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!

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.

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения . Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор , и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса - скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.

Имейте в виду, что этот метода не подходит для измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостные датчики не предоставляют тех данных, которые необходимы для выполнения точных вычислений абсолютных расстояний. Я полагаю, что можно было бы откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояний, но так как схема емкостных датчиков была разработана для обнаружения изменения емкостей, то отсюда следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменения в расстояниях, т.е. когда палец приближается или удаляется от датчика.

Заключение

Теперь вы должны точно понимать фундаментальные основы, на базе которых строятся емкостные сенсорные системы. В следующей статье мы рассмотрим методы реализации этих основ, которые помогут вам перейти от теории к практике.

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Cтраница 1

Датчики касания используются просто для обнаружения факта контакта с объектом. Датчиком касания может служить простейший микровыключатель. Датчики механических напряжений используются для измерения величины силы, возникающей в месте контакта. Обычно в качестве сенсоров, измеряющих усилия, применяют тензодатчики.  

В токарных станках датчики касания применяются для контроля размеров заготовки, обработанной детали и режущей кромки инструмента. Вопросы диагностирования роботов (применяются антропоморфные и портальные роботы, встроенные в токарный станок, и внешние, работающие в цилиндрической системе координат) рассмотрены в гл.  

Для измерения износа прямыми методами применяют датчики касания, которые регистрируют либо размерный износ, либо, при их перемещении, износ по задней поверхности. Конструкция датчика приведена на рис. 4.8, а. Корпус 4 закрепляется на подвижном узле / станка. В обмотке электромагнита создается переменное магнитное поле, вызывающее колебания наконечника. При касании наконечником блока его колебания нарушаются, что регистрируется электронной системой 8 с усилителем 7, а координаты соответствуют измеряемому размеру. Датчик защищают от стружки. Его применяют на станках с ЧПУ и в ГПС не только для измерения износа, но и для определения фактических координат вершины лезвия инструмента с целью автоматической корректировки управляющих программ.  

Принцип работы проволочного тактильного датчика (датчика касания) показан на рис. 5.26. Робот автоматически по координатам двух базовых точек А и В, определяемых тактильным датчиком на угловом соединении, по скорректированной программе отыскивает требуемое место начала сварки (точку С), если отклонение стыкового соединения от исходного положения вызвано его параллельным смещением. В случае, если смещение стыкового соединения от исходного положения вызвано его параллельным смещением с разворотом относительно точки сварки, то для корректировки программы позиционирования роботом горелки в начальную точку сварки необходимо определить датчиком координаты как минимум трех базовых точек на элементах соединения.  

Нулевые головки обычно конструируются на базе датчиков касания, в качестве которых широко используются электро -, радио - и виброконтактные датчики. Эти головки, называемые еще головками касания, делятся на два класса: с изменяющимся и фиксированным нулевым положением измерительного наконечника.  

Рассмотрим особенности укзззнных выше устройств при использовании их в качестве датчика касания в специфических условиях цеха ртутного электролиза.  

Очувствление схватов и других исполнительных органов манипулятора выполняют датчики захватного усилия 6 и датчики касания 7 при взаимодействии ПР с внешней средой.  

Сварочная часть ПР включает: сварочный выпрямитель; сварочную горелку; кронштейны крепления; механизм подачи сварочной проволоки; датчик касания заготовки для сварки; устройство управлением датчика касания; необходимое количество кабелей; баллон с инертным газом, редуктор с расходомером и подогревателем газа; шланги и рукава.  

Предлагаемая для повторения схема представляет собой усилитель, обладающий высокой чувствительностью к электромагнитному полю, создаваемому внешними устройствами. При подключении входного контакта схемы к антенне светодиод сигнализирует о наличии излучения электромагнитного поля и наводок от электрооборудования. Светодиод также будет индицировать факт прикосновения к контакту, так как роль антенны в данном случае выполняет тело человека. Отсюда и название - датчик прикосновения. Другое название схемы - активная антенна .

Принципиальная схема датчика прикосновения показана на Рисунке 1.

Схема напоминает автогенератор на транзисторе n-p-n структуры. Один из выводов обмотки L1 подключается непосредственно к входному контакту X1. Полярность включения светодиода VD1 не имеет значения. Резистор R2 ограничивает ток через светодиод и, тем самым, определяет яркость его свечения при срабатывании датчика.

Датчик прикосновения собран на макетной плате размером 40 × 40 мм. Внешний вид конструкции показан на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Внешний вид датчика прикосновения.

Обмотки L1 и L2 расположены на общем каркасе с двумя секциями для намотки и подстроечным ферритовым сердечником. Наружный диаметр каркаса - 10 мм, длина сердечника - 23 мм, диаметр резьбы у основания сердечника - 6 мм. В конструкции, показанной на Рисунке 2, L1 намотана на верхней секции, L2 - на нижней. Каждая катушка содержит 100 витков провода ПЭЛ 0,2. Обмотки включены согласно. При помощи отвертки сердечник ввинчивается внутрь каркаса. Светодиод VD1 - любой из серии АЛ307 . В качестве Х1 использован лепесток заземления. Прикосновение к нему вызывает зажигание светодиода.

Параллельно VD1 можно подключить измерительный прибор, к примеру, мультиметр в режиме измерения напряжения, что позволит оценивать уровень напряженности поля. В этом случае внешняя антенна может представлять собой отрезок монтажного провода длиной несколько сантиметров. Настройка схемы будет сводиться к выбору длины антенны и поиску такого положения сердечника, при котором напряжение на светодиоде максимально.

Схема не привередлива к выбору элементной базы. К примеру, в первоначальном варианте схемы применялся транзистор КТ815Г , сопротивление резистора R1 составляло 100 кОм. В качестве L1 и L2 использовались две катушки на стержневом ферритовом сердечнике длинноволновой магнитной антенны из радиоприемника. Катушки можно было двигать вдоль сердечника. При перемещении катушек наблюдались явления, не противоречащие закону электромагнитной индукции, в отличие от схемы, предложенной в . При значительном удалении катушек друг от друга и без ферритового сердечника схема работать переставала.

Практическое применение схема может найти не только при конструировании измерителей напряженности поля, но и в устройствах автоматики и сигнализации. Датчик прикосновения можно подключить к микроконтроллеру. Для этого следует выполнить аналого-цифровое преобразование напряжения на светодиоде VD1, возможно, с помощью ресурсов самого микроконтроллера, если он содержит встроенный АЦП.

В заключение необходимо отметить, что существует немало схем датчиков прикосновения, основанных на полевых транзисторах и не содержащих индуктивных элементов. Возможно, их работа во многих случаях более эффективна, но конструкция, приведенная в этой статье, является примером оригинального технического решения и ориентирована на начинающих радиолюбителей.

Литература

1. Бровин В. И. Явление передачи энергии индуктивностей через магнитные моменты вещества, находящегося в окружающем пространстве, и его применение. - М.: МетаСинтез, 2003 - 20 с.
2. Крылов К. С., Ли Жаехо, Ким Янг Жин, Ким Сеунгхван, Ли Санг-Ха. Патент на изобретение №2395876. Активная магнитная антенна с ферритовым сердечником.