Лепьошкін Сергій Миколайович
К. т. Н., Інженер, ТОВ «Альта Груп Фекторі», Москва
Пукемо Михайло Михайлович
Генеральний директор, ТОВ «Альта Груп»
На сьогоднішній день ємнісні вимикачі отримали досить широке поширення. Вони застосовуються в різних системах автоматики для сигналізації заповнення ємностей і упаковок, поштучного рахунку різних об'єктів, контролю натягу стрічок транспортерів, як кінцевих вимикачів та інших випадках, де необхідно безконтактне виявлення змін в навколишньому середовищі. Основними перевагами ємнісних вимикачів є відсутність механічного контакту з детектируемой середовищем, низьке споживання енергії, висока чутливість, тривалий термін експлуатації, простота пристосування вимикача до різним вживанням і настройки.
Розглянемо типовий ємнісний вимикач, який представляє собою більшу частину асортименту продукції, що випускається сьогодні виробниками подібного роду виробів. Його чутлива поверхня утворена двома металевими електродами, розташованими на протилежних сторонах текстолітової пластини. Їх поверхні беруть участь в колі зворотного зв'язку високочастотного генератора, який налаштовується таким чином, що при відсутності об'єкта детектування також відсутні і автоколивання в цьому генераторі, т. Е. Генератор не працює. Тут необхідно зазначити, що як правило саме за допомогою цієї настройки генератора і змінюється чутливість ємнісного вимикача. Зазвичай вона реалізується за допомогою багатооборотної потенціометра і доступна кінцевому користувачеві зовні корпусу ємнісного вимикача. Повернемося до роботи ємнісного вимикача. При наближенні об'єкта, що є провідником або має високу діелектричну постійну, до чутливої поверхні вимикача, збільшується ємність зв'язку між електродами ВЧ-генератора. Це призводить до того, що в останньому виникають автоколивання. Їх амплітуда реєструється оціночної схемою, і пройшовши кілька стадій обробки, вона перетворюється в команду включення виходу вимикача.
Конструктивно (рис. 1) такі вимикачі, як правило, мають форму циліндра з різьбленням, з одного торця якого розташована чутлива поверхня вимикача, а з іншого вихід кабелю, світлодіодний індикатор, а також отвір для доступу до валу потенціометра настройки ВЧ-генератора (т . е. потенціометра настройки чутливості). З торців циліндр, виконаний з металу, закривається запресованими в нього пластиковими заглушками. Одна з них, з боку чутливої поверхні, є суцільною, а інша має відповідні отвори під кабель, світлодіод і вал потенціометра. Зважаючи на це виробники в своїй більшості заявляють захищеність класу IP68 тільки з чутливою боку.
Однак заявлена захищеність не завжди відповідає реальному стану справ. Іноді, наприклад при заливці внутрішніх порожнин вимикача компаундами з низькою плинністю, між компаундом і корпусом вимикача залишаються незаповнені порожнини. У разі періодичного занурення чутливої поверхні вимикача в робоче середовище з високою плинністю, в них з часом може потрапити остання через зазори в місці прилягання пластмасової кришки до стінок циліндра. Результатом цього стає вимикач, який «завис» у включеному стані. У свою чергу термоціклірованіе, що супроводжує нас у повсякденному житті, багаторазово прискорює процес проникнення вологи в згадані вище порожнини.
З боку введення кабелю зазвичай заявляється ступінь захисту IP65. Вона, на жаль, також заявляється часто тільки на папері. Основне джерело проблем - це вал потенціометра, що не герметизований з корпусом вимикача. При високій вологості навколишнього повітря волога може проникнути як всередину самого потенціометра, так і далі до іншим електронним компонентам (в разі неякісної заливки компаундом). Як результат - в кращому випадку чутливість вимикача буде змінюватися. Особливо яскраво цей ефект відбивається при застосуванні в конструкції вимикача дешевих потенціометрів, в яких виникає ефект переходу на кшталт гістерезису від одного положення до іншого. У гіршому проникнення вологи призведе до повного виходу з ладу вимикача.
Таким чином, основними проблемними місцями ємнісних вимикачів є електромеханічні компоненти (потенціометри), а також негерметичність і неоднорідності матеріалів корпусів.
Розробка, описана в цій статті, в першу чергу спрямована на усунення перерахованих вище недоліків.
В якості основи захищеного ємнісного вимикача був обраний мікроконтролер серії STM32F051. Серед інших контролерів, що мають пам'ять FLASH або EEPROM і інтерфейс UART, вибір припав саме на нього через наявність вбудованого контролера TSC (Touch Sense Controller) і досить низьку ціну. Основою механізму вимірювання електричної ємності навколишнього середовища є саме TSC. Для настройки ємнісного вимикача використовується передача даних по послідовному каналу через UART. Зберігаються настройки в енергонезалежну FLASH-пам'ять. Більш детально цей мікроконтролер описаний в [2].
Розглянемо більш докладно механізм вимірювання електричної ємності, що застосовується в даному вимикачі. Його основою є контролер TSC, який спочатку передбачався фірмою STMicroelectronics для реалізації сенсорних кнопок. Принцип роботи ємнісного вимикача заснований на вимірюванні електричної ємності чутливої поверхні вимикача (далі - обкладка) шляхом переносу заряду на еталонний конденсатор. При зміні електричних властивостей середовища, що оточує обкладання вимикача, змінюється і електрична ємність обкладання.
Обкладання вимикача утворена одним круглим електродом. Даний електрод підключений до одного з входів контролера ємнісних сенсорів (TSC), інтегрованого в мікроконтролер сімейства STM32 (див. Рис. 2). Як описано в [3], принцип вимірювання ємності полягає в перенесенні заряду на еталонний конденсатор з постійною ємністю до моменту заряду останнього до встановленого напруги.
