Pojemnościowy czujnik klawiatury dotykowej MTCH101

[gaweł]

Eksperymenty podstawowe.
Idąc z duchem czasów, gdzie często ważną cechą jest bajer (chociaż w wielu przypadkach jest to istotna konieczność, gdyż w przeciwieństwie do klasycznych czujników mechaniczno-stykowych, taki czujnik umieszczony za pancerną szybą nie jest łatwo uszkodzić), przedstawiam rozwiązanie przycisku dotykowego. Teraz na plastykowej obudowie wystarczy przykleić nalepkę z nadrukowanym symbolem przycisku i pod nalepką umieścić czujnik dotykowy. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że znacząco upraszcza się wykonanie obudowy do urządzenia, nie ma elementów ruchomych, trudniej jest taki przycisk uszkodzić oraz zabrudzić (no i oczywiście nie da go się zalać herbatą).
Sercem takiego „klawisza” dotykowego jest układ oferowany przez Microchip o symbolu MTCH101. Kontroler ten występuje w obudowie SOT23 o 6 wyprowadzeniach. Do celów eksperymentów został przylutowany do specjalnej płytki-przejściówki jak pokazuje rysunek 1 (co stanowi drobny kłopot jedynie w rozwiązaniach badawczych, gdyż w docelowych rozwiązaniach tego typu obudowy układów scalonych są wręcz standardem). Taka przejściówka umożliwia na szybkie utworzenie rozwiązania badawczo-rozwojowego. Wystąpiła pewna obawa, że ze względu na „lotniczy” (czyli wszystko lata) układ testowy, praca może nie być stabilna i układ będzie łapał mnóstwo śmieci z powietrza.

DSCF3890.JPG

Wymieniony układ jest pojedynczym czujnikiem pojemnościowym przeznaczonym do budowy klawiatur. Szeroki zakres napięć zasilających pozwala na bezpośrednie wykorzystanie go w układach mikroprocesorowych zarówno tych trochę już przestarzałych wymagających zasilania 5V jak i nowoczesnych o napięciu zasilającym 3,3V. Drugą istotną cechą układu jest to, że praktycznie nie wymaga programowania (działa autonomicznie). Sformułowanie „praktycznie” oznacza, że da się go użyć bez jakiegokolwiek mikrokontrolera, chociaż na upartego można zrealizować możliwość wpływania mikrokontrolera na jego działanie (o czym będzie w dalszej części). Schemat badawczy jest następujący:

sch.PNG

Wyjście układu ma charakter cyfrowy, co pozwala na bezpośrednie przyłączenie go do dowolnego zespołu cyfrowego (w szczególności do mikrokontrolera). Samo wyjście (wyprowadzenie MTO, pin 4) jest w układzie otwartego drenu, co implikuje konieczność zastosowania rezystora wymuszającego stan wysoki na wyjściu detektora. W układzie do sygnalizacji stanu przycisku użyta jest dioda LED wysterowana przez bramki NAND (bramki są użyte ze względu na odseparowanie obciążenia świeceniem diody LED od samego układu oraz pozwalają na weryfikację współdziałania z układami cyfrowymi/logicznymi). W rzeczywistych aplikacjach bramki nie są konieczne. W układzie badawczym zastosowany jest potencjometr (tu jest to potencjometr wieloobrotowy). Zadaniem jego jest umożliwienie regulacji czułości samego układu MTCH101, gdzie taka możliwość jest dość istotna w trakcie badań. W docelowych rozwiązaniach można w identyczny sposób zastosować potencjometr, można zbudować dzielnik napięciowej na bazie rezystorów co daje stałą czułość układu oraz wykorzystać przetwornik cyfrowo-analogowy zewnętrzny lub często wbudowany w sam mikrokontroler (i to jest już wspomniane sprzężenie zwrotne układu czujnika pojemnościowego z systemem mikroprocesorowym).
Do schematu pokazanego na rysunku wyżej został zbudowany układ badawczy:

DSCF3884.JPG

Sam przycisk jest emulowany poprzez niewielką blaszkę miedzianą (taki ekwiwalent obszaru miedzi wytrawianego w docelowych płytkach stanowiących sam przycisk). Przycisk jest odseparowany od otoczenia kawałkiem płytki z plexi o grubości 5mm.

plex.PNG

W badaniach były wykorzystane „przyciski” o różnych wielkościach a nawet spiralnie zwinięty drucik.

