Raziskana 3 enostavna kapacitivna vezja senzorja bližine

V tem prispevku izčrpno razpravljamo o 3 osnovnih vezjih senzorjev bližine s številnimi vezji aplikacij in podrobnimi značilnostmi vezja. Prva dva kapacitivna vezja senzorja bližine uporabljata preprosta koncepta, ki temeljita na IC 741 in IC 555, zadnji pa je nekoliko natančnejši in vključuje natančno zasnovo na osnovi IC PCF8883

1) Uporaba IC 741

Spodaj razloženo vezje lahko nastavite tako, da aktivira rele ali katero koli primerno obremenitev, kot je vodovodna pipa , takoj ko se človeško telo ali roka približata kapacitivni plošči senzorja. Bližina roke je v določenih pogojih dovolj le za sprožitev izhoda vezja.

Vhod z visoko impedanco daje Q1, ki je običajni tranzistor z efektom polja, kot je 2N3819. Standardni 741 op amp je uporabljen v obliki občutljivega stikala nivoja napetosti, ki nato poganja trenutni odbojnik Q2, srednje tokovni pnp bipolarni tranzistor, s čimer aktivira rele, ki je lahko navajen preklopiti napravo, kot so alarmi, pipa itd. .

Medtem ko je vezje v stanju pripravljenosti v prostem teku, je napetost na zatiču 3 opcijskega ojačevalnika z ustrezno nastavitvijo vnaprej nastavljene VR1 nastavljena na večjo od napetosti zatiča 2.

To zagotavlja, da bo napetost na izhodnem zatiču 6 visoka, zaradi česar bo tranzistor Q2 in rele ostal izklopljen.

Ko prst približate senzorski plošči ali se ga rahlo dotaknete, bo znižanje nasprotnega prednapetosti VGS povečalo odtočni tok FET Q1, posledični padec napetosti R1 pa bo zmanjšal napetost napajalnega zatiča 3 pod napetostjo, ki obstaja na zatič 2.

To bo povzročilo padec napetosti na zatiču 6 in posledično vklop releja s pomočjo Q2. Upor R4 je mogoče določiti, da se rele v običajnih pogojih IZKLOPLJEN, saj se na izhodu op 6 ojačevalnika lahko razvije majhna pozitivna izklopljena napetost, tudi če je napetost pin 3 nižja od napetosti pin 2 v mirovanje (mirovanje). To težavo bi lahko odpravili preprosto z dodajanjem LED v seriji s podnožjem Q2.

2) Uporaba IC 555

V prispevku je razloženo učinkovito vezje kapacitivnega senzorja bližine na osnovi IC 555, ki se lahko uporablja za odkrivanje vsiljivcev v bližini predmetov s ceno, kot je vaše vozilo. Idejo je zahteval gospod Max Payne.

Zahteva za vezje

Pozdravljeni Swagatam,

Prosimo, objavite kapacitivno / telo / občutljivo vezje, ki ga lahko uporabite na kolesu. Takšna naprava je vidna na varnostnem sistemu avtomobila. Ko se nekdo približa avtomobilu ali preprosto 1-kratno bližino, sproži alarm za 5 sekund.

Kako deluje ta vrsta alarma, se alarm sproži šele, ko se nekdo približa (recimo 30 cm), kakšen tip senzorja uporablja?

Shema vezja

Vljudnost slike vezja: Elektor Electronics

Dizajn

Vezje kapacitivnega senzorja lahko razumemo s pomočjo naslednjega opisa:

IC1 je v bistvu ožičen kot neskončen, vendar brez pravega kondenzatorja. Tu je vstavljena kapacitivna plošča in zavzame položaj kondenzatorja, potrebnega za stabilno delovanje.

Upoštevati je treba, da bo večja kapacitivna plošča povzročila boljši in veliko zanesljivejši odziv vezja.

Ker je vezje predvideno, da deluje kot varnostni sistem za opozarjanje na bližino karoserije vozila, bi lahko bilo telo uporabljeno kot kapacitivna plošča in bi bilo po obsegu ogromno zelo primerno za uporabo.

Ko je integrirana plošča kapacitivnega senzorja bližine, IC555 preklopi v stanje pripravljenosti za nestabilna dejanja.

Pri zaznavanju 'zemeljskega' elementa v neposredni bližini, ki bi lahko bila roka človeka, se razvije potrebna kapacitivnost na pin2 / 6 in tleh IC.

Zgoraj navedeno povzroči trenutni razvoj frekvence, ko začne IC nihati v svojem nestabilnem načinu.

Nestabilni signal se pridobi na pin3 IC, ki je ustrezno 'integriran' s pomočjo R3, R4, R5 skupaj s C3 ---- C5.

