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タッチセンサーに再挑戦

このタッチセンサーは以前(5年ほど前)に挑戦して、使い物にできなかった案件で、もう作る事は諦めてましたが、まったくの別件で電気関係の調べものでネットサーフィンしてるときに、ふと静電容量を利用した水位センサーの原理を説明した情報に目が留まり、なんとなくもう一度兆戦したくなってきたのでやってみる事に。

このタッチセンサー(水位センサーも同じく)の原理を素人である私が説明するのは難しい事ですが、私なりに説明すると、「静電容量」というものがあって、これはどれだけ電気(電荷)を溜め込む事ができるか?、という電気の器の大きさのようなもので
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9D%99%E9%9B%BB%E5%AE%B9%E9%87%8F
これは「人間の体」にも「水」にも存在するし、センサーに使う「銅板」や「電線」にも存在する。
要するに「人間の体」も「水」も「銅板」も「電線」もコンデンサ(電気の器)だと思えばよいとの事で、例えばタッチセンサーの場合で考えると、指を触れていないタッチセンサーにも静電容量があるけれども、このタッチセンサに指が触れる(近付くだけでも)と「人の体」の静電容量がプラスされてタッチセンサーの静電容量が大きくなるので、この静電容量が大きくなった事を検知できればタッチスイッチとして機能する事ができる。
この静電容量の変化をどうやって正確に検知するかが、このタッチセンサーの作製を成功させるカギとなる。

5年前にうまくできなかった時の手法は、下記のような回路で

e0359523_15434419.jpg












まず、①のようにセンサーを繋いだポート(PB1)を開放してセンサーに溜まった電荷を放電させる(器を空にする)。
そして次に②のようにポート(PB1)を閉鎖すると5Vの電源からセンサーに電荷が溜まりはじめるので、ポート(PB1)でセンサーの電圧をループで監視し何度目のループでポート(PB1)がHになるかを数えて検知していた。例えば、指で触れていないときにループ100回点目でHになっていたものが、指で触れると200回点目でHになるので、このループの回数の違いによって判断していた。
しかし、この静電容量というものは非常に小さいものなので普通に充電すれば「あっ」という暇もない時間(ナノ秒かピコ秒か知らないけど)で充電されてしまうので、センサーの手前に47MΩ(47000000Ω)の非常に大きな抵抗を入れて非常に小さな電流にして充電し、その充電される時間で検知してたけれども、それが原因なのかどうかは私には解らないけど、判定が安定せず、気持ち良く反応するときもあれば、まったく反応してくれない時もあるという感じで、最終的には使い物にできなかった。


しかし、つい先日見てた情報で、少し違う手法で検知する方法があって、それは「チャージ-トランスファ方式」と呼ばれる方法のようだ。因みに、上記の私が失敗した方法は「単純積分方式」と呼ぶらしい。
この「チャージ-トランスファ方式」という手法が有った事は以前にも知っていたけれども、当時はどうも原理が理解できなかったので手を出さなかった。
しかし、今、その方式が書いてある情報を見ると、なんとなく原理が理解できたので、現在、このタッチスイッチや水位センサーが必要な訳ではないけれども、電気回路の勉強のためにもう一度作ってみようかと・・・

今回、私が組んだのは下図のような回路で、マイコンの2つのポートを使用するのと、コンデンサを一つ追加している。


e0359523_15435283.jpge0359523_15435833.jpg


























仕事の流れとしては 
①PB1、PB2 ともに開放して10nFのコンデンサーとセンサーに溜まってる電荷を全て放電する
②その後、PB2を閉鎖した後にPB1から5Vを出力してセンサーを充電する(この時、PB2は閉鎖しているのでコンデンサーは充電されない)
③その後、PB1を閉鎖してからPB2を開放するとセンサーに溜まっていた電荷が逆流してきてコンデンサに溜まる(このとき、センサーの静電容量よりもずっと大きなコンデンサーなので、1回ではコンデンサーは満タンにならない)
④その後、PB1、PB2共に閉鎖して、PB1のポートがHになったかどうかを確認し、Hになっていなかったら②に戻って繰り返す。

この上記の②から④までの行程をループで回して、④でHになるまでの回数を数える。そして、指を触れていなかった時の回数と比較して、回数が少なくなっていればセンサーの静電容量が大きくなったと判断できる(この時、センサーに溜まった電荷を繰り返しコンデンサーに貯める事になるので、センサーの器が大きくなればコンデンサーには早く溜まる。「単純積分方式」のときとは逆になる)

この方式で試してみた。

まずは、プログラムを書いてから、テストボードに10nFのコンデンサと100Ωの抵抗を組み込んで、センサーとしては小さな銅板に電線をはんだ付けしたのをビニール袋に入れて絶縁しテストしてみた。
e0359523_11190440.jpg



以前の「単純積分方式」と違って、反応が非常に安定している!!
これなら使い物になるんじゃ・・・?
と思い、ビニール袋ではなく、実際に使用するときには使うであろう2ミリ厚のアクリル板でもテストしてみた。



おお、ええ感じに反応してるやないの!!
使い物になりそう。

過去に失敗した「単純積分方式」と今回トライした「チャージ-トランスファ方式」
方法としてはよく似てるけれども、いったいどこにこの安定性の違いがあるのかを私なりに考えてみた。
まず、指先(センサー)は電荷でいうと非常に小さな器なのでスプーンに例えて「スプーンA」と呼ぶ事にする。
どちらの手法も要するに、そのスプーンAに何cc入るのかを計ろうとしている事には違いがないけれども、計り方に大きな違いがあって、「単純積分方式」では、例えて言うと、水道の蛇口から水をポタリポタリと水滴状にして落としいき、その水滴の数を数えながらスプーンAで受けて、何滴落ちたときにスプーンが一杯になったかどうかを記録して

一滴の水量×水滴の数=スプーンの容積
という計算になる。

これに対して「チャージ-トランスファ方式」はどうか?と言うと、「チャージ-トランスファ方式」では、スプーンAに水を入れていくのではなく、スプーンAで水をすくってコップに入れていき、スプーンAで何回すくえばコップが一杯になったを数えて、

コップの容積÷すくった回数=スプーンの容積
となる。

ただでさえ非常に小さい値を扱う中で、どちらが正確に計れるかは深く考える必要もない。

なるほど!!
と自分なりに納得したところでした(笑)


これなら、きっと水位センサーにも使えるはずなので、後日それもテストしてみる事にしよう。





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by masax7790 | 2017-02-24 17:38 | AVRマイコン関連 | Comments(0)
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