Unterrichtliche Voraussetzungen/Zielsetzungen
Die Fa. Adafruit hat drei interessante preisgünstige Breakout-Boards mit Berührungssensoren im Angebot. In dieser Übung wird der Sensor AT42QT1012 näher untersucht.
Das Breakout-Board verfügt über fünf Pinanschlüsse: GND, Vdd, OUT, TIME und LEDA. Die hellblaue rechteckige Sensorfläche reagiert sehr sensibel auf Metalle und Fingerberührung.
Bevor es an das erste Experiment geht, wird das Datenblatt zu dem vorliegenden Sensor studiert;-(
Schaltungsaufbau des Adafruit Breakout-Boards AT42QT1012
Eine kurze Bemerkung zur Physik eines kapazitiven Berührungssensors
Ein solcher Sensor funktioniert im allgemeinen wie ein offener Kondensator (ohne Dielektrikum). Zwischen den beiden Platten wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Wird in einen offenen Kondensator
ein Dielektrikum eingebracht, erhöht sich die Kapazität des Feldes.
Dringt nun ein Material mit einer Dielektrizitätszahl EpsilonMaterial (EpsilonMaterial
> EpsilonLuft) in das elektrische Feld ein, vergrößert sich - je nach Wert von EpsilonMaterial - die Kapazität des Feldes. Eine nachgeschaltete Elektronik
misst diese Kapazitätserhöhung und setzt bei entsprechend starkem Signal den Ausgang auf HIGH.
Arbeiten mit dem Datenblatt | |
Aufgaben |
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Für die erste Übung benötigen wir eigentlich kein Controllerboard. Es wird trotzdem eingesetzt, weil wir darüber die Spannungsversorgung für das Breakout-Board beziehen. Die beiden Jumperfelder sind in der ersten Übung nicht unterbrochen.
Übung 1 - Schaltverhalten | |
Material |
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Aufgaben |
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Schaltskizze bzw. Versuchsaufbau
Ergebnis der Messungen
Der Sensor arbeitet wie ein Umschalter. Wird er das erstemal berührt, geht die LED an; sie erlischt, wenn der Sensor ein zweites Mal berührt wird. Auf verschiedene Materialien reagiert die Sensorfläche unterschiedlich sensibel.
Sobald der Sensor berührt wird und die LED leuchtet, wird Ausgang OUT auf HIGH gesetzt.
In der folgenden Übung 2 wird der Sensor als Zeitschalter programmiert. Dazu muss das Jumperfeld TIMER getrennt werden. Dies geht am Besten mit einem scharfen Taschenmesser, mit dem man den schmalen Brückenleiter zwischen den Feldern durchtrennt.
Übung 2 - Zeitschalter | |
Material |
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Aufgaben |
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Schaltskizze
Abb. 4
Für das Rx-Cx-Glied müssen die entsprechenden Werte nach Vorgabe aus dem Datenblatt errechnet werden. Die Formel dazu findet sich im Datenblatt des Sensors (S. 15-16).
Als Betriebsspannung wird, wie bereits in Übung 1, die Versorgungsspannung des eingesetzten Mikrocontrollerboards genommen (entweder 3,3V oder 5V).
Schaltungsaufbau
Oszillogramm
Wie wird die Schaltung dimensioniert?
Das Datenblatt des AT42QT1012 gibt über die Berechnung der Verzögerungszeit hinreichend Auskunft (s. S.15-16).
Unter Berücksichtigung der Toleranzen von Kapazität und Widerstandswert ist das experimentelle Ergebnis (s. Abb. 6) von 74s recht ordentlich getroffen und auch sehr gut reproduzierbar.
Nach dem Datenblatt darf der maximale stetige Pinstrom (im Quelle- und Senkemodus) 20mA nicht übersteigen (s.S. 24). In dieser Übung leuchtet eine Glühbirne auf (Leistungsdaten 3,7V/300mA), sobald der Sensor berührt wird. Dazu wird eine Transistorschaltung aufgebaut. Sobald der Ausgang OUT des Sensorboards auf HIGH gezogen wird (Sensorfeld wurde berührt), steuert den Transistor durch und die Glühbirne leuchtet.
Für diese Übung müssen beide Jumperfelder (TIMER und LED) durchtrennt sein.
Übung 3 - Eine Glühbirne schalten | |
Material |
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Aufgaben |
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Schaltskizze
Schaltungsaufbau
Abb. 8
Die Treiberschaltung mit Glühbirne, Leistungstransistor, Basiswiderstand und Schutzdiode ist in diesem Bild auf einer gesonderten Platine untergebracht.
Das Zeitverhalten der Sensorschaltung entspricht dem aus Übung 2. Mit dem Unterschied, dass die LED auf dem Breakout-Board jetzt ausgeschaltet ist.
Der Indikator für das Schaltverhalten des Sensors ist jetzt die Glühbirne.
Über den Ausgang OUT des Sensorboards lassen sich verschiedene Bausteine zeitgenau ansteuern: Elektromotoren, Wasserpumpen, leistungsstarke Leuchtmittel u.v.a.m.; probiere es selber aus.