Během posledního desetiletí je skutečně obtížné si představit svět s elektronikou bez dotykových senzorů. Smartphony jsou toho nejviditelnějším a nejrozšířenějším příkladem, ale samozřejmě existuje řada dalších zařízení a systémů, které mají dotykové senzory. Ke stavbě dotykových senzorů lze použít kapacitu i odpor; v tomto článku se budeme zabývat pouze kapacitními senzory, které jsou v implementaci výhodnější.

Přestože aplikace založené na kapacitních senzorech mohou být poměrně složité, základní principy technologie jsou poměrně jednoduché. Ve skutečnosti, pokud rozumíte konceptu kapacity a faktorům, které určují kapacitu konkrétního kondenzátoru, jste na správné cestě v pochopení fungování kapacitních dotykových senzorů.

Kapacitní dotykové senzory spadají do dvou hlavních kategorií: na základě vzájemné kapacity a založené na vlastní kapacitě. První z nich, ve kterém se senzorový kondenzátor skládá ze dvou vývodů, které fungují jako vysílací a přijímací elektrody, je výhodnější pro dotykové displeje. Ten druhý, ve kterém je jedna svorka kondenzátoru snímače připojena k zemi, je přímý přístup, který je vhodný pro dotykové tlačítko, posuvník nebo kolečko. V tomto článku se podíváme na senzory založené na vlastní kapacitě.

Kondenzátor na bázi PCB

Kondenzátory mohou být různých typů. Všichni jsme zvyklí vídat kapacitu ve formě olovnatých součástek nebo obalů pro povrchovou montáž, ale ve skutečnosti vše, co opravdu potřebujete, jsou dva vodiče oddělené izolačním materiálem (tj. dielektrikem). Je tedy celkem jednoduché vytvořit kondenzátor pouze s použitím elektricky vodivých vrstev oddělených deskou s plošnými spoji. Vezměme si například následující pohled shora a boční pohled na kondenzátor s tištěnými spoji používaný jako dotykové dotykové tlačítko (všimněte si přechodu na jinou vrstvu PCB na ilustraci bočního pohledu).

Dotykové tlačítko

Izolační oddělení mezi dotykovým tlačítkem a okolní mědí je vytvořeno kondenzátorem. V tomto případě je okolní měď spojena se zemí, a proto naše dotykové tlačítko může být modelováno jako kondenzátor mezi dotykovou signální podložkou a zemí.

Nyní možná budete chtít vědět, jakou kapacitu toto uspořádání PCB skutečně poskytuje. Navíc, jak to přesně spočítáme? Odpověď na první otázku je, že kapacita je velmi malá, možná kolem 10 pF. Pokud jde o druhou otázku: nebojte se, pokud jste zapomněli na elektrostatiku, protože na přesné hodnotě kapacity kondenzátoru nezáleží. Hledáme pouze změny kapacity a můžeme tyto změny detekovat, aniž bychom znali jmenovitou kapacitu tištěného kondenzátoru.

READ
Jak správně umístit spotřebiče do malé kuchyně?

Vliv prstů

Co tedy způsobuje tyto změny kapacity, které ovladač dotykového senzoru zaznamená? No, samozřejmě, lidský prst.

Vliv prstu na dotykové tlačítko

Vliv prstu na dotykové tlačítko

Než budeme diskutovat o tom, proč prst mění kapacitu, je důležité pochopit, že neexistuje žádný přímý elektrický kontakt; prst je od kondenzátoru izolován lakem na desce plošných spojů a zpravidla vrstvou plastu, která odděluje elektroniku zařízení od vnějšího prostředí. Tak prst nevybije kondenzátora dále, množství náboje uloženého v kondenzátoru v určitém okamžiku není zajímavé – spíše je zajímavá kapacita v určitém okamžiku.

Proč tedy přítomnost prstu mění kapacitu? Existují dva důvody: první se týká dielektrických vlastností prstu a druhý zahrnuje jeho vodivé vlastnosti.

Prst je jako dielektrikum

Obvykle si myslíme, že kondenzátor má pevnou hodnotu, určenou plochou dvou vodivých desek, vzdáleností mezi nimi a dielektrickou konstantou materiálu mezi deskami. Fyzické rozměry kondenzátoru samozřejmě nemůžeme změnit pouhým dotykem, ale my Umět změnit dielektrickou konstantu, protože lidský prst má dielektrické vlastnosti, které se liší od materiálu (pravděpodobně vzduchu), který vytlačuje. Je pravda, že prst nebude ve skutečné dielektrické oblasti, tzn. v izolačním prostoru přímo mezi vodiči, ale taková „invaze“ do kondenzátoru není nutná:

Vliv prstu na dotykové tlačítko jako dielektrikum

Vliv prstu na dotykové tlačítko jako dielektrikum

Jak je znázorněno na obrázku, pro změnu dielektrických charakteristik není třeba vkládat prst mezi desky, protože elektrické pole kondenzátoru se šíří do okolního prostředí.

