Tastiera a sfioramento

Una trattazione dedicata alle tastiere a sfioramento basate sulla tecnologia capacitiva e induttiva di Microchip. Grazie alla completa assenza di parti meccaniche la loro durata è praticamente illimitata.

Le tastiere a sfioramento e a contatto stanno prendendo il sopravvento sulle tradizionali tastiere a pulsanti e interruttori. La maggiore potenzialità infatti sta nella totale assenza di parti meccaniche che ne garantiscono il funzionamento praticamente all’infinito. Inoltre contribuiscono all’aspetto estetico e di design poiché anche le dimensioni possono essere ridotte ai minimi termini. I possibili utilizzi abbracciano un campo estremamente ampio, da quello medico, industriale e automobilistico. Questa tecnologia promette anche un’innovazione nel campo estetico, assicura un lungo e duraturo funzionamento, anche in condizioni poco favorevoli e, soprattutto, abbatte i costi di acquisto e di gestione. La Microchip mette a disposizione dei progettisti molte soluzioni semplici e gratuite per implementare le tastiere a sfioramento alle proprie applicazioni, utilizzando i  microcontrollori PIC. Tali soluzioni sono fornite sottoforma di codice sorgente, per cui esse possono essere perfettamente integrate e modificate secondo le proprie esigenze.

Figura 1: il sensore induttivo

Figura 1: il sensore induttivo

Tecnologia utilizzata

Attualmente sono disponibili due diverse tecnologie di funzionamento, secondo il sistema di rilevamento adottato:

» Tastiera  a sfioramento Capacitivo;

» Tastiera  a sfioramento Induttivo.

A seconda del campo di applicazione e delle esigenze, le due metodologie devono essere attentamente studiate e valutate. Non è raro infatti osservare errori nelle prestazioni di un prototipo o, più semplicemente, funzionamenti anomali, solo perché è stata sottovalutata la fase di decisione tecnica. In tabella 1 vengono evidenziati  i diversi tipi di utilizzo ed esigenza, e la relativa implementazione consigliata.

Tabella 1: quale tecnologia utilizzare secondo le esigenze

Tabella 1: quale tecnologia utilizzare secondo le esigenze

Figura 2: tastiera usata con guanti di gomma in ambienti con presenza di acqua.

Figura 2: tastiera usata con guanti di gomma in
ambienti con presenza di acqua.

 

Figura 3: applicazione generica che utilizza il sensore induttivo.

Figura 3: applicazione generica che utilizza il sensore induttivo.

Tastiera a sfioramento INDUTTIVA

Si tratta di una tecnologia proprietaria, libera da costi per i clienti, che permette l’implementazione della procedura sui microcontrollori PIC o dsPIC.

Figura 4: costruzione “a strati” di una tastiera a sfioramento induttiva.

Figura 4: costruzione “a strati” di una tastiera a sfioramento induttiva.

Principio  di funzionamento

Un pannello, quando viene pressato o sfiorato dall’utente, subisce una deflessione anche molto leggera. Questa inclinazione (dell’ordine di pochi micron) è rilevata in via induttiva. L’impedenza di un induttore cambia quando un magnete permanente o un materiale conduttivo sono posti in prossimità di questo. Per questo tipo di tastiera è richiesta una piccola pressione aggiuntiva, da parte dell’utente, in modo da eliminare  i contatti casuali ed accidentali.

Vantaggi

Grazie alla tecnologia induttiva, anche l’utilizzabilità offre tanti vantaggi. Vediamone alcuni:

» il pannello  frontale  può essere costruito in svariati materiali, come il metallo, l’acciaio temperato o l’alluminio, la plastica e addirittura il legno;

» i tasti non risentono dell’azione negativa dell’acqua, dell’umidità o liquidi in generale;

» la tastiera può essere pulita con estrema facilità;

» può essere utilizzata per applicazioni esterne;

» funziona perfettamente se immersa dentro l’acqua;

» la tecnologia dà il suo contributo anche utilizzando guanti di gomma spessa. Utile per applicazioni industriali dove la sicurezza richiesta è di primaria importanza;

» è possibile regolare e differenziare il grado di “sensibilità” del tasto e selezionare e discriminare un tocco “pesante” da uno “leggero”. In pratica si tratta di una tastiera dinamica a tutti gli effetti.

Facilità di implementazione

Un sensore induttivo si compone di alcuni componenti fondamentali:

» il pannello  frontale;

» il distanziatore;

» il circuito stampato.

Il  pannello frontale, come detto prima, può essere realizzato in diversi materiali, come il  metallo, l’acciaio temperato o l’alluminio, la plastica e il  legno. Il  distanziatore (che separa il pannello frontale dal circuito stampato) serve per permettere un certo grado di deflessione e cur-vatura momentanea (parliamo di pochi micron di gioco). Può essere realizzato utilizzando qualsiasi materiale meccanicamente duro ed elettricamente isolante come le resine o altre plastiche.  Il sensore induttivo è di solito una piccola bobina a spirale incisa sul rame del circuito stampato. La Microchip incoraggia gli sviluppatori ad integrare le tastiere a sfioramento induttive ai propri progetti utilizzando i Pic 8-16-32 bit standard (MCU) o i dsPic a 16 bit (DSC), riducendo così i costi. Infatti le uniche periferiche richieste sono il generatore  di PWM e il convertitore A/D. Di nuovo, la Microchip offre soluzioni, note, trucchi e consigli per permettere di iniziare subito a lavorare con queste straordinarie tastiere.

Figura 5: la bobina a spirale incisa sul PCB.

Figura 5: la bobina a spirale incisa sul PCB.

Tastiera a sfioramento CAPACITIVA

Come si sa, un condensatore è composto da due armature conduttive (abbastanza vicine) separate da un dielettrico isolante. Le due armature possono anche essere costruite direttamente sul PCB. Se si tocca o semplicemente si avvicina una mano alle armature, la propria capacità si aggiunge a quella del condensatore, in via capacitiva.

Figura 6: formula per il calcolo della capacità di un condensatore.

Figura 6: formula per il calcolo della capacità di un condensatore.

Implementazione del metodo

Sul circuito stampato è presente una piccola area di rame. Essa è accoppiata in via capacitiva verso terra. Una lastra coprente come il vetro, oltre che proteggere il circuito, dà all’utente una sorta di superficie sensibile al tocco, quindi da sfiorare. Quando ciò avviene si crea una capacità parassita verso terra rispetto al riferimento applicato. Pertanto se l’utente tocca il tasto si verifica un aumento della capacità, facilmente misurabile.

Figura 7: principio della tastiera a sfioramento capacitiva.

Figura 7: principio della tastiera a sfioramento
capacitiva.

Metodi  di utilizzo delle  tastiere Capacitive

L’implementazione e il controllo di una tastiera capacitiva è alquanto semplice. Occorre rispettare però alcune regole, legate alla precisione e alle metodologie utilizzate, al fine di prevenire errori e difetti della rilevazione degli eventi esterni.

Comparatore

Questa tecnica può essere implementata direttamente su qualsiasi tipo di PIC o dsPIC, aggiungendo inoltre alcuni componenti esterni.  Il metodo prevede la creazione di un oscillatore utilizzando un comparatore, al fine di caricare e scaricare la capacità CS (praticamente  il tasto della tastiera) incapsulata direttamente nel pannello frontale. Quando l’utente tocca o sfiora il tasto, si verifica un’improvvisa variazione della frequenza di oscillazione. Per convalidare il tocco si usa anche il Timer0. La Microchip consiglia di utilizzare i PIC10F204/206.

Figura 8: rilevazione della pressione del tasto tramite comparatore.

Figura 8: rilevazione della pressione del tasto tramite comparatore.

Modulo  di rilevazione capacitiva (CSM)

Grazie a questo modulo (Capacitive Sensing Module) è possibile ridurre al minimo l’hardware richiesto. Questo è possibile sfruttando la nuova generazione di microcontrollori PIC16, come un range ampio di tensione compreso tra 1.8V e 5.5V, ed anche la tecnologia per la rilevazione capacitiva dei tasti a sfioramento.  Il modulo comprende le seguenti caratteristiche e possibilità:

» riesce  a rilevare fino a 16 tasti capacitivi;

» oscillatore  integrato;

» timer multipli;

» funzionamento in sleeping mode per ridurre il consumo di corrente.

Il modulo CSM della famiglia PIC16F727/ PIC16LF727 includono i  dispositivi PIC16F722/3/4/6/7. Con essi si ottiene una drastica riduzione dell’hardware e software utilizzati.

Figura 9: diagramma a blocchi del modulo rilevatore di capacità CSM.

Figura 9: diagramma a blocchi del modulo rilevatore di capacità CSM.

Comparatore con Latch S/R

La famiglia PIC16F887, PIC16F690 e PIC16F616 prevede il Comparatore con Latch SR. La frequenza dell’oscillatore, implementato nel circuito, Le variazioni di frequenza, causate dall’avvicinamento di un dito, vengono rilevate e confermate da un software.

Figura 10: il comparatore con Latch S/R.

Figura 10: il comparatore con Latch S/R.

Conclusioni

Le tastiere a sfioramento Microchip offrono una grande versatilità nella realizzazioni delle apparecchiature elettroniche. Le tastiere esaminate possono rilevare facilmente il “tipo” di pressione applicata. La forza utilizzata infatti produce due diverse tipologie di induttanza o capacità, in relazione al grado di deflessione del materiale utilizzato.  Il materiale utilizzato inoltre può essere diversificato, in maniera da coprire tutte le esigenze di progettazione e di design. Anche la temperatura di utilizzo è molto ampia e ne permette l’uso in diverse condizioni climatiche. L’intervallo accettato è compreso infatti tra i -40°C e +85°C (per il tipo industriale tale limite si estende fino a 125°C).

 

 

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