Цикл вимірювання полягає в наступних кроках:
1. Скидання лічильника контролера;
2. Розряд ємностей Cx і Cs (ключі S1 і S3 замкнуті, S2 розімкнений);
3. Пауза (всі ключі розімкнуті);
4. Заряд ємності Cx (ключі S1 і S3 розімкнуті, S2 замкнутий);
5. Пауза (всі ключі розімкнуті);
6. Перенесення заряду з Cx в Cs (ключі S2 і S3 розімкнуті, S1 замкнутий);
7. Пауза (всі ключі розімкнуті);
8. інкрементація лічильника контролера на 1;
9. Перевірка напруги на Cs (всі ключі розімкнуті). Якщо напруга менше напруги логічної «1», то повторюються пп. 4-9;
10. Читання результату вимірювань з лічильника контролера.
В результаті, при збільшенні електричної ємності зовнішнього середовища, збільшиться і ємність обкладання. Це призводить до того, що число ітерацій (т. Е. Результуюче значення в лічильнику контролера) в одному циклі вимірювання, необхідне для того, щоб зарядити еталонний конденсатор, зменшується. І назад, якщо електрична ємність середовища зменшується, число ітерацій збільшується. Таким чином можна визначити зміни в зовнішньому середовищі вимикача.
Структурно ємнісний вимикач складається з чотирьох основних блоків. Зв'язок ємнісного вимикача з зовнішньою апаратурою здійснюється за 4-х провідного кабелю (див. Рис. 3). По лініях «Харчування +» і «Харчування / RS_Gnd» здійснюється харчування вимикача. По лінії «RS_RX» дані через інтерфейс RS232 передаються до вимикача. Лінія «PNP_OUT / RS_TX» служить для управління навантаженням, а також для передачі інформації через інтерфейс RS232 від вимикача. Режим роботи цієї лінії за замовчуванням встановлюється як «Вихід PNP» і відповідає стандартно застосовується виходу ключа типу PNP як і у інших ємнісних вимикачів. Для перемикання даної лінії в режим передачі даних по RS232, в вимикач необхідно відправити команду на перемикання режиму роботи цієї лінії через лінію «RS_RX». Захист від кидків напруги, а також комутація та управління виходом вимикача здійснюються схемою захисту і комутації. Перетворення рівнів сигналів з RS232 в TTL виконано на мікросхемі ST232. Підсистема живлення включає в себе два лінійних фіксованих регулятора напруги номіналом 3.3 і 5 вольт. Основна обробка сигналів, прийом і передача даних, а також управління вихідним ключем здійснюється мікроконтролером серії STM32F051.
Програмна обробка вимірювань, отриманих контролером ємнісних сенсорів, представлена на рис 4.
На першому етапі проводиться фільтрація значень через інерційну ланку для згладжування шуму і статистичних викидів. Потім сигнал проходить через гистерезис і таймери включення / виключення для обмеження частоти перемикання вихідного сигналу. І тільки після цього вже дискретний сигнал подається на вихід мікроконтролера, керуючий вихідним ключем.
Корпус вимикача виконується за допомогою лиття. Друковані плати з компонентами і запрограмованими микроконтроллерами, а також з підключеним до них кабелем поміщаються в циліндричну ливарні форми. У ній виробляється їх заливка рідким адепреном, який в процесі полімеризації перетворюється в поліуретан. Таким чином, заливка і формування корпусу поєднані в одній технологічної операції. Отриманий корпус володіє всіма необхідними вимогами: він досить жорсткий для запобігання деформації конструкції, що не крихкий, герметичний, що не абсорбує вологу, стійкий до масел і нафтопродуктів, є хорошим діелектриком і «прозорий» для електричного поля, а також дозволяє ззовні спостерігати світіння світлодіода, розташованого на друкованій платі вимикача. Цим шляхом досягається реальна ступінь захисту вимикача IP68.
Налаштування ємнісного вимикача проводиться за допомогою графічного ПО для ПК. На даний момент розроблена версія конфігураційного ПО для ОС сімейства Windows (рис. 5). З його допомогою користувач може виробляти настроїти всіх параметрів, перерахованих на рис. 4. Це дозволяє робити настроювання ємнісного вимикача, не маючи фізичного доступу до нього. Для кінцевого користувача перед використанням досить відкалібрувати вимикач при знаходженні його в різних середовищах. При зануренні в середу з більш високою діелектричної постійної калибруется стан «Включено», а в середовищі з більш низькою діелектричної постійної - стан "Виключено". Обидва цих дії проводяться за допомогою натискання відповідних кнопок - «Калібрування вкл.» І «Калібрування викл.».
Таким чином був розроблений ємнісний вимикач, позбавлений основних недоліків більшості традиційних ємнісних вимикачів. Його корпус, повністю литий з поліуретану, забезпечує ступінь захисту IP68 і надійно захищає компоненти вимикача від проникнення пилу і вологи. Відсутність електромеханічних елементів значно підвищує надійність конструкції, і, при дотриманні умов експлуатації, робить її практично вічної. Відмова від аналогових елементів настройки дозволив усунути її дрейф, що виникає при зміні зовнішніх умов навколишнього середовища. Застосування таких вимикачів в системах автоматики дозволить значно підвищити відмовостійкість і довговічність останніх.
ЛІТЕРАТУРА
1. Олександр Калачов. Сенсорні кнопки? з рішеннями від STM ще простіше! // Новини Електроніки. 2011. № 9.
2. STM32F051 Reference Manual //
3. STM32 Touch Sensing Controller //
Оригінальну журнальну версію статті: "Захищений ємнісний вимикач з цифровим інтерфейсом" скачати в pdf