Ukazuje se, že lidské maso je docela dobré dielektrikum, protože naše těla jsou tvořena převážně vodou. Relativní dielektrická konstanta vakua je 1 a relativní dielektrická konstanta vzduchu je jen o málo vyšší (asi 1,0006 na hladině moře při pokojové teplotě). Relativní permitivita vody je mnohem vyšší, kolem 80. Interakce prstu s elektrickým polem kondenzátoru tedy představuje zvýšení relativní permitivity, a proto má za následek zvýšení kapacity.

Prst jako průvodce

Každý, kdo zažil elektrický šok, ví, že lidská kůže vede elektřinu. Již výše jsem zmínil, že nedochází k přímému kontaktu prstu s dotykovým tlačítkem (tedy situace, kdy prst vybije vytištěný kondenzátor). To však neznamená, že vodivost prstů není důležitá. Je to vlastně docela důležité, protože prst se stává druhou vodivou deskou v přídavném kondenzátoru:

Vliv prstu na dotykové tlačítko jako vodič

Vliv prstu na dotykové tlačítko jako vodič

V praxi můžeme předpokládat, že tento nový prstový kondenzátor je zapojen paralelně se stávajícím tištěným kondenzátorem. Tato situace je trochu složitější, protože osoba používající snímací zařízení není elektricky spojena se zemí na desce plošných spojů, a proto nejsou dva kondenzátory zapojeny paralelně ve smyslu obvyklé analýzy obvodu.

READ
K čemu se sekáček používá?

Můžeme si však myslet, že lidské tělo poskytuje virtuální zem, protože má relativně velkou kapacitu absorbovat elektrický náboj. V žádném případě se nemusíme starat o přesné elektrické spojení mezi prstovým kondenzátorem a kondenzátorem s potiskem; Důležitým bodem je, že propojení těchto dvou kondenzátorů pseudoparalelně znamená, že prst zvýší celkovou kapacitu, když se kondenzátor přidá paralelně.

Vidíme tedy, že oba vlivové mechanismy mezi prstem a kapacitním dotykovým senzorem přispívají ke zvýšení kapacity.

Blízká vzdálenost nebo kontakt

Předchozí diskuse nás přivádí k zajímavé vlastnosti kapacitních dotykových senzorů: naměřená změna kapacity může být způsobena nejen Kontakt mezi prstem a snímačem, ale také blízkou vzdálenost mezi nimi. Dotykové zařízení si obvykle představuji jako náhradu mechanického spínače nebo tlačítka, ale technologie kapacitního dotykového senzoru ve skutečnosti zavádí novou úroveň funkčnosti tím, že umožňuje systému snímat vzdálenost mezi senzorem a vaším prstem.

Oba výše popsané mechanismy změny kapacity mají účinek, který závisí na vzdálenosti. U mechanismu založeného na dielektrické konstantě se množství dielektrické interakce „masa“ s elektrickým polem kondenzátoru zvyšuje, když se váš prst přibližuje k vodivým částem tištěného kondenzátoru. U vodivého mechanismu je kapacita prstového kondenzátoru (jako každého jiného kondenzátoru) nepřímo úměrná vzdálenosti mezi vodivými deskami.

Upozorňujeme, že tato metoda není vhodná pro měření absolutní vzdálenost mezi snímačem a prstem; Kapacitní senzory neposkytují data potřebná pro přesné výpočty absolutní vzdálenosti. Předpokládám, že by bylo možné zkalibrovat kapacitní senzorový systém pro hrubé měření vzdálenosti, ale protože obvod kapacitního senzoru byl navržen tak, aby detekoval změny kontejnerů, z toho vyplývá, že tato technologie je zvláště vhodná pro detekci změny ve vzdálenostech, tzn. když se prst přiblíží nebo oddálí od snímače.

Závěr

Nyní byste měli jasně porozumět základním principům, na kterých jsou kapacitní dotykové systémy postaveny. V příštím článku se podíváme na metody implementace těchto základů, které vám pomohou přejít od teorie k praxi.

My lidé používáme svůj hmat k tomu, abychom porozuměli tomu, kdy přijdeme do kontaktu s předmětem. Pak můžeme podle toho reagovat. Počítače a stroje takové schopnosti nemají. Proto inženýři vyvinuli dotykové senzory, aby zařízení mohla správně reagovat. Díky tomu se dotykové senzory objevily téměř ve všech našich zařízeních jako jsou mobilní telefony, auta a mnoho dalších. Dotykové senzory navíc zcela nahradily mnoho mechanických vychytávek.

