Емкостной датчик прикосновения к машине. Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению. Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости. Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй емкостной датчик должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с сенсорного датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2. Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет. Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда. Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала. Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана. Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный. Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица. При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.2 подается логическая единица. На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации. Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой. Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н. Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги. Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа. Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачек в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настойки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас. Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть. Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремневой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настойки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении. Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться. При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии. Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2. Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

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.

Как и все прочие цифровые датчики, линию OUT мы подключаем к любому свободному цифровому входу Ардуино Уно. Традиционно, используем для работы с датчиком вход №2. Получившаяся схема будет иметь вид:

Внешний вид макета

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!

Электрические принципиальные схемы

Схема емкостного сенсорного датчика

Схема сенсорного включателя

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Сенсорного датчика присутствия

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Универсальная печатная плата

Как известно, — любая металлическая поверхность, например, металлический предмет, пластина или дверная ручка. У сенсоров отсутствуют механические элементы, что в свою очередь придает им значительную надежность.

Сфера использования подобных устройств достаточно широка это и включение звонка, выключатель света, управление электронными устройствами, группа датчиков сигнализаций и прочее. Когда это необходимо, использование сенсорного датчика позволяет обеспечить скрытое размещение включателя.

Описание работы сенсорного датчика прикосновения

Функционирование ниже приведенной схемы сенсора основывается на применении имеющегося в домах электромагнитного поля, которое создает размещенная в стенах электропроводка.

Прикосновение к датчику сенсора рукой равносильно подсоединению антенны к чувствительному входу усилителя. В результате этого наведенное сетевое электричество поступает на затвор полевого транзистора, который играет роль электронного переключателя.

Данный сенсорный датчик прикосновения достаточно прост вследствие применения полевого транзистора КП501А (Б, В). Данный транзистор обеспечивает пропускание тока до180 мА при предельном напряжении исток-сток до 240В для буквы А и 200В для букв Б и В. Для защиты от статического электричества на его входе имеется диод.

Полевой транзистор обладает большим входным сопротивлением, и для того чтобы управлять им хватает статического напряжения, которое больше порогового значения. Для данного типа полевого транзистора номинальное пороговое напряжение составляет 1…3 В, а максимально допустимое равно 20 В.

При прикосновении рукой к датчику Е1, степень наведенного потенциала на затворе является достаточной для открывания транзистора. При этом на стоке VT1 будут электрические импульсы продолжительностью 35 мс, и имеющие частоту электрической сети 50 Гц. Для переключения большинства электромагнитных реле необходимо всего 3…25 мс. Для предотвращения дребезга контактов реле, в момент прикосновения, в схему включен конденсатор C2. За счет накопленного заряда на конденсаторе, реле будет включенным даже в тот полупериод сетевого напряжения, когда VT1 будет закрыт. Пока есть прикосновение к датчику сенсора, реле будет во включенном состоянии.

Конденсатор C1 увеличивает помехоустойчивость сенсора к высокочастотным радиопомехам. Менять чувствительность прикосновения к сенсору можно путем изменения емкости C1 и сопротивления R1. Группа контактов К1.1 осуществляет управление внешними электронными устройствами.

Добавив к данной схеме триггер и узел коммутации сетевой нагрузкой можно получить .

Датчики определения расстояния и касания

Ультразвуковой датчик

Ультразвуковой сенсор - один из двух сенсоров, заменяющих роботу зрение. Ультразвуковой сенсор позволяет роботу видеть и обнаруживать объекты. Его также можно использовать для того, чтобы робот мог обойти препятствия, оценить и измерить расстояние, а также зафиксировать движение объекта.

Показания ультразвукового датчика измеряется в сантиметрах и дюймах. Он может измерять расстояние от 0 до 255 сантиметров с точностью +/-3 см. Ультразвуковой сенсор работает по тому же принципу, что и локатор летучей мыши: он измеряет расстояние путем расчета времени, которое потребовалось звуковой волне для возвращения после отражения от объекта, подобно эху.

Крупные объекты с твердыми поверхностями определяются лучше всего. Объекты из мягких материалов (тканей) или округлые (мяч), а также слишком тонкие, маленькие и т.п., могут создавать для сенсора определенные затруднения при работе.

