) نمای مدار حسگر خازنی
برای حسگر خازنی و ارتباطات سری از PSoC IC سری CY8C21x34 استفاده شده است كه شامل مجموعه ای از بلوك های دیجیتالی و آنالوگ می شود. این بلوك ها توسط نرم افزاری (firmware) كه در حافظه ی فلش on boardسیستم موجود است پیكربندی می گردند. IC دیگری به منظور ارتباط با رایانه ی میزبان مورد استفاده قرار گرفته است. این IC امكان ضبط اطلاعات حسگر خازنی را با سرعت 115200 باود (بیت بر ثانیه) مهیا می كند. در شكل 5 نحوه اختصاص پین ها به چهار كلید حسگر خازنی را مشاهده می كنید. PSoC توسط ISSP header ( كه شامل پین های توان، زمین و پین های برنامه ریزی SCL و SDA برنامه ریزی می باشد) برنامه ریزی شده است. یك رایانه نیز از طریق رابط DB9 استاندارد به مدار حسگر خازنی متصل می شود.
تنظیم حسگر
هر زمان كه تابع "start scan" در برنامه فراخوانی گردد، ظرفیت خازنی كلید اندازه گیری می شود. مقادیر شمارش اولیه در یك آرایه ذخیره می شود. مقادیر پایه هر كلید، میانگین سطوح شمارش اولیه می باشد كه توسط یك فیلتر IIR در برنامه محاسبه می گردد. سرعت تجدید اطلاعات در فیلتر IIR قابل برنامه ریزی است. مقادیر پایه این امكان را به سیستم می دهد كه خود را با انحرافات و تغییرات بوجود آمده بوسیله ی دما و دیگر اثرات محیطی تطبیق دهد. آرایه اختلاف كلید حاوی مقدار تفاوت بین مقادیر پایه و مقادیر شمارش اولیه می باشد. وضعیت خاموش/روشن توسط مقادیر اختلافی تعیین می گردد. این به سیستم اجازه می دهد كه با وجود انحراف و تغییرات مقدار پایه، دارای عملكرد و كارایی ثابت باشد. شكل 6 تابع انتقال بین مقدار اختلاف و وضعیت كلید را نشان می دهد.
شكل6 ) تابع انتقال بین اختلاف شمارش و وضعیت كلید
هیسترزیس در این تابع انتقال موجب می شود، تغییر وضعیت بی نقص از خاموش به روشن و برعكس علی رغم وجود نویز در شمارش ممكن باشد كه در نتیجه از خاموش/روشن شدن های نادرست جلوگیری می شود. آستانه ی پایین را آستانه ی نویز و آستانه ی بالا را آستانه ی انگشت می نامیم. تنظیمات سطوح آستانه كارایی سیستم را تعیین می كند. اگرسیستمی دارای لایه ی پوششی ضخیم باشد نسبت سیگنال به نویز آن كم است. تنظیم سطوح آستانه در چنین سیستمی دشوار است.
شكل موج ایده آل شمارش اولیه و سطوح آستانه در شكل 7 آمده است. در این شكل كلید به مدت 3 ثانیه فشرده شده است.
شكل 7)
آستانه ی نویز روی 10 شمارش و آستانه ی انگشت روی 60 شمارش تنظیم شده است (نویز در شكل نشان داده نشده است به این ترتیب سطوح آستانه را می توانید به وضوح مشاهده کنید. دقت كنید كه در شرایط عملی همواره در شمارش نویز داریم).
قسمتی از كار تنظیمات سیستم مرتبط با انتخاب سطح منبع جریان DAC و همچنین تنظیم تعداد تناوب های اسیلاتور می باشد. برنامه (firmware) سطح منبع جریان را روی 200 تا 255 تنظیم می كند كه برای محدوده های كم در حدود 14 میكروآمپر می باشد. همچنین تعداد تناوب های اسیلاتور، 253 تنظیم می شود. تحلیل شمارش اولیه و اختلاف شمارش نشان می دهد ظرفیت پارازیتی(CP) در حدود pF15 و ظرفیت خازنی انگشت (CF) در حدود pF 0.5 می باشد. تغییرات انگشت ظرفیت خازنی را در حدود 3% تغییر می دهد.
كارایی
كارایی سیستم حسگر خازنی در شكل 8 آمده است.
شكل 8 ) كارایی سیستم حسگر خازنی با كاربرد لایه ی mm 10 شیشه
اختلاف تعداد شمارش ها توسط یك PC بوسیله ی برنامه ی تقلید ترمینالی گرفته شد و سپس رسم گردید. انگشت بر روی لایه ی mm 10 از شیشه به مدت سه ثانیه قرار داده شده است. كلید بطور بی نقصی تغییر وضعیت می دهد. این درحالی است كه سیگنال شمارش به دلیل لایه ی ضخیم پوششی دارای نویز می باشد. توجه كنید چگونه آستانه ی كلید و انگشت بطور متناوب با انحرافات و تغییرات مقدار پایه تنظیم می شوند. هنگامی كه كلید فشرده می شود مقدار پایه قفل می شود و این وضعیت تا زمانی كه انگشت از روی كلید برداشته شود ادامه می یابد. شكل 9 و 10 جزئیات تغییرات وضعیت از روشن به خاموش و برعكس را نشان می دهد.
شكل 9) تغییر وضعیت به روشن
شكل 10) تغییر وضعیت به خاموش
در شكل 9، كلید در ابتدا خاموش است. با اولین نمونه اختلاف شمارش بالاتر از سطح آستانه ی انگشت، كلید از حالت خاموش به روشن می رود. در شكل 10، وضعیت كلید با اولین نمونه ی اختلاف شمارش كمتر از آستانه ی نویز به خاموش تغییر می كند.
اولین مزیت حسگرهای خازنی بر كلیدهای مكانیكی این است كه در استفاده ی طولانی مدت، حسگر خازنی بر خلاف نوع مكانیكی فرسوده نمی شود. با پیشرفت فناوری، هزینه ی حسگرهای خازنی پایین آمده است. این كاهش قیمت در حدی است كه این سیسیتم می تواند در گستره ی وسیعی از كاربردها مورد استفاده قرار گیرد. همچنین پیشرفت های اخیر موجب شده شده است كه قابلیت اطمینان، دقت و دوام این سیستم ها افزایش یابد. با استفاده از طرح پیشنهادی این مقاله، می توان با استفاده از یك لایه شیشه mm 10، فشار انگشت را حس نمود و تغییر وضعیت بی عیبی از حالت خاموش به روشن را داشت. كاربرد روش debounce (جلوگیری از روشن/ خاموش شدن های بی مورد) كه مبتنی بر آستانه ی نویز و انگشت است حسگر های خازنی را تبدیل به جایگزینی مناسب برای كلید های مكانیكی كرده است.
درباره ی مؤلف
مارک لی از مهندسین شرکت Cypress Semiconductor می باشد.
مشخصات مترجم
مهدی پاشائی، دانشجوی مهندسی برق مقطع کارشناسی
منبع: planetanalog |
صفحه اصلی
صداي ديجيتالي با VOIP
خوش
آمديد ميهمان
:آمار بازديد
نویسندگان :مجتبي حداد
