Dev Gualtieri, Tikalon LLC
Electronic Design Europe
Этот недорогой емкостной датчик большой площади, способный детектировать присутствие через лист фанеры или стеновую панель, можно рассматривать как дополнение к повсеместно используемым сенсорным экранам.
Емкостные датчики широко распространены в современной бытовой электронике, значительная часть которой оснащена сенсорными экранами. Подавляющая часть управляющих схем для таких приложений разработана в расчете на конструкции с конденсаторами небольшой площади, управляемые прикосновением пальца.
Предлагаемая схема разработана для сенсорных панелей большой площади, которые могут активироваться со значительных дистанций и скрытно располагаться за стенами или внутри других конструкций. В схеме используется концепция «управляемого экрана», популярная на заре развития аудиотехники в период использования таких высокоимпедансных источников звука, как пьезоэлектрические микрофоны. Для подключения таких устройств требуются экранированные кабели, однако их емкость подавляет высокочастотные составляющие сигнала.
Для решения этой проблемы пришлось обратиться к основам физики конденсаторов и найти способ уменьшения емкости кабеля. Известно, что если между внешним экраном и внутренним сигнальным проводом поместить дополнительный проводник, напряжение на котором совпадает с напряжением на сигнальном проводе, емкость значительно уменьшится. Эта идея использовалась NASA еще двадцать лет назад при создании больших емкостных датчиков.
 |
|
| Рисунок 1. | В этом емкостном датчике большой площади конденсатор C1 и любой параллельный ему конденсатор задают частоту мультивибратора на микросхеме IC1, в то время как микросхема IC2 буферизует напряжение конденсатора, управляя платой экрана. Нумерация выводов IC1 приведена для микросхем в корпусе DIP. |
Показанная на Рисунке 1 схема выполняет основную функцию емкостного датчика, оставляя детектирование частоты внешнему микроконтроллеру. Таймер 555 (IC1) включен по схеме автоколебательного мультивибратора с минимально допустимой емкостью времязадающего конденсатора C1. При указанных на схеме номиналах компонентов частота генерации слегка превышает 10 кГц. Микросхема IC2 буферизует напряжение конденсатора C1, управляя платой экрана.
Резисторы R3 и R4 уменьшают напряжение на входе IC2 примерно на 1%. Это предотвращает генерацию, которая может возникать из-за влияния внешней емкости. R6 включен в схему в связи с тем, что не все операционные усилители способны сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Микросхема IC2 должна иметь достаточно большое произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания, позволяющее передавать сигнал без амплитудных искажений и фазовых сдвигов.
 |
|
| Рисунок 2. | В созданном датчике одна сторона двухсторонней печатной платы используется как сигнальный слой, а вторая – как управляемый экран. Полубесконечный слой земли слегка большей площади может быть сделан либо также на основе печатной платы, либо из алюминиевого листа. |
Конструкция датчика изображена на Рисунке 2. Приведены размеры, использованные в созданном автором прототипе, которые можно варьировать в довольно широких пределах. При практической реализации устройства целесообразно электрическую схему разместить на углу земляной пластины.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость выходной частоты схемы от расстояния между рукой и платой датчика очень близка к обратно пропорциональной. |
По отношению к величине, обратной расстоянию до руки, частота изменяется практически линейно (Рисунок 3). В проведенном автором эксперименте прикосновение руки снижало частоту до 10.47 кГц. Рука, отделенная от датчика листом фанеры толщиной 10 мм или гипсокартонной панелью смещала частоту на 10%. Обнаружить такое изменение частоты совсем несложно. И хотя для этих целей выпускаются специальные микросхемы частотных детекторов, проще и дешевле использовать микроконтроллер для измерения периода сигнала.
