Senzori capacitivi – Conceptul E-field

3 MAI 2012

Michael Faraday a descoperit în anul 1831 legea inducţiei electro-magnetice: mișcarea unui conductor printr-un câmp magnetic creează tensiune, care este direct proporţională cu viteza de mişcare. Astăzi, există senzori inductivi de proximitate care folosesc Legea lui Faraday a inducției electromagnetice pentru a detecta apropierea de materiale conductoare, fără a veni în contact cu ei. Deficiența acestor senzori este că detectează numai materiale metalice şi diferite metale pot afecta gama de detectare. Senzorii capacitivi de proximitate derivă din acelaşi principiu, dar pot detecta materiale care pot fi conductoare sau cu proprietăţi dielectrice diferite de cele din jurul electrozilor senzorului.
Multe interfeţe om/mașină sunt proiectate cu panouri tactile capacitive și răspund fiabil la comenzi. Având o tehnologie avansată, senzorii capacitivi de proximitate și tactili, Freescale MPR083 şi MPR084, pot fi folosiți pentru a înlocui switch-uri şi butoane într-o varietate largă de aplicaţii. MPR083 sprijină o interfaţă pentru 8 poziții de pad-uri dispuse circular, iar MPR084 controlează până la 8 pad-uri sensibile la atingere (în telefoane mobile).

Tehnologia de sesizare capacitivă a proximității detectează o schimbare în răspunsul capacitiv la suprafața unui material. Deformările de dielectric într-un câmp electric generat (E-field) și măsurarea atenuărilor suferite de acest câmp se pot detecta. Atingeri executate de un operator uman, chiar umed, având o constantă dielectrică specifică, conținând materiale ionice bune conductoare sunt detectate de senzorii Freescale, ce utilizează multiple tehnologii în senzorii capacitivi de proximitate.
Circuitele Freescale MC33794, MC33941 și MC34940 conțin un oscilator într-un circuit integrat pentru a genera o undă sinusoidală pură, de frecvență radio joasă (60,120 sau 240kHz), 5Vvv. Acest semnal AC se aplică la un multiplexor care direcționează semnalul la un electrod selectat, la un pin de referință sau la un nod de măsură intern.

Baza sesizării capacitive a proximităţii

Raportându-se la nivelul Ground al circuitului, se va genera un câmp electric (E-field). Când un obiect se apropie de un electrod metalic (ex. degetul care poate fi dielectric sau conductiv) se produce o schimbare în acest câmp. Senzorul măsoară schimbarea de impedanță AC și o translatează în tensiune DC la ieșire. Un microcontroler extern cu un convertor analog/digital (ADC) procesează această informație fiind asociat cu un touch panel.
Senzorii de proximitate capacitivi avansaţi Freescale MPR083 și MPR084 generează un semnal digital la ieșire care este transmis prin I2C, eliminându-se necesitatea unui ADC extern.
Beneficiile portofoliului MPR08X includ: consum redus de putere și inteligență inclusă, cu un algoritm de sesizare optimizat pentru microcontro­lere specifice. Dispozitivul și software-ul sunt configurabile, având un control precis al consumului redus de putere.

Aplicaţii ale senzorilor capacitivi de proximitate


Tehnologia de sesizare capacitivă a atingerii are aplicații într-o mare varietate de produse industriale și de consum. Circuitele MPR083 și MPR084 oferă proiectanților o alternativă mai ieftină decât butoanele cu apăsare sau comutatoare mecanice. Amândouă utilizează tehnologia touchpad – o arie fără contacte care detectează prezența sau absența unui deget și o indică printr-un singur bit.
Trei factori sunt importanți în utilizare:
(1) forma electrodului și cablajul;
(2) materiale dielectrice diferite pe suprafaţa panoului;
(3) efectul condiţiilor de mediu asupra câmpului electric.

Senzor de proximitate capacitiv (MC33794, MC34940) bazat pe conceptul E-field

Senzorii capacitivi au devenit rapid piese favorite ale proiectanţilor fiindcă au fiabilitate mare (nu au piese în mișcare), permit o mare libertate de proiectare și au un aspect plăcut.
Senzorii capacitivi de proximitate sunt de 2 tipuri: (tip1) cu un singur electrod, în care un câmp electric apare între deget (Virtual Ground) și electrod; (tip 2) cu electrozi multipli, în care există deja un câmp electric între electrozi, iar degetul (Virtual Ground) pus pe electrod face conectarea.
Electrozii mari au sensibilitate mai mare, dar sunt mai afectați de zgomote electrice și de stratul de murdărie depus. Similar, un spațiu mare între electrozi generează un câmp electric mai mare, dar semnalul va fi mai mic. Prin proiectare se alege mărimea zonelor de atingere, spațiul dintre ele și un izolator cât mai subțire având o constantă dielectrică cât mai mare. Dacă izolatorul este comprimabil (ex. neopren) atunci poate crește constanta dielectrică și se obține o sensibilitate mai mare la atingere cu apăsare. Factorii de mediu necontrolabili pot avea efecte mici (grăsimea) sau considerabile (apa). Tempe­ratura, umiditatea și vârsta materialelor pot degrada performanțele capacitanțelor.
Senzorii de la Freescale iau în considerare acești factori și se bazează pe două intrări de referinţă, una conectată la un capacitor cu o capacitate apropiată de cea maxim așteptată și alta la un capacitor cu o valoare minimă așteptată.
Aceste capacități de referință se utilizează pentru a corecta erorile induse de factorii de mediu. Controlerul MPR084 de senzori capacitivi sensibili la atingere poate controla până la 8 paduri de atingere pentru a realiza interfețe într-o arie largă de aplicații:

• Aparate casnice
• Periferice PC
• Controlul accesului
• Playere MP3
• Control la distanță
• Telefoane mobile

MPR084 utilizează interfața I2C de comunicație cu un controler care configurează operațiile și supraveghează de la distanță schimbările de stare. Consumul mediu în cazul supravegherii a 8 paduri este 41µA, are tehnologia originală de rejecție a apăsărilor false și un driver pentru un dispozitiv audio care asigură un feedback ce simulează apăsările mecanice.