READ
Jak se nazývá klaksonový reproduktor?

V tomto článku se dozvíte vše, co potřebujete vědět o dotykových senzorech: jak fungují, různé typy dotykových senzorů a jak vyrobit dotykový senzor.

Co je dotykový senzor?

Jak funguje dotykový senzor?

Typy dotykových senzorů

Obvod dotykového senzoru: Jak vyrobit jednoduchý dotykový senzor

Průvodce dotykovými senzory Arduino

Aplikace dotykových senzorů

Co je dotykový senzor?

Dotykové senzory, známé také jako haptické senzory, jsou levné a jednoduché senzory používané k detekci a registraci fyzického dotyku.

Systémoví návrháři preferují dotykové senzory, protože poskytují mnoho možností designu, nabízejí vylepšená uživatelská rozhraní a jsou spolehlivější.

Dotykové senzory mají navíc nejmodernější a atraktivnější vzhled.

Jak funguje dotykový senzor?

Dotykový senzor funguje podobně jako běžný vypínač. Při působení tlaku nebo kontaktu na povrch dotykového senzoru je obvod v senzoru dokončen a prochází jím proud.

Dotykový displej mobilního telefonu

Na druhou stranu, když odstraníte tlak nebo kontakt, obvod se otevře a neteče žádný proud.

Níže uvedený diagram ukazuje, jak dotykový senzor funguje.

Schematické schéma dotykového senzoru

Typy dotykových senzorů

Existují čtyři typy dotykových senzorů. A to:

Kapacitní dotykový senzor

Odporový dotykový senzor

Infračervený dotykový senzor

Senzor povrchových akustických vln (SAW).

Podívejme se na každou z nich podrobněji.

Kapacitní dotykový senzor

Kapacitní dotykové senzory detekují dotyk na základě elektrického rušení generovaného změnou kapacity.

K výrobě kapacitního dotykového senzoru inženýři umístí průhlednou vrstvu elektrody na skleněný panel a zakryjí ji ochrannou vrstvou.

Princip činnosti kapacitního dotykového senzoru

Když se vodivý materiál přiblíží k elektrodám senzoru, deska s plošnými spoji iniciuje elektrický náboj po celém povrchu. (Stejný proces nastává při fyzickém kontaktu se skleněným panelem).

V důsledku toho se kapacita snižuje, což umožňuje systému určit místo dotyku.

Systém dokáže detekovat dotek ve více oblastech, což v některých případech umožňuje dotek rozšířit a sevřít.

V kapacitním dotykovém senzoru mohou vodivé materiály, jako je vlhkost a voda, způsobit neúmyslné nebo falešné poplachy.

Proto inženýři používají softwarové algoritmy nebo více touchpadů, aby rozlišili mezi falešnými a úmyslnými dotyky s kapacitním dotykovým senzorem.

Kapacitní dotykové senzory se dělí do dvou kategorií:

READ
Co znamená písmeno C v názvu vlnité lepenky?

Povrchové kapacitní senzory – Inženýři aplikují vodivý povlak na jednu stranu povrchu izolátoru. Poté procházejí proudem skrz vodivou vrstvu.

Když dojde ke kontaktu s povrchem, vytvoří se mezi vodivým povlakem a izolantem kapacitance. Proud tedy prochází všemi rohy.

IC měří proud z každého úhlu, aby určil, kde se dotýká povrchu.

Projektované kapacitní snímání je místo, kde inženýři umístí vodivý materiál doprostřed dvou izolátorů, jako je zlato, měď nebo oxid indium a cínu. Inženýři poté pomocí integrovaného obvodu monitorují pole.

IC pak vypočítá místo dotyku, když dojde ke kontaktu s vodivým materiálem.

Kapacitní snímač posunu

Výhody

K fungování nepotřebuje tlak

Omezení

Náchylnost k oděru

Není možné pracovat s rukavicemi nebo stylusem

V náročných provozních podmínkách nespolehlivé

Odporový dotykový senzor

Odporový dotykový senzor detekuje dotyk v reakci na tlak aplikovaný na povrch.

Odporové dotykové senzory se skládají z dvojice vodivých vrstev oddělených izolačním materiálem.

Odporová dotyková obrazovka

Jak to funguje

Při tlaku na povrch tlačí vnější vodivá vrstva na vnitřní a mění napětí.

Poté je provedeno srovnání mezi počátečním napětím a změnou napětí, což umožňuje systému určit, kde došlo ke kontaktu.

