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 Sensor Applications
아듀이노 공개소스
작성자 leeky
작성일 2016/01/21
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 625   
  비접점식 QTouch 방식 근접검출 스위치
QMtrix Proximty Sensing Switch.
 
터치하는 전극위에 절연체를 설치하고, 검출전극은 2개를 설치한 방식이다.
전극의 크기를 크게 할 수 있고, 다수의 X와 Y를 사용하면 접촉식 키보드를 구현할 수 있다.
혹은 하나의 X전극 주위에 다수의 Y전극을 설치하여 감지 접촉식 스위치를 늘릴 수 있다.
 
검출범위는 전극X와 Y의 간격을 멀리하면 넓게 만들 수 있다.
검출거리가 길며, 검출직렬저항 Rs를 크게할 수 있다.
접지와의 용량을 측정하지 않고, 전극간의 용량을 측정하므로 접지효과를 줄일 수 있다.

AVR Qmetrix 회로
PD7(MSP)는 외부 인터럽트 입력으로 QTouch 매트릭스의 접촉을 감지하는 기능이다.
8 개의 센서 중 어느 키라도 접촉되면, Rsmp를 통해 접촉전압으로 인터럽트를 발생한다.
 

QTouch proximity Sensing Switch.
 
 
ADC가 없는 일반 디지털 포트만으로 빠르게 여러 채널을 처리하려면 QTouch가 좋다.
ADC가 없는 MPU를 사용할 수 있는 QTouch는 디지털로 인식하므로 처리속도가 빠르다.
그러나 검출 캐패시터를 안정하게 하기 위해, 기판 밑면을 GND나 Active Shield로 연결해야 한다.
 
검출전극과 검출패드의 접촉용량이 변하지 않도록, 검출전극과 검출패드 사이에 도전스폰치를 사용해야 한다.
ADC가 없는 MPU를 사용할 수 있으며, 일반 디지털 포트로 많은 스위치를 처리할 수 있어 가성비가 좋다.



QTouch는 디지털 포트만으로 검출저항과 검출 캐패시터로 접촉된 정전용량을 검출한다.
QTouch는 1K 정도의 비교적 적은 저항인 Rsns로 비교적 큰값인 22nF의 검출용량 Cs를 구동한다.
접촉용량으로 변화된 검출 캐패시터의 전하량의 변화로 입력포트의 레벨이 로직 1로 인식되는 아날로그 값을 검출한다.
단순한 디지털 로직으로 검출된 아날로그 전압을 인식하므로 처리시간이 빠르다.
접촉된 접촉용량이 클수록 검출 캐패시터에 충전되는 시간이 늦어지는 시간을 타이머로 처리한다.

요즈음 가전제품에 많이 사용하고 있는 최신 방식의 QTouch 처리를 소개한다. 
  

SNSK는 PB1 (다른 포트라도 좋다)으로) SNSK Pulse로 측정용량 Cx를 방전 및 충전을 한다.
SNS는 PC1 (다른 포트라도 좋다)에서 SNS 펄스로 Cs를 방전 및 충전을 한다.
Cs에 충전된 검출전압이 로직 1로 올라올 때 까지의 시간을 타이머나 루프카운터로 읽는다.

QTuch Active Shield의 Layer 구조
 

위그림의 최상단의 절연체는 접촉검출부 이며, 4번째 Layer는 Active Shield 전극이며,
최하단의 전극은 기판의 접지면이다.

동축 케이블을 사용한 QTouch 방식의 Shield 전극의 연장방법
 
실드전극은 접지효과를 없애는 보조 전극이며 가장 아래에 있으며, 접촉에 사용되지 않는다.
접촉전극은 근접전극위에 절연체를 깔고, 그위위 절연면에 접촉하는지를 검출한다.
근접전극과 절연체 사이의 거리가 변하는 구조라면, 근접전극와 절연판 사이에 도전스폰치를 사용한다.
 
QTouch Simulation
(LTspice Simpulation File : QTouch-sim-circuit.asc(1.2KB) ) QTouch-sim-circuit.asc(1.2KB)


 
Cx 5pF는 감지전극이 비접촉 상태의 최소 분포용량을 나타낸다.
Cs는 4.7nF에서 22nF로 QTouchADC 보다 비교적 큰값을 사용하므로 Touch 감지는 평균화된다.

SNSK와 SNS 펄스는 위상이 반대인 차동신호이며 펄스폭은 3us은 ON, 9us은 OFF 이다.
그러므로 펄스의 주기는 12us으로 SNSK 펄스의 Duty는 15~25% 약20%로 반복하여 구동된다.
  
