no-img
پاور پلن

كليد لمسی خازنی چه طور ساخته می شود؟!


پاور پلن

ادامه مطلب

TXT
كليد لمسی خازنی چه طور ساخته می شود؟!
امتیاز 5.00 ( 3 رای )
txt
دی ۳, ۱۳۹۵

كليد لمسی خازنی چه طور ساخته می شود؟!


كليد لمسی خازنی چه طور ساخته می شود؟!

 

حسگرهای لمسی سال هاست كه متداول است. پیشرفت های اخیر در حوزه ی ابزارات برنامه پذیر، موجب شده است كه حسگرهای لمسی خازنی به عنوان جایگزینی عملی و مناسب برای كلیدهای مكانیكی در حوزه های متفاوت مطرح شوند.

حسگرهای خازنی دارای پوششی سه میلیمتری می باشند. تشخیص انگشت هنگامی كه ضخامت لایه ی پوششی افزایش می یابد بسیار سخت تر می گردد. به بیان دیگر زمانی كه ضخامت لایه زیاد می شود، تنظیمات سیستم برای كاركرد صحیح پیچیده می گردد. برای اینكه نشان دهیم چگونه یك حسگر خازنی بسازیم كه از محدوده های فناوری روز فراتر رود، لایه ی پوششی را از جنس شیشه و با ضخامتmm 10 انتخاب می كنیم. كار كردن با شیشه راحت است و در دسترس نیز می باشد، همچنین بدلیل شفاف بودنش می توانیم قسمت های زیرین را ببینیم. پوششهای شیشه ای كاربرد مستقیم بسیاری در وسایل خانگی دارند.


ظرفیت خازنی انگشت

در قلب هر سیستم حسگر خازنی، مجموعه ای از هادی ها وجود دارد. این هادی ها و میدان های الكتریكی متقابلاً بر هم اثر می گذارند. بافت بدن انسان مملو از الكترولیت های هادی می باشد كه توسط پوست كه یك دی الكتریك پراتلاف است، پوشیده شده است. چیزی كه امكان عملكرد حسگر های خازنی را فراهم می كند، هدایت الكتریكی انگشت است.

یك خازن تخت ساده دارای دو هادی است كه توسط یك دی الكتریك از هم جدا شده اند. بیشتر انرژی در این سیستم بین دو صفحه متمركز شده است. مقداری از انرژی كل، بیرون از دو صفحه هدر می رود. خطوط میدان الكتریكی مرتبط با این اثر، میدان نشتی یا میدان حاشیه نامیده می شود. یكی از چالش های تولید یك حسگر خازنی عملی، طراحی یک سری از مدار های الكتریكی می باشد كه میدان حاشیه ایی را به داخل ناحیه ی تماس هدایت كند. یك خازن تخت انتخاب مناسبی برای این كار نمی باشد.

قرار دادن یك انگشت در ناحیه میدان های الكتریكی حاشیه ای موجب می شود كه یك سطح هادی در سیستم خازنی قرار گیرد. ظرفیت ذخیره بار الكتریكی اضافی كه توسط انگشت ایجاد می شود را ظرفیت خازنی انگشت می نامیم و با CF نشان می دهیم. در این مقاله ظرفیت خازنی حسگر بدون وجود انگشت را CP می نامیم. تصور غلطی كه در مورد حسگر های خازنی وجود دارد این است كه در این سیستم، انگشت باید زمین شود تا سیستم كار كند. یك انشگت را می توان حس كرد بدلیل اینكه دارای بار است و این هنگامی كه انگشت زمین شده باشد و یا حتی حالت شناور داشته باشد، اتفاق می افتد.


