Implementando Sensores de Toque

Aprenda a projetar uma alternativa confiável aos interruptores mecânicos tradicionais com a tecnologia de sensor de toque capacitivo no Altium Designer.

A tecnologia de sensor de toque capacitivo oferece uma alternativa barata e altamente confiável aos interruptores mecânicos tradicionais usados em interfaces de controle eletrônicos. Criar ou redimensionar manualmente os padrões complexos específicos de fornecedor/tecnologia de um sensor de toque pode ser difícil e demorado. Felizmente, existe uma solução automatizada, que permite a criação e modificação fácil de formas intrincadas de sensor de toque.

SENSORES DE TOQUE CAPACITIVOS

Os interruptores e controles de sensor de toque capacitivo oferecem várias vantagens sobre os interruptores mecânicos tradicionalmente usados em produtos eletrônicos. Por um lado, os sensores de toque são implementados diretamente no cobre de uma PCB. Não há partes móveis que possam falhar ou se desgastar com o tempo. Os sensores de toque capacitivos também são projetados para funcionar através de uma variedade de coberturas, incluindo plástico, vidro, plexiglass, máscara de solda, papelão e madeira, bem como muitos outros materiais. Sua cobertura superficial os torna resistentes a substâncias que poderiam ser prejudiciais a um interruptor manual, como água, umidade, poeira, sujeira, graxa, produtos químicos agressivos e agentes de limpeza.

Dado esses benefícios dos sensores capacitivos, a questão se torna, como você pode implementá-los em seus dispositivos eletrônicos? Interruptores e controles sensíveis ao toque usados em produtos eletrônicos podem ser fabricados de forma econômica e podem vir em diferentes versões, como pinos de toque e em placas de expansão. Os produtos nos quais eles são incorporados são frequentemente mais intuitivos do que componentes mecânicos tradicionais, são mais fáceis de manter e proporcionam uma qualidade geral mais alta e confiabilidade a longo prazo.

Exemplos de aplicações práticas de sensores de toque capacitivos podem ser encontrados em tudo, desde eletrodomésticos e eletrônicos de consumo até controles industriais e equipamentos marítimos, dispositivos móveis e PCs e periféricos, até dispositivos médicos, e muitos outros.

TECNOLOGIA DE TOQUE CAPACITIVO

Para este tutorial sobre sensor de toque capacitivo, o sensoriamento de toque capacitivo é definido como ativando quando um dedo humano se aproxima de um eletrodo sensor de toque capacitivo gravado em cobre em uma PCB. Isso causa a mudança da capacitância do eletrodo sensor. Essa mudança na capacitância é detectada em uma entrada de microcontrolador de propósito geral, ou em uma entrada de dispositivo de controle de toque dedicado, conectada ao eletrodo sensor. O microcontrolador ou dispositivo de controle de toque então atualizará o estado de um ou mais sinais de pino de controle de saída digital em uma resposta programada específica à mudança de sensoriamento capacitivo reconhecida por um eletrodo sensor específico.

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Existem dois tipos diferentes de sensibilidade capacitiva. Eles são conhecidos como Sensibilidade de Auto-Capacitância e Sensibilidade de Capacitância Mútua.

A Sensibilidade de Auto-Capacitância ocorre quando a presença de um dedo humano aumenta a capacitância de um único eletrodo sensor. Esse aumento de capacitância é então processado conforme descrito acima.

A Sensibilidade de Capacitância Mútua ocorre quando a presença de um dedo humano diminui o acoplamento mútuo entre dois eletrodos sensores emparelhados. Quando essa queda na capacitância (no eletrodo receptor) é detectada, ela é então processada conforme descrito acima.

Figura 1 - Sensibilidade de Auto-Capacitância à esquerda e Sensibilidade de Capacitância Mútua à direita

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FORMAS DE SENSORES DE TOQUE

Os sensores de toque consistem principalmente de três tipos gerais: Botões, Deslizantes e Rodas.

Botões permitem um controle de alternância a partir de um único ponto de contato de sensibilidade ao toque capacitivo. Por exemplo, se você tocar em um determinado sensor de botão uma vez, um circuito de iluminação é ativado. Se tocar no mesmo sensor de botão novamente, o circuito de iluminação é desativado.

Os controles deslizantes permitem um controle de nível de um ponto mínimo a um ponto máximo. Por exemplo, se você tocar em um determinado controle deslizante em seu ponto mínimo, o circuito de iluminação conectado será ajustado para o nível de luz mais fraco. Agora, arraste seu dedo desse ponto inicial pelo sensor deslizante em direção ao ponto máximo, e o circuito de iluminação aumenta gradualmente em brilho.

