Opnemers en sensoren zijn de oren en ogen van een processturing. Werd vroeger vooral met lichtstaalonderbrekers en drukknoppen gewerkt, tegenwoordig zijn er talloze handige 'breakout-boards' met contactloze sensoren verkrijgbaar.
Omdat ik in een eerder project de 5 volt stroomvoorziening op orde had gebracht voor mijn experimenten met (fischertechnik) elektronicamodules vond ik het een goed moment eens te spelen met een contactloze aanraakschakelaar.
Deze kleine contactloze schakelaars blijken een prima vervanging te zijn voor mechanische schakelaars en drukknoppen.
In de digitale elektronica is een synchroon circuit een digitale schakeling of component waarvan de veranderingen in de toestand worden gesynchroniseerd door een kloksignaal. De Flipflop of Monoflop zijn hier een goed voorbeeld van. De benodigde ‘klokpuls’ is niet meer dan een signaal met een zeer steile potentiaalovergang. Als een sensor, opnemer of drukknop in een model of regeling gebruikt moet worden als een dergelijk stuursignaal, is het belangrijk dat deze overgang, het schakelmoment, afdoende ‘ontstoord’ wordt.
In de fischertechnik (elektronica-)hobby boeken werd dit verschijnsel reeds uiteengezet. De ruis van de contacten kan op het schakelmoment gemakkelijk ten onrechte als een snel opeenvolgende serie klokpulsen worden geïnterpreteerd en daardoor onvoorspelbare resulaten opleveren. Om een drukknop of schakelaar als bruikbare klokpuls voor de CP-ingang van de Flipflop te gebruiken wordt aangeraden deze te ontstoren met een 100 nF condensator. Door de condensator wordt het signaal ontdaan van storing rond het schakelmoment maar wordt de niveauovergang echter niet steiler. De signaalsprong bij het schakelen tussen de plus en min pool is in figuur 1 echter zo groot dat een drukknop op deze wijze afdoende kan worden ontstoord. Bij gebruik van een sensor met een langzamer verloop rond het schakelmoment (zoals een lichtgevoelige weerstand of een temperatuursensor) biedt het voorschakelen van een verschilversterker of Schmitt-trigger uitkomst.
Sinds het experimenteren met microcontrollers zoals de Raspberry en Arduino een vlucht heeft genomen, is het aanbod van betaalbare interessante sensoren en actuatoren enorm toegenomen. Er zijn z.g. breakout-boards met sensoren voor obstakeldetectie, temperatuur, beweging, magnetisme, water, trilling, licht, enz. Veel van deze boards vereisen een voedingsspanning van 5 volt.
Een prettige ontwikkeling is dat de meeste moderne sensor-boards zelf reeds zijn voorzien van een verschilversterker of Schmitt-trigger waardoor het uitgangssignaal van deze boards direct zonder ontstoring gebruikt kan worden in synchrone circuits. In software (bijvoorbeeld bij gebruik van een Arduino) hoeft hierdoor bij het detecteren van een stabiel signaalniveau geen wachttijd na de signaalverandering in acht te worden genomen, zoals gebruikelijk is bij het uitlezen van een normale drukknop. Ook bij de aansluiting op hardware, zoals bij deze testopstelling met de klassieke fischertechnik elektronicamodules ('Silberlingen'), is het ‘ontstoren’ van eventuele schakelruis dus niet nodig.
De modules van de afbeelding hierboven, met sensoren voor obstakels, vochtigheid, beweging of magnetisme kunnen dus direct zonder ‘ontstoren’ in digitale schakelingen gebruikt worden. De Hall- en Obstakel-sensoren worden tegenwoordig steeds meer als ‘contactloze’ moderne vervanger voor de traditionele drukknoppen gebruikt. Een alternatief voor door de mens bediende schakelaars of drukknoppen zou een aanraak-schakelaar kunnen zijn. Informatie over verschillende types sensoren en hun detectiemethodes is online elders te vinden.
Tegenwoordig zijn deze kleine (11x14 mm) sensoren voor heel weinig geld te koop. Na het aansolderen van een driepolige Dupont connector en eventueel zelf maken van een driepolig Dupont aansluitsnoertje, is deze contactloze schakelaar klaar voor gebruik. Bij het opleggen van een vinger op het sensorvlak (gemerkt met ‘TOUCH’) wordt de het I/O uitgangssignaal gelijk aan de voedingsspanning, welke tussen de 2.5 en 5.5 Volt bedraagt.