'Integrirani' rezultat se poda na oder opampa, nameščen kot primerjalnik.

Primerjalnik, oblikovan okoli IC2, se odzove na to spremembo iz IC1 in jo pretvori v sprožilno napetost, obratovalni T1 in ustrezen rele.

Rele je lahko za potrebno alarmiranje ožičen s sireno ali hupo.

Vendar je praktično vidno, da IC1 v trenutku, ko je v bližini plošče zaznana kaapcitivna tla, ustvari vrh pozitivnega do negativnega napetostnega impulza.

IC2 se odzove izključno na to nenadno naraščanje najvišje napetosti za zahtevano sprožitev.

Če je kapacitivno telo še naprej v neposredni bližini plošče, napetost največje frekvence na pin3 izgine na nivo, ki ga IC2 morda ne bo zaznal, zaradi česar postane neaktiven, kar pomeni, da rele ostane aktiven le, ko je kapacitivni element vstavljen ali odstranjena v bližini površine plošče.

P1, P2 je mogoče prilagoditi za doseganje največje občutljivosti s kapacitivne plošče
Za doseganje zaskočnega učinka se lahko izhod IC2 še naprej integrira v vezje flip flop, zaradi česar je vezje kapacitivnega senzorja bližine izjemno natančno in odzivno

3) Uporaba IC PCF8883

IC PCF8883 je zasnovan tako, da deluje kot natančno stikalo kapacitivnega senzorja bližine z edinstveno (patentirano EDISEN) digitalno tehnologijo za zaznavanje najmanjše razlike v kapacitivnosti okoli določene senzorske plošče.

Glavne značilnosti

Glavne značilnosti tega specializiranega kapacitivnega senzorja bližine lahko preučimo, kot je navedeno spodaj:

Naslednja slika prikazuje notranjo konfiguracijo IC PCF8883

IC se ne zanaša na tradicionalno dinamični kapacitivni način zaznavanja raje zazna spremembe statične kapacitivnosti z uporabo samodejne korekcije z neprekinjeno samodejno kalibracijo.

Tipalo je v bistvu v obliki majhne prevodne folije, ki jo je mogoče neposredno integrirati z ustreznimi izpodi IC za predvideno kapacitivno zaznavanje ali pa jo prek koaksialnih kablov zaključiti na daljše razdalje, da se omogoči natančno in učinkovito daljinsko kapacitivno zaznavanje bližine

Naslednje slike predstavljajo podrobnosti o pinoutu IC PCF8883. Podrobno delovanje različnih priključkov in vgrajenega vezja lahko razumemo z naslednjimi točkami:

Podrobnosti o pinoutu IC PCF8883

Pinout IN, ki naj bi bil povezan z zunanjo kapacitivno zaznavno folijo, je povezan z notranjim RC omrežjem IC.

Čas praznjenja, ki ga poda „tdch“ RC omrežja, se primerja s časom praznjenja drugega RC omrežja, ki je označeno kot „tdchimo“.

Dve RC omrežji greta skozi VDD (INTREGD) z rednim polnjenjem skozi nekaj enakih in sinhroniziranih stikalnih omrežij in se nato s pomočjo upora na Vss ali tla izpraznita

Hitrost izvedbe tega praznjenja naboja se regulira s hitrostjo vzorčenja, označeno z „fs“.

Če se zdi, da potencialna razlika pade pod notranje nastavljeno referenčno napetost VM, ustrezna izhodna moč primerjalnika ponavadi postane nizka. Logična raven, ki sledi primerjalnikom, določa natančen primerjalnik, ki bi dejansko lahko preklopil pred drugim.

In če je ugotovljeno, da je zgornji primerjalnik najprej sprožil, je to posledica upodabljanja impulza na CUP, če pa je zaznano, da je spodnji primerjalnik preklopil pred zgornjim, je impulz omogočen na CDN.

Zgornji impulzi sodelujejo pri nadzoru nivoja naboja zunanjega kondenzatorja Ccpc, povezanega s pin CPC. Ko se na CUP ustvari impulz, se Ccpc za določeno časovno obdobje polni prek VDDUNTREGD, kar sproži naraščajoči potencial na Ccpc.

Povsem na istih linijah, ko se impulz upodablja na CDN, se Ccpc poveže s trenutno pomivalno napravo na tla, ki izprazni kondenzator, kar povzroči, da se njegov potencial poruši.

Kadar koli se kapacitivnost na zatiču IN poveča, ustrezno poveča čas praznjenja tdch, zaradi česar napetost na ustreznem primerjalniku pade v ustrezno daljšem času. Ko se to zgodi, izhod primerjalnika ponavadi postane nizek, kar nato povzroči impulz na CDN, zaradi česar se zunanji kondenzator CCP izprazni do manjše stopnje.