Para sensores de Roda, talvez o exemplo mais comum seja o controle de volume. Toque e arraste seu dedo no sentido horário ao longo da roda para aumentar o volume do áudio do seu dispositivo. Toque e arraste seu dedo no sentido anti-horário ao redor do sensor da roda, e o nível de volume diminui. Entre Botões, Controles Deslizantes e Rodas, você pode controlar praticamente qualquer dispositivo com apenas um simples toque.

Agora que temos um entendimento básico de como os sensores de toque funcionam, vamos dar uma olhada em como eles podem ser implementados em um layout de PCB de detecção capacitiva. Na figura abaixo, um Botão, Controle Deslizante e Roda são todos mostrados implementados como sensores do tipo Auto-Capacitância na camada de Cobre Superior. Abaixo disso, há outro conjunto de exemplo de um Botão, Controle Deslizante e Roda, desta vez implementados como sensores do tipo Capacitância Mútua nas camadas de Cobre Superior e Inferior (sensores de Capacitância Mútua são configurados como pares de eletrodos de sensor).

Figura 2 - Botão, Deslizante e Roda implementados como Sensores de Capacitância Própria na parte superior e Sensores de Capacitância Mútua na parte inferior

Os eletrodos dos sensores de toque, especialmente o sensor de roda, possuem formas muito complicadas. Criar manualmente tais formas no seu software de Design de PCB é uma tarefa tremendamente desafiadora e demorada, mesmo para os designers de PCB mais experientes. Agora pense em redimensionar ou modificar os detalhes dos sensores existentes, se necessário. Sem uma maneira fácil e automatizada de criar ou modificar eletrodos de sensor de toque capacitivo, pode ser difícil até mesmo considerar a implementação de sensores capacitivos, apesar de suas inúmeras vantagens. Felizmente, existe uma maneira fácil e automatizada de fazer isso. Vamos dar uma olhada em um método de criar e modificar facilmente as formas complexas e configurações físicas dos eletrodos de sensor de toque.

CONFIGURAR BIBLIOTECAS DE SENSOR DE TOQUE

Essas formas podem parecer complicadas à primeira vista, mas você pode facilmente dimensioná-las e configurá-las para atender às suas necessidades. O Altium Designer inclui bibliotecas especiais e configuráveis, específicas para sensor de toque, para a tecnologia de toque da Atmel, Cypress e Microchip. Cada biblioteca é configurável para os requisitos detalhados e específicos do fornecedor para forma, tamanho e layout de cada tipo de sensor e tecnologia.

Essas capacidades e bibliotecas específicas de fornecedores devem ser ativadas dentro das Extensões do Altium Designer e no painel de Atualização e Configuração da Plataforma. O suporte a Sensores de Toque específicos de fornecedores é fácil de ativar, indo até DXP » Extensão e Atualizações » Instalado (aba) » Configurar (link) e ativando as opções de Suporte a Sensor de Toque: Atmel QTouch, Cypress CapSense e Microchip mTouch, conforme mostrado na figura abaixo.

Figura 3 - Ativando as opções de Suporte a Sensor de Toque para Atmel, Cypress e Microchip

Após ativar essas capacidades, reinicie o Altium Designer (a ativação não requer licença adicional). As bibliotecas de sensores de toque específicas de fornecedores agora podem ser encontradas na pasta pública /Libraries dentro da instalação do Altium Designer e estão prontas para serem adicionadas ao painel de Bibliotecas. A figura abaixo mostra as bibliotecas integradas ‘Atmel QTouch.IntLib’, ‘Cypress CapSense.IntLib’ e ‘Microchip mTouch.IntLib’, instaladas e disponíveis dentro do painel de Bibliotecas. Símbolos esquemáticos específicos para toque configuráveis agora podem ser facilmente colocados e configurados.

Figura 4 - Bibliotecas de Sensores de Toque Disponíveis

Cada uma dessas bibliotecas específicas de sensores de toque contém um conjunto de símbolos esquemáticos, representando cada tipo possível de layout de eletrodo de sensor específico do fornecedor - Botão, Deslizante ou Roda. Os símbolos são colocados no esquemático e conectados ao respectivo circuito controlador de toque, exatamente da mesma forma que qualquer outro componente seria colocado e conectado. No entanto, o que é único nesses símbolos é o botão Configurar no canto inferior esquerdo do painel de propriedades. Este botão permite que você configure o tipo e as dimensões físicas precisas do layout do eletrodo do sensor. Um símbolo de sensor de toque configurável é do tipo ‘Padrão (Sem BOM)’, pois representa uma forma a ser gravada diretamente em cobre, em vez de um componente físico povoado.