Op de functionaliteit van de aanraakschakelaar kan zelf nog worden ingegrepen. Zo is de gevoeligheid nog verder uit te breiden door het aanbrengen van een (SMD-)condensator. Voor de sensoren die ik testte was dit absoluut niet nodig, bij een lichte aanraking (of zelf het dicht naderen) van de sensor lichtte de LED onderop het kleine printplaatje direct op waardoor de sensor dus ook zelf al direct nuttige feedback geeft over de detectie. Een bijkomend voordeel is dus dat deze visuele terugkoppelling verder niet door de achterliggende regeling waarin de sensor wordt gebruikt hoeft te worden verzorgd.
In het verleden had ik al eens geëxperimenteerd met de RCWL-0516 radar en ‘Human Body’ sensor, maar deze bleken toen door de veel te grote gevoeligheid als aanraakschakelaar eigenlijk onbruikbaar. De ‘TTP223 Touch Switch Sensor’ heeft dit euvel zeker niet en hierdoor kunnen verschillende van deze aanraak-knoppen dicht naast elkaar toch met de juiste precisie worden bediend. Daarom zal het waarschijnlijk ook weinig moeite vergen er een compact regelpaneel, toetsenbord of zelfs muzikaal klavier meer te maken waarmee heel veel op een klein oppervlak gemakkelijk kan worden ‘geregeld’.
Het kleine printje biedt echter nog meer mogelijkheden. Soldeer-jumper A (zie detailfoto van de sensor) kan worden gesloten om de signaal-logica van positief naar negatief te schakelen. Door het sluiten van deze jumper is de signaaluitgang na inschakelen en zonder aanraking 5 volt, maar zakt naar 0 volt bij detectie van een aanraking.
Deze modus maakt de signaaluitgang bijvoorbeeld nog geschikter bij gebruik van de traditionele fischertechnik 'Silberlingen' (elektronicamodules waarvan in de voorbeeldtoepassing hieronder de Flipflop en een relais-module worden gebruikt), die met z.g. ‘negatieve logica’ werken.
Soldeer-jumper B is zo mogelijk nog interessanter. Bij het sluiten van deze jumper gedraagt de signaaluitgang zich als een T-Flipflop. Dus met een aanraking kan iets ingeschakeld worden, en bij een tweede aanraking weer worden uitgeschakeld. Dit scheelt toch snel een variabele en testconditie in de software indien de sensor met een micro-, TX- of TXT-controler wordt gebruikt, of een complete Flipflop(-module).
Om de aanraakschakelaars gemakkelijk in fischertechnik projecten te kunnen gebruiken, ontwierp en printte ik er een paar varianten van kleine bouwstenen en bouwplaten voor. De met transparant materiaal geprinte dunne (5mm) bouwsteen werkt als een diffusor voor het licht van de LED onder op het board. Ik maakte ook een dikkere bouwsteen-variant waarbij het sensorvlak zichtbaar blijft. In de opening onder het printplaatje is het licht van de (rode) LED onderop de sensor zichtbaar als deze geactiveerd is. Ik koos voor deze sensor-bouwstenen de kleur rood voor het normale aanraakgedrag en zwart voor de sensoren die afwisselend omschakelen.
Ter illustratie bouwde ik de schakeling waarbij een aanraakschakelaar via een Flipflop afwisselend schakelt tussen twee lampen (zie foto). De opmerkzame lezer herkent de voedingsspanningmodule met aansluitmogelijkheden voor sensoren met driepolige Dupont stekkers die op een andere projectpagina van deze site wordt beschreven.
Technisch het meest robuust is het wanneer bij deze sensor-boards de plus pool als middelste aansluitpin is uitgevoerd. Bij de sensoren in de foto hierboven is echter dit alleen bij de vochtigheidssensor het geval. Ook bij de TTP223 kent een afwijkende volgorde voor de drie aansluitpennen. Dit is bij het maken van de driepolige Dupont snoertjes, of bij het aansolderen van de aansluitdraden, zeker iets om op te letten. Het goede nieuws is dat mijn TTP223 niet direct de geest gaf toen ik deze per ongeluk verkeerd aansloot. En mocht dit toch gebeuren, dan zal dit met een aanschafprijs van ongeveer 10 eurocent per stuk waarschijnlijk ook geen onoverkomelijk probleem zijn.