DSCF3886.JPG

DSCF3887.JPG

DSCF3887.JPG

DSCF3891.JPG

Wstępnie czułość sensora została ustawiona na wartość około 3,5V (napięcie mierzone na suwaku potencjometru w układzie zasilanym ze źródła napięcie o wartości 5V). W przypadku zasilania napięciem o wartości 3,3V na potencjometrze regulującym czułość układu było ustawione około 1,9V. W trakcie eksperymentów odnoszę wrażenie, że zwiększanie napięcia (mierzonego na suwaku potencjometru) skutkuje zmniejszeniem się czułości układu. Oczywiście „lotniczość” konstrukcji daje się zauważyć, przykładowo zbliżanie palca do przewodu łączącego sensor (blaszkę) z układem, daje odczyt w postaci świecenia diody LED.
Układ wykazywał poprawne działanie przy każdej wielkości blaszki (wymagał ewentualnie korekty czułości sensora poprzez regulację potencjometru). Również zmiany napięcia zasilającego (+5V, +3,3V) nie wpływały na działanie układu. Dodatkowo sprawdzone zostało jego działanie w ujemnych temperaturach otoczenia (układ przez pół godziny „przyzwyczajał się” do warunków podwórkowych, czyli temperatury -6 stopni C). Jego zachowanie było identyczne jak w warunkach pokojowych (+20 stopni C) i nie wymagał korekty czułości.
W układzie MTCH101 jest przewidziany tryb pracy z obniżonym poborem mocy. Tryb ten jest określany poprzez stan występujący na odpowiednim wejściu (wyprowadzenie MTPM, pin 6). Podanie na to wejście stanu odpowiadającego logicznej jedynce oznacza pracę w trybie normalnym. Wymuszenie stanu logicznego zera oznacza wprowadzenie układu w stan obniżonego poboru energii. Sterowanie tym wyprowadzeniem przez mikrokontroler jest drugą możliwością wpływania przez procesor na działanie układu (pozwala w sposób programowy wprowadzać układ w stan pracy normalnej lub z obniżonym poborem energii). W sensie użytkowym daje się odczuć wpływ trybu pracy na czas reakcji układu na „naciśnięcie” przycisku. W przypadku trybu energooszczędnego jest zauważalna zwłoka czasowa na „naciśnięcie” przycisku. Nie zostało zaobserwowane by wpływało to na skuteczność detekcji lub zmianę czułości sensora.

[gaweł]

Eksperymenty dodatkowe.
Bazując na wstępnych rozwiązaniach dotyczących zastosowania układu MTCH1011, zostały realizowane eksperymenty dotyczące budowy klawiatur składających się z kilku przycisków (sprawdzenie wzajemnej interakcji przycisków). Testowy układ, do schematu pokazanego na rysunku

sch2pcs-cpng.PNG

zawierający zespół dwóch przycisków dotykowych pokazany jest na rysunku 2. Istotnym jego elementem jest to, by oba układy MTCH101 do obsługi przycisków miały identyczne warunki pracy (przede wszystkim jest jedno źródło napięcia pozwalające na regulację czułości). Również oba układy pracują w trybie normalnym (na wyprowadzeniu MTPM, pin 6 ustalony jest wysoki stan logiczny determinujący wymagany tryb pracy).
W roli przycisków wystąpiły dwa identyczne (w miarę) blaszki miedziane o powierzchni około 1 cm2.
Warunki środowiskowe eksperymentu są następujące: napięcie zasilające wynosi 3,3V, napięcie na suwaku regulującym czułość przycisków około 1,9V.