CONFIGURANDO UM SÍMBOLO DE SENSOR DE TOQUE

Os símbolos obtidos das bibliotecas específicas de sensores de toque devem ser configurados para um tipo específico e dimensões físicas específicas, conforme os requisitos de design elétrico e mecânico. No painel de propriedades de um símbolo de sensor de toque colocado, a seção Modelo está completamente vazia, pois não há um modelo de footprint associado ao símbolo. Isso ocorre porque as configurações de usuário especificadas dentro do símbolo são usadas para gerar o layout automaticamente quando uma Atualização para Placa de Circuito Impresso PCB ECO é executada.

Figura 5 - Configurando a Altura, Largura e Espaçamento de um sensor deslizante Atmel QTouch

A figura acima mostra o diálogo de Configuração de um símbolo de deslizante Atmel QTouch de tamanho médio, onde são especificadas as dimensões de Altura, Largura e Espessura do Espaçamento do sensor deslizante. Se forem inseridos valores inválidos, eles não serão aceitos, e uma mensagem exibirá a faixa de valores aceitáveis. Após a execução de uma Atualização para ECO de PCB, a pegada resultante do sensor pode ser colocada em qualquer camada de sinal, posicionada, movida ou rotacionada, assim como a pegada de um componente regular.

Assim como em qualquer componente padrão, um link de componente foi estabelecido dentro do projeto, associando a pegada do sensor de toque capacitivo no documento de PCB com seu símbolo no documento esquemático. Nas propriedades de uma pegada de sensor capacitivo, também existe um diálogo de Configuração idêntico ao do símbolo. Isso significa que a pegada do sensor de toque colocada pode ser reconfigurada dinamicamente no documento de PCB. A configuração resultante pode então ser sincronizada de volta para o símbolo do sensor de toque no esquemático, realizando uma Atualização para ECO Esquemático.

EXEMPLO DE DESIGN DE SENSOR DE TOQUE

Uma vez que todos os sensores estejam posicionados, eles podem então ser roteados para seus circuitos controladores. Cada fornecedor fornece diretrizes e melhores práticas para o posicionamento e roteamento dos sensores. Também estão disponíveis diretrizes e melhores práticas específicas de fornecedores para o projeto do circuito controlador de sensor de toque necessário. Datasheets de microcontroladores específicos do fornecedor ou controladores de toque de propósito dedicado detalharão exatamente o que é necessário em termos de componentes ativos e passivos de suporte necessários para controlar os canais individuais do sensor de toque.

A figura abaixo mostra um projeto de sensor de toque capacitivo concluído, consistindo de nove Botões, um Slider e uma Roda. Ele também possui dois dispositivos controladores de sensor de toque de propósito dedicado. O design foi baseado em dois dispositivos Atmel QTouch AT42QT2100, e as pegadas dos sensores de toque foram criadas usando o ‘Atmel QTouch.IntLib’ e a capacidade de geração de suporte de sensor de toque associada dentro do Altium Designer.

A Roda e o Slider foram redimensionados várias vezes por considerações mecânicas durante o layout da placa. Muitas horas foram economizadas usando a geração automática de pegadas de sensor, que criou e subsequentemente modificou essas formas complexas de cobre intrincadas.

Figura 6 - Painel de Toque com 9 Botões, 1 Slider e 1 Roda controlados por 2 dispositivos Atmel AT42QT2100

CONCLUSÃO

A tecnologia de sensores de toque oferece enormes benefícios em comparação aos componentes de interruptores mecânicos tradicionalmente usados em controles de interface. Criar ou modificar manualmente os eletrodos de sensor de toque complexos e intricadamente moldados em um design de PCB pode ser uma tarefa árdua. No entanto, usar uma abordagem automatizada ao criar ou modificar eletrodos de sensor de toque capacitivo em um design economiza tempo e produz resultados precisos de forma previsível, de acordo com os requisitos específicos do fornecedor. O suporte a Sensor de Toque no Altium Designer facilita a criação e modificação dos layouts tutoriais de sensor de toque capacitivo, tornando-os fáceis, previsíveis e precisos conforme as especificações do fornecedor.

LINKS ÚTEIS

Atmel QTouch e QMatrix

- Microcontroladores AVR de 8 bits ou de 32 bits

- Dispositivos controladores dedicados QTouch e QMatrix

- Dispositivos PSoC

- Dispositivos controladores dedicados CapSense

- Microcontroladores PIC de 8, 16 ou 32 bits

- Dispositivos controladores dedicados mTouch

Referências

- Toque em Microcontroladores

- Controladores CapSense

- Botões mTouch