Следует помнить, что два и более ультразвуковых датчика, работающих в одном помещении, могут интерферировать и снижать точность результатов

К примерам применения ультразвуковых датчиков расстояния можно отнести использования в машинах для предупреждающих сигналов водителю или автоматический контроль по сигналам от датчиков, идентифицирующих опасные ситуации, объединяемых в сетевые связи, с человеко-машинным интерфейсом human - machine interface (HMI).

Рис.1

В основе ультразвукового принципа обнаружения препятствий лежит принцип эха. В состав датчика входят два преобразователя: один преобразователь излучает ультразвуковые волны, а отраженные волны обнаруживаются другим, одним или более, преобразователем. Тот же самый преобразователь, который передает ультразвуковые волны, может быть использован и для обнаружения отраженной волны. Основное назначение датчиков -- обнаруживать присутствие или отсутствие препятствия, но данный принцип (time of flight) позволяет также по времени возвращения эха при известной скорости распространения звука рассчитывать расстояние до объекта.

Ультразвук представляет собой не что иное, как вибрацию на частоте > 20 кГц. Большинство коммерчески доступных преобразователей работает на частотах в диапазоне 40-250 кГц.

Вариации акустических параметров датчиков, окружающая среда и различные цели значительно влияют на работу устройств .

В ультразвуковом датчике преобразователь генерирует короткий импульс, направляемый на цель и возвращающийся обратно

Важно, что скорость звука является функцией состава и температуры среды (воздуха) и влияет на точность и разрешение датчика. Точность измерений расстояния прямо пропорциональна точности значения скорости звука, используемого в вычислениях, и варьируется в реальных условиях от 345 м/c при комнатной температуре до более чем 380 м/c при температуре порядка 70 °C. Длина звуковой волны

является функцией скорости ультразвука c и взаимосвязана с его частотой ѓ, поэтому эти параметры (длина волны и частота) также влияют на разрешение и точность, а также минимальный размер целей и диапазон расстояний, измеряемых датчиком.

Затухание звука является функцией частоты и влажности, что влияет на максимальное расстояние, детектируемое датчиком. Длинные волны (с меньшей частотой) характеризуются меньшим затуханием. На частотах свыше 125 кГц максимальное затухание случается при относительной влажности 100%, на частотах 40 кГц -- уже при влажности в 50%. Так как датчик должен работать при любых значениях влажности, в расчетах используется максимальное затухание для каждой частоты.

Фоновые шумы являются функцией частоты и уменьшаются с ее увеличением, также оказывая влияние на максимально детектируемое расстояние и минимальный размер цели. Разрешение и точность на высоких частотах выше, тогда как диапазон выше с более длинными волнами.

Датчик касания

Датчик касания это кнопка, у которой возможно два состояния - нажато и отжато. Программно датчик распознает еще одно состояние Касание.

Увидеть на экране дисплея реакцию датчика касания можно в режиме Просмотра. При не нажатой кнопке датчика на дисплее появляется 0, а при нажатой - 1.

Добавив в конструкцию робота датчик касания (например в виде бампера) вы можете сделать так, чтобы робот изменил поведение при активации датчика.

Датчик касания является одним из органов осязания для роботов, что делает его необходимым там где требуется реакция робота на объекты.

Датчик касания позволяет роботу осуществлять прикосновения.

Сенсор нажатия может определить момент нажатия на него чего-либо, а так же момент освобождения.

Датчик касания представлен на рис.2.

Рис.2 Датчик касания

Используемые образцовые приборы и дополнительное оборудование

Микрометр

Для замера холостого хода у датчика касания необходим микрометр (или Индикатор часового типа) ИЧ-25 который будет измерять расстояние прошедшее датчиком до момента срабатывания.

ИЧ-25 предназначен для измерения линейных размеров абсолютным и относительным методами, определения величины отклонений от заданной геометрической формы и взаимного расположения поверхностей.

На рис.3 представлены несколько видов индикаторов.

Рис.3.

Параметры микрометра ИЧ 25:

Диапазон измерений 0-25 мм.

Цена деления 0.01 мм.

Габариты 159х85х51 мм.