Na rozdíl od kapacitních dotykových senzorů odporové dotykové senzory nepodporují multi-touch.

Odporové dotykové senzory spadají do tří kategorií:

4vodičové odporové dotykové senzory, které jsou cenově nejdostupnější.

5-drátové dotykové senzory poskytují více kliknutí a mají podobné vlastnosti jako 4-drátové senzory s výjimkou přítomnosti elektrod ve spodní vrstvě.

Nejúčinnější jsou 8vodičové odporové dotykové senzory.

Výhody

Schopnost pracovat se stylusem a rukavicemi

Rychlejší doba odezvy

Omezení

Nedostatek multi-touch schopnosti

Fungování je velmi závislé na tlaku

Infračervený dotykový senzor

Na rozdíl od jiných dotykových senzorů infračervené dotykové senzory nezakrývají displej přídavnou obrazovkou.

Pasivní infračervený senzor

Naproti tomu infračervené monitory využívají přijímače a IR zářiče ke generování neviditelných světelných paprsků přes celou obrazovku.

Fyzický kontakt s nepostřehnutelným světelným paprskem (podmínka dotyku) tedy umožňuje senzorům určit místo, kde k dotyku došlo.

Výhody

Neomezená životnost dotyku

Nedotčeno povrchovými škrábanci

Lepší čistota obrazu ve srovnání s jinými snímači

Omezení

Sklon k falešné aktivaci

Náchylnost na vodu, sníh a déšť

Snímač povrchových akustických vln (SAW).

Dotykové senzory SAW využívají piezoelektrické měniče s přijímači na skleněné desce monitoru. To se provádí za účelem vytvoření mikroskopických ultrazvukových vln na povrchu skla.

READ
Jak se nazývá ruční lis?

Obvod snímače povrchových akustických vln

Zdroj: Wikimedia Commons

Když se dotknete panelu, absorbujete část vlny, což umožňuje senzoru přijímat data a určit polohu bodu kontaktu.

Povrchový senzor akustických vln lze aktivovat pomocí stylusu, prstů nebo ruky v rukavici.

Výhody

Vynikající kvalita obrazu

Dlouhá životnost snímače

Vylepšená odolnost proti poškrábání

Omezení

Tvrdé předměty, jako jsou pera nebo nehty, senzor neaktivují.

Voda může způsobit falešné poplachy.

Materiály na obrazovce mohou způsobit nedbalé stopy, dokud je neodstraníte.

Obvod dotykového senzoru: Jak vyrobit jednoduchý dotykový senzor

Požadované materiály

Postup

Nejprve připojte rezistor a LED sériově ke kolektoru tranzistoru. Ujistěte se, že používáte rezistor nastavením proudu LED na přibližně 20 mA.

Za druhé připojte tranzistor k zápornému pólu napájecího zdroje.

Za třetí, vytvořte dva dráty a ujistěte se, že mají otevřené konce.

Nakonec připojte jeden vodič ke kladné napájecí svorce a druhý k bázi tranzistoru.

Nyní se můžete dotknout dvou vodičů prsty, abyste viděli, jak LED svítí.

Zde je schéma, podle kterého se můžete řídit.

Schematické schéma dotykového senzoru

Průvodce dotykovým senzorem Arduino

Materiály, které budete potřebovat

Základní obrazovka Grove

Grove 12tlačítkový kapacitní 12C dotykový senzor V2

Postup

Připojte kapacitní dotykový senzor MPR121 nebo 12C Grove V12 s 2 klíči k portu I2C stínění základny.

Dále umístěte základní štít Grove dovnitř Arduina a připojte Arduino k PC pomocí USB kabelu.

Nastavení softwaru

Stáhněte a nainstalujte knihovnu Grove Touch sensor MPR121.

Poté restartujte své Arduino IDE a odemkněte příklad zkopírováním níže uvedeného kódu do nového náčrtu Arduino IDE.

Dokončete načítání kódu, otevřete sériový monitor Arduino IDE a nastavte přenosovou rychlost na 115200.

Za předpokladu, že při stisknutí tlačítek CHO ~CH11 uděláte vše správně, měli byste získat výsledky, jak je uvedeno níže.

Aplikace dotykových senzorů

Smartphony a přenosná zařízení

Automobilové a průmyslové aplikace

Měření tlaku a vzdálenosti

Dotykové senzory pro robotiku

Dotykové senzory pro kuchyňské baterie

Závěr

Doufáme, že na konci tohoto článku budete schopni uvést různé typy dotykových senzorů, jejich použití, výhody a nevýhody.

Nejprve nezapomeňte zkopírovat a vložit kód přesně, abyste získali přesné výsledky. Můžete nás také kontaktovat pro více informací o tomto problému.