Как сделать емкостный сенсор
cool-hacker › Блог › Емкостный сенсор на микроконтроллерах AVR и задержка итерациями. Примеры на Attiny13
Приветствую, любитель микроконтроллеров!
Вступление
Я продолжаю воплощать в жизнь свой первый, когда-то заброшенный, проект на микроконтроллере — лампу настроения. И, как и обещал в прошлый раз, по ходу разработки пишу небольшие заметки для начинающих. В этот раз рассмотрим как реализуется емкостный сенсор и задержки тех или иных операций итерациями основного цикла. Что касается самого проекта, могу сказать, что на данный момент написана полностью рабочая прошивка. Остается дело за схемой, печаткой и тестированием в нормальном железе. Затем выложу все на ваш суд.
Сенсорная кнопка
Принцип сенсорной кнопки прост. Берем небольшую площадку не важно какой формы, я взял кусок фольгированного текстолита (далее — кнопка). Подпаиваем к ней резистор большого номинала, порядка 1 МОм. И подключаем кнопку через этот резистор к питанию. Подпаиваем к кнопке провод, который соединит кнопку с ножкой микроконтроллера (далее — МК). Площадку изолируем тонким изолятором, хотя и без него будет работать. Площадка кнопки имеет определенную емкость, которая увеличивается, когда на ней находится палец человека.
Алгоритм работы следующий:
1. Переводим ногу МК в режим выхода.
2. Подаем низкий уровень, чтобы разрядить емкость кнопки.
3. Переводим ногу МК в режим входа и ждем когда емкость кнопки зарядится через резистор 1 МОм и на входе появится верхний уровень. Ожидание производится в цикле, в котором инкрементируется счетчик.
4. Сенсор зарядился — по значению счетчика можно судить о состоянии сенсора.
Обратите внимание, что подсчет итераций идет в атомарном блоке. Это значит, что в это время не будут срабатывать прерывания и не собьют нам время заряда сенсора.
Теперь для использования нашего алгоритма нам необходимо определить порог срабатывания кнопки. Для этого при инициализации мы выполняем калибровку. И берем в качестве порогового — значение на четверть большее, чем возвращается при свободном сенсоре.
Я проверял, на пустом сенсоре функция у меня возвращает стабильно 15. А когда кладешь на сенсор палец — около 30. Значит порог у нас будет где-то 15 + 15/4 = 18.
Ну а далее, в основном цикле программы нам остается проверять состояние сенсора и сравнивать его с пороговым значением. Если превысило — кнопка нажата, нужно отреагировать.
При необходимости, нужно в блок обработки нажатия добавить задержку, чтобы обработка не срабатывала несколько раз подряд.
Я, в течении нескольких дней, пользовался кнопкой, пока отлаживал прошивку для лампы — сенсор срабатывает четко!
Задержка итерациями основного цикла
Иногда в основном цикле требуется периодически производить какие-то действия с большой задержкой. Скажем 2 секунды. Однако, просто «спать» при этом нельзя, потому что можно проворонить, скажем, нажатие на сенсорную кнопку или другое событие. В этом случае есть простой выход. Берем счетчик, выставляем его в некоторое значение и каждую итерацию основного цикла декрементируем. Как только счетчик стал равен нулю — наша задержка истекла и пришло время для нашего действия. В основном цикле можно добавить минимальную задержку, которая не сделает появление ожидаемого события критическим.
Таким образом, с помощью счетчиков легко организовать различные задержки в основном цикле программы, не проворонив при этом критических событий и не расходуя драгоценные байты на дорогостоящие функции delay.
Результат
Дабы разбавить сухой текст, я хочу показать результат сегодняшнего урока наглядно. Т.к. я делаю лампу настроения, то я использовал RGB-светодиод. В основном цикле будем менять 7 цветов радуги + розовый по кругу. А при нажатии на сенсорную кнопку будем просто моргать белым цветом. Микроконтроллер будет работать на частоте 9.6 МГц, для этого достаточно от фьюзов по умолчанию убрать делитель на 8 (сделать CKDIV8 = 1). Фьюз байты удобно рассчитывать вот этим калькулятором.
Задержка между сменами цветов реализована циклами. Регулировка яркости светодиода реализована с помощью бинарной модуляции, о которой и подробно писал в прошлый раз.
Схема для модуляции в протеусе получилась немного отличающейся от реальной картины: пришлось реализовать емкостный сенсор на двух конденсаторах и переключателе. Питание 5В для МК на схеме отсутствует, но оно необходимо!
Смотрим результат на видео
Исходный код, схему, модель в протеусе можете скачать в архиве.
В преддверии Нового года, желаю вам довести все ваши проекты до конца!
Как обычный монитор сделать сенсорным?
Сегодня сенсорные панели ввода встречаются повсеместно. Они устанавливаются на дисплеи смартфонов и планшетов, тачпады ноутбуков, графические планшеты, платежные терминалы и банкоматы, а также медицинское и промышленное оборудование. Производители делают сенсорные моноблоки и телевизоры, но большинство дисплеев для ПК по-прежнему остаются нечувствительны к касаниям.
Немного теории
Сенсорные поверхности экранов конструкционно представляют собой отдельный элемент, напрямую не связанный с матрицей дисплея. Конечно, в последних поколениях смартфонов и планшетов используются так называемые OGS панели, у которых чувствительный элемент встроен между пикселями, но управление им все равно осуществляется по отдельной шине. Всего же существует три типа тачскринов, каждый со своими особенностями.
Резистивный
Резистивная технология построения сенсорных экранов – самая простая и дешевая. По принципу работы такие тачскрины родственны компьютерным клавиатурам. На двух слоях прозрачной подложки нанесены дорожки из почти прозрачного токопроводящего материала. Эти два слоя расположены друг на друге с зазором в несколько микрометров. Верхний обязательно гибкий и при касании пальца прогибается, замыкая дорожки. Чем дальше находится место замыкания – тем больший путь проходит ток и тем выше сопротивление. По его величине (с точностью до ома) контроллер сенсора вычисляет, в каком месте произошло нажатие.
Резистивные сенсорные экраны дешевы, просты, реагируют на любой предмет, но недостаточно надежны (вывести тачскрин из строя может небольшой порез) и имеют ограниченную прозрачность (под определенным углом даже становятся видны дорожки проводников).
Емкостный
Емкостный тачскрин – самый распространенный в наше время (состоянием на 2016 год). Он более совершенен и надежен. Количество слоев сократилось до одного, его толщина стала меньше. На поверхности сенсорного стекла или пленки наносится сетка прозрачных проводников, отличающихся низким сопротивлением. Человеческое тело плохо проводит электричество и способно накапливать электрический заряд, потому при касании пальца к стеклу происходит небольшая утечка тока, место которой определяет контроллер.
Волновой
В волновом сенсорном экране для регистрации прикосновений используются акустические (ультразвук, технология ПАВ) или световые (инфракрасные, ультрафиолетовые, технология ПСВ) волны. По периметру экрана устанавливается рамка, объединяющая излучатель и регистратор. Когда палец касается поверхности – он поглощает и частично отражает волну, а датчики регистрируют место.
. 
Экраны ПАВ и ПСВ надежны, абсолютно прозрачны (нет сетки электродов), имеют неисчерпаемый теоретический ресурс (в реальности зависит от качества компонентов), при наличии защитной рамки сам сенсор невозможно повредить, а применение бронестекла делает неуязвимой и матрицу экрана. Поэтому они часто применяются в банкоматах, платежных терминалах, промышленных станках и медицинском оборудовании. Но точность определения координат пальца у них посредственная. Также волновые тачскрины требуют регулярной протирки (грязь на стекле вызывает фантомные реакции).
Есть и другие виды сенсоров для дисплеев, но они распространены гораздо меньше. Кроме того, эти методы трудно реализовать в домашних условиях, потому они не рассматриваются.
Применение сенсоров на практике
Как сделать монитор сенсорным
Стоит сразу отметить, что переделка обычного монитора в сенсорный емкостный отпадает: такие тачскрины сравнительно дороги, специфичны и отдельно почти не встречаются. А вот резистивная и волновая технологии куда интереснее в этом плане. Еще стоит упомянуть чисто световой (не на ПСВ, а инфракрасный) вариант.
Способ 1: Световой
Перед тем, как обычный монитор сделать сенсорным по данному методу, нужно убедиться, что уровень технических навыков достаточен, а обстановка не препятствует воплощению идеи. Ведь веб-камеру требуется точно позиционировать, и для этого нужно место на столе, которое есть не у всех. Кроме того, небольшое смещение ее или экрана вынуждает настраивать все заново.
Способ отличается дешевизной: из оборудования покупать придется только самую дешевую камеру рублей за 500 (у большинства и так имеется), ИК-диод (можно вытащить из разбитого пульта), лазерную указку (можно вместо нее взять маркер или другую тонкую трубку), батарейки («мини-пальчики» или «таблетки»). Сложнее всего с фотопленкой: большинство людей пленочные «мыльницы» последний раз держало в руках больше 10 лет назад. Кроме того, из недостатков у способа – сложность настройки, неустойчивость конструкции, не самый высокий уровень удобства.
Некоторые китайские производители предлагают готовые решения этого типа, позволяющие сделать монитор сенсорным. Такие продукты представляют собой специальную широкоугольную веб-камеру, закрепляемую на дисплее, и стилус. Такой вариант не лишен упомянутых недостатков, зато смотрится привлекательно и не требует навыков работы с самоделками.
Способ 2: Волновой
В продаже встречаются готовые сенсорные панели, работающие по принципу поверхностно-световых (ПСВ) и поверхностно-акустических (ПАВ) волн. Они представляют собой стекло с рамкой, к которому подключен специальный контроллер с интерфейсом USB или COM (RS-232). Такие решения предназначены, в первую очередь, для создания терминалов и спецоборудования, но никто не запрещает использовать их дома. 
Процесс переделки дисплея с ними предельно прост.
Основной недостаток подобной переделки монитора в сенсорный – относительная дороговизна. Новый сенсор стоит от нескольких тысяч – до десятков тысяч рублей, в зависимости от диагонали. Кроме того, найти нужный размер на современные широкоформатные матрицы большой диагонали нередко сложно. Связанно это с тем, что узкоформатные (4:5 или 3:4) экраны имеют лучшее соотношение диагонали и полезной площади, поэтому для них такие тачскрины выпускают чаще. Кроме того, стекло с рамкой может портить эстетический вид монитора, не вписываясь в его экстерьер.
Способ 3: Резистивный
По соотношению цены, эффективности и простоты применения наиболее предпочтителен резистивный тачскрин. Китайские производители создают специальные сенсорные пленки разного уровня точности, долговечности и функциональности, с разными размерами. 
Некоторые из них могут быть обрезаны для подгонки под размеры дисплея, другие же не поддерживают подобной модификации. Поэтому перед тем, как купить подобный тачскрин, нужно изучить его описание и характеристики.
Емкостной сенсорный датчик своими руками
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 бачок 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 настройки 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 кремниевой 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 настройки 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.