Prostřednictvím sinusového signálu a externích plošek lze vytvořit elektrické pole, s jehož pomocí lze detekovat přítomnost objektů, které jej mění. Tak lze například vytvořit bezdotykovou klávesnici, kdy lze "ťukat do kláves", aniž se jich přímo dotkneme. To poskytuje integrovaný obvod MC33794.

Integrovaný obvod MC33794 firmy Freescale je velmi zajímavý senzor, který umožňuje detekovat změnu, resp. zkreslení elektrického pole vnějším objektem. Zvláště je citlivá tato změna na přítomnost lidského těla, které funguje více či méně jako zemnící elektroda. Tato lze například vytvořit bezdotykovou klávesnici, kdy není nutné ruku nebo prst přitisknout na citlivou plochu, jen ji k ní přiblížit. Protože elektrické pole prochází sklem i dielektrikem, lze vytvořit například klávesnic veřejného zařízení kvalitně chráněnou proti nevlídnému okolnímu prostředí nebo vandalům. Stejně tak lze detekovat a poté i automaticky zabránit přiblížení částí těla nebo například zvířatům či vodivým objektům k nebezpečným místům.

Jak to obecně funguje ?

Celý princip detekce by se dal přirovnat k velkému vzduchovému kondenzátoru, kde mezi dvěma elektrodami vzniká dipólové elektrické pole vytvořené harmonickým sinusovým signálem. Jedna elektroda funguje jako vysílací elektroda napájená z harmonického oscilátoru, zatímco druhá je pak uzemněná. Když se pak mezi tyto elektrody dostane cizí vodivý předmět, chová se jako další vložená elektroda, která mění rozložení pole v jeho okolí. Konkrétně například vložením části lidského těla, která se chová jako uzemněný vodivý předmět, dochází k odstínění generovaného elektrického pole od uzemněné elektrody a tím i k samotné detekci. Nedochází prostě k přenosu náboje mezi pevnými elektrodami a tím je omezen proud uzavřenou smyčkou. Protože jsou elektrody od sebe relativně hodně vzdáleny, je nutné pro generování elektrického pole použít sinusový průběh signálu o frekvenci desítek nebo stovek kHz.

Pro použití uvedeného principu jako například bezdotykové klávesnice je nejvýhodnější použít velikosti elektrod blízké velikosti prstu. S rostoucí vzdáleností mezi elektrodami totiž roste detekční vzdálenost (viz. obrázek 1.). Obecně by tedy velikost elektrod měla odpovídat velikosti detekovaných předmětů. Větší rozměry elektrod a menší vzdálenost mezi nimi však znamená větší citlivost. Z tohoto pohledu by pak zase měli být co největší. Takto je také možné vytvořit bezdotykový "potenciometr", kdy elektrody mají v různém místě různé rozměry a tak se mění velikost kontaktní oblasti například s pozicí prstu.

Výhodou takové bezdotykové detekce pak je schopnost pracovat a detekovat, i když jsou elektrody umístěny pod elektricky nevodivým materiálem, jako je například sklo nebo PVC, které mají vysokou dielektrickou konstantu. Ty nemají vliv na elektrické pole, které jimi prostupuje. Tak lze například vytvořit bezdotykovou klávesnici odolnou v náročném prostředí.

Integrovaný obvod MC33794 - Electric Field Imaging Device

MC33794 patří mezi zajímavé obvody/senzory, kterých na trhu není moc. Tento z nabídky firmy Freescale umožňuje připojit až 9 měřících elektrod E1 až E9 a 2 elektrody referenční, tzn. vytvořit například bezdotykovou číselnou klávesnici. Možné je provedení i vzdálené napojení elektrod prostřednictvím stíněného koaxiálního kabelu, kde stínění se připojuje na pin SHIELD. Měřené změny elektrického pole jsou převáděna detektorem na analogový stejnosměrný (DC) výstupní signál s proměnou amplitudou na výstupu LEVEL nebo posílány po čtyřvodičové SPI sběrnici (fyzická vrstva dle standardu ISO-9141) například do MCU. Pro přímé spínání zátěže nebo světelné indikace je zde výstup LAMP_OUT. Vstupy A, B, C, D se pak vybírá (multiplexuje) elektrodu, ze které jsou změny převáděny.

Elektrické pole na připojených elektrodách je generováno sinusovým signálem, jehož frekvenci lze přelaďovat externím rezistorem na pinu R_OSC. Obvod je však optimalizován pro generovanou frekvenci 120 kHz. To odpovídá rozsahu kapacity kondenzátoru tvořeného právě elektrodami a detekovaného objektu 10 až 100 pF. Protože se ale může s teplotou měnit a časem může měnit jak frekvence generátoru, tak i vlastnosti ostatních prvků, je pro přesnější měření použít kompenzaci. Tu lze například vytvořit připojením dvou externích kondenzátorů na piny REF_A a REF_B v hodnotách minimální a maximální kapacity na elektrodách. Pro frekvenci 120 kHz to znamená již zmíněné hodnoty 10 a 100 pF.

Stejné frekvence je i uživatelem libovolně použitelný obdélníkový signál na výstupu CLOCK. Zároveň je z něho odvozeno časování pro WatchDog, který složí pro předpokládanou kontrolu napojeného MCU. Pokud v pravidelných intervalech není přiváděn impuls na vstup WD_IN, je aktivován výstupní vývod RST, který může resetovat MCU, pokud je napojen na jeho resetovací vstup.

Příklad zapojení - vývojového kitu

Na internetových stránkách Freescalu lze najít popis zajímavého vývojového kitu pro bezdotykovou klávesnici firemně označený jako KIT33794DWEVM (viz. obrázek 8. a 9.). Základem kitu je tzv. analyzující deska (Analyzer Board) s elektronikou s hlavními prvky v podobě MCU MC68HC908 Nitron a v tomto článku popisovaným senzorem elektrického pole (E-Field Sensor) MC33794 a tzv. deskou panelu elektrod (Touch Panel Board). MCU Nitron je všeobecně velmi populární a obsahuje 10bitový A/D převodník pro možnost napojení analogového výstupu senzoru. Mimo to lze na desce nalézt sedmisegmentový displej, piezosirénku, LEDky napájecí zdroj, RS-232 a podobně. Podrobné elektrické schéma lze nalézt v pdf datasheetu MC33749RM.pdf.

Závěr

V tomto článku jsem se s Vámi čtenáři chtěl podělit o zajímavý integrovaný obvod i princip pro bezdotykovou detekci, na kterou jsem náhodou narazil, když jsem hledal na stránkách Freescalu informace o některých jiných senzorech. Jak jsem výše napsal, jde o využití jednoduchého fyzikálního principu, jehož jevy častěji považujeme za nežádoucí. S použitím MC33794 je tedy lze lehce a jednoduše využít, s použitím jen s několika externími součástkami.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky firmy Freescale - www.freescale.com
  
  
• Katalogový list MC33794FS.pdf (2 strany - 212kB)
• Katalogový list MC33794RM.pdf (52 stran - 4.4 MB)
  
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz