Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

Kapazitiver Berührungssensor AT42QT

Unterrichtliche Voraussetzungen/Zielsetzungen

 

  • Die Begriffe Zeitkonstante, Dielektrizitätszahl bzw. Permeabilität aus der Physik sollten bekannt sein.
  • Die Physik des offenen Kondensators sowie die Einheiten von Kapazität und Widerstand sollten bekannt sein.
  • Der Umgang mit einem USB-Oszilloskop sowie einem Stromstärkemessgerät sollte vertraut sein.
  • Für das Umwandeln der vom Hersteller bereitgestellten mathematischen Formel sind Kentnisse aus der Mittelstufenmathematik vorteilhaft.
  • Das Lesen von Schaltbildern und deren praktische Umsetzung über den realen Aufbau einer Schaltung wird hier weiter vertieft.
  • Die Informationsbeschaffung über englischsprachige Datenblätter wird weiter vertieft.

Die Fa. Adafruit hat drei interessante preisgünstige Breakout-Boards mit Berührungssensoren im Angebot. In dieser Übung wird der Sensor AT42QT1012 näher untersucht.

Abb. 1 - Sensorfläche des Breakout-Boards AT42QT1012

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;-(

Abb. 2 - Unterseite des Breakout-Boards mit zwei Jumperfeldern für LED und TIMER.

Schaltungsaufbau des Adafruit Breakout-Boards AT42QT1012

Abb. 2a

Schaltungsaufbau des Breakout-Boards von Adafruit.nach Plänen von Github.com.

Die Jumperfelder sind mit LED und TIME bezeichnet und in der Schaltung bereits unterbrochen dargestellt.

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
  • Lade das Datenblatt des Sensors AT42QT1012 aus dem Internet herunter.
  • In welchem Bereich darf die Betriebsspannung liegen? (S.23)
  • Welche Stromstärke darf maximal durch einen Pin fließen?
  • Bis zu welchem Spannungspegel wird der Zustand LOW am Eingang erkannt?
  • Ab welchem Spannungspegel wird der Zustand HIGH am Eingang erkannt?

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 - Umschalter

Übung 1 - Schaltverhalten
Material
  • 1x  Arduino UNO oder Prop-BoE, Prop-AB, BASIC-Stamp oder Raspberry Pi
  • 1x  AT42QT1012 Breakout-Board
  • 2x  Steckdraht
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach Schaltskizze auf.
  • Lege die Versorgungsspannung an.
  • Berühre wiederholt die Sensorfläche mit den Fingern und beobachte das Verhalten der LED.
  • Berühre die Sensorfläche mit verschiedenen Gegenständen unterschiedlichen Materials, wie z. B. Plastik, Metall, Leder, Stoff und beobachte das Verhalten des Sensors. Leuchtet die LED oder bleibt sie aus.
  • Notiere deine Ergebnisse in zwei kurzen Sätzen.

Schaltskizze bzw. Versuchsaufbau

 

 

 

 

Abb. 3

Je nach verwendetem Controller-Board bzw. Rechner, werden die Pin GND und VDD mit dem Sensorboard verbunden. Alle hier beschriebenen Boards überschreiten die maximale Versorgungsspannung nicht.

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.

 

 

 

Abb. 3a

Das Jumperfelder TIMER wird durchtrennt. Auf dem Photo links ist auch das Jumperfeld LED durchtrennt. Dies wird aber erst für Übung 3 benötigt.

Übung 2 - Zeitschalter

Übung 2 - Zeitschalter
Material
  • 1x  Arduino UNO oder Prop-BoE, Prop-AB, BASIC-Stamp oder Raspberry Pi
  • 1x  AT42QT1012 Breakout-Board mit durchtrennten Jumperfeldern
  • 2x  Steckdraht
  • 1x  USB-Oszilloskop
Aufgaben
  • Informiere dich im Datenblatt über das Zeitverhalten des kapazitiven Berührungssensors AT42QT1012.
  • Wie muss die Beschaltung aussehen, damit die drei vordefinierten Verzögerungszeiten von 15 Minuten, 60 Minuten und beliebig lang (schaltet nur um, wenn der Sensor erneut berührt wird) aktiviert werden?
  • Wie lässt sich der Ausgang OUT des Sensors auf ACTIVE HIGH setzen? Wie auf ACTIVE LOW?
  • Wie müssen Rx und Cx dimensioniert werden, damit der Sensor nach ca. 75 Sekunden wieder in die Ausgangsposition kippt?
  • Dimensioniere die Schaltung so, dass der Sensor mit einem ACTIVE HIGH Ausgang nach ca. 75 Sekunden in seinenAnfangszustand zurückfällt.
  • Überprüfe an deiner aufgebauten und dimensionierten Schaltung mit Hilfe eines USB-Oszilloskops, ob die Schaltung das erwartete Ergebnis liefert.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 5

Hier wird das Sensorboard spannungsmäßig über eine Propeller BoE versorgt. Auf dem Steckbrett befinden sich das Breakout-Board, ein Widerstand (100kOhm) und ein Kondensator (1,5nF).

Oszillogramm

 

 

 

 

 

 

Abb. 6

Mit Cx = 1,5 nF und Rx = 100 kOhm ergibt sich eine Verzögerungszeit von ca. 74s, bis der Sensor in seine Ausgangslage zurückfällt.

Wie wird die Schaltung dimensioniert?

 

Das Datenblatt des AT42QT1012 gibt über die Berechnung der Verzögerungszeit hinreichend Auskunft (s. S.15-16).

 

  • Schritt 1:  Die Abschaltverzögerung soll nach Aufgabenstellung 75s betragen.
  • Schritt 2:  Bestimme für die angelegte Betriebsspannung (hier: 5V, K = 23,5) bei einem Active HIGH Ausgang den K-Wert aus Fig. 3-8 des Datenblattes.
  • Schritt 3:  Rt x Ct = (75 x 23,5) / 15 = 117,5 (Rt entspricht in der Schaltskizze Rx, Ct entsprechend Cx; Rt muss in kOhm, Ct in nF angegeben werden, damit die Verzögerungszeit in Sekunden berechnet werden kann).
  • Schritt 4:  Wähle Rt beliebig hoch; ich wähle Rt = 100 kOhm.
  • Schritt 5:  Berechne aus Schritt 3 jetzt den Kapazitätswert: Ct = 117,5/100 = 1,18 nF
  • Schritt 6:  Ich habe nur einen keramischen Kondensator von 1,5 nF und wähle diesen.
  • Schritt 7:  Es muss zusätzlich gelten: 4 <= (Rt x Ct)/K <= 240 (s. Datenblatt S. 16). Einsetzen der errechneten Werte ergibt: (Rt x Ct) / K = 6,4; das ist in jedem Fall größer als 4.

 

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.

Übung 3 - Eine Glühbirne (3,7V/300mA) schalten

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
  • 1x  Arduino UNO oder Prop-BoE, Prop-AB, BASIC-Stamp oder Raspberry Pi
  • 1x  AT42QT1012 Breakout-Board mit durchtrennten Jumperfeldern
  • 1x  Glühbirnenfassung mit Glühbirne 3,7V/300mA
  • 1x  Leistungstransistor (z.B. SF127D)
  • 1x  Widerstand, 2,2kOhm
  • 2x  Widerstand, 100kOhm
  • 1x  Keramikkondensator, 1,5nF
  • 1x  Kleinleistungsdiode
  • diverser Steckdraht
  • 1x  USB-Oszilloskop
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach der Schaltskizze bzw. Schaltungsvorlage auf.
  • Überprüfe das Schaltverhalten der Schaltung; leuchtet die Glühbirne, sobald das Sensorfeld berührt wird?
  • Miss die Stromstärke, die durch die Glühbirne fließt.
  • Ergänze die Schaltung so, dass auch die LED auf dem Sensorboard leuchtet, sobald das Sensorfeld berührt wird.

Schaltskizze

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 7

Über den Ausgang OUT des Break-Out-Boards wird eine Glühbirne zum Leuchten gebracht, sobald das Sensorfeld berührt wird.

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.

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