DSCF3926.JPG

Oba przyciski są unieruchomione (za pomocą taśmy klejącej) i umieszczone względnie blisko siebie (taśma pełni dodatkowo rolę izolacyjną). Przyciski są częściowo widoczne by precyzyjnie „trafiać” palcem na przycisk (w testach dotykanie dotyczyło zawsze obszaru izolowanego).
W przypadku znikomej grubości materiału izolacyjnego wchodzącego w skład przyszłej obudowy urządzenia za którym będą umieszczone przyciski dotykowe, symulowanej przez taśmę izolacyjną (grubość taśmy), układ bezbłędnie rozróżniał dotknięcie poszczególnych przycisków.

DSCF3927a.JPG

DSCF3928a.JPG

Dotykając palcem pomiędzy przyciskami (w rzeczywistości obu przycisków jednocześnie) układ sygnalizował dotknięcie obu przycisków, co raczej nie powinno dziwić.

DSCF3929a.JPG

Po „zmianie grubości” ścianki panelu przedniego obudowy, przysłonięciu przycisków złożeniem dwóch kawałków pleksy (o łącznej grubości 1 cm), układ nie potrafił rozróżnić dotknięcia poszczególnych przycisków. Dotknięcie lewego lub prawego przycisku sygnalizowało dotknięcie obu przycisków jednocześnie. Nasuwa się tu wniosek, że minimalna odległość odległość pomiędzy przyciskami pozwalająca na jednoznaczne rozróżnianie przycisków jest zależna od grubości materiału izolacyjnego panelu obudowy. Po rozsunięciu przycisków na znacznie większą odległość, układ zaczął poprawnie reagować na dotykanie przycisków.

DSCF3933a.JPG

DSCF3934a.JPG

DSCF3935a.JPG

[Antystatyczny]

Genialny układzik. Już zamówiłem kilka sztuk w TME. Dzięki za bardzo rzetelny artykuł.

[SuperGość]

Zrealizowałeś na podstawie tych doświadczeń jakiś panel sterujący urządzenia?

[gaweł]

Eksperymenty rozszerzone.
Bazując na wstępnych rozwiązaniach dotyczących zastosowania układu MTCH1011 zostały realizowane badania „rozszerzone”. Biorąc pod uwagę, że często obudowy mają elementy metalowe lub wręcz całe są wykonane z metalu, zostało sprawdzone działanie zastosowanego układu w takim środowisku. Powierzchnia miedzi sensora dotykowego została zmniejszona do około 1 cm2. Przycisk ten został unieruchomiony poprzez przyklejenie go kawałkiem taśmy izolacyjnej z zaznaczeniem pisakiem jego położenia (taśma dodatkowo pełni rolę izolatora od metalowych elementów).

DSCF3906.JPG

DSCF3907.JPG

DSCF3904.JPG

Podwyższenie w postaci kawałka materiału izolacyjnego (plexy) o całkowitej grubości 1cm ma za zadanie minimalizację pojemności pomiędzy przewodem do blaszki miedzianej a metalową czołówka (rysunek 4). W przypadku gdy nie ma tego podwyższenia, to przewód (żółty na rysunku 4) na długości około 2 cm jest usytuowany przy metalowej czołówce i układ potrafi zareagować na dotknięcie do obudowy. Właściwie to należałoby wywiercić w plexie otwór i tamtędy doprowadzić przewód do blaszki sensora tak by ten przewód nie przebiegał przy metalowej czołówce. Uzyskany sensor przycisku został wyeksponowany w okienku metalowej czołówki (blacha aluminiowa o grubości 3mm z otworem o wymiarach 2cm x 6,5cm. Otwór został zaślepiony kawałkiem materiału izolacyjnego z zaznaczonym pisakiem położeniem przycisku (kawałek płytki PCV o grubości 5mm) jak pokazano na fotografii.

DSCF3908.JPG

Całość została złożona tak, by „wydrukowany” przycisk odzwierciedlał jego rzeczywiste położenie. Dodałem izolację dla czołówki (w postaci torebki foliowej) by całość nie reagowała na ewentualne ładunki statyczne wnoszone przez palec.

