Pojemnościowy czujnik klawiatury dotykowej MTCH101
: wtorek 25 kwie 2017, 11:44
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.
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: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:
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.
W badaniach były wykorzystane „przyciski” o różnych wielkościach a nawet spiralnie zwinięty drucik.
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.
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.
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: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:
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.
W badaniach były wykorzystane „przyciski” o różnych wielkościach a nawet spiralnie zwinięty drucik.
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.
