Обычные кнопки имеют определенную, заданную силу нажатия, которая заставляет их контакты замыкаться. Но в некоторых случаях было бы полезно настроить этот параметр. Например, когда нужно сделать выключатель света, который не могут включить маленькие дети.
Для получения эффекта бистабильной кнопки (включение-выключение) с помощью моностабильного переключателя, то есть нажатого на мгновение, необходим триггер. Эту роль может играть CD4013, которая будет переключать реле при каждом нажатии подключенной кнопки. Представленная схема имеет еще одну функцию: можно установить порог, при котором давление интерпретируется как достаточно сильное. Таким образом возможно установить датчик, например, под ковриком, правильно его откалибровать и обнаружить наступление на него человека, но не собаки или кошки.
Принципиальная схема кнопки с датчиком давления
На клеммы разъема J1 подается напряжение питания 12 В. Конденсаторы C2 и C3 отвечают за развязку. Кроме того, формируется напряжение, равное половине напряжения питания (опорное напряжение), которое создается делителем, установленным на резисторах R1 и R2, и конденсатором C2, который фильтрует напряжение, поступающее с этого делителя. Усилитель US1A действует как повторитель напряжения, увеличивая выход по току такого источника напряжения.
Поскольку используемый усилитель TLC272 имеет входной каскад из полевых МОП-транзисторов, ток потребляемый входами почти равен нулю. Таким образом, нет необходимости компенсировать входные токи, что потребовало бы добавления резистора между выходом и инвертирующим входом. Максимальное рекомендуемое напряжение питания для этой микросхемы может составлять 16 В.
Основные параметры кнопки
- бистабильное переключение после нажатия на датчик,
- возможность установить порог активации в диапазоне от 20 граммов до примерно 2 кг,
- небольшая толщина датчика давления: около 0,5 мм,
- выход в виде нормально разомкнутых и нормально замкнутых контактов электромагнитного реле,
- питание от 12 В постоянного тока.
Датчик давления FSR402
В качестве датчика, определяющего силу давления, использовался FSR402 фирмы Pololu. Круглая часть имеет диаметр 18 мм, а само поле чувствительное к давлению 13 мм. С другой стороны, длина фольги с выводами составляет 36 мм.
Функция этого элемента – уменьшить сопротивление под действием сжимающей силы кругового поля. На рисунке показан график, показывающий соотношение между сопротивлением и давлением в граммах. Стоит отметить, что обе его оси описываются в логарифмическом масштабе, а значит по большей части эта зависимость почти линейна – ее можно предположить для давления больше примерно 10 грамм. Вот зависимость сопротивления датчика FSR402 от давления, выраженная в граммах.
Датчик FSR402 был включен как нижняя ветвь резистивного делителя, а верхняя ветвь – R3. Делитель питается от опорного напряжения, поэтому максимальное напряжение, исходящее от этой цепи, не превышает половины напряжения питания. Это важно, потому что входы TLC272 поддерживают максимальное значение напряжения на 1,5 В ниже, чем их напряжение питания. Таким образом, когда схема запитана от 12 В, на ее вход будет подаваться не более 6 В.
Простой фильтр нижних частот, состоящий из резистора R4 и конденсатора C4, фильтрует полученное напряжение. Его частота среза составляет около 16 Гц, поэтому он блокирует наводки электросети, которые имеют частоту 50 Гц. Кроме того, он защищает чувствительный вход операционного усилителя от возможных электростатических разрядов.
Сам операционный усилитель US1B был подключен в качестве компаратора. Напряжение на делителе, содержащем датчик давления, сравнивается с напряжением установленным потенциометром P1. Резисторы R5 и R6 создают петлю положительной обратной связи, внося в схему небольшой гистерезис. Это предотвращает многократное переключение при медленном нажатии на датчик.
Когда датчик отпущен, потенциал неинвертирующего входа US1B ниже, чем инвертирующего, поэтому его выход логически низкий. Нажатие на датчик меняет ситуацию, и выходной сигнал сразу становится высоким. Это означает, что при достаточно сильном нажатии на датчик возникает нарастающий фронт напряжения. Переключение реле осуществляется микросхемой CD4013, которая имеет два синхронных триггера типа D. После того как отрицательный выход Q замыкается накоротко с входом D, создается асинхронный триггер T-типа, который меняет свое состояние после каждого нарастающего фронта, заданного его тактовому входу.
Была добавлена простая схема, гарантирующая, что реле не замыкается автоматически при включении питания. Триггер US2A управляется транзистором Т2 с нагрузкой в виде резистора R8. При включении питания этот транзистор закрывается, потому что конденсатор C6 между его затвором и истоком не заряжен. Резистор R8 устанавливает высокое логическое состояние на выводе 4 микросхемы US2, которое определяет его внутреннее состояние. Менее чем через секунду с помощью резистора R7 конденсатор C6 заряжается и транзистор T2 начинает проводить. Вход сброса US2A станет неактивен, и вся схема будет готова к работе.
Диод D2 ускоряет разряд C6 после отключения питания, благодаря чему схема быстрее становится готова к повторному включению. Транзистор T2 был добавлен для сокращения времени нарастания напряжения на входе сброса триггера. У него нет триггерного буфера Шмитта, поэтому необходимо было сократить время действия напряжения на нем в запрещенном диапазоне.
Реле управляется транзистором T1, затвор которого напрямую подключен к выходу триггера. А неиспользуемый триггер US2B подключен всеми входами к земле схемы.
Монтаж и наладка схемы
Схема кнопки с определением давления собрана на двусторонней печатной плате размером 50 х 40 мм. Предлагаем начинать сборку с припаянных к поверхности элементов, которые находятся только на верхней стороне платы. После их пайки можно переходить к потенциометру P1, конденсатору C2, разъемам и реле, которые собираются через сквозные отверстия. Схема сборки и топология дорожек на печатной плате показаны далее.
Датчик типа FSR402 следует подключать к разъему J2 или J3. У них одинаковая функция, отличается только тип. При пайке датчика непосредственно на плату лучше использовать разъем J3, имеющий тот же тип, что и контакты датчика. А при использовании проводов для соединения датчика с платой их можно вкрутить в клеммы разъема J2. Длина соединительных кабелей не имеет значения. Сопротивление датчика составляет примерно 1 кОм (или больше – в случае меньшего давления). Если соединение будет очень длинным (более 2 м) или будет находиться в сложной среде, лучше использовать двухжильный экранированный кабель. Тогда его экран следует подключить к массе только на печатной плате (например, на выводе GND разъема J1), а выводы датчика провести через провода.
Переключающие контакты реле выведены на клеммы разъема J4. Если ток протекающий через них будет превышать 5 А, рекомендуем утолщить пути, соединяющие реле с разъемом, с помощью медного провода.
Единственная операция наладки при запуске – это установка потенциометра P1 в положение, при котором схема будет срабатывать под влиянием определенного давления на поверхности датчика. Поворачивая его ползунок в сторону максимума, увеличиваем силу которая при приложении к датчику заставляет его переключаться. И наоборот, поворот в сторону минимума делает датчик более восприимчивым к включению.
Схема должна питаться постоянным напряжением около 12 В. Потребляемый ток составляет менее 2 мА при выключенном реле PK1 и увеличивается до 30 мА после включения.
