در این مقاله قصد داریم که روش ساخت کلیدهای لمسی که بر روی PCB پیاده سازی می شوند را بررسی کنیم. در ابتدا اصول کار کلیدهای لمسی خازنی بیان می شود. سپس روش تشخیص لمس شدن این کلیدها بیان می شود و سپس این تکنیک بر روی میکروکنترلرهای معمولی پیاده سازی می شود. در نهایت روش رسم این کلیدها بر روی PCB بیان می گردد.
اصول عملکرد کلید لمسی خازنی
کلید لمسی خازن در واقع یک خازن با ظرفیت کم است که در صورت لمس شدن ظرفیت آن تغییر می کند. این تغییر ظرفیت به دو دلیل عمده اتفاق می افتد و به دلیل ساختار خازن پیاده سازی شده برای این منظور می باشد. اولین دلیل تغییر ظرفیت خازن کلید لمسی در زمان قرار گرفتن انگشت بر روی آن عملکرد بدن به عنوان یک دی الکتریک با ضریب گذردهی الکتریکی نسبی بالا می باشد.
ضریب گذردهی به طور مستقیم در ظرفیت خازن تاثیر می گذارد و با افزایش آن، ظرفیت خازن افزایش می یابد. دلیل بعدی برای افزایش ظرفیت خازن آن است که سطح پوست مانند یک سطح رسانا عمل می کند و بنابراین به عنوان یک صفحه از یک خازن تخت خواهد بود. صفحه دیگر این خازن تخت، سطح PCB (قسمتی از PCB که به عنوان کلید است) می باشد که با خازن کلید لمسی موازی شده و ظرفیت کل خازن کلید را افزایش می دهد.
روش تشخیص لمس شدن کلید لمسی خازنی
با توجه به اصول عملکرد این کلیدها که در قسمت قبل بیان شد، روش تشخیص لمس این نوع کلید، اندازه گیری ظرفیت خازنی کلید به طور مداوم است. هر اندازه گیری با مقدار متوسط خازن کلید در زمان هایی که کلید لمس نشده مقایسه می شود و در صورت مشاهده ی افزایش میزان ظرفیت خازنی از یک حد معین، لمس شدن کلید تشخیص داده می شود.
روش اندازه گیری ظرفیت خازنی
روش اندازه گیری ظرفیت خازنی کلید لمسی با میکروکنترلرهای معمولی
نمودار زیر نشان می دهد که چگونه خازن به سرعت شارژ می شود(خازن کلید ظرفیت بسیار کمی دارد و به سرعت شارژ می شود) و سپس یک مدار RC ساده ایجاد شده که می توان بر ثابت زمانی آن، ظرفیت خازن را اندازه گرفت.
طراحی کلید لمسی خازنی بر روی PCB
طراحی کلید لمسی خازنی بر روی PCB می تواند به صورت ساده پیاده سازی شود و گاهی نیز بسته به نیاز طراحی پیچیده تری داشته باشد. در شکل زیر، یک طرح ساده از کلید لمسی خازنی معمولی نشان داده است. در اغلب موارد، کلید لمسی خازنی توسط صفحه ی متصل به زمین احاطه شده تا در برابر نویز عملکرد بهتری داشته باشد. برای مقاومت در برابر عوامل محیطی و ایجاد یک ایزولاسیون، معمولا بر روی کلیدهای خازنی، چاپ محافظ (معروف به چاپ سبز) نیز کشیده می شود.
در حالت عادی، خازن معادل به سطح کلید تا زمین ناشی از کوپلینگ الکتریکی بین سطح کلید و صفحه زمیدر این مطلب، ویدئو نحوه ساخت مدار سوئیچ لمسی با استفاده از یک ترانزیستور ماسفت. پروژه های ترانزیستور ماسفت با زیرنویس فارسی را برای دانلود قرار داده ام.
ساخت کلید لمسی خازنی برای میکروکنترلر به روش ساده
در این مقاله قصد داریم که روش ساخت کلیدهای لمسی که بر روی PCB پیاده سازی می شوند را بررسی کنیم. در ابتدا اصول کار کلیدهای لمسی خازنی بیان می شود. سپس روش تشخیص لمس شدن این کلیدها بیان می شود و سپس این تکنیک بر روی میکروکنترلرهای معمولی پیاده سازی می شود. در نهایت روش رسم این کلیدها بر روی PCB بیان می گردد.
اصول عملکرد کلید لمسی خازنی
کلید لمسی خازن در واقع یک خازن با ظرفیت کم است که در صورت لمس شدن ظرفیت آن تغییر می کند. این تغییر ظرفیت به دو دلیل عمده اتفاق می افتد و به دلیل ساختار خازن پیاده سازی شده برای این منظور می باشد. اولین دلیل تغییر ظرفیت خازن کلید لمسی در زمان قرار گرفتن انگشت بر روی آن عملکرد بدن به عنوان یک دی الکتریک با ضریب گذردهی الکتریکی نسبی بالا می باشد.
ضریب گذردهی به طور مستقیم در ظرفیت خازن تاثیر می گذارد و با افزایش آن، ظرفیت خازن افزایش می یابد. دلیل بعدی برای افزایش ظرفیت خازن آن است که سطح پوست مانند یک سطح رسانا عمل می کند و بنابراین به عنوان یک صفحه از یک خازن تخت خواهد بود. صفحه دیگر این خازن تخت، سطح PCB (قسمتی از PCB که به عنوان کلید است) می باشد که با خازن کلید لمسی موازی شده و ظرفیت کل خازن کلید را افزایش می دهد.
روش تشخیص لمس شدن کلید لمسی خازنی
با توجه به اصول عملکرد این کلیدها که در قسمت قبل بیان شد، روش تشخیص لمس این نوع کلید، اندازه گیری ظرفیت خازنی کلید به طور مداوم است. هر اندازه گیری با مقدار متوسط خازن کلید در زمان هایی که کلید لمس نشده مقایسه می شود و در صورت مشاهده ی افزایش میزان ظرفیت خازنی از یک حد معین، لمس شدن کلید تشخیص داده می شود.
روش اندازه گیری ظرفیت خازنی
روش های اندازه گیری ظرفیت خازنی در دو دسته کلی قرار می گیرند. روش اول روش شارژ و دشارژ خازن با یک منبع ولتاژ و یک مقاومت ثابت و مشخص است که در این صورت با اندازه گیری ثابت زمانی شارژ و یا دشارژ خازن می توان به ظرفیت خازن دست پیدا کرد. روش دیگر اعمال سیگنال AC به خازن و قرار دادن آن در یک پل وتستون (یا روش های مشابه دیگر) و اندازه گیری امپدانس آن است. با مشخص بودن فرکانس سیگنال AC می توان به مقدار ظرفیت خازن دست پیدا کرد
روش اندازه گیری ظرفیت خازنی کلید لمسی با میکروکنترلرهای معمولی
برای اندازه گیری ظرفیت خازنی یک کلید لمسی با استفاده از میکروکنترلرهای معمولی، روش اول که در قسمت بالا بیان شد به راحتی قابل انجام است. ساده ترین میکروکنترلرها نیز دارای تایمر برای سنجش زمان، پایه I/O با قابلیت جریان دهی کافی برای این کاربرد و امکان Hi-Impedance کردن پایه I/O را دارند. این امکانات به ما کمک می کند که بتوانیم خازن کلید را با استفاده از یک پایه I/O شارژ کنیم، سپس پایه I/O را به حالت امپدانس بالا (Hi-Z) تنظیم کنیم و از طریق یک مقاومت مناسب و معلوم خازن را دشارژ کنیم و ثابت زمانی دشارژ را اندازه بگیریم.
در این صورت ظرفیت خازنی قابل محاسبه خواهد بود. در شکل زیر، فلش آبی نشان دهنده جریان شارژ است که خازن را به سرعت شارژ می کند. فلش قرمز رنگ مسیر دشارژ خازن است. دقت کنید که با توجه به Hi-Z بودن پایه میکروکنترلر در زمان دشارژ، خازن فقط توسط مقاومت دشارژ می شود.
طراحی کلید لمسی خازنی بر روی PCB
طراحی کلید لمسی خازنی بر روی PCB می تواند به صورت ساده پیاده سازی شود و گاهی نیز بسته به نیاز طراحی پیچیده تری داشته باشد. یک طرح ساده از کلید لمسی خازنی معمولی نشان داده است. در اغلب موارد، کلید لمسی خازنی توسط صفحه ی متصل به زمین احاطه شده تا در برابر نویز عملکرد بهتری داشته باشد. برای مقاومت در برابر عوامل محیطی و ایجاد یک ایزولاسیون، معمولا بر روی کلیدهای خازنی، چاپ محافظ (معروف به چاپ سبز) نیز کشیده می شود.
در حالت عادی، خازن معادل به سطح کلید تا زمین ناشی از کوپلینگ الکتریکی بین سطح کلید و صفحه زمین مجاور آن است. وقتی که انگشت به صفحه نزدیک می شود، آرایش میدان الکتریکی مشابه شکل زیر می شود و خازن معادل بین صفحه کلید و زمین به صورت خواهد شد.
ملاحظات لازم جهت اتصال صفحه کلید لمسی به میکروکنترلر
-ضخامت خط مسی اتصال دهنده کلید و میکرو 0.2 میلی متر باشد
-بین خط مسی اتصال دهنده و سایر بخش های PCB فاصله 0.5 میلی متر یا بیشتر رعایت شود. به عبارت دیگر حداقل clearance برابر 0.5mm باشد.
-خط اتصال دهنده تا حد امکان کوتاه و مستقیم باشد.