 
검출원리는 SNSK 핀의 구동 Pullup이 3us (Cx 충전) 이후에 OFF 된 다음, SNS 핀이 GND로 바뀌고,
SNSK 핀이 입력으로 전환되고, 12us~20us (Cs 충전) 이후에 SNSK 핀이 출력으로 바뀌는 작동이 반복될 때,
SNSK 핀으로 들어오는 Cs의 Cx 충전전압이 로직 1로 읽혀질 때 까지의 반복된 펄스의 개수를 읽는다.
만일 SNSK 핀이 로직 1로 될 때 까지의 구동된 펄스가 기준보다 크면 접촉식 전극이 접촉감지된 것이다.
 
MPU 방식의 QTouch 근접 검출 스위치 제어
QTouch 측정함수는 메인에서 이함수를 부를 때, 200us 주기로 호출되어야 한다.
스위치를 검출하는 스위치 검출 시간은 함수 초기화 루틴에서 20us 방전시간으로 간격이 유지된다.
 
초기화
1. 2us 대기, SNSK와 SNS를 모두 20us Low로 출력한다. (처음에는  Cs를 방전시킨다)
2. 1us 대기, 카운터를 3으로 만들고, SNS를 Tri-State로 Open 시킨다.(Cs를 측정회로에서 분리한다)
 
반복 루프
3. 1us 대기 (전환시간), SNSK를 High를 출력한다. (측정용량 Cx를 Pullup으로 충전한다)
4. 3us 대기 (충전시간), SNSK를 Tri-Stae로 변경한다. (Cx 충전을 정지한다)
5. 1us 대기, SNS를 Low로 출력한다. 12~20us 대기, (Cs를 측정회로에 연결하여 Cx전압을 Cs로 공유한다)
    
조건분기 1
6. SNSK를 입력으로 전환하고, 1us 대기,  읽은 로직이 Low 이면 12번으로 분기한다.
(SNSK의 입력은 Cs에 충전된 아날로그 전압을 로직레벨 Low와 High로 읽는다)
7. SNS를 Tri-Stae로 Open한다. 1us 대기, (Cs를 측정회로에서 분리한다, Pullup의 영향을 막는다)
9. 카운터를 증가시킨다.
 
조건분기 2
10. 카운터 값이 최대값 200 보다 작으면, 3번으로 분기한다. (측정을 계속한다)
11. 카운터 값이 최대값 200 보다 크면, 전극에는 접촉이 없는 것이다. (0으로 서브루틴 종료)
 
조건분기 3
12. 만일 증가된 카운터 값이 검출기준 25~100 보다 작으면, 전극에 접촉이 된 것이다.(1로 서브루틴 종료)

QTouch 방식 함수의 설명
함수초기화 
접촉스위치 함수는 200us 주기로 호출되어야 하며, 함수 초기에 Cs를 20us 동안 방전시켜야 한다.
S2는 SNSK 핀의 Cs 방전 스위치로 함수 초기화에서 20us 동안 SNSK 핀을 Low로 Cs를 방전한다
S3는 SNS 핀의 Cs 방전 스위치로 함수 초기화에서 20us 동안 SNS 핀을 Low로 Cs를 방전한다.
카운터를 0으로 초기화하고, 매 루프를 돌때 마다 카운터를 증가시킨다.
 
반복지점
S3을 Tri-State로 SNS 핀을 OFF 시켜, Cs를 측정회로에서 분리시킨다.
S1은 SNSK 핀의 Cx 충전 스위치로, SNS 핀을 Pullup하여 Cx를 전원전압으로 충전한다. 
충전시간은 측정주기 12~25us의 15~25% Duty로 약 3us 동안 충전한다.
 
매번 접촉측정에서 Cx로 충전된 접촉전압을 Cs로 공유하는 시간은 12~20us 이며,
S3은 SNS 핀을 12~20us 동안 Low로 유지하면서, 
Cx와 Cs 공유시간 12~20us 뒤에 S1을 Tri-State로 OFF 시키고,
2us 뒤에 SNSK 핀을 입력으로 전환하고,
12~20us 지연시간 뒤에 Cs로 공유된 Cx전압을 SNSK의 로직으로 읽는다.
 
상태확인 및 분기
카운터를 증가시키고, 200 이하에서, SNSK 핀의 로직이 Low로 읽혀지면  반복지점으로 돌아간다
카운터가 증가된 값이 200 이하에서, SNSK 핀의 로직이 High로 읽혀지면, 접촉이 감지된 상태를 출력한다.
카운터가 증가된 값이 200을 넘으면 측정시간 초과로 입력이 없는 상태를 출력한다. 

ATmega48을 사용한 QTouch 회로
 
 
QTouch 전용 칩 QT1060을 사용할 수도 있다.
 


이 프로그램은 무료 소프트웨어로, 신체와 재산 상의 어떤 위험과 손해를 보상하지 않습니다.
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