نمای حسگر

شكل ۱ نمای برد مدار ( PCB ) را نمایش می دهد. در این طرح از یك كلید لمسی خازنی استفاده شده است. قطر كلید ۱۰ mm می باشد كه تقریباً برابر اندازه ی سر انگشت های یك انسان بالغ است. PCB طرح ما دارای چهار كلید است كه هر كدام mm 20 با هم فاصله دارند. صفحه ی زمین بر روی لایه ی بالایی قرار دارد. صفحه ی حسگر توسط یك شكاف یكنواخت از صفحه ی زمین جدا شده است. اندازه این شكاف از جمله پارامترهای مهم در طراحی می باشد. اگر شكاف خیلی كوچك باشد انرژی زیادی به زمین هدایت می شود و اگر بیش از حد بزرگ باشد كنترل نحوه ی هدایت انرژی به لایه ی پوششی از دستتمان خارج می گردد. شكافی با قطر mm 0.5 برای هدایت میدان حاشیه ایی به لایه ایی از جنس شیشه و به قطر mm10 مناسب می باشد.

1
شكل ۱ ) نمای PCB

2

شكل ۲ ) نمای مقطع حسگر خازنی

 

میدان الكتریكی كوتاه ترین مسیر را به زمین پیدا می كند. ضریب دی الكتریك εr، مشخص می كند كه چه مقدار انرژی در ماده جمع می شود. ضریب دی الكتریك شیشه ی استاندارد پنجره در حدود ۸، ماده ی FR4 مربوط به PCB در حدود ۴ و شیشه ی پیركس (كه در مواد شفاف مورد كاربرد دارد) در حدود ۵ می باشد. در طرح این حسگر، از شیشه ی استاندارد پنجره استفاده شده است. توجه داشته باشید كه ورق شیشه با استفاده از یك لایه ی عایق الكتریكی ۴۶۸-MP از ۳M روی PCB قرار گرفته است.


حسگر خازنی ۱۰۱

اجزای اصلی یك سیستم حسگر خازنی شامل یك منبع جریان برنامه پذیر، یك مقایسه كننده آنالوگ و یك گذرگاه مالتی پلكسر آنالوگ می باشد. عملكرد اسیلاتور وقفه ای (رلاكسیون) تابعی از خازن استفاده شده در طرح می باشد. مدار ساده شده طرح در شكل ۳ آمده است

3

شكل ۳ ) مدار ساده شده اسیلاتور وقفه ای

خروجی مقایسه كننده وارد ورودی كلاك (ساعت) یك مدار مدولاتور عرض پالس (PWM) می شود. خروجی این مدار نیز، ورودی یك شمارشگر ۱۶بیتی می باشد. فركانس كلاك شمارشگر برابر MHz 24 می باشد. روش كار به این صورت است كه حضور انگشت موجب افزایش ظرفیت خازنی می شود. در نتیجه تعداد شمارش ها زیاد می گردد. شكل موج این سیستم در شكل ۴ آمده است.

 

4 شكل ۴ ) شكل موج خروجی سیستم


 

برای حسگر خازنی و ارتباطات سری از PSoC IC سری CY8C21x34 استفاده شده است كه شامل مجموعه ای از بلوك های دیجیتالی و آنالوگ می شود. این بلوك ها توسط نرم افزاری (firmware) كه در حافظه ی فلش on boardسیستم موجود است پیكربندی می گردند. IC دیگری به منظور ارتباط با رایانه ی میزبان مورد استفاده قرار گرفته است. این IC امكان ضبط اطلاعات حسگر خازنی را با سرعت ۱۱۵۲۰۰ باود (بیت بر ثانیه) مهیا می كند. در شكل ۵ نحوه اختصاص پین ها به چهار كلید حسگر خازنی را مشاهده می كنید. PSoC توسط ISSP header ( كه شامل پین های توان، زمین و پین های برنامه ریزی SCL و SDA برنامه ریزی می باشد) برنامه ریزی شده است. یك رایانه نیز از طریق رابط DB9 استاندارد به مدار حسگر خازنی متصل می شود.


منبع: http://www.daneshju.ir



دیدگاه ها


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *