Uso dell’unità CTMU nei PIC – Parte 1

L’unità CTMU dei PIC può essere utilizzata in diverse applicazioni di acquisizione di misure di tempo e carica.

Introduzione

Sin dalla sua introduzione, l’unità CTMU è diventata popolare nelle più svariate applicazioni basate sulle misure di tempi e cariche, come semplici dispositivi a sfioramento o applicazioni che richiedono la risoluzione di tempi al di sotto dei nanosecondi. Prenderemo in considerazione 48 diverse modalità d’impiego dell’unità, ma si deve tenere conto del fatto che Microchip non dispone, in alcuni casi, di schemi applicativi o codici sorgenti; si tratta di idee da sviluppare in casi di applicazioni reali.

UNITÀ CTMU

La Figura 1 mostra uno schema a blocchi dell’unità con varie periferiche che possono essere sfruttate nelle diverse applicazioni. Le correnti che si possono prendere in considerazione rientrano in quattro ordini di grandezza, da 0,55 a 550 microampère. Funzioni di base riguardano: misure di capacità, misure di induttanza, misure di resistenza e misure di tempo di elevata risoluzione. Su queste si basano applicazioni di vario tipo come: misure di temperatura, di corrente, generazione di intervalli di tempo e uscite PWM.

Figura 1: Diagramma a blocchi dell’unità CTMU e delle periferiche che si possono usare

APPLICAZIONI BASATE SU PRINCIPI ELETTRICI

Misure di capacità relativa

Si ricorre ad una misura di capacità relativa in numerose applicazioni. Il principio consiste nel valutare i valori di tensione ai capi di una capacità equivalente, di cui fa parte la capacità costituita dal dito che aziona un pulsante a sfioramento; un possibile esempio è dato da un generatore di corrente che carica alcune capacità come mostrato nella Figura 2: quelle dovute al pulsante (C_SW), al circuito stampato (C_CIR) e all’eventuale capacità (C_F). Valori tipici delle capacità sono dell’ordine delle decine di picofarad, quelli della corrente di microampère e le variazioni di tensione misurabili in decimi di volt. Il convertitore A/D misura la tensione a intervalli regolari e solitamente una diminuzione nei valori delle tensioni misurate si può interpretare come eventi da rilevare.

Sensori capacitivi di tatto
La misura di tensioni variabili associate a capacità variabili può essere usata in applicazioni che fanno uso di schermi touch screen, pulsanti a sfioramento o tastiere. Gli ingressi del convertitore A/D dell’unità CTMU si possono usare per implementare più controlli.
Microfoni (conversione audio)
La capacità costituita dai microfoni varia in base alle vibrazioni delle onde sonore. Il convertitore A/D può essere usato per campionare il segnale raccolto da tale capacità e convertirlo in digitale.
Sensori di prossimità
Ci sono dispositivi che non richiedono la pressione di un tasto ma la vicinanza della mano al circuito stampato. Componenti adeguati, firmware adattato possono realizzare controlli e sensori di prossimità utilizzando l’unità CTMU.
Cerca cavo
Particolari alle pareti, metallici o no, possono essere rilevati tramite un segnale che cambia in base ai mutamenti locali della capacità costituita dalla parete.
Rilevatori di presenza
Un sensore capacitivo può essere utilizzato al posto di una fotocellula per rilevare la presenza di una persona, per esempio in un ingresso.
Sensori di livello di liquidi
Un contenitore di materiale isolante, per esempio vetro, posto su una base metallica e con del liquido all’interno, costituisce un condensatore e a livelli differenti corrispondono valori differenti della capacità. Forma e dimensione del contenitore e un eventuale conduttore all’interno del contenitore possono essere scelti in base all’accuratezza richiesta dall’applicazione.
Sensori di forza/pressione
Due piastre conduttrici di cui una fissa e l’altra in grado di muoversi costituiscono, oltre che un condensatore con l’aria come dielettrico, un sensore che modifica la propria capacità in base alla forza o pressione applicata alla piastra non fissa. L’unità CTMU può essere usata per misurare una pressione e un eventuale peso.
Altri usi
Cambiamenti di capacità indotti da prossimità o presenza non si associano solo alla pressione o alla presenza di liquidi come in alcuni casi già trattati. Una pulizia può diventare un’operazione automatica negli usi più disparati, come nel caso di una comune lettiera a seconda del suo stato di pulizia.

Figura 2: Schema di principio del funzionamento di pulsanti tramite misura di capacità

MISURE DI CAPACITÀ ASSOLUTA

Misurare il valore di una capacità (in modo assoluto) comporta più o meno le stesse difficoltà della misura di segnali associati a capacità variabili. Ci sono due fasi richieste, come mostrato in Figura 3.

Figura 3: Calibrazione del generatore di corrente ed esempio di misura di capacità

È necessario, inizialmente, calibrare il generatore di corrente dell’unità CTMU: si può ricorrere a una resistenza di precisione, con una tolleranza di 0,5% o migliore e di valore noto, e a una misura di tensione per calcolare la corrente. Con tali valori si può determinare un range di valori e una serie di livelli caratterizzati da opportuni bit di controllo per il generatore di corrente. Dopo tale calibrazione il generatore può essere usato per caricare la capacità presente sull’uscita destinata al canale ADC della CTMU. La corrente costante (I) carica la capacità esterna incognita in un tempo T noto. Il valore della capacità è calcolato in base alla relazione I x T = C x V; la tensione V è misurata dal convertitore A/D del microcontrollore. Maggiori informazioni si possono trovare sulla documentazione riguardante l’unità CTMU dei PIC24F riportata in fondo all’articolo. Esistono numerose applicazioni che richiedono la misura di una capacità assoluta; si possono ricordare:

Misura LCR
La CTMU può servire a misurare una capacità incognita per determinarne il valore o a confermare un valore già stimato.
Sensore di umidità
L’ultima generazione di sensori di umidità di precisione a base di polimeri costituiscono una capacità variabile che può essere misurata, a differenza di quelli più tradizionali che forniscono in uscita correnti o tensioni. Un valore di tensione può essere ricavato nel modo suddetto ed esso può diventare una misura di umidità.
Misure di induttanza relativa
Sebbene sia più spesso associata alla misura di capacità e/o di correnti, la CTMU può essere usata per rilevare cambiamenti in induttanze variabili. Ciò che si può misurare è la costante di tempo dell’induttanza. Una configurazione tipica, riportata in Figura 4, mostra come si può fare: un pin I/O viene destinato a dirigere l’uscita V_DD verso l’induttanza e un altro pin, CETD2, raccoglie il segnale proveniente dall’induttanza stessa. L’intervallo di tempo tra l’istante in cui tale segnale è minimo e quello in cui la tensione assume un valore di “saturazione” dell’induttanza è proporzionale al valore di quest’ultima.

Figura 4: Esempio di misura di induttanza mediante intervallo di tempo

La CTMU rileva una serie di tali intervalli o costanti di tempo dell’induttanza; essi si possono confrontare con una serie di base e scostamenti negli stessi indicano un certo evento. Esempi applicativi possono essere:

Misure e strumentazione
Molti degli attuali strumenti di misura utilizzano placche di metallo o il loro movimento da porre in prossimità dell’induttanza. Il cambiamento del valore di correnti o tensioni indotte può essere usato per determinare l’entità della rotazione e perciò l’influenza sullo strumento. La CTMU dispone di un semplice metodo per misurare queste variazioni e associare ad esse degli eventi.
Stazioni meteorologiche (sensore di velocità del vento)
La CTMU può rilevare in modo induttivo la velocità di rotazione di un anemometro e il microcontrollore può tradurla in velocità del vento. Con pochi altri dispositivi la CTMU può costituire una soluzione su un singolo chip per realizzare una stazione meteo (per maggiori informazioni si possono vedere le applicazioni 10 e 33).
Distributori automatici a gettone
Un sensore induttivo può rilevare forma e dimensione delle monete inserite e si può sfruttare nei distributori automatici per distinguere altri oggetti inseriti con valori dell’induttanza diversi da quelli stabiliti e contare l’importo introdotto fino al raggiungimento del prezzo voluto.
Sensori di prossimità
Tutti i casi menzionati sono esempi applicativi del medesimo principio; misure di induzione si possono realizzare con la CTMU disponendo di un induttore che funziona da sensore di prossimità.