Tlačítka jsou stále základním ovládacím prvkem drtivé většiny strojů a zařízení. I když stále převažují tlačítka mechanická, kdy se stiskem sepne či rozepne kontakt, poslední roky se začíná prosazovat i jiný druh spínačů. Jsou to elektronická dotyková a bezdotyková tlačítka, u kterých není pro jejich „sepnutí“ potřeba vyvinout žádnou sílu. U společnosti Silicon Laboratories je tato technologie označena jako Touch Sense. Jejich funkce je založena na principu proměnné kapacity kondenzátoru a mechanická realizace je velmi snadná. Jednoduše jde o dvě blízké, ale elektricky oddělené vodivé plochy umístěné na pevné podložce. Například může jít o dva do sebe zasunuté meandry či hřebeny vytvořené z mědi na desce plošných spojů (DPS). Ty tvoří elektrody kondenzátoru, přičemž plocha nad nimi je jeho dielektrikum. O co je jednodušší mechanická realizace, o to je složitější vyhodnocení, tedy zjištění změny kapacity způsobené přiblížením vodivého nebo nevodivého předmětu (například prstu) ke snímací plošce. Zde existuje několik možností, ale vždy je k tomu potřeba vyhodnocovací logika obsahující komparátory. Ta je dnes obvykle realizována mikrokontroléry (MCU). |
Schématický příklad Touch Sense tlačítka, kde jedna elektroda je připojena na vstup MCU Silabs a druhá je uzemněná |
Příklady některých provedení dotykových plošech snímačů Touch Sense (pro zvětšení klikněte na obrázek)
Jednou z možností, jak detekovat změnu kapacity, je zařazení proměnného kondenzátoru do RC rezonančního obvodu a vytvořit společně se vstupy a výstupem citlivého komparátoru relaxační oscilátor. Vydetekování přiblížením předmětu („sepnutí“ tlačítka) je pak možné provádět metodou měření času periody nebo frekvence oscilací. V případě použití běžného MCU je nutné celou diskrétní část zapojení oscilátoru (odpory/děliče) realizovat externě. To zbytečně komplikuje i zvětšuje rozměry DPS. Proto společnost Silabs nabízí dvě speciální řady výkonných nízkonapěťových 8bit. MCU C8051F93x a F92x s rychlým 25 MHz jádrem 8051, které obsahují dva komparátory s mnohovstupým analogovým multiplexerem s již integrovanými odpory oscilátoru (Capacitive Touch Sense-Enabled Comparator). Celkem je k dispozici až 23 vstupů pro připojení až 23 tlačítek, resp. jejich snímacích plošek. Lze tak vytvořit i celou klávesnici. Programově pak stačí pouze kontrolovat stav vnitřních komparátorů a řídit jím běh programu nebo spouštět a vypínat zařízení. Není tedy nutné cokoliv složitého vymýšlet, jak z pohledu hardwarového, tak softwarového. Spínací hranicí komparátoru lze měnit citlivost celého rozhraní a tím určit, zda k detekci stisku bude docházet až po přiložení prstu na snímací plošku (dotyku) nebo již při jeho přiblížení. |
Realizace Touch Sense rozhraní na čipu MCU Silabs C8051F93x a F92x, kam lze připojit až 23 dotykových tlačítek |
Porovnání realizace dotykového tlačítka s běžným MCU a externími rezistory (vlevo) a s MCU Silabs C8051F93x/92x (vpravo), který má vše integrováno již uvnitř na čipu a připojí se jen ke vstupům je přímo dotyková ploška
Velkou výhodou elektronických Touch Sense tlačítek proti mechanickým je tak možnost jejich překrytí nevodivým povrchem (např. průhledným plexisklem), což umožňuje odolné provedení přístrojů do prašného a mokrého prostředí nebo zařízení dobře ochránit proti úmyslnému i neúmyslnému poškození, např. proti vandalům nebo proti rychlému opotřebení v náročných podmínkách průmyslu.
Příklad destičky se 4 tlačítky a MCU Silabs
Společnost Silabs mimo samotných mikrokontrolérů nabízí i zajímavé demonstrační a vývojové kity. Jedním z nich je i TOOLSTICK CAPTOUCHSENSE DAUGHTER CARD obsahující 4 dotyková tlačítka A až D připojená na MCU Silabs C8051F931 - viz fotografie a schéma zapojení níže. Více informací najdete v dokumentu ToolStick_CapTouchSense_DC_UG.pdf.
Fotografie a popis vývojové destičky Silabs TOOLSTICK CAPTOUCHSENSE DAUGHTER CARD
Schéma zapojení vývojové destičky Silabs TOOLSTICK CAPTOUCHSENSE DAUGHTER CARD (pro zvětšení klikněte na obrázek)
Závěr
Více praktických údajů a návodů na realizaci Touch Sense tlačítek s MCU Silabs, včetně informací o nabídce vývojových kitů, najdete přímo na webu www.silabs.com. V případě praktického zájmu o tyto integrované obvody je možné kontaktovat distributory v ČR, například firmy MES Praha s.r.o. nebo HT-Eurep Electronics s.r.o.
Antonín Vojáček
DOWNLOAD & Odkazy
- Domovská stránka firmy Silabs (Silicon Laboratories), ýrobce integrovaných obvodů, nejen MCU - www.silabs.com
- Stránky firmy HT-Eurep Electronic s.r.o. - www.hte.cz
- Podrobný 312stránkový datasheet k nízkonapěťové řadě C8051F9xx se speciálními vstupy pro realizaci tlačítek Touch Sense - C8051F93x-92x.pdf
- Dokument ke desce TOOLSTICK CAPTOUCHSENSE DAUGHTER CARD - ToolStick_CapTouchSense_DC_UG.pdf
- Článek Kapacitní senzory pro dotykové i bezdotykové ovládání a detekci na serveru automatizace.hw.cz
- Článek Bezkontaktní detekce předmětů elektrickým polem na serveru automatizace.hw.cz