DSCF3909.JPG

DSCF3910.JPG

Warunki środowiskowe eksperymentu są następujące:

• napięcie zasilające ma wartość 3,3V
• na suwaku potencjometru do regulacji czułości jest ustawione napięcie o wartości około 2V

I to działa. Co prawda trochę chimerycznie, to znaczy zauważa się pewną zwłokę czasową pomiędzy dotknięciem zaznaczonego przycisku a reakcją układu. Dotykanie „wydrukowanego” przycisku jest rozpoznawane, dotykanie obudowy (metalowej czołówki) nie jest wykrywane przez układ MTCH101. Należałoby dać większy otwór w czołówce. W tym przypadku sensor ma około 1 cm, otwór 2cm, to zakładając symetryczne umieszczenie sensora w otworze pozostaje po 0,5cm odstępu krawędzi sensora od krawędzi obudowy (trochę mało, ale miałem to co miałem).

[gaweł]

Zrealizowałeś na podstawie tych doświadczeń jakiś panel sterujący urządzenia?

Tak, ale nie mogę pokazać ci fotki, bo nie mam urządzenia. Mam kilka filmów prezentujących działanie, tylko jak wstawić plik AVI do posta? Zrobiłem nawet badania "klimatyczne" czyli wyniosłem na mróz -6 stopni C (oczywiście zimną, nie teraz) i nie było problemów.

[dambo]

Też z chęcią zobaczę panelik z tym

możesz wrzucić na jakiegoś dropa, albo youtube (i dać "prywatny") - wtedy tylko przez ten link można na niego wejść.

[gaweł]

Plik ściągnąć do siebie i rozpakować:
mtch101-1_a.zip - pojedynczy sensor testy podstawowe czołówka 5mm
mtch101-1_b.zip - pojedynczy sensor testy podstawowe czołówka 10mm
mtch101-1_c.zip - pojedynczy sensor, czołówka 10mm zalana wodą (woda "zwiększa" powierzchnię sensora)
mtch101-1_d.zip - pojedynczy sensor, testy w obudowie metalowej
mtch101-1_e.zip - pojedynczy sensor, testy na mrozie
mtch101-2_a.zip - dwa sensory blisko siebie bez czołówki
mtch101-2_b.zip - dwa sensory blisko siebie z czołówką 10mm
mtch101-2_c.zip - dwa sensory daleko od siebie z czołówką 10mm

mtch101-1_a.zip

mtch101-1_b.zip

mtch101-1_c.zip

mtch101-1_d.zip

mtch101-1_e.zip

mtch101-2_a.zip

mtch101-2_b.zip

mtch101-2_c.zip

[Pikczu]

Robiłeś jakieś testy na odporność układu na zakłócenia W.CZ ?
Np jak układ zachowuje się gdy telefon komórkowy leży w bliskiej odległości? lub inne urządzenie nadawcze.

[gaweł]

Nie, widzisz, nie wpadłem na to, chociaż takie badania mogłyby być interesujące.

[Pikczu]

Dokładnie jestem bardzo ciekaw, jaki wpływ miał bym np moduł bluetooth lub WIFI z ESP8266 lub bliskość zwykłego routera z WIFI.
-----------------------------Edit----------------
Wpływ zasilacza impusowego np tanich modułow z LM2569.
Pozdrawiam
Paweł

[gaweł]

Dokładnie jestem bardzo ciekaw, jaki wpływ miał bym np moduł bluetooth lub WIFI z ESP8266 lub bliskość zwykłego routera z WIFI.

No więc odtworzyłem układ (jak na schenatach wyżej) i zrobiłem eksperymenty. Postawiłem obok to co miałem dostępne → modem LTE do internetu z włączonym WI-FI, który ciągle transmitował. Nie zauważyłem, by obecność modemu wpłynęła na działanie układu MTCH101.

IMG_6245.JPG

Jednak po dłuższej obserwacji zdarzały się przypadki, gdzie dioda LED mrugała (sygnalizując fałszywe naciśnięcia czujnika).