To pomeni, da CUP zdaj generira večino impulzov, zaradi česar se CCP napolni še več, ne da bi šel skozi nadaljnje korake.

Kljub temu si funkcija samodejnega umerjanja umerjene napetosti IC, ki se opira na regulacijo toka umivalnika, povezana z zatičem IN, prizadeva izravnati čas praznjenja tdch, tako da ga sklicuje z notranje nastavljenim časom praznjenja tdcmef.

Napetost na Ccpg je trenutno nadzorovana in postane hitro odgovorna za praznjenje kapacitivnosti na IN, kadar koli se zazna, da se potencial v CCP povečuje. To popolnoma uravnoteži naraščajočo kapacitivnost na vhodnem zatiču IN.

Ta učinek povzroči nastanek sistema za sledenje z zaprto zanko, ki neprekinjeno nadzira in samodejno izenačuje čas praznjenja tdch glede na tdchlmf.

To pomaga popraviti počasne razlike v kapacitivnosti v IN pinout IC. Med hitro polnjenjem, na primer, ko se človeški prst hitro približa zaznavalni foliji, se obravnavana kompenzacija morda ne bo pojavila, v ravnotežnih pogojih se dolžina obdobja praznjenja ne razlikuje, zaradi česar impulz izmenično niha po CUP in CDN.

To nadalje pomeni, da lahko pri večjih vrednostih Ccpg za CUP ali CDN pričakujemo sorazmerno omejene spremembe napetosti za vsak impulz.

Zato notranji tok potoka povzroči počasnejšo kompenzacijo, s čimer se poveča občutljivost senzorja. Nasprotno, ko se CCP zmanjša, občutljivost senzorja pade.

Vgrajen senzorski monitor

Vgrajeni števec števca spremlja sprožilce senzorja in ustrezno šteje impulze na CUP ali CDN, števec se ponastavi vsakič, ko se smer impulza čez CUP na CDN zamenja ali spremeni.

Izhodni zatič, predstavljen kot OUT, se aktivira le, če je zaznano zadostno število impulzov prek CUP ali CDN. Zmerne stopnje motenj ali počasne interakcije med senzorjem ali vhodno kapacitivnostjo ne vplivajo na sprožitev izhoda.

Čip beleži več pogojev, kot so neenakomerni vzorci polnjenja / praznjenja, tako da je upodobljeno potrjeno izhodno preklapljanje in odpravljeno napačno zaznavanje.

Napredni zagon

IC vključuje napredno zagonsko vezje, ki čipu omogoča, da hitro doseže ravnotežje, takoj ko se vklopi napajanje.

Interno je pin OUT konfiguriran kot odprt odtok, ki sproži pinout z visoko logiko (Vdd) z največ 20 mA toka za priključeno obremenitev. Če je na izhodu obremenitev nad 30 mA, se napajanje takoj prekine zaradi zaščite pred kratkim stikom, ki se takoj sproži.
Ta pinout je tudi združljiv s CMOS in zato postane primeren za vse obremenitve na osnovi CMOS ali faze vezja.

Kot smo že omenili, se parameter frekvence vzorčenja „fs“ nanaša na 50% frekvence, uporabljene s časovno mrežo RC. Hitrost vzorčenja lahko nastavite v vnaprej določenem razponu s primerno določitvijo vrednosti CCLIN.

Notranjo modulirana frekvenca oscilatorja s 4% s psevdonaključnim signalom preprečuje kakršne koli možnosti motenj okoliških AC frekvenc.

Način izbirnika stanja izhoda

IC ima tudi uporaben 'način izbire izhodnega stanja', ki ga lahko uporabimo za omogočanje izhodnega zatiča v monostabilnem ali bistabilnem stanju kot odziv na kapacitivno zaznavanje vhodnega izhoda. Prikazana je na naslednji način:

Način # 1 (TYPE omogočen pri Vss): izhod postane aktiven za sp, dokler je vhod pod zunanjim kapacitivnim vplivom.

2. način (TIP omogočen pri VDD / NTRESD): V tem načinu se izhod izmenično vklaplja in izklaplja (visok in nizek) kot odziv na kasnejšo kapacitivno interakcijo med folijo senzorja.

Način # 3 (CTYPE omogočen med TYPE in VSS): S tem pogojem se izhodni zatič sproži (nizko) nekaj vnaprej določenega časa kot odziv na vsak kapacitivni senzorski vhod, katerega trajanje je sorazmerno z vrednostjo CTYPE in ga je mogoče spreminjati s hitrostjo 2,5 ms na nF kapacitivnost.

Standardna vrednost za CTYPE za približno 10 ms zakasnitve v načinu # 3 je lahko 4,7 nF, največja dovoljena vrednost za CTYPE pa je 470 nF, kar lahko povzroči približno sekundo zamude. Kakršni koli nenadni kapacitivni posegi ali vplivi v tem obdobju se preprosto prezrejo.

Kako uporabljati vezje

V naslednjih razdelkih se naučimo tipične konfiguracije vezja z uporabo iste IC, ki jo lahko uporabimo pri vseh izdelkih, ki zahtevajo natančno daljinsko upravljanje bližine stimulirane operacije .

Predlagani kapacitivni senzor bližine se lahko različno uporablja v številnih različnih aplikacijah, kot je navedeno v naslednjih podatkih:

Tipična konfiguracija aplikacije z uporabo IC je prikazana spodaj:

Konfiguracija vezja aplikacije

Napajanje + je priloženo VDD. Za zanesljivejše delovanje čipa je mogoče po možnosti priključiti gladilni kondenzator čez VDD in ozemljitev ter tudi čez VDDUNTREGD in ozemljitev.

Vrednost kapacitivnosti COLIN, ustvarjena na zatiču CLIN, učinkovito določa hitrost vzorčenja. Povečanje hitrosti vzorčenja lahko omogoči podaljšanje reakcijskega časa na vhodu zaznavanja s sorazmernim povečanjem trenutne porabe

Plošča senzorja bližine

Zaznavna kapacitivna zaznavna plošča je lahko v obliki miniaturne kovinske folije ali plošče, zaščitene in izolirane z neprevodno plastjo.

To območje zaznavanja bi lahko prekinili na daljših razdaljah s koaksialnim kablom CCABLE, katerega drugi konci so lahko povezani z IN vmesnika, ali pa bi lahko ploščo preprosto povezali z INpinoutom IC, odvisno od potreb aplikacije.

IC je opremljen z notranjim nizkofrekvenčnim filtrskim vezjem, ki pomaga zatirati vse oblike RF motenj, ki se lahko poskušajo prebiti do IC prek IN-zatiča IC.

Poleg tega, kot je prikazano na diagramu, lahko dodate tudi zunanjo konfiguracijo z uporabo RF in CF za nadaljnje izboljšanje RF dušenja in okrepitev RF odpornosti za vezje.

Da bi dosegli optimalno zmogljivost vezja, je priporočljivo, da je vsota kapacitivnih vrednosti CSENSE + CCABLE + Cp v določenem ustreznem obsegu, dobra raven bi lahko bila približno 30pF.

To pomaga krmilni zanki bolje delovati s statično kapacitivnostjo nad CSENSE za izenačevanje precej počasnejših interakcij na zaznavalni kapacitivni plošči.

Doseči večje kapacitivne vnose

Za doseganje povečane ravni kapacitivnih vhodov je priporočljivo vključiti dodatni upor Rc, kot je prikazano na diagramu, ki pomaga nadzorovati čas praznjenja v skladu z zahtevami notranjega časovnega razporeda.

Površina preseka pritrjene senzorske plošče ali senzorske folije postane neposredno sorazmerna z občutljivostjo vezja, skupaj z vrednostjo kondenzatorja Ccpc, zmanjšanje vrednosti Ccpc lahko močno vpliva na občutljivost senzorske plošče. Zato bi za doseganje učinkovite količine občutljivosti Ccpc lahko optimalno povečali in temu primerno.

Zatič z oznako CPC je interno pripisan z visoko impedanco in je zato lahko dovzeten za uhajanje tokov.

Prepričajte se, da je Ccpc izbran z visokokakovostnim PPC kondenzatorja tipa MKT ali tipa X7R za doseganje optimalne učinkovitosti od zasnove.

Deluje pri nizkih temperaturah

Če naj bi sistem deloval z omejeno vhodno kapacitivnostjo do 35 pF in pri temperaturah zmrzovanja -20 stopinj C, je priporočljivo znižati napajalno napetost na IC na približno 2,8 V. To pa zmanjša delovno območje napetosti Vlicpc, katerega specifikacija je med 0,6 V in VDD - 0,3 V.

Poleg tega bi lahko znižanje delovnega območja Vucpc sorazmerno zmanjšalo območje vhodne kapacitivnosti vezja.

Prav tako lahko opazimo, da se vrednost Vucpc z zniževanjem temperatur povečuje, kot je razvidno iz diagramov, kar nam pove, zakaj ustrezno zniževanje napajalne napetosti pomaga pri zniževanju temperatur.

Priporočene specifikacije komponent

Tabeli 6 in Tabela 7 prikazujeta priporočeni obseg vrednosti komponent, ki jih je mogoče ustrezno izbrati v skladu z želenimi specifikacijami aplikacije s sklicevanjem na zgornja navodila.

Sklic: https://www.nxp.com/docs/en/data-sheet/PCF8883.pdf