30. Кнопочный переключатель

Интеллектуальный кнопочный переключатель, имеющий ЖК-дисплей и светодиодную подсветку один из элементов сенсорных систем управления электрооборудованием (LCD-переключатель), пример которого приведен на рис. 1.23.

Основные характеристики LCD-переключателя состоят в следующем:

– встроенный ЖК-дисплей обеспечивает высококонтрастное изображение с широким углом обзора. Он программируется на отображение графики, цифробуквенных символов и анимационных последовательностей. Размер экрана 15,0 10,8 мм с матрицей 36 24 точки изображения;

– RGB-подсветка обеспечивает 8 различных цветов;

– механический срок службы не менее 1,0 млн. нажатий;

– хорошо выраженный тактильный эффект;

– герметизированные эпоксидной смолой выводы.

На рис. 1.24 представлена функциональная схема внутренней организации LCD-переключателя.

Переключатель имеет один замыкающий позолоченный контакт: коммутирующий 120 мА при напряжении 12 В; имеющий сопротивление 200 Ом при 20 мВ и 10 мА; имеющий сопротивление изоляции 100 Мом при 100 В; механический и электрический срок службы в 1 млн срабатываний при усилии нажатия 2,2 Н и ходе толкателя 1,8 мм. Подсветка дисплея выполняется светодиодами зеленого (G), красного (R) и синего (B) цветов. Угол обзора дисплея регулируемый, размер пикселей 0,36×0,36 мм. Пример принципиальной схемы включения LCD-переключателя на базе контроллера приведен на рис. 1.25. Емкость внутренней памяти LCD-переключателя позволяет хранить восемь изображений экрана, т. е. одной кнопкой можно реализовать восемь функций, которые представляются на экране дисплея в текстовом или графическом виде. Дополнительную информацию несут восемь программируемых цветов подсветки экрана. В принципе возможными цветами подсветки могут быть красный, зеленый, янтарный, синий, желтый, пурпурный, фиолетовый и белый. Возможно программирование подсветки мерцанием, что служит средством привлечения внимания оператора. LCD-переключателей позволяет создать многоязыковую панель управления. Одна и та же команда может быть запрограммирована в каждой кнопке на 8-ми языках. Пользоваль выбирает язык с помощью одного LCD-переключателя и все команды на клавиатуре отображаются на нужном языке.

31. Емкостные сенсоры

Емкостными сенсорами или сенсорными переключателями обычно называют емкостные датчики приближения/касания. Сенсоры являются более дешевыми и более надежными, чем их электромеханические аналоги. Существует несколько сенсорных технологий: резистивные пленки, генерация электрического поля, емкостная, акустическая, инфракрасная и некоторые другие. Рассмотрим емкостные сенсоры. Электрическая емкость определяется как способность объекта или поверхности хранить электрический заряд и соотносится с физическим размером объекта, емкость которого зависит и от его расположения относительно других предметов. В 99 % случаев под емкостью подразумевается взаимная емкость между двумя соседними объектами, которые отделены друг от друга воздухом/вакуумом.

Величина емкости между двумя объектами обратно пропорционально расстоянию между ними и прямо пропорциональна их геометрическим размерам. Наличие промежуточной субстанции между двумя объектами также сильно влияет на величину взаимной емкости; в качестве численной оценки выступает диэлектрическая проницаемость материала. Чем больше ее значение, тем больше заряда можно «запасти» между объектами. Вакуум имеет значение диэлектрической проницаемости 1, различные пластики – от 2 до 5, обычное стекло – около 8, чистая вода – 80, некоторые керамические материалы – до 100. Любой емкостный сенсорный переключатель имеет «плавающую» собственную фоновую емкость, которой соответствует определенный уровень выходного сигнала. При касании сенсора эта емкость изменяется, приводя к изменению выходного сигнала. Если оно превышает некоторый установленный порог, то сенсор регистрирует факт нажатия клавиши. Когда такой сенсор входит в состав носимого устройства, то для обеспечения устойчивой работы приходится решать ряд дополнительных проблем.

Принцип обнаружения объекта по изменению электромагнитного поля – это влияние на него емкости самого объекта. Примером служит кристалл AD7142, имеющий 14 измерительных каналов, 32 контактные площадки и работающий при напряжении питания 2,7 - 3,3 В. Работа сенсора основана на генерации сигнала прямоугольной формы с частотой 240 кГц, который приложен к одному из электродов. Интенсивность создаваемого электрического поля измеряется на соседнем электроде с помощью 16‑разрядного сигма-дельта преобразователя в цифровой код (CDC).

Этот преобразователь в микросхеме единственный: входные сигналы от электродов-приемников последовательно коммутируются на его вход. Присутствие пальца или другого проводящего предмета шунтирует собственную емкость соответствующей клавиши, заставляя выходной код CDC изменяться. Когда это изменение превышает программно установленный порог срабатывания, сенсор реагирует нажатие клавиши. Каждый из каналов преобразования AD7142 имеет свой собственный регистр результата, считываемый внешним процессором по последовательному интерфейсу. Тип интерфейса (SPI или I C) определяется модификацией микросхемы, ее хост-процессор считывает сигнал с выхода АЦП через последовательный интерфейс. Наличие стандартного последовательного интерфейса и линий прерывания позволяет легко сопрягать эти АЦП с микроконтроллерами. Микросхема содержит 14 емкостных входов, которые могут сопрягаться с кнопками, мерными линейками или дисками. Внешние электроды ИМС расположены на двух- или четырехслойной печатной плате. Программированием встроенного в АЦП регистра, его входы устанавливаются в любое необходимое состояние, усредняются выходные данные и регулируется смещение нуля, имеется возможность управления очередностью опроса емкостных сенсоров. Блок синтезатора на кристалле поддерживает до 12 стадий преобразования на измерительную последовательность, поэтому можно оптимизировать производительность работы и энергопотребление микросхемы путем баланса между количеством преобразований и частотой дискретизации CDC. Рекомендуется устанавливать общее время измерительной последовательности от 35 до 40 миллисекунд.

Внутренняя процедура калибровки на кристалле выполняется после каждой измерительной последовательности. Это необходимо для определения изменений в собственной емкости сенсора, что позволяет исключить влияние на результат преобразования таких воздействий внешней среды, как температура, влажность и пр. Программируемые регистры позволяют подстраивать время задержки калибровки для режимов работы микросхемы на полной и пониженной мощности, что реализует защиту против “зависания” пальца пользователя на кнопке на продолжительное время, запрещая тем самым процесс калибровки. Имея 14 входов, микросхема может быть запрограммирована для работы с различными конфигурациями датчиков. AD7142 может работать в режимах полной и пониженной мощности и в спящем режиме. В основном режиме (полной мощности) кристалл непрерывно осуществляет преобразования и автокалибровку с постоянным темпом. Режим пониженной мощности позволяет программно выбирать различные значения частоты обновления сигнала на выходе и, соответственно, различные уровни энергопотребления. АЦП микросхемы включают логические узлы и оперативную память на 528 слов, что позволяет корректировать работу преобразователя при изменении условий окружающей среды. Изменение влажности, температуры и других факторов окружающей среды влияет на работу емкостных сенсоров, поэтому во время эксплуатации АЦП необходимо периодически калибровать, чтобы уменьшить влияние внешних факторов на результат преобразования, кроме этого предусмотрена возможность управления чувствительностью емкостных сенсоров в зависимости от силы касания (мягкого или жесткого). Независимая установка порога активации каждого емкостного сенсора существенна, если управляющие элементы имеют разные габариты, например, могут быть использованы одновременно кнопки диаметром 5 и 10 мм. Если диаметр кнопки меньше, необходимо большее усилие для активации сенсора. Для устранения этого недостатка порог чувствительности каждого сенсора регулируется автономно с учетом размеров элемента управления. Другим подходом создания емкостных сенсоров является технология переноса заряда – QT. QT-сенсор представляет собой специализированный микроконтроллер, который запрограммирован на заряд чувствительной поверхности неизвестной емкости до известного потенциала с последующим измерением перенесенного заряда. Чувствительная поверхность может быть любой – от площадки на печатной плате до оптически прозрачного участка In-SnO² на поверхности сенсорного дисплея. Измеряя заряд этой поверхности после одного или нескольких циклов заряд-переноса, микроконтроллер определяет емкость чувствительной поверхности. При определенном алгоритме следования циклов “заряд-измерение” и вариациях их длительности гарантируется надежное определение касания.