Elio Mazzocca
Емкостной датчик может быть универсальным инструментом, с помощью которого удивительно простым способом можно решать довольно сложные задачи. Например, превратить термометр со столбиком из жидкого металла в чувствительный элемент термостата. Подобные термометры выпускаются с верхним пределом от 50 до 360 °C, позволяя использовать эту нехитрую конструкцию в очень широком диапазоне температур.
Принцип работы схемы основан на измерении емкости между двумя электродами из полосок проводящей фольги, наклеенных на поверхность термометра. Когда столбик термометра из жидкого металла поднимается до верхнего электрода, расположенного напротив требуемой отметки температуры, образуется конфигурация, эквивалентная схеме на Рис. 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Проводящий металл внутри термометра создает емкостную связь между электродами, намотанными снаружи. |
| Надписи на рисунке | |
| Conductive column | Проводящий столбик |
| Glass | Стекло |
| Current-sense amplifier | Усилитель датчика тока |
| Capacitance measuring circuit | Схема измерения емкости |
Каждый электрод играет роль одной из обкладок конденсаторов, столбик жидкого металла в термометре – второй обкладки, общей для обоих конденсаторов, а стеклянная колба служит диэлектриком между обкладками. Микроконтроллер отслеживает величину емкости и определяет, когда столбик металла (т.е., температура) достигает установленного уровня.
Предложенный метод применим только к термометрам на основе проводящих жидкостей. Поскольку предписания Европейского Союза ограничивают использование ртути, следует выбирать термометры, в которых применяются нетоксичные материалы, например, сплав галлий-индий.
До тех пор, пока столбик удален от порога, цепь разомкнута. Когда же столбик достигает верхнего электрода, два конденсатора оказываются соединенными вместе. Емкость верхнего электрода будет максимальной, когда столбик заполнит все пространство за фольгой. Поскольку столбик типичного термометра на диапазон от 0 до 50 °C может быть совсем тонким, вплоть до 0.2 мм, емкость будет иметь порядок долей пикофарады.
Электрод надо разместить чуть ниже требуемого значения температуры, чтобы детектор заряда мог работать при максимальном уровне сигнала. Практическая длина верхнего электрода должна быть около 10 мм. А нижний электрод, в целях обеспечения наибольшей чувствительности детектора, нужно делать как можно больше. В нашем примере его длина 30 мм. Промежуток между электродами оставляет возможность для визуальной индикации температуры.
В схеме термостата (Рис. 2) используется микроконтроллер ATmega8515 и демонстрационная библиотека фирмы Atmel для работы с емкостными датчиками. Библиотеку можно сконфигурировать под клавиатуру, роторные или линейные регуляторы и многое другое, что позволяет разработчику оптимизировать программу по уровню чувствительности, величине порогов и других параметров, используемых в датчиках малых емкостей.
 |
|
| Рисунок 2. | Используя программное обеспечение, предназначенное для датчиков прикосновения, микроконтроллер превращает обмотанный фольговыми электродами термометр в основу для термостата. |
| Надписи на рисунке | |
|
Conductive band Length about 10mm |
Длина проводящей полоски около 10 мм |
| Length about 30mm | Длина примерно 30 мм |
| Thermometer | Термометр |
Демонстрационная программа IFD2438Mazzocca.c, написанная автором для этого проекта, эмулирует аппаратный датчик прикосновения, подобный микросхеме серии QT110. Программа использует ссылки на библиотеку Atmel IFD2438Atmel.h.
Эти микросхемы с автоматической калибровкой не могут непосредственно использоваться в нашем термостате, т.к. будут постоянно обнулять сигнал всякий раз, когда столбик термометра задержится над верхним электродом более чем на период перекалибровки, типовое значения которого лежит в пределах от 10 секунд до 1 минуты. Поэтому программа запрещает калибровку. Добавление приведенных ниже строк программного кода превращает датчик прикосновения в термостат:
DDRC = 0xFF; //PortC = output
PORTC = 0x0; //all O/Ps lo
if(qt_measure_data.qt_touch_status.sensor_states[0])
{PORTC |= (1<<0); } //bit 0 hi
else { PORTC &= ~(1<<0); } //bit 0 lo
Для практического применения схеме детектора требуется определенная термостабильность, которую можно обеспечить использованием соответствующего источника питания для микроконтроллера и выбором накопительного конденсатора C1 с низким температурным коэффициентом емкости. Идущие к электродам контакты необходимо надежно зафиксировать, их подвижность должна быть минимальной. В противном случае, паразитная емкость контактов, суммируясь с емкостью столбика термометра, будет влиять на величину порога детектора.