Schema bloc MPR084

MPR083 este un controler pentru 8 paduri dispuse circular, sensibile capacitiv la atingere. MPR083 are același pin-out ca MPR084, ceea ce simplifică managementul panourilor de control, înlocuirea comutatoarelor rotative sau cu translație.

Alte aplicaţii ale senzorilor capacitivi de proximitate


Sesizarea nivelului unui lichid – utilizează un senzor capacitiv și o bandă de electrozi în coloana de apă, formând un capacitor vertical. Când coloana este golită se formează un capacitor, dar când se umple cu apă capacitorul este format din două părți cu dielectrice diferite. Un algoritm simplu deduce nivelul de lichid. Un sistem cu o capacitate sofisticată, ce are electrozi de contact de tip gradient, se utilizează în mașina de spălat pentru a aprecia cantitatea de detergent în apă.
Sesizarea apropierii unui obiect în aplicaţii de securitate și siguranţă în magazine și autovehicule este utilizarea comună a senzorului capacitiv. Un pad conductiv este o placă a capaci­torului, iar un obiect este altă placă.

Formula capacității (Farad) C=k•ε0•A / d

(unde k = constanta dielectică a materialului, A= aria electrozilor (m2 ), d= distanţa între plăci (m), ε0 = permitivitatea spaţiului (F/m)) arată că dependența între distanță și capacitate este asimptotică, dar senzorul capacitiv de proximitate Freescale MC34940 este capabil să detecteze mâna la 30cm distanță, utilizând un electrod de suprafață 0.003556m2. Astfel, se poate detecta prezența într-un spațiu și chiar greutatea pasagerilor într-un vehicul, pentru a determina neconectarea centurilor și a furniza date la sistemul de declanșare a airbag-urilor. Senzorii Freescale MC33794, MC33941 și MC34940 pot sprijini electrozi multipli pentru aplicații controlate de un singur cip, când cerințele de sesizare sunt desfășurate spaţial.

Semnalele de la electrozi se transmit prin fire ecranate sau coax pentru a nu fi afectate de interferențe externe. Freescale a incorporat în acești senzori un driver (Shield Drive Technology) pentru semnalul din mantaua de ecranare a cablului coax, rezultând un semnal de mare acuratețe. Acest tip de driver se poate folosi și pentru semnalul de Ground. Prin această tehnologie crește sensibilitatea pad-urilor, asigurând performanțe identice la electrozi dispuși pe o arie mare (ex. ca materiale smart pentru podele ce pot detecta ocupanții și urmări mișcările lor). Combinând sesizarea proximității cu un protocol wireless, precum ZigBee™, se poate extinde controlul în aplicații cu finalitate practică. Siguranţa, Securitatea, Iluminatul, Controlul integrat al entertainment-ului și Detectarea proximităţii în spaţiu sunt doar câteva avantaje ale tehnologiei relativ ieftine de sesizare capacitivă.

MPR121 este a doua generaţie de controlere după seria MPR03X. MPR121 dispune de o inteligență internă în plus, adăugată de Freescale la tehnologia de detectare a capacităţii.
Adăugiri majore includ un număr de 12 electrozi (consum 29µA), adresa I2C configurabilă hardware, un sistem extins de filtrare cu debounce şi electrozi complet independenți cu autocalibrare inclusă, driver 8 LED-uri. Dispozitivul dispune și de un al 13-lea electrod simulat acesta reprezentând perceperea simultană a tuturor electrozilor conectați împre­ună pentru a permite detectarea crescută de proxi­mitate pe panou tactil sau matrice touch screen.

Articol bazat pe documentaţii Freescale despre Touch Sensors:
CRTOUCH – Xtrinsic Touch Sensing Platform – a Ready Play Solution
MPR03× – Proximity Capacitive Touch Sensor Controller
MPR083 – 8-Position Rotary
MPR084 – 8-Pad Touch Sensor Controller
MPR121 – Proximity Capacitive Touch Sensor Controller
TSSMCU: Xtrinsic Touch Sensing for Microcontrollers – MC33794, MC33940,MC33941
E-field devices

Câştigătorul platformei “Tower System”: Gherghel Vincent – Ştefan, Iaşi

Câştigătorul unui “KwikStik”: Achiteni Florin – Răzvan, Botoşani

Distribuitori Freescale în România
Arrow Electronice SRL • 026 4417251 • office@arrowromania.com
EBV Elektronik • 021 5296911 • catalin.raduta@ebv.com
Farnell • 0800 894 946 • info-ro@farnell.com
Future Electronics SRL • 0264 457774 • info-RO-future@futureelectronics.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre