- Cảm biến cảm ứng điện dung là gì và nó hoạt động như thế nào?
- Xây dựng cảm biến cảm ứng điện dung bốn chiều
- Vật liệu cần thiết cho mạch điều khiển cảm ứng ESP32
- Mạch điều khiển cho cảm biến cảm ứng điện dung của chúng tôi
- Thiết kế PCB cho mạch cảm ứng điện dung
- Mã Arduino cho cảm biến cảm ứng điện dung dựa trên ESP32
- Kiểm tra mạch cảm biến cảm ứng dựa trên ESP32
- Cải tiến hơn nữa
Trong nhiều trường hợp, cảm biến cảm ứng được sử dụng thay vì nút nhấn. Ưu điểm là chúng ta không phải cung cấp lực để nhấn một nút và chúng ta có thể kích hoạt một phím mà không cần chạm vào nó bằng cảm biến cảm ứng. Công nghệ cảm ứng đang trở nên phổ biến từng ngày. Và trong vòng một thập kỷ gần đây, thật khó để tưởng tượng thế giới không có thiết bị điện tử cảm ứng. Cả hai phương pháp cảm ứng điện trở và cảm ứng điện dung đều có thể được sử dụng để phát triển cảm biến cảm ứng và trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về một cách thô sơ để tạo cảm biến cảm ứng điện dung với ESP32, trước đây chúng tôi cũng đã xây dựng nút cảm ứng điện dung với Raspberry pi.
Mặc dù cảm biến cảm ứng dành riêng cho ứng dụng có thể hơi phức tạp, nhưng nguyên tắc cơ bản của công nghệ này vẫn giữ nguyên, vì vậy trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung phát triển cảm biến cảm ứng điện dung với sự trợ giúp của ESP32 yêu thích của chúng tôi và một miếng đồng- tấm ốp.
Trong hướng dẫn trước, chúng tôi đã thực hiện Điều khiển đèn nhà bằng cảm ứng bằng Cảm biến cảm ứng TTP223 và Arduino UNO, Bây giờ trong dự án này, chúng tôi đang xây dựng cảm biến cảm ứng cho ESP32 nhưng cũng có thể sử dụng cảm biến tương tự cho Arduino. Ngoài ra, trước đây chúng tôi đã sử dụng các phương thức nhập dựa trên cảm ứng bằng cách sử dụng các miếng cảm ứng điện dung với các bộ vi điều khiển khác nhau như Touch Keypad Interfacing với ATmega32 Microcontroller và Capacitive TouchPad với Raspberry Pi, bạn cũng có thể kiểm tra chúng nếu quan tâm.
Cảm biến cảm ứng điện dung là gì và nó hoạt động như thế nào?
Tụ điện có nhiều dạng. Phổ biến nhất một khi có dạng một gói có chì hoặc một gói gắn trên bề mặt e nhưng để tạo thành điện dung, chúng ta cần các dây dẫn được ngăn cách bằng vật liệu điện môi. Vì vậy, thật dễ dàng để tạo một cái. Một ví dụ điển hình sẽ là ví dụ mà chúng tôi sẽ phát triển trong ví dụ sau.
Coi PCB được khắc là vật liệu dẫn điện, miếng dán hoạt động như một vật liệu điện môi, vì vậy câu hỏi vẫn còn là, việc chạm vào miếng đồng khiến điện dung thay đổi theo cách mà bộ điều khiển cảm ứng có thể phát hiện ra như thế nào? Tất nhiên là một ngón tay của con người.
Chà, chủ yếu có hai lý do: Thứ nhất, một là do tính chất điện môi của ngón tay chúng ta, lý do thứ hai là do đặc tính dẫn điện của ngón tay. Chúng tôi sẽ sử dụng cảm ứng điện dung. Vì vậy, chúng tôi sẽ tập trung vào cảm biến cảm ứng điện dung. Nhưng trước khi chúng ta thảo luận về tất cả những điều này, điều quan trọng cần lưu ý là không có bất kỳ sự dẫn truyền nào diễn ra và ngón tay được cách nhiệt, vì giấy được sử dụng trong nhãn dán. Vì vậy, ngón tay không thể xả tụ điện.
Ngón tay hoạt động như điện môi:
Thông thường, một tụ điện có giá trị không đổi có thể được xác định bằng diện tích của hai bản dẫn, khoảng cách giữa các bản và hằng số điện môi của nó. Chúng ta không thể thay đổi diện tích của tụ điện chỉ bằng cách chạm vào nó nhưng chúng ta chắc chắn có thể thay đổi hằng số điện môi của tụ điện vì ngón tay người có hằng số điện môi khác với vật liệu hiển thị nó. Trong trường hợp của chúng ta, đó là không khí, chúng ta đang di chuyển không khí bằng những ngón tay của mình. Nếu bạn đang hỏi làm thế nào? Đó là do hằng số điện môi của không khí 1006 ở nhiệt độ phòng trên mực nước biển và hằng số điện môi của ngón tay cao hơn nhiều vào khoảng 80 vì ngón tay người bao gồm chủ yếu là nước. Vì vậy, sự tương tác của ngón tay với điện trường của tụ điện làm tăng hằng số điện môi, do đó điện dung tăng.
Bây giờ chúng ta đã hiểu về nguyên tắc cơ bản, hãy chuyển sang việc tạo ra PCB thực tế.
Xây dựng cảm biến cảm ứng điện dung bốn chiều
Các cảm biến cảm ứng điện dung được sử dụng trong dự án này có bốn kênh, và thật dễ dàng để thực hiện. Dưới đây chúng tôi đã đề cập đến quy trình chi tiết để tạo ra một.
Đầu tiên, chúng tôi tạo PCB cho cảm biến với sự trợ giúp của công cụ thiết kế Eagle PCB, trông giống như hình bên dưới.
Với sự trợ giúp của kích thước và Photoshop, chúng tôi đã tạo mẫu và cuối cùng là nhãn dán cho cảm biến, trông giống như hình ảnh bên dưới,
Bây giờ, khi chúng tôi đã hoàn thành nhãn dán, chúng tôi chuyển sang tạo mẫu bảng ốp thực tế mà chúng tôi sẽ sử dụng để tạo PCB của chúng tôi, trông giống như hình ảnh bên dưới,
Bây giờ chúng ta có thể in tệp này và tiến hành các quá trình tạo ra một PCB tự chế. NẾU bạn là người mới, bạn có thể xem bài viết về cách xây dựng PCB tại nhà. Bạn cũng có thể tải xuống các tệp PDF và Gerber cần thiết từ liên kết bên dưới
- Tệp GERBER cho Cảm biến cảm ứng điện dung bốn kênh
Sau khi hoàn tất, PCB được khắc thực tế trông giống như hình ảnh bên dưới.
Bây giờ đã đến lúc khoan một số lỗ và chúng tôi kết nối một số dây với PCB. Để chúng tôi có thể kết nối nó với bảng ESP32. Sau khi hoàn thành, nó sẽ giống như hình dưới đây.
Vì chúng tôi không đặt qua trong PCB, nên chất hàn dính khắp nơi trong khi hàn, chúng tôi đã khắc phục sai lầm của mình bằng cách đặt một lỗ khoan trên PCB, bạn có thể tìm thấy trong phần tải xuống ở trên. Cuối cùng, đã đến lúc dán nhãn và hoàn thiện nó. Trông giống như hình dưới đây.
Bây giờ chúng ta đã làm xong bảng điều khiển Cảm ứng, đã đến lúc chuyển sang phần làm Mạch điều khiển cho bảng điều khiển cảm ứng.
Vật liệu cần thiết cho mạch điều khiển cảm ứng ESP32
Các thành phần cần thiết để xây dựng phần bộ điều khiển sử dụng ESP32 được đưa ra dưới đây, bạn có thể tìm thấy hầu hết chúng trong cửa hàng sở thích cục bộ.
Tôi cũng đã liệt kê các thành phần trong bảng dưới đây với loại và số lượng cần thiết, vì chúng tôi đang giao tiếp cảm biến cảm ứng bốn kênh và điều khiển bốn tải AC, chúng tôi sẽ sử dụng 4 rơ le để chuyển tải AC và 4 bóng bán dẫn để chế tạo rơ le mạch điều khiển.
|
SI. Không |
Các bộ phận |
Kiểu |
Định lượng |
|
1 |
Chuyển tiếp |
Công tắc điện |
4 |
|
2 |
BD139 |
Bóng bán dẫn |
4 |
|
3 |
Thiết bị đầu cuối vít |
Thiết bị đầu cuối vít 5mmx2 |
4 |
|
4 |
1N4007 |
Diode |
5 |
|
5 |
0,1uF |
Tụ điện |
1 |
|
6 |
100uF, 25V |
Tụ điện |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Bộ điều chỉnh điện áp |
1 |
|
số 8 |
1 nghìn |
Điện trở |
4 |
|
9 |
560R |
Điện trở |
4 |
|
10 |
Đèn LED màu hổ phách |
Đèn LED |
4 |
|
11 |
Header nam |
Kết nối |
4 |
|
12 |
Tiêu đề Nữ |
Kết nối |
30 |
|
13 |
dẫn màu đỏ |
Đèn LED |
1 |
|
14 |
Bảng nhà phát triển ESP32 V1 |
Bảng ESP32 |
1 |
|
12 |
Bảng ốp |
Chung 50x 50mm |
1 |
|
13 |
Dây nhảy |
Dây điện |
4 |
|
14 |
Kết nối dây |
Dây điện |
5 |
Mạch điều khiển cho cảm biến cảm ứng điện dung của chúng tôi
Hình ảnh dưới đây cho thấy sơ đồ mạch hoàn chỉnh cho cảm biến cảm ứng dựa trên ESP32 của chúng tôi .
Như bạn thấy, nó là một mạch rất đơn giản với các thành phần rất tối thiểu được yêu cầu.
Vì đây là một mạch cảm biến cảm ứng đơn giản, nên nó có thể hữu ích ở những nơi bạn muốn tương tác với thiết bị thông qua cảm ứng, chẳng hạn như thay vì sử dụng công tắc gắn trên bảng thông thường, bạn có thể bật / tắt thiết bị của mình bằng cách chạm.
Trong sơ đồ, giắc cắm thùng DC được sử dụng làm đầu vào nơi chúng tôi cung cấp nguồn điện cần thiết để cấp nguồn cho mạch, từ đó chúng tôi có bộ điều chỉnh điện áp 7805 của chúng tôi sẽ chuyển đổi đầu vào DC không được kiểm soát thành DC 5V không đổi mà chúng tôi đang cung cấp nguồn cho mô-đun ESP32.
Tiếp theo, trong sơ đồ, chúng ta có các đầu nối cảm ứng trên chân 25, 26, 27, 28, nơi chúng ta sẽ kết nối bàn di chuột.
Tiếp theo, chúng ta có các rơ le được chuyển mạch qua bóng bán dẫn BD139, điốt D2, D3, D4, D5 ở đó để bảo vệ mạch khỏi bất kỳ điện áp thoáng qua nào được tạo ra khi rơ le bật tắt, các điốt trong cấu hình này được gọi là diode bay lùi / diode tự do. Các điện trở 560R ở chân đế của mỗi bóng bán dẫn được sử dụng để hạn chế dòng điện chạy qua đế.
Thiết kế PCB cho mạch cảm ứng điện dung
PCB cho mạch cảm biến cảm ứng của chúng tôi được thiết kế cho một bảng một mặt. Chúng tôi đã sử dụng Eagle để thiết kế PCB của tôi, nhưng bạn có thể sử dụng bất kỳ phần mềm Thiết kế nào mà bạn chọn. Hình ảnh 2D của thiết kế bảng của chúng tôi được hiển thị bên dưới.
Đường kính vết đủ được sử dụng để tạo các rãnh nguồn, được sử dụng để chạy dòng điện qua bảng mạch. Chúng tôi đặt thiết bị đầu cuối vít ở trên cùng vì việc kết nối tải của bạn theo cách đó dễ dàng hơn nhiều và đầu nối nguồn, là giắc cắm thùng DC được đặt ở bên cạnh, giúp dễ dàng truy cập. Bạn có thể tải xuống tệp Thiết kế hoàn chỉnh cho Eagle cùng với Gerber từ liên kết bên dưới.
- Tệp GERBER cho Mạch điều khiển cảm biến cảm ứng dựa trên ESP32
Bây giờ Thiết kế của chúng tôi đã sẵn sàng, đã đến lúc khắc và hàn bảng. Sau khi hoàn tất quá trình khắc, khoan và hàn, bảng có dạng như hình bên dưới,
Mã Arduino cho cảm biến cảm ứng điện dung dựa trên ESP32
Đối với dự án này, chúng tôi sẽ lập trình ESP32 với một mã tùy chỉnh mà chúng tôi sẽ mô tả ngay sau đây. Mã rất đơn giản và dễ sử dụng, Chúng tôi bắt đầu bằng cách xác định tất cả các chân cần thiết, trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi xác định các chân cho cảm biến cảm ứng và rơ le của chúng tôi.
#define Relay_PIN_1 15 #define Relay_PIN_2 2 #define Relay_PIN_3 4 #define Relay_PIN_4 16 #define TOUCH_SENSOR_PIN_1 13 #define TOUCH_SENSOR_PIN_2 12 #define TOUCH_SENSOR_PIN_3 14 #define TOUCH_PIN 27
Tiếp theo, trong phần thiết lập, chúng tôi bắt đầu bằng cách khởi tạo UART để gỡ lỗi, tiếp theo chúng tôi đã giới thiệu độ trễ 1S giúp chúng tôi có một chút thời gian để mở cửa sổ Serial Monitor. Tiếp theo, chúng ta sử dụng chức năng Arduinos pinMode để tạo các chân Relay làm đầu ra, đánh dấu sự kết thúc của phần Setup () .
void setup () {Serial.begin (115200); chậm trễ (1000); pinMode (Relay_PIN_1, OUTPUT); pinMode (Relay_PIN_2, OUTPUT); pinMode (Relay_PIN_3, OUTPUT); pinMode (Relay_PIN_4, OUTPUT); }
Chúng tôi bắt đầu của chúng tôi loop phần với một nếu tuyên bố, chức năng được xây dựng trong touchRead (pin_no) được sử dụng để xác định xem một pin được chạm vào hay không. Hàm touchRead (pin_no) trả về một phạm vi giá trị nguyên (0 - 100), giá trị luôn ở gần 100, nhưng nếu chúng ta chạm vào chân đã chọn, giá trị sẽ giảm xuống gần 0 và với sự trợ giúp của giá trị thay đổi, chúng ta có thể xác định xem chốt cụ thể có bị ngón tay chạm vào hay không.
Trong khi tuyên bố, chúng tôi đang kiểm tra đối với bất kỳ sự thay đổi trong các giá trị số nguyên, và nếu đạt giá trị dưới 28 tuổi, chúng ta có thể chắc chắn rằng chúng ta đã thừa nhận một liên lạc. Khi nếu tuyên bố sẽ trở thành sự thật, chúng tôi chờ đợi 50ms và kiểm tra các thông số một lần nữa, điều này sẽ giúp chúng tôi xác định nếu giá trị cảm biến đã kích hoạt sai, sau đó, chúng tôi nghịch tình trạng của pin bằng cách sử dụng các digitalWrite (Relay_PIN_1,! DigitalRead (Relay_PIN_1)) và phần còn lại của mã được giữ nguyên.
if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_1) <28) {if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_1) <28) {Serial.println ("Cảm biến một được chạm"); digitalWrite (Relay_PIN_1,! digitalRead (Relay_PIN_1)); }} else if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_2) <28) {if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_2) <28) {Serial.println ("Cảm biến hai được chạm"); digitalWrite (Relay_PIN_2,! digitalRead (Relay_PIN_2)); }} else if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_3) <28) {if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_3) <28) {Serial.println ("Cảm biến ba được chạm"); digitalWrite (Relay_PIN_3,! digitalRead (Relay_PIN_3)); }} else if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_4) <28) {if (touchRead (TOUCH_SENSOR_PIN_4) <28) {Serial.println ("Cảm biến bốn được chạm"); digitalWrite (Relay_PIN_4,! digitalRead (Relay_PIN_4)); }}
Cuối cùng, chúng tôi kết thúc mã của mình với độ trễ chặn 200 ms khác.
Kiểm tra mạch cảm biến cảm ứng dựa trên ESP32
Vì đây là một dự án rất đơn giản, bộ thử nghiệm rất đơn giản, như bạn có thể thấy, tôi đã kết nối 4 đèn LED với điện trở hoạt động như tải, vì nó được kết nối với rơ le, bạn có thể dễ dàng kết nối bất kỳ tải nào lên đến 3Amps.
Cải tiến hơn nữa
Mặc dù PCB đơn giản, vẫn còn chỗ cho những cải tiến như bạn có thể thấy từ phía dưới cùng của PCB thực tế, tôi đã kết nối nhiều điện trở trong nỗ lực kết nối bốn đèn LED chỉ báo và kích thước của PCB cũng có thể giảm xuống nếu điều đó trở thành một yêu cầu, Hy vọng bạn thích bài viết và học được một cái gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, bạn có thể để lại trong phần bình luận bên dưới hoặc sử dụng diễn đàn của chúng tôi để đăng các câu hỏi